Jak se vyznat v bezdrátových sítích pro IoT

Technologie s nižším výkonem a kratším dosahem

NFC

Na velmi malé vzdálenosti funguje dnes už poměrně rozšířená technologie NFC (Near Field Communication). Vznikla především pro obousměrnou bezdrátovou komunikaci mezi zařízeními vzdálenými mezi sebou maximálně 4 cm. Omezený dosah je v tomto případě záměrnou výhodou. Hodí se zejména při bezkontaktních platbách a podobných typech výměny citlivých dat, kdy chcete mít jistotu, že data se přenášejí jen ve chvíli, kdy zrovna chcete (když zařízení zrovna přiblížíte).

• Užitečná čísla a vlastnosti
• Dosah maximálně 4 cm
• Přenosová rychlost v režimu pro zápis až 424 kbit/s
• Frekvence 13,56 MHz
• Spotřeba energie méně než 15 mA (při čtení)

Bluetooth a BLE

Bluetooth je jednou z nejznámějších bezdrátových technologií, kterou spousta z nás denně využívá. Funguje na frekvenci 2,4 GHz a je určená především pro přímou bezdrátovou komunikaci mezi zařízeními. A to na krátkou vzdálenost. U malých zařízení nejčastěji do 10 metrů. Takže její využití je nasnadě. Jde o klasiku jako přenos souborů mezi zařízeními, přehrávání hudby přes bezdrátové reproduktory nebo sluchátka. Zkrátka a zjednodušeně Bluetooth je tu hlavně proto, aby nás zbavil dříve všudypřítomných kabelů a drátů. A jeho výhodou je, že je dostupný a je snadné ho používat.

Pak tu máme ještě BLE (Bluetooth Low Energy). To je vlastně poddruh technologie Bluetooth. Je navržený především pro zařízení s nižším výkonem a jeho výhodou je, že spotřebovává méně energie. Resp. spotřebovává energii jen během kratičkých pulzů, ve chvíli, když se mezi zařízeními naváže spojení. Díky tomu je ideální třeba pro tzv. wearables –  fitness náramky, chytré hodinky nebo nejrůznější a zdravotnická zařízení a monitory atp.  

Wi-Fi 

Dokud se do problematiky IoT nezahloubáte podrobněji, nejspíš vás jako jedna z prvních možností, jak připojit IoT zařízení, napadne Wi-Fi. Zvlášť v ČR, kde je pokrytí Wi-Fi skoro na každém rohu. Jenže zejména pro komerční a průmyslové využití to většinou nemusí být vhodná volba.

Tento bezdrátový protokol měl původně nahradit Ethernet. Jinak řečeno – pomocí bezdrátové komunikace přes nelicencovaná pásma nás měl zbavit kabelů. Výhodami této technologie s krátkým dosahem měla být především snadná implementace a provoz s nízkými náklady. Nikdo se moc neohlížel na to, jestli je řešení energeticky nenáročné nebo jestli půjde rozšiřovat dosah. Jestli tedy v současnosti potřebujete připojit zařízení, která nemají v dosahu zásuvku, vyžadujete, aby se data odesílala na velkou vzdálenost, a nechcete moc utrácet, bude lepší se poohlédnout jinde. Na druhou stranu pro chytrou domácnost nebo omezené využití automatizace v budovách vám Wi-Fi stačit bude.

Wi-Fi  ale ještě neřekla své poslední slovo

Technologie Wi-Fi se stále rozvíjí. Nejnovější standardy už se neomezují na přetížená frekvenční pásma (802.11ax kromě 2,4 GHz využívá také 5 GHz a 6 GHz). A vznikají dokonce Wi-Fi standardy navržené už přímo pro IoT. Takovým je například WiFi HaLow založený na 802.11ah. Co se internetu věcí týká, Wi-Fi tak nejspíš ještě nemůžeme hodit přes palubu. Na praktické využití si ale ještě budeme muset chvíli počkat.

