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.

Вспомните фантастические фильмы, где умный дом угадывает желания хозяев, заказывает продукты, следит за бытовой техникой. Это может стать реальностью быстрее, чем вам кажется. Взять хотя бы нашу новую систему умного микроклимата – это один из шагов в сторону технологичного будущего. А в основе всех «умных» технологий лежит понятие «интернет вещей». Что это такое, как появилось и к чему приведет – об этом ниже.

Что такое интернет вещей

На английском «интернет вещей» звучит как the Internet of Things, или просто IoT. Запомните эту аббревиатуру, она будет все чаще появляться в СМИ и на просторах мировой сети.

Говоря простыми словами, интернет вещей – это сеть, объединяющая все объекты вокруг вас. К сети из компьютеров, планшетов, смартфонов и даже телевизоров уже все привыкли. А что если в эту сеть включить тостеры, кофе-машины, холодильники, зубные щетки, водопровод, электросеть, датчики артериального давления? Представьте, насколько изменится мир, если каждой вещью вы сможете управлять по беспроводной сети!

К примеру, вы стоите в душной пробке после тяжелого дня в офисе и мечтаете скорее попасть домой, в приятную прохладу, принять теплую ванну и выпить чашку свежего кофе. Все, что вам нужно, это озвучить смартфону все свои пожелания. А дальше он сам раздаст команды климатической технике, водопроводу и кофе-машине. К вашему приезду бризер сделает воздух свежим, кондиционер – прохладным, ванна наполнится водой комфортной температуры, а на столе будет ждать свежий американо. Неплохо звучит?

Но прежде чем фантазировать о будущем, бросим взгляд в прошлое интернета вещей.

Еще в 1926 году известный физик Никола Тесла предсказал, что радио вырастет в «большой мозг», который объединит вещи в одно большое целое. Причем все это будет возможно благодаря инструментам настолько компактным, что они поместятся в кармане.

Еще один человек, кто высказывал похожие идеи – советский военачальник Николай Васильевич Огарков. Ему принадлежит авторство так называемого сетецентрического подхода к боевым действиям. Суть принципа: все ресурсы для решения конкретной задачи должны быть в одной информационной сети и должны постоянно обмениваться данными. Чем не интернет вещей?

Но это все общие слова. Конкретика началась чуть позже. В 1990 году выпускник MIT Джон Ромки подключил к интернету свой тостер. Это первый официально зарегистрированный объект из мира интернета вещей.

К слову, Джон Ромки – один из отцов протокола TCP/IP, того самого, который лежит в основе интернета как такового. Через 9 лет после интернет-тостера другой выпускник MIT, Кевин Эштон, придумал, как управлять промышленными объектами через интернет. Эштон и стал автором термина «интернет вещей».

В том же 1999 году и в том же MIT появился Центр автоматической идентификации (Auto-ID Center). В нем исследователи развивали два основных направления: радиочастотную идентификацию (RFID) и сенсорные технологии. Об этих технологиях мы расскажем в следующий раз. Сейчас отметим только, что именно благодаря стараниям Центра автоматической идентификации концепция интернета вещей стала известной во всем мире.

Ключевое событие в развитии интернета вещей произошло не так давно, в 2008-2009 годах. Именно тогда и произошел официальный переход от интернета людей к интернету вещей. Как это определили? Очень просто: в 2008-2009 годах в интернете стало больше предметов, чем людей.

И дальше количество устройств, подключенных к интернету, только росло. Причем сумасшедшими темпами. Уже сегодня к интернету подключено 20 миллиардов самых разнообразных устройств: от промышленных станков до смартфонов.

Некоторые примеры реальных интернет-вещей в нашем мире:

• Радиометки на теле животных
• Миска для собак с модулем wi-fi, которая дает собаке задания и за правильные ответы награждает кормом
• Мусорный бак на солнечных батареях, который сам уплотняет мусор и сигналит дворникам, когда наполнится
• Умные сенсоры и водные счетчики в инфраструктуре Сан-Паулу, Пекина и Дохи сократили утечки и расходы на 50%
• Автоматические системы сбора штрафов и оповещений об авариях и пробках на дорогах

В том, что появились «умные» вещи, нет ничего удивительного. Ведь известно, что прогресс зачастую двигает лень. Изобретение колеса, рычага, замена рычагов на кнопки, появление пультов дистанционного управления – все это человек придумал, чтобы вместо него работали механизмы и устройства.

