Internet Rzeczy nie jest od Rzeczy

Nikola Tesla

Dlaczego Internet Rzeczy nie jest od Rzeczy? W pierwszej chwili sama nazwa wprowadza nam delikatny mętlik w głowie. Chcąc lepiej zrozumieć ideę Internetu Rzeczy, musimy sobie uświadomić, że nie jest ona powiązana z żadnymi rzeczami.

Oczywiście technologia IoT polega na połączeniu urządzeń, rzeczy, w jedną globalną sieć w celu gromadzenia oraz wymiany informacji pomiędzy sobą. Największą jednak siłą rozwiązań IoT są „dane”, które możemy gromadzić w sposób nieprzerwany i dzięki nim podejmować kluczowe decyzje związane z procesem produkcyjnym lub naszym życiem.

To właśnie dlatego często używamy określenia Internet danych zamiast Internet Rzeczy. Idea ta zbliża nas coraz bardziej do wizji, jaką w 1926 roku roztaczał Nikola Tesla w wywiadzie dla magazynu „Colliers” – kiedy łączność bezprzewodowa osiągnie swój szczytowy poziom, cały świat zmieni się w jeden wielki mózg, w którym poszczególne urządzenia będą tworzyć spójną, rytmiczną całość. Poniższy artykuł jest próbą przybliżenia wszystkim technologii transmisji, które są „sercem” Internetu Rzeczy.

Wi-Fi – ciągle aktualne

W zasadzie technologia Wi-Fi rozwija się od niedawna. Od czasów pierwszych cywilizacji (około sześć tysięcy lat temu) z Wi-Fi nie działo się zupełnie nic. Zaledwie od 30 lat zauważamy rozwój technologii bezprzewodowych. Pierwsza oficjalna wersja Wi-Fi została wydana w 1997 roku pod nazwą IEEE 802.11-1997. Kolejnym krokiem było pojawienie się standardu 802.11a (częstotliwość pracy 5 GHz) oraz 802.11b (częstotliwość pracy 2,4 GHz). Oferowane na tamte czasy prędkości transmisji w odniesieniu do dzisiejszych standardów nie były imponujące – standard 802.11g osiągał zawrotne 54 Mb/s. Dopiero w ciągu ostatnich 10 lat widzimy ogromny wzrost zainteresowania szeroko rozumianą mobilnością.

WI-FI – EWOLUCJA PRĘDKOŚCI WI-FI JAKO PODSTAWOWE MEDIUM DOSTĘPOWE

WI-FI – EWOLUCJA PRĘDKOŚCI WI-FI JAKO PODSTAWOWE MEDIUM DOSTĘPOWE

Rysunek 1. Przykładowa ewolucja dostępnych prędkości w zależności od ilości anten, strumieni przestrzennych i standardu, źródło: cisco.com

 

W 2009 roku opublikowano rozszerzenie IEEE 802.11n, które okazało się milowym krokiem w rozwoju komunikacji bezprzewodowej (praca na częstotliwościach 2,4 GHz oraz 5 GHz) – oferowało prędkość transmisji nawet do 600 Mb/s. Kolejne wersje (opisane standardem IEEE 802.11ac) oferują jeszcze więcej – prędkość nawet do 1 Gb/s. Dla potrzeb IoT zdefiniowano także standardy IEEE 802.11af oraz 802.11ah: w przypadku tych standardów transmisja realizowana jest w paśmie częstotliwości poniżej 1 GHz, a zasięgi osiągają około 1 km. Dzięki takim zasięgom oraz dużym prędkościom transmisji (sięgającym nawet do 2–3 Gb/s), ściągnięcie jednego filmu w jakości Full HD zajmuje kilka sekund.

Bluetooth Low Energy – „niebieski ząb”

Harald Sinozębny, słynny duński władca, przychodząc na świat około 911 roku n.e., nie przypuszczał, że stanie się protoplastą jednej z najważniejszych współczesnych mobilnych technologii dostępowych. Duży wkład w rozwój technologii BL w latach 90. miała firma Ericsson – jeden z twórców wpadł na tę nazwę podczas lektury książki o wikińskim władcy. Przydomek Haralda we współczesnym mu języku brzmiał Blátonn – „niebieski kieł”. To już możemy łatwo przetłumaczyć na język angielski: blue tooth. Skąd zatem wziął się popularny znaczek, wszechobecny w naszych telefonach? Inicjały Haralda Sinozębnego w języku staronordyckim odpowiadają łacińskim literom H.B., co w alfabecie runicznym odpowiadało znakom Hagalaz i Berkanan, które widać poniżej. Przechodząc od ciekawej historii do czasów teraźniejszych, wielu z nas nie wyobraża sobie codziennego życia bez technologii Bluetooth lub jej odmiany niskoenergetycznej Bluetooth Low Energy.

