Komunikacja bezprzewodowa w IoT

IoT obejmuje urządzenia gospodarstwa domowego, aparaturę medyczną, sprzęt produkcyjny, urządzenia logistyczne i transportu samochodowego, reprezentujące różnorodne dziedziny. Rozwiązania Internetu Rzeczy składają się ze sprzętu, oprogramowania wbudowanego, technologii bezprzewodowych oraz protokołów komunikacyjnych, platform chmurowych do przetwarzania i przechowywania danych oraz aplikacji do interakcji z użytkownikami. Ze względu na zakres zastosowania podłączone urządzenia dzielimy na konsumencki i przemysłowy IoT. Konsumenckie urządzenia IoT to smartfony, smartwatche, trackery czy sprzęt gospodarstwa domowego – obecnie mamy do czynienia z boomem na takie konstrukcje. Są one zazwyczaj projektowane z myślą o krótkiej żywotności, podczas gdy zintegrowanie IIoT z procesami produkcyjnymi zapewnia ich niezawodne działanie przez wiele lat [6].

Urządzenia IoT mogą korzystać z różnych rozwiązań sieciowych w zależności od wielu czynników, w tym odległości od siebie, ilości danych, które muszą wymieniać, lokalizacji, w której będą używane, czy zużycia energii. Sieć IoT składa się z wielu czujników połączonych różnymi protokołami bezprzewodowymi w celu wymiany danych z chmurą i między sobą.

W roku 2022 firma Avnet (Farnell) przeprowadziła coroczne badanie Global IoT Survey [3]. Komunikacja/łączność została wskazana jako drugi co do istotności problem w rozwoju technologii Internetu Rzeczy. Zdecydowana większość respondentów (76%) korzysta z łączności bezprzewodowej, a z przewodowej – pozostałe 24%. Trzy standardy osiągnęły znaczący poziom zastosowania: Wi-Fi (45%), sieci komórkowe (20%) i BLE (15%). Przypuszczalnie są to aplikacje, które wymagają łączności – odpowiednio – na średnie, duże i małe odległości.

Odsetek respondentów wybierających te standardy prawdopodobnie lepiej odzwierciedla wymagania ich aplikacji niż jakiekolwiek szczególne preferencje. LoRa jest standardem łączności używanym przez 12% respondentów – co okazuje się interesujące, ponieważ rynek LPWAN wciąż się rozwija i z pewnością nie jest tak dojrzały jak Wi-Fi czy Bluetooth.

Podobnie standard Matter 1.0 – wprowadzony w zeszłym roku w celu zapewnienia „prostego, bezpiecznego i płynnego” łączenia świata – nie jest kompatybilny z możliwościami łączności każdego urządzenia. Dzieje się tak dlatego, że Matter pozwala kontrolerowi – takiemu jak Apple HomePod, Amazon Alexa, Google Nest Hub lub Samsung SmartThings – przejąć proces uruchamiania sieci dla nowych urządzeń IoT, używając sztucznej inteligencji (AI) i uczenia maszynowego (ML) do zarządzania wspólną komunikacją Wi-Fi na rzecz ekosystemu inteligentnego domu.

Technologie radiowe sieci rozległej małej mocy (LPWAN), jak CAT M-1 oraz NB-IoT, są dostępne w infrastrukturze komórkowej i istnieją już od kilku lat. Zaletę tych technologii stanowi korzystanie z istniejących wież komórkowych używanych do transmisji głosu i przesyłania danych o dużej przepustowości. Najlepszym rozwiązaniem okazuje się zakup „czasu” w ich sieciach poprzez zastosowanie modemów zgodnych z ich standardami, a następnie opłacenie miesięcznego planu użytkowania.

Jednakże urządzenia, które wymagają jedynie sporadycznego raportowania i kontroli, nie potrzebują dużej przepustowości, a ponieważ wiele z nich jest zasilanych bateryjnie, zaistniało zapotrzebowanie na standardy o niższej mocy i mniejszej przepustowości. Technologie, które nie korzystają z istniejących sieci komórkowych i wymagają zbudowania infrastruktury na nowo, to między innymi Sigfox, LoRa/LoRaWAN – ich wadą okazuje się konieczność realizacji łącza nadrzędnego z Internetem.

Analitycy przewidują, że w 2025 r. liczba podłączonych do Internetu gospodarstw domowych na całym świecie przekroczy 30 miliardów, ponieważ rynek aplikacji smart home IoT będzie nadal rósł w tempie prawie 32 procent rocznie. Do najszybciej rozwijających się aplikacji należy segment bezpieczeństwa i monitorowania inteligentnych domów.

