Ongeveer 4600 miljoen mensen zijn verbonden met het internet via hun mobiele telefoons. Voor elk van hen zijn er meer dan drie apparaten die communiceren met het netwerk. Het internet der dingen (IoT) bestaat uit een groeiend aantal verbonden objecten: vandaag de dag zijn het er 15 miljard en aan het einde van het decennium zullen het er 30 miljard zijn. Van auto’s tot irrigatiesensoren, via weerstations op afgelegen locaties of autonome drones, IoT opent een eindeloze reeks nieuwe mogelijkheden voor communicatie en gegevens. Maar het heeft ook aanzienlijke obstakels te overwinnen.
Een van de grootste barrières is hoe objecten te verbinden met het internet op plaatsen waar geen mobiele netwerkinfrastructuur is. Het antwoord lijkt te liggen in lage aardbaan (LEO) satellieten (LEO, naar haar Engelse afkorting), hoewel de oplossing niet vrij is van haar eigen uitdagingen. Een nieuwe studie, geleid door twee onderzoekers van de Open Universiteit van Catalonië (UOC), Guillem Boquet en Borja Martínez, van de groep Wireless Networks (WINE), van het Internet Interdisciplinary Institute (IN3), analyseert hoe de coördinatie tussen de miljarden verbonden objecten op het aardoppervlak en de satellieten die door onze atmosfeer circuleren, te verbeteren.
De belangrijkheid van satellieten voor IoT
De explosieve groei van het internet der dingen in het afgelopen decennium heeft innovatie in zeer diverse gebieden gestimuleerd, van logistiek of slimme steden tot landbouw of maritiem vervoer. De IoT-revolutie is grotendeels ondersteund door de efficiëntie van zogenaamde low-power wide-area networks (LPWAN) en de voor mobiele telecommunicatie gebouwde terrestrische infrastructuur. Maar deze zeer effectieve oplossing heeft een grijs gebied: hoe IoT-apparaten te verbinden op afgelegen plaatsen en in landelijke gebieden waar geen dergelijke infrastructuur bestaat.
In de afgelopen jaren zijn LEO-satellietconstellaties naar voren gekomen als een alternatieve oplossing die de beperkingen van terrestrische netwerken oplost. “LEO-satellieten zijn bijzonder relevant voor IoT aangezien ze minder zendvermogen vereisen om betrouwbare communicatie te bereiken omdat ze dichter bij de aarde zijn. Dit stelt apparaten in staat om energie te besparen, de levensduur van de batterij te verlengen en onderhoudskosten te verminderen”, legt Guillem Boquet uit. “Onder andere voordelen, het inzetten van een satelliet in lage baan heeft aanzienlijk lagere kosten, wat het mogelijk maakt om connectiviteitsdiensten aan te bieden tegen meer gepaste prijzen voor de IoT-context.”
Bovendien bieden LEO-satellieten – zoals de Starlink van SpaceX, Eutelsat’s OneWeb of het Kuiper-project van Amazon – een veel lagere latency (de vertraging tussen communicatie) dan geostationaire satellieten, hebben veel meer satellieten in gebruik en een bredere dekking, hun inzet tijd is veel korter en ze zijn geschikt voor communicatie in tal van sectoren. Echter, hun gebruik voor IoT is ook niet zonder uitdagingen.
De uitdagingen van het gebruik van satellietconstellaties voor IoT
Het gebruik van satellieten als onderdeel van het IoT-netwerk heeft zijn eigen barrières. Sommige zijn gerelateerd aan de ontwikkeling van de industrie zelf (de inzet van megaconstellaties van satellieten om continue dekking te garanderen lijkt op korte termijn onwaarschijnlijk vanwege de lage rentabiliteit in de IoT-context), en andere hebben te maken met beperkingen die voortvloeien uit het ontwerp van de technologie zelf, zoals de verhoogde kans op interferentie tussen communicatie, de beperkingen in energiegebruik door IoT-apparaten en de moeilijkheden om de werkcycli van de IoT-apparaten te synchroniseren met de intervallen waarin satellietcommunicatie beschikbaar is.
“IoT-apparaten werken normaal op batterijen en hebben activiteitscycli om zichzelf te activeren en uit te schakelen op regelmatige intervallen, met als doel energie te besparen. Deze periodieke activiteitscycli zijn gebruikelijk in terrestrische communicatie en zelfs gestandaardiseerd. Maar LEO-constellaties bieden geen continue dekking, dus de communicatievensters zijn onregelmatig en van korte duur,” zegt Guillem Boquet. “Dit maakt het noodzakelijk om meer geavanceerde synchronisatiestrategieën te ontwikkelen, die betrouwbare communicatie garanderen en toegang bieden tot de connectiviteitsmogelijkheden die het satellietnetwerk biedt.”
Hoe de synchronisatie tussen satellieten en IoT-apparaten te verbeteren?
De energiebesparende modi van IoT-apparaten, die bepalen wanneer het IoT-apparaat energie kan besparen en zijn autonomietijd kan verlengen door in rust te zijn, zijn gebaseerd op periodieke tijden. Maar dit komt niet overeen met hoe satellietconstellaties werken. Om de behoeften van de verbonden objecten te synchroniseren met de bereikbaarheidstijden van de LEO-satellieten, is het noodzakelijk om te kunnen voorspellen waar elke satelliet zal zijn en wanneer het communicatievenster open zal zijn.
“De oplossing die we voorstellen bestaat uit de synchronisatie van de transmissiebehoeften van de IoT-applicatie en de communicatie van het netwerk met de momenten waarop de satelliet bereikbaar zal zijn. De basis van deze synchronisatie ligt in het kunnen voorspellen van deze momenten door middel van een model van de satellietbaan, vanuit een bekend startpunt”, legt Guillem Boquet uit. “Het maken van voorspellingen heeft echter een energiekost, aangezien het periodieke rekenoperaties vereist en de update van het voorspellingsmodel wanneer deze afwijkt van de werkelijkheid.”
De oplossing ontwikkeld door de onderzoekers van UOC werd getest met een real-life communicatiegeval met de nanosatelliet Enxaneta, de eerste satelliet van de Generalitat de Catalunya binnen het NewSpace-project. De resultaten waren veelbelovend: het verbetert de satelliettoegangsratio tot maar liefst 99 % en garandeert op lange termijn toegang tot het netwerk, terwijl het energieverbruik van het apparaat wordt geminimaliseerd.
“De volgende stappen zijn om de kosten en baten van het implementeren van deze oplossing te analyseren, rekening houdend met verschillende toepassingen, service netwerken, soorten satellietconstellaties, IoT-apparaten en communicatietechnologieën, en het voorstellen en implementeren van energiebesparende modi die zich automatisch aanpassen aan de communicatie-eisen en de veranderende voorwaarden van niet-terrestrische netwerken”, concludeert de onderzoeker.
Gerelateerd artikel
Bron: Boquet, G.; Martínez, B.; Adelantado, F.; Pagès, J.; Ruiz-de-Azua, J. A. y Vilajosana, X. Low-Power Satellite Access Time Estimation for Internet of Things Services Over Nonterrestrial Networks. In: IEEE Internet of Things Journal. Vol. 11, no. 2, pp. 3206—3216, 15 januari 2024, doi: 10.1109/JIOT.2023.3298017.
Persbericht van UOC van Guillem Boquet, Onderzoeker bij de groep Wireless Networks (WINE), van het IN3 van de UOC en Borja Martínez, Onderzoeker bij de groep Wireless Networks (WINE), van het IN3 van de UOC.
