Сетевые технологии Интернета вещей
Добрый день, уважаемые хабравчане! Сегодня мы бы хотели остановиться на описании различных сетевых технологий, разрабатывающихся для Интернета вещей.
Интернет вещей (IoT, Internet of Things) становится следующим революционным скачком развития, сравнимым с изобретением парового двигателя или индустриализацией электричества. Сегодня цифровая трансформация переворачивает самые различные отрасли экономики и изменяет наше привычное окружение. При этом, как часто бывает в таких случаях, конечный эффект этих преобразований трудно спрогнозировать, находясь в начале пути.
Начавшийся процесс, очевидно, не может быть равномерным и на сегодняшний день одни отрасли оказываются в большей степени готовы к изменениям, чем другие. К первым можно отнести потребительскую электронику, транспорт, логистику, финансовый сектор, ко вторым — например, сельское хозяйство. Хотя и здесь есть успешные пилотные проекты, обещающие интересные результаты.
Проект TracoVino, одна из первых попыток использовать IoT в знаменитой долине Мозеля, старейшем винодельческом регионе современной Германии. В основе решения лежит облачная платформа, автоматизирующая все процессы в винограднике, от выращивания сырья до бутилирования. Данные, необходимые для принятия решений, поступают в систему от нескольких типов датчиков. Помимо определения температуры, влажности почвы и мониторинга окружающей среды, они могут определять количество солнечной радиации, кислотность почвы и содержание в ней биогенных элементов. Что это дает? TracoVino не только позволяет виноделам получить общее представление о состоянии их виноградника, но и проанализировать его определенные области, чтобы выявить проблемы, получить заблаговременную информацию о возможном заражении и даже получить прогнозы о качестве и количестве вина, что позволяет виноделам заключать форвардные контракты.
Что еще можно подключить к сетям? К наиболее развитым сценариям использования IoT можно отнести «умные города». Согласно исследованиям Beecham Research, Pike Research, iSupply Telematics и министерства транспорта США на сегодняшний день в рамках реализации этих проектов по всему миру насчитывается более миллиарда устройств, отвечающих за те или иные функции в системах водоснабжения, управления городским транспортом, общественного здравоохранения и безопасности. Это умные парковки, оптимизирующие использование мест для стоянки, интеллектуальная система водоснабжения, следящая за качеством потребляемой жителями города воды, умные автобусные остановки, позволяющие получить точную информацию о времени ожидания нужного транспорта и многое другое.
В промышленности уже функционируют сотни миллионов устройств, готовых к подключению. Среди них системы умного технического обслуживания и ремонта, логистического учета и безопасности, а также умные насосы, компрессоры и клапаны. Большое количество устройств задействовано в сферах энергетики и ЖКХ: многочисленные счетчики, элементы автоматики распределительных сетей, потребительское оборудование, электрозарядная инфраструктура и инфраструктура для возобновляемых и распределяемых источников энергии. В области здравоохранения к интернету вещей подключаются и будут подключены средства диагностики, мобильные лаборатории, различные имплантаты, устройства для телемедицины.
Ожидается, что в ближайшие годы количество машинных подключений будет увеличиваться на 25% в год, а всего к 2021 году на планете будет 28 миллиардов подключенных устройств. Из них всего 13 миллиардов придется на привычные пользовательские гаджеты: смартфоны, планшеты, лэптопы и ПК — в то время как 15 миллиардов будут составлять пользовательские и промышленные устройства: разного рода датчики, терминалы для продаж, автомобили, табло, индикаторы и т.д.
Несмотря на, казалось бы, поражающие воображение цифры из ближайшего будущего, и они не являются окончательными. IoT будет внедряться повсеместно, и чем дальше, тем больше устройств, простых и сложных, придется подключить. По мере развития технологий, а особенно под влиянием запуска сетей 5G после 2020 года, рост числа подключенных устройств пойдет стремительными темпами и очень скоро приблизится к 50 млрд.
Массовый характер подключений и различные сценарии использования диктуют требования к сетевым технологиям IoT в самом широком диапазоне. Скорости передачи данных, задержки, надежность (гарантированность) передачи определяются особенностями конкретного применения. И тем не менее есть ряд общих целевых показателей, которые требуют от нас отдельно рассматривать сетевые технологии для IoT и их отличия от традиционных сетей мобильной связи.
В первую очередь, стоимость реализации сетевой технологии в конечном устройстве должна быть в разы меньше существующих сегодня модулей GSM/WCDMA/LTE, используемых при производстве смартфонов и модемов, даже в самом доступном классе. Одна из причин, сдерживающих массовое внедрение подключенных устройств — высокая стоимость чипсета, реализующего полный стек сетевых технологий, включая передачу голоса и многие другие функции, не являющиеся необходимыми в большинстве IoT сценариев.