Rozwiązania elektroniczne w postaci modułów kontynuują swój dynamiczny rozwój. Zamiast wymagać od projektanta specjalistycznej wiedzy niezbędnej do projektowania na poziomie chipa, mogą zaoferować mu wstępnie zbudowany i certyfikowany moduł radiowy oraz anteny. Nie tylko ogranicza to zakres niezbędnej wiedzy technicznej na temat zagadnień RF, ale także umożliwia szybsze wprowadzanie produktów na rynek. Dobrym rozwiązaniem może być wcześniejsza komercjalizacja urządzenia mniej zoptymalizowanego pod względem kosztów (w celu przetestowania samego rynku pod kątem tej nowości), niż projektowanie od początku rozwiązania „szytego na miarę” z uwzględnieniem minimalizacji cen zastosowanych komponentów. Jeśli badany rynek jest wystarczająco duży, produkt można następnie zoptymalizować kosztowo, schodząc aż do poziomu chipa.

W 2023 r. GSMA Association wprowadziła specyfikację eSIM (zgodną z eUICC) do zastosowań IoT, aby objąć nią urządzenia z ograniczeniami w zakresie łączności sieciowej. Specyfikacja GSMA eSIM dla IoT (SGP.31/SGP.32) została specjalnie zaprojektowana, aby sprostać potrzebom sieci o pewnych ograniczeniach, np. NB-IoT czy LPWAN. Karta eSIM jest zazwyczaj lutowana na PCB docelowego urządzenia – zgodnie ze specyfikacją GSMA RSP. Klienci mogą zmieniać operatorów telekomunikacyjnych, zamiast wiązać się z jednym przez cały okres użytkowania urządzenia. Dzięki funkcjonalności RSP użytkownicy nie muszą już fizycznie wymieniać karty SIM za każdym razem, gdy zmieniają operatora. Oznacza to, że jednego chipa można używać przez cały cykl życia produktu, przyczyniając się do oszczędzania zasobów i ograniczenia wpływu na środowisko.

Komunikacja bezprzewodowa w IoT

W zależności od zasięgu bezprzewodową komunikację w IoT można podzielić na kilka grup:

• Komunikacja bliskiego zasięgu: NFC (Near-Field Communication).
• Sieci krótkiego zasięgu:
  
  • Osobiste: PAN (Personal Area Networks), WPAN (Wireless Personal Area Networks), np. Bluetooth, ANT+.
  • Lokalne: WLAN (Wireless Local Area Network). Są to sieci używane do komunikacji na małe odległości np. Wi-Fi.
• Sieci rozległe małej mocy: LPWAN (Low Power Wide Area Network). Są to sieci z protokołami komunikacyjnymi stosowanymi przez np. Sigfox oraz Lora – i umożliwiają przesyłanie mniejszych ilości informacji, ale na większą odległość.
• Komunikacja komórkowa: NB-IoT (NarrowBand IoT), Cat-M1 – standardy LTE przeznaczone do urządzeń IoT.
• Komunikacja satelitarna:
  
  • GNSS (Global Navigation Satellite Systems) – systemy nawigacji satelitarnej GPS, GLONASS, Galileo, Beidou, DORIS.
  • NTN (Non Terrestrial Network) – komunikacja satelitarna przeznaczona dla urządzeń IoT: NTN unmodified, z zastosowaniem technologii 5G NR NTN (5G New Radio), oraz NB-IoT NTN.

Można również przyjąć podział bardziej szczegółowy. Ze względu na zastosowanie możliwe jest także wyróżnienie kolejnych sieci: BAN (Body Area Network), WHAN (Wireless Home Area Network), WNAN (Wireless Neighborhood Area Network) lub MAN (Metropolitan Area Network).

Sieci bezprzewodowe mogą być zorganizowane z zastosowaniem różnych topologii: punkt-punkt, gwiazda, krata/siatka (mesh) i drzewo klastrów. Sieci kratowe, zaprojektowane tak, aby szybko przekazywać informacje na krótkim dystansie, korzystają z wielu węzłów z kilkoma potencjalnymi ścieżkami – może to oznaczać, że system zachowa funkcjonalność nawet w przypadku awarii jednego z węzłów. Topologia mesh jest stosowana w różnych protokołach komunikacji bezprzewodowej np. ZigBee, Bluetooth Mesh, Matter, Wi-SUN itd.

