E. Rozwiązania chmurowe do urządzeń bezprzewodowych

Nowości technologiczne w obszarze komunikacji bezprzewodowej

Ankietowani zwrócili uwagę na coraz większe zainteresowanie ze strony klientów technologiami niskoenergetycznej transmisji LoRa WAN oraz NB-IoT. Wśród nowości technologicznych mających znaczenie dla rynku wymieniane są także nowe standardy Wi-Fi oraz LTE Cat M1. Klienci interesują się też wsparciem ze strony rozwiązań w chmurze oferowanych dla urządzeń bezprzewodowych.

Cezary Kalista

Antaira Technologies

Co zmieniło się w ostatnich 24 miesiącach na rynku? Jaki był wpływ pandemii na rynek i czego można spodziewać się w przyszłości?

Pandemia dotknęła wszystkich producentów elektroniki bez wyjątku. Zerwanie łańcuchów dostaw było niemal pewne, dlatego przedsiębiorstwa z rezerwami gotówki zabezpieczyły sobie zapasy produktów lub części do produkcji. Dzięki temu pierwszy rok pandemii dla przewidujących dostawców przebiegł w miarę bezproblemowo. Niestety nie da się przewidzieć wszystkich ew. potrzeb i w drugim roku pandemii problemy zaczęły się piętrzyć. Co bardziej elastyczne firmy zaczęły skupować układy scalone od resellerów, co z kolei znacząco podniosło koszty produkcji. Dochodziło do sytuacji, że komponenty dostawał ten, kto zapłacił więcej. Po roku ciągłej improwizacji i braku jakichkolwiek dostaw układów scalonych od niektórych producentów część wytwórców komponentów do automatyki przemysłowej zaczęła przeprojektowywać swoje urządzenia, tak aby móc dalej produkować. Niestety takie podejście ma tę wadę, że często trzeba ponownie certyfikować urządzenie, co jest kosztowne i czasochłonne. Nie ma też gwarancji, jak długo nowy dostawca procesora będzie w stanie zapewnić ciągłość dostaw.

Aby nie być posądzonym o defetyzm, dostrzegam też pozytywne aspekty aktualnej sytuacji. W szeroko pojętej branży automatyki przemysłowej klienci niechętnie zmieniają dostawcę sprzętu. Przez lata stosują te same rozwiązania, instalatorzy doskonale znają konfigurację podzespołów i nikt nie chce wychodzić poza strefę komfortu. Dopiero trudny do określenia czas dostawy zmusza klientów do sprawdzenia oferty konkurencji. Myślę, że ferment, który przez to powstał, trochę przebuduje rynek producentów i dystrybutorów automatyki przemysłowej. Pomimo że pandemia praktycznie już się zakończyła to skutki będziemy obserwować jeszcze przez wiele miesięcy. Pozostaje mieć nadzieję, że pod koniec roku sytuacja zacznie wracać do normalności i nie dojdzie do globalnego kryzysu gospodarczego.

A. LoRa i LoRaWAN

LoRa (long range) to technologia sieci rozległej o małej mocy. Opiera się na technikach modulacji widma rozproszonego wywodzących się z chirp spread spectrum (CSS). Standard został opracowany w 2010 przez Cycleo, firmę z Grenoble we Francji, później przejętą przez Semtech, który jest członkiem założycielem LoRa Alliance.

Rys. 6. Moduły M2M – najczęstsze zastosowania wśród klientów

Ponieważ LoRa definiuje jedynie dolną warstwę fizyczną, konieczne było uzupełnienie rozwiązania o górne warstwy sieciowe. LoRaWAN to jeden z kilku protokołów, które zostały opracowane w celu zdefiniowania właśnie tych górnych warstw sieci. Protokół LoRaWAN działa głównie jako protokół warstwy sieci służący do zarządzania komunikacją między bramami LPWAN a urządzeniami węzła końcowego.