 

Rysunek 2. Runy Hagalaz + Berkanan = logo

 

Dzięki tej technologii możemy:

  • wymieniać lub synchronizować dane między komputerami i urządzeniami obsługującymi technologię Bluetooth;
  • używać bezprzewodowej klawiatury i myszy z obsługą technologii Bluetooth;
  • łączyć się bezprzewodowo z drukarkami, zestawami słuchawkowymi, słuchawkami i głośnikami obsługującymi technologię Bluetooth;
  • udostępniać innym urządzeniom Bluetooth połączenie z internetem.

Myśląc o potrzebach wynikających z definicji Internetu rzeczy, opracowano standard Bluetooth Low Energy (BLE). Węzły sieci komunikują się w paśmie częstotliwości 2,4 GHz – wykorzystując 40 kanałów radiowych o szerokości 2 MHz. BLE, oprócz ograniczenia poboru energii, likwiduje konieczność ciągłego parowania ze sobą połączonych już raz urządzeń. Nowa generacja kładzie mniejszy nacisk na podtrzymywanie stałego strumienia informacji. Zamiast tego koncentruje się na wysyłaniu mniejszych porcji danych, kiedy jest to potrzebne, a następnie przełącza połączenie w tryb uśpienia – na czas, gdy nie jest ono używane. Planowany rozwój standardu w kierunku możliwości budowy sieci BLE w topologii „mesh” (połączenie każdego urządzenia wieloma drogami z innymi urządzeniami) spowoduje, że stanie się on prawdziwą konkurencją dla standardu ZigBee.

ZigBee, czyli „cichy taniec pszczoły”

Podczas przygotowywania tego artykułu zastanawiałem się, co ciekawego można napisać o standardzie ZigBee, który od strony praktycznej przez wielu specjalistów uważany jest za najlepszą metodę komunikacji bezprzewodowej stosowanej w systemach IoT. Jednak niewielu z nas zdaje sobie sprawę, że twórcy tej technologii inspiracji szukali w przyrodzie. ZigBee – skąd ta nazwa? Bee to po angielsku pszczoła. Uprawiany przez pszczoły, w celach wymiany informacji, cichy taniec jest określany w języku angielskim jako zig–zag. Składając powyższe, otrzymujemy ZigBee. Charakterystyczne cechy sposobu wymieniania przez pszczoły informacji są niemalże w całości identyczne z ideami przyświecającymi twórcom standardu ZigBee. Są to: brak sztywnej konfiguracji sieci komunikacyjnej, łatwość jej dynamicznej rekonfiguracji, lokalny zasięg, proste sygnały sterujące komunikacją (co wiąże się z wymaganą niewielką przepływnością danych), bezpieczeństwo przesyłanych danych (pszczoły modyfikują swój język, stosując coś w rodzaju szyfrowania). To właśnie technologia ZigBee otworzyła drzwi producentom tanich urządzeń przenośnych (z założenia pobierających niewiele energii), które nie wymagają dużych prędkości i dużych zasięgów transmisji danych. Dziś uważa się, że technologia ZigBee będzie przez najbliższe lata wiodącą technologią w zakresie rozwiązań inteligentnego domu, jak również w przypadku komunikacji M2M (z ang. Machine To Machine). W czerwcu 2017 roku ZigBee Alliance ogłosiło dostępność ZigBee PRO 2017. Standard ten wspiera urządzenia współpracujące ze sobą w ramach ZigBee 3.0. ZigBee PRO 2017 pozwala producentom budować urządzenia działające w ramach jednej sieci, ale pracujące w różnych pasmach, dzięki czemu lepiej radzą sobie one zarówno z wymaganiami technologicznymi, jak i z wyzwaniami wynikającymi z ich otoczenia. W ramach ZigBee PRO 2017 możemy jednocześnie pracować w dwóch pasmach ISM: 800–900 MHz oraz 2,4 GHz. Dzięki wskazanym kluczowym przewagom nad konkurencją (większy zasięg, zmniejszony pobór mocy, niskie koszty utrzymania w aplikacjach o małym zapotrzebowaniu na przepustowość), ZigBee jest aktualnie głównym standardem stosowanym w szeroko pojętym Internecie rzeczy.

