Reklama

Sítě pro internet věcí v České republice

Ing. Michal Lom, prof. Ing. Ondřej Přibyl, Ph.D.

Recenzovaný

Tento článek popisuje základní principy Internetu věcí, podrobně se věnuje jednotlivým typům sítí pro Internet věcí v ČR a jejich výhodám a nevýhodám.

Reklama

1. Úvod

13. února 2017 uplynulo 25 let od slavnostního připojení naší republiky do Internetu. Vůbec prvním uzlem této sítě byl střediskový počítač IBM 4381, který byl umístěn v Oblastním Výpočetním Centru ČVUT v Praze. Přenosová rychlost linky směřující z pražského uzlu do rakouského národního uzlu EARN v Linci byla 9 600 bit/s. Pro demonstraci, jaký za těch 25 let nastal obrovský technologický rozmach, uvádíme, že dnes běžná rychlost pro připojení domácností do internetu je 100 Mbit/s (100 Mbit/s = 104 857 600 bit/s). Internet propojil celý svět a rychlost sdílení informací se neuvěřitelně zrychlila. Tolik informací, kolik se k nám dostane v dnešní době během jednoho týdne, se k lidem žijícím před 100 lety dostalo za celý život! Do Internetu se připojuje stále větší počet zařízení, a ačkoliv nikdo není schopen přesné číslo říci, vědci odhadují, že v roce 2020 bude počet zařízení připojených do internetu atakovat hranici 50 miliard zařízení, přičemž každý měsíc se zvýší počet nově připojených zařízení o 328 milionů. Každou minutu se tak připojí více než 7 500 zařízení.

Jedním z hlavních důvodů tohoto bouřlivého nárůstu je fenomén, který se nazývá Internet věcí (Internet of Things, zkratka IoT). S tímto pojmem se jistě setkala většina čtenářů, co přesně se ovšem za ním skrývá, je někdy těžké pochopit, jelikož Internet věcí zasahuje do mnoho oborů lidské činnosti. Internet věcí je systém vzájemně propojených výpočetních zařízení (věcí). Ty jsou vybaveny jedinečnými identifikátory a schopností vysílat a/nebo přijímat data přes síť, která propojuje jednotlivá zařízení.

Je důležité si vyjasnit, o jakých typech zařízení je přesně tento článek. Existuje velké množství různých „internetových“ zařízení a některá z nich jsou „skutečně“ připojena do Internetu, což znamená, že mají přidělenou svou vlastní IP adresu, jsou adresovatelné a vzdáleně přístupné. Většina lidí si při pojmu Internet věcí představí právě taková adresovatelná zařízení jako webkamera nebo komunikující televize či termostat. Ačkoliv lze tato zařízení rovněž zařadit do oblasti Internetu věcí, pravda je taková, že Internet věcí je primárně určen pro vytvoření speciálních datových sítí ze senzorů a čidel (případně aktuátorů), které budou snímat požadovanou veličinu nebo provádět danou akci. Jinými slovy se jedná o zařízení, kterým stačí poslat jen několik zpráv během dne a nepotřebují být stále online, což jim umožní fungovat i několik let pouze s napájením pomocí baterií. Komunikace někdy dokonce probíhá pouze jedním směrem. Tato zařízení nemají žádnou IP adresu a proto je pro ně nutné vybudovat speciální datové komunikační sítě pro Internet věcí. Právě sítě pro tento typ IoT zařízení jsou hlavním tématem tohoto článku.

Zařízení (věc) z pohledu Internetu věcí představuje neživý objekt, který v sobě obsahuje elektroniku, software a senzory, pomocí kterých snímá určitou veličinu(y). Tyto informace jsou ve formě dat následně přenášeny sítí do cloudu s cílem jejich následné analýzy. Cloud je vzdálený server, na kterém se data ukládají a mohou se s nimi provádět další operace s cílem jejich zpřístupnění koncovému uživateli. Data jsou zpřístupněna koncovým uživatelům nejčastěji pomocí webové stránky nebo mobilní aplikace.

