Efektivní síť mezi Internetem věcí a satelity

Výzkumníci z UOC (Katalánské univerzity) studují nový model pro synchronizaci potřeb zařízení Internetu věcí (Internet of Things, IoT) s dobou přístupu k satelitům pro satelity na nízké oběžné dráze Země, jako je Starlink. Nová metoda navrhovaná pro synchronizaci zařízení IoT a satelitů má vyšší energetickou účinnost.

Celkem 4, 6 miliardy lidí je prostřednictvím mobilních telefonů připojeno k internetu. Pro každého z těchto lidí existují více než tři zařízení komunikující s internetem. Internet věcí (IoT) je složen ze všech připojených objektů - a stále roste. Očekává se, že z dnešních 15 miliard zařízení vzroste počet do konce desetiletí na 30 miliard. IoT, který zahrnuje objekty od automobilů po zavlažovací senzory, meteorologické stanice na odlehlých místech či autonomní drony, otevírá nespočet nových příležitostí pro komunikaci a data. Čelí však také značným překážkám.

Jednou z hlavních překážek je, jak připojit objekty k internetu v místech, kde není infrastruktura mobilní sítě. Zdá se, že odpověď spočívá v použití satelitů na nízké oběžné dráze Země (LEO). Nová studie pod vedením Guillema Boqueta a Borji Martínezové, dvou badatelů z Universitat Oberta de Catalunya (UOC), zkoumala možné způsoby, jak zlepšit koordinaci mezi miliardami propojených objektů na povrchu Země a satelity na oběžné dráze.

Význam satelitů pro IoT

Exponenciální růst internetu věcí během posledního desetiletí podpořil inovace ve velmi různorodých oblastech od logistiky po chytrá města, po zemědělství a lodní dopravu. Revoluce IoT byla do značné míry umožněna účinností toho, co je známé jako nízkoenergetické, širokoplošné sítě (LPWAN) a pozemní infrastruktury vybudované pro mobilní telekomunikace. Navzdory své velké účinnosti však toto řešení trpí nevyřešeným problémem: jak propojit zařízení IoT ve vzdálených lokalitách a venkovských oblastech, kde tato infrastruktura není dostupná.

Družicové konstelace LEO se v posledních letech objevily jako alternativní řešení schopné překonat omezení pozemních sítí. „Satelity LEO jsou zvláště důležité, pokud jde o IoT, protože vzhledem k tomu, že jsou blíže Zemi, potřebují méně vysílacího výkonu, aby dosáhly spolehlivé komunikace. To znamená, že zařízení mohou ušetřit energii, prodloužit životnost baterie a ušetřit náklady na údržbu, apod." řekl Guillem Boquet. "Nasazení satelitu na nízké oběžné dráze je podstatně levnější, což znamená, že služby konektivity lze poskytovat za ceny, které jsou pro IoT rozumnější."

Kromě toho satelity LEO, jako jsou např. satelity SpaceX Starlink a Eutelsat OneWeb a projekt Kuiper společnosti Amazon , umožňují mnohem nižší latenci (zpoždění mezi komunikacemi) než geostacionární satelity. Je možné mít v provozu mnohem více satelitů a větší pokrytí a jsou vhodné pro použití v komunikacích v mnoha odvětvích. Využití této možnosti pro IoT však přináší své vlastní problémy.

 Problémy používání satelitních konstelací pro IoT

Některé se týkají rozvoje tohoto odvětví (je nepravděpodobné, že bychom byli schopni nasadit mega satelitní konstelace, abychom zajistili nepřerušené pokrytí v krátkodobém horizontu kvůli jejich nízké nákladové efektivitě při použití pro IoT), a jiné se týkají omezení spojených se způsobem, jakým byla navržena samotná technologie - např. zvýšená pravděpodobnost rušení komunikací, omezení týkající se využívání energie zařízeními IoT a potíže spojené se synchronizací pracovních cyklů těchto zařízení s intervaly dostupnosti satelitní komunikace.

„Zařízení IoT jsou většinou napájena baterií a mají pravidelné intervaly "spánku a buzení", aby se ušetřila energie. Tyto pravidelné pracovní cykly se běžně používají v pozemních komunikacích, kde jsou dokonce standardizovány. Protože však konstelace LEO neposkytují nepřetržité pokrytí, budete mít krátká, nepravidelná komunikační okna" řekl Guillem Boquet. "Musíme proto vyvinout pokročilejší synchronizační strategie, abychom zajistili spolehlivou komunikaci a přístup k příležitostem, které poskytuje satelitní síť." 

Jak zlepšit synchronizaci mezi satelity a zařízeními IoT

Režimy úspory energie v zařízeních IoT založené na dobách"režimu spánku", spoléhají na pravidelná období. Ale takhle satelitní konstelace nefungují. Chcete-li synchronizovat potřeby připojených objektů s časy přístupu k satelitu LEO, musíte být schopni předpovědět, kde bude každý satelit a kdy se otevře komunikační okno. „Naším navrhovaným řešením je synchronizovat přenosové potřeby aplikace IoT a komunikační potřeby sítě na jedné straně s dobou dostupnosti satelitu na straně druhé. Tato synchronizace je založena na schopnosti předpovídat tyto časy pomocí modelu orbitální dráhy satelitu, počínaje známým počátečním bodem," řekl Guillem Boquet. "Vytváření předpovědí má však z hlediska energie také své náklady, protože vyžaduje provádění pravidelných výpočtových operací a aktualizaci předpovědního modelu, pokud se od skutečné situace odchyluje."

Testování bylo úspěšné

Řešení vyvinuté výzkumníky z UOC bylo testováno v reálné komunikační situaci s nanosatelitem Enxaneta, prvním satelitem nasazeným vládou Katalánska v rámci jejího projektu NewSpace. Výsledky byly slibné:  zajištění dlouhodobého přístupu k síti při minimalizaci spotřeby energie zařízení se zlepšilo až o 99 %. Dalšími kroky je dokončení analýzy nákladů a přínosů implementace řešení s přihlédnutím k různým aplikacím, servisním sítím, typům družicové konstelace, zařízením IoT a komunikačním technologiím; a poté navrhnout a zavést režimy úspory energie, které se automaticky  přizpůsobí komunikačním potřebám a měnícím se podmínkám nepozemských sítí.

 Zdroj: Boquet, Martinez, B.; Adelantado, Stránky, J.; Ruiz-de-Azua, JA a Vilajosana, Odhad doby přístupu k satelitu s nízkou spotřebou pro služby internetu věcí přes nepozemské sítě. V: IEEE Internet of Things Journal. Vo 11, 2, 3206-3216, 15. ledna 2024, doi: 10.1109/JIOT.2023.3298017.

(Tento výzkum podporuje cíl OSN pro udržitelný rozvoj (SDG) 9: Vybudovat odolnou infrastrukturu, podporovat udržitelnou industrializaci a podporovat inovace.)

Katalánská univerzita (UOC)

Přes 500 výzkumných pracovníků a více než 50 výzkumných skupin pracuje na sedmi fakultách UOC, jejím výzkumném programu eLearning a jejích dvou výzkumných centrech: Internet Interdisciplinary Institute (IN3) a eHealth Center (eHC). Univerzita také rozvíjí inovace online učení ve svém inovačním centru eLearning (eLinC), a také komunitní podnikání a přenos znalostí přes platformu Hubbik .

Více informací: research.uoc.edu