Sieci komórkowe NB-IoT oraz LTE-M – telekomy w natarciu

Wydawać by się mogło, że rozwój technologii związanych z IoT odbywa się bez udziału największych operatorów telekomunikacyjnych. Nic bardziej mylnego – najwięksi operatorzy przez lata mocno pracowali nad nowymi technologiami, które będą mogły być wykorzystywane w świecie IoT. Już w 2011 roku, gdy najwięksi krajowi operatorzy rozpoczęli wspólny projekt budowy sieci dostępowej opartej na technologii LTE, wiadomo było, że zrewolucjonizuje ona dotychczasowy model dostępu do usługi internetu mobilnego. Zaledwie 5 lat później, w 2016 roku, po raz pierwszy w historii ruch w sieci LTE był większy niż ten w sieci 3G. Dzisiaj ciężko wyobrazić sobie sytuację, w której nie mamy możliwości obejrzenia ciekawego filmiku na YouTube czy posłuchania naszej ulubionej muzyki z portalu Spotify. Kolejnym krokiem było powstanie rozwiązań wyspecjalizowanych, opartych o sieć 4G LTE. W 2016 roku organizacja 3GPP wprowadziła dwa nowe standardy komunikacji: NB-IoT (Narrow Band Internet of Things) oraz LTE-M (Long Term Evolution for Machines). Standardy te łączą w sobie wszystkie cechy, które są utożsamiane z ideą Internetu rzeczy. Oba standardy funkcjonują w licencjonowanym paśmie i naturalnie rozwijane są przez operatorów, którzy mają już infrastrukturę LTE. Główną zaletą wykorzystywania licencjonowanego pasma jest fakt, iż jest ono wolne od zakłóceń. Na terytorium Polski standard NB-IoT rozwijany jest przez operatora T-Mobile Polska, natomiast standard LTE-M rozwijany jest przez Orange Polska. Jak sama nazwa wskazuje, NB-IoT to energooszczędna transmisja w wąskim pasmie – 200 kHz, z niską przepustowością (<250 kb/s) oraz opóźnieniami na poziomie pojedynczych sekund. Jednocześnie standard ten zapewnia bardzo dobry zasięg od 5 do 50 km, w zależności od poziomu urbanizacji i przeszkód naturalnych. Wąskopasmowa praca pozwala na dużą koncentrację urządzeń podłączonych w ramach jednej komórki – od 50 do 100 tys. urządzeń. Znaczącym minusem rozwiązania NB-IoT jest fakt, iż ze względu na długi czas rejestracji urządzenia w sieci przełączanie pomiędzy komórkami powoduje zwiększenie poboru mocy. Z tego względu standard ten nie powinien być wykorzystywany w rozwiązaniach mobilnych. Standard LTE-M wykorzystuje szersze pasmo 1,4 MHz oraz oferuje większą prędkość transmisji – <1 Mb/s. Opóźnienia w porównaniu z NB-IoT są dużo mniejsze – około 10–15 ms. LTE-M może być wykorzystywany tam, gdzie nie sprawdzają się rozwiązania NB-IoT, czyli w urządzeniach mobilnych (np. w transporcie, gdzie urządzenie musi szybko zmieniać komórki sieci). Parametrem przemawiającym na niekorzyść LTE-M w stosunku do NB-IoT jest stosunkowo gorsza przenikalność sygnału przez przeszkody. W zależności od warunków oraz wewnętrznych lub LTE-M mogą pracować przy zasilaniu bateryjnym nawet przez okres 10 lat (bateria około 5 Wh).

