Smart/Intelligent edge – sieťové charakteristiky a aplikačné domény v IoT

Internet vecí (IoT) je paradigma založená na prepojení veľkého počtu heterogénnych koncových zariadení s cieľom monitorovať okolité prostredie a umožniť digitálnym službám interakciu s fyzickým svetom. IoT za posledné desaťročie rapídne pokročil a vďaka ponúkaným benefitom našiel uplatnenie v širokom spektre oblastí použitia. Výrazná diverzita v aplikačnom využití poukazuje na popularitu a aktuálnosť témy, avšak zároveň prináša aj viaceré výzvy, ktoré musia byť adresované, aby sa zaručila dlhodobá udržateľnosť IoT. Táto časť zo série Smart/Intelligent edge [1], [2] sa zaoberá problematikou charakteristiky sieťovej prevádzky v IoT, ktorej pochopenie je kľúčové pre navrhovanie efektívnych riešení.
Smart/Intelligent edge – sieťové charakteristiky a aplikačné domény v IoT

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