Internet of Things – wyzwania dla operatorów


Szacuje się , że wielkość rynku IoT w 2020 roku osiągnie 8,9 biliona dolarów amerykańskich, a podłączonych do
sieci będzie około 30,1 miliarda urządzeń (raport IDC z roku 2013). Niewątpliwie ten trend będzie miał wpływ
na rynek operatorski na całym świecie, również w Polsce.

Internet rzeczy (ang. Internet of Things - IoT) wydaje się być technologią, którą niedawno mogliśmy oglądać w filmach science-fiction. Jednak ten świat jest już obok nas. Prawie każdy z nas korzysta ze smartfona, niektórzy korzystają z inteligentnych zegarków, a część z inteligentnych opasek i urządzeń monitorujących stan zdrowia. Urządzenia te, dzięki wbudowanym czujnikom dostarczają olbrzymią ilość informacji o naszych zachowaniach, jednocześnie pozwalając na analizę tych danych.

Nie zdajemy sobie sprawy, że terminologia IoT już nie dotyczy tylko urządzeń i gadżetów związanych z rynkiem konsumenckim. Od dłuższego czasu technologia ta na dobre zadomowiła się w systemach do zarządzania m.in. energią (np. smart grid), budynkami, monitoringu środowiskowego oraz miejskiego (smart city), czy też ma zastosowanie w transporcie (np. zarządzanie flotą), stanowiąc nieodłączny element w przemyśle..

Historia


Choć termin Internet of Things wydaje się być bardzo nową i świeżą koncepcją, to już w 1999 roku Bill Joy założyciel firm Berkeley Unix i Sun Microsystems opisał sposób komunikacji urządzeń za pośrednictwem Internetu. Zrobił to w celu wprowadzenia inteligentnych rozwiązań w życiu codziennym. Przedstawiony pomysł pozostał w ukrycia przez wiele lat, dopóki Kevin Askton z MIT nie zaproponował terminu „Internet of Things” do opisania urządzeń cyfrowych mogących się komunikować między sobą bez pośrednictwa człowieka. Askton postulował, że „Gdybyśmy mieli komputery, które wiedziałyby wszystko co jest możliwe o rzeczach, to na podstawie danych zebranych bez naszej ingerencji, bylibyśmy w stanie śledzić i policzyć wszystko, dzięki czemu można by było ograniczyć straty, koszty oraz odpadki”.

Dziś wiemy, że technologie którymi dysponujemy już dzisiaj, umożliwiają stworzenie w niedługim czasie nowszych i lepszych rozwiązań, które są w stanie sprostać idei Kevina Askton’a.

Rozwój


Niewątpliwie do nagłego rozwoju terminu Internet of Things przyczynił się olbrzymi skok związany z miniaturyzacją urządzeń elektronicznych. Dynamiczny rozwój układów typu MEMS (ang. Micro Electro-Mechanical System) stał się podstawą do projektowania i budowy wszelakiego rodzaju czujników dostarczających informacje o otaczającym nas świecie.

Rozwój technologii związanych z projektowaniem i wytwarzaniem układów o wysokiej częstotliwości umożliwił wprowadzenie miniaturowych rozwiązań typu SoC (System on Chip) posiadających wbudowane moduły łączności np. Bluetooth. Dodatkowo zwiększanie się mocy obliczeniowej miniaturowych urządzeń, znacznie ułatwiło tworzenie aplikacji i rozwiązań z nich korzystających.

Ogólne spojrzenie


W celu ułatwienia przybliżenia zagadnień związanych z terminem Internet of Things musimy wprowadzić pewne uproszczenia. W bardzo dużym uproszczeniu architekturę rozwiązań IoT możemy podzielić na trzy warstwy:

  1. Aplikacje - warstwa rozwiązań/aplikacji dostarczających usługi dla użytkowników końcowych.
  2. Komunikacja - warstwa komunikacji zawierająca m.in. sieci i sposoby komunikacji urządzeń ze sobą.
  3. Inteligentne urządzenia - warstwa inteligentnych urządzeń wejściowo/wyjściowych.

