IoT siete
IoT siete majú unikátne prevádzkové charakteristiky a od tradičných počítačových sietí sa značne odlišujú [3]. Keďže základnou podstatou IoT je monitorovanie a/alebo kontrola prostredia, komunikácia je často založená na udalostiach, sieťové toky sú malé a takisto môžu vykazovať výraznú nepravidelnosť a výbušnosť (burstiness) [4]. Navyše IoT zariadenia sú zvyčajne limitované výkonom a kapacitou batérie, čo spolu s neoptimalizovaným charakterom prostredia vytvára výrazné bariéry pri vzájomnej výmene správ [5]. Z týchto dôvodov sa protokolový balík TCP/IP, využívaný v tradičných počítačových sieťach, nestal automaticky štandardom aj pre IoT siete, ale prednosť dostali technológie špecificky vyvinuté pre bezdrôtové senzorické siete (WSN) a IoT.
Heterogenita v IoT však spôsobuje, že generované sieťové prevádzky sa môžu výrazne odlišovať v závislosti od typu aplikácie, čím vytvárajú rozdielne požiadavky na sieťové technológie. IoT preto nemá jeden štandardizovaný protokolový balík, ako je to pri tradičných počítačových sieťach, ale k dispozícii je celé spektrum používaných sieťových protokolov [6]. Tieto protokoly sa od seba vzájomne odlišujú vlastnosťami ako komunikačný dosah, rýchlosť prenosu dát, životnosť zariadení pri napájaní batériou, použitá topológia a podobne. Tab. 1 sumarizuje vlastnosti najpoužívanejších sieťových technológií v IoT.
| Technológia | Frekvencia pásma | Dosah | Prenos dát | Životnosť batérie | Topológia | Riadiaci orgán |
| RFID | nízka/vysoká/ultravysoká | 1 cm – 100 m | 1 – 100 kbps | pasívna: N/A aktívna: 3 – 5 rokov |
P2P | nemá jeden riadiaci orgán |
| NFC | 13,56 MHz | 0,2 m | 424 kbps | pasívna: N/A aktívna: 3 – 5 rokov |
P2P | ISO/IEC |
| BLE | 2,4 GHz | 10 – 100 m | 2 Mbps | mesiace až roky | P2P/broadcast/zmiešaná | Bluetooth SIG |
| Ant | 2,4 GHz | 30 m | 1 Mbps | roky | P2P/hviezdicová/zmiešaná/stromová | Garmin |
| EnOcean | <1 GHz | 30 – 300 m | 125 kbps | samonapájacia (zbiera energiu) | zmiešaná | EnOcean Alliance |
| Z-Wave | <1 GHz | 40 – 200 m | 100 kbps | mesiace až roky | zmiešaná | Z-Wave Alliance |
| Insteon | <1 GHz | 30 – 50 m | 37.5 kbps | mesiace až roky | zmiešaná | Smartlabs |
| Zigbee | <1 GHz, 2,4 GHz | 10 – 100 m | 250 kbps | mesiace až roky | hviezdicová/zmiešaná/stromová | Zigbee Alliance |
| MiWi | <1 GHz, 2,4 GHz | 10 – 100 m | 250 kbps | mesiace až roky | hviezdicová/zmiešaná/stromová | Microchip Technology |
| DigiMesh | <1 GHz, 2,4 GHz | 10 – 100 m | 250 kbps | roky | P2P zmiešaná | Digi International |
| WirelessHART | <1 GHz, 2,4 GHz | 10 – 100 m | 250 kbps | roky | zmiešaná | HART Communication Foundation |
| Thread | <1 GHz, 2,4 GHz | 10 – 100 m | 250 kbps | mesiace až roky | hviezdicová/zmiešaná/stromová | Thread Group Alliance |
| 6LowPAN | <1 GHz, 2,4 GHz | 10 – 100 m | 250 kbps | mesiace až roky | hviezdicová/zmiešaná/stromová | IETF |
| Wi-Fi | <1 GHz, 2,4GHz,5 GHz | 100 m; 1 km | Mbps až Gbps | dni až mesiace | hviezdicová | Wi-Fi Alliance |
| NB-IoT | 450 MHz – 3,5 GHz | 10 – 15 km | 250 kbps | 10+ rokov | hviezdicová | 3GPP |
| eMTC | 450 MHz – 3,5 GHz | 10 – 15 km | 1 Mbps | 10+ rokov | hviezdicová | 3GPP |
| EC-GSM-IoT | 850 MHz – 900 MHz, 1 800 MHz – 1 900 MHz |
10 – 15 km | 70 – 240 kbps | 10+ rokov | hviezdicová | 3GPP |