Užitečná čísla a vlastnosti

• Levná a výkonná síť
• Vysoká spotřeba energie
• Využívá nejčastěji bezlicenční frekvenční pásmo 2,4 GHz, kde funguje nejčastěji na standardech 802.11b (max rychlost 11 Mb/s) a 802.11g (max. rychlost až 54 Mb/s)
• Průběžně vznikají nové standardy s větší rychlostí přenosu dat a fungující na jiných frekvenčních pásmech
• Nejnovější je zatím standard IEEE 802.11ax označovaný také jako Wi-Fi 6 využívající pásmo 2,4, 5 a 6 GHz
• Vznikají i speciální standardy pro IoT – např. Wi-Fi HaLow

Zigbee

ZigBee je bezdrátová komunikační technologie určená pro vytvoření takzvaných osobních sítí (Personal Area Networks – PAN). Je vhodná na spojení nízkovýkonových zařízení na vzdálenosti cca do 75 metrů. Původně byl tento protokol navržený aliancí Zigbee zejména pro automatizaci a řízení budov. Využívá se tedy třeba pro bezdrátové termostaty, chytré osvětlení, sledování spotřeby energií nebo zabezpečovací systémy ve velkých průmyslových objektech, ale i v domácnostech.   Spotřebovává minimum energie a oproti Bluetooth je Zigbee pomalejší.

Užitečná čísla

• Uvádí se rychlost až 250 kbit/s
• Zigbee funguje na frekvencích přibližně 868 MHz, 902–928 MHz nebo 2,4GH
• Je postavený na standardu IEEE 802.15.4

Z-Wave

Z-Wave vlastně na poli chytrých domácností a domácí automatizace konkuruje předchozím dvěma technologiím. Často se používá například pro zabezpečovací systémy nebo pro ovládání světel. Je tedy populární pro chytré domácnosti.

Narozdíl od BLE a Zigbee, které pracují v oblíbeném pásmu 2,4 GHz, využívá Z-Wave pásmo 1 GHz. Přesné pásmo se ale může v jednotlivých zemích lišit. 

Nižší nosná frekvence má dvě významné výhody: větší dosah a menší rušení. V pásmu 2,4 GHz, které používají BLE, Zigbee nebo Wi-Fi a dokonce i vaše mikrovlnná trouba, už bývá trochu těsno a jednotlivé technologie se často navzájem ruší. Nevýhodou nižší nosné frekvence je potom nižší rychlost přenosu dat.

Užitečná čísla a vlastnosti

• Přenosové pásmo se může v jednotlivých zemích lišit: v Evropě využívá 868 MHz, v USA pak funguje na 908 MHz
• Větší dosah než Bluetooth nebo Zigbee

Nízkoenergetické dálkové technologie

Pro komunikaci na velké vzdálenosti jsou vhodnější sítě označované jako LPWAN (Low-Power Wide Area Network). Typickým příkladem pro jejich využití je třeba sběr údajů o počasí na vzdálených místech, které se automaticky nahrávají do cloudu a dále zpracovávají. Jakou technologii tedy zvolit? 

LoRa / LoRaWAN

Pokud potřebujete řešení s opravdu velkým dosahem venku i uvnitř budov, s nízkou spotřebou energie a nízkými provozními náklady, odpovědí může být LoRa (z anglického Long-Range). Tato technologie se hodí především pro zařízení, u kterých se předpokládá obousměrná komunikace. To znamená, že zařízení data nejen odesílají, ale mohou je taky přijímat.

Sítě LoRaWAN se starají o nenáročný přenos dat. Baterie v zařízeních vydrží několik let. A díky několika systémům pro kódování nabízí vysokou bezpečnost. LoRa není globální operátor, ale nabízí technologii, na které si firmy mohou postavit a provozovat vlastní nízkoenergetickou síť pro IoT. Navíc je celý LoRaWAN ekosystém otevřený. Postavit a provozovat vlastní LoRaWAN síť může kdokoliv, stejně jako se kdokoliv může pustit do výroby kompatibilních zařízení. Musí jen dodržet LoRaWAN standard. Na trhu je díky tomu dostatek senzorů, čidel a zařízení za přijatelnou cenu.