W każdej z przedstawionych warstw można wyodrębnić znaczną ilość podobszarów, z których prawie każdy jest tak samo ważny i istotny jak pozostałe. Jednakże, w niniejszym artykule skupimy się przede wszystkim na perspektywie zagadnień związanych z IoT z punktu widzenia operatora telekomunikacyjnego, stąd rozwińmy warstwę komunikacji.

Internet of Things a komunikacja i łączność


Nieprzerwana łączność i dostępność sieci jest niewątpliwie elementem niezbędnym dla istnienia IoT. Termin Internet of Things swoją moc pokazuje właśnie dzięki ciągłej wymianie informacji pomiędzy urządzeniami.

W celu uproszczenia, na potrzeby niniejszego artykułu, warstwa sieci zostanie przedstawiona z kilku perspektyw. Podział pozwoli na łatwiejszą analizę wyzwań jakie stoją przed operatorami.

Zasięg działania sieci


Zasięg działania sieci (rys. 1) w najprostszy sposób pozwala na określenie wyzwań stojących przed operatorami. 

Zasięg działania sieci można w uproszczeniu podzielić na trzy obszary:

  • sieci osobiste (ang. Personal Area Network – PAN),
  • sieci lokalne (ang. Local Area Network – LAN),
  • sieci rozległe (ang. Wide Area Network – WAN).

Do sieci typu PAN możemy zaliczyć między innymi rozwiązania tj. inteligentne ubrania, inteligentne zegarki, urządzenia typu fitness. Wiodącą technologią w tym przypadku jest technologia Bluetooth. Pojawienie się najnowszej wersji tego standardu czyli BT 4.0 zwłaszcza rozszerzenia LE (Low Energy) spowodowało bardzo duży rozkwit urządzeń w tym
obszarze - zwłaszcza na rynku konsumenckim.

Do sieci typu LAN w przypadku rozwiązań Internet of Things należą przede wszystkim sieci WiFi (2,4 GHz, 5 GHz) umożliwiające tworzenie sieci dookólnych na obszarze do kilkudziesięciu metrów oraz sieci typu punkt-punkt na odległościach dochodzących do kilometrów. Główną wadą i zaletą sieci typu WiFi jest ich popularność. Łatwość implementacji sieci WiFi powoduje, że prawie w każdym mieście jednym z głównym problemów operatorów jest uruchomienie i utrzymanie stabilnego łącza opartego o technologię WiFi. Stąd, w przemyśle oraz w rozwiązaniach dedykowanych, nadal bardzo często są stosowane sieci typu ISM (ang. Industrial, Scientific, Medical), które operują w znacznej części na innych częstotliwościach niż sieci WiFi. Pomimo, że oferują one zazwyczaj mniejsze przepustowości niż sieci WiFi , to jednak ich stabilność jest główną przyczyną dla której nadal są stosowane w przemyśle.

W sieciach typu WAN zazwyczaj stosowane są rozwiązania klasy GSM. Dzisiejsze technologie stosowane w sieciach komórkowych pozwalają na uzyskanie dużych przepustowości, jednakże jest to okupione przede wszystkim koniecznością poniesienia bardzo dużych nakładów na rozwój infrastruktury operatora. Również przeciążone sieci GSM nie gwarantują odpowiedniej dostępności warstwy komunikacji dla wymagających aplikacji. Z punktu widzenia urządzeń, sieci typu GSM mają dość dużą wadę, mianowicie układy do transmisji danych pobierają stosunkowo dużo prądu, czyniąc je bardzo trudnym w zastosowaniach, gdzie zasilanie sieciowe nie jest możliwe.

W przypadku rozwiązań dedykowanych, zazwyczaj stosowanych na skalę przemysłową, spotyka się sieci typu LPWAN (ang. Low-Power Wide Area Network). Są to sieci specjalnie stworzone na potrzeby rozwiązań, gdzie zasilanie jest kwestią kluczową. Pomimo, że sieci typu LPWAN nie oferują dużych przepustowości to jednak, niski pobór prądu stanowi przewagę w niektórych aplikacjach nad rozwiązaniami opartymi o sieci komórkowe.

