Internet věcí IoT (Internet of Things) začíná hrát již dnes významnou úlohu v našem osobním životě i v životě celé společnosti. Uplatňuje se především v prostředí chytrých domů (SH – Smart Home) a měst (SC – Smart City), dále ve sféře energetiky (SG – Smart Grid), zdravotní péče (IoMT – Internet of Medical Things), dopravy (Fleet Management, Connected Car atd.), automatizovaného průmyslu (Industry 4.0 s podporou IIoT, tj. Industrial IoT) a v řadě dalších důležitých oborů. Systém IoT se obecně skládá, bez ohledu na své velice různorodé aplikace, ze šesti základních stavebních bloků (entit), uvedených na obr. 1. Tyto bloky mohou být ve skutečnosti propojeny vzájemně „každý s každým“, čímž vytvářejí strukturu podobnou komunikačním sítím typu „mesh“ (síťovina). Navíc jsou napojeny na klasický internet, takže využívají jeho – dnes už prakticky globálního – rozšíření. Dále je ale podrobně probírán jen blok „communication“, řešící konektivitu mezi zobrazenými entitami. Popis je zaměřen pouze na rádiové prostředky, které v říši IoT převládají, i když se zde v praxi objevují také metalické či optické spoje. (Pozn.: V tomto článku se používají pro zjednodušení ve stejném smyslu termíny „rádiový prostředek“, „rádiová síť“ a „rádiový systém“, přestože jsou mezi nimi určité významové rozdíly.) Obec né požadavky na pozemní radiokomunikační prostředky a jejich klasifikace Veřejné pozemní mobilní sítě PLMN (Public Land Mobile Networks), které už řadu let běžně používáme, jsou primárně určeny pro širokopásmovou bezdrátovou personální komunikaci HTC (Human Type Communication), v níž se usiluje hlavně o dosažení co nejvyšší individuální přenosové bitové rychlosti a také celkové propustnosti systému. Tyto parametry potom umožňují zvládat stále rychlejší datové přenosy a náročná multimédia, rychlý bezdrátový internet apod. V internetu věcí se naproti tomu uplatňuje především komunikace strojového typu MTC (Machine Type Communication), označovaná též jako komunikace M2M (Machine to Machine), která probíhá automaticky, bez přímé spoluúčasti člověka. Na tuto kategorii jsou ale kladeny zcela odlišné požadavky. Sítě MTC jsou charakterizovány velkým počtem koncových terminálů, který v globálním měřítku již v roce 2018 přesáhne počet všech mobilních telefonů (smartphonů, tabletů apod.), a tento početní náskok se bude v budoucnu rychle zvětšovat. Tyto terminály jsou však v porovnání s konvenčními mobilními telefony obvykle podstatně jednodušší, neboť nepotřebují klávesnici ani displej, odpadají u nich různé „komfortní“ doplňky (fotoaparát, kalkulačka, navigace a další), u fixních terminálů např. nejsou zapotřebí obvody pro předávání (handover). V nejjednodušším provedení tedy obsahují jen transceiver (rádiový vysílač a přijímač) a základní obvody pro specifické funkce. Potom mohou mít velmi malé rozměry a hmotnost, řádově stejné, jako mají moderní paměti flash. Jejich cena by neměla překročit 5 až 10 USD (obr. 2). Sítě MTC zpravidla vystačí s velmi nízkou přenosovou rychlostí a časově nespojitým přenosem, kdy malé objemy dat jsou střídány dlouhými pasivními intervaly. V určitých kritických aplikacích, jako jsou např. automobily s autonomním řízením, je však naopak žádoucí co nejspolehlivější kontinuální přenos s co nejnižší latencí, často i pod 1 ms. U nepřístupných koncových terminálů se běžně vyžaduje dlouhodobá činnost bez výměny baterií, po dobu 5 až 10 let. Tyto terminály se leckdy nacházejí v zastíněných lokalitách (sklepy, komunální kanály apod.), kde může být minimální výkon přijímaného signálu až o 20 dB (tj. stokrát) nižší než u klasických mobilních telefonů, což je nutné při jejich návrhu také respektovat. S uvedenými požadavky se však soudobé sítě MTC již úspěšně vyrovnávají. Je to především díky podstatně menší šířce pásma rádiových kanálů, speciálním metodám úspory napájecích příkonů koncových terminálů, účinnějším algoritmům ochranného kódování (turbo kódy apod.), technikám opakování přenosu ARQ (Automated Repeat Query) i složitějším anténním systémům MAS (Multiple Antenna Systems). V současnosti existuje již několik desítek rozličných radiokomunikačních prostředků vhodných pro zajištění konektivity v rámci IoT. Ty lze dělit do dvou základních tříd: první jsou upravené klasické rádiové systémy pro veřejnou pozemní komunikaci, druhou pak speciální jednoúčelové (proprietární) rádiové prostředky. Upravené veřejné rádiové systémy Klasické veřejné pozemní mobilní systémy PLMN byly původně určeny pro komunikaci HTC, takže pro komunikaci MTC s odlišnými požadavky je nezbytné je modifikovat nebo vytvořit jejich nové MTC varianty (dvojníky). V některých případech úpravy spočívají pouze v upgradingu softwaru, většinou