Komunikacja bezprzewodowa w IoT

Sobota, 01 Czerwiec 2024

Internet Rzeczy (IoT) stanowi połączenie wielu technologii: czujników, procesorów, oprogramowania, systemów wbudowanych, uczenia maszynowego oraz interfejsów opartych na łączności radiowej – i reprezentuje odrębną gałąź branży IT. Istnieje wiele standardów bezprzewodowej komunikacji IoT – każdy spośród nich ma mocne strony, a wiele można dostosować do konkretnego przeznaczenia. Standardy IoT ewoluują, dostarczając sposobów na rozszerzenie swojego zastosowania daleko poza pierwotną koncepcję protokołu bezprzewodowego, która zazwyczaj obejmowała jedno urządzenie z jednym komputerem lub smartfonem. Rozwój łączności z Internetem, przechowywania w chmurze oraz warstw oprogramowania integrujących bezprzewodowe czujniki i siłowniki z inteligentnym oprogramowaniem w chmurze zapewnia pracę systemu w czasie rzeczywistym lub nawet w rzeczywistości wirtualnej.

IoT obejmuje urządzenia gospodarstwa domowego, aparaturę medyczną, sprzęt produkcyjny, urządzenia logistyczne i transportu samochodowego, reprezentujące różnorodne dziedziny. Rozwiązania Internetu Rzeczy składają się ze sprzętu, oprogramowania wbudowanego, technologii bezprzewodowych oraz protokołów komunikacyjnych, platform chmurowych do przetwarzania i przechowywania danych oraz aplikacji do interakcji z użytkownikami. Ze względu na zakres zastosowania podłączone urządzenia dzielimy na konsumencki i przemysłowy IoT. Konsumenckie urządzenia IoT to smartfony, smartwatche, trackery czy sprzęt gospodarstwa domowego – obecnie mamy do czynienia z boomem na takie konstrukcje. Są one zazwyczaj projektowane z myślą o krótkiej żywotności, podczas gdy zintegrowanie IIoT z procesami produkcyjnymi zapewnia ich niezawodne działanie przez wiele lat [6].

Urządzenia IoT mogą korzystać z różnych rozwiązań sieciowych w zależności od wielu czynników, w tym odległości od siebie, ilości danych, które muszą wymieniać, lokalizacji, w której będą używane, czy zużycia energii. Sieć IoT składa się z wielu czujników połączonych różnymi protokołami bezprzewodowymi w celu wymiany danych z chmurą i między sobą.

W roku 2022 firma Avnet (Farnell) przeprowadziła coroczne badanie Global IoT Survey [3]. Komunikacja/łączność została wskazana jako drugi co do istotności problem w rozwoju technologii Internetu Rzeczy. Zdecydowana większość respondentów (76%) korzysta z łączności bezprzewodowej, a z przewodowej – pozostałe 24%. Trzy standardy osiągnęły znaczący poziom zastosowania: Wi-Fi (45%), sieci komórkowe (20%) i BLE (15%). Przypuszczalnie są to aplikacje, które wymagają łączności – odpowiednio – na średnie, duże i małe odległości.

Odsetek respondentów wybierających te standardy prawdopodobnie lepiej odzwierciedla wymagania ich aplikacji niż jakiekolwiek szczególne preferencje. LoRa jest standardem łączności używanym przez 12% respondentów – co okazuje się interesujące, ponieważ rynek LPWAN wciąż się rozwija i z pewnością nie jest tak dojrzały jak Wi-Fi czy Bluetooth.

Podobnie standard Matter 1.0 – wprowadzony w zeszłym roku w celu zapewnienia „prostego, bezpiecznego i płynnego” łączenia świata – nie jest kompatybilny z możliwościami łączności każdego urządzenia. Dzieje się tak dlatego, że Matter pozwala kontrolerowi – takiemu jak Apple HomePod, Amazon Alexa, Google Nest Hub lub Samsung SmartThings – przejąć proces uruchamiania sieci dla nowych urządzeń IoT, używając sztucznej inteligencji (AI) i uczenia maszynowego (ML) do zarządzania wspólną komunikacją Wi-Fi na rzecz ekosystemu inteligentnego domu.

Technologie radiowe sieci rozległej małej mocy (LPWAN), jak CAT M-1 oraz NB-IoT, są dostępne w infrastrukturze komórkowej i istnieją już od kilku lat. Zaletę tych technologii stanowi korzystanie z istniejących wież komórkowych używanych do transmisji głosu i przesyłania danych o dużej przepustowości. Najlepszym rozwiązaniem okazuje się zakup „czasu” w ich sieciach poprzez zastosowanie modemów zgodnych z ich standardami, a następnie opłacenie miesięcznego planu użytkowania.

Jednakże urządzenia, które wymagają jedynie sporadycznego raportowania i kontroli, nie potrzebują dużej przepustowości, a ponieważ wiele z nich jest zasilanych bateryjnie, zaistniało zapotrzebowanie na standardy o niższej mocy i mniejszej przepustowości. Technologie, które nie korzystają z istniejących sieci komórkowych i wymagają zbudowania infrastruktury na nowo, to między innymi Sigfox, LoRa/LoRaWAN – ich wadą okazuje się konieczność realizacji łącza nadrzędnego z Internetem.

Analitycy przewidują, że w 2025 r. liczba podłączonych do Internetu gospodarstw domowych na całym świecie przekroczy 30 miliardów, ponieważ rynek aplikacji smart home IoT będzie nadal rósł w tempie prawie 32 procent rocznie. Do najszybciej rozwijających się aplikacji należy segment bezpieczeństwa i monitorowania inteligentnych domów.

Rozwiązania elektroniczne w postaci modułów kontynuują swój dynamiczny rozwój. Zamiast wymagać od projektanta specjalistycznej wiedzy niezbędnej do projektowania na poziomie chipa, mogą zaoferować mu wstępnie zbudowany i certyfikowany moduł radiowy oraz anteny. Nie tylko ogranicza to zakres niezbędnej wiedzy technicznej na temat zagadnień RF, ale także umożliwia szybsze wprowadzanie produktów na rynek. Dobrym rozwiązaniem może być wcześniejsza komercjalizacja urządzenia mniej zoptymalizowanego pod względem kosztów (w celu przetestowania samego rynku pod kątem tej nowości), niż projektowanie od początku rozwiązania „szytego na miarę” z uwzględnieniem minimalizacji cen zastosowanych komponentów. Jeśli badany rynek jest wystarczająco duży, produkt można następnie zoptymalizować kosztowo, schodząc aż do poziomu chipa.

W 2023 r. GSMA Association wprowadziła specyfikację eSIM (zgodną z eUICC) do zastosowań IoT, aby objąć nią urządzenia z ograniczeniami w zakresie łączności sieciowej. Specyfikacja GSMA eSIM dla IoT (SGP.31/SGP.32) została specjalnie zaprojektowana, aby sprostać potrzebom sieci o pewnych ograniczeniach, np. NB-IoT czy LPWAN. Karta eSIM jest zazwyczaj lutowana na PCB docelowego urządzenia – zgodnie ze specyfikacją GSMA RSP. Klienci mogą zmieniać operatorów telekomunikacyjnych, zamiast wiązać się z jednym przez cały okres użytkowania urządzenia. Dzięki funkcjonalności RSP użytkownicy nie muszą już fizycznie wymieniać karty SIM za każdym razem, gdy zmieniają operatora. Oznacza to, że jednego chipa można używać przez cały cykl życia produktu, przyczyniając się do oszczędzania zasobów i ograniczenia wpływu na środowisko.

Komunikacja bezprzewodowa w IoT

W zależności od zasięgu bezprzewodową komunikację w IoT można podzielić na kilka grup:

Komunikacja bliskiego zasięgu: NFC (Near-Field Communication).
Sieci krótkiego zasięgu:
- Osobiste: PAN (Personal Area Networks), WPAN (Wireless Personal Area Networks), np. Bluetooth, ANT+.
- Lokalne: WLAN (Wireless Local Area Network). Są to sieci używane do komunikacji na małe odległości np. Wi-Fi.
Sieci rozległe małej mocy: LPWAN (Low Power Wide Area Network). Są to sieci z protokołami komunikacyjnymi stosowanymi przez np. Sigfox oraz Lora – i umożliwiają przesyłanie mniejszych ilości informacji, ale na większą odległość.
Komunikacja komórkowa: NB-IoT (NarrowBand IoT), Cat-M1 – standardy LTE przeznaczone do urządzeń IoT.
Komunikacja satelitarna:
- GNSS (Global Navigation Satellite Systems) – systemy nawigacji satelitarnej GPS, GLONASS, Galileo, Beidou, DORIS.
- NTN (Non Terrestrial Network) – komunikacja satelitarna przeznaczona dla urządzeń IoT: NTN unmodified, z zastosowaniem technologii 5G NR NTN (5G New Radio), oraz NB-IoT NTN.

Można również przyjąć podział bardziej szczegółowy. Ze względu na zastosowanie możliwe jest także wyróżnienie kolejnych sieci: BAN (Body Area Network), WHAN (Wireless Home Area Network), WNAN (Wireless Neighborhood Area Network) lub MAN (Metropolitan Area Network).

Sieci bezprzewodowe mogą być zorganizowane z zastosowaniem różnych topologii: punkt-punkt, gwiazda, krata/siatka (mesh) i drzewo klastrów. Sieci kratowe, zaprojektowane tak, aby szybko przekazywać informacje na krótkim dystansie, korzystają z wielu węzłów z kilkoma potencjalnymi ścieżkami – może to oznaczać, że system zachowa funkcjonalność nawet w przypadku awarii jednego z węzłów. Topologia mesh jest stosowana w różnych protokołach komunikacji bezprzewodowej np. ZigBee, Bluetooth Mesh, Matter, Wi-SUN itd.

Standardy komunikacji

Connectivity Standards Alliance (CSA) [9], dawniej ZigBee Alliance, to grupa firm, które utrzymują i publikują standardy ZigBee oraz Matter, wraz z kilkoma innymi. Z biegiem lat liczba członków Sojuszu wzrosła do ponad 500 firm, w tym takich jak Amazon, Apple, Comcast, Google, Yandex, Ikea i Samsung SmartThings. Organizacja non profit Wi-Fi Alliance jest właścicielem znaku towarowego Wi-Fi [8]. Organizacja Bluetooth SIG udostępnia natomiast implementacje objęte licencją GPL [7]. Istnieje ponadto całkiem spora grupa innych organizacji wspierających standardy komunikacji do zastosowań IoT: LoRa Alliance [11], Thread Group [14], 3GPP (3rd Generation Partnership Project) [15], ANT+ Alliance, ANT Wireless, Garmin Canada [13], NFC Forum [12] oraz Mioty Alliance [19].

