Aplikacje Internetu rzeczy (IoT) stają się coraz powszechniejsze, podobnie jak technologie bezprzewodowe, które umożliwiają ich działanie. Trudno jest to śledzić, ponieważ istnieje tak wiele możliwych opcji obejmujących nieustanny strumień aktualizacji i kolejnych dodatków wymagających uwzględnienia. Celem poniższego artykułu jest kompleksowy przegląd różnych technologii bezprzewodowych związanych z IoT, które obejmują zarówno nowo powstające, jak i ugruntowane protokoły.
Nadajniki Bluetooth
Standard Bluetooth 5 wprowadzono w grudniu 2016 r. Obejmuje on tryb Bluetooth Low Energy (BLE) i opcjonalny nowy interfejs, który podwoił poprzednią najwyższą szybkość transmisji danych do 2 Mb/s. Szybsza transmisja wymaga większej mocy (+ 20 dB) w trybie niskiego zużycia energii. W ogólnym rozrachunku uzyskano jednak oszczędność, ponieważ transmisja danych trwa znacznie krócej. Korzystanie z trybu 2 Mb/s prawdopodobnie zmniejszy zasięg, ale w związku z tym, że teoretyczny zasięg technologii Bluetooth 5 jest około cztery razy większy niż technologii Bluetooth 4.2 BLE (i wynosi prawie 244 m), zmiana ta mimo wszystko stanowi znaczne ulepszenie.
Nowy standard pozwolił także na poprawę wydajności nadajników. Wcześniej ładunek danych ograniczony był do 31 bajtów. Bluetooth 5 obsługuje ładunek do 255 bajtów/pakiet. Nadajniki mogą zatem przesyłać więcej informacji w pojedynczej wiadomości wysyłanej w trybie rozgłoszeniowym, a urządzenie użytkownika nie potrzebuje aplikacji ani połączenia internetowego, aby uzyskać do niej dostęp. Bluetooth 5 zapewnia ośmiokrotny wzrost wydajności transmisji, dzięki czemu może obsługiwać znacznie więcej urządzeń. W rezultacie nadajniki mogą objąć swoim zasięgiem całe budynki — zarówno w systemach automatyki na potrzeby domowe, jak i komercyjne. Bluetooth 5 może również obsługiwać przesyłanie strumieniowe plików wideo o niskiej jakości, audio, a także krótkie serie danych o dużej objętości (na przykład obrazy).
Sieć kratowa Thread (Thread Mesh Networking)
Sieć kratowa Thread powstała w celu obsługi solidnej infrastruktury IoT i miała się stać standardem w inteligentnych domach. Postęp w zakresie technologii sieci kratowej o niskim poborze mocy był jednak nieco chaotyczny. Założona w 2014 roku Grupa Thread przyciągnęła znane firmy, ale nie zdobyła odpowiedniej pozycji na rynku. W sierpniu 2018 roku do grupy dołączyła firma Apple, co spowodowało dodanie obsługi technologii kratowej do akcesoriów HomeKit i sterujących nimi urządzeń.
Zaletą podejścia opartego na sieci kratowej Thread jest to, że jeśli jeden węzeł ulegnie awarii, pozostałe nadal mogą się ze sobą łączyć. Ponadto sieć ta może obsługiwać ponad 250 urządzeń w wielu przeskokach i jest tak energooszczędna, że urządzenia działające na bateriach AA będą działać przez lata. Sieć Thread obsługująca urządzenia zasilane bateryjnie działa nawet podczas przerwy w dostawie prądu, co jest dobrodziejstwem dla aplikacji zabezpieczających i monitorujących. Dzieje się tak przede wszystkim dlatego, że wszystkie transmisje sieci Thread są w pełni szyfrowane i przystosowane do urządzeń o niskim poborze mocy. ZigBee i Z-Wave również wykorzystują szyfrowanie AES, ale Thread używa dodatkowo kryptografii z kluczem publicznym do tworzenia kopii zapasowych.
Rozwój sieci Thread
W styczniu 2019 ZigBee Alliance i Grupa Thread ukończyły specyfikację Dotdot 1.0 i program certyfikacji Dotdot-over-Thread, aby zapewnić interoperacyjność obu rywalizujących sieci i przyspieszyć ich wykorzystanie na obecnie rozdrobnionym rynku automatyki domowej. Następnie w lutym firma Nest była pierwszą ze spółek zależnych firmy Alphabet, która trafiła z powrotem do Google, aby stać się częścią działu sprzętu, który produkuje smartfony Pixel i głośniki Google Home. Rick Osterloh, szef tego oddziału, wypowiedział się o tym ruchu w następujący sposób: „Celem, jaki przyświecał temu ruchowi, było przyspieszenie realizacji misji Nest — stworzenia bardziej przemyślanego domu… opartego na sztucznej inteligencji i Asystencie Google”.
