Att förstå IoT:s anslutningsprotokoll

Facebook
Twitter
LinkedIn

IoT, en förkortning av Internet of Things, avser ett sammankopplat system av enheter, maskiner, föremål, djur eller människor med förmåga att självständigt kommunicera över ett gemensamt nätverk utan behov av interaktion mellan människor eller mellan människor och datorer. Denna relativt nya innovation revolutionerar redan många sektorer genom sin förmåga att tillföra uppkopplad intelligens till nästan allt, inklusive smarta hem, smarta bilar, smarta fabriker, smarta byggnader, smarta städer, smarta elnät, smart sjukvård, smart jordbruk och smart boskapsskötsel, för att bara nämna några.

IoT är fortfarande en ny innovation, men dess utveckling går enligt ITU (International Telecommunications Union) tillbaka till de första åren av förra seklet.

En kort historik över telemetri, M2M och IoT

I ITU:s presentation Intro to Internet of Things från 2016 går bakgrunden till den moderna IoT-revolutionen tillbaka till 1912, då ett elbolag i Chicago utvecklade ett telemetrisystem för att övervaka elektriska belastningar i elnätet med hjälp av stadens telefonlinjer. Nästa stora milstolpe, trådlös telemetri med hjälp av radiosändningar snarare än fast infrastruktur, antogs 1930 och användes för att övervaka väderförhållanden från ballonger. Sedan kom telemetrin inom rymdfarten med uppskjutningen av Sputnik 1957, en händelse som allmänt anses vara föregångaren till dagens moderna satellitkommunikation.

Vid den här tidpunkten var M2M som vi känner det fortfarande några år bort och väntade på två banbrytande genombrott med tre decenniers mellanrum för att driva det in i mainstream.

Det första genombrottet kom 1968 när den grekisk-amerikanske uppfinnaren och affärsmannen Theodore G. Paraskevakos kom på idén att kombinera telefoni och databehandling, den teoretiska grunden till modern M2M-teknik, när han arbetade med ett system för nummerpresentation. Den andra skedde 1995 när Siemens lanserade M1, en GSM-datamodul som gjorde det möjligt för maskiner att kommunicera via trådlösa nätverk. Därefter har regelbundna förbättringar av trådlösa anslutningsmöjligheter, och Federal Communications Commissions förespråkande av användningen av spektrumeffektiva digitala nätverk framför analoga nätverk, banat väg för en mer utbredd användning av cellulär M2M-teknik.

IoT är den senaste mutationen i denna långa evolutionära kedja av autonoma maskin-till-maskin-uppkopplingar. Även om båda metoderna bygger på samma grundläggande principer finns det dock några tydliga skillnader, vilket framgår av diagrammet nedan.

KÄLLA: https://ipwithease.com/internet-of-things-vs-machine-to-machine-iot-vs-m2m/

En av de kanske viktigaste skillnaderna mellan M2M och IoT är ambitionen och omfattningen. Enligt aktuella uppskattningar kommer det att finnas mellan 22 och 25 miljarder anslutna IoT-enheter 2025. Men innan vi ens har utnyttjat potentialen i att koppla samman miljarder fysiska objekt i nätverk, vill branschen visualisera ett Internet of Everything, där inte bara objekt och enheter utan allt, inklusive människor, processdata och saker, kopplas samman till ett sömlöst och intelligent ekosystem.

Men oavsett hur omfattande ambitionerna för IoT är, kommer tillgången till högkvalitativa anslutningsmöjligheter i slutändan att avgöra värdet av resultatet. Idag finns det ett överväldigande utbud av anslutningstekniker med en rad olika funktioner som passar för olika IoT-tillämpningar.

Klassificering av tekniker för IoT-anslutning

När det gäller IoT-anslutningar är tekniken i ständig förändring, och befintliga alternativ uppdateras och uppgraderas hela tiden medan nya alternativ introduceras kontinuerligt. Och med tanke på mångfalden på marknaden för IoT-applikationer kan tillgängliga lösningar klassificeras utifrån en komplex matris av egenskaper, inklusive räckvidd, bandbredd, strömförbrukning, kostnad, enkel implementering, säkerhet etc. Men det är möjligt att klassificera dessa lösningar med hjälp av en enkel taxonomi med fyra delar, nämligen

  1. Klassiska anslutningslösningar, inklusive traditionella trådlösa lösningar med kort räckvidd
  2. Icke-cellulär IoT, egenutvecklad teknik som används av branschaktörer/konsortier.
  3. Cellular IoT, standardiserad teknik som fungerar i det licensierade spektrumet.
  4. Satellit-IoT, för områden som inte kan täckas av något av ovanstående.
KÄLLA: https://www.counterpointresearch.com/lpwans-will-co-exist-no-war-brewing-between-cellular-non-cellular/

Både mobil och icke-cellulär IoT-teknik faller under den breda, och ganska självförklarande, kategorin low-power wide-area networks eller LPWANs. Medan den förra är en standardiserad teknik som tillhandahålls i det licensierade spektrumet av mobilnätsoperatörer, hänvisar den senare till privata proprietära lösningar som fungerar i olicensierade radiofrekvenser. Båda lösningarna är dock specialdesignade för IoT och kan överföra små datapaket över långa avstånd, under en längre period och med mycket begränsad resursanvändning. Prognosen för LPWAN-teknik är att den kommer att täcka 100 procent av världens befolkning år 2022.