Wybór optymalnego protokołu w systemie IoT określają czynniki takie, jak lokalizacja geograficzna, zapotrzebowanie na energię, opcje zasilania bateryjnego, obecność barier fizycznych oraz koszty.

Oprócz wyboru technologii komunikacji bezprzewodowej IoT, istotny jest też wybór metody przesyłania danych. MQTT (Message Queue Telemetry Transport) to lekki protokół o niskim poborze mocy (ISO/IEC 20922), używany do przesyłania prostych zestawów danych pomiędzy czujnikami i aplikacjami. Znajduje się on na szczycie standardowego stosu sieci internetowej TCP/IP. Ze względu na zmniejszenie obciążenia łącza komunikacyjnego w podobnych przypadkach stosuje się też protokół UDP.

Komunikacja bliskiego zasięgu (NFC)

Technologia Near Field Communication (NFC) to zestaw protokołów umożliwiający transmisję danych między dwoma urządzeniami elektronicznymi na odległość 10 centymetrów lub mniejszą [12]. NFC zapewnia połączenie o małej prędkości dzięki prostej konfiguracji, której można użyć także do wstępnego zasilania urządzeń obsługujących połączenia bezprzewodowe. Podobnie jak inne technologie kart zbliżeniowych, NFC opiera się na sprzężeniu indukcyjnym pomiędzy dwiema cewkami znajdującymi się w tagu oraz czytniku NFC (np. smartfonie). Komunikacja NFC w jednym lub obu kierunkach korzysta z częstotliwości 13,56 MHz w dostępnym na całym świecie, nielicencjonowanym paśmie częstotliwości radiowej ISM, zgodnym ze standardem interfejsu radiowego ISO/IEC 18000-3 i pracuje przy szybkości transmisji danych w zakresie od 106 do 848 kbit/s.

NFC umożliwia zarówno zasilanie, jak i komunikację z pasywnym znacznikiem elektronicznym za pomocą fal radiowych. Służy głównie do identyfikacji i uwierzytelniania. Forum NFC opracowało specjalną specyfikację przekazu energii przez sprzężenie magnetyczne, znaną jako ładowanie bezprzewodowe NFC (WLC), która umożliwia zasilanie urządzeń z mocą do 1 W na odległości maksymalnie 2 cm [12].

Sieci krótkiego zasięgu (PAN, WPAN)

Komunikacja krótkiego zasięgu obejmuje popularne standardy, takie jak Bluetooth, ZigBee i Wi-Fi, które działają w nielicencjonowanych pasmach częstotliwości do zastosowań przemysłowych, naukowych czy medycznych (ISM). Chociaż w większości krajów te pasma nie wymagają licencji, istnieją standardy działania, pod kątem których urządzenia muszą zostać przetestowane. Wadą pasm nielicencjonowanych jest to, że w określonych lokalizacjach występuje wiele urządzeń korzystających z tych samych przedziałów widma RF i różnych protokołów transmisji radiowej, w związku z czym problemem stają się zakłócenia, szczególnie w zatłoczonym paśmie radiowym 2,4 GHz. [1]

Większość standardów bezprzewodowych krótkiego zasięgu określa się mianem „sieci osobistych” (Personal Area Networks, PAN) – charakteryzują się one typowym zasięgiem od około 10 do 30 metrów (chociaż w dobrych warunkach wszystkie mogą zapewnić większy zasięg).

Jest też wiele innych standardów komunikacji radiowej przeznaczonych do specyficznych zastosowań. Na przykład Z-Wave to protokół transmisji bezprzewodowej używany głównie w automatyce budynków mieszkalnych i komercyjnych. Działa on podobnie do ZigBee, ponieważ korzysta z sieci typu mesh i częstotliwości radiowych pasma 800...900 MHz do komunikacji pomiędzy urządzeniami. Opracowano też Z-Wave Long Range (LR), który rozszerza łączność Z-Wave poza granice obiektu.

Bluetooth

Bluetooth został zaprojektowany w połowie lat 90. XX wieku – specjalnie jako sieć PAN, łącząca urządzenia do noszenia, telefony, komputerowe urządzenia peryferyjne i tak dalej [7]. Bluetooth korzysta z pasma ISM 2,4 GHz i pierwotnie był zdefiniowany w standardzie IEEE 802.15.1. Obecnie zarządza nim Bluetooth Special Interest Group (SIG) [7], będący sojuszem tysięcy firm produkujących urządzenia Bluetooth. Z biegiem czasu standardy Bluetooth IoT uległy zróżnicowaniu, dodano do nich Bluetooth Low Energy (BLE), Bluetooth Mesh i wprowadzono znaczące zmiany w Bluetooth 5.

Bluetooth SIG definiuje kilka typów profili w sieci radiowej (protokołów dostępu) [7]. Jeśli chodzi o urządzenia IoT, Bluetooth 5 zapewnia większy zasięg i szybsze, bezpołączeniowe działanie (w przypadku urządzeń o małym zużyciu energii – w porównaniu z wcześniejszymi wersjami standardu).

Do komunikacji radiowej warstwa fizyczna Bluetooth (PHY) używa modulacji GFSK i protokołów Frequency Hopped Spread Spectrum (FHSS) lub (w BLE) Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), które mają pewne funkcje unikania zakłóceń.

W przypadku większości urządzeń IoT żywotność baterii okazuje się kluczowym czynnikiem i często oczekuje się, że 10-letni czas pracy baterii obniży koszty eksploatacji (konserwacji) oraz zmaksymalizuje wygodę użytkowania. Dzięki szerokiej gamie wdrożeń i niewielkiemu zużyciu baterii, Bluetooth może być używany na wiele sposobów jako standard bezprzewodowy IoT krótkiego zasięgu.

Bluetooth Klasyczny – Bluetooth Basic Rate/Enhanced Data Rate (BR/EDR). Bluetooth Classic, określane również jako Bluetooth Basic Rate/Enhanced Data Rate (BR/EDR), to radio o małej mocy, które przesyła strumieniowo dane przez 79 kanałów w paśmie 2,4 GHz [7]. Ze względu na obsługę komunikacji urządzeń punkt-punkt Bluetooth Classic jest używany głównie do bezprzewodowego przesyłania strumieniowego dźwięku i stał się standardowym protokołem radiowym stosowanym w bezprzewodowych głośnikach, słuchawkach czy samochodowych systemach rozrywki.

Bluetooth Low Energy (BLE). Bluetooth Low Energy (LE) został zaprojektowany do pracy przy bardzo małym poborze mocy. Obsługuje wiele topologii komunikacyjnych, od transmisji punkt do punktu, aż po siatkę (Bluetooth Mesh) [7]. Bluetooth LE jest obecnie również szeroko stosowany jako technologia pozycjonowania urządzeń, aby sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu na usługi lokalizacyjne o wysokiej dokładności w pomieszczeniach. Zawiera teraz funkcje, które umożliwiają jednemu urządzeniu określenie zarówno obecności, odległości, jak i kierunku innego urządzenia (Direction Finding). Począwszy od wersji protokołu Bluetooth 5.2 udostępniony został nowy standard transmisji audio LE Audio (dokładny opis w artykule [17]).

ANT+ to protokół bezprzewodowy o bardzo małym poborze mocy, działający w paśmie ISM 2,4 GHz, który szczególnie nadaje się do produktów zasilanych bateryjnie [13]. Jego wyjątkowa wydajność energetyczna sprawiła, że stał się popularnym wyborem do zastosowań w dziedzinie sportu i fitnessu oraz zdrowia i relaksu. Standard ANT+ jest używany zwłaszcza w urządzeniach do monitorowania aktywności fizycznej, takich jak np. zegarki sportowe, krokomierze, pulsometry, liczniki kalorii, ciśnieniomierze, a także monitory prędkości, wagiczy temperatury. Dzięki technologii ANT+ można utworzyć bezprzewodową szyfrowaną (AES 128) sieć (maksymalny rozmiar 65 535), w której informacje pomiarowe rejestrowane podczas treningu są przesyłane pomiędzy znajdującymi się w jej zasięgu urządzeniami (przepustowość danych wynosi od 0,5 Hz do 200 Hz × 8 bajtów). Możliwe jest ponadto przesłanie uzyskanych danych do telefonu lub innego urządzenia obsługującego ANT+ w celu ich gromadzenia oraz interpretacji. Obecnie z technologii ANT+ korzysta ponad 200 marek z całego świata.

Standard IEEE 802.15.4

Jest to kolejny standard IEEE stosowany w sieciach PAN małej mocy w pasmach 868 lub 915 MHz i 2,4 GHz. Definiuje sześć protokołów bezprzewodowych warstwy fizycznej, w tym oryginalne techniki DSSS, a ostatnio Chirp Spread Spectrum (CSS) w paśmie 2,4 GHz oraz Direct Sequence Ultra-wideband (UWB) w pasmach poniżej 1 GHz i powyżej 3 GHz. Warstwa MAC umożliwia również przeskakiwanie kanałów w celu zmniejszenia lub uniknięcia zakłóceń. IEEE 802.15.4 to standard zbiorczy dla wielu standardów komunikacyjnych IoT, które definiują wyższe warstwy sieci, w tym niemal bezpośrednie połączenie z Internetem ze względu na adresację IP, zwaną 6LoWPAN, co może uprościć wdrażanie sieci przeznaczonych do bezpośredniej wymiany danych z chmurą. Standard jest też stosowany w sieciach rozległych, np. Wi-SUN.

ZigBee to jeden ze standardów 802.15.4 i kolejny ulubiony standard PAN w przypadku bezpiecznych sieci bezprzewodowych o małym poborze mocy i niewielkiej szybkości transmisji danych [9]. ZigBee korzysta z zakresu częstotliwości radiowych ISM, w tym z pasma 2,4 GHz. Pozostałe zastosowane przedziały widma różnią się w zależności od regionów świata, a pasma ZigBee poniżej 1 GHz obejmują 915 MHz – w USA, 784 MHz – w Chinach i 868 MHz – w Europie. ZigBee z natury obsługuje sieci drzewiaste, gwiazdowe i kratowe, więc zbiory urządzeń mogą wspólnie przekazywać dane w krótkich przeskokach do węzłów sterujących [1]. Standard ten jest atrakcyjny dla konstruktorów sieci o małej szybkości transmisji danych rozproszonych na obszarze większym niż możliwy do objęcia przez prostą sieć punkt-punkt w podobnych warunkach. Ceną za to może być krótszy czas pracy baterii w przypadku urządzeń, które służą jako wzmacniacze dla bardziej odległych urządzeń ZigBee IoT, przesyłając – oprócz własnych danych – także dane i potwierdzenia między węzłami. Szybkości transmisji danych również różnią się w zależności od regionu i wahają się od 10 do 200 kb/s. ZigBee Alliance definiuje profile aplikacji, które są definicjami wyższych warstw oraz bibliotekami opracowanymi do różnych zastosowań – i które skłaniają do zachowania kompatybilności pomiędzy urządzeniami ZigBee od wielu dostawców. Niedawno sojusz zdefiniował zestaw protokołów wyższej warstwy zwanych „dotdot”.