| LoRaWAN | <1 GHz | 10 – 15 km | 50 kbps | 10+ rokov | skupina hviezdicových | LoRa Alliance |
| Symphony Link | <1 GHz | 10 – 15 km | 50 kbps | 10+ rokov | hviezdicová | Link labs |
| Weightless | <1 GHz (-N a -P), TV spektrum (-W) |
2 – 5 km | 100 kbps (-N a -P), 10 Mbps (-W) |
3 – 10 rokov | hviezdicová | Weightless SIG |
| Sigfox | <1 GHz | 10 – 50 km | 100 bps | 10+ rokov | hviezdicová | Sigfox |
| Dash7 | <1 GHz | 2 – 5 km | 167 kbps | 10+ rokov | hviezdicová/stromová | Dash7 Alliance |
Tab.1 Charakteristiky IoT sieťových technológií
Veľký výber sieťových technológií na jednej strane poskytuje lepšie možnosti pri optimalizácii komunikácie v IoT riešeniach, na druhej strane však prináša problém s interoperabilitou. Nakoľko IoT protokoly sú väčšinou vzájomne nekompatibilné, priama komunikácia medzi zariadeniami využívajúcimi rozdielne protokoly nie je možná. Jednou z možností je zjednotiť protokoly na sieťovej vrstve [7], čo však vyžaduje dodatočné úpravy protokolov. Druhou a rozšírenejšou možnosťou je prepojiť protokoly na aplikačnej vrstve a pomocou transformácie správ vytvoriť jeden štandardizovaný formát [8]. Úlohu mediátora potom môžu prebrať IoT brány (IoT gateways), ktoré dokážu prenášať správy medzi divergentnými sieťami a majú významnú rolu v koncepte smart/intelligent edge [9].
Charakteristiky IoT aplikácií
Ako bolo načrtnuté v predchádzajúcej sekcii, charakteristiky sieťovej prevádzky zásadným spôsobom ovplyvňuje typ aplikácie generujúci komunikáciu. Ich znalosť pritom uľahčuje výber vhodných sieťových technológií pre rôzne prípady použitia a zároveň vytvára priestor na optimalizáciu vytvorených riešení.
Na lepšie pochopenie diverzity charakteristík sieťových prevádzok v IoT sme zrealizovali analýzu najčastejších IoT aplikácií, ktoré sme zoskupili do ôsmich aplikačných domén: smart budovy a bývanie, smart zdravotníctvo, smart prostredie, smart mesto, smart energia, smart transport a mobilita, smart výroba a predaj, a smart poľnohospodárstvo. V rámci analýzy nás zaujímalo predovšetkým to, aké rozsahy môžu vybrané charakteristiky nadobúdať, ako sa od seba odlišujú a ako ovplyvňujú výsledné požiadavky na IoT technológie. V rámci tejto sekcie prinášame krátke zhrnutie špecifík jednotlivých domén spolu s odporúčaním vhodných sieťových technológií.
Smart budovy a bývanie
Smart budovy a bývanie je doména zameraná na automatizáciu budov, znižovanie ich energetickej náročnosti a zvyšovanie celkovej kvality života. Z hľadiska sieťových charakteristík aplikácie tejto domény nemajú tendenciu nadobúdať extrémne hodnoty, čo rozširuje možnosti výberu vhodných sieťových technológií. Každopádne nezanedbateľným špecifikom prostredia je široká dostupnosť Wi-Fi, ktorá tak môže byť pre mnohé riešenia logickou voľbou. Medzi ďalšie populárne technológie patria BLE, Zigbee, Z-Wave, Thread a podobne.
Smart zdravotníctvo
Smart zdravotníctvo zahŕňa aplikácie určené na monitorovanie stavu pacientov, zlepšovanie ich zdravotného stavu a zvyšovanie telesnej kondície. Charakteristickým prvkom sieťových prevádzok tejto domény je vysoká náročnosť na kvalitu služieb (QoS), ktorú treba dosahovať pri pravidelnej komunikácii, navyše s ohľadom na energetickú efektivitu s cieľom zvýšenia komfortu používateľov. Vhodným výberom sú sieťové technológie s krátkym dosahom ako RFID, BLE, Ant, a Zigbee.