 

Rysunek 3. Protokoły komunikacji wykorzystywane w IoT

 

Nowi gracze – sieci LPWAN

Natura nie znosi próżni – tym stwierdzeniem możemy określić powstanie rozwiązań spełniających założenia sieci LPWAN (z ang. Low Power Wide Area Network). Do niedawna prym w zakresie komunikacji M2M wiodły sieci telefonii komórkowej. Jednak rozwiązania te często są zbyt kosztowne w implementacji, a szybkość transmisji niepotrzebnie wysoka. Sieci LPWAN są zoptymalizowane pod kątem niskiego wydatku energetycznego i dużego zasięgu wymaganego w aplikacjach IoT i M2M, a nie szybkości komunikacji. Z tego powodu prędkość przesyłania danych jest niska i wynosi maksymalnie kilkadziesiąt kb/s. Dwa najpopularniejsze standardy z tej rodziny to Sigfox oraz LoRa. Standard Sigfox powstał we Francji w 2009 roku. W Europie sieć Sigfox pracuje w pasmie 868 MHz. Dużym ograniczeniem jest fakt, iż ten typ sieci wymaga budowy własnej infrastruktury technicznej. Alternatywą jest wykorzystanie istniejącej infrastruktury operatorów sieci komórkowych lub publicznej infrastruktury technicznej. Od strony technicznej transmisja z urządzenia do komórek sieci działa na zasadzie rozgłaszania – w momencie kiedy urządzenie wysyła dane, docierają one do najbliższej stacji bazowej. Dane transmitowane są do chmury Sigfox, gdzie są agregowane, analizowane i mogą być pobierane do końcowych rozwiązań softwarowych (aplikacje użytkownika). Podczas działania urządzenia nie jest wymagane utrzymanie stałej łączności z komórką sieci. Zasięg działania jednej stacji bazowej to nawet 50 km dla otwartych przestrzeni, natomiast w przestrzeni miejskiej od 3 do 10 km. Kolejnym ograniczeniem sieci Sigfox jest fakt, iż nie nadaje się ona, w odróżnieniu do standardu LoRaWAN, do budowy prywatnych sieci IoT. Natomiast może być wykorzystywana przy budowie rozległych rozwiązań związanych z monitoringiem przestrzeni publicznej (Smart City). Standard LoRaWAN został opracowany przez firmę Cycleo z Francji. Następnie został nabyty w 2012 roku przez firmę Semtech, która zajmuje się budową interfejsów radiowych dla standardu LoRa. Obecnie standard ten rozwijany jest przez organizację non-profit LoRa Alliance. Sieć LoRaWAN w Europie pracuje na częstotliwości 868 MHz. Architektura, podobnie jak w sieci Sigfox, oparta na topologii gwiazdy, w której bramki są pomostami zapewniającymi transmisję pomiędzy urządzeniami końcowymi a serwerem centralnym. Dużą zaletą w porównaniu z siecią Sigfox jest fakt, iż standard LoRa zapewnia łączność dwukierunkową. Dzięki temu możemy sterować pracą urządzeń oraz wykonywać zdalną aktualizację oprogramowania. Dodatkowym plusem jest możliwość tworzenia sieci prywatnych i sprawowania nad nimi pełnej kontroli. Zasięg stacji bazowej w otwartej przestrzeni to 15 km, a w przestrzeni miejskiej od 2 do 5 km. Największą zaletą jest fakt, iż technologia jest całkowicie otwarta i nie wymaga ponoszenia żadnych opłat abonamentowych związanych z użytkowaniem urządzeń. Standard LoRaWAN jest bardziej elastyczny – dzięki temu możliwy jest rozwój sieci nie tylko przez dużych operatorów telekomunikacyjnych, ale także przez prywatne inicjatywy lub start-upy.

Podsumowanie

Rozwój technologii wydaje się nabierać coraz większego tempa… Internet rzeczy nie jest już ciekawostką, jaką był jeszcze kilka lat temu. Dzięki gwałtownemu rozwojowi technologii transmisji oraz protokołów komunikacji stał się dobrem, po które każdy z nas może sięgnąć w dowolnym momencie (np. rozwiązania Smart Home, Smart City, Smart Healthcare). Czy za kilka lat wizja Nikoli Tesli stanie się rzeczywistością? Nie wiemy, jednak pewne jest, że świat zmierza w kierunku optymalizacji procesów, większej wydajności lub po prostu oszczędności czasu. Właśnie agregacja i analiza ogromnych ilości danych zbieranych przez rozległe sieci różnego rodzaju sensorów umożliwia nam podejmowanie bardzo precyzyjnych decyzji. W naszej ocenie rozwój IoT będzie mechanizmem napędowym dla kierunku, który prawie 100 lat temu wyznaczył nam Nikola Tesla.