Rozszerzenie Internetu rzeczy (IoT) na orbitę okołoziemską

Autor: Martin Lesund, techniczny kierownik produktu — komórkowy Internet rzeczy, Nordic Semiconductor

Internet rzeczy (IoT) został założony jako rozwiązanie problemów związanych z łańcuchem dostaw, które miało umożliwiać automatyczne współużytkowanie danych między przemieszczającymi się urządzeniami i czujnikami. Pomysł ten przekształcił się w większy cel, jakim było uczynienie fizycznego świata domów, fabryk i miast inteligentnym poprzez wbudowanie czujników, sieci i komputerów w przedmioty codziennego użytku, ale Internet rzeczy (IoT) nigdy nie stracił swoich pierwotnych powiązań z zarządzaniem łańcuchem dostaw. 

W 2024 r. wartość rynku Internetu rzeczy (IoT) w ramach łańcucha dostaw szacowana była na 21,36 miliarda dolarów, a według szacunków ma osiągnąć wartość 55,58 miliarda dolarów do 2031 r.^[1]. Wzrost ten jest napędzany potrzebą ustanowienia inteligentnych, wzajemnie połączonych łańcuchów dostaw, które mogą zwiększyć wydajność i oszczędności kosztów dla dostawców, a także zapotrzebowaniem klientów na przejrzystość i identyfikowalność. Ostatecznie dostarczenie właściwego produktu we właściwe miejsce, we właściwym czasie, we właściwym stanie, po odpowiednich kosztach, nie podlega negocjacjom, a to może mieć miejsce tylko wtedy, gdy jest oparte na bezpiecznej technologii Internetu rzeczy (IoT).

Transformacja łańcuchów dostaw

Komórkowy Internet rzeczy (IoT) stał się głównym motorem napędowym transformacji w zarządzaniu łańcuchem dostaw, zapewniając nowy poziom widoczności, wydajności i szybkości reakcji w tym, co kiedyś było w dużej mierze nieprzejrzystym procesem. Przed komórkowym Internetem rzeczy (IoT) łańcuchy dostaw były często powolne, fragmentaryczne i w dużym stopniu zależne od ręcznego prowadzenia ewidencji. Firmy śledziły przesyłki na podstawie dokumentów papierowych, telefonicznie i okresowo aktualizując dane, co powodowało powstawanie znacznych martwych pól. Dokumenty były przenoszone wraz z towarami, czyli widoczność była możliwa tylko w niektórych punktach kontrolnych — na przykład, gdy kontener opuścił port lub dotarł do magazynu. 

Komórkowy Internet rzeczy zmienił ten obraz, zapewniając widoczność w czasie rzeczywistym i ciągły przepływ danych w zarządzaniu łańcuchem dostaw. Łącząc zasoby za pośrednictwem połączonych urządzeń i sieci komórkowych, firmy mogą natychmiast monitorować wysyłki na całym świecie i zarządzać nimi. Urządzenia te nie tylko współdzielą precyzyjne dane o lokalizacji, ale także mierzą warunki, takie jak temperatura, wilgotność i drgania. Ma to kluczowe znaczenie w branżach takich jak spożywcza, farmaceutyczna i elektroniczna, gdzie może dojść do zepsucia lub uszkodzenia, jeśli warunki przekroczą bezpieczny zakres. 

Sprawność operacyjna również znacznie się poprawiła. Narzędzia do zarządzania flotą z obsługą Internetu rzeczy (IoT) optymalizują trasy dostaw, skracają czasy bezczynności i zmniejszają zużycie paliwa. Magazyny wykorzystują podłączone urządzenia do automatycznej aktualizacji poziomów zapasów, zapobiegając nadmiernym zapasom lub niedoborom, które kiedyś były powszechne w ręcznych systemach ewidencji.