Thread. Technologia ta jest podobna do ZigBee, ponieważ opiera się na IEEE 802.15.4 PHY i MAC; jednakże używa protokołu IPv6 (6LoWPAN) [14]. To solidna, szyfrowana sieć kratowa zaprojektowana do bezpiecznego i niezawodnego łączenia się z setkami produktów oraz urządzeń automatyki domowej. Sieć ma właściwości samonaprawiające, krótkie komunikaty oszczędzają przepustowość i energię, natomiast usprawniony protokół routingu zmniejsza obciążenie sieci i opóźnienia transmisyjne.

Ultra WideBand (UWB). UWB opiera się na standardzie IEEE 802.15.4z [1]. Technologia UWB umożliwia pomiar odległości/lokalizacji z centymetrową dokładnością – oraz bezpieczną transmisję danych o bardzo małym poborze mocy, dużej przepustowości i bardzo krótkim opóźnieniu. Zapewnia niezwykle dokładny pomiar czasu przelotu sygnałów radiowych. Najnowsze zastosowania dotyczą gromadzenia danych z czujników, precyzyjnego lokalizowania i śledzenia obiektów. Zazwyczaj UWB działa w zakresie od 6 do 8,5 GHz i korzysta z szerokości pasma około 500 MHz na kanał. Transmisja UWB jest odporna na ataki MITM, dzięki czemu można ją znaleźć m.in. w systemach bezpiecznego otwierania drzwi samochodowych czy w opiece medycznej. Standard ten jest obecnie obsługiwany przez wysokiej klasy telefony firm Apple oraz Samsung.

Wi-Fi (IEEE 802.11)

Wi-Fi to obszerna rodzina standardów o długiej tradycji, której nazwy zaczynają się od IEEE 802.11 [8]. Standard został opracowany tak, aby zapewniał wysoką przepustowość danych 10...50 Mb/s (w nowszych wersjach prawie 160 Mb/s). Ponieważ Wi-Fi w różnych formach istnieje już od dziesięcioleci, zyskał wielu dostawców chipów i modułów, dając projektantom szeroki wybór komponentów sprzętowych. Ponieważ Wi-Fi może bezpośrednio łączyć się z Internetem, projektanci urządzeń stają przed problemami związanymi z bezpieczeństwem w zakresie zapewnienia prywatności danych, a także prawidłowego działania urządzenia. Wi-Fi Location dostarcza informacje o lokalizacji na poziomie poniżej metra, co umożliwia świadczenie szeregu usług IoT uwzględniających lokalizację i skierowanych do środowisk przemysłowych oraz inteligentnych miast, zapewniając tym samym takie możliwości, jak nawigacja w pomieszczeniach, mobilność czy śledzenie zasobów.

IEEE 802.11n (Wi-Fi 4) i 802.11ac (Wi-Fi 5) to poprawki do standardów 802.11, które dodają do sieci 802.11 bardziej rozbudowaną i wydajną funkcjonalność warstwy fizycznej, w tym MIMO, formowanie wiązki, agregację ramek i szersze kanały. Umożliwia to uzyskanie większych szybkości transmisji danych, ale wymaga znacznie większej mocy i zwykle pojawia się w bardziej złożonych urządzeniach z zasilaniem sieciowym (np. routerach bezprzewodowych), a nie w urządzeniach IoT.

IEEE 802.11ax (Wi-Fi 6) może działać w pasmach ISM 2,4 GHz oraz 5 GHz. Działa z teoretyczną maksymalną szybkością około 10 Gb/s. IEEE 802.11ax wydłuża także okres pracy baterii urządzeń, które muszą łączyć się z routerem tylko od czasu do czasu, korzystając z ukierunkowanych harmonogramów budzenia. Dzięki temu urządzenia klienckie oszczędzają czas pracy baterii, który normalnie byłby używany do wyszukiwania dostępnych sygnałów. IEEE 802.11ax korzysta z nowego Wi-Fi Protected Access 3 (WPA3), poprawiającego bezpieczeństwo urządzeń WLAN. Urządzenie Wi-Fi 6 zaprojektowane dla pasm 2,4 i/lub 5 GHz jest również kompatybilne wstecz z wcześniejszymi technologiami Wi-Fi.

Wi-Fi 6E uzupełnia standard sieci bezprzewodowej o działanie w paśmie 6 GHz. Ponieważ w tym zakresie widma nie będą działać żadne urządzenia Wi-Fi poprzedniej generacji, transfer będzie znacznie szybszy.

IEEE 802.11be (Wi-Fi 7). Nowy standard IEEE 802.11be – nazwany EHT (Extremely High Throughput), wprowadzony w roku 2024 – zwiększa maksymalną prędkość z 9,6 Gb/s do 46 Gb/s, daje 100× mniejsze opóźnienie, korzysta jednocześnie z obu pasm Wi-Fi 6 GHz i 5 GHz. Wi-Fi 7 jest w pełni zgodny z poprzednimi standardami.

Matter-Over-Wi-Fi oraz Matter-Over-Thread

Upowszechnianie się zastrzeżonych standardów i dostawców usług stanowi główną przeszkodę we wdrażaniu urządzeń podłączonych do sieci. Na przykład obecny krajobraz inteligentnego domu obejmuje wiele zamkniętych ekosystemów, w tym HomeKit firmy Apple, Alexa firmy Amazon, Asystent Google i SmartThings firmy Samsung.

Aby zwiększyć zaufanie konsumentów, największe marki – współpracując z innymi firmami z branży – stworzyły Matter: ujednolicony standard inteligentnego domu [9]. Urządzenia obsługujące protokół Matter mogą z łatwością komunikować się ze sobą w granicach sieci i poza nią, korzystając z istniejących technologii, w tym Bluetooth LE, Ethernet, Wi-Fi i protokołu sieciowego Thread. Matter to standard łączności typu open source opracowany z myślą o inteligentnych urządzeniach domowych IoT. Sam standard jest bezpłatny, chociaż programiści i producenci ponoszą koszty certyfikacji. Stowarzyszenie Connectivity Standards Alliance (CSA) [9] wydało nowy standard Matter 1.3, obiecujący konwergencję głównych ekosystemów IoT, a także oferujący jeden protokół bezprzewodowy do łączenia wszystkich sieci i urządzeń IoT. Standard umożliwia ponadto aktualizacje za pośrednictwem sieci, zmniejsza zużycie energii i poprawia bezpieczeństwo urządzeń.

Amazon Sidewalk

Godną uwagi innowacją wprowadzoną w 2021 r. była Amazon Sidewalk – technologia sieci współdzielonej łącząca istniejące urządzenia Amazon IoT [1]. Amazon Sidewalk to opracowany przez firmę Amazon protokół komunikacji bezprzewodowej dalekiego zasięgu o niskiej przepustowości. Używa on Bluetooth Low Energy (BLE) do komunikacji na małe odległości – i 900 MHz LoRa (oraz innych częstotliwości) na dłuższych dystansach w celu komunikacji z urządzeniami gospodarstwa domowego, takimi jak systemy otwierania bram garażowych. Niektóre urządzenia Ring i głośniki Echo działają jako punkty dostępu, tworząc w ten sposób sieć ad hoc. Właściciele urządzeń Amazon dzielą się z siecią częścią swojego pasma internetowego, do wcześniej ustalonych limitów.

Sieci rozległe małej mocy (LPWAN)

Chociaż IoT zazwyczaj odnosi się do komunikacji krótkiego zasięgu, istnieje wiele zastosowań, w których wspomnianej technologii można używać na większe odległości. Te zastosowania sieci rozległej małej mocy (LPWAN) obejmują medycynę (ambulatoryjne monitorowanie pacjentów), zasoby naturalne (pomiary jakości wody, wydobycie ropy i minerałów), przemysł (monitorowanie i kontrola dużych zakładów), rolnictwo (dobrostan i lokalizacja zwierząt, monitorowanie pogody, zdrowia upraw i zużycia wody), inteligentne miasto (nadzór ruchu, obsługa parkingów, pomiary jakości powietrza czy zużycia mediów), monitorowanie budynków i nie tylko.

Postęp w technikach modulacji i integracji systemów typu SoC (System-on-Chip) znacznie zwiększył zasięg, w jakim mogą działać urządzenia o niskim poborze mocy. Użycie niższych pasm (poniżej 1 GHz) umożliwia także zmianę charakterystyki propagacji sygnału radiowego, co jest dużą zaletą w sieciach dalekiego zasięgu. Te niższe częstotliwości mogą również wymagać zastosowania większych anten w celu uzyskania potrzebnej wydajności. Przy częstotliwości 2,4 GHz antena ćwierćfalowa ma długość 31 mm, ale przy 915 MHz analogiczna antena ma długość około 82 mm. W przypadku produktów o dużym zasięgu i małej mocy większe i bardziej wydajne anteny (jeśli są akceptowalne mechanicznie) mogą się opłacić za sprawą długiego czasu pracy baterii, zmniejszając moc RF niezbędną do zapewnienia wymaganego dystansu transmisji. Ponadto Internet Rzeczy dalekiego zasięgu stwarza możliwości w zakresie usług komunikacyjnych na zasadzie subskrypcji – w porównaniu z całkowicie samodzielnymi instalacjami krótkiego zasięgu. Firmy z dużą zainstalowaną infrastrukturą radiową, np. dostawcy sieci telefonii komórkowej, udostępniają usługi za pomocą istniejących sieci, obejmując całe regiony lub kraje nowymi usługami transmisji danych o dużym zasięgu i małej szybkości. Zastosowanie licencjonowanego widma zapewnia wysoki poziom usług, lecz wymaga opłat abonamentowych. Instalacje komercyjne umożliwiają także proste połączenie z Internetem i systemami chmurowymi [1].

