Мережеві технології Інтернету речей

image

Добрий день, шановні хабравчане! Сьогодні ми б хотіли зупинитися на описі різних мережевих технологій, розробляються для Інтернету речей.

Інтернет речей (IoT, Internet of Things) стає таким революційним стрибком розвитку, порівнянним з винаходом парового двигуна або індустріалізацією електрики. Сьогодні цифрова трансформація перевертає самі різні галузі економіки і змінює наше звичне оточення. При цьому, як часто буває в таких випадках, кінцевий ефект цих перетворень важко спрогнозувати, перебуваючи на початку шляху.

Почався процес, очевидно, не може бути рівномірним і на сьогоднішній день одні галузі виявляються більшою мірою готові до змін, ніж інші. До перших можна віднести споживчу електроніку, транспорт, логістику, фінансовий сектор, до других – наприклад, сільське господарство. Хоча і тут є успішні пілотні проекти, що обіцяють цікаві результати.

Проект TracoVino, одна з перших спроб використовувати IoT в знаменитій долині Мозеля, найстарішому виноробному регіоні сучасної Німеччини. В основі рішення лежить хмарна платформа, автоматизує всі процеси в винограднику, від вирощування сировини до бутилювання. Дані, необхідні для прийняття рішень, що надходять у систему від кількох типів датчиків. Крім визначення температури, вологості ґрунту і моніторингу навколишнього середовища, вони можуть визначати кількість сонячної радіації, кислотність грунту і вміст у ній біогенних елементів. Що це дає? TracoVino не тільки дозволяє виноробам отримати загальне уявлення про стан їх виноградника, але і проаналізувати її певні області, щоб виявити проблеми, отримати завчасну інформацію про можливе зараження і навіть отримати прогнози про якість і кількість вина, що дозволяє виноробам укладати форвардні контракти.

Що ще можна підключити до мереж? До найбільш розвиненим сценаріями використання IoT можна віднести «розумні міста». Згідно з дослідженнями Beecham Research, Pike Research, iSupply Telematics і міністерства транспорту США на сьогоднішній день в рамках реалізації цих проектів по всьому світу налічується більше мільярда пристроїв, що відповідають за ті чи інші функції в системах водопостачання, управління міським транспортом, громадського здоров'я та безпеки. Це розумні паркування, оптимізують використання місць для стоянки, інтелектуальна система водопостачання, яка стежить за якістю споживаної води мешканцями міста, розумні автобусні зупинки, що дозволяють отримати точну інформацію про час очікування потрібного транспорту і багато іншого.

У промисловості вже функціонують сотні мільйонів пристроїв, готових до підключення. Серед них системи розумного технічного обслуговування і ремонту, логістичного обліку і безпеки, а також розумні насоси, компресори і клапани. Велика кількість пристроїв задіяно у сферах енергетики і ЖКГ: численні лічильники, елементи автоматики розподільних мереж, споживче обладнання, электрозарядная інфраструктура та інфраструктура для відновлюваних і розподіляються джерел енергії. В галузі охорони здоров'я до інтернету речей підключаються і будуть підключені засоби діагностики, мобільні лабораторії, різні імплантати, пристрої для телемедицини.

image

Очікується, що в найближчі роки кількість машинних підключень буде збільшуватися на 25% в рік, а всього до 2021 року на планеті буде 28 мільярдів підключених пристроїв. З них лише 13 мільярдів доведеться на звичні власні гаджети: смартфони, планшети, ноутбуки і ПК – в той час як 15 мільярдів будуть складати користувача та промислові пристрої: різного роду датчики, термінали для продажу, автомобілі, табло, індикатори і т. д.

Незважаючи на, здавалося б, вражаючі уяву цифри з найближчого майбутнього, і вони не є остаточними. IoT буде впроваджуватися повсюдно, і чим далі, тим більше пристроїв, простих і складних, доведеться підключити. По мірі розвитку технологій, а особливо під впливом запуску мереж 5G після 2020 року, зростання кількості підключених пристроїв піде стрімкими темпами і дуже скоро наблизиться до 50 млрд.

image

Масовий характер підключень і різні сценарії використання диктують вимоги до мережевих технологій IoT в самому широкому діапазоні. Швидкості передачі даних, затримки, надійність (гарантованість) передачі визначаються особливостями конкретного застосування. І тим не менш, є ряд спільних цільових показників, які вимагають від нас окремо розглядати мережеві технології для IoT та їх відмінності від традиційних мереж мобільного зв'язку.

В першу чергу, вартість реалізації мережевої технології в кінцевому пристрої повинна бути в рази менше існуючих сьогодні модулів GSM/WCDMA/LTE, використовуваних при виробництві смартфонів і модемів, навіть в самому доступному класі. Одна з причин, що стримують масове впровадження підключених пристроїв – висока вартість чіпсету, що реалізує повний стек мережевих технологій, включаючи передачу голосу і багато інші функції, які не є необхідними в більшості IoT сценаріїв.