И сейчас многие устройства из мира интернета вещей, по сути, выполняют ту же функцию, что и пульт дистанционного управления. Если раньше лампочка загоралась только после того, как человек нажмет на выключатель, то теперь свет включает и выключает запрограммированный компьютер. А человек управляет компьютером со смартфона.

Лампы стали энергоэффективными, включаются они не вручную, а через мобильное приложение. Но сам подход остался прежним: человек все еще управляет лампочкой. Как и большинством других современных интернет-устройств.

В будущем интернет вещей будет все дальше уходить от команд типа
«сделать так» к командам типа «должно быть так».

Перспективы и проблемы интернета вещей

Специалисты обещают, что к 2020 году к интернету будет подключено больше 50 миллиардов различных устройств. Раньше для всех них попросту не нашлось бы столько IP-адресов. Но сейчас новый интернет-протокол IPv6 дает фактически бесконечное количество IP-адресов. Так что с «пропиской» у интернет-устройств проблем не будет.

Другая серьезная проблема интернета вещей – бесперебойное питание приборов, без него они выпадут из сети, и все связи между ними нарушатся. Постоянно менять миллиарды батареек в миллиардах устройств расточительно, для этого нужно слишком много времени, внимания и ресурсов для создания и утилизации батареек.

Вывод : интернет-вещи должны получать энергию сами – от солнечного света, вибраций, воздушных потоков. Недавно в этой области был совершен значительный прорыв. В 2011 году ученые представили гибкий чип, наногенератор для создания энергии из любых движений человека. Так что ждем в будущем появления абсолютно автономных интернет-вещей, которым не нужны батарейки.

Третье препятствие на пути у интернета вещей – это связь приборов с самим интернетом. Далеко не в каждое устройство можно вставить модуль Wi-Fi, хотя бы из-за небольших размеров этого устройства. Но и тут достижения ученых вселяют оптимизм. Они создали микрочип размером всего 1 мм 2 с очень низким энергопотреблением. С ним выйти в сеть сможет прибор любого размера.

Наконец, главная проблема сегодняшнего интернета вещей – отсутствие единого стандарта . Сейчас система одной компании управляет отоплением, другой – светом, третья компания управляет микроклиматом. В конце концов, все эти сети объединятся в одну. Есть даже специальные организации, которые стремятся подогнать под один шаблон разрозненные сети интернет-вещей.

Сейчас многие говорят про интернет вещей, но не все понимают, что это такое.

Если верить «Википедии», это концепция вычислительной сети физических объектов («вещей»), оснащённых встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом или с внешней средой, рассматривающая организацию таких сетей как явление, способное перестроить экономические и общественные процессы, исключающее из части действий и операций необходимость участия человека.

Говоря простым языком, интернет вещей - это некая сеть, в которую объединены вещи. Причём под вещами я подразумеваю всё что угодно: автомобиль, утюг, мебель, тапочки. Всё это сможет «общаться» друг с другом без участия человека при помощи передаваемых данных.

Появление подобной системы было ожидаемо, ведь лень - двигатель прогресса. Не придётся утром идти к кофеварке, чтобы сделать кофе. Она уже знает, когда вы обычно просыпаетесь, и к этому времени сама сварит ароматный кофе. Классно? Пожалуй, но насколько это реально и когда появится?

Как это работает

picjumbo.com

Мы находимся в начале пути, и об интернете вещей пока говорить рано. Возьмём для примера кофеварку, о которой я писал выше. Сейчас человеку приходится самостоятельно вводить время своего пробуждения, чтобы она сварила ему утром кофе. Но что произойдёт, если в это время человека не будет дома или он захочет чай? Да всё то же самое, так как он не поменял программу и бездушная железка снова сварила свой кофе. Такой сценарий интересен, но это скорее автоматизация процесса, чем интернет вещей.