Tak więc LoRaWAN definiuje przede wszystkim protokół komunikacyjny i architekturę systemu dla sieci, podczas gdy warstwa fizyczna LoRa zapewnia łącze komunikacyjne dalekiego zasięgu. LoRaWAN odpowiada również za zarządzanie częstotliwościami komunikacji, szybkością przesyłania danych i zasilaniem. Urządzenia w sieci działają asynchronicznie i przesyłają dane w momencie, kiedy informacje zostaną udostępnione do wysłania. Dane przesyłane przez urządzenie będące węzłem końcowym odbierane są przez wiele bramek, które przekazują pakiety danych do scentralizowanego serwera sieciowego. Informacje te są następnie przekazywane do serwerów aplikacji. Technologia wykazuje wysoką niezawodność przy umiarkowanym obciążeniu.

Rys. 7. Inne urządzenia do komunikacji bezprzewodowej (ISM, radiomodemy, itd.)

LoRaWAN opracowany został specjalnie dla urządzeń Internetu Rzeczy w taki sposób, by zapewnić im daleki zasięg i niski pobór mocy. Technologia optymalizuje zużycie energii i obsługuje mechanizmy optymalizacji ruchu pomiędzy węzłami. Komunikacja w ramach protokołu odbywa się w pełni dwukierunkowo.

Protokół zawiera również kilka kluczowych funkcji zabezpieczających komunikację, takich jak szyfrowanie kluczem 128-bitowym oraz algorytmy adaptacyjnej optymalizacji szybkości przesyłania danych oraz gwarancji jakości usług. Architektura LoRaWAN bazuje na topologii gwiazdy, w której stacje bazowe przekazują dane między urządzeniami (węzłami) a serwerem centralnym. Pozwala to ograniczyć komunikację w ramach sieci do niezbędnego minimum i przyczynia się do oszczędności energetycznych.

B. Narrowband IoT

Rys. 8. Odpowiedź na pytanie: Głównymi odbiorcami naszych produktów są…

Technologia NB-IoT to rozwiązanie oferowane m.in. przez operatorów komórkowych. Jest ona w stanie obsługiwać wiele urządzeń (terminali) jednocześnie, nawet do kilkudziesięciu tysięcy urządzeń w zasięgu jednej stacji bazowej.

Podobnie jak LoRaWAN, NB-IoT obsługuje najnowsze zabezpieczenia, zapewniając uwierzytelnianie i szyfrowanie danych i tak samo nastawiona jest na jak najniższe zużycie energii. Dwukierunkowa transmisja danych odbywa się z wykorzystaniem prywatnych APN, co oznacza wydzielenie ich z sieci Internet. Dostęp do sieci NB-IoT realizowany jest w taki sam sposób, jak w przypadku sieci LTE. W momencie, gdy urządzenie znajdzie właściwą komórkę w swojej sieci, loguje się do niej z użyciem własnego, bezpiecznego profilu. W NB-IoT zdefiniowane zostały funkcje umożliwiające urządzeniu przejście w tryb uśpienia pozwalający na zaoszczędzenie energii.

C. LTE Cat M1

CAT-M (LTE-MTC – Machine Type Communication czyli M2M) to technologia LTE przeznaczona do Internetu Rzeczy. Oferując tryby oszczędzania energii i rozszerzone możliwości wprowadzania urządzeń w stan uśpienia, CAT-M zapewnia niezawodną komunikację w sieci i dłuższą żywotność na zasilanych bateryjnie urządzeniach mobilnych lub stacjonarnych. Pozwala także na obniżenie kosztu urządzenia, w porównaniu do wcześniejszych rozwiązań bazujących na technologii LTE.

Opracowany przez 3GPP standard LTE-M dotyczy technologii radiowej sieci rozległej (LPWAN) o małej mocy. Moduły komunikacyjne LTE-M ułatwiają integrację i projektowanie systemów z wykorzystaniem usług w chmurze, cechuje je także atrakcyjna cena, niski pobór mocy urządzeń oraz relatywnie wysoka niezawodność komunikacji, zwłaszcza w lokalizacjach mogących sprawiać problemy z zasięgiem, np. we wnętrzach budynków i na terenach o rzadkiej zabudowie. Zaletą LTE-M w porównaniu do NB-IoT jest szybkość transmisji danych oraz możliwość stosowania w nich technologii głosowych. Rozwiązania te wymagają jednak większej przepustowości i mogą być droższe.

