Na najnowsze funkcjonalności Internetu Rzeczy (IoT – Internet of Things), a w szczególności Przemysłowego Internetu Rzeczy (IIoT – Industrial Internet of Things), można spojrzeć z perspektywy korzyści dla energetyki, w tym w szczególności dla operatora sieci dystrybucyjnej.
W artykule pojawia się zestaw nowych akronimów, z których słynie branża telekomunikacyjna, ale bez znajomości specjalistycznej nomenklatury trudno poruszać się w świecie współczesnej łączności.
W ciągu ostatniej dekady organizacja 3GPP wprowadziła zmiany (Release 10 do Release 18), które są przydatne dla IoT/IIoT. Większość z nich dotyczy sieci 5G/NewRadio, który został znacznie usprawniony wobec 4G/LTE. Główne zmiany obejmują optymalizację zużycia energii oraz zaawansowane metody oszczędzania baterii. W poprzednim artykule wspomniano też o nowej kategorii urządzeń RedCap (Reduced Capability) lub też NR-Light (Release 17 i Release 18).
| Urządzenia ubieralne Wearebles) | Przemysłowe bezprzewodowe sensory | Systemy nadzoru wizyjnego | |
| Szacowana wymagana przepustowość (data rate) | 5-50 Mbps dla DL (downlink) oraz 2-5 Mbps dla UL (uplink)* | 2 Mbps | 2-4 Mbps dla wideo z kompresją 7-25 Mbps dla wide o wysokiej jakości |
| Opóźnienie | – | 100 ms | 500 ms |
| Dostępność | – | 99.9% | 99-99.9% |
| Oczekiwany czas zasilania bateryjnego | Od kilku dni aż do 1-2 tygodni | Co najmniej kilka lat | – |
| *Sporadycznie urządzenia wearables mogą wymagać szczytowej przepustowości do 150 Mbps dla DL oraz do 50 Mbps dla UL | *Sporadycznie urządzenia wearables mogą wymagać szczytowej przepustowości do 150 Mbps dla DL oraz do 50 Mbps dla UL | *Sporadycznie urządzenia wearables mogą wymagać szczytowej przepustowości do 150 Mbps dla DL oraz do 50 Mbps dla UL | *Sporadycznie urządzenia wearables mogą wymagać szczytowej przepustowości do 150 Mbps dla DL oraz do 50 Mbps dla UL |
RedCap został zaprojektowany z myślą o trzech głównych kategoriach zastosowań: urządzenia ubieralne (wearables), przemysłowe bezprzewodowe sensory oraz systemy nadzoru wideo. Każda z tych kategorii ma specyficzne wymagania dotyczące przepustowości danych, opóźnień, niezawodności oraz żywotności baterii (więcej na poniższej tabeli/ tabela nr 1)
Urządzenia wearables to inteligentne zegarki (smartwatches), urządzenia monitorujące stan zdrowia jak też gogle do wirtualnej (VR virtual reality) lub rozszerzonej rzeczywistości (AR Augumented reality).
Przemysłowe bezprzewodowe sensory to urządzenia, które są instalowane w miejscu, w którym klasyczna instalacja kablowa lub radiowa jest utrudniona lub nieopłacalna (np. brak możliwości zbudowania infrastruktury światłowodowej albo wręcz brak możliwości zapewnienia zasilania z sieci energetycznej). Najczęściej są to czujniki środowiskowe: czujniki ciśnienia, temperatury, ruchu, czujniki gazów lub oparów oraz akcelerometry, siłowniki, serwomechanizmy. Ta klasa urządzeń ma znacznie mniejsze wymagania wobec przepustowości, ale wymaga wysokiego stopnia niezawodności na poziomie 99,99 proc. i żywotności baterii liczonej wręcz w latach.
W specyfikacji urządzeń RedCap zmniejszono wymagania w zakresie maksymalnej przepustowości danych, min. poprzez obsługę mniejszego pasma pracy urządzenia (max do 20 MHz dla pasm z bloku FR1). Uproszczono konstrukcję antenową i zrezygnowano z większości złożonych (a przez to też energochłonnych) funkcjonalności MIMO i CA (szczegółowe wyjaśnienie w poprzednim artykule), co – jak się oczekuje 7 – spowoduje redukcję kosztów urządzenia do 65 proc. względem wersji „klasycznych”. Warto bowiem zauważyć, że wysoki koszt urządzeń 5G w porównaniu do urządzeń 4G/LTE zaczął stawać się hamulcem spowalniającym adaptację technologii 5G po stronie klientów.
Metody wydłużenia czasu zasilania bateryjnego
Od Release 15 dostępna jest funkcjonalność DRX (Discontinuous Reception), którą można tłumaczyć jako „tryb nieciągłego odbioru”. W telegraficznym skrócie, polega to na optymalizacji cyklów nadawania/odbioru. Po krótkim okresie ciągłej transmisji danych (co wymaga zwiększonego poboru prądu z urządzenia) następuje przerwa w transmisji danych, a urządzenie przechodzi w jeden z trybów energooszczędnych albo wręcz część układów zostaje „uśpiona” na określony czas.