1. Klassisk anslutning:

Det finns en rad olika tekniker som faller under denna kategori, inklusive Wi-Fi, Bluetooth och Bluetooth Low Energy, NFC, RFID och mesh-teknik som ZigBee, Thread och Z-Wave. Som tidigare nämnts är alla dessa lösningar kortdistanslösningar som är idealiska för avgränsade miljöer som till exempel smarta hem. Men om kort räckvidd verkar vara en begränsning så kompenserar dessa lösningar för det genom att möjliggöra överföringar med hög bandbredd och låg energiförbrukning. De flesta av dessa lösningar är kanske inte utformade specifikt för IoT. Men så länge kraven inte omfattar långväga dataöverföring kan de fortfarande fungera som ett viktigt nav i en större hybrid IoT-miljö.

2. Icke-cellulär IoT:

Det finns för närvarande två populära LPWAN-lösningar, LoRaWAN och Sigfox, inom detta område.

  • LoRaWAN är ett öppet IoT-protokoll för säker LPWAN-anslutning i operatörsklass. Det stöds av LoRa Alliance, en global ideell sammanslutning av telekomföretag, teknikföretag, hårdvarutillverkare, systemintegratörer samt stora tillverkare av sensorer och halvledare.

Protokollet ansluter batteridrivna ”saker” trådlöst till internet, vilket möjliggör mobil och säker dubbelriktad kommunikation till låg kostnad och med låg effekt. Lösningen kan också skalas från en enda gateway-installation till ett globalt nätverk av enheter inom IoT, M2M och andra storskaliga smarta applikationer. Även om LoRaWAN-protokollet definierar den tekniska implementeringen innehåller det inga begränsningar för typen av driftsättning, vilket ger kunderna flexibilitet att förnya sig. Ett av argumenten för att ifrågasätta teknikens status som öppen standard har varit att implementeringen är kopplad till chip från Semtech, en medlem i LoRa Alliance. Andra leverantörer har dock nyligen meddelat att de är intresserade av att använda LoRa-radiotekniken.

KÄLLA: https://lora-alliance.org

LoRaWAN har redan ett enormt globalt fotavtryck med över 100 nätoperatörer som hade distribuerat sina nätverk över hela världen i slutet av 2018. Alliansen meddelade också att man har tredubblat antalet slutenheter som ansluter till dess nätverk.

  • Sigfox var ett av de första företagen som skapade ett dedikerat IoT-nätverk som använde Ultra Narrow Band-modulering i det publika 200 kHz-bandet för att utbyta radiomeddelanden över luften. Företagets uttalade ambition är att minska kostnaderna och komplexiteten i införandet av IoT genom att eliminera behovet av sensorbatterier och minska beroendet av dyra kiselmoduler.

Företagets egenutvecklade protokoll är utformat för IoT-tillämpningar som överför data i korta skurar över långa avstånd, samtidigt som man säkerställer låga anslutningskostnader och minskar energiförbrukningen. Företaget samarbetar med flera stora tillverkare som STMicroelectronics, Atmel och Texas Instruments för sina slutpunktsmoduler för att säkerställa lägsta möjliga kostnad för sina kunder.

Sigfox-nätverket är för närvarande i drift i 60 länder och täcker uppskattningsvis 1 miljard människor världen över, ansluter 6,2 miljoner enheter och sänder 13 miljoner meddelanden varje dag. Sigfox har också gått samman med satellitoperatören Eutelsat för att skjuta upp en satellit som kommer att möjliggöra global täckning.

Det finns några andra aktörer, som Link Labs och Weightless SIG, som erbjuder sina egna LPWAN-tekniker. LoRaWAN och Sigfox dominerar dock marknaden och står för nästan två tredjedelar av utbyggnaden av breda nätverk med låg effekt.

Det finns dock en betydande utmaning som kommer från deras motsvarigheter inom cellulär IoT med tekniker som NB-IoT och LTE-M.

3. Cellulär/mobil IoT:

Egenutvecklade tekniker som arbetar i det olicensierade spektrumet kan tyckas ha marknaden i ett hörn, men mobil IoT håller snabbt på att komma ikapp. Tidigare i år meddelade GSMA att mobila IoT-nätverk med låg strömförbrukning finns tillgängliga på 50 marknader runt om i världen, med totalt 114 lanseringar från och med maj 2019.