Standardy komunikacji

Connectivity Standards Alliance (CSA) [9], dawniej ZigBee Alliance, to grupa firm, które utrzymują i publikują standardy ZigBee oraz Matter, wraz z kilkoma innymi. Z biegiem lat liczba członków Sojuszu wzrosła do ponad 500 firm, w tym takich jak Amazon, Apple, Comcast, Google, Yandex, Ikea i Samsung SmartThings. Organizacja non profit Wi-Fi Alliance jest właścicielem znaku towarowego Wi-Fi [8]. Organizacja Bluetooth SIG udostępnia natomiast implementacje objęte licencją GPL [7]. Istnieje ponadto całkiem spora grupa innych organizacji wspierających standardy komunikacji do zastosowań IoT: LoRa Alliance [11], Thread Group [14], 3GPP (3rd Generation Partnership Project) [15], ANT+ Alliance, ANT Wireless, Garmin Canada [13], NFC Forum [12] oraz Mioty Alliance [19].

Wybór optymalnego protokołu w systemie IoT określają czynniki takie, jak lokalizacja geograficzna, zapotrzebowanie na energię, opcje zasilania bateryjnego, obecność barier fizycznych oraz koszty.

Oprócz wyboru technologii komunikacji bezprzewodowej IoT, istotny jest też wybór metody przesyłania danych. MQTT (Message Queue Telemetry Transport) to lekki protokół o niskim poborze mocy (ISO/IEC 20922), używany do przesyłania prostych zestawów danych pomiędzy czujnikami i aplikacjami. Znajduje się on na szczycie standardowego stosu sieci internetowej TCP/IP. Ze względu na zmniejszenie obciążenia łącza komunikacyjnego w podobnych przypadkach stosuje się też protokół UDP.

Komunikacja bliskiego zasięgu (NFC)

Technologia Near Field Communication (NFC) to zestaw protokołów umożliwiający transmisję danych między dwoma urządzeniami elektronicznymi na odległość 10 centymetrów lub mniejszą [12]. NFC zapewnia połączenie o małej prędkości dzięki prostej konfiguracji, której można użyć także do wstępnego zasilania urządzeń obsługujących połączenia bezprzewodowe. Podobnie jak inne technologie kart zbliżeniowych, NFC opiera się na sprzężeniu indukcyjnym pomiędzy dwiema cewkami znajdującymi się w tagu oraz czytniku NFC (np. smartfonie). Komunikacja NFC w jednym lub obu kierunkach korzysta z częstotliwości 13,56 MHz w dostępnym na całym świecie, nielicencjonowanym paśmie częstotliwości radiowej ISM, zgodnym ze standardem interfejsu radiowego ISO/IEC 18000-3 i pracuje przy szybkości transmisji danych w zakresie od 106 do 848 kbit/s.

NFC umożliwia zarówno zasilanie, jak i komunikację z pasywnym znacznikiem elektronicznym za pomocą fal radiowych. Służy głównie do identyfikacji i uwierzytelniania. Forum NFC opracowało specjalną specyfikację przekazu energii przez sprzężenie magnetyczne, znaną jako ładowanie bezprzewodowe NFC (WLC), która umożliwia zasilanie urządzeń z mocą do 1 W na odległości maksymalnie 2 cm [12].

Sieci krótkiego zasięgu (PAN, WPAN)

Komunikacja krótkiego zasięgu obejmuje popularne standardy, takie jak Bluetooth, ZigBee i Wi-Fi, które działają w nielicencjonowanych pasmach częstotliwości do zastosowań przemysłowych, naukowych czy medycznych (ISM). Chociaż w większości krajów te pasma nie wymagają licencji, istnieją standardy działania, pod kątem których urządzenia muszą zostać przetestowane. Wadą pasm nielicencjonowanych jest to, że w określonych lokalizacjach występuje wiele urządzeń korzystających z tych samych przedziałów widma RF i różnych protokołów transmisji radiowej, w związku z czym problemem stają się zakłócenia, szczególnie w zatłoczonym paśmie radiowym 2,4 GHz. [1]

Większość standardów bezprzewodowych krótkiego zasięgu określa się mianem „sieci osobistych” (Personal Area Networks, PAN) – charakteryzują się one typowym zasięgiem od około 10 do 30 metrów (chociaż w dobrych warunkach wszystkie mogą zapewnić większy zasięg).

Jest też wiele innych standardów komunikacji radiowej przeznaczonych do specyficznych zastosowań. Na przykład Z-Wave to protokół transmisji bezprzewodowej używany głównie w automatyce budynków mieszkalnych i komercyjnych. Działa on podobnie do ZigBee, ponieważ korzysta z sieci typu mesh i częstotliwości radiowych pasma 800...900 MHz do komunikacji pomiędzy urządzeniami. Opracowano też Z-Wave Long Range (LR), który rozszerza łączność Z-Wave poza granice obiektu.