Rys. 9. Najbardziej popularni producenci przemysłowych modułów GSM oferowanych w Polsce

D. Wi-Fi 6 oraz Wi-Fi 7

Od 2019 roku dostępne są urządzenia działające w standardzie Wi-Fi 6E, zapewniające łączność z wykorzystaniem pasma 6 GHz i umożliwiających wyższy transfer kanałów o szerokości do 160 MHz. Wi-Fi 7 (czyli inaczej IEEE 802.11be) jest kolejnym standardem sieci bezprzewodowej, w pełni zgodnym ze wstecznymi rozwiązaniami. Urządzenia pracujące w standardzie Wi-Fi 7 mają pojawić się około 2024 roku⁶. Główną nowością będzie funkcja EHT – Extremely High Throughput, pozwalająca urządzeniom z Wi-Fi 7 przesyłać duże pliki z większą prędkością. Po doświadczeniach czasów pandemii nowe rozwiązanie będzie lepiej dostosowane do pracy zdalnej, rozszerzonej i wirtualnej rzeczywistości oraz streamingu obrazu w standardzie 8K. Skupienie się na wideo jest w przypadku tego standardu najważniejsze, ponieważ oczekuje się, że wkrótce tego rodzaju ruch stanie się dominujący zarówno w zastosowaniach biznesowych, jak i konsumenckich.

W porównaniu z Wi-Fi 6, Wi-Fi 7 (802.11be) będzie również wykorzystywać wielopasmową i wielokanałową agregację, zapewniać wyższe widmo i wydajność energetyczną, będzie bardziej odporny na zakłócenia i bardziej pojemny. Siódma generacja Wi-Fi jest także określana jako Wi-Fi o wysokiej przepustowości ze względu na jej przewidywaną zdolność do obsługi do 30 Gb/s, co oznacza mniej więcej trzy razy wyższą szybkość w porównaniu do Wi-Fi 6.

Przewidywany jest także przydział wielu jednostek zasobów w tym standardzie, co spowoduje efektywniejsze wykorzystanie pasma. W efekcie, technologia Wi-Fi może "wrócić do gry", stając się atrakcyjną alternatywą dla innych rozwiązań bezprzewodowych w takich zastosowaniach jak AR/VR, IoT i IIoT. Co więcej, Wi-Fi 7 może potencjalnie poprawić działanie aplikacji wymagających deterministycznego opóźnienia, wysokiej niezawodności i jakości usług (QoS).

Rys. 10. Najbardziej popularni producenci przemysłowych urządzeń Wi-Fi oferowanych w Polsce

Rys. 11. Najbardziej popularni producenci przemysłowych urządzeń do komunikacji ISM w Polsce

Rys. 12. Branże będące odbiorcami omawianych produktów komunikacji bezprzewodowej

E. Rozwiązania chmurowe do urządzeń bezprzewodowych

Coraz większą rolę zaczynają odgrywać dostarczane wraz z urządzeniami bezprzewodowymi funkcje dodatkowe, wśród których możliwość korzystania z chmury ma kluczowe znaczenie. Platformy chmurowe IoT łączą możliwości urządzeń IoT i przetwarzania w chmurze. Alternatywna nazwa dla tych rozwiązań to Cloud Service IoT Platform. Obecnie na rynku dostępnych jest kilka platform chmurowych IoT dostarczanych przez różnych dostawców usług, którzy obsługują szeroką gamę aplikacji. Można je również rozszerzyć na usługi wykorzystujące zaawansowane algorytmy uczenia maszynowego do analizy predykcyjnej, na przykład w zapobieganiu awariom.

Wraz ze wzrostem liczby używanych urządzeń IoT i zwiększaniem stopnia automatyzacji pojawiają się obawy dotyczące bezpieczeństwa. Rozwiązania chmurowe zapewniają jednak niezawodne, na obecnym etapie rozwoju kryptografii, protokoły uwierzytelniania i szyfrowania.

Globalny rynek usług w chmurze dla rozwiązań IIoT wydaje się już podzielony między trzy wiodące architektury hiperskalarne – AWS, Microsoft i Google Cloud. Posiadają one łącznie ponad 80%⁷ udziału w rynku globalnych usług chmury publicznej, także w przypadku IIoT.