Užitečná čísla a vlastnosti

• Různá frekvenční pásma: např. v Evropě je to frekvence 868 MHz a v Severní Americe  915 MHz
• Dosah 5–10 km
• Obousměrná komunikace
• Otevřená platforma

SigFox

SigFox je naproti tomu v podstatě globální provozovatel sítě pro IoT. Funguje podobně jako například mobilní sítě mobilních operátorů. S pomocí svých partnerů nejprve museli vystavět fyzickou síť, ke které připojují nejrůznější IoT zařízení jako například senzory pro odečty plynu, vody, elektřiny, parkovací senzory, zabezpečovací zařízení, meteorologické stanice, které sledují množství srážek, zařízení pro monitoring průtoku atd. 

SigFox patří k technologiím z opravdu velkým dosahem. Zařízení mezi sebou komunikují na vzdálenost až 50 km. Stejně jako LoRa technologie se SigFox může pochlubit nízkou energetickou náročností na přenos dat. Baterie v zařízeních vydrží v některých případech i 10 let. NA druhou stranu počítejte s nízkou přenosovou rychlostí. 

K přednostem SigFoxu patří bezesporu dobré pokrytí v České republice. Podle společnosti SimpleCell je to 89 % území a asi 93 % obyvatel. Navíc nabízí i roamingový přenos dat. To znamená, že ho můžete využít např. i pro sledování prostředí v chladících vozech, které rozváží zboží i za hranice ČR.

Zdroj: www.sigfox.com

Užitečná čísla a vlastnosti

• v Evropě se šíří na frekvenci 868 MHz a 902 MHz v USA
• podporuje pouze omezenou obousměrnou komunikaci
• ve volné krajině je dosah až 50 km, v zástavbě až 10 km
• odolná vůči rušení
• Pokrytí ČR: 89 % území a 93 % populace

NB-IoT

Technologie NB-IoT je nejnovější. Stejně jako LoRa nebo SigFox se zaměřuje na maximální efektivitu přenosu dat, takže i v tomto případě budete baterie v zařízeních měnit až po několika letech provozu. Síť využívá licencované pásmo, přenos dat je tedy bezpečný. Bohužel jde o tak novou technologii, že k dispozici zatím nejsou téměř žádná zařízení, která byste mohli prakticky využít. Technologii v současnosti podporují zejména společnosti jako Huawei, Ericsson nebo Qualcomm, které se zároveň podílí na jejím vývoji.

Užitečná čísla

• 868 MHz v Evropě, 915 MHz v USA
• Maximálně 140 zpráv / den, 12 bajtů na kanálu 100 Hz, 100 b / s UL
• Rozpočet propojení 146 - 162 dB, potenciál obrovského rozsahu
• Ultra úzký pás, BPSK UP, GFSK DL, 600 b / s
• Mobilita omezena na 6 km / h
• Mnoho provozovatelů sítí po celém světě nabízí služby
• V ČR má 100% dostupný signál

A co mobilní operátoři a jejich 2G, 3G a 4G sítě?

Určitě vás napadlo využít pro IoT i globální sítě a technologie mobilních operátorů. Tyto technologie mohou přenášet větší množství dat než třeba NB-IoT, Sigfox a LoRaWAN. Protože je ale provozují zejména mobilní operátoři, je potřeba počítat s tím, že si za své služby nechají patřičně zaplatit.