Klasyfikacja według sposobu komunikacji


W zależności od architektury sieci, jej zasięgu oraz zastosowania, sposób i kierunek przesyłania danych bardzo istotnie rzutuje na działanie aplikacji opartej o technologię IoT. W dużym uproszczeniu możemy wyróżnić dwa typy komunikacji w architekturze IoT:

  • komunikacja od urządzenia do aplikacji w chmurze,
  • komunikacja pomiędzy urządzeniami – M2M (ang. machine to machine).

W przypadku stosowania sieci typu PAN oraz większości sieci stworzonych w oparciu o standardy przemysłowe, możemy bez większych problemów realizować dwukierunkowy transport danych pomiędzy dowolnymi urządzeniami w sieci. Jednakże, w przypadku konieczności przesyłania informacji do chmury obliczeniowej w celu jej dalszego przetworzenia, wymagane jest pośrednictwo urządzenia często zwanego bramą (ang. gateway), które umożliwia transport danych z sieci IoT do sieci Internet opartej o protokół IP. W rozwiązaniach przemysłowych są to zazwyczaj dedykowane urządzenia realizujące dodatkowo bardzo wiele innych funkcji, jednak najprostszym urządzeniem pełniących rolę gateway'a jest nasz smartfon, który przesyła informacje np. z czujnika oddechu podłączonego za pomocą sieci Bluetooth do aplikacji w chmurze np. do serwisu endomondo.

Dodatkowo bardzo ważną funkcjonalnością urządzenia typu gateway jest umożliwienie komunikacji dwukierunkowej pomiędzy urządzeniami, a aplikacją/usługą zlokalizowaną w chmurze obliczeniowej. Brak bezpośredniej komunikacji pomiędzy urządzeniami końcowymi, a usługami w chmurze stanowi jeden z ważniejszych problemów spotykanych przy projektowaniu aplikacji IoT.

Ominięcie powyższych ograniczeń jest możliwe dzięki zastosowaniu urządzeń IoT, które swoją komunikację opierają o protokół IP. Jest to rozwiązanie coraz częściej spotykane na
rynku, zarówno konsumenckim jak i przemysłowym. Coraz większa liczba urządzeń korzysta z sieci WiFi co umożliwia łatwą integrację tych urządzeń z istniejącymi sieciami. W tym
przypadku rolę urządzania gateway najczęściej przejmuje router, który dokonuje translacji adresów sieci lokalnej na adresy routowalne w Internecie. Niestety translacja adresów jest nadal konieczna ze względu na ciągle rozpowszechnione wykorzystanie protokołu IPv4.

W tym momencie pojawia się jedno z największych wyzwań dla operatorów, a mianowicie dostosowanie swoich sieci do powszechnego stosowania protokołu IPv6. Rozpowszechnienie protokołu IPv6 wydaje się elementem niezbędnym do dynamicznego rozwoju usług i aplikacji IoT.

Wymagania rozwiązań IoT w kontekście łączności


Wymagania dla rozwiązań IoT w kontekście łączności możemy podzielić na dwie grupy w zależności od rynków docelowych aplikacji korzystających z technologii IoT. Inną charakterystykę mają rozwiązania oferowane na rynek  konsumencki (b2c), a inne na rynek profesjonalny/przemysłowy (b2b).

Rozwiązania / aplikacje na rynku b2c


Aktualnie na rynku konsumenckim prym wiodą przede wszystkim rozwiązania oparte o sieci osobiste wraz z transportem danych do aplikacji w chmurze obliczeniowej. Z punktu widzenia operatorów telekomunikacyjnych, nie są to aplikacje szczególnie wymagające, jednak należy pamiętać o efekcie skali.

Gwałtowny wzrost zainteresowania rozwiązaniami IoT spowoduje znaczące zwiększenie ruchu sieciowego do chmur obliczeniowych, w których osadzone są aplikacje przetwarzające dane. Rozwój rozwiązań IoT spowoduje również zmianę profilu ruchu sieciowego użytkowników, z aktualnie najbardziej spotykanego ruchu do użytkownika (download), w kierunku przesyłania danych do usług w chmurze (upload). Również same dane ulegną znaczącej przemianie, z aktualnie obserwowanych danych pomiarowych, do danych klasyfikowanych jako streaming. Rozwój technologii i aplikacji IoT spowoduje również znaczne zwiększenie zapotrzebowania na dwustronną komunikację M2M, co jednoznacznie będzie wskazywać na konieczność wdrożenia protokołu IPv6 na szeroką i masową skalę.