У руля всегда стоит человек, он центр. Умных гаджетов с каждым годом становится всё больше, но они не работают без команды человека. Эту несчастную кофеварку придётся постоянно контролировать, менять программу, что неудобно.

Как это должно работать

picjumbo.com

Интернет вещей подразумевает, что человек определяет цель, а не задаёт программу по достижению этой цели. Ещё лучше, если система сама анализирует данные и предугадывает желания человека.

Едете вы с работы домой, уставший и голодный. В это время автомобиль уже сообщил дому, что через полчаса привезёт вас: мол, готовьтесь. Включается свет, термостат настраивает комфортную температуру, в духовке готовится ужин. Зашли в дом - включился телевизор с записью игры любимой команды, ужин готов, добро пожаловать домой.

Вот в чём главные особенности интернета вещей:

• Это постоянное сопровождение повседневных действий человека.
• Всё происходит прозрачно, ненавязчиво, с ориентацией на результат.
• Человек указывает, что должно получиться, а не как это сделать.

Скажете, фантастика? Нет, это ближайшее будущее, но, чтобы добиться таких результатов, необходимо ещё многое сделать.

Как этого добиться

picjumbo.com

1. Единый центр

Логично, что в центре всех этих вещей должен стоять не человек, а какой-то девайс, который и будет передавать программу по достижению цели. Он будет контролировать другие устройства и выполнение задач, а также собирать данные. Такой девайс должен стоять в каждом доме, офисе и других местах. Их объединит единая сеть, через которую они будут обмениваться данными и помогать человеку в любом месте.

Зачатки такого центра мы уже видим сейчас. Amazon Echo, Google Home, да и вроде тоже работает над чем-то подобным. Такие системы уже сейчас могут выполнять роль центра умного дома, хотя их возможности пока ограничены.

2. Единые стандарты

Это станет, пожалуй, главным препятствием на пути к глобальному интернету вещей. Для масштабной работы системы необходим единый язык. Над своей экосистемой сейчас работают Apple, Google, Microsoft. Но все они двигаются по отдельности, в разные стороны, а значит, в лучшем случае мы получим локальные системы, которые сложно объединить даже на уровне города.

Возможно, какая-то из систем станет стандартом, либо каждая сеть так и останется локальной и не перерастёт в нечто глобальное.

3. Безопасность

Естественно, разрабатывая такую систему, необходимо позаботиться о защите данных. Если сеть взломает хакер, он будет знать о вас абсолютно всё . Умные вещи сдадут вас злоумышленникам с потрохами, так что над шифрованием данных стоит серьёзно поработать. Конечно, над этим работают уже сейчас, но периодически всплывающие скандалы говорят о том, что до идеальной безопасности ещё далеко.

Что нас ждёт в ближайшем будущем

Mitch Nielsen/unsplash.com

В ближайшем будущем нас ждут умные дома, которые будут сами открывать двери для владельцев при приближении, поддерживать комфортный микроклимат, самостоятельно пополнять холодильник и заказывать необходимые лекарства, если человек заболел. Причём перед этим дом получит показатели с умного браслета и отправит их врачу. По дорогам будут ездить беспилотные автомобили, а на самих дорогах больше не останется пробок. Интернет вещей позволит разработать более продвинутую систему контроля трафика, которая сможет предотвращать появление пробок и заторов на дорогах.

Уже сейчас многие гаджеты работают в связке с различными системами, однако в ближайшие 5–10 лет нас ждёт настоящий бум развития интернета вещей. Вот только в будущем возможен расклад как в мультике «ВАЛЛ-И», где человечество превратилось в беспомощных толстяков, обслуживаемых роботами. Так себе перспектива. А что думаете вы?

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.

Интернет стал настоящим прорывом в человеческой цивилизации. С его помощью возникло много новых направлений в экономике и социальной жизни. Одно из них - это интернет вещей. Что это такое? В чем его суть? Прогресс ли это или нет? Всё это мы рассмотрим в рамках данной статьи.