Klasické senzory a čidla zpravidla odesílají relativně malé množství dat. Za předpokladu, že jde často o objemy jako 10 kB nebo 1 MB za měsíc, může  v mnohých případech využití mobilních sítí pro IoT vypadat podobně, jako když si na sázení brambor koupíte bagr. Pokud však potřebujete připojit jen několik zařízení (typicky zabezpečovací zařízení na doma, do kanceláře nebo na recepci), je to vedle připojení přes Wi-Fi jedna z nejjednodušších variant. Dobře také slouží třeba jako záložní řešení právě ve spolupráci s Wi-Fi. 

2G, 3G, 4G, 5G… Podle čeho vybírat? 

Mezi sebou se z pohledu zákazníka liší především rychlostí přenosu dat (4G je nejrychlejší, 2G je nejpomalejší). Při výběru je ale potřeba si ohlídat, jaké má která technologie pokrytí a také na jakých frekvencích využívají jednotlivé technologie operátoři na daném místě. Čeští operátoři provozují mobilní sítě v pásmech 800, 900, 1 800, 2 100 a 2 600 MHz. 4G (resp. LTE) běží primárně v pásmech 800, 1 800 a 2 600 MHZ. V pásmu 900 MHz funguje stařičká 2G (GSM), pásmo 2 100 MHz je zatím ještě pořád vyhrazené většinou pro 3G (UMTS). Důležitým parametrem je i cena hardwaru. Obecně lze říci, že u starších technologií (2G a 3G) už stačila cena zařízení klesnout. 4G a nastupující 5G vytáhnou z vašich účtů nebo peněženek o poznání víc. 

Stručně k jednotlivým technologiím.

2G sítě

2G je často reprezentované systémem GSM (Globální systém pro mobilní komunikaci) a technologií GPRS (General Packet Radio Service). Co se týká množství odesílaných dat, odpovídají možnosti této technologie požadavkům většiny IoT zařízení docela dobře. Ještě to není výše zmíněný „bagr“.  Jenže většina mobilních operátorů na celém světě postupně provoz GSM ukončuje, aby uvolnili pásma třeba pro chytré telefony fungující na 4G a 5G sítích.

3G sítě

3G je dnes ideální kompromis mezi cenou a výkonem. Pro IoT potřeby je to většinou stále předimenzované řešení, ale jsou případy, kdy ho oceníte. Třeba u zmiňovaných zabezpečovacích systémů, kde počítáte třeba i s rychlým přenosem obrazu (fotek nebo videa). Případně do zabezpečovacích a sledovacích systémů v chytřejších autech. Jestli ale spřádáte dlouhodobější plány, počítejte s tím, že většina operátorů do budoucna upustí i od technologie 3G a přejde na novější.

4G sítě

LTE je 4G mobilní technologie, která podporuje mnohem vyšší datové rychlosti než předchozí dvě generace. Jestli potřebujete vysokou rychlost a přenos většího množství dat, například streamování videa s vyšším rozlišením, může být LTE tím, co hledáte. Obzvlášť v ČR, kde je i v porovnání s většinou ostatních evropských zemí solidní pokrytí. LTE zařízení (a jejich provoz) jsou ale v porovnání s LoRa, SigFox nebo i s GMS technologiemi poměrně drahá. 

5G sítě

V současnosti se i čeští operátoři připravují na nasazení nové generace sítí. Ta nabídne až desetinásobné zvýšení přenosové rychlosti a snížení doby odezvy v porovnání se 4G.

Od 5G sítí si mnozí slibují ekosystém, který si bude mnohem víc rozumět s IoT. Vedle násobně vyšších rychlostí a nízké odezvy se počítá i s tím, že nová síť bude schopná obsloužit až stokrát více zařízení. A především by měla být energeticky mnohem úspornější. Na komerční provoz 5G sítí si ale budeme muset ještě chvíli počkat.

Užitečná čísla a vlastnosti celulárních sítí

• Energeticky náročnější
• Vysoká rychlost přenosu dat (oběma směry)
• Možnost přenášet větší objem dat
• Relativně kvalitní pokrytí v ČR
• Funguje i v zahraničí
• Vyšší náklady na provoz i na hardware