Bluetooth

Bluetooth został zaprojektowany w połowie lat 90. XX wieku – specjalnie jako sieć PAN, łącząca urządzenia do noszenia, telefony, komputerowe urządzenia peryferyjne i tak dalej [7]. Bluetooth korzysta z pasma ISM 2,4 GHz i pierwotnie był zdefiniowany w standardzie IEEE 802.15.1. Obecnie zarządza nim Bluetooth Special Interest Group (SIG) [7], będący sojuszem tysięcy firm produkujących urządzenia Bluetooth. Z biegiem czasu standardy Bluetooth IoT uległy zróżnicowaniu, dodano do nich Bluetooth Low Energy (BLE), Bluetooth Mesh i wprowadzono znaczące zmiany w Bluetooth 5.

Bluetooth SIG definiuje kilka typów profili w sieci radiowej (protokołów dostępu) [7]. Jeśli chodzi o urządzenia IoT, Bluetooth 5 zapewnia większy zasięg i szybsze, bezpołączeniowe działanie (w przypadku urządzeń o małym zużyciu energii – w porównaniu z wcześniejszymi wersjami standardu).

Do komunikacji radiowej warstwa fizyczna Bluetooth (PHY) używa modulacji GFSK i protokołów Frequency Hopped Spread Spectrum (FHSS) lub (w BLE) Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), które mają pewne funkcje unikania zakłóceń.

W przypadku większości urządzeń IoT żywotność baterii okazuje się kluczowym czynnikiem i często oczekuje się, że 10-letni czas pracy baterii obniży koszty eksploatacji (konserwacji) oraz zmaksymalizuje wygodę użytkowania. Dzięki szerokiej gamie wdrożeń i niewielkiemu zużyciu baterii, Bluetooth może być używany na wiele sposobów jako standard bezprzewodowy IoT krótkiego zasięgu.

Bluetooth Klasyczny – Bluetooth Basic Rate/Enhanced Data Rate (BR/EDR). Bluetooth Classic, określane również jako Bluetooth Basic Rate/Enhanced Data Rate (BR/EDR), to radio o małej mocy, które przesyła strumieniowo dane przez 79 kanałów w paśmie 2,4 GHz [7]. Ze względu na obsługę komunikacji urządzeń punkt-punkt Bluetooth Classic jest używany głównie do bezprzewodowego przesyłania strumieniowego dźwięku i stał się standardowym protokołem radiowym stosowanym w bezprzewodowych głośnikach, słuchawkach czy samochodowych systemach rozrywki.

Bluetooth Low Energy (BLE). Bluetooth Low Energy (LE) został zaprojektowany do pracy przy bardzo małym poborze mocy. Obsługuje wiele topologii komunikacyjnych, od transmisji punkt do punktu, aż po siatkę (Bluetooth Mesh) [7]. Bluetooth LE jest obecnie również szeroko stosowany jako technologia pozycjonowania urządzeń, aby sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu na usługi lokalizacyjne o wysokiej dokładności w pomieszczeniach. Zawiera teraz funkcje, które umożliwiają jednemu urządzeniu określenie zarówno obecności, odległości, jak i kierunku innego urządzenia (Direction Finding). Począwszy od wersji protokołu Bluetooth 5.2 udostępniony został nowy standard transmisji audio LE Audio (dokładny opis w artykule [17]).

ANT+ to protokół bezprzewodowy o bardzo małym poborze mocy, działający w paśmie ISM 2,4 GHz, który szczególnie nadaje się do produktów zasilanych bateryjnie [13]. Jego wyjątkowa wydajność energetyczna sprawiła, że stał się popularnym wyborem do zastosowań w dziedzinie sportu i fitnessu oraz zdrowia i relaksu. Standard ANT+ jest używany zwłaszcza w urządzeniach do monitorowania aktywności fizycznej, takich jak np. zegarki sportowe, krokomierze, pulsometry, liczniki kalorii, ciśnieniomierze, a także monitory prędkości, wagiczy temperatury. Dzięki technologii ANT+ można utworzyć bezprzewodową szyfrowaną (AES 128) sieć (maksymalny rozmiar 65 535), w której informacje pomiarowe rejestrowane podczas treningu są przesyłane pomiędzy znajdującymi się w jej zasięgu urządzeniami (przepustowość danych wynosi od 0,5 Hz do 200 Hz × 8 bajtów). Możliwe jest ponadto przesłanie uzyskanych danych do telefonu lub innego urządzenia obsługującego ANT+ w celu ich gromadzenia oraz interpretacji. Obecnie z technologii ANT+ korzysta ponad 200 marek z całego świata.