Общая информация

Из формулировки можно понять, что главным объектом взаимодействия являются вещи, которые обладают доступом в сеть. Многим людям это очень сложно понять, сама фраза воспринимается как какая-то нелепость. Но понимать её необходимо как «сеть вещей». То есть многие становятся заложниками простого перевода названия разработки с английского без адаптации под местные особенности.

Если говорить про интернет вещей популярно, то под ним понимается концепция пространства, в котором есть совмещение цифрового и аналогового миров. Благодаря этому происходит переопределение наших отношений с объектами, а также выявляются их дополнительные суть и свойства. Под данной концепцией понимают любой виртуальный или реальный объект, который существует и может перемещаться во времени и пространстве.

Тут, правда, хочется задать вопрос, как это относится к несуществующим цифровым данным, но практика всё покажет. Ведь под этим явлением понимают небольшое количество датчиков и приборов, которые соединены каналами связи и подключены к интернету. Здесь рассматривается возможность интеграции реального и виртуального миров, где люди и устройства выступают в качестве равных сторон общения. Вот чем является интернет вещей. Что это такое, мы рассмотрели, сейчас давайте уделим внимание исследованию возможности реализации данного положения дел.

Создание прообраза

Первым человеком, который предложил что-то подобное, был Никола Тесла. Он в 1926 году высказал предположение объединения всех вещей в единое целое посредством радио, которое эволюционирует до положения «большого мозга». Инструменты управления же будут при этом влезать в карман. Первая в мире интернет-вещь была создана одним из отцов протокола TCP/IP Джоном Ромки в 1990 году, когда он подключил свой тостер к сети. Английский вариант для обозначения этой концепции (Internet of Things) предложил Кевин Эштон. Это произошло в 1999 году. Тогда же создали центр автоматической идентификации, благодаря которому такое явление и получило широкое распространение. В 2008 году количество предметов, подключенных к сети, превысило число людей, которые имеют доступ к ней. Вот так развивается и по сей день интернет вещей. Примеры этого явления будут приведены далее в тексте статьи.

Возможность использования в будущем

Предполагается, что он будет важен для участников предпринимательского дела, социальных и информационных процессов. Здесь вещи будут выступать как активные субъекты взаимодействия. Они смогут «общаться» между собой, передавая информацию об окружающей среде, а также реагировать и влиять на процессы, которые происходят в подконтрольной им обстановке, без привлечения человека.

Структура построения

Развитие интернета вещей предусматривает создание четких рамок взаимодействия, а также масштаба влияния. Некоторые эксперты приводят в качестве модели вот такую классификацию структуры:

1. 1-й уровень. Проводится идентификация каждого объекта по отдельности.
2. 2-й уровень. Является сервисом, который обслуживает потребности человека (в качестве частного примера можно рассматривать систему «умный дом»).
3. 3-й уровень. Является сервисом, построенным по концепции «умного» города. Предусматривает сбор и обработку всей информации, относящейся к жителям поселения, а также отдельных районов, кварталов и домов.
4. 4-й уровень. Сенсорная планета. Действует по примеру третьего уровня, но уже на территории всей планеты.

Как передаются данные интернета вещей?

Для взаимодействия и общения приборов необходимо использовать один язык (способ). Компанией Cisco был проведён тщательный технический анализ, в результате которого было установлено, что к требованиям сетей нового типа может быть адаптирована технология IP. В данном случае под ним подразумевается только средство связи между разными устройствами, тогда как о едином машинном языке говорить пока не приходится. Но даже обладая таким стартом, можно говорить о том, что сложный массив отдельных единиц техники всё же будет стандартизирован, и это произойдёт по тому же принципу, как было с интернетом.