Связанное с этим, но формулируемое отдельным, требование — низкое энергопотребление и продолжительное время автономной работы. Многие сценарии и области применения IoT предусматривают автономное питание подключенных устройств от встроенных элементов питания. Упрощение сетевых модулей и энергоэффективный дизайн позволяют добиться времени автономной работы до 10 лет при емкости элемента питания 5 Вт*ч. Таких показателей, в частности, удается достичь благодаря снижению объема передаваемых данных и использованию продолжительных периодов «молчания», в течение которых устройство не получает и не передает информацию и практически не потребляет электроэнергию. Впрочем, реализация конкретных механизмов отличается от технологии к технологии.
Покрытие сети, еще одна характеристика, нуждающаяся в пересмотре. Сегодня покрытие мобильной сети обеспечивает достаточно устойчивую передачу данных в населенных пунктах, в том числе внутри помещений. Однако подключенные устройства могут находиться и там, где людей большую часть времени нет: отдаленные районы, протяженные железнодорожные перегоны, поверхность обширных водоемов, подвалы, изолированные бетонные и металлические короба, лифтовые шахты, контейнеры и т.п. Целевым ориентиром решения этой задачи, по мнению большинства участников IoT рынка, является улучшение бюджета линии на 20 dB относительно традиционных сетей GSM, являющихся лидером по покрытию среди мобильных технологий сегодня.
Разные сценарии использования Интернета вещей в разных индустриях предполагают совершенно разные требования к связи. И речь не только о возможности быстрого масштабирования сети в плане числа требующих подключения устройств. Если в описанном нами примере «умного виноградника» были задействовано множество достаточно простых датчиков, то на промышленных предприятиях подключены будут весьма сложные роботы, выполняющие действия, а не просто фиксирующие определенные параметры окружающей среды. Можно вспомнить и про область здравоохранения, в частности про оборудование для телемедицины. Использование этих комплексов, предназначенных для проведения дистанционной диагностики, мониторинга сложных медицинских манипуляций и удаленного обучения с использованием видеосвязи в режиме реального времени несомненно будет предъявлять совершенно иные требования в плане задержек сигнала, передачи данных, надежности и безопасности.
Технологии IoT должны быть достаточно гибкими, чтобы обеспечивать различный набор сетевых характеристик в зависимости от сценария использования, приоритизацию десятков и сотен различных видов сетевого трафика и оптимальное перераспределение ресурсов сети для сохранения экономической эффективности. Миллионы подключенных устройств, десятки сценариев использования, гибкое управление и контроль — все это должно быть реализовано в рамках единой сети.
Решению поставленных задач посвящены многочисленные разработки последних лет в сфере беспроводной передачи данных, как связанные со стремлением адаптировать имеющиеся сетевые архитектуры и протоколы, так и с созданием новых системных решений с нуля. С одной стороны мы видим так называемые «капиллярные решения», довольно успешно решающие задачи IoT коммуникаций в рамках одного помещения или ограниченной территории. К таким решениям можно отнести популярные сегодня Wi-Fi, Bluetooth, Z-Wave, Zigbee и их многочисленные аналоги.
С другой — современные мобильные технологии, которые, очевидно, находятся вне конкуренции с точки зрения обеспечения покрытия и масштабируемости хорошо управляемой инфраструктуры. Согласно исследованию Ericsson Mobility Report, покрытие GSM составляет 90% населенной территории планеты, сети WCDMA и LTE 65% и 40% соответственно при активно продолжающемся строительстве сетей. Шаги, предпринятые в рамках развития стандартов мобильной связи, в частности спецификации 3GPP Release 13 направлены как раз на достижение целевых для IoT показателей при сохранении преимуществ использования глобальной экосистемы. Эволюция этих технологий станет основой будущих модификаций стандартов мобильной связи, в том числе стандартов сетей пятого поколения (5G).
Альтернативные технологии низкой мощности для нелицензируемого частотного спектра, в общем случае, направлены на более узкое применение. Необходимость создания новой инфраструктуры и закрытость технологий существенно сдерживают распространение подобных систем.
Рассмотрим, какие расширения стандартов мобильной связи определены для включения в последнюю на сегодняшний день редакцию рекомендаций 3GPP Release 13.
EC-GSM
Рабочая группа GERAN, развивающая технологии GSM, предложила пакет расширенных функций под названием EC-GSM (варианты того же названия: EC-GPRS, EC-GSM-IoT). Данная технология предусматривает сравнительно небольшие изменения относительно базового GSM/GPRS/EDGE, что позволяет использовать подавляющее большинство установленных базовых станций этого стандарта без замены или модернизации аппаратного обеспечения.