Standard IEEE 802.15.4

Jest to kolejny standard IEEE stosowany w sieciach PAN małej mocy w pasmach 868 lub 915 MHz i 2,4 GHz. Definiuje sześć protokołów bezprzewodowych warstwy fizycznej, w tym oryginalne techniki DSSS, a ostatnio Chirp Spread Spectrum (CSS) w paśmie 2,4 GHz oraz Direct Sequence Ultra-wideband (UWB) w pasmach poniżej 1 GHz i powyżej 3 GHz. Warstwa MAC umożliwia również przeskakiwanie kanałów w celu zmniejszenia lub uniknięcia zakłóceń. IEEE 802.15.4 to standard zbiorczy dla wielu standardów komunikacyjnych IoT, które definiują wyższe warstwy sieci, w tym niemal bezpośrednie połączenie z Internetem ze względu na adresację IP, zwaną 6LoWPAN, co może uprościć wdrażanie sieci przeznaczonych do bezpośredniej wymiany danych z chmurą. Standard jest też stosowany w sieciach rozległych, np. Wi-SUN.

ZigBee to jeden ze standardów 802.15.4 i kolejny ulubiony standard PAN w przypadku bezpiecznych sieci bezprzewodowych o małym poborze mocy i niewielkiej szybkości transmisji danych [9]. ZigBee korzysta z zakresu częstotliwości radiowych ISM, w tym z pasma 2,4 GHz. Pozostałe zastosowane przedziały widma różnią się w zależności od regionów świata, a pasma ZigBee poniżej 1 GHz obejmują 915 MHz – w USA, 784 MHz – w Chinach i 868 MHz – w Europie. ZigBee z natury obsługuje sieci drzewiaste, gwiazdowe i kratowe, więc zbiory urządzeń mogą wspólnie przekazywać dane w krótkich przeskokach do węzłów sterujących [1]. Standard ten jest atrakcyjny dla konstruktorów sieci o małej szybkości transmisji danych rozproszonych na obszarze większym niż możliwy do objęcia przez prostą sieć punkt-punkt w podobnych warunkach. Ceną za to może być krótszy czas pracy baterii w przypadku urządzeń, które służą jako wzmacniacze dla bardziej odległych urządzeń ZigBee IoT, przesyłając – oprócz własnych danych – także dane i potwierdzenia między węzłami. Szybkości transmisji danych również różnią się w zależności od regionu i wahają się od 10 do 200 kb/s. ZigBee Alliance definiuje profile aplikacji, które są definicjami wyższych warstw oraz bibliotekami opracowanymi do różnych zastosowań – i które skłaniają do zachowania kompatybilności pomiędzy urządzeniami ZigBee od wielu dostawców. Niedawno sojusz zdefiniował zestaw protokołów wyższej warstwy zwanych „dotdot”.

Thread. Technologia ta jest podobna do ZigBee, ponieważ opiera się na IEEE 802.15.4 PHY i MAC; jednakże używa protokołu IPv6 (6LoWPAN) [14]. To solidna, szyfrowana sieć kratowa zaprojektowana do bezpiecznego i niezawodnego łączenia się z setkami produktów oraz urządzeń automatyki domowej. Sieć ma właściwości samonaprawiające, krótkie komunikaty oszczędzają przepustowość i energię, natomiast usprawniony protokół routingu zmniejsza obciążenie sieci i opóźnienia transmisyjne.

Ultra WideBand (UWB). UWB opiera się na standardzie IEEE 802.15.4z [1]. Technologia UWB umożliwia pomiar odległości/lokalizacji z centymetrową dokładnością – oraz bezpieczną transmisję danych o bardzo małym poborze mocy, dużej przepustowości i bardzo krótkim opóźnieniu. Zapewnia niezwykle dokładny pomiar czasu przelotu sygnałów radiowych. Najnowsze zastosowania dotyczą gromadzenia danych z czujników, precyzyjnego lokalizowania i śledzenia obiektów. Zazwyczaj UWB działa w zakresie od 6 do 8,5 GHz i korzysta z szerokości pasma około 500 MHz na kanał. Transmisja UWB jest odporna na ataki MITM, dzięki czemu można ją znaleźć m.in. w systemach bezpiecznego otwierania drzwi samochodowych czy w opiece medycznej. Standard ten jest obecnie obsługiwany przez wysokiej klasy telefony firm Apple oraz Samsung.