Smart prostredie
Smart prostredie má za úlohu monitorovať priestor okolo nás s cieľom lepšie pochopiť okolité javy, prípadne varovať pred neočakávanými udalosťami, ako sú napríklad rôzne prírodné katastrofy. Z týchto prípadov použitia vyplýva potreba komunikovať na veľké vzdialenosti, pričom zariadenia musia byť schopné okamžite generovať alarmy a pritom byť napájané batériou niekoľko rokov. Odporúčané sú preto siete s nízkou spotrebou a veľkým dosahom (LPWANs), medzi ktoré patria SIGFOX, LoRA či NB-IoT.
Smart mesto
S celosvetovo rastúcou populáciou v mestách rastie aj dopyt po riešeniach optimalizujúcich využitie verejných zdrojov, znižujúcich prevádzkové náklady a zlepšujúcich základné komponenty infraštruktúry, čo spadá do domény smart mesto. Heterogenita aplikácií sa odzrkadlila aj v prevádzkových charakteristikách, vďaka čomu pôsobí táto doména divergentne a rozsiahlo. Využitie tu nájdu siete s krátkym aj dlhým dosahom, spomenúť môžeme RFID, Wi-Fi, NB-IoT, Lora, Weightless, Sigfox a Dash7.
Smart energia
Smart energia poukazuje na zlepšenia v distribúcii a spotrebe energií, ako je elektrina, voda a plyn. Najdiskutovanejšou témou je smart sieť (smart grid), ktorá pokrýva celé spektrum aplikácií a kategorizuje ich do troch skupín: domáca sieť (HAM), susedská sieť (NAN) a širokopásmová sieť (WAN). Na základe týchto skupín sa odvíjajú aj prevádzkové charakteristiky, a preto odporúčanie vhodných sieťových technológií môžeme rozdeliť na tri časti:
- HAN najlepšie využije technológie s krátkym dosahom a spoľahlivým spojením, ako je Wi-Fi, Zigbee, BLE, či 6LoWPAN;
- NAN najviac vyťaží zo sietí s dlhým dosahom, napríklad LoRa, Sigfox a technológie od 3GPP;
- WAN vďaka svojím nárokom na QoS môže fungovať cez vysokorýchlostné pripojenie LTE, no častejšie sa pri tejto skupine využíva káblové prepojenie.
Smart transport a mobilita
Smart transport a mobilita je doména zahŕňajúca aplikácie na zvýšenie rýchlosti, zníženie nákladov a zlepšenie bezpečnosti pri preprave ľudí a tovarov. Nakoľko ide o veľmi dynamickú a mobilnú doménu, ktorá môže navyše vyžadovať veľký komunikačný dosah, na použité sieťové technológie sa kladú značné nároky. Automobilové ad hoc siete (VANETs) boli definované špecificky pre potreby prevádzkových charakteristík tejto domény. Komunikácia medzi vozidlami (V2V) využíva siete s krátkym dosahom ako RFID, Wi-Fi, Zigbee, či technológie špeciálne určené pre automobilový priemysel (DSRC). Siete s dlhým dosahom sú naopak vhodné na výmenu správ medzi vozidlom a infraštruktúrou (V2I), pre ktoré sú technológie od 3GPP (NB-IoT, eMTC, EC-GSM-IoT) ideálnou voľbou.
Smart výroba a predaj
Globalizácia a zvyšujúce sa nároky na plne prispôsobiteľnú výrobu definovali požiadavky ďalšej, v poradí štvrtej priemyselnej revolúcie. Koncept IoT zohráva v štvrtej priemyselnej revolúcii významnú rolu a doména smart výroba a predaj charakterizuje nové aplikačné možnosti, ktoré revolúcia prináša. Základným a najdôležitejším prvkom tejto domény je deterministickosť a spoľahlivosť, čomu sa prispôsobuje aj výber sieťových technológií. RFID, Wi-Fi, BLE a Zigbee sú často využívanými sieťovými technológiami pre svoju schopnosť naplniť požadované prevádzkové charakteristiky. Nad nimi sú následne implementované špecifické priemyselné štandardy, napríklad OPC UA, ktoré majú za cieľ zaručiť očakávané správanie siete.