Typickým příkladem aplikace Internetu věcí je systém odečtu spotřeb energií (elektřiny, vody, tepla apod.), kde každé měřicí místo je osazeno IoT komunikačním modulem, které odešle například poslední den v měsíci aktuální spotřebu energie. Odpadá tedy nutnost fyzicky obcházet jednotlivá měřicí místa a ručně zapisovat aktuální spotřeby. Jakým způsobem jsou sítě pro Internet věcí koncipovány je ukázáno na Obr. 1. Každé IoT zařízení obsahuje komunikační modul, který periodicky vysílá požadované informace ve formě dat k nejbližší základnové stanici (tzv. gateway) a odtud jsou odeslány do vzdáleného serveru / cloudu, kde jsou dále zpracovávána. Data jsou následně zpřístupněna koncovému uživateli typicky pomocí webové stránky či mobilní aplikace, kde se koncový uživatel může v případě měření spotřeby energií podívat na svou spotřebu v čase.

Obr. 1 – Koncepce sítě pro Internet věcí

Dva hlavní důvody, proč doposud vidíme takových aplikací velmi málo, jsou především v pořizovací ceně jednotlivých čidel a nedostatečné komunikační infrastruktuře pro IoT zařízení. Samozřejmě lze vybudovat systém, kde bude komunikace řešena fyzickým připojením pomocí kabelů, což je technicky „vyřešené“ a poměrně snadno realizovatelné, ale na druhou stranu velice nákladné a neefektivní. Cílem celého konceptu Internetu věcí je mít taková zařízení, která budou komunikovat bezdrátově a napájeny budou prostřednictvím baterií, které vydrží jednotky až desítky let. Zařízení tedy bude velmi snadné umístit v podstatě kamkoliv bez nutnosti přivést napájení a jeho pořizovací cena by měla být natolik atraktivní, že se nevyplatí cokoliv opravovat, ale pouze jednoduše celé zařízení vyměnit. Druhý problém, který doposud stál v cestě většímu rozmachu aplikací Internetu věcí, byla nedostatečná komunikační infrastruktura a nejednoznačně definované komunikační standardy. Speciálně pro Internet věcí byl vyvinut nový typ sítě, který nese označení LPWAN (Low Power Wide Area Network – nízkoenergetická síť pro rozsáhlé území). Tento typ sítě umožňuje přenášet malé množství dat mezi IoT zařízeními na velké vzdálenosti. Nízká spotřeba zařízení, nízká přenosová rychlost a zamýšlené použití odlišuje tento typ sítě od klasické bezdrátové WAN (World Area Network) „internetové“ sítě, která je navržena pro připojení uživatelů nebo firem a přenášení více dat s využitím většího výkonu. Jednotlivé senzory pro Internet věcí neobsahují žádnou IP adresu, jako je tomu v klasickém Internetu, ale obsahují jednoznačný identifikátor, podle kterého se určí, z jakého zařízení zpráva přišla. Zkrátka technicky a technologicky doba dospívá až nyní, kdy bude možné masově takové „věci“ nasadit.

V České republice jsou aktuálně tři hlavní hráči, kteří budují komunikační infrastrukturu pro Internet věcí: Společnost SimpleCell, která využívá infrastrukturu T-Mobile a technologii Sigfox; České Radiokomunikace používající technologii LoRa a mobilní operátoři Vodafone a O₂, kteří provozují v rámci sítí LTE a 5G síť na technologii NB-IoT (Narrow Band IoT, neboli úzkopásmová síť). Pojďme se nyní na jednotlivé sítě pro Internet věcí a jejich výhody a nevýhody podívat zblízka.

2. Sigfox

Společnost SimpleCell se stala prvním českým veřejným operátorem pro Internet věcí. SimpleCell buduje síť v České republice ve spolupráci se společností T-Mobile, která poskytuje svoji infrastrukturu pro umístění základnových stanic. Pro Sigfox je tedy nutné vybudovat novou infrastrukturu a k tomu poslouží již stávající stožáry T-Mobile, které se osadí moduly pro komunikaci v síti Sigfox. Není tedy možné využít stávající GSM (Globální systém pro mobilní komunikaci) sítě. Samotný Sigfox je globálním operátorem sítě pro Internet věcí a SimpleCell buduje vlastní infrastrukturu pro Českou republiku. SimpleCell se může pyšnit pokrytím 92 procent našeho území a do konce roku 2017 by měl pokrýt celé území ČR. Aktuální pokrytí je na Obr. 2. Pro nasazení uvnitř budov a v suterénu bude pokrytí 85 procent obyvatel, což je nejvíce ze všech tří hlavních hráčů.