Pokonywanie martwych pól

Chociaż technologia komórkowego Internetu rzeczy jest przełomowa dla łańcuchów dostaw i wielu innych branż, ma ona swoje ograniczenia. Technologia 4G/LTE obejmuje zasięgiem 90 procent populacji świata, jednak pod względem geograficznym obsługuje zaledwie około 15 procent powierzchni Ziemi. Chociaż liczba ta wzrasta do 30–35 procent, jeśli wziąć pod uwagę 2G i 3G, odsetek ten zmniejsza się z roku na rok, w miarę jak operatorzy na całym świecie stopniowo wygaszają te sieci.

Wspomniany brak zasięgu komórkowego jest jeszcze większy w przypadku rozwiązań IoT, które w przeciwieństwie do ludzi mogą wymagać działania w dowolnym miejscu na powierzchni planety. Jednym z przykładów są masowce i statki towarowe kursujące pomiędzy Ameryką Południową, Nową Zelandią i Australią na trasie szlaku Wielkiego Koła Południowego Pacyfiku. Ta trasa żeglugi biegnie w pobliżu punktu Nemo, czyli punktu na oceanie położonego prawie 3000 km od jakiegokolwiek lądu, na tyle odległego, że służy jako cmentarzysko dla satelitów schodzących z orbity i stacji kosmicznych. Kontenerowce, które pływają tą trasą przewożą między innymi drogi sprzęt górniczy i przemysłowy do kopalń w Ameryce Południowej, a także luksusowe samochody, elektronikę i inne niszowe towary konsumpcyjne, ale śledzenie w czasie niemal rzeczywistym ich miejsca pobytu i stanu ładunku było wcześniej nie do pomyślenia, nawet z wykorzystaniem komórkowego Internetu rzeczy.

Istnieją również przykłady krytycznych zastosowań śledzenia i monitorowania w odległych zakątkach naszego globu. W Kanadzie Północnej, Australii, Patagonii oraz Azji Środkowej funkcjonują rozległe farmy bydła, gdzie brak zasięgu komórkowego utrudnia tradycyjną komunikację, a zastosowanie nowoczesnych rozwiązań monitorujących poszczególne zwierzęta może znacząco usprawnić zarządzanie gospodarstwem. Ponadto na całej planecie istnieje nawet 10 milionów kilometrów linii przesyłowych wysokiego napięcia oraz 7 milionów kilometrów rurociągów naftowych i gazowych, które biegną w liniowych korytarzach na całej planecie, często w odizolowanych lub trudnych warunkach środowiskowych, gdzie jednak potrzeba monitorowania wycieków i usterek wcale nie jest mniej istotna. 

Komórkowe urządzenia Internetu rzeczy (IoT), takie jak seria nRF91 firmy Nordic Semiconductor, w połączeniu z nadajniko-odbiornikiem Bluetooth LE i czujnikami, są idealnie dopasowane do rozwiązań śledzenia i monitorowania zasobów. Są one niezawodne, bezpieczne, energooszczędne i na tyle ekonomiczne, że można je stosować na poziomie pojedynczych paczek (lub zwierząt), a także w regularnych odstępach wzdłuż linii przesyłowej lub rurociągu, choć z pewnymi ograniczeniami. Zapewniają one łączność między miastami i krajami oraz większością zaludnionych części globu, ale nie na środku południowego Pacyfiku czy wzdłuż gazociągu transalaskańskiego. W jaki sposób producenci rozwiązań do śledzenia w Internecie rzeczy (IoT) zapewniają klientom nieprzerwany globalny zasięg, gdy zasięg komórkowego Internetu rzeczy (IoT) nie obejmuje 70 procent planety?

Rozwiązanie nienaziemne

Jednym z rozwiązań jest technologia sieci naziemnych (NTN) opracowana przez organizację 3rd Generation Partnership Project (3GPP). Chociaż komunikacja satelitarna istnieje od dziesięcioleci, działała niezależnie od standardów sieci komórkowej, dopóki organizacja 3GPP nie wprowadziła do swojej globalnej architektury systemów komórkowych sieci nienaziemnych. Sieci nienaziemne (NTN), zamiast polegać na infrastrukturze komórkowej, obsługują wąskopasmowy Internet rzeczy (NB-IoT) za pośrednictwem satelitów. Technologia ta bazuje na działaniu konstelacji satelitów, uzupełnionej o infrastrukturę komórkowego Internetu rzeczy (IoT) tam, gdzie jest ona dostępna. Rezultatem są globalne sieci komórkowe, do których dostęp uzyskuje się w podobny sposób co do naziemnych sieci długoterminowej ewolucji dla maszyn (LTE-M) / wąskopasmowego Internetu rzeczy (NB-IoT). 