Urządzenie z DRX okresowo nasłuchuje (co nie jest tak energochłonne jak nadawanie), czy są dla niego nowe wiadomości i następnie dostosowuje się do harmonogramu transmisji, który otrzyma od sieci 5G. Oczywiście usprawniono to rozwiązanie, a jego „nową” wersję nazwano eDRX (Extended Discontinuous Reception). eDRX został zaprojektowany jako odpowiedź na rosnące zapotrzebowanie na urządzenia IoT o ekstremalnie długiej żywotności baterii, które mogą działać przez lata bez wymiany źródła zasilania. Zmiany polegają na optymalizacji cyklów komunikacji (nadawania/odbioru) i wprowadzeniu dłuższych odstępów, od kilkudziesięciu sekund aż nawet do 10485,76 sekundy (około 3 godzin), co pozytywnie wpływa na czas pracy urządzenia zasilanego bateryjnie. Ta funkcjonalność jest szczególnie wartościowa dla sensorów monitorujących parametry środowiskowe, które mogą przesyłać dane tylko kilka razy dziennie.
PSM
Kolejną ciekawą funkcjonalnością jest tryb PSM (Power Saving Mode), to odmienna strategia oszczędzania energii, w którym urządzenia hibernuje się lub wyłącza, ale pozostają one zarejestrowane w sieci 5G – nie musi się logować do sieci po wybudzeniu. Urządzenie przed przejściem na PSM negocjuje z siecią 5G czas swojej niedostępności i sieć 5G wie, jakie są dostępne okna czasowe, kiedy urządzenie nasłuchuje poleceń od sieci, a kiedy jest wyłączone. Ten tryb głębokiego stanu uśpienia może trwać nawet do 413 dni (zależnie od operatora i konfiguracji), ale w tym czasie urządzenie okresowo nasłuchuje (w interwale wyznaczonym przez sieć 5G), czy są dla niego nowe komunikaty. Ten tryb dopasowany jest do urządzeń jak alarmy, inteligentne liczniki gazu/wody oraz inne sensory (np. detektory zapełnienia w kontenerach na śmieci).
Zdjęcie: Adobe Stock, Patrick Helmholz
WUS
Wake-Up Signal (WUS) pozwala urządzeniom pozostać w trybie niskiego poboru energii do momentu otrzymania sygnału wzbudzającego, znacząco redukując zużycie energii. Podstawowym celem WakeUp Signal jest wybudzanie urządzeń z ich energooszczędnych stanów uśpienia, tak aby mogły odbierać przychodzące dane bez potrzeby utrzymywania trybu połączenia o wysokim poborze energii. WUS jest szczególnie użyteczny dla aplikacji, w których urządzenia spędzają znaczną ilość czasu w stanie uśpienia lub bezczynności, takich jak urządzenia IoT, sensory i inne zasilane bateryjnie. Umożliwia tym urządzeniom pozostawanie połączonymi i otrzymywanie aktualizacji, minimalizując jednocześnie pobór energii. Sygnał „wybudzający” z sieci 5G transmitowany jest z niską przepustowością danych w porównaniu do typowej komunikacji danych o wysokiej przepływności, co przyczynia się do oszczędzania energii, a jednocześnie umożliwia poinformowanie urządzenia o przychodzących danych, w tym aktywowania transmisji danych o wysokiej przepływności.
Ambient IoT albo Passive IoT
Koncepcja Przemysłu 4.0 ( Industry 4.0) generuje duże zapotrzebowanie na masowe wdrażanie urządzeń IoT działających bez tradycyjnych źródeł zasilania. Ambient IoT to koncepcja, w której miliony tanich, pasywnych lub półpasywnych urządzeń (np. etykiety, czujniki) są wszechobecne w środowisku (opakowania, produkty, infrastruktura). Działa to na zasadzie zbliżonej do etykiet/ czujników RFID (Radio-Frequency Identification), które możemy spotkać w sklepach czy zakładach pracy do identyfikacji przedmiotów, śledzenia paczek i palet, automatycznej identyfikacji towaru, systemach dostępu (karta zbliżeniowa) albo chipach identyfikujących zwierzęta. RFID jest bardzo proste, natomiast Ambient IoT to kolejny krok w ewolucji RFID – nie tylko pozwala identyfikować obiekty, ale też umożliwia ich monitorowanie, lokalizowanie, a nawet interakcję z otoczeniem i to wszystko bez baterii lub przy ekstremalnie niskim zużyciu energii.
Ambient IoT obejmuje zarówno urządzenia energy harvesting z aktywną transmisją, jak i pasywnym trybem (backscattering), który polega na modulacji odbitych sygnałów. Energy harvesting to inaczej technika pasywnego pozyskiwania energii dla zasilania małych urządzeń elektronicznych, które pracują ze znikomą konsumpcją energii elektrycznej (na poziomie 1-100 μW).