Według badania z pierwszego kwartału 2024, na całym świecie istnieje prawie 1,3 miliarda połączeń LPWAN IoT [20]. Stanowi to około 8% z ponad 16 miliardów urządzeń IoT podłączonych na całym świecie w 2023 r. Największy udział, około 54%, w połączeniach LPWAN ma NB-IoT. Jednak w Chinach ok. 81% wszystkich połączeń LPWAN to NB-IoT, a kraj ten odpowiadał za ok. 84% wszystkich globalnych połączeń NB-IoT. Natomiast pomijając Chiny, NB-IoT stanowił tylko 20% połączeń LPWAN w 2023. Po wyłączeniu wszystkich danych LPWAN z Chin, LoRaWAN ma wiodący udział w globalnych połączeniach LPWAN na poziomie 41% – ponad dwukrotnie więcej niż udział NB-IoT.

W Ameryce Północnej udział technologii w komunikacji LPWAN IoT wynosił w roku 2023: LoRaWAN 47%, NB-IoT 25%, Wi-Fi 15% i Wi-SUN 14%. Podobnie w Japonii: LoRaWAN 35%, Wi-SUN 22%, NB-IoT 16%, CAT-M 13% i Wi-Fi 13%. W Indiach wyglądało to inaczej: NB-IoT 56%, CAT-M 46%, MioTY 36%, Wi-SUN 32% i LoRaWAN 32%. Widać tu wyraźnie regionalne preferencje wyboru technologii radiowych.

Sieci rozległe w pasmach bez licencji

Problem braku dostępu do zasilania sieciowego został w przypadku urządzeń IoT rozwiązany za pomocą sieci rozległych małej mocy (LPWAN). Te rozwiązania w zakresie łączności zoptymalizowano pod względem zużycia energii. Jednak technologia LPWAN nie jest wcale zagadnieniem prostym.

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) to protokół sieciowy o niskim poborze mocy i rozległym zasięgu, przeznaczony do bezprzewodowego łączenia układów zasilanych bateryjnie z Internetem w sieciach regionalnych, krajowych lub globalnych. Zarządza nim otwarta organizacja non profit – LoRa Alliance [11]. Protokół umożliwia komunikację pomiędzy maksymalnie 1000 urządzeń. Wadę LoRa stanowi mała szybkość transmisji (od 0,3 do 50 kb/s), a zalety – duży zasięg transferu i niskie zużycie energii. LoRa korzysta z wolnych nielicencjonowanych pasm częstotliwości radiowych (ISM), takich jak 169 MHz, 433 MHz, 470 MHz, 868 MHz (Europa) i 915 MHz (Ameryka Północna). Ponieważ używa niższych częstotliwości radiowych, jej sygnały mogą przenikać w głąb budynków i docierać do miejsc niedostępnych dla sprzętu o wyższej częstotliwości (np. 2,4 GHz). Oferuje zazwyczaj zasięg do 2,5 km (miasto) i do 15 km (tereny podmiejskie). LoRa stosuje zestaw technik modulacji opatentowanych przez firmę Semtech i stosujących Chirped Spread Spectrum (CSS) – dzięki temu sygnał jest odporny na efekt Dopplera (w przypadku użytkowników mobilnych) i zanikanie wielościeżkowe. Zapewnia również znaczny poziom odporności na zakłócenia. LoRa może pracować poniżej poziomu szumu RF otoczenia i nawet o 20 dB lub więcej poniżej wąskopasmowych źródeł zakłóceń – ze względu na wzmocnienie przetwarzania modulacji widma rozproszonego. Ponieważ sygnał CSS jest łatwiejszy do dekodowania niż inne widmo rozproszone, można to zrobić przy mniejszej mocy obliczeniowej. Może to oznaczać dłuższą pracę baterii urządzenia IoT pomimo zaawansowanej modulacji RF. Przepustowość jest zadowalająca w kwestii przesyłania niewielkich ilości danych z czujników, ale niewystarczająca, aby na przykład zapewnić aktualizacje oprogramowania drogą bezprzewodową (OTA). Małe szybkości transmisji danych również poważnie ograniczają bezpieczeństwo oferowane przez sieci LPWAN. Dane przepływają łączami LoRa RF do bramek (zwanych także koncentratorami), które łączą się z Internetem i serwerami chmury/aplikacji. LoRa można wdrożyć jako sieć zastrzeżoną. W kilku obszarach świata istnieją publiczni operatorzy omawianej infrastruktury, którzy sprzedają łączność za pośrednictwem bramek (przeznaczonych do urządzeń LoRa) w celu przesyłania danych do chmury. Oprócz układów firmy Semtech dostępne stają się także układy firm ST Microelectronics i Microchip.

SigFox to zastrzeżony protokół radiowy działający w pasmach 868/915 MHz i zapewniający sieć bramek podobnych do komórkowych, które łączą się z Internetem oraz chmurą [1]. SigFox jest siecią gwiazdową, w której bramy służą jako kontrolery sieci. Oferuje duży zasięg i bardzo małe zużycie baterii; korzysta z transmisji radiowych Ultra Narrowband (UNB) o bardzo niskiej szybkości przesyłania danych. SigFox ma wyjątkowo lekki protokół i przesyła pakiet o długości 12 bajtów.

Wi-SUN (Wireless Smart Ubiquitous Network) jest siecią kratową o bardzo małym poborze mocy i dalekim zasięgu w paśmie poniżej 1 GHz. Jest to otwarty standard zarządzany przez sojusz Wi-SUN [10]. Warstwa fizyczna korzysta z protokołu IEEE 802.15.4g. Wi-SUN oferuje wyższą przepustowość niż LoRaWAN i NB-IoT, a także mniejsze zużycie energii w trybie uśpienia. Dzięki obsłudze zarówno protokołu IPv6, jak i infrastruktury klucza publicznego (PKI), Wi-SUN oferuje korzyści w zakresie bezpieczeństwa, co dla zdecydowanej większości użytkowników jest kwestią równie ważną jak wydajność.

Maksymalna jednostka transmisji obejmuje nieco ponad 1200 bajtów przy szybkości transmisji od 50 kb/s do 2,4 Mb/s.

Mioty to oparty na oprogramowaniu protokół sieci rozległej o małym poborze mocy (LPWAN), który został opracowany w celu przezwyciężenia dzisiejszych i przyszłych ograniczeń łączności bezprzewodowej [19]. Podstawowym wynalazkiem technologii Mioty jest metoda TSMA (ang. Telegram Splitting Multiple Access). Zgodnie z definicją Europejskiego Instytutu Norm Telekomunikacyjnych (ETSI TS 103 357) funkcja Telegram Splitting dzieli pakiety informacji, które mają być przesyłane w strumieniu danych, na małe podpakiety na poziomie czujnika. Te podpakiety są następnie przesyłane na różnych częstotliwościach i w różnym czasie (rysunek 1). Algorytm stacji bazowej monitoruje widmo pod kątem podpakietów i składa je ponownie w kompletną wiadomość. Zaawansowana korekcja błędów przekazywania (FEC) sprawia, że odbiornik potrzebuje tylko 50% danych radiowych, aby całkowicie zrekonstruować informacje. Takie rozwiązanie zmniejsza wpływ uszkodzonych lub utraconych pakietów na niezawodność komunikacji i zwiększa odporność na zakłócenia.

Rysunek 1. Transmisja podpakietów metodą TSMA w protokole Mioty [19]

Mioty osiąga duży zasięg dzięki komunikacji w paśmie poniżej 1 GHz. Przy zużyciu energii wynoszącym 17,8 μWh (punkt końcowy, 868 MHz) na wiadomość, Mioty sprawia, że żywotność baterii przekraczająca 20 lat staje się rzeczywistością. Niezrównana dokładność i niezawodność pozwalają węzłom oraz stacjom bazowym Mioty pracować z pełną wydajnością przy prędkości przemieszczania do 120 km/h. Dzięki najlepszej w swojej klasie niezawodności i skalowalności, Mioty są przeznaczone do masowych wdrożeń przemysłowych, a także komercyjnych IoT. Docelowe zastosowania stanowią tu urządzenia czujnikowe o bardzo małym poborze mocy, takie jak mierniki i systemy monitorowania środowiska/przemysłu.

IEEE 802.11ah (Wi-Fi HaLow) – Wi-Fi dalekiego zasięgu to technologia zaprojektowana specjalnie dla rynku IoT [8]. Zapewnia łączność o dużym zasięgu i małym poborze mocy, co umożliwia dotarcie do urządzeń znajdujących się w odległości do 1 km od punktu dostępowego – a to okazuje się szczególnie przydatne w przedsiębiorstwach, gospodarstwach rolnych czy inteligentnych miastach. Wi-Fi HaLow działa w paśmie 850 do 950 MHz ze stosunkowo wąskimi kanałami, zazwyczaj o szerokości od 1 do 8 MHz oraz współczynnikami modulacji i kodowania zoptymalizowanymi pod kątem zasięgu (MCS).

Pojedynczy punkt dostępowy Wi-Fi HaLow może obsłużyć do 8191 urządzeń, co stanowi 4-krotność wydajności obsługiwanej przez punkt dostępowy Wi-Fi 6. Omawiana technologia zapewnia zakres szybkości transmisji danych idealnie dostosowany do urządzeń IoT, na przykład od 150 kb/s (przy użyciu MCS 10 z modulacją BPSK) do maksymalnej szybkości 4,4 Mb/s (przy użyciu MCS 9 z pojedynczym strumieniem przestrzennym na najwęższe pasmo 1 MHz). Jednostrumieniowy punkt dostępowy Wi-Fi HaLow może obsługiwać różne urządzenia IoT, począwszy od czujników o bardzo małym poborze mocy, wysyłających pakiety 1 MHz z szybkością do 150 kb/s, po kamery transmitujące 8-megahercowe pakiety z szybkością do 43 Mb/s. W kontekście domowego IoT ważnym czynnikiem okazuje się zdolność Wi-Fi HaLow do przenikania przez ściany i inne bariery lepiej niż technologie 2,4 GHz. Wi-Fi HaLow wdraża nowe tryby uśpienia i zarządzania (używając tego samego protokołu TWT, co Wi-Fi 6), aby zapewnić energooszczędną, wieloletnią pracę na baterii – co sprawia, że nadaje się do podłączania urządzeń, takich jak zamki do drzwi, oświetlenie, kamery oraz elementy ogrzewania, wentylacji czy klimatyzacji (HVAC). Wi-Fi HaLow obsługuje najnowsze wymagania Wi-Fi w zakresie uwierzytelniania (WPA3) i szyfrowania AES ruchu OTA, z szybkościami transmisji danych umożliwiającymi bezpieczne aktualizacje oprogramowania sprzętowego OTA. Program certyfikacji Wi-Fi Alliance daje konsumentom pewność, że wszystkie produkty marki HaLow z certyfikatem Wi-Fi będą ze sobą współdziałać [8].