Operatorzy sieci nienaziemnych 3GPP oferują dwa równie ważne komponenty: satelity zastępujące wieże komórkowe oraz komórkową sieć szkieletową. Sieć szkieletowa umożliwia bezproblemową interakcję sieci nienaziemnych (NTN) i naziemnych, umożliwiając mobilnym urządzeniom Internetu rzeczy (IoT), takim jak systemy śledzenia aktywów, nawiązywanie połączenia w trybie roamingowym z sieci naziemnej do sieci nienaziemnej (NTN), w taki sam sposób, w jaki roaming ma miejsce we współczesnych sieciach naziemnych.

Na podstawowym poziomie sieci nienaziemne (NTN) dzielą się na trzy główne kategorie. Mogą opierać się na satelitach geosynchronicznej/geostacjonarnej orbity okołoziemskiej (GEO), niskiej orbity okołoziemskiej (LEO) lub średniej orbity okołoziemskiej (MEO), chociaż te ostatnie nie są szeroko stosowane w Internecie rzeczy (IoT). Satelity GEO krążą z taką samą prędkością jak Ziemia ze względu na dużą odległość (prawie 36 tysięcy km) od powierzchni Ziemi. Satelita GEO jest w stanie pokryć zasięgiem nawet jedną trzecią powierzchni globu, co oznacza, że jest zawsze widoczny dla stacji naziemnej znajdującej się w tym samym regionie, a zatem dostępny dla danego urządzenia. 

Satelity GEO generalnie odbijają sygnały wysyłane z urządzenia Internetu rzeczy (IoT) z powrotem na Ziemię bez ich przetwarzania. Satelita jest neutralny dla urządzenia, a komunikacja odbywa się między urządzeniem a węzłem eNB (Evolved NodeB) lub wieżą komórkową również na ziemi. Dzięki temu wysyłane dane mogą dotrzeć do usługi w chmurze, gdy połączenie nienaziemne (NTN) jest nadal aktywne.

Duża wysokość n.p.m. i niewielka liczba satelitów GEO oznacza, że urządzenie Internetu rzeczy (IoT) musi zarządzać trudnym budżetem łącza, a przepustowość sieci będzie niższa niż zwykle w sieciach naziemnych. Przepływności na warstwie fizycznej („on air”) w sieciach nienaziemnych (NTN) orbity GEO wynoszą 1–2 kb/s przy zastosowaniu standardowego modułu klasy mocy 3 (23 dBm) oraz anteny o zysku 0 dBm. Do utrzymania stabilnego połączenia z siecią nienaziemną (NTN) orbity geostacjonarnej są używane te same mechanizmy protokołu wąskopasmowego Internetu rzeczy (NB-IoT), które są używane do zwiększania zasięgu sieci naziemnej. Przepustowość sieci nienaziemnych orbity GEO i ich pobór mocy będą zatem podobne do parametrów urządzenia komórkowego Internetu rzeczy (IoT) działającego na brzegu zasięgu w naziemnej sieci wąskopasmowego Internetu rzeczy (NB-IoT). 

Ze względu na stosunkowo niską efektywną szybkość transmisji danych, ale za to połączenie z siecią szkieletową w czasie rzeczywistym, satelity orbity geostacjonarnej dla sieci nienaziemnych były do tej pory wykorzystywane głównie do komunikacji awaryjnej. Głównym zastosowaniem są usługi D2D dla urządzeń mobilnych i inne zastosowania, które wymagają natychmiastowego dostarczania ważnych wiadomości. Wraz z pojawieniem się większej liczby usług zastosowanie omawianych satelitów rozszerza się obecnie na sferę Internetu rzeczy (IoT), gdzie często istnieje również bardzo ograniczone zapotrzebowanie na dane, ale wymaga transmisji ważnych komunikatów, dla których stały zasięg i stosunkowo niska latencja są koniecznością. Przykładem zastosowania są scenariusze zakładające transfer niewielkich ilości danych (bajty na dzień) z nadawaniem komunikatów o wysokiej ważności, takich jak alarmy, które wymagają podjęcia działań.