Źródłem energii w energy harvesting może być:
- światło (fotowoltaika)
- ciepło (różnica temperatur – efekt Seebecka)
- drgania/nacisk/ruch(czujniki piezoelektryczne lub elektromagnetyczne)
- przepływ cieczy/gazów (mini-turbiny/ czujniki przepływu)
- energia fal radiowych.
Urządzenia mogą magazynować energię (mini-akumulator) albo też pracować bez magazynowania energii (bezakumulatorowy).
Pomysł na Ambiet-IoT pojawił się już w 3GPP Release 18 w tzw. study item i na poważnie jest omawiany w Release 19, z planami wdrożeń 2026+. 3GPP zakłada istnienie trzech typów urządzeń Ambient-IoT:
- Device A (pasywne urządzenia całkowicie bezakumulatorowe bez możliwości magazynowania energii),
- Device Type 1 (urządzenia o szczytowym poborze mocy około 1 μW z magazynowaniem energii),
- Device Type 2 (urządzenia o poborze mocy do kilkuset μW z magazynowaniem energii).
Przyszła sieci 5G wraz z AmbientIoT będzie zdolna obsługiwać ogromną liczbę urządzeń ze znikomą konsumpcją energii elektrycznej, co pozwoli na masowe wdrażanie inteligentnych rozproszonych systemów sensorowych w obszarach takich jak monitorowanie infrastruktury, inteligentne miasta (Smart City) czy przemysł 4.0 (Industry 4.0).
Nowoczesne technologie IoT, rozwijane w ramach standardów 3GPP, znacząco poszerzają możliwości zarządzania zasobami w energetyce. Dzięki funkcjonalnościom sieci 5G takimi jak RedCap, DRX/eDRX, PSM czy WUS można tworzyć systemy, które działają efektywnej w porównaniu do 4G/LTE i które są jednocześnie oszczędniejsze energetycznie. Skupiając się na specyficznych scenariuszach, w których tylko Ambient-IoT może wprowadzić realną wartość dodaną dla Operatorów Sieci Dystrybucyjnych (OSD), należy wskazać zastosowania, które:
- muszą działać bez okablowania (brak możliwości łatwego podłączenia do sieci zasilającej),
- wymagają minimalnej obsługi (praktycznie bez serwisowania),
- powinny być zainstalowane masowo (ekonomicznie uzasadnione tylko przy masowym wdrożeniu i bardzo niskim koszcie instalacji).
W takim kontekście kluczowe i unikalne dla Ambient-IoT zastosowania obejmują:
– monitorowanie linii napowietrznych i słupów energetycznych na obszarach trudno dostępnych
Problem: Regularne zasilanie urządzeń jest praktycznie niemożliwe, koszt poprowadzenia zasilania jest nieopłacalny.
Rozwiązanie Ambient-IoT: małe, pasywne czujniki (Device A) umieszczane masowo bezpośrednio na przewodach lub izolatorach, pozyskujące energię bezpośrednio z pól elektromagnetycznych wokół linii. Monitorują temperaturę przewodu, drgania, w tym upadek gałęzi na linie.
– diagnostykę stanu izolatorów i połączeń na liniach napowietrznych,
Problem: Brak technicznej możliwości podłączenia zewnętrznego zasilania (słupy 100kV bez dostępu do zasilania SN albo bez przekładników napięciowych). Izolatory umieszczone są na dużych wysokościach i w trudno dostępnych miejscach.
Rozwiązanie Ambient-IoT: Bezakumulatorowe sensory pozyskujące energię z pól elektromagnetycznych lub z fal radiowych sieci 5G. Mogą sygnalizować np. postępującą degradację izolacji lub mikropęknięcia.
– sensory monitorujące ugięcie i naprężenie przewodów linii energetycznych
Problem: Katastrofalne obciążenia takie jak szadź czy mokry śnieg zamarzający na liniach.
Rozwiązanie Ambient-IoT: Czujniki Device Type 1/2 mogą samodzielnie magazynować niewielkie ilości energii (np. z drgań lub energii pola elektromagnetycznego), stale monitorując stan naprężenia i ugięcia linii.
Bezakumulatorowe czujniki rozmieszczone masowo na przewodach i słupach umożliwiają ciągłe monitorowanie obciążenia i naprężenia konstrukcji bez konieczności dodatkowego zasilania lub serwisowania,
– czujniki środowiskowe i zagrożeń przy słupach na terenach leśnych lub zalewowych
Problem: Brak możliwości zasilania, a regularna obsługa (wymiana baterii) jest niepraktyczna ze względu na koszty dojazdu: odległość i trudne warunki terenowe.
Rozwiązanie Ambient-IoT: Pasywne sensory (Device A lub Type 1), monitorujące np. zagrożenie zalania, wzrost poziomu wilgotności czy też pożarowe (temperatura). Zasilane poprzez energy harvesting z otoczenia.
Krystian Górski