5G NR+ to niekomórkowy standard radiowy niedawno włączony przez ITU do standardów 5G [15]. Jako technologia DECT, NR+ działa w globalnym nielicencjonowanym paśmie 1,9 GHz, co znacznie obniża koszty wdrożenia. Technologia ta używa samonaprawiającej się, zdecentralizowanej i autonomicznej sieci kratowej, co ułatwia dodawanie nowych urządzeń, a także eliminowanie pojedynczych punktów awarii. Jej elastyczna i wysoce skalowalna struktura sieci znajduje zastosowanie w wielu branżach i już teraz można wskazać liczne przypadki jej praktycznego wdrożenia. NR+ korzysta przy tym ze znanych technik komórkowych i zapewnia solidne, standardowe rozwiązanie, nieporównywalne z żadną inną technologią niekomórkową.

Wireless M-Bus (wM-Bus) – czyli bezprzewodowa magistrala liczników – to otwarty standard opracowany na potrzeby bardzo energooszczędnych, inteligentnych pomiarów, a także zastosowań w zaawansowanej infrastrukturze pomiarowej. Szybko zdobywa on popularność w Europie – w zakresie pomiarów zużycia energii elektrycznej, gazu, wody i ciepła. Sieć Wireless M-Bus opiera się na topologii gwiazdy z urządzeniami master i slave, opisanymi w normie EN 13757, która obejmuje szereg różnych trybów pracy w pasmach 868/433/169 MHz.

Komunikacja komórkowa

Pasmo licencjonowane odnosi się do komórkowych sieci danych, w których operatorzy wykupili widmo, kontrolują dostęp oraz zapewniają połączenia głosowe i transmisję danych. Sieci LTE oferują tryby przesyłania informacji o niższej szybkości, umożliwiające urządzeniom o małym poborze mocy przesyłanie danych przez sieci, a przy tym zapewniające duży zasięg, długi czas pracy baterii i połączenia z niemal wszechobecnymi sieciami komórkowymi.

Aplikacje IoT są sprawnie obsługiwane przez LTE-M i NB-IoT oparte na sieciach komórkowych 4G [15]. Firma 3GPP włączyła LTE-M i NB-IoT do specyfikacji 5G, potwierdzając ich długoterminowy status.

NB-IoT (NarrowBand IoT) to technologia LPWAN wdrożona w sieciach mobilnych. Korzysta ona z licencjonowanego widma (komórkowego) i stanowi dodatek do sieci LTE o małej szybkości transmisji danych oraz dużym zasięgu. Ponieważ za prawo do używania widma licencjonowanego operatorzy zapłacili miliardy dolarów, pobierają oni opłaty za transmisję danych (czyli za korzystanie z niego przez użytkowników końcowych) i wymagają rygorystycznych testów zgodności, co w efekcie przekłada się również na niezawodność komunikacji. Jednak NB-IoT oferuje zasięg ogólnokrajowy istniejącej infrastruktury sieci komórkowej, a obecnie zasięg niemal globalny – dzięki wąskopasmowemu połączeniu RF okazuje się on nawet większy niż w przypadku telefonów komórkowych. NB-IoT oferuje szybkość transmisji danych od 20 do 250 kb/s, w zależności od tego, jakie części „bloków zasobów” LTE są używane.

Sprawdza się w pomieszczeniach zamkniętych dzięki możliwości przenikania przez ściany i budynki. Ponadto ma stosunkowo niską częstotliwość odświeżania, dzięki czemu jest optymalny do zastosowań, w których fakt ten nie stanowi problemu. Dlatego należy używać NB-IoT z czujnikami statycznymi, które muszą wysyłać zaktualizowane dane okresowo, a nie w trybie ciągłym. Główną zaletą omawianej technologii pozostaje jej niski koszt – rezygnacja z bramek znacznie zmniejsza nakłady wdrożeniowe. NB-IoT nie koliduje z innymi sieciami, natomiast może nakładać się na inne sieci, nawet te obciążone, bez utraty danych.

Cat-M1 – podobnie jak system NB-IoT – korzysta z licencjonowanego widma sieci komórkowej LTE. Zapewnia szybkość transmisji danych około 1 Mb/s na łączu półdupleksowym. Do aplikacji wymagających większej szybkości i zasięgu istniejącej infrastruktury komórkowej Cat-M1 jest wyborem optymalnym.

5G Non-Terrestrial Network (NTN)

Tylko około 10 procent powierzchni naszej planety ma dostęp do usług łączności naziemnej. Wiele wdrożeń IoT wymaga rozproszenia urządzeń na dużych obszarach, gdzie nie można polegać na zasięgu sieci komórkowej ani nawet niezawodnej infrastrukturze energetycznej. Sieci satelitarne mogą zapewnić łączność tam, gdzie inne opcje zawodzą. Dostępne są moduły IoT obsługujące technologie satelitarne, takie jak globalny system nawigacji satelitarnej (GNSS). Usługi uwzględniające lokalizację są wdrażane w różnych obszarach, w tym w usługach rządowych, transporcie, zarządzaniu ruchem, energetyce, opiece zdrowotnej.

Satelitarna komunikacja IoT zaspokaja potrzebę przesyłania wielu strumieni złożonych danych. Ze względu na duży zasięg protokół ten może przesyłać dane i komunikację głosową na całym świecie. Jego wadę stanowi jednak zwłoka w komunikacji wynikająca z odległości potrzebnej do przesyłania danych (co może zakłócać niektóre działania wrażliwe na opóźnienia), a ponadto okazuje się droższą opcją.

Postępująca konwergencja technologii satelitarnych i telefonii komórkowej jest możliwa dzięki integracji łączności sieci NTN (Non-Terrestrial-Network) z ekosystemem komórkowym 5G, wprowadzonej w ramach specyfikacji 3GPP Release-17 [15]. Wdrożono obsługę dwóch typów sieci naziemnych. 5G NR NTN obsługuje dostęp przez sieć satelitarną do telefonów komórkowych w zastosowaniach takich, jak transmisja głosu i danych na obszarach geograficznych nieobsługiwanych przez sieci naziemne. Natomiast NB-IoT NTN obsługuje dostęp do urządzeń IoT bezpośrednio z satelitów w rolnictwie, transporcie i innych zastosowaniach.

Po opublikowaniu specyfikacji 3GPP Release-17 zintegrowany rynek łączności satelitarnej i telefonii komórkowej nabrał znacznego przyspieszenia, napędzany istotnymi premierami produktów i ważnymi ogłoszeniami. Firmy takie jak Apple, Huawei, ZTE, Qualcomm, Motorola, MediaTek, Bullitt, Globalstar, Inmarsat oraz Iridium nawiązały strategiczne partnerstwa w ramach branż telefonii komórkowej i satelitarnej. Współpraca ta rozszerzyła się również na operatorów sieci komórkowych, którzy chcą zwiększyć zasięg swojej infrastruktury. Na przykład T-Mobile w Stanach Zjednoczonych rozpoczął współpracę z operatorem satelitarnym SpaceX/Starlink w celu świadczenia usług łączności z użyciem satelitów [18].

Pojawienie się na rynku urządzeń mobilnych od głównych producentów smartfonów konsumenckich i producentów chipsetów (takich jak Apple, Qualcomm, Motorola, MediaTek, Huawei i ZTE) z funkcją obsługi połączeń satelitarnych wskazuje, że zbliża się moment wprowadzenia komunikacji satelitarnej do mainstreamowego rynku konsumenckiego.

NTN to sieć obejmująca węzły, które fizycznie nie znajdują się na Ziemi. Chociaż myślimy przede wszystkim o satelitach w sieciach NTN, inne komponenty mogą składać się z platform/dronów małej wysokości (LAP), pseudosatelitów/dronów/balonów znajdujących się na dużych wysokościach (HAPS), a także satelitów na różnych orbitach oraz ich kombinacji. Każda sieć NTN ma kilka punktów obecności, w których sieć satelitarna łączy się z Internetem naziemnym. Łącza światłowodowe spinają ze sobą stacje lądowe, natomiast łącza laserowo-optyczne zapewniają komunikację pomiędzy satelitami. Z kolei od bram satelitarnych naziemnych łącza szerokopasmowe zapewniają wymianę danych pomiędzy sieciami komórkowymi a konstelacjami satelitów za pomocą ogromnych połączeń o przepustowości ponad 20 gigabitów na sekundę.

Większość zainteresowania wokół sieci NTN koncentruje się obecnie na możliwościach bezpośredniego przesyłania danych do urządzenia. Funkcja ta umożliwia telefonom komórkowym łączenie się z satelitami, gdy znajdują się one poza zasięgiem naziemnych stacji bazowych. W ostatnich latach kilka firm podjęło nowe inicjatywy mające na celu promowanie komunikacji NTN bezpośrednio z urządzeniami: nowsze przedsięwzięcia, zwłaszcza Starlink, Amazon i inne, okazały się bardzo obiecujące i szybko odniosły sukces. Projekty te opierają się głównie na zastrzeżonych, niestandardowych technologiach, wymagających zaimplementowania własnościowych algorytmów i obwodów w satelicie do obsługi różnych, złożonych technologii komunikacyjnych.

Sieci NTN mogą zapewniać wsparcie w sytuacjach awaryjnych za pośrednictwem zastosowania w odległych obszarach jednocześnie różnych sieci: NB-IoT LTE / 5G GEO i Internetu dołączonych do 5G NTN LEO.

Sieci hybrydowe

Sieci hybrydowe łączą protokoły PAN krótkiego zasięgu i protokoły dalekiego zasięgu (LPWAN) w jedną sieć, w której lokalne klastry urządzeń IoT – korzystających na przykład z Bluetooth lub ZigBee – przenoszą dane do węzła centralnego, gdzie są one następnie agregowane i transmitowane przez sieci dalekiego zasięgu, takie jak jak LoRa lub Cat-M1. Działa to dobrze w przypadku sieci użyteczności publicznej, w których liczniki wody, gazu lub energii elektrycznej gromadzą dane z otoczenia za pośrednictwem urządzeń IoT krótkiego zasięgu lub sieci kratowych i okresowo wysyłają wyniki do chmury za pośrednictwem sieci radiowych dalekiego zasięgu lub sieci przewodowych. Ten hybrydowy model umożliwia wielu niedrogim urządzeniom IoT agregowanie danych, a następnie łączenie się z Internetem lub chmurą. Urządzenia IoT coraz częściej korzystają jednocześnie z wielu technologii dostępu radiowego – na przykład firma Telli Health oferuje rozwiązania komórkowe i LoRaWAN do zdalnego monitorowania pacjentów, dzięki czemu szybko stała się wiodącym amerykańskim rozwiązaniem w tym obszarze [5].

