1

Ewolucja:

od sieci sensorowych

do Internetu Rzeczy

© Paweł Kułakowski

2

Inspiracje I

Stanisław Lem, NIEZWYCIĘŻONY- wydany w Polsce, 1964- przetłumaczony na angielski, 1973.

3

Inspiracje II

STAR WARS II– THE EMPIRE STRIKES BACKw reżyserii George’a Lucasa, 1980.

4

Trzy ery bezprzewodowe

© R. Verdone, 2006

Przeszłość:

Jedno urządzenie bezprzewodowe na każde tysiąc osób.

Teraźniejszość:

Jedno urządzenie bezprzewodowe na osobę.

Przyszłość:

Tysiąc urządzeń bezprzewodowych na osobę.

5

Scenariusz I: Trzęsienie ziemi

6

Scenariusz II: Pożar lasu

7

Scenariusz III: Śledzenie obiektów

Operacje wojskowe:

Ochrona dzikich zwierząt:

8

• raportowanie o zagrożeniu• filmowanie wydarzenia

• automatyczna kontrola biletów

• kontrola ruchu ulicznego

• systemy bezpieczeństwa

Scenariusz IV: Monitoring miejski

• inteligentny dom

9

• monitoring pacjentów w szpitalu (sieci WBAN)• lokalizacja paczek, przesyłek (standard RFID)

Scenariusz V: Monitoring osób, obiektów

➙ Obiekt jest elementem sieci!

10

Bezprzewodowe sieci sensorowe WSN

Sieci niewielkich i prostych konstrukcyjnie urządzeń radiowych, które:

a) zbierają dane o otoczeniu,b) przesyłają je do centrum sieci,c) reagują na wydarzenia (*).

Podstawowe założenia: - długi czas pracy, - niska cena, - autonomiczność, skalowalność, adaptacja.

11

Pierwsze zastosowania

Wyspa GREAT DUCK - monitoring siedliska petreli burzowych, 2002.

12

Węzeł sieci – sensor

µC

RAM

Tx/Rx sensory

bateria

Pomiary:- temperatury- wilgotności- intensywności światła- ciśnienia- drgań sejsmicznych- zmian prędkości- pola magnetycznego

13

Zasilanie

- baterie- energia słoneczna - rozpad izotopów promieniotwórczych- wibracje mechaniczne

© Rene Elfrink, Holst Center, NL

© S. Tin, A. Lal, Cornell Univ., USA

impuls 5 mW co 3 minuty

85 (10) µW

14

Topologie sieci I

• sensory

• centrum kontrolne (sink) z dostępem do sieci zewnętrznych

• węzły referencyjne

• aktuatory

transmisje typu multi-hop

15

Topologie sieci II

• sensory

• centrum kontrolne (sink) z dostępem do sieci zewnętrznych

• węzły referencyjne

• aktuatory

organizacja sieci w klastry

16

Lokalizacja węzłów w sieci

ZAŁOŻENIE: adres sieciowy = pozycja

a) GPS

d) wpisanie pozycji

b) węzły referencyjne -> RSS, ToA, AoA

c) techniki typu fingerprinting

17

Protokoły wielodostępu – IEEE 802.15.4

1. Tryb BEACON-ENABLED ➙ siecią rządzi węzeł-koordynator:

...

Contention Access Period(CSMA/CA)

Contention Free Period (Granted Time Slots)

t

Beacon

2. Tryb NON BEACON-ENABLED ➙ brak szczelin przydzielonych przez koordynatora

Inactive Period

18

Ruting geograficzny

ZAŁOŻENIE:

Każdy węzeł w sieci zna swoją pozycję oraz pozycję najbliższego centrum kontrolnego.

(np. wykorzystując algorytm lokalizacji)

ZALETY:

• skalowalność• odporność na awarie sieci• oszczędność energii

19

Greedy routing

C. KONTROLNE

A

B

Spośród węzłów sąsiednich wybierz ten najbliższy centrum kontrolnemu.

?