Misją sieci Thread jest umożliwienie urządzeniom komunikowania się ze sobą z pominięciem centrum pośredniczącego, takiego jak Asystent Google. Niemniej jednak prawdopodobnie pozostanie on częścią rozwiązania, ponieważ ma wiele do zaoferowania. Dodatkowo firma Nest (która dostarcza dwa z niewielu produktów obsługujących sieć Thread) wykorzystuje komunikację z urządzeniami za pomocą połączenia Thread, Wi-Fi i Bluetooth. Prawdą jest, że tylko kilka produktów ma wbudowaną sieć Thread. Jest to jednak zgodne z projektem, ponieważ każde urządzenie oparte na protokole 802.15.4 może pobierać oprogramowanie, aby dodać jego obsługę. Niekoniecznie stanowi więc to przeszkodę.
Protokół LoRaWAN
Podobnie jak większość protokołów sieci rozległych małej mocy (LPWAN), sieci LoRaWAN, czyli sieci rozległe dalekiego zasięgu, działają w paśmie ISM. Częstotliwości te zarezerwowane są na świecie dla organizacji działających w tych sektorach i można z nich swobodnie korzystać. Są również rozmieszczone tak, aby uniknąć zakłóceń z sieci komunikacji mobilnej. Typowe zastosowania obejmują śledzenie zasobów, łańcuch dostaw, rolnictwo, inteligentne miasta, inteligentne budynki, automatykę domową i inteligentne pomiary. Instalacje nie wymagają okablowania ani źródła zasilania, ponieważ urządzenia działają na baterie, które mogą starczyć nawet na dwie dekady.
Za aktualizację i definiowanie protokołu LoRaWAN w celu zapewnienia interoperacyjności między urządzeniami i sieciami odpowiada LoRa Alliance. Stowarzyszenie działa na zasadzie współpracy stowarzyszenie non-profit zrzeszające ponad 500 członków. Według stowarzyszenia w 2018 r. wdrożenia LoRa wzrosły o ponad 60% i zainstalowano niemal 80 milionów węzłów obsługujących protokół LoRa.
Zalety sieci LoRaWAN
Sieci LoRaWAN są szeroko wdrażane w budynkach, ponieważ mogą przenikać materiały budowlane o dużej gęstości, docierając do piwnic i innych miejsc pod ziemią, a ich zasięg transmisji wynosi do 10 km. Dzięki zintegrowanemu szyfrowaniu AES-128 są bezpieczniejsze niż sieć Wi-Fi i potrzebują mniejszej liczby bramek (ponieważ jedna może obejmować cały system IoT w budynku lub parkingu podziemnym). W związku z tym, że sieci LoRaWAN wykorzystują różne kanały częstotliwości i szybkości transmisji danych przez kodowanie pakietów, istnieje mniejsze prawdopodobieństwo kolizji komunikatów, co zwiększa przepustowość bramki. Jedna bramka może obsługiwać miliony wiadomości, dzięki czemu sieci LoRaWAN są odpowiednie dla operatorów sieci publicznych obsługujących jednocześnie wielu klientów.
Zdaniem krytyków nie jest to tak naprawdę system otwarty, ponieważ stos protokołów LoRaWAN opiera się w dużej mierze na chipsetach firmy Semtech (która w 2012 r. kupiła tę technologię od francuskiego Cycleo). Zastrzeżony charakter wielu uznanych protokołów LPWAN (takich jak LoRa i Sigfox) może w dłuższej perspektywie okazać się dla nich niekorzystny, gdy na rynku zaczęły się pojawiać technologie komórkowe IoT. Zostały one opracowane przez operatorów telekomunikacyjnych, a zatem stoi za nimi potęga tych firm (i ich ekspansywna infrastruktura globalna).
Tabela 1. Przegląd protokołów bezprzewodowych obsługujących sektor Internetu rzeczy
| Protokół | Bluetooth 5 | Thread | LoRa | LTE-M | NB-IoT | 5G |
| Rodzaj | LPWAN | LPWAN | Rzoległa sieć małej mocy (LPWAN) | Komórkowa | Sieć Komórkowa | Komórkowa |
| Zasięg | >200 m (głównie nadajniki) | >35 m (sieć kratowa) | 5–10 km | <10 km | do 10 km | < 10 km (znacznie mniejszy w paśmie poniżej 1 GHz) |
| Pobór mocy | Ultraniski | Stosunkowo niski | Niski | Niewielki | Niski | Znacznie niższy niż w przypadku protokołów LTE-M/NB-IoT |
| Opóźnienie | Stosunkowo niskie | Stosunkowo wysokie | Wysokie | Niskie | Niskie | Ultraniskie |
| Pasmo częstotliwości | 2,4 GHz | 2,4 GHz | 868 MHz ISM | Wiele pasm | Kilka różnych pasm | Wiele pasm |
| Koszt usługi | Darmowa | Bezpłatna | Darmowa | Płatna | Odpłatna | Płatna |
| Prędkość przesyłania danych | 2 Mb/s | 0,25 Mb/s | 10 kb/s | 10 Mb/s | 250 kb/s | 1–10 Gb/s |
LTE-M
Protokół LTE (Cat-M1), zazwyczaj nazywany po prostu LTE-M, to pierwszy protokół oparty na standardzie LTE, przeznaczony do energooszczędnych i niedrogich aplikacji IoT, który wykorzystuje pasmo 1,4 MHz (w przeciwieństwie do tradycyjnego 20 MHz). Średnia szybkość wysyłania wynosi od 200 do 400 kb/s. Moc nadawania o wartości 20 dBm sprawia, że baterie mogą wytrzymać do dziesięciu lat. Węzły mogą wejść w stan „uśpienia” w trybie oszczędzania energii (tryb PSM), ale pozostają zarejestrowane w sieci lub „budzą się” okresowo — co nazywa się rozszerzonym odbiorem przerywanym (eDRX).