Satelity niskiej orbity okołoziemskiej zapewnia wyższą przepustowość

Satelity niskiej orbity okołoziemskiej (LEO), wykorzystywane przez wiele powstających sieci nienaziemnych (NTN) 3GPP, znajdują się znacznie bliżej Ziemi, w odległości 600–800 km. Zwiększa to budżet łącza dla urządzeń Internetu rzeczy (IoT), zapewniając większą elastyczność w projektowaniu anten i wyższe szybkości transmisji danych, do 20–40 kbps, przy użyciu tego samego modułu klasy mocy 3 i tej samej anteny. Wyższe efektywne szybkości transmisji danych znacznie skracają czas połączenia z satelitą, co również zmniejsza pobór mocy. Profil zasilania urządzenia Internetu rzeczy (IoT) wykorzystującego połączenie z satelitą niskiej orbity okołoziemskiej (LEO) będzie porównywalny z profilem kat. NB1 lub średnim/słabym zasięgiem NB2 w sieci naziemnej. 

Jednak ze względu na niższą wysokość n.p.m. satelity niskiej orbity okołoziemskiej okrążają Ziemię znacznie szybciej niż satelity orbity geostacjonarnej. Pojedynczy satelita niskiej orbity okołoziemskiej (LEO) będzie zatem znajdować się nad daną lokalizacją tylko przez kilka minut w ciągu jednego okrążenia orbity. To samo dotyczy tego, jak często satelity niskiej orbity okołoziemskiej (LEO) znajdują się w polu widzenia stacji naziemnej, umożliwiając komunikację z rdzeniową siecią nienaziemną (NTN). Oznacza to, że niewielka liczba satelitów i prosta przezroczysta architektura stosowane w sieciach orbity geostacjonarnej nie będą działać w sieciach niskiej orbity okołoziemskiej (LEO). Aby zapewnić ciągły zasięg globalny, potrzebna jest konstelacja złożona z dziesiątek, a nawet setek satelitów oraz sieć dosyłowa przekazująca dane przez konstelację satelitów niskiej orbity okołoziemskiej (LEO) w celu dotarcia do stacji naziemnych w czasie rzeczywistym. Do tego czasu stosowana jest architektura typu „przechowuj i przekazuj”. 

W trybie przechowywania i przekazywania satelita przyjmuje rolę stacji bazowej LTE lub węzła eNB, zarządzając połączeniem z urządzeniami Internetu rzeczy (IoT) i przechowując dane w satelicie do czasu, aż będzie można je przekazać do innego satelity lub stacji naziemnej. Podczas gdy konstelacje satelitów niskiej orbity okołoziemskiej (LEO) sieci nienaziemnych 3GPP są wdrażane, urządzenie Internetu rzeczy (IoT) będzie miało łączność nieciągłą, gdyż nie zawsze satelita będzie w jego zasięgu, a dodatkowo będą występować opóźnienia między między urządzeniami i chmurą. Dzięki znacznie niższemu poborowi mocy, sieci niskiej orbity okołoziemskiej (LEO) idealnie sprawdzają się w zastosowaniach, w których gromadzone dane nie wymagają natychmiastowej interwencji ze strony chmury lub systemu. 

W miarę rozmieszczania coraz większej liczby satelitów w konstelacjach LEO, przerwy czasowe w dostępności sieci, a także latencja międzysystemowa będą się zmniejszać, co pozwoli uzyskać ciągły i globalny zasięg o niskiej latencji dla urządzeń Internetu rzeczy (IoT).