Wi-Fi (IEEE 802.11)

Wi-Fi to obszerna rodzina standardów o długiej tradycji, której nazwy zaczynają się od IEEE 802.11 [8]. Standard został opracowany tak, aby zapewniał wysoką przepustowość danych 10...50 Mb/s (w nowszych wersjach prawie 160 Mb/s). Ponieważ Wi-Fi w różnych formach istnieje już od dziesięcioleci, zyskał wielu dostawców chipów i modułów, dając projektantom szeroki wybór komponentów sprzętowych. Ponieważ Wi-Fi może bezpośrednio łączyć się z Internetem, projektanci urządzeń stają przed problemami związanymi z bezpieczeństwem w zakresie zapewnienia prywatności danych, a także prawidłowego działania urządzenia. Wi-Fi Location dostarcza informacje o lokalizacji na poziomie poniżej metra, co umożliwia świadczenie szeregu usług IoT uwzględniających lokalizację i skierowanych do środowisk przemysłowych oraz inteligentnych miast, zapewniając tym samym takie możliwości, jak nawigacja w pomieszczeniach, mobilność czy śledzenie zasobów.

IEEE 802.11n (Wi-Fi 4) i 802.11ac (Wi-Fi 5) to poprawki do standardów 802.11, które dodają do sieci 802.11 bardziej rozbudowaną i wydajną funkcjonalność warstwy fizycznej, w tym MIMO, formowanie wiązki, agregację ramek i szersze kanały. Umożliwia to uzyskanie większych szybkości transmisji danych, ale wymaga znacznie większej mocy i zwykle pojawia się w bardziej złożonych urządzeniach z zasilaniem sieciowym (np. routerach bezprzewodowych), a nie w urządzeniach IoT.

IEEE 802.11ax (Wi-Fi 6) może działać w pasmach ISM 2,4 GHz oraz 5 GHz. Działa z teoretyczną maksymalną szybkością około 10 Gb/s. IEEE 802.11ax wydłuża także okres pracy baterii urządzeń, które muszą łączyć się z routerem tylko od czasu do czasu, korzystając z ukierunkowanych harmonogramów budzenia. Dzięki temu urządzenia klienckie oszczędzają czas pracy baterii, który normalnie byłby używany do wyszukiwania dostępnych sygnałów. IEEE 802.11ax korzysta z nowego Wi-Fi Protected Access 3 (WPA3), poprawiającego bezpieczeństwo urządzeń WLAN. Urządzenie Wi-Fi 6 zaprojektowane dla pasm 2,4 i/lub 5 GHz jest również kompatybilne wstecz z wcześniejszymi technologiami Wi-Fi.

Wi-Fi 6E uzupełnia standard sieci bezprzewodowej o działanie w paśmie 6 GHz. Ponieważ w tym zakresie widma nie będą działać żadne urządzenia Wi-Fi poprzedniej generacji, transfer będzie znacznie szybszy.

IEEE 802.11be (Wi-Fi 7). Nowy standard IEEE 802.11be – nazwany EHT (Extremely High Throughput), wprowadzony w roku 2024 – zwiększa maksymalną prędkość z 9,6 Gb/s do 46 Gb/s, daje 100× mniejsze opóźnienie, korzysta jednocześnie z obu pasm Wi-Fi 6 GHz i 5 GHz. Wi-Fi 7 jest w pełni zgodny z poprzednimi standardami.

Matter-Over-Wi-Fi oraz Matter-Over-Thread

Upowszechnianie się zastrzeżonych standardów i dostawców usług stanowi główną przeszkodę we wdrażaniu urządzeń podłączonych do sieci. Na przykład obecny krajobraz inteligentnego domu obejmuje wiele zamkniętych ekosystemów, w tym HomeKit firmy Apple, Alexa firmy Amazon, Asystent Google i SmartThings firmy Samsung.

Aby zwiększyć zaufanie konsumentów, największe marki – współpracując z innymi firmami z branży – stworzyły Matter: ujednolicony standard inteligentnego domu [9]. Urządzenia obsługujące protokół Matter mogą z łatwością komunikować się ze sobą w granicach sieci i poza nią, korzystając z istniejących technologii, w tym Bluetooth LE, Ethernet, Wi-Fi i protokołu sieciowego Thread. Matter to standard łączności typu open source opracowany z myślą o inteligentnych urządzeniach domowych IoT. Sam standard jest bezpłatny, chociaż programiści i producenci ponoszą koszty certyfikacji. Stowarzyszenie Connectivity Standards Alliance (CSA) [9] wydało nowy standard Matter 1.3, obiecujący konwergencję głównych ekosystemów IoT, a także oferujący jeden protokół bezprzewodowy do łączenia wszystkich sieci i urządzeń IoT. Standard umożliwia ponadto aktualizacje za pośrednictwem sieci, zmniejsza zużycie energii i poprawia bezpieczeństwo urządzeń.