Obr. 2 – Pokrytí sítí Sigfox v České republice (www.simplecell.eu)

Síť komunikuje v nelicenčním pásmu (využití v tomto pásmu je zdarma, ale je nutné dodržovat podmínky stanovené Českým telekomunikačním úřadem) o frekvenci 868 MHz. Tato frekvence špatně prochází zeminou a pokrytí bude jen do suterénu. Pro pokrytí v hlubších podzemních patrech bude zapotřebí lokální vykrývač. Každé Sigfox zařízení musí obsahovat komunikační čip (nazývané také jako modem), který umožňuje komunikaci se Sigfox sítí. Modem neobsahuje ani SIM kartu, ani nemá žádnou IP adresu. Každé zařízení je v síti jednoznačně identifikováno pomocí unikátního 32bitového Sigfox ID, které je přiřazeno při výrobě. Vlastnictví daného zařízení se převádí online pomocí PAC (Porting Authorization Code) kódu. Tento PAC kód je kupujícímu sdělen při koupi a v okamžiku, kdy si zařízení zaregistruje, je tento kód přegenerován. Pokud by se zařízení mělo převést v budoucnosti na jiného vlastníka, pak stávající vlastník pouze sdělí novému vlastníkovi PAC kód a tím se dostane pod jeho správu a opět se vygeneruje nový PAC kód. Starý vlastník ztrácí veškerý přístup k danému zařízení. Z tohoto principu vyplývá, že v jednu chvíli má k zařízení přístup pouze jeden vlastník, což je především z důvodu zabezpečení a ochrany. Všechny zprávy jsou podepsány privátním klíčem a šifrovány, takže uživatel si může být jist pravostí zprávy.

Velmi zajímavá je samotná rychlost přenosu dat, která je pouze 100 bit/s, což může působit trochu úsměvně, ale s tím souvisí jedno z omezení sítě postavené na technologii Sigfox, jelikož počet zpráv za den vyslaných zařízením je maximálně 144 a vysílací výkon maximálně 25 mW. Zařízení s technologií Sigfox mají velmi malou spotřebu energie (baterie mají výdrž 5 až 15 let) a nízké pořizovací náklady (Sigfox modem lze pořídit za cenu nižší než 5 dolarů), nese to s sebou omezení přenosu uživatelských dat na 0–12 bajtů a dobu přenosu dat od 2 do 5 sekund. Zpětná komunikace je aktivována pouze na vyžádání koncovým zařízením (senzorem). Z tohoto popisu vyplývá, že Sigfox se hodí pro aplikace, kde se přenáší velmi malé množství dat a pouze několikrát za den. Typicky jsou vhodné na veškeré měření, odečty, sledování či zabezpečení apod. Sigfox je dokonce aplikován na parkovacím systému v Moskvě, kde je údajně připojeno 11 000 senzorů. Obecně se Sigfox nehodí na nositelné technologie (např. chytré hodinky) a pro zařízení, kde je požadováno ovládání v reálném čase. Také se nehodí tam, kde se musí komunikovat oboustranně mnohosetkrát za den, což jsou např. platební terminály.

Samotná komunikace tedy vypadá tak, že zařízení vyšle data k nejbližší základnové stanici, odkud jsou přeposlány pomocí zabezpečeného IP spojení do Sigfox cloudu, odkud jsou data dostupná pro vlastníky zařízení pro další zpracování. Jelikož je Sigfox globálním operátorem, pak jsou tyto data poslány na jejich servery. Zákazník dostane přístup k centrálnímu cloudu a má k dispozici nástroje pro vývoj a využití aplikačního rozhraní (API). Zákazník si tedy může vyvinout své vlastní aplikace. Operátor se stará pouze o zajištění pásma a samotné servery, ke kterým aplikace přistupují, jsou umístěny ve Francii, kde je platforma vyvíjena. Tímto se celý Sigfox stává uzavřenou záležitostí a pro koncového zákazníka svým způsobem černou schránkou. Cena za připojení zařízení do sítě Sigfox je závislá na počtu připojených Sigfox zařízení a na objemu přenesených dat. Architektura Sigfox sítě je zobrazena na Obr. 3. Technologie Sigfox také aktuálně prochází standardizačním procesem.