Технологии

Мы уже рассмотрели, чем является интернет вещей, что это такое и какие удобства он может дать в будущем. А вот как эта концепция может быть реализована? На данный момент она опирается на две технологии:

1. Радиочастотная метод распознавания объектов, при котором благодаря использованию радиосигналов происходит записывание и считывание имеющихся данных. Хранятся же они в транспондерах. Эта технология хорошо подходит для отслеживания движения части объектов, а также она отменно справляется с получением небольшого объема информации. На этот случай можно привести такой пример: холодильник имеет ридер. На продуктах размещены специальные метки радиочастотной идентификации. Как только их срок годности подходит к концу, к нам бы приходило уведомление об этом. На случай, если в холодильнике будет заканчиваться еда, можно предусмотреть уведомление человека по этому поводу.
2. Беспроводные сенсорные сети. В данном случае подразумевается наличие множества датчиков и исполнительных устройств, которые будут объединены с помощью радиосигнала. Область покрытия в данном случае может колебаться в диапазоне от нескольких метров до пары километров. И это всё будет осуществляться благодаря ретрансляции сообщений между элементами системы. Данное виденье уже нашло реализацию при решении ряда задач практического характера, которые связаны с мониторингом, логистикой, управлением и так далее.

Проблемы реализации

Самая главная на данный момент - это отсутствие стандартов. Поэтому при интеграции предлагаемых решений существуют значительные трудности. Также необходимо обеспечить автономность всех вещей. Иными словами, необходимо научиться делать такие датчики, чтобы они получали энергию из окружающей среды, а не от батареек. Также следует учитывать риски, которые несёт в себе наличие глобальной сети, посредством которой можно контролировать весь мир. Интерес представляет и то, чем будет являться интернет вещей без интернета. Ведь достаточно будет пропасть электричеству - и все наработки могут оказаться ненужными. Поэтому необходимо будет обеспечить питанием не только небольшие датчики, но и обрабатывающие системы.

Возможности

Но если так подумать, негативная сторона есть практически у всего. Поэтому давайте сконцентрируемся на позитиве, который несёт в себе технология «Интернет вещей». Итак, её реализация может привести к тому, что:

1. Предметы будут постоянно поддерживать человека.
2. Будут обеспечены прозрачность проводимых процессов и первостепенная ориентация на получаемый результат.
3. Обеспечивается концентрация внимания не на исполнении, а на желаемом.

Предусматривается, что управление будет совершаться с помощью небольшого устройства, роль которого может исполнять даже смартфон. Хотя не исключено даже то, что для этой цели будет использоваться вмонтированный в голову человека прибор. Но это пока отдалённое будущее. Хотя, как знать.

А что в РФ?

Интернет вещей в России ещё не сильно организован. Первые шаги к его упорядочиванию были сделаны только осенью 2015-го. А с предложением создать тематический консорциум компания «Ростелеком» выступила только в начале весны. Следует заметить, что в этом направлении нет лидеров, положение которых было бы неоспоримым. Поэтому теоретически есть все шансы вырваться вперёд в этой отрасли. Правда, для успешности предприятия необходимо будет заниматься и его популяризацией, разъясняя всем, что собой являет интернет вещей. Фото, видео и различные ознакомительные выставки, открытые для широких масс населения, в этом смогут только помочь. Также этому делу сможет помочь активная пропаганда в средствах массовой информации. Необходимо пробуждать интерес населения к высоким технологиям, изобретательству. Причем в данном случае необходимы значительные финансовые вливания. Тогда можно будет ожидать, что вложения, которые мы сделаем сейчас, принесут нам выгоду в будущем.

Заключение

Вот мы и рассмотрели, чем является интернет вещей. Что это такое и как теоретически может быть реализовано - к этому вопросов быть не должно. Следует отметить, что в мире постоянно появляются перспективные технологии. Задача нашего государства - всеми силами помогать тем, кто не боится экспериментировать и создавать что-то новое. Необходимо оказывать всестороннюю поддержку для тех, кто желает трудиться на благо всего человечества. Но при этом необходимо не упускать из виду и потенциальные риски. Так, при развитии интернета вещей необходимо будет всерьез озаботиться информационной безопасностью. Кроме этого, необходимо учитывать то, что подобные процессы могут иметь негативные последствия для тех, кто склонен к лени (также высокой считается вероятность роста численности таких людей). Поэтому следует внедрять технологии с учетом различных факторов, чтобы минимизировать плохие стороны и одновременно максимизировать хорошие.