Amazon Sidewalk

Godną uwagi innowacją wprowadzoną w 2021 r. była Amazon Sidewalk – technologia sieci współdzielonej łącząca istniejące urządzenia Amazon IoT [1]. Amazon Sidewalk to opracowany przez firmę Amazon protokół komunikacji bezprzewodowej dalekiego zasięgu o niskiej przepustowości. Używa on Bluetooth Low Energy (BLE) do komunikacji na małe odległości – i 900 MHz LoRa (oraz innych częstotliwości) na dłuższych dystansach w celu komunikacji z urządzeniami gospodarstwa domowego, takimi jak systemy otwierania bram garażowych. Niektóre urządzenia Ring i głośniki Echo działają jako punkty dostępu, tworząc w ten sposób sieć ad hoc. Właściciele urządzeń Amazon dzielą się z siecią częścią swojego pasma internetowego, do wcześniej ustalonych limitów.

Sieci rozległe małej mocy (LPWAN)

Chociaż IoT zazwyczaj odnosi się do komunikacji krótkiego zasięgu, istnieje wiele zastosowań, w których wspomnianej technologii można używać na większe odległości. Te zastosowania sieci rozległej małej mocy (LPWAN) obejmują medycynę (ambulatoryjne monitorowanie pacjentów), zasoby naturalne (pomiary jakości wody, wydobycie ropy i minerałów), przemysł (monitorowanie i kontrola dużych zakładów), rolnictwo (dobrostan i lokalizacja zwierząt, monitorowanie pogody, zdrowia upraw i zużycia wody), inteligentne miasto (nadzór ruchu, obsługa parkingów, pomiary jakości powietrza czy zużycia mediów), monitorowanie budynków i nie tylko.

Postęp w technikach modulacji i integracji systemów typu SoC (System-on-Chip) znacznie zwiększył zasięg, w jakim mogą działać urządzenia o niskim poborze mocy. Użycie niższych pasm (poniżej 1 GHz) umożliwia także zmianę charakterystyki propagacji sygnału radiowego, co jest dużą zaletą w sieciach dalekiego zasięgu. Te niższe częstotliwości mogą również wymagać zastosowania większych anten w celu uzyskania potrzebnej wydajności. Przy częstotliwości 2,4 GHz antena ćwierćfalowa ma długość 31 mm, ale przy 915 MHz analogiczna antena ma długość około 82 mm. W przypadku produktów o dużym zasięgu i małej mocy większe i bardziej wydajne anteny (jeśli są akceptowalne mechanicznie) mogą się opłacić za sprawą długiego czasu pracy baterii, zmniejszając moc RF niezbędną do zapewnienia wymaganego dystansu transmisji. Ponadto Internet Rzeczy dalekiego zasięgu stwarza możliwości w zakresie usług komunikacyjnych na zasadzie subskrypcji – w porównaniu z całkowicie samodzielnymi instalacjami krótkiego zasięgu. Firmy z dużą zainstalowaną infrastrukturą radiową, np. dostawcy sieci telefonii komórkowej, udostępniają usługi za pomocą istniejących sieci, obejmując całe regiony lub kraje nowymi usługami transmisji danych o dużym zasięgu i małej szybkości. Zastosowanie licencjonowanego widma zapewnia wysoki poziom usług, lecz wymaga opłat abonamentowych. Instalacje komercyjne umożliwiają także proste połączenie z Internetem i systemami chmurowymi [1].

Według badania z pierwszego kwartału 2024, na całym świecie istnieje prawie 1,3 miliarda połączeń LPWAN IoT [20]. Stanowi to około 8% z ponad 16 miliardów urządzeń IoT podłączonych na całym świecie w 2023 r. Największy udział, około 54%, w połączeniach LPWAN ma NB-IoT. Jednak w Chinach ok. 81% wszystkich połączeń LPWAN to NB-IoT, a kraj ten odpowiadał za ok. 84% wszystkich globalnych połączeń NB-IoT. Natomiast pomijając Chiny, NB-IoT stanowił tylko 20% połączeń LPWAN w 2023. Po wyłączeniu wszystkich danych LPWAN z Chin, LoRaWAN ma wiodący udział w globalnych połączeniach LPWAN na poziomie 41% – ponad dwukrotnie więcej niż udział NB-IoT.

W Ameryce Północnej udział technologii w komunikacji LPWAN IoT wynosił w roku 2023: LoRaWAN 47%, NB-IoT 25%, Wi-Fi 15% i Wi-SUN 14%. Podobnie w Japonii: LoRaWAN 35%, Wi-SUN 22%, NB-IoT 16%, CAT-M 13% i Wi-Fi 13%. W Indiach wyglądało to inaczej: NB-IoT 56%, CAT-M 46%, MioTY 36%, Wi-SUN 32% i LoRaWAN 32%. Widać tu wyraźnie regionalne preferencje wyboru technologii radiowych.