Scalone układy komunikacyjne dla branży IoT

Architektury systemów wbudowanych ewoluują stale – w miarę udostępniania nowszych technologii. To, co kiedyś było pojedynczą jednostką centralną otoczoną interfejsem i obwodami logicznymi, jest obecnie konstrukcją wielordzeniową z zaawansowaną zintegrowaną funkcjonalnością urządzeń peryferyjnych. Dlatego większość producentów układów scalonych do komunikacji oferuje zintegrowane środowiska programowania z systemem operacyjnym czasu rzeczywistego (RTOS). Zdecydowanie ułatwia to projektowanie, uruchamianie, testowanie i rozbudowę systemów. Oferta układów i modułów IoT jest bardzo obszerna. W poniższym zestawieniu zostały pokazane tylko niektóre z nich, ciekawe ze względu na architekturę, technologię, obsługiwane protokoły komunikacyjne czy własności funkcjonalne.

Aby zbudować lub zintegrować sprzęt IoT do dowolnego zastosowania, najlepiej wybrać moduł OEM obsługujący cztery technologie radiowe: BLE (oraz opcjonalnie Thread lub ZigBee), LTE-M, NB-IoT (najlepiej moduł SiP z jednoczesną obsługą obu) oraz komunikację satelitarną (GNSS).

Nordic Semiconductor jest wiodącym producentem wieloprotokołowych układów System-on-Chip (SoC) oraz System-in-Package (SiP) [16] – dostarcza on układy i oprogramowanie do szerokiego spektrum standardów komunikacji IoT: Cellular IoT (LTE-M and NB-IoT), Wi-Fi, Bluetooth Low Energy, Bluetooth LE Audio, Bluetooth Mesh, Bluetooth Direction Finding, DECT NR+, Thread, ZigBee, ANT oraz 2,4 GHz Proprietary.

Pełne portfolio obejmuje również takie technologie IoT, jak: Matter, Amazon Sidewalk, KNX IoT, Apple Find My Network, Security, Edge AI czy też Google Find My Device. Opisywany producent dostarcza ponadto układy do optymalnego zarządzania zasilaniem oraz oferuje rozwiązania chmury obliczeniowej i wsparcie aplikacji w wielu dziedzinach zastosowań. Firma Nordic Semiconductor jest kluczowym graczem w ekosystemie Matter ze względu na decydującą rolę, jaką jej energooszczędne chipy odgrywają w działaniu rozwiązań inteligentnego domu.

Wśród oferowanych produktów znajdują się wieloprotokołowe układy SoC serii: nRF52, nRF53 i nRF54 (komunikacja w pasmie 2,4 GHz) oraz serii nRF70 (Wi-Fi 6 z obsługą lokalizacji). Układy zapewniają doskonałą interoperacyjność komunikacyjną, mogą jednocześnie korzystać z protokołów ANT i Bluetooth LE, a także obsługują technologię Matter.

Układ nRF5340 to pierwszy na świecie bezprzewodowy SoC z dwoma procesorami Arm Cortex-M33. nRF5340 oferuje łączność Bluetooth 5.4 (która może przyjmować wszystkie role związane pozycjonowaniem Bluetooth), udostępnia także funkcje LE Audio, daleki zasięg i wysoką przepustowość 2 Mb/s.

Protokoły kratowe, takie jak Bluetooth Mesh, Thread i ZigBee, mogą być uruchamiane jednocześnie z Bluetooth Low Energy. Obsługiwane są także protokoły NFC, ANT oraz 802.15.4.

Układ SiP nRF9161 wspiera 3GPP Release 14 LTE-M i NB-IoT na całym świecie, bez ograniczeń regionalnych. Umieszczony w kompaktowej obudowie 10×16 mm, opisywany SiP integruje programowalny procesor aplikacyjny Arm Cortex-M33 (64 MHz), uniwersalny modem LTE (700-2200 MHz) z obsługą GNSS i DECT NR+, RF Front End (RFFE) oraz system zarządzania energią (PMIC), a także niezbędne elementy pasywne i kwarce. W efekcie powstało najbardziej energooszczędne, kompletne rozwiązanie komórkowe IoT na rynku, wzbogacone o dodatkową kompatybilność z niekomórkowymi aplikacjami 5G NR+ (1,9 GHz).

Nowy układ nRF54H20 (zapowiadany w roku 2024) może pochwalić się wieloma procesorami Arm Cortex-M33 i koprocesorami RISC-V. Procesory są taktowane z częstotliwością do 320 MHz, a każdy z nich został zoptymalizowany pod kątem określonego rodzaju zastosowań. Układ jest dobrym rozwiązaniem do aplikacji wymagających złożonego uczenia maszynowego (ML) i obsługi fuzji czujników w systemach przetwarzania brzegowego.

Całkowicie nowy wieloprotokołowy moduł radiowy 2,4 GHz sprawia, że nRF54H20 SoC jako pierwszy na świecie oferuje czułość RX na poziomie –100 dBm (Bluetooth LE 1 Mb/s) oraz –104 dBm dla 802.15.4 (przy zasilaniu 3 V/2 mA).

nRF Connect SDK to skalowalne i ujednolicone środowisko programistyczne do tworzenia produktów opartych na układach z serii nRF52, nRF53, nRF54, nRF70 i nRF91. Integruje system operacyjny czasu rzeczywistego Zephyr oraz szeroką gamę przykładów, protokołów aplikacji, stosów, bibliotek czy sterowników sprzętowych. Zastosowanie systemu Zephyr umożliwia łatwą rozszerzalność i skalowalność oprogramowania użytkownika.

Firma Nordic Semiconductor dostarcza wiele płytek uruchomieniowych ze swoimi układami SoC i SiP. Szczególnie przydatne są platformy do prototypowania IoT Nordic Thingy:52, Nordic Thingy:53 oraz Nordic Thingy:91. Zawierają one układy komunikacyjne, zasilanie bateryjne oraz zestaw czujników i firmowe aplikacje realizujące komunikację z chmurą. Thingy:53 obsługuje wbudowane modele uczenia maszynowego.

STMicroelectronics oferuje 28 produktów do sieci LPWAN i 52 produkty do sieci WPAN, a także komponenty do komunikacji NFC/RFID, GNSS/GPS oraz pasma 60 GHz (rysunek tytułowy) [21]. Obejmują one obsługę takich standardów, jak: BLE, LoRa, Open Thread, KNC RF, Sigfox, Vat M1, NB-IoT, ZigBee czy Matter. Opisywane układy umożliwiają zastosowanie systemu Zephyr RTOS. Bogaty ekosystem STM32Cube wspiera natomiast wdrażanie i programowanie aplikacji.

Mikrokontrolery STM32Wx zapewniają łączność bezprzewodową z obsługą pasma sub-GHz i 2,4 GHz. Wysoce zintegrowane oraz niezawodne, nadają się do szerokiego zakresu zastosowań przemysłowych i konsumenckich. Rozwiązania STM32Wx są kompatybilne z wieloma protokołami (od połączeń punkt-punkt i sieci typu mesh, aż po sieci rozległe), energooszczędne i oferują wbudowane funkcje bezpieczeństwa. Bezprzewodowe mikrokontrolery STM32Wx zbudowane wokół MCU i transceivera radiowego umożliwiają działanie w czasie rzeczywistym, zapewniając jednocześnie efektywne zużycie energii. Seria STM32WB i STM32WBA jest przeznaczona do łączności krótkiego zasięgu, a seria STM32WL – do łączności na duże odległości.

Nowa seria MCU STM32WBA (technologia 40 nm) to jednordzeniowy (ARM Cortex-M33) SoC, który obsługuje protokoły komunikacyjne Bluetooth Low Energy 5.4 i IEEE 802.15.4, w tym ZigBee i Thread. Dodatkowo seria jest kompatybilna z najnowszymi standardami OpenThread i Matter opracowanymi dla routerów granicznych. Zapewnia podstawowe funkcje bezprzewodowych urządzeń IoT w połączeniu z lepszymi zabezpieczeniami, gwarantując tym samym bezpieczne i niezawodne aplikacje.

Seria MCU STM32WB (technologia 90 nm) to dwurdzeniowy (ARM Cortex-M4 i M0+) SoC, który obsługuje protokoły komunikacyjne Bluetooth Low Energy 5.4 i IEEE 802.15.4, ZigBee oraz Thread, działające indywidualnie lub współbieżnie. Obsługę wielu protokołów umożliwia zastosowanie technologii Matter.

Seria MCU STM32WL to pierwszy na świecie SoC z obsługą LoRa. STM32WL jest w pełni otwarty i obsługuje wiele modulacji, co czyni go idealnym wyborem do sieci rozległych małej mocy (LPWAN). Rozszerzając możliwości projektowania IoT, mikrokontrolery STM32WL zapewniają właściwą równowagę pomiędzy zużyciem energii a wydajnością.

STMicroelectronics udostępnia też certyfikowane moduły komunikacji bezprzewodowej, gotowe do bezpośredniego zastosowania w projekcie użytkownika. Na przykład certyfikowany moduł STM32WBxM zawiera mikrokontroler STM32WBx5 i komplet obwodów peryferyjnych w pojedynczej obudowie LGA. Jest w pełni certyfikowany dla wszystkich protokołów i zapewnia zgodność z wymogami EMC obowiązującymi na różnych rynkach.

STMicroelectronics dostarcza także transceivery pracujące w paśmie V (60 GHz), przeznaczone do bezstykowej łączności krótkiego zasięgu (do kilku cm).

ST60A2 oferuje najlepszą w swojej klasie wydajność bezprzewodową z szybkością transferu do 6,25 Gbit/s, a także bardzo małym zużyciem energii. ST60A3H0 i ST60A3H1 to szybkie (480 Mbit/s) transceivery RF zgodne z protokołami eUSB2, UART i I²C. Zawierają wejścia/wyjścia ogólnego przeznaczenia (GPIO), które są również dostępne w trybie tunelowania.