však jsou nutné i určité hardwarové zásahy. Výchozí HTC systémy zahrnují sítě personálního a lokálního typu (Bluetooth, WiFi, ZigBee apod.), dále metropolitní a regionální sítě s větším dosahem (WiMAX a WRAN) a konečně i celoplošné buňkové sítě všech generací, tedy síť GSM/2G, dále UMTS-HSPA/3G, a zejména síť LTE/4G, perspektivně ovšem také síť 5G. V současnosti už většina z uvedených veřejných sítí HTC má svého komplementárního dvojníka, určeného pro IoT. Tak např. u personální sítě Bluetooth je to verze BLE (Bluetooth Low Energy), rodina lokálních sítí řady IEEE 802.11 má nové přírůstky IEEE 802.11 ah/p („WiFi pro IoT“), u buňkové sítě LTE se objevují verze MTC-LTE a NB- -IoT (Narrow Band IoT) atd. V případě původních buňkových sítí i jejich MTC variant se využívají licencovaná frekvenční pásma, která jim zaručují ochranu před interferencemi, a tím i vysokou spolehlivost přenosu. Spec iální jednoúčelové rádiové sítě Tyto sítě, označované též jako proprietární, jsou určeny právě jen pro aplikace v IoT. Často pracují v bezlicenčních frekvenčních pásmech ISM (Industrial, Scientific, Medicine), hlavně v okolí 860 MHz a 2,4 GHz, ale i v řadě dalších segmentů spektra. Tato pásma jsou sice snadno dostupná, avšak negarantují ochranu před rušením. Pořizovací cena i provozní náklady proprietárních sítí však bývají nízké. Z této kategorie se v ČR intenzivně budují např. sítě LoRa (České Radiokomunikace) a Sigfox (společnost SimpleCell spolu s operátorem T-Mobile). Přehled nejdůležitějších pozemních radiokomunikačních sítí vhodných pro IoT Na obr. 3 je uveden přehled nejdůležitějších radiokomunikačních prostředků optimalizovaných pro různé aplikace v internetu věcí. Ty jsou zde děleny podle základního prostorového dosahu, tj. maximální dosažitelné vzdálenosti mezi vysílačem a přijímačem, do pěti tříd. Dosah ovšem výrazně závisí na charakteru daného prostředí (typu zástavby, vegetaci apod.), na mobilitě koncových terminálů a koncepci použitých antén. Je ale také ovlivňován formátem modulace, resp. mnohonásobného přístupu, a způsobem ochrany přenosu, které si systémy MTC často adaptivně volí podle okamžité kvality rádiového kanálu. Z tohoto důvodu se údaje o tomto parametru, uváděné v různých odborných pramenech, značně liší. V obrázku je naznačeno ještě další, již zmíněné generické členění sítí pro IoT, rozeznávající upravené veřejné rádiové sítě (vpravo) a speciální jednoúčelové proprietární sítě (vlevo). Shrnutí Upravené veřejné rádiové sítě, určené pro aplikace v IoT (MTC), jsou technologicky blízké svým mateřským sítím pro komunikaci HTC a mohou s nimi alespoň částečně sdílet již léta budovanou dokonalou fixní infrastrukturu i frekvenční pásma. V případě buňkových systémů to jsou pásma licencovaná, která potom mohou zaručit splnění parametrů systému kvality služeb QoS (Quality of Services). Jednoúčelové proprietární rádiové sítě jsou určeny výhradně pro aplikace v IoT (MTC), a proto je možné je pro toto využití již při počátečním návrhu optimalizovat. K jejich uvedení do praxe je však nutné nejprve vybudovat příslušnou infrastrukturu. Jelikož používají většinou bezlicenční pásma, je u nich někdy obtížné splnit některé ukazatele systému kvality služeb QoS. Jejich provoz je však levný a je vázán v podstatě pouze na oznamovací povinnost národnímu regulačnímu orgánu (ČTÚ). Jak je patrné, pro určitou kategorii prostorového dosahu existuje více konkurenčních rádiových systémů, jež se vzájemně liší přenosovými rychlostmi, výkonovou spotřebou, možností připojení různých periférií přes internet, interoperabilitou, pořizovacími a provozními náklady a dalšími parametry. Optimální volba potom závisí hlavně na zamýšleném použití (typu koncových zařízení), ale i na řadě dalších faktorů, takže není vůbec jednoduchá. Závěr Přestože v průmyslově vyspělých zemích se začíná internet věcí doslova explozivně rozvíjet, je v našem domácím prostředí fundované povědomí o tomto fenoménu dnešní doby leckdy velmi slabé, a to dokonce i u řady odborníků ze světa informačních a komunikačních technologií (ICT). Jeho nástup potom může mnohé z nás zaskočit. Tuto situaci je proto žádoucí radikálně měnit s podporou všech možných vzdělávacích prostředků a s využitím nejrůznějších informačních médií. Tím spíše, že společenské klima je u nás pro tyto aktivity příznivé. Tak například naši nejvyšší státní představitelé považují rozvoj průmyslu formou Industry 4.0 s podporou IoT za jednu z nejdůležitějších domácích priorit (viz nedávná návštěva prezidenta republiky a premiéra v Českém institutu informatiky, robotiky a kybernetiky ČVUT, ale i návštěva německé kancléřky v srpnu loňského roku tamtéž). doc. Ing. Václav Žalud, CSc., FEL ČVUT