Obr. 3 – Architektura Sigfox sítě

3. LoRa

Technologii LoRa (Long Range – dlouhý dosah) si vybraly České Radiokomunikace (CRA) pro budování sítě pro Internet věcí. LoRa využívá radiové komunikace, která tvoří přístupovou část obousměrné komunikační sítě. Za technologií LoRa (na rozdíl od Sigfoxu) stojí uskupení několika subjektů, zákazníci tedy budou moci využívat více komponent od různých výrobců. Otevřenost řešení by měla umožnit i rychlý vznik individuálně zákaznicky navržených modulů. CRA tedy pro budování sítě LoRa využije své stávající komunikační infrastruktury, kterou rozšíří o LoRa Gateway (základnové stanice). CRA aktuálně pokrývají se svou sítí 60,2 procent obyvatelstva České republiky. Do konce roku 2017 by mělo být pokryto 70 procent ČR. Budoucí pokrytí území ČR sítí LoRa je zobrazeno na Obr. 4.

Obr. 4 – Budoucí pokrytí území ČR sítí LoRa

LoRa je rádiová technologie pro přenos malého množství informací na velkou vzdálenost a využívá principu přenosu rádiových vln pomocí rozprostřeného spektra, který je patentem společnosti Semtech. LoRa umožňuje obousměrnou komunikaci. Komunikační rychlost je možná v rozmezí od 300 bit/s do 50 000 bit/s. Výhodami jsou nízká energetická spotřeba a nízké provozní náklady. V závislosti na typu zařízení je životnost baterie až 10 let. Velmi nízkou spotřebu mají senzory, odečty, PIR čidla či teploměry. Naopak například GPS lokace má spotřebu větší. Další aspekt, který ovlivňuje životnost baterie, je počet a velikost odeslaných zpráv denně, umístění (vliv teploty na životnost baterie) a v neposlední řadě typ a velikost baterie.

Komunikační síť Lora pracuje stejně jako Sigfox v nelicencovaném pásmu na frekvenci 868 MHz. Pro zabezpečení komunikace se využívá hned několik technik. Základní je komplexní šifrování pomocí 128bitové šifry, přičemž se využívá systém dvou klíčů, kdy jeden má provozovatel sítě a druhý provozovatel služby (koncový zákazník). Samotná architektura sítě LoRa je zobrazena na Obr. 5. Specifikace LoRaWAN popisuje komunikační protokol mezi danými čidly vybavenými rádiovou jednotkou a základnovými stanicemi (LoRa Gateway). Každá LoRa Gateway vyžaduje pro komunikaci s řídícím serverem buď vyhrazenou přípojku, anebo se připojuje prostřednictvím zabezpečeného připojení ve standardní přípojce k síti Internet. Struktura přípojek pro koncentrátory je typicky hvězdicová, případně při požadavku na redundantní připojení se jedná o duální hvězdu. Řídící server zajišťuje komunikaci s LoRa Gateway, řídí a dynamicky mění radiové parametry komunikace, monitoruje stav celé sítě včetně provozních informací o stavu koncových čidel a zajišťuje směrování zpráv do odpovídajícího aplikačního serveru, a tím zajišťuje směrování zpráv jen a pouze určenému adresátovi. Jednotlivá IoT zařízení tedy komunikují pomocí LoRa technologie k nejbližší LoRa Gateway, odkud jsou data přeposlána přes 3G síť nebo Ethernet do nadřazeného serveru / cloudu. Zde mohou být opět dále zpracována a následně zpřístupněna koncovým uživatelům prostřednictvím webové stránky či mobilní aplikace. Je důležité zmínit, že každý typ použitého čidla podléhá certifikaci. Do sítě CRA je možno přihlásit pouze certifikované typy čidel.

Obr. 5 – Architektura LoRa sítě

Cena za připojení zařízení do sítě LoRa Českých radiokomunikací je opět závislá na počtu připojených zařízení a na objemu přenesených dat.