Portfolio łączności komórkowej ST4SIM firmy ST obejmuje układy ST4SIM-300, zgodne z najnowszą specyfikacją GSMA eSIM dla IoT (SGP.31/SGP.32). To skalowalne, bezpieczne rozwiązanie jest kompatybilne z IoT oraz aplikacjami klasy przemysłowej. ST4SIM-300 zapewnia zgodność ze zdalnym udostępnianiem kart SIM (RSP) i ma interfejs szeregowy ISO 7816 z łączem SPI lub I²C.

ST87M01 jest wysokowydajną, w pełni programowalną, ultrakompaktową, energooszczędną serią modułów przemysłowych z certyfikatem LTE Cat NB2 NB-IoT i GNSS, oferującą pokrycie pasm na całym świecie, z zaawansowanymi funkcjami bezpieczeństwa.

STSAFE-A to SoC, który udostępnia najnowocześniejsze zabezpieczenia sprzętowe systemów wbudowanych do prostego, niezawodnego uwierzytelniania oraz pozwala na bezpieczne przechowywanie kluczy i certyfikatów.

Infineon. Układy AIROC Wi-Fi + Bluetooth Combo firmy Infineon są bardzo popularne [22]. Na przykład układ CYW43439 (Wi-Fi 4 802.11n + Bluetooth 5.4) został zastosowany na płytce Raspberry PI Pico W. Najnowsza oferta produktów rodziny CYW555xx integruje trójzakresowe (2,4/5/6 GHz) Wi-Fi IEEE 802.11ax oraz Bluetooth 5.4 w jednoukładowym rozwiązaniu SoC, umożliwiając projektowanie kompaktowych urządzeń IoT [22]. Układ zawiera rdzeń aplikacyjny ARM Cortex-M33 i rdzeń komunikacyjny ARM Cortex-R4. Układy można łączyć z procesorami pracującymi pod kontrolą systemów Linux i Android.

Oprogramowanie i narzędzia ModusToolbox firmy Infineon oferują przykłady kodu i wsparcie programistyczne układów SoC. Jest dostępna bardzo szeroka oferta certyfikowanych modułów z tymi układami od takich firm, jak: Murata, Ezurio (dawniej Laird), Azurewave czy USI.

Silicon Labs oferuje bardzo szeroką gamę układów scalonych do komunikacji IoT obsługujących ponad 10 różnych protokołów komunikacyjnych [25]. Układy te zapewniają bardzo mały pobór mocy, integrują solidne zabezpieczenia w celu ochrony urządzeń i klientów przed cyberatakami, a także pomagają użytkownikom w szybszej integracji urządzeń IoT. Dodatkowo wiele układów jest dostępnych w postaci zintegrowanych, certyfikowanych modułów. Silicon Labs zapewnia producentom sprzętu IoT najbardziej kompleksowe rozwiązanie do programowania bezprzewodowego z użyciem Amazon Sidewalk, upraszczając proces programowania, redukując koszty i przyspieszając czas monetyzacji w przypadku urządzeń bazujących na protokole Amazon Sidewalk IoT. Certyfikowane rozwiązanie obejmuje pakiet SDK Amazon Sidewalk, sprzęt bezprzewodowy, zestawy i narzędzia zabezpieczające oraz programistyczne.

Za przykład mogą posłużyć układy rodziny EFR32FG28x – dwuzakresowe rozwiązanie na pasma 2,4 GHz oraz 0,1 do 2530 kHz z obsługą protokołów BLE, Amazon Sidewalk, WM-BUS i Wi-SUN.

SiWx917 to układ SoC z akceleratorem uczenia maszynowego i obsługą Wi-Fi 6 o bardzo niskim poborze mocy, Bluetooth Low Energy (LE) 5.4, Matter oraz IP. Podsystem bezprzewodowy składa się z wielowątkowego procesora (ThreadArch) pracującego z częstotliwością do 160 MHz, toru cyfrowego przetwarzania sygnału w paśmie podstawowym, front-endu analogowego, nadajnika-odbiornika RF 2,4 GHz i zintegrowanego wzmacniacza mocy. ARM Cortex-M4F jest przeznaczony do przetwarzania peryferyjnego oraz związanego z aplikacjami, podczas gdy ThreadArch obsługuje stosy bezprzewodowe i sieciowe na niezależnych wątkach.

EFR32FG23 to pierwszy na świecie bezpieczny układ SoC działający w paśmie Sub-GHz, z zasięgiem bezprzewodowym wynoszącym ponad 1 milę i żywotnością baterii przekraczającą 10 lat, z certyfikowanym zabezpieczeniem ARM PSA poziomu 3. Układ obsługuje Amazon Sidewalk, Mioty, Wireless M-Bus i Z-Wave.

Najnowsi członkowie rodziny EFR32xG22E to pierwsze układy SoC zaprojektowane do pracy w ramach ultraniskiego poboru mocy. Przeznaczone są do zastosowań bezbateryjnych z pozyskiwaniem energii z otoczenia (energy harvesting) zgodnie z nowym standardem Ambient IoT. Układy obsługują BLE, 802.15.4 i protokoły własnościowe, zapewniają ultraszybki, niskoenergetyczny zimny start (8 ms, 150 μJ) do zastosowań rozpoczynających się od stanu wyłączenia i budzenia (w celu przesyłania pakietów), a następnie szybkiego powrotu do stanu uśpienia. Szybkie (1,83 ms, 16,6 μJ) wyprowadzenie ze stanu głębokiego uśpienia zmniejsza energię budzenia o 78% w porównaniu do dotychczas stosowanych układów. Firma opracowała zestaw uruchomieniowy xG22E Explorer Kit z układem AEM13920 firmy E-pease – do jednoczesnego pozyskiwania energii z dwóch źródeł, takich jak światło wewnętrzne lub zewnętrzne, gradienty termiczne i fale elektromagnetyczne.

ONsemi. Układ RSL15 firmy Onsemi, przeznaczony do aparatów słuchowych, doskonale pokazuje ewolucję rozwiązań IoT [27]. RSL15 to bezprzewodowy MCU BLE 5.2 z bezpiecznym procesorem Arm Cortex-M33 o bardzo niskim poborze mocy. Rdzeń M33 zawiera jednostkę FPU i rozszerzenie DSP, co jest niezbędne do pracy kodeka audio. Układ poprzedniej generacji – RSL10 – zawierał rdzeń Arm Cortex-M3 oraz dodatkowy rdzeń LDSP32 (Dual Harvard) wymagający licencyjnego oprogramowania do obsługi kodeka audio.

Texas Instruments. Układy łączności bezprzewodowej platformy SimpleLink firmy Texas Instruments obejmują rodziny: CC33x0 (z obsługą Wi-Fi 6), CC2xxx (z obsługą BLE 5.2, Thread, ZigBee 3.0 i IEEE 802.15.4) oraz CC135x (z obsługą pasm 2,4 GHz i sub-1 GHz) [24]. Układ CC3351 to combo 10. generacji z obsługą Wi-Fi 6 (2,4/5 GHz) i BLE 5.4.

CC1352R jest wieloprotokołowym i wielopasmowym mikrokontrolerem bezprzewodowym wspierającym BLE 5.2, 802.15.4, 6LoWPAN, MIOTY, Wi-SUN, Thread i ZigBee. Układ ma budowę trójrdzeniową: ARM Cortex-M4F to rdzeń aplikacyjny, koprocesor ARM Cortex-M0 obsługuje komunikację bezprzewodową a autonomiczny rdzeń ULP Sensor Controler (SC) – układy peryferyjne. Pozwala to SC na obsługę ADC z szybkością 1 Sps przy średnim poborze prądu tylko 1 μA.

Pakiet programowy SimpleLink SDK zapewnia warstwę oprogramowania zwaną Dynamic Multi-protocol Manager (DMM), która umożliwia pojedynczemu radiu jednoczesne uruchamianie wielu protokołów bezprzewodowych na MCU poprzez przełączanie między stosami protokołów w czasie rzeczywistym. Pozwala to programiście określić niestandardowy priorytet protokołu dla każdego możliwego stanu systemu, zarządzać stosami protokołów i minimalizować opóźnienia.

Renesas oferuje układy i moduły w każdej kategorii komunikacji bezprzewodowej dla branży IoT: BLE 5.3, Matter, komórkowe IoT (Cat-M1/NB1/NM2), DECT, NFC, Wi-Fi 4/5/6/6E, transceivery Sub-GHz/Wi-SUN i modemy pasma 60 GHz [26].

Wi-Fi HaLow. Rodzina Micro MM61xx firmy Morse (pokazana na CES 2024) została zaprojektowana w celu zapewnienia obsługi Wi-Fi HaLow [23]. Chipy korzystają z pasm od 850 do 950 MHz, dzięki czemu można je stosować na całym świecie. MM6104 obsługuje pojedyncze strumienie z szybkością do 15 Mb/s, natomiast MM6108 wspiera transmisję danych z szybkością do 32,5 Mb/s.

UWB. Moduł Sera NX040 firmy Ezurio (dawniej Laird) integruje najnowocześniejszy układ krzemowy Trimension SR040 firmy NXP Semiconductors (obsługa UWB) [28] z możliwościami przetwarzania danych oraz komunikacji Bluetooth LE (i NFC) układu SoC nRF52833 firmy Nordic Semiconductor [16].

To innowacyjne połączenie z oprogramowaniem (możliwość obsługi w języku Python lub za pomocą komend AT) i usługami zapewnia układom UWB nowe możliwości wyjścia poza segmenty konsumenckie i motoryzacyjne w stronę głównych urządzeń IoT. Układ SR040 (ARM Cortex-M33 ) obsługuje IEEE 802.15.4/4z HRP UWB PHY (certyfikat FiRa) [28]. Opracowane zostały dwa warianty modułu: z anteną PCB oraz z zewnętrzną planarną anteną jednobiegunową UWB.