Rozwiązania / aplikacje na rynku b2b


Dotychczas rynek przemysłowy nie stanowił większego udziału w ruchu sieciowy obserwowanym u operatorów. Było to spowodowane przede wszystkim wykorzystaniem przemysłowych protokołów transmisji danych w zaimplementowanych rozwiązaniach oraz lokalnym przetwarzaniem danych w systemach zlokalizowanych u klienta.

Rozwój technologii IoT i jego coraz większe uczestnictwo na rynku przemysłowym powoduje, że operatorzy telekomunikacyjni będą musieli sprostać specyficznym wymaganiom aplikacji i rozwiązań dostępnych na rynku przemysłowym. O ile większość rozwiązań IoT dostępnych dla przemysłu z punktu widzenia operatorów telekomunikacyjnych można sklasyfikować jako profil b2c, to jednak pewna część będzie stanowić istotne wyzwanie.

Dzięki technologii IoT na pewno bardzo rozpowszechnią się wszelkiego typu usługi i produkty związane z sieciami telemetrycznymi. Smart Grid, Smart City, czy też rozwiązania dla rolnictwa są to aplikacje, w których bardzo ważny jest dostęp do sieci, przede wszystkim sieci GSM. Aktualnie obserwuje się znaczny rozwój sieci typu GSM opisywany zazwyczaj parametrem procentowego pokrycia obszarów zaludnionych. Problemy z zasięgiem GSM w terenach niezaludnionych zazwyczaj są pokonywane za pomocą połączeń typu np. LPWAN. Jednak rozwój aplikacji IoT dla rynku przemysłowego i publicznego wymusi rozwój sieci GSM o pokrycie obszarów niezamieszkałych w celu umożliwienia przesyłania danych np. z obszarów leśnych, rolniczych.

Wyzwania


Analizując wyzwania dotyczące komunikacji w rozwiązaniach dla rynku b2c oraz b2b możemy wyróżnić najważniejsze aspekty:

  1. Konieczność przyspieszenia wdrożenia protokołu IPv6 u operatorów oraz wsparcie przy wdrażaniu tego protokołu u klientów.
  2. Zmniejszenie udziału łącz typu DSL na rzecz łącz symetrycznych dostępnych dla klientów.
  3. Zwiększenie zasięgu sieci komórkowych o obszary niezamieszkane.

Do ważnych parametrów jakie niewątpliwie są związane z rozwojem aplikacji IoT jest zmniejszenie opóźnień w transmisji danych zarówno w kierunku od urządzeń do chmury obliczeniowej, jak i w kierunku odwrotnym. Pewnym rozwiązaniem tego zagadnienia może być udział operatorów telekomunikacyjnych w tworzeniu i dostarczaniu rozwiązań IoT dla użytkowników końcowych. Dostarczanie rozwiązań i aplikacji przez operatorów przy wykorzystaniu architektury „fog computing” może ułatwić proces adaptacji infrastruktury operatorów na nowe wyzwania związane z rozwojem IoT.

Wyzwania dla IoT = Wyzwania dla operatorów


Jednym z największym problemów przy masowej popularyzacji urządzeń IoT są problemy ze źródłami zasilania. Na horyzoncie pojawiają się już technologie bezprzewodowego zasilania, baterie o wielokrotnie większej pojemności i krótszym czasie ładowania.

Rozwiązanie problemu zasilania oraz dalsza miniaturyzacja elektroniki niewątpliwie spowoduje eksplozję ilości urządzeń IoT, zarówno w obszarze b2c jak i b2b.

Zwiększająca się ilość urządzeń oraz ich zastosowań, to zwiększenie zapotrzebowania na dostępną, pojemną i wydajną infrastrukturę sieciową.
Warto być na to przygotowanym.