Aktualnie bada się wiele przypadków wykorzystania LTE-M w przemysłowym IoT, obejmujących połączone pojazdy, zarządzanie flotą/aktywami, monitorowanie kontenerów i inteligentne regały. W niektórych przypadkach urządzenia transmitują wiele razy dziennie, w innych tylko raz. W przypadku niektórych zastosowań urządzenie „wybudzi się” dopiero po osiągnięciu określonego progu, takiego jak wstępnie zdefiniowana temperatura.
Urządzenia końcowe łączą się z siecią bez bramki, co zmniejsza koszty. Ponadto operatorzy nie muszą wymieniać anten, wystarczy aktualizacja oprogramowania. Urządzenia końcowe są tańsze niż „pełne” urządzenia LTE, ponieważ chipy są tańsze w produkcji (półdupleksy z węższym pasmem). Również obsługa kosztuje mniej z powodu małej przepływności i faktu, że okresowy ruch zajmuje niewielką przepustowość sieci. Inną opcją może być wykorzystanie połączeń krótkiego zasięgu, takich jak Bluetooth, do śledzenia zasobów w sieciach wyższego poziomu poprzez LTE-M.
NB-IoT
Cele protokołu NB-IoT (Cat-M2) są zbliżone do celów LTE-M, ale wykorzystuje on sygnały o niskiej przepustowości do komunikacji w sieciach GSM i LTE przez wykorzystanie aktualnie nieużywanych kanałów. Możliwe zastosowania obejmują inteligentne parkowanie, śledzenie żywego inwentarza, inteligentne pomiary, handel detaliczny, automaty sprzedające, czujniki pożarowe i inteligentne oświetlenie, a także monitorowanie zanieczyszczenia, kwasowości gleby i poziomu wilgotności. Zaletami protokołu LTE-M w porównaniu z NB-IoT są obsługa większych szybkości transmisji danych oraz większa mobilność. Ponadto może przenosić głos przez sieć. W związku z tym wymaga jednak większej przepustowości i jest znacznie droższy.
Przyszłość 5G
Protokoły LTE-M i NB-IoT to nowinki w porównaniu z pionierami niekomórkowymi, ale szybko się rozwijają. GSMA twierdzi, że technologie komórkowe LPWAN są przyszłością komunikacji 5. 5G należy traktować raczej jako „sieć sieci” niż zupełnie nową nakładkę (jak poprzednie generacje technologii mobilnych). Technologie LPWAN będą wspierać 5G i z nią współistnieć.
Połączenie dostępności globalnie standaryzowanych sieci komórkowych LPWAN i 5G jest dobrym chwytem marketingowym, który wzmacnia ideę nieprzerwanej ciągłości i poczucie, że sieci te dostępne będą przez dziesięciolecia. To argument, z którym technologiom zastrzeżonym trudno będzie się zmierzyć.
Firma ABI Research szacuje, że do 2023 r. wspólny globalny wzrost komórkowych i niekomórkowych połączeń LPWAN osiągnie poziom 53% składanej rocznej stopy wzrostu (CAGR), napędzany popytem na inteligentne liczniki i urządzenia do śledzenia zasobów (które nie wymagają sieci 5G). Według przewidywań od tego momentu zmniejszy się rozpowszechnienie niekomórkowych sieci LPWAN, przy czym protokoły NB-IoT i LTE-M stanowią około 55% połączeń. Mimo to, zakładając, że nie nastąpi nagły, masowy spadek zaufania do technologii niekomórkowych, prawdopodobnie będą one przez lata działać równolegle z sieciami komórkowymi IoT.
Trudno przewidzieć wpływ zaawansowanych technologii komórkowych na Internet rzeczy. Wiele aplikacji IoT nie potrzebuje atrybutów i (przynajmniej początkowo) dodatkowych nakładów, które wiążą się z siecią 5G. Inne, takie jak pojazdy autonomiczne, będą zależne od bardzo niskiego opóźnienia i elastyczności wynikającej z podziału sieci. Kluczowa będzie realizacja uzasadnionych przypadków biznesowych i — jak zawsze w przypadku technologii — rzeczywistość będzie potrzebować trochę czasu, aby nadążyć za szumem medialnym.