Пов'язане з цим, але формулируемое окремим, вимога – низьке енергоспоживання і тривалий час автономної роботи. Багато сценарії та області застосування IoT передбачають автономне живлення підключених пристроїв від вбудованих елементів живлення. Спрощення мережевих модулів та енергоефективний дизайн дозволяють домогтися часу автономної роботи до 10 років при ємності елемента живлення 5 Вт*ч. Таких показників, зокрема, вдається досягти завдяки зниженню обсягу переданих даних і використання тривалих періодів «мовчання», протягом яких пристрій не отримує і не передає інформацію та практично не споживає електроенергію. Втім, реалізація конкретних механізмів відрізняється від технології до технології.

Покриття мережі, ще одна характеристика, потребує перегляду. Сьогодні покриття мобільної мережі забезпечує досить стійку передачу даних в населених пунктах, у тому числі усередині приміщень. Однак підключені пристрої можуть знаходитись і там, де людей велику частину часу немає: віддалені райони, протяжні залізничні перегони, поверхня великих водойм, підвали, ізольовані бетонні і металеві короби, ліфтові шахти, контейнери і т. п. Цільовим орієнтиром вирішення цього завдання, на думку більшості учасників IoT ринку, є поліпшення бюджету лінії на 20 dB щодо традиційних мереж GSM, є лідером по покриттю серед мобільних технологій сьогодні.

image

Різні сценарії використання Інтернету речей у різних індустріях припускають абсолютно різні вимоги до зв'язку. І мова не тільки про можливості швидкого масштабування мережі в плані числа вимагають підключення пристроїв. Якщо в розглянутому нами прикладі «розумного виноградника» було задіяно безліч досить простих датчиків, то на промислових підприємствах підключені будуть дуже складні роботи, що виконують дії, а не просто фіксують певні параметри навколишнього середовища. Можна згадати і про сферу охорони здоров'я, зокрема про обладнання для телемедицини. Використання цих комплексів, призначених для проведення дистанційної діагностики, моніторингу складних медичних маніпуляцій та дистанційного навчання з використанням відеозв'язку в режимі реального часу безсумнівно буде пред'являти зовсім інші вимоги в плані затримок сигналу, передачі даних, надійності і безпеки.

Технології IoT повинні бути досить гнучкими, щоб забезпечувати різний набір мережевих характеристик в залежності від сценарію використання, пріоритизацію десятків і сотень різних видів мережевого трафіку і оптимальний перерозподіл ресурсів мережі для збереження економічної ефективності. Мільйони підключених пристроїв, десятки сценаріїв використання, гнучке управління і контроль – все це повинно бути реалізовано в рамках єдиної мережі.

image

Вирішення поставлених завдань присвячені численні розробки останніх років у сфері бездротової передачі даних, як пов'язані з прагненням адаптувати наявні мережеві архітектури та протоколи, так і з створенням нових системних рішень з нуля. З одного боку ми бачимо так звані «капілярні рішення», досить успішно вирішують завдання IoT комунікацій в рамках одного приміщення або обмеженій території. До таких рішень можна віднести популярні сьогодні Wi-Fi, Bluetooth, Z-Wave, Zigbee і їх численні аналоги.

З іншого – сучасні мобільні технології, які, очевидно, знаходяться поза конкуренцією з точки зору забезпечення покриття і масштабованості добре керованої інфраструктури. Згідно з дослідженням Ericsson Mobility Report, покриття GSM складає 90% населеної території планети, мережі WCDMA і LTE 65% і 40% відповідно при активно триваюче будівництво мереж. Кроки, зроблені в рамках розвитку стандартів мобільного зв'язку, зокрема специфікації 3GPP Release 13 спрямовані на досягнення цільових для IoT показників при збереженні переваг використання глобальної екосистеми. Еволюція цих технологій стане основою майбутніх модифікацій стандартів мобільного зв'язку, у тому числі стандартів мереж п'ятого покоління (5G).

Альтернативні технології низької потужності для нелицензируемого частотного спектру, в загальному випадку, спрямовані на більш вузьке застосування. Необхідність створення нової інфраструктури і закритість технологій істотно стримують поширення подібних систем.

image

image

Розглянемо, які розширення стандартів мобільного зв'язку визначені для включення в останню на сьогоднішній день редакцію рекомендацій 3GPP Release 13.

EC-GSM
Робоча група GERAN, розвиваюча технології GSM, запропонувала пакет розширених функцій під назвою EC-GSM (варіанти того ж назви: EC-GPRS, EC-GSM-IoT). Дана технологія передбачає порівняно невеликі зміни щодо базового GSM/GPRS/EDGE, що дозволяє використовувати переважна більшість встановлених базових станцій цього стандарту без заміни або модернізації апаратного забезпечення.