Приведем основные характеристики:
Фактически, используется стандартная несущая GSM/GPRS, с изменениями, позволяющими увеличить бюджет линии, увеличить количество устройств и снизить стоимость реализации технологии в конечном устройстве.
Основные привнесенные изменения:
1) Extended DRX (eDRX, Extended Discontinuous Reception) для GSM и Power Saving Mode (PSM) — снижение периодичности обязательных сигнальных сообщений, оптимизация интервалов приема и получения информации, поддержка длительных, до 52 мин., периодов «молчания», в течение которых устройство остается подключенным к сети, не передавая и не получая информацию.
2) Extended coverage — адаптация канального уровня сети, использующая, в том числе, многократное повторение передаваемой информации для улучшения покрытия на 20 dB по сравнению с традиционными системами.
3) Другие улучшения: упрощение сетевой сигнализации (отказ от поддержки той части сигнализации, которая обеспечивает совместную работу с WCDMA/LTE сетями); расширение механизмов аутентификации и безопасности соединения и др.
Ключевое преимущество EC-GSM в готовности сетевой инфраструктуры (в большинстве случаев требуется только обновление программного обеспечения на узлах сети), а также в распространенности сетей стандарта GSM и их охвата.
eMTC
Вариант eMTC (встречаются также названия LTE-M, LTE Cat.M1) является адаптацией IoT для LTE сетей. Фокус по-прежнему на достижении целевых показателей массового IoT (стоимость, покрытие, срок автономной работы) при обеспечении максимальной совместимости с имеющейся у операторов сетевой инфраструктурой.
Важное отличие технологии eMTC — высокая пропускная способность, до 1 Мбит/с в каждом направлении (от абонента и к абоненту). Самое время вспомнить про разнообразие сценариев использования IoT, к которым мы обращались в начале статьи. В определенных случаях такие скорости передачи данных будут явно востребованы.
eMTC призван обеспечить снижение стоимости конечного IoT устройства за счет отказа от функциональности LTE, которая востребована и широко применяется в сетях мобильного широкополосного доступа (МШПД), но становится избыточной при массовом подключении IoT устройств. Это продолжение работы, начатой 3GPP в предыдущем релизе спецификаций (Release 12), определившей LTE Cat.0 для IoT. В eMTC также добавлены механизмы Extended DRX и PSM для LTE, которые решают задачу снижения энергопотребления аналогично тому, как это было показано выше для EC-GSM.
Как и в случае с EC-GSM, eMTC имеет высокую степень готовности сетевой инфраструктуры и может быть развернута на существующих сетях LTE путем обновления ПО. Более того, сети МШПД и IoT могут сосуществовать и динамически перераспределять используемые ресурсы (частотный спектр, вычислительную мощность базовой станции и др.) в зависимости от типа и количества подключенных устройств и создаваемого ими трафика.
NB-IoT
Narrowband IoT (узкополосный IoT) — это относительно новое направление развития сетевых IoT технологий и несмотря на то, что его использование предусматривает тесное взаимодействие и интеграцию c LTE, речь все же идет о создании нового типа радиодоступа, характеристики которого имеют больше отличий, чем сходства с имеющимися технологиями.
Ожидается, что существенная переработка протоколов канального уровня позволит снизить стоимость устройства NB-IoT по сравнению с LTE Cat.M1 на 90%. О поддержке технологии NB-IoT в своих продуктах уже заявили многие производители сетевого оборудования и абонентских модулей: Ericsson, Huawei, Nokia, Intel, Qualcomm, а также ведущие операторы связи, среди которых, например, Vodafone, Deutsche Telekom и China Unicom.
Таким образом, с принятием финальной версии спецификаций EC-GSM, eMTC и NB-IoT, которое запланировано на июнь текущего года, участники рынка получат в свое распоряжение три эффективных инструмента развития сетей IoT. Каждый из них имеет свои особенности и преимущества в зависимости от конкретного сценария использования и характеристик той мобильной сети, на базе которой они будут развертываться. Однако в любом случае преимущества глобальной экосистемы, наличие и готовность развернутой сетевой и IT инфраструктуры, использование защищённого (лицензируемого) частотного спектра будут работать на снижение стоимости внедрения и эксплуатации. А значит, в ближайшем будущем нас ожидает взрывной рост проектов с их использованием.
На этом закончим свой рассказ и благодарим хабравчан за внимание! В следующем посте мы сфокусируемся на технологических аспектах технологии NB-IoT.