4. NB-IoT

Obr. 6 – Vodafone pokrytí území ČR sítí LTE

Obr. 7 – O₂ pokrytí území ČR sítí LTE

Třetí síť, která je v České republice vytvářena, je postavena na technologii Narrow Band IoT (dále NB-IoT) a budují ji mobilní operátoři O₂ a Vodafone. Síť NB-IoT lze spustit na existující komunikační infrastruktuře mobilních operátorů, kdy pouhou úpravou software na vysílacích stanicích se mu vyhradí část LTE pásma. Na rozdíl od sítí na technologii Sigfox a LoRa není tedy nutné instalovat žádné dodatečné antény, stačí jen softwarový update na stávající infrastruktuře. Využívá se LTE pásmo, jelikož 4G či 3G sítě jsou pro komunikaci s IoT zařízení nevhodné jak po datové tak po stránce spotřeby energie. V 4G a 3G sítích jednotlivá zařízení posílají spoustu různých dat pro zahájení a ukončení komunikace, což je v případě Internetu věcí krajně nepraktické, jelikož sítě musejí zpracovat o to více dat. Dále musíme mít na paměti, že na stávající infrastruktuře musejí paralelně běžet služby pro přenos dat z klasických mobilních zařízení, jako jsou chytré telefony. Zařízení v 4G a 3G sítích rovněž komunikují mnohem častěji a „udržují“ spojení se základnovými stanicemi, což je opět pro IoT zařízení energeticky náročné a krajně nevhodné. Je zapotřebí takový typ komunikačního modulu, který odešle velmi malé množství dat základnové stanici a ihned se zase uspí. Právě díky tomuto konceptu mohou zařízení na baterii běžet několik let bez její výměny. Oproti sítím Sigfox a LoRa je zatím pokrytí území České republiky sítí NB-IoT malé. Jelikož pokrytí sítí LTE je v případě Vodafone (Obr. 6) i O₂ (Obr. 7) 99 procent území ČR a samotné rozšíření o NB-IoT je otázka aktualizace software ve stávajících základnových stanicích, pak lze očekávat, že rychlost rozšíření bude poměrně rychlá.

Vzhledem k tomu, že zařízení s technologií NB-IoT využívají ke své komunikaci pásmo LTE, pak tyto zařízení v sobě obsahují komunikační modul se zabudovanou SIM kartou. Uživatel tedy po zakoupení a následném spuštění zařízení aktivuje SIM kartu, které se spojí s NB-IoT sítí. Stejně jako v případě sítě Sigfox a LoRa je velikost poplatku dána za počet připojených zařízení a množství přenesených dat. Samotná NB-IoT architektura je zobrazena na Obr. 8. Zařízení vysílají nebo přijímají data z nejbližší NB-IoT základnové stanice (NB-IoT Gateway), odkud jsou přeposlány do nadřazeného serveru/cloudu, kde jsou uložena, zpracována a následně zpřístupněna koncovému uživateli přes webovou stránku či mobilní aplikaci.

Obr. 8 – Architektura NB-IoT sítě

Na závěr článku si nemůžeme nechat ujít porovnání jednotlivých sítí a jejich hlavních výhod a nevýhod.

5. Sigfox vs. LoRa vs. NB-IoT

Sigfox je globální operátor sítě pro Internet věcí se sídlem ve Francii. Jinými slovy data z IoT zařízení připojených do sítě Sigfox procházejí přes servery společnosti Sigfox ve Francii a až odsud jsou následně zpřístupněny dále. Strategie Sigfoxu je tedy najít lokálního partnera (jako v ČR společnost SimpleCell) a vybudovat komunikační síť pro Sigfox. Síť Sigfox je aktuálně dostupná ve většině Evropy a buduje se infrastruktura v dalších 40 zemích po celém světě. Stovky různých zařízení se Sigfox modemem je možné zakoupit od desítek různých výrobců. Cena komunikačního čipu (je součástí každého Sigfox zařízení a umožňuje komunikaci do sítě Sigfox) je menší než 2 dolary, což je nejlevnější ze všech tří technologií. Je nutné dodat, že Sigfox je v ČR v této chvíli asi nejdále, jak z hlediska pokrytí, tak z hlediska nabízených služeb. Sigfox zařízení může odeslat maximálně 144 zpráv za den o velikost 12 bajtů a přenosová rychlost je pouhých 100 bit/s. V průměru to tedy odpovídá odeslání jedné zprávy za 10 minut. Přijmout může pouze 4 zprávy denně. Tato síť se primárně hodí pro připojení zařízení, které nepotřebují příliš častou komunikaci, což je typicky měření spotřeb energií či různé odečty. Určitě se nehodí tam, kde je nutné komunikovat příliš často a už vůbec ne tam, kde je nutná obousměrná komunikace. Dosah signálu ze Sigfox zařízení je až 50 km ve volné krajině a 3–5 km v husté městské zástavbě.