Technologia kryjąca się za technologią

Dzięki sieciom nienaziemnym (NTN) deweloperzy komórkowego Internetu rzeczy staną przed nowymi ekscytującymi możliwościami, ale ważne jest, aby zaczęli oni od analizy przypadków użycia swoich produktów i zdecydowali, gdzie, kiedy i czy w ogóle sieci te wniosą wartość dodaną. W przypadku niektórych produktów końcowych sieć nienaziemna (NTN) będzie jedyną dostępną formą łączności, a dla innych będzie ostatecznym rozszerzeniem zasięgu komórkowego. Korzystanie z sieci naziemnych nadal zapewnia najbardziej wydajne połączenie tam, gdzie zasięg jest dobry, ale z kolei tam, gdzie go nie ma, sieci nienaziemne (NTN) to obecnie nieoceniona alternatywa. 

Większość operatorów sieci naziemnych już współpracuje z operatorami sieci nienaziemnych niskiej orbity okołoziemskiej (LEO) i orbity geostacjonarnej, aby zaoferować jak najszerszą i najlepszą ofertę, a firma Nordic Semiconductor zapewnia deweloperom platformę technologiczną do obsługi każdego możliwego zastosowania. Firma Nordic opracowała zintegrowane rozwiązanie niskiej mocy, które będzie obsługiwać zarówno łączność naziemną, jak i nienaziemną, w postaci modułu SiP nRF9151. Urządzenie nRF9151 obsługuje technologie wąskopasmowego Internetu rzeczy (NB-IoT), długoterminowej ewolucji dla maszyn (LTE-M) oraz DECT NR+, a w przyszłych wydaniach oprogramowania układowego dodana zostanie obsługa sieci nienaziemnych (NTN). Urządzenie nRF9151 zawiera dedykowany procesor aplikacji Arm Cortex-M33 64 MHz z 1 MB pamięci flash i 256 kB pamięci RAM, wielomodowy modem z obsługą sieci długoterminowej ewolucji dla maszyn (LTE-M) / wąskopasmowego Internetu rzeczy (NB-IoT) i globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS), funkcje zarządzania zasilaniem oraz układ front-end na częstotliwości radiowe (RF) - a wszystko to zaprojektowane przez firmę Nordic. Aplikacje można projektować, wykorzystując zestaw rozwojowy oprogramowania (SDK) nRF Connect oraz pakiet usług nRF Cloud Services firmy Nordic. 

Jednocześnie firma aktywnie współpracuje z wieloma operatorami sieci NTN, takimi jak Iridium Communications, Skylo, Myriota, Omnispace i Gatehouse Satcom, aby oferować swoim klientom komercyjne opcje wdrożeń komunikacji z sieciami nienaziemnymi (NTN) opartej na układzie SiP nRF9151.

W nieskończoność i dalej

Technologia Internetu rzeczy (IoT), która powstawała nawet 10 lat temu, obecnie rozkwita. Liczba urządzeń połączonych wzrosła dzisiaj do ponad 15 miliardów, a według raportu pt. Ericsson Mobility Report do 2030 r. jeszcze się podwoi. Tymczasem integracja przetwarzania brzegowego i sztucznej inteligencji umożliwiła w niektórych przypadkach podejmowanie decyzji w czasie zbliżonym do rzeczywistego, zmniejszając opóźnienia i zależność od chmury. 

Komórkowy Internet rzeczy również ewoluował, otwierając drogę ku miliardom zastosowań o wysokiej przepustowości i niskiej latencji, których rozwój był ograniczony przez niedostępność łączności bezprzewodowej krótkiego zasięgu. Teraz wykracza poza ląd, niebo i morze, w kosmos, dzięki nowym modelom sieci, takim jak sieci nienaziemne (NTN), które po raz pierwszy umożliwią użytkownikom śledzenie krytycznych aktywów lub kluczowej infrastruktury na całej planecie bez względu na ich położenie. Internet rzeczy (IoT) nie osiągnął jeszcze ostatecznej granicy — to dopiero początek.

Bibliografia:

1. Global Supply Chain IoT Market. Verified Market Research, 2024.