IoT prakticky – sieť Sigfox na efektívnu a energeticky úspornú komunikáciu IoT zariadení
IoT sa prezentuje ako obrovské množstvo „vecí“ prepojených navzájom a pripojených do internetu. Sú to rôzne snímače, riadiace obvody akčné členy ako napríklad diaľkovo ovládané ventily, pripojené autá, subsystémy inteligentných miest a podobne. Problém, ktorý sa v súčasnosti intenzívne rieši je, ako čo najefektívnejšie pokryť územie sieťami vhodnými na komunikáciu týchto zariadení. Jedným z riešené je komunikačná sieť Sigfox.
Možnosti a perspektívy komunikačnej technológie Sigfox vo videu predstaví spoluzakladateľ spoločnosti SimpleCell, ktorá túto technológiu rozvíja a spravuje na Slovensku a v Českej republike
Limity GSM sietí
Na prvý pohľad by sa zdalo, že vymenované komunikačné potreby pokryjú existujúce GSM siete. Tieto však majú vo všeobecnosti dva zásadné nedostatky. Operátori síce udávajú vysoké percentá pokrytia, no tieto údaje sa vzťahujú k obyvateľom, nie k pokrytiu územia. Rozšírenia pokrytia aj pre krajinu s členitým terénom je teoreticky možné, otázkou je efektívnosť vynaložených nákladov. Kritickým problémom je však energetická náročnosť GSM komunikácie. IoT zariadenia sú väčšinou autonómne, napájané z batérií a často ťažko dostupné, takže batéria by mala vydržať minimálne 2-5 rokov prevádzky, niektoré zariadenia sú dokonca projektované na ešte dlhšiu prevádzku bez nutnosti výmeny batérie. Ak to zosumarizujeme, 2G / 3G / LTE mobilné siete v oblastiach pokrytia sú vhodné na komunikáciu zariadení napájaných zo siete. Do úvahy sa samozrejme berie aj nákladová položka, no GSM operátori spravidla majú v ponuke aj programy na dátové prenosy malého objemu. Pre zariadenia, kde je rozhodujúca spotreba energie a samozrejme pre oblasti bez pokrytia sa však GSM siete nehodia. Preto vznikajú nové technologické riešenia optimalizované pre špecifické potreby komunikácie v rámci IoT, predovšetkým na čo najnižšiu spotrebu energie komunikujúcich koncových zariadení. Pre tieto siete sa zaužívalo označenie LPWAN (Low Power WAN)
Ako je možné dosiahnuť, že zariadenie, ktoré priebežne niečo monitoruje a komunikuje vydrží fungovať na malú lítiovú batériu niekoľko rokov? Z hľadiska energetickej náročnosti sa na prvý pohľad javí ako žrút energie vysielanie. Z fyzikálneho hľadiska áno, no čo sa týka režimu prevádzky je to presne naopak. Pri vysielaní zariadenie vyšle jeden, alebo niekoľko krátkych paketov vtedy, keď samo uzná za vhodné a potom môže byť aj niekoľko hodín v úspornom režime hibernácie. Napriek tomu že vysielací modul má vysokú spotrebu, vyslanie jednej krátkej správy trvá napriek veľmi nízkej prenosovej rýchlosti krátko. Napríklad Sigfox využíva prenosovú rýchlosť 100 bit/s čiže ak počítame aj réžiu prenosového protokolu, na vyslanie 12-tich bajtov potrebuje približne 2 sekundy, takže aj pri pomerne častom vysielaní 140 správ denne, je tento modul denne v prevádzke kratšie ako 5 minút, čo je ročne 30 hodín pri vysielacom výkone 25 mW. K tomu samozrejme treba pripočítať spotrebu mikroprocesora a periférnych zariadení, no tá môže byť pri dobre navrhnutom režime hibernácie minimálna. Vysiela sa buď v periodických intervaloch, alebo vtedy ak zariadenie niečo signifikantné zistilo a potrebuje to poslať, napríklad prekročenie limitu sledovaného parametra. Pri vysielaní v periodických intervaloch sa posiela hodnota parametra priebežne, alebo ak zariadenie monitoruje či nenastala porucha a všetko je OK, vysiela sa správa typu „fungujem a všetko je v poriadku“.