Наведемо основні характеристики:

image

Фактично, використовується стандартна несуча GSM/GPRS, із змінами, дозволяють збільшити бюджет лінії, збільшити кількість пристроїв і знизити вартість реалізації технології в кінцевому пристрої.

Основні привнесені зміни:

1) Extended DRX (eDRX, Extended Discontinuous Reception) для GSM і Power Saving Mode (PSM) – зниження періодичності обов'язкових сигнальних повідомлень, оптимізація інтервалів прийому та отримання інформації, підтримка тривалих, до 52 хв., періодів «мовчання», протягом яких пристрій залишається підключеним до мережі, не передаючи і не отримуючи інформацію.

2) Extended coverage – адаптація канального рівня мережі, яка використовує, у тому числі, багаторазове повторення переданої інформації для поліпшення покриття на 20 dB порівняно з традиційними системами.

3) Інші поліпшення: спрощення мережевий сигналізації (відмова від підтримки тієї частини сигналізації, яка забезпечує спільну роботу з WCDMA/LTE мережами); розширення механізмів аутентифікації і безпеки з'єднання та ін

Ключова перевага EC-GSM в готовності мережевої інфраструктури (в більшості випадків потрібне лише оновлення програмного забезпечення на вузлах мережі), а також у поширеності мереж стандарту GSM і їх охоплення.

eMTC
Варіант eMTC (зустрічаються також назви LTE-M, LTE Cat.M1) є адаптацією IoT для LTE мереж. Фокус раніше на досягненні цільових показників масового IoT (вартість, покриття, термін автономної роботи) при забезпеченні максимальної сумісності з наявною у операторів мережевою інфраструктурою.
Важлива відмінність технології eMTC – висока пропускна здатність, до 1 Мбіт/с у кожному напрямку (від абонента до абонента). Саме час згадати про різноманітність сценаріїв використання IoT, до яких ми зверталися до початку статті. В певних випадках такі швидкості передачі даних будуть явно затребувані.

image

eMTC покликаний забезпечити зниження вартості кінцевого IoT пристрою за рахунок відмови від функціональності LTE, яка популярна і широко застосовується в мережах мобільного широкосмугового доступу (МШПД), але стає надлишковою при масовому підключенні IoT пристроїв. Це продовження роботи, розпочатої 3GPP в попередньому релізі специфікацій (Release 12), що визначила LTE Cat.0 для IoT. У eMTC також додані механізми Extended DRX і PSM для LTE, які вирішують завдання зниження енергоспоживання аналогічно тому, як це було показано вище для EC-GSM.

Як і у випадку з EC-GSM, eMTC має високу ступінь готовності мережевої інфраструктури і може бути розгорнута на існуючих мережах LTE шляхом оновлення. Більш того, мережі МШПД і IoT можуть співіснувати і динамічно перерозподіляти ресурси, що використовуються (частотний спектр, обчислювальну потужність базової станції та ін) в залежності від типу і кількості підключених пристроїв і створюваного ними трафіку.

NB-IoT
Narrowband IoT (вузькосмуговий IoT) – це відносно новий напрямок розвитку мережевих IoT технологій і незважаючи на те, що його використання передбачає тісну взаємодію та інтеграцію c LTE, мова все ж таки йде про створення нового типу радіодоступу, характеристики якого мають більше відмінностей, ніж подібності з наявними технологіями.

image

Очікується, що істотна переробка протоколів канального рівня дозволить знизити вартість пристрою NB-IoT порівняно з LTE Cat.M1 на 90%. Про підтримку технології NB-IoT в своїх продуктах вже заявили багато виробників мережевого обладнання та абонентських модулів: Ericsson, Huawei, Nokia, Intel, Qualcomm, а також провідні оператори зв'язку, серед яких, наприклад, Vodafone, Deutsche Telekom і China Unicom.

Таким чином, з прийняттям фінальної версії специфікацій EC-GSM, eMTC і NB-IoT, яке заплановано на червень поточного року, учасники ринку отримають у своє розпорядження три ефективних інструменту розвитку мереж IoT. Кожен з них має свої особливості і переваги в залежності від конкретного сценарію використання та характеристик тієї мобільної мережі, на базі якої вони будуть розгортатися. Однак у будь-якому випадку переваги глобальної екосистеми, наявність і готовність розгорнутої мережі та IT інфраструктури, використання захищеного (ліцензованого) частотного спектра будуть працювати на зниження вартості впровадження та експлуатації. А значить, в найближчому майбутньому нас очікує вибухове зростання проектів з їх використанням.

На цьому закінчимо свою розповідь і дякуємо хабравчан за увагу! В наступному пості ми сфокусуємося на технологічних аспектах технології NB-IoT.
Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.