20

Face routing

A

F1F2

F3F5

F4

F9

F8

F7

F6

• pakiety przekazywane są między obszarami Fn, w kierunku centrum kontrolnego

• protokół gwarantuje dostarczenie wiadomości do centrum kontrolnego

• konieczna jest planaryzacja sieci – usunięcie krzyżujących się łączy

C. KONTROLNE

21

Architektura sieci

... do ROZPROSZONEJ i AUTONOMICZNEJ.

Od sieci SCENTRALIZOWANEJ...

22

Wireless Sensor and Actuator Networks

Sieci zawierające węzły-aktuatory zdolne do reakcji:

23

Standardy telekomunikacyjne

IEEE 802.15: Wireless Personal Area Networks - IEEE 802.15.4: Low Rate WPANs

- warstwy fizyczna i MAC- częstotliwości: 868/915 i 2450 MHz- szybkość transmisji do 250 kbit/s- dwa możliwe mechanizmy dostępu do kanału radiowego:

• contention based• contention free

ZigBee: stowarzyszenie firm, instytucji, jednostek badawczych - zdefiniowanie warstwy sieci i aplikacji - określenie m.in. protokołu rutingu (Ad hoc On demand Distance Vector), mechanizmów tworzenia sieci, przyjmowania nowych węzłów, konfigurowani urządzeń

TinyOS: system operacyjny dla sieci WSN, otwarty kod źródłowy

Ewolucja: WSNs ➙ Internet of Things

INTERNET RZECZY

RFID

sieci WSN

machine-to-machine mobilny

Internet

heterogeniczna sieć urządzeń

samoorganizacja,autonomia

decyzji i działań

skala: od mikrochipów

do maszyn przemysłowych

Internet rzeczy (Internet of Things)

R. Du, P. Santi, M. Xiao, A. Vasilakos, C. Fischione, "The sensable city: A survey on the deployment and management for smart city monitoring", IEEE Communications Surveys & Tutorials 2019

Internet Rzeczy (Internet of Things)- Machine-to-Machine M2M- Device-to-Device D2DDane/przewidywania:

- 6.5 miliarda urządzeń w 2016- 21 miliardów w roku 2020

(wzrost wykładniczy)

Wyzwania:⬆ ilość i różnorodność danych (problemy typu Big Data)⬆ zużycie energii⬆ gęstość urządzeń na komórkę sieci

• dotychczasowe technologie:krótkie dystanse (Bluetooth, 802.15.4)

© martechtoday.com

Technologie dla IoT

LoRaWAN:- standaryzowane przez LoRa Alliance- pasma ISM: 433, 868 i 915 MHz- chirp spread spectrum, MAC: Aloha- moc nadawcze: 14-27 dBm, czułość odbiorników: do -134 dBm- zasięg: do 15 km (miasto: do 5 km)- przepustowość: 0.3 – 100 kbit/s- topologia: gwiazda- żywotność baterii: do 10 lat

NarrowBand-IoT:- standaryzowane przez 3GPP- pasma sieci komórkowych, głównie < 1 GHz- ultra narrowband (pasmo 180 kHz), powtórzenia, QPSK- moc nadawcze: 20-23 dBm, czułość odbiorników: do -141 dBm- zasięg: do 35 km (tylko infrastruktura sieci)- przepustowość: ~50 kbit/s- topologia: gwiazda- żywotność baterii: do 10 lat

Inne rozwiązania:- SigFox, DASH7, 6TiSCH (IETF + 802.15.4), LTE-M (3GPP), 802.11ah (IEEE)

H. Wang, A. Fapojuwo, "A Survey of Enabling Technologies of Low Power and Long Range Machine-to-Machine Communications", IEEE Communications Surveys & Tutorials 2017

W. Ayoub, A. Samhat, F. Nouvel, M. Mroue, J-C. Prevotet, "Internet of Mobile Things: Overview of LoRaWAN, DASH7, and NB-IoT in LPWANs standards and Supported Mobility", IEEE Communications Surveys & Tutorials 2018

28

Dziękuję za uwagę!