LoRa oproti Sigfoxu nemá ambice se stát globálním operátorem pro Internet věcí, ale pouze zpřístupňuje ostatním firmám technologii, se kterou jsou schopni si vybudovat vlastní síť pro Internet věcí. LoRa tedy poskytuje LoRa Gateway, komunikační modemy pro zařízení a popis standardu a rozhraní pro integrátory. České radiokomunikace tedy osadily své základnové stanice o LoRa Gateway, čímž byla vytvořena LoRa síť, ale veškerá data z těchto základnových stanic jsou směrovány na servery poskytovatele a jsou tedy uloženy přímo u poskytovatele služby, což je podstatný rozdíl oproti Sigfoxu. LoRa také umožňuje vybudovat privátní síť, která bude dostupná například pouze v areálu průmyslového podniku, což může být výhodné pro vytvoření sítě Internetu věcí v uzavřených sítích. Cena LoRa komunikačního čipu je kolem 5 dolarů, což je více než dvojnásobek oproti Sigfoxu. Lze ovšem předpokládat, že do budoucna bude cena těchto komunikačních čipů klesat a dostane se na cenu kolem 1–2 dolarů za kus. Komunikační rychlost LoRa zařízení lze nastavit v rozmezí 300 až 50 000 bit/s. Dosah signálu z LoRa zařízení je až 20 km ve volné krajině a 2–5 km v husté městské zástavbě. Zatímco Sigfox byl vhodný všude tam, kde je dostačující jednosměrná komunikace s periodou 10 minut, tak LoRa umožňuje obousměrnou komunikaci a je tedy vhodná pro čtení i zápis. LoRa se tedy hodí nejen pro odečty a snímání různých veličin, jako jsou teplota, vlhkost, tlak, CO₂ či spotřeby energií, ale jsou dostupná i LoRa zařízení, která umožňují zařízení vzdáleně ovládat. Jsou například dostupná LoRa zařízení, která obsahují analogové či digitální výstupy, jejichž prostřednictvím lze ovládat koncová zařízení.

NB-IoT je postaveno jako rozšíření služeb mobilních operátorů, jelikož využívá sítě LTE. Zařízení, která chtějí komunikovat do sítě NB-IoT v sobě musejí obsahovat komunikační modul, který obsahuje vestavěnou SIM kartu pro komunikaci. Cena takového komunikačního čipu je kolem 12 dolarů, což je nejvíce ze všech tří technologií. Nicméně i u NB-IoT se předpokládá, že cena těchto čipů bude postupně klesat, až se dostane k 1–2 dolarům za kus, což opět umožní masovější rozšíření. Jelikož NB-IoT zařízení využívají licencovaného pásma mobilních operátorů, dosahují také nejvyšší rychlosti v porovnání s technologiemi LoRa a Sigfox, která dosahuje až 200 000 bit/s. Dosah signálu z NB-IoT zařízení k základnové stanici je kolem 20 km a teoreticky lze se zařízeními komunikovat všude tam, kde je k dispozici LTE síť operátora. Kromě klasických aplikací, jako je odečet a měření různých veličin či sledování odpadu v kontejnerech, jsou NB-IoT zařízení vhodná pro aplikace, kde je nutná častější a obousměrná komunikace. Mezi takové aplikace patří například sledování zásilek, nositelné technologie (např. chytré hodinky či chytrá jízdní kola) či aplikace pro zemědělství.

6. Literatura

English Synopsis

Internet of Things Networks in the Czech Republic

This article describes the basic principles of Internet of Things and deals in detail with the types of networks for Internet of Things in the Czech Republic and their advantages and disadvantages.