Trendy

Ankieta obejmująca ponad 1000 globalnych projektów wdrożeniowych IoT pokazała, że dla ponad 80% respondentów największym wyzwaniem IoT było projektowanie i optymalizacja oprogramowania sprzętowego urządzeń, a nie podstawowa łączność [5]. Trudność w opracowaniu firmware’u na scalony układ wieloprocesorowy skłania do stosowania prostszych układów jednoprocesorowych o wystarczająco dużej wydajności obliczeniowej. Na świecie największą popularnością cieszą się urządzenia IoT krótkiego zasięgu, stanowiące około 80 procent całkowitej liczby urządzeń. Eksperci oczekują, że w nadchodzących latach technologia krótkiego zasięgu utrzyma pozycję lidera. Zeszłoroczne badania pokazały, że każde przedsiębiorstwo korzysta obecnie ze średnio 2...3 różnych technologii komunikacji bezprzewodowej IoT, od sieci komórkowej po Amazon Sidewalk i od Wi-Fi po Wi-SUN. Nie stanowi to niespodzianki, gdyż każdy rynek wertykalny oraz regionalny charakteryzuje się własnymi, unikalnymi cechami, wyzwaniami i działają na nim określone rodzaje przedsiębiorstw. Producenci często łączą technologie krótkiego i dalekiego zasięgu w tym samym systemie IoT. W USA w dziedzinie Smart City tak wyglądało stosowanie sieci LPWAN: Wi-SUN (32%), NB-IoT (55%), CAT-M (41%) i LoRaWAN (27%). Dwa najważniejsze czynniki wyboru rodzaju komunikacji IoT – wydajność i bezpieczeństwo – są znacznie ważniejsze niż koszty. Dodatkowym kluczem okazuje się wybór zaufanego partnera, który wesprze wdrożenie.

Nielicencjonowane pasmo V fal milimetrowych RF o częstotliwości 60 GHz otwiera nowe możliwości łączności bezdotykowej krótkiego zasięgu w zakresie bardzo małej mocy (ale stosunkowo dużych szybkości transmisji danych w trybie Multi-Gigabit), bezdotykowych połączeń punkt-punkt, a także bardzo małych opóźnień w przypadku połączeń kablowych. Co ważne, są to rozwiązania bezpłatne i pozbawione konieczności stosowania (często dość awaryjnych) złączy.

Jednym z nowszych trendów Internetu Rzeczy (IoT) jest coraz szersze zastosowanie technologii Blockchain. Może ona pomóc zapewnić bezpieczeństwo danych w urządzeniach IoT i umożliwia sprawną interakcję pomiędzy różnymi węzłami sieci oraz pozwala na bezpieczne prowadzenie dokumentacji, dlatego Blockchain świetnie sprawdza się w zastosowaniach IoT.

Środowisko i zrównoważony rozwój

Zmiany klimatyczne i wynikające z nich problemy nie są niczym nowym. Temat ten okazuje się również kluczowy dla firm – od małych po duże korporacje – i stanowi integralną część ich strategii rozwoju oraz transformacji cyfrowej. IoT ma zdolność do generowania pozytywnego wpływu z perspektywy zarówno ekonomicznej oraz produkcyjnej, jak i społecznej czy środowiskowej. Obecnie te trzy elementy są brane pod uwagę już na etapie projektowania, a często uwzględniane są również w zwrocie z inwestycji. Sprostanie tym globalnym wyzwaniom i ochrona planety nie mogą być dłużej odkładane, a Internet Rzeczy może odegrać tu kluczową rolę. Opisane tendencje obejmują również dedykowane rozwiązania do monitorowania oraz ochrony zagrożonych gatunków zwierząt i ich siedlisk, a także rozwiązania w zakresie zapobiegania klęskom żywiołowym (powodzie, pożary, lawiny) i zarządzania nimi.
Urządzenia IoT mogą w dużym stopniu przyczynić się do zrównoważonego rozwoju. Względy ekonomiczne zachęcają do przyjęcia rozwiązań IoT, które zmniejszają koszty poprzez oszczędzanie energii lub zwiększanie wydajności. Skala skutków będzie miała charakter transformacji technologicznej. Wdrożenie inteligentnych liczników i wyświetlaczy w domach w Europie już teraz doprowadziło do zmniejszenia zużycia energii o 9%.

Ambient IoT

Badania UE wskazują, że IoT, który ma ocalić planetę, może także ją niszczyć – a jeśli nic nie zostanie uczynione w tej sprawie, to codziennie na całym świecie do 2025 r. będzie wyrzucanych około 78 milionów baterii z urządzeń IoT zasilanych bateryjnie, przy założeniu, że żywotność tych ogniw będzie wynosić średnio dwa lata.

Ambient IoT to nowa klasa urządzeń IoT. Koncepcja została pierwotnie wymyślona przez 3GPP w odniesieniu do ekosystemu dużej liczby obiektów, w którym każdy element jest podłączony do bezprzewodowej sieci czujników za pomocą tanich węzłów sensorów – z zasilaniem korzystającym wyłącznie z energii pozyskiwanej ze środowiska: fal radiowych, ciepła, ruchu lub innych zjawisk. Urządzenia zostały celowo zaprojektowane bez konieczności wymiany baterii. Standardy dla Ambient IoT są ustalane wspólnie przez 3GPP [29], IEEE (802.11 AMP) i Bluetooth SIG [30]. Planowane jest uwzględnienie Ambient IoT w standardzie Rel 19 lub nawet Rel 18. Proponowane wymagania okazują się bardzo wysokie: pobór mocy w trakcie transmisji ≤ 1 μW lub ≤ 10 μW, szybkość transmisji nadawanie/odbiór >5/0,1 kbps, rozmiar pakietu 100 b (min.), zasięg 10...50 m w pomieszczeniach i 50...100 m na zewnątrz.

Rysunek 2 pokazuje różne architektury implementacji Ambient IoT [30]. Czarne prostokąty reprezentują połączenie z Internetem.

Rysunek 2. Architektury implementacji Ambient IoT [30]

IoT Pixels firmy Wiliot (rysunek 3) to niedrogi, niewielki, elastyczny znacznik wielkości znaczka pocztowego, zawierający urządzenie obliczeniowe i obwody zasilania energią pozyskaną z fal radiowych [2]. IoT Pixels same się zasilają: zbierają energię z fal radiowych emitowanych przez istniejące urządzenia sieciowe, w tym urządzenia Bluetooth, urządzenia LoRa WAN, starsze czytniki RFID czy smartfony. Prezentowane rozwiązanie zawiera procesor ARM Cortex M0+ (1MHz) i transceiver BLE 5 (zasięg 10 m). Dokładne omówienie mechanizmu pozyskiwania energii z fal radiowych znalazło się w artykule [4].

Rysunek 3. IoT Pixels firmy Wiliot [2]

Podsumowanie

Rozwiązania IoT są z natury złożone technologicznie. Obejmują one pełny zakres zagadnień – od opracowywania urządzeń czujnikowych oferujących bezpieczną łączność z chmurą – po generowanie wniosków dla użytkownika końcowego. Niedobory półprzewodników i zakłócenia w łańcuchu dostaw spowodowane pandemią koronawirusa w dalszym ciągu mają wpływ na dostawców oraz producentów. Różne ekosystemy, adresy IP, technologie, a także standardy sprawiły, że dzisiejszy świat połączonych urządzeń jest niestety fragmentaryczny i nieporadny. A prosty, bezpieczny rozwój produktów nadal stanowi wyzwanie. Aby zbudować oraz wdrożyć kompletne rozwiązanie, należy zintegrować i przetestować szeroką gamę technologii – urządzeń, platform oprogramowania, aplikacji czy też narzędzi analitycznych, często pochodzących od wielu dostawców.

Należy wspomnieć o istotnych zagadnieniach, które nie zostały omówione w niniejszym artykule, jak: szczegóły techniczne pozyskiwania energii ze środowiska czy komputery kwantowe, które wymuszają zastosowanie nowych metod bezpieczeństwa.

Środowisko komunikacji bezprzewodowej stale się zmienia. Dzisiejsze najnowocześniejsze moduły IoT mogą szybko stać się nieprzydatne, chyba że zostaną zaprojektowane specjalnie pod kątem dynamicznej zmiany środowiska bezprzewodowego. Jedno z wyzwań IoT stanowi fakt, że istnienie tak wielu różnych urządzeń i platform może utrudniać im wzajemną komunikację. Oczekuje się, że będziemy świadkami dalszych wysiłków na rzecz zwiększenia interoperacyjności, tak aby urządzenia różnych producentów mogły bezproblemowo ze sobą współpracować – będzie to szczególnie ważne w przypadku inteligentnych miast i zastosowań przemysłowych, w których należy zintegrować wiele różnych systemów.

W tym roku spodziewamy się uproszczonego zarządzania urządzeniami, solidnych zabezpieczeń i bezproblemowej łączności, ponieważ postępy takie jak Wi-Fi 6, Matter, Mioty i Wi-SUN stanowią dopiero początek innowacji w naszych domach, społecznościach czy firmach. Tania łączność zapewnia wiele nowych możliwości, które mogą uratować życie, poprawić jego jakość i zwiększyć wydajność działania, gdy projektanci IoT znajdą kreatywne zastosowania dla taniej, zautomatyzowanej komunikacji. Przyszłość Internetu Rzeczy wygląda obiecująco dzięki postępom w przetwarzaniu brzegowym, łączności 5G, integracji sztucznej inteligencji, bezpieczeństwu, blockchain, rozwiązaniom branżowym, zrównoważonemu rozwojowi, ulepszonej analizie danych czy rozszerzonej interoperacyjności. Urządzenie IoT powinno mieć wbudowane uwierzytelnianie, autoryzację, szyfrowanie, zarządzanie kluczami i danymi, bezpieczny routing i możliwość audytu, aby zapewnić bezpieczeństwo (tj. autentyczność, integralność, poufność, dostępność) oraz zgodność (tj. RODO, PCI, HIPAA, ISO-14064-2) [5].

Pojawienie się urządzeń Ambient IoT stanowi znaczący krok w ewolucji urządzeń IoT, oferując obiecującą przyszłość ekosystemu Internetu Rzeczy. Opierając się na źródłach energii dostępnych w otoczeniu, Ambient IoT umożliwia rozwój tańszych, mniejszych i bezobsługowych urządzeń, a w ten sposób otwiera nowe możliwości zastosowań Internetu Rzeczy w różnych branżach.

Analitycy prognozują, że do 2025 r. 75% wszystkich danych będzie przetwarzanych w urządzeniach brzegowych [5]. To z kolei wymusi wypracowanie oprogramowania do łączności, które okaże się przenośne, lekkie i wystarczająco elastyczne, aby działać na szerokiej gamie urządzeń, systemów operacyjnych czy modemów. Oprogramowanie powinno być konfigurowane i zarządzane przez zaawansowaną platformę obsługującą komunikację, która stosuje ML do optymalizacji łączności w oparciu o dostępność, odporność, przepustowość, opóźnienia, moc, bezpieczeństwo i koszt – tak, by zapewnić dostosowanie całości do unikalnych wymagań każdego urządzenia i aplikacji.

Henryk A. Kowalski
Instytut Informatyki
Politechnika Warszawska

Literatura: