W dotychczasowych artykułach poświęconych tematyce komunikacji w sieciach IoT opisywaliśmy rozwiązania działające lokalnie, które bazują na standardach takich jak Wi-Fi, ZigBee czy Bluetooth. Internet rzeczy to również tematyka dużych, rozproszonych na rozległych terenach sieci – przykładowo tych używanych w zastosowaniach związanych z monitoringiem zanieczyszczeń powietrza czy poziomu wód, kontrolą natężenia ruchu ulicznego i parkowania pojazdów oraz wieloma innymi aplikacjami. W artykule przedstawiamy dwa coraz powszechniejsze standardy komunikacyjne, które wykorzystywane mogą być w takich zastosowaniach.
────── Artykuł firmowy ──────
Internet Rzeczy to szeroka grupa różnorodnych aplikacji, aczkolwiek wiele z nich ma podobne cechy i stawia się w nich podobne wymagania odnośnie do stosowanych węzłów sieci oraz protokołów komunikacyjnych. Do takich należą:
- Niskie zużycie energii – aplikacje typowo korzystają z dużej liczby sensorów rozmieszczonych w odległych lokalizacjach, stąd też węzły sieci muszą zużywać jak najmniej energii podczas pracy;
- Sensory zazwyczaj nie generują dużych ilości danych i mogą być nawet nieaktywne przez długi czas – w tym czasie koszty związane z ich utrzymaniem oraz podbierana energia muszą być zminimalizowane;
- Wymaganie niskiego kosztu sprawia, że opłaty abonamentowe za korzystanie z sieci powinny być zerowe lub bardzo niskie, tak jak i użyty sprzęt powinien być prosty i tani;
- Transmisja na duże odległości powinna być możliwie odporna na zaburzenia;
- Pojemność sieci powinna być na tyle duża, aby obsłużyć bardzo dużą liczbę urządzeń w przypadku projektów o dużej skali;
- Sieć komunikacyjna powinna też zapewniać odpowiedni poziom bezpieczeństwa.
Jakie są więc popularne sieci bezprzewodowe dalekiego zasięgu, które mogłyby sprostać powyższym wymaganiom? W tego typu aplikacjach typowe opcje sprowadzają się do skorzystania z rożnych odmian protokołów bezprzewodowych sieci komórkowych oraz rozległych sieci o małym poborze mocy (Low-Power Wide Area Network, LPWAN), takich jak LoRaWAN i Sigfox.
LoRaWAN
LoRaWAN to radiowy protokół komunikacyjny dalekiego zasięgu, który pozwala urządzeniom łączyć się z Internetem przy utrzymaniu niskiego poboru mocy. Technologia ta pozwoliła rozwiązać duży problem w obszarze Internetu Rzeczy dzięki możliwości uzyskania nawet pięcioletniego okresu pracy na pojedynczej baterii, a w efekcie niskich kosztów utrzymania sieci czujnikowych.
LoRaWAN bazuje na otwartym standardzie – korzysta się tu z niewymagającego ponoszenia opłat licencyjnych spektrum radiowego ISM (Industrial, Scientific, Medical). W Europie LoRaWAN działa na częstotliwości 868 MHz, a w USA na 915 MHz. Wielu operatorów telekomunikacyjnych zainteresowało się LoRaWAN i zaczęło tworzyć infrastrukturę w tym standardzie, dostarczając usługi na niej oparte w różnych krajach na całym świecie. Sprawia to, że LoRaWAN staje się jeszcze bardziej interesującą technologią, gdyż jest kompatybilna z sieciami zbudowanymi przez różnych operatorów, zarówno małych, jak i pokrywających bardzo duży obszar. Zarządzaniem standardem LoRaWAN zajmuje się LoRa Alliance – grupa złożona z ponad 500 członków, którzy wspierają protokół oraz tworzą zgodne z nim komponenty, produkty i usługi. Przykładami takich firm są Microchip, ST, Cisco, Softbank oraz ARM. Więcej informacji na ten temat tutaj.
Architektura sieci
LoRaWAN składa się z czterech głównych komponentów. Są nimi:
- Urządzenia końcowe – obsługują określone funkcje (np. czujnikowe), mogą wykonywać obliczenia oraz wyposażone są w moduły radiowe. Urządzenia te mogą przesyłać dane do bramek oraz same otrzymywać dane. Mogą pracować z użyciem małej baterii nawet przez wiele lat, o ile tylko zostaną wprowadzone do stanu głębokiego uśpienia, celem optymalizacji poboru mocy. Wyróżnia się tu urządzenia klas A, B i C – opis tutaj.
- Bramki (modemy, punkty dostępu) – odbierają dane nadawane przez węzły końcowe za pomocą LoRaWAN. Wiadomości te są często konwertowane na pakiety, które można przesyłać za pomocą tradycyjnych sieci IP. Bramka jest więc podłączona do serwera sieciowego, do którego przesyła wszystkie wiadomości.
- Serwery sieciowe – wszystkie te wiadomości przesyłane przez bramki są przekazywane do serwera sieciowego. Jest on odpowiedzialny przede wszystkim za: przekierowywanie i przekazywanie danych do odpowiednich aplikacji, zapewnianie jakości, deszyfrowanie wiadomości i ich szyfrowanie oraz inne zadania.
- Serwery aplikacji – w nich realizowana jest właściwa aplikacja IoT, która wykonuje zadania na bazie danych zbieranych przez urządzenia końcowe. Serwery aplikacyjne pracują zazwyczaj w oparciu o prywatne lub publiczne chmury, które łączą się z serwerami sieciowymi LoRaWAN i wykonują konkretne zadania.
Cechy LoRaWAN
- Dwukierunkowa komunikacja
- Możliwość pozycjonowania bez potrzeby użycia odbiorników GPS
- Skalowalność
- Adaptacyjna szybkość przesyłu danych
- Bezpieczeństwo
Szczegółowe informacje na temat cech sieci LoRaWAN znajdziesz tutaj.
Zastosowania i aplikacje
Dzięki swojej wyróżniającej charakterystyce, LoRaWAN najlepiej sprawdza się w scenariuszach, gdzie:
- dostęp do zasilania (prądu elektrycznego) jest ograniczony,
- urządzenia są zlokalizowane w miejscach o trudnym dostępie lub w dużych odległościach od siebie,
- liczba urządzeń końcowych, które należy podłączyć jest znacznie większa niż w przypadku aplikacji korzystających z tradycyjnych połączeń przez sieci komórkowe,
- urządzenia końcowe nie muszą ciągle przesyłać wiadomości.
Firma element14 wraz z siecią Things Network oferuje zestawy, które pozwalają szybko zacząć korzystać z LoRaWAN. Można go znaleźć pod tutaj. Polecamy również artykuł aplikacyjny: LoRaWAN jako rozwiązanie sieciowe IoT.
Sigfox
Sigfox jest siecią o cechach odmiennych od LoRaWAN z kilku powodów. Po pierwsze pozwala ona nasłuchiwać informacji pochodzących z bardzo wielu urządzeń bez potrzeby utrzymywania połączeń z nimi. Zastosowany protokół jest zoptymalizowany, a poszczególne urządzenia nie muszą być w żaden sposób podłączane na stałe do sieci. Sigfox to również rozwiązanie komunikacyjne oparte o oprogramowanie, gdzie praktycznie całość obliczeń i zarządzania realizowana jest w sieci (chmurze), a nie samych urządzeniach. Wszystkie te cechy pozwalają redukować zużycie energii i koszty związane z obsługą komunikujących się urządzeń.
Omawiana sieć bazuje na wykorzystaniu topologii gwiazdy, przy czym poszczególne urządzenia nie są powiązane z konkretnymi stacjami bazowymi. Te ostatnie wykrywają, demodulują i raportują komunikaty, przekazując je do chmury, a ta następnie przekazuje dalej wiadomości do serwerów klientów i ich platform IT.
Sigfox od strony technicznej
Sigfox korzysta z technologii radiowej Ultra Narrow Band (UNB) na częstotliwości 868 MHz w Europie i na Bliskim Wschodzie (zgodnie z regulacjami ETSI 300-220) oraz na 902 MHz (zgodnie z regulacjami FCC part 15) w Ameryce Północnej. Są to publicznie dostępne pasma radiowe, szerokość pasma wynosi 192 kHz. UNB pracuje z relatywnie wąskimi sygnałami radiowymi. Dzięki temu możliwa jest transmisja większej liczby sygnałów jednocześnie. Możliwe jest uzyskanie komunikacji na duży dystans z dużą odpornością na szumy.
Sigfox został zaprojektowany by przesyłać krótkie wiadomości z minimalnymi narzutami. Prowadzi to do mniejszego zużycia energii i wydłużenia czasu pracy na baterii. Protokoły w konwencjonalnych systemach komunikacji są zoptymalizowane pod kątem przesyłu dużych ilości danych, ale są zazwyczaj mało wydajne. Ramka Sigfoxa przenosi 12 bajtów danych, a razem z danymi potrzebnymi do kontroli transmisji ma nie więcej niż 26 bajtów. Dla porównania protokół IP ma 40-bajtowy nagłówek – nawet gdy przesyłane jest tylko 12 bajtów właściwych danych.
Dostęp do sieci w sposób losowy eliminuje konieczność przesyłania danych i marnowania energii na potrzeby synchronizacji urządzeń. Urządzenia transmitują wiadomości na losowej częstotliwości, a następnie przesyłają dwie kopie komunikatu na dwóch innych częstotliwościach w różnych odstępach czasu. Określane jest to mianem tzw. trybu różnicowania czasu i częstotliwości.
W odróżnieniu od protokołów sieci komórkowych, urządzenia nie są przypisane do żadnych stacji bazowych. Emitowana wiadomość jest odbierana przez wszelkie stacje, do których dotrze. W praktyce średnio są to trzy najbliższe stacje. Taki sposób działania określa się mianem różnorodności przestrzennej. Dodatkowo występuje mały pobór prądu podczas bezczynności. Urządzenia spędzają typowo ponad 99% czasu w stanie bezczynności, a ich prąd spoczynku jest bardzo mały – często wynosi jednie kilka nanoamperów.
Szczegółowe informacje techniczne znaleźć można tutaj.
Chmura obliczeniowa i zasięg sieci
Usługi sieci Sigfox realizowane są w chmurze. Aby odebrać wiadomości, ale też by zarządzać obiektami w sieci, klienci i partnerzy Sigfoxa korzystają z chmury. Dostęp do danych, billingi, zarządzanie urządzeniami i użytkownikami, mapy oraz inne funkcje są dostępne w chmurze Sigfoxa za pomocą trzech interfejsów – portalu WWW, API umożliwiającego zautomatyzowany dostęp do wszelkich usług portalu za pomocą skryptów oraz funkcji zwrotnych, które pozwalają na automatyczne otrzymywanie informacji o nowych zdarzeniach w trybie PUSH. Więcej o chmurze sieci Sigfox tutaj. Pod linkiem również o kwestiach bezpieczeństwa.
Sigfox pozwala na transmisję na odległość 30 czy nawet 50 km w terenie niezabudowanym i od 3 do 10 km w miastach. Daleki zasięg sieci wynika z niskiej przepustowości danych, mocy wyjściowej urządzeń i czułości stacji bazowych. Użycie pasma radiowego na częstotliwości poniżej 1 GHz także pozwala na uzyskanie dobrego pokrycia siecią również wewnątrz budynków, co pozytywnie wyróżnia ten protokół względem sieci pracujących na częstotliwości 2,4 GHz. Sieć Sigfoxa działa w pobad 40 państwach i jest albo prowadzona przez samego Sigfoxa, albo przez firmy partnerskie. Więcej na ten temat można znaleźć na stronie: www.sigfox.com/en/coverage.
LoRaWAN czy Sigfox? Z może LTE-M?
Sigfox jest właścicielem technologii, poczynając od serwera backendowego i chmury, a kończąc na oprogramowaniu użytkownika. Każdy z producentów układów scalonych może uzyskać dostęp do wymaganej technologii bezpłatnie, ale pod określonymi warunkami. Sigfox zarabia również na opłatach od operatorów sieci, którzy pośredniczą w sprzedaży jego technologii klientom. Inaczej mówiąc, Sigfox oddaje za darmo technologię związaną ze sprzętem, ale sprzedaje oprogramowanie i sieć jako usługi.
Z kolei organizacja LoRa Alliance podkreśla, że jej sieć jest znacznie bardziej otwarta niż Sigfox. Specyfikacja zarządzania siecią jest publicznie dostępna (do pobrania z Internetu), zaś otwarty standard ma także potencjał by być bardziej elastycznym. Jako element otwartości LoRa Alliance chce aby nie tylko operatorzy sieciowi, ale i prywatne firmy oraz startupy instalowały sieci LoRaWAN. Wlicza się w to także takie fundowane społecznościowo sieci, jak The Things Network. Każdy producent może tworzyć sprzęt, moduły lub bramki zgodne z LoRaWAN. Jednakże jedyny producentem układów radiowych jest Semtech.
Sigfox będzie prawdopodobnie lepszym wyborem dla aplikacji sensorowych, mierników i alarmów, które wymagają jedynie przesyłania małych ilości danych w dłuższych odstępach czasu i nie potrzebują zdalnego sterowania. LoRaWAN lepiej się sprawdzi w aplikacjach takich jak sterowanie siecią elektryczną, gdzie konieczne jest przesyłanie poleceń do urządzeń i pełna dwukierunkowa komunikacja.
Pewną alternatywę dla omawianych rozwiązań stanowią dzisiaj sieci komórkowe – szczególnie dzięki rozwojowi technologii NB (Narrow Band). Tego typu rozwiązania mają przewagę w postaci rozpoznawalnych, istniejących od dawna marek oraz stabilnej infrastruktury rozlokowanej na terenie niemal całego świata, aczkolwiek mają też wady. Informacje na ten temat można znaleźć w artykułach: Trendy w sieciach komórkowych IoT – część 1, Trendy w sieciach komórkowych IoT – część 2 i Trendy w sieciach komórkowych IoT – część 3.
Artykuły opublikowane w ramach cyklu IoT Hub
Iot Hub: Bezprzewodowe sieci czujnikowe i zasilanie systemów IoT
Internet Rzeczy… bez Internetu, czyli o cyberbezpieczeństwie systemów IoT