Sieci rozległe w pasmach bez licencji

Problem braku dostępu do zasilania sieciowego został w przypadku urządzeń IoT rozwiązany za pomocą sieci rozległych małej mocy (LPWAN). Te rozwiązania w zakresie łączności zoptymalizowano pod względem zużycia energii. Jednak technologia LPWAN nie jest wcale zagadnieniem prostym.

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) to protokół sieciowy o niskim poborze mocy i rozległym zasięgu, przeznaczony do bezprzewodowego łączenia układów zasilanych bateryjnie z Internetem w sieciach regionalnych, krajowych lub globalnych. Zarządza nim otwarta organizacja non profit – LoRa Alliance [11]. Protokół umożliwia komunikację pomiędzy maksymalnie 1000 urządzeń. Wadę LoRa stanowi mała szybkość transmisji (od 0,3 do 50 kb/s), a zalety – duży zasięg transferu i niskie zużycie energii. LoRa korzysta z wolnych nielicencjonowanych pasm częstotliwości radiowych (ISM), takich jak 169 MHz, 433 MHz, 470 MHz, 868 MHz (Europa) i 915 MHz (Ameryka Północna). Ponieważ używa niższych częstotliwości radiowych, jej sygnały mogą przenikać w głąb budynków i docierać do miejsc niedostępnych dla sprzętu o wyższej częstotliwości (np. 2,4 GHz). Oferuje zazwyczaj zasięg do 2,5 km (miasto) i do 15 km (tereny podmiejskie). LoRa stosuje zestaw technik modulacji opatentowanych przez firmę Semtech i stosujących Chirped Spread Spectrum (CSS) – dzięki temu sygnał jest odporny na efekt Dopplera (w przypadku użytkowników mobilnych) i zanikanie wielościeżkowe. Zapewnia również znaczny poziom odporności na zakłócenia. LoRa może pracować poniżej poziomu szumu RF otoczenia i nawet o 20 dB lub więcej poniżej wąskopasmowych źródeł zakłóceń – ze względu na wzmocnienie przetwarzania modulacji widma rozproszonego. Ponieważ sygnał CSS jest łatwiejszy do dekodowania niż inne widmo rozproszone, można to zrobić przy mniejszej mocy obliczeniowej. Może to oznaczać dłuższą pracę baterii urządzenia IoT pomimo zaawansowanej modulacji RF. Przepustowość jest zadowalająca w kwestii przesyłania niewielkich ilości danych z czujników, ale niewystarczająca, aby na przykład zapewnić aktualizacje oprogramowania drogą bezprzewodową (OTA). Małe szybkości transmisji danych również poważnie ograniczają bezpieczeństwo oferowane przez sieci LPWAN. Dane przepływają łączami LoRa RF do bramek (zwanych także koncentratorami), które łączą się z Internetem i serwerami chmury/aplikacji. LoRa można wdrożyć jako sieć zastrzeżoną. W kilku obszarach świata istnieją publiczni operatorzy omawianej infrastruktury, którzy sprzedają łączność za pośrednictwem bramek (przeznaczonych do urządzeń LoRa) w celu przesyłania danych do chmury. Oprócz układów firmy Semtech dostępne stają się także układy firm ST Microelectronics i Microchip.

SigFox to zastrzeżony protokół radiowy działający w pasmach 868/915 MHz i zapewniający sieć bramek podobnych do komórkowych, które łączą się z Internetem oraz chmurą [1]. SigFox jest siecią gwiazdową, w której bramy służą jako kontrolery sieci. Oferuje duży zasięg i bardzo małe zużycie baterii; korzysta z transmisji radiowych Ultra Narrowband (UNB) o bardzo niskiej szybkości przesyłania danych. SigFox ma wyjątkowo lekki protokół i przesyła pakiet o długości 12 bajtów.

Wi-SUN (Wireless Smart Ubiquitous Network) jest siecią kratową o bardzo małym poborze mocy i dalekim zasięgu w paśmie poniżej 1 GHz. Jest to otwarty standard zarządzany przez sojusz Wi-SUN [10]. Warstwa fizyczna korzysta z protokołu IEEE 802.15.4g. Wi-SUN oferuje wyższą przepustowość niż LoRaWAN i NB-IoT, a także mniejsze zużycie energii w trybie uśpienia. Dzięki obsłudze zarówno protokołu IPv6, jak i infrastruktury klucza publicznego (PKI), Wi-SUN oferuje korzyści w zakresie bezpieczeństwa, co dla zdecydowanej większości użytkowników jest kwestią równie ważną jak wydajność.

Maksymalna jednostka transmisji obejmuje nieco ponad 1200 bajtów przy szybkości transmisji od 50 kb/s do 2,4 Mb/s.