Ewolucja: od sieci sensorowych do Internetu Rzeczy Paweł Kułakowski 1
Inspiracje I Stanisław Lem, NIEZWYCIĘŻONY - wydany w Polsce, 1964 - przetłumaczony na angielski, 1973. 2
Inspiracje II STAR WARS II THE EMPIRE STRIKES BACK w reżyserii George a Lucasa, 1980. 3
Trzy ery bezprzewodowe Przeszłość: Jedno urządzenie bezprzewodowe na każde tysiąc osób. Teraźniejszość: Jedno urządzenie bezprzewodowe na osobę. Przyszłość: Tysiąc urządzeń bezprzewodowych na osobę. R. Verdone, 2006 4
Scenariusz I: Trzęsienie ziemi 5
Scenariusz II: Pożar lasu 6
Scenariusz III: Śledzenie obiektów Operacje wojskowe: Ochrona dzikich zwierząt: 7
Scenariusz IV: Monitoring miejski kontrola ruchu ulicznego filmowanie wydarzenia raportowanie o zagrożeniu automatyczna kontrola biletów systemy bezpieczeństwa inteligentny dom 8
Scenariusz V: Monitoring osób, obiektów Obiekt jest elementem sieci! lokalizacja paczek, przesyłek (standard RFID) monitoring pacjentów w szpitalu (sieci WBAN) 9
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. 10
Pierwsze zastosowania Wyspa GREAT DUCK - monitoring siedliska petreli burzowych, 2002. 11
Węzeł sieci sensor Tx/Rx RAM C bateria sensory Pomiary: - temperatury - wilgotności - intensywności światła - ciśnienia - drgań sejsmicznych - zmian prędkości - pola magnetycznego 12
Zasilanie - baterie - energia słoneczna - rozpad izotopów promieniotwórczych - wibracje mechaniczne S. Tin, A. Lal, Cornell Univ., USA impuls 5mW co 3 minuty 85 (10) W Rene Elfrink, Holst Center, NL 13
Topologie sieci I sensory centrum kontrolne (sink) z dostępem do sieci zewnętrznych węzły referencyjne aktuatory transmisje typu multi-hop 14
Topologie sieci II sensory centrum kontrolne (sink) z dostępem do sieci zewnętrznych węzły referencyjne aktuatory organizacja sieci w klastry 15
Lokalizacja węzłów w sieci ZAŁOŻENIE: adres sieciowy = pozycja a) GPS b) węzły referencyjne -> RSS, ToA, AoA c) techniki typu fingerprinting d) wpisanie pozycji 16
Protokoły wielodostępu IEEE 802.15.4 1. Tryb BEACON-ENABLED siecią rządzi węzeł-koordynator: Beacon... t Contention Access Period (CSMA/CA) Contention Free Period (Granted Time Slots) Inactive Period 2. Tryb NON BEACON-ENABLED brak szczelin przydzielonych przez koordynatora 17
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 18
Greedy routing C. KONTROLNE Spośród węzłów sąsiednich wybierz ten najbliższy centrum kontrolnemu.? B A 19
Face routing konieczna jest planaryzacja sieci usunięcie krzyżujących się łączy F 9 C. KONTROLNE pakiety przekazywane są między obszarami F n, w kierunku centrum kontrolnego F 8 protokół gwarantuje dostarczenie wiadomości do centrum kontrolnego F 5 F 4 F 3 F 6 F 7 F 1 F 2 A 20
Architektura sieci Od sieci SCENTRALIZOWANEJ...... do ROZPROSZONEJ i AUTONOMICZNEJ. 21
Wireless Sensor and Actuator Networks Sieci zawierające węzły-aktuatory zdolne do reakcji: 22
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 23
Ewolucja: WSNs Internet of Things RFID sieci WSN machineto-machine mobilny Internet INTERNET RZECZY 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", accepted for IEEE Communications Surveys & Tutorials
Internet Rzeczy (Internet of Things) Dane/przewidywania: - 6.5 miliarda urządzeń w 2016-21 miliardów w roku 2020 (wzrost wykładniczy) - Machine-to-Machine M2M - Device-to-Device D2D 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 ", accepted for IEEE Communications Surveys & Tutorials
Dziękuję za uwagę! 28