Zložitejšia je situácia s prijímaním údajov. Ak má zariadenie prijať údaje, musí byť či už stále, alebo v dohodnuté časové intervaly v režime príjmu. Prijímací modul má rádovo nižšiu spotrebu než vysielací, no pri nepretržitom fungovaní by energiu z batérie rýchlo spotreboval. V praxi prijímanie funguje tak, že riadiaci systém môže do zariadenia cez základňovú stanicu posielať správu s informáciou a záleží len od jeho režimu kedy správu príjme a spracuje. Najčastejšie sa zariadenie prepne do režimu príjmu po odoslaní správy. Keď sa už kvôli odoslaniu správy prebudil z hibernácie aj riadiaci mikroprocesor, prečo to nevyužiť. Navyše riadiaci systém napájaný zo siete, ktorý je na príjme stále vie, že zariadenie je teraz chvílu schopné správu prijať. Ak je vysielanie len sporadické, zariadenie sa môže do režimu príjmu prepínať častejšie periodicky. Tretí variant, kedy je zariadenie stále na príjme je nepomerne energeticky náročnejší.
Technológia francúzskej spoločnosti Sigfox využíva komunikáciu s využitím UNB (Ultra Narrow Band), čiže veľmi úzkych frekvenčných kanálov a bunky tejto siete umožňujú pokryť oveľa väčšie územie, než bázové stanice GSM. To umožňuje pokryť signálom požadované územie pri oveľa nižších investičných a prevádzkových nákladoch. Sieť pre technológiu Sigfox je podobne ako GSM sieť budovaná na bunkovom princípe. Každá bunka má základňovú stanicu pokrývajúcu určitú oblasť. Dosah je pri priamej viditeľnosti približne 200 km, v členitejšom teréne 50 km a v urbanizovanej oblasti 2-10 km. Na komunikáciu sa využíva bezlicenčné frekvenčné pásmo, iné v Európe (868 MHz) a iné v USA (902 MHz). Najvyšší povolený vysielací výkon je 25 mW. Prenosový protokol umožňuje prenášať len veľmi malé objemy dát a nie príliš často. Jeden paket obsahuje iba 12 bytov a koncové zariadenie by malo denne preniesť maximálne 140 paketov, čiže je možné poslať správu raz za 10 minút. To predstavuje denný objem prenesených údajov 1 680 bajtov. Limit počtu správ vyplýva z legislatívnych obmedzení.
Komunikácia je optimalizovaná na odosielanie údajov z koncového zariadenia. Opačne, teda do zariadenia sa predpokladá iba občasné prenášanie údajov, hlavne konfiguračných, prípadne potvrdenie prijatia vysielanej správy. Správa nemá predpísanú štruktúru, takže môže obsahovať čokoľvek. Na adresovanie zariadení sa využívajú interné identifikátory, akési sériové čísla, ktoré zrejme emituje nejaká certifikovaná autorita a zariadenie, alebo skupina zariadení sa zaregistruje u prevádzkovateľa pri aktivácii služby. Príjem správy nie je nijako garantovaný. Aby pravdepodobnosť jej prijatia bola čo najvyššia, správa sa vysiela trikrát, zakaždým na inej náhodne vybratej frekvencii. Vysielače prijatú správu pošlú na servery prevádzkovateľa, kde sa skontroluje jej validita a následne sa obsah správy sprístupní správu klientovi cez REST API, alebo sa správa pošle na server klienta cez HTTP callback. Ako už bolo spomenuté, Sigfox využíva pri prenose veľmi veľmi úzke pásmo, UNB (Ultra Narrow Band). Praktickým a dosť nepríjemným dôsledkom je, že ak sa zariadenie bude pohybovať vyššou rýchlosťou, dôjde vplyvom Dopplerovho javu k frekvenčnému posunu a komunikácia bude neúspešná. Na riešenie tejto situácie sa využíva fakt, že zariadenie samo určuje, kedy chce komunikovať, takže by malo vysielať iba vtedy, ak je momentálne v pokoji. Sigfox umožňuje aj príjem správy zo siete, avšak iba na vyžiadanie, ktoré sa vykoná vždy po vyslaní správy. Inak povedané nie je možné zo siete prebudiť zariadenie hibernované do enegreticky úsporného režimu.
V pokračovaní predstavíme rôzne zariadenia využívajúce Sigfox