Smart poľnohospodárstvo
Smart poľnohospodárstvo je dôležitá doména pokrývajúca aplikácie na udržanie zabezpečenia výživy obyvateľstva. Podobne ako pri smart prostredí, aj smart poľnohospodárstvo vyžaduje energeticky efektívne siete s veľkým pokrytím. Z hľadiska prevádzkových charakteristík sa však neočakáva náhla zmena frekvencie posielania správ (burstiness) a komunikácia je pravidelnejšia. Vhodnými sieťovými technológiami tejto domény sú NB-IoT, EC-GSM-IoT, LoRa a Sigfox.
Záver
Pochopenie prevádzkových charakteristík IoT sietí je dôležitým krokom pri efektívnom navrhovaní aplikačných riešení. Oproti tradičným počítačovým sieťam sú IoT siete značne heterogénne a výber vhodných technológií tak závisí od konkrétneho prípadu použitia. Pri zoskupení aplikácií do všeobecnejších domén a ich následnej analýze však vieme nájsť opakujúce sa charakteristiky, ktoré nám môžu uľahčiť rozhodovanie a pomôcť s optimalizáciou riešenia.
Poďakovanie
Publikácia bola podporená projektom VEGA 1/0663/17 Inteligentné kyberfyzikálne systémy v heterogénnom prostredí s podporou IoE a cloudových služieb [70 %] a UVP Technicom Fáza II. ITMS: 313011D232 [30 %].
Referencie
[1] Miškuf, M. – Kajáti, E. – Mocnej, J. – Papcun, P. 2018. Smart/Intelligent Edge – Princípy spracovania dát na hrane siete. In: ATP Journal, 25(7), pp. 50 – 51.
[2] Kajáti, E. – Miškuf, M. – Mocnej, J. – Zolotová, I. 2018. Smart/Intelligent Edge – Informačný model a analýza dát. In: ATP Journal, 25(8), pp. 36 – 37.
[3] Pekár, A. – Feciľak, P. – Michalko, M. – Giertl, J. – Révés, M. 2013. Issues in the passive approach of network traffic monitoring. In: IEEE 17th International Conference on Intelligent Engineering Systems (INES).
[4] Sivanathan, A. – Sherratt, D. – Gharakheili, H. H. – Radford, A. – Wijenayake, C. – Vishwanath, A. – Sivaraman, V. 2017. Characterizing and classifying IoT traffic in smart cities and campuses. In: 2017 IEEE Conference on Computer Communications Workshops (INFOCOM WKSHPS).
[5] Rault, T. – Bouabdallah, A. – Challal, Y. 2014. Energy efficiency in wireless sensor networks: A top-down survey. In: Computer Networks, 67, pp. 104 – 122.
[6] Al-Sarawi, S. – Anbar, M. – Alieyan, K. – Alzubaidi, M. 2017. Internet of Things (IoT) communication protocols. In: IEEE 8th International Conference on Information Technology (ICIT).
[7] Bello, O. – Zeadally, S. – Badra, M. 2017. Network layer inter-operation of Device-to-Device communication technologies in Internet of Things (IoT). In: Ad Hoc Networks, 57, pp. 52 – 62.
[8] Aloi, G. – Caliciuri, G. – Fortino, G. – Gravina, R. – Pace, P. – Russo, W. – Savaglio, C. 2017. Enabling IoT interoperability through opportunistic smartphone-based mobile gateways. In: Journal of Network and Computer Applications, 81, pp. 74 – 84.
[9] Lojka, T. – Miškuf, M. – Zolotová, I. 2016. Industrial IoT gateway with machine learning for smart manufacturing. In: IFIP International Conference on Advances in Production Management Systems. Springer, Cham.
Ing. Jozef Mocnej
Ing. Erik Kajáti
Ing. Peter Papcun, PhD.
prof. Ing. Iveta Zolotová, CSc.
Technická univerzita v Košiciach
FEI, Katedra kybernetiky a umelej inteligencie
Laboratórium inteligentných kybernetických systémov/Laboratórium IoT
http://ics.fei.tuke.sk