KÄLLA: https://www.gsma.com/iot/deployment-map/

Dessa lanseringar omfattar både LTE-M (LTE Cat-M/eMTC) och NarrowBand IoT (NB-IoT/LTE Cat-NB), en uppsättning kompletterande, IoT-optimerade mobilstandarder som utvecklats av 3GPP (3rd Generation Partnership Project). Båda dessa mobila IoT-nät är idealiska för IoT-tillämpningar med låg kostnad, låg effekt och lång räckvidd och tillsammans är de positionerade för att tillgodose hela spektrumet av LPWAN-behov inom en rad olika branscher och användningsområden. Operatörerna har ett urval av mobiltekniker för att säkerställa att de kan tillhandahålla tydligt differentierade IoT-tjänster baserat på marknadsdynamiken i deras regioner. Och båda dessa tekniker kan samexistera med 2G-, 3G- och 4G-nät. Det finns dock några viktiga skillnader mellan de två, som främst härrör från fokus på att täcka ett så brett spektrum av IoT-tillämpningar som möjligt.

  • LTE-M (Long Term Evolution for Machines) möjliggör återanvändning av befintlig LTE-infrastruktur för mobilnät samtidigt som enheternas komplexitet minskar, strömförbrukningen sänks och täckningen utökas, inklusive bättre täckning inomhus. LTE-M-standarderna är utformade för att ge en 10 gånger bättre batteritid och sänka modulkostnaderna med så mycket som 50 procent jämfört med LTE-standardenheter.

En viktig utveckling på LTE-IoT-marknaden har varit lanseringen av MulteFire Alliance, ett globalt konsortium som vill utöka fördelarna med LTE till det olicensierade spektrumet. Gruppens MulteFire LTE-teknik bygger på 3GPP-standarder och kommer att fortsätta att utvecklas med dessa standarder men fungerar i det olicensierade eller delade spektrumet. Målet är att kombinera fördelarna med LTE med enkel driftsättning. De viktigaste funktionerna i de senaste MulteFire Release 1.1-specifikationerna inkluderar optimering för industriell IoT, stöd för eMTC-U och NB-IoT-U samt tillgång till nya spektrumband.

  • NarrowBand IoT eller NB-IoT bygger på smalbandig radioteknik och är inriktat på kostnadskänsliga applikationer med låg komplexitet och låg prestanda inom Massive IoT-segmentet. Tekniken är relativt enklare att konstruera och driftsätta eftersom den inte är lika komplex som traditionella mobilmoduler. Dessutom förbättras nätkapaciteten och effektiviteten så att ett stort antal anslutningar med låg genomströmning kan hanteras över bara 200 kHz spektrum. NB-IoT kan också vara betydligt mer ekonomiskt att driftsätta jämfört med andra tekniker eftersom det eliminerar behovet av gateways genom att kommunicera direkt med den primära servern.

Båda dessa tekniker är redan 5G-klara. De kommer att fortsätta att utvecklas för att stödja 5G-användningsfall och samexistera med andra 3GPP 5G-tekniker.

Kapplöpningen om 5G-utbyggnaden har redan börjat på allvar. Efter lanseringen av 5G-tjänster i Sydkorea och USA tidigare i år förväntas ytterligare 16 marknader ansluta sig till denna än så länge exklusiva klubb under 2018.

Framväxten av 5G, den femte generationen av trådlös mobilkommunikation, kommer utan tvekan att ha en stor inverkan på hur dessa tjänster levereras. Dessa femte generationens nät, som utlovar högre kapacitet, lägre latens och energi- och kostnadsbesparingar, har potential att stödja mer innovativa bandbreddsintensiva tillämpningar och massiv maskintypskommunikation (mMTC).

4. IoT via satellit:

Detta är perfekt för avlägsna områden som inte täcks av mobiltäckning. Det kan tyckas vara en nischmarknad, men vissa rapporter visar att det kan finnas så många som 1 600 satelliter som är dedikerade till IoT-tillämpningar under de kommande 5 åren. Satellitkommunikationsföretaget Iridium har ingått partnerskap med Amazon Web Services för att lansera Iridium CloudConnect, den första satellitdrivna molnbaserade lösningen för Internet of Things (IoT)-applikationer.

Allt detta leder till frågan: vilket IoT-protokoll är rätt för dig? Varje teknik som diskuteras här har sina USP:ar och sina begränsningar. Varje IoT-tillämpning har sina egna krav när det gäller datahastighet, latens, driftsättningskostnad etc. Ett protokoll som fungerar perfekt för ett visst användningsområde kan visa sig vara helt olämpligt för ett annat.

Det finns alltså inget protokoll som passar alla och som kan föreskrivas för varje tillämpning eller ens för varje bransch. Att hålla sig till bara en teknikstandard är faktiskt inte meningsfullt i många implementeringar av Internet of Things (IoT), och det är enligt Sigfox.

Facebook
Twitter
LinkedIn