Wi-SUN — протокол, созданный для «умных» городов

Введение

В связи с глобальной потребностью в повышении устойчивости инфраструктуры городов, сокращении выбросов парниковых газов и уменьшении отходов, а также в эффективном использовании ресурсов, города по всему миру превращаются в «умные» города. Разработанные с основной целью улучшения функционирования городской инфраструктуры и повышения общего качества жизни жителей, «умные» города — это городские районы, использующие для эффективного управления городскими активами, ресурсами и услугами достижения «Интернета вещей» (Internet of Things, IoT). «Умные» города оцифровывают все стороны современной жизни, включая коммунальные услуги, работу различных служб, управление движением и общественным транспортом, а также сети водоснабжения и канализации.

Ключевой движущей силой повсеместного интереса к преобразованию обычных городов в «умные» является быстро растущее население. Причем эта тенденция наблюдается во всем мире. Каждую неделю примерно 1,3 млн человек переезжают из сельских в городские районы, и ООН прогнозирует [2], что к 2050 году внушительное число (до 68%) всего населения мира будет жить в городских центрах. Однако такой рост городского населения оказывает огромное давление на инфраструктуру, а города, в свою очередь, наносят значительный ущерб окружающей среде и большими темпами поглощают наши небезграничные природные ресурсы.

Разработка решений, ориентированных на человека и окружающую среду

Основу технологического арсенала «умных» городов составляют Интернет и системы связи. Благодаря большему числу датчиков и возможностей подключения на местах, а также большему количеству алгоритмов, работающих в центрах обработки данных, неизбежным результатом будет более разумный и эффективный процесс принятия решений.

Однако следует с осторожностью подходить к такому видению «умных» городов и избегать сосредоточения внимания только на технологическом аспекте каждой имеющейся проблемы. Не надо забывать, что проекты «умных» городов должны и уже пытаются решить очень сложные человеческие проблемы. Города — это взаимосвязанная сеть инфраструктуры, организаций и их населения. Как и в случае любой органической сложной системы, ее доминирующим свойством является ее сложность, а не подразделения или субъекты.

Как было обнаружено пионерами экологии XX века, такие сложные системы (например, колонии муравьев, верхний слой почвы или американские выборы), чтобы получить наилучшие результаты, следует рассматривать как некое единое целое. Взаимодействие лишь с какой-то изолированной частью этого целого или ее изменение редко приводит к улучшению всей системы. Другими словами, слепое использование новых технологий в сложных городских реалиях в лучшем случае не гарантирует их разрешения, а в худшем — может принести больше вреда, чем пользы. Нужно помнить, что город — это сеть взаимосвязанных сущностей, это социальный организм огромного масштаба.

Таким образом, более конструктивный подход к «умным» городам начинается с понимания и признания всей городской системы как целостной системы. Если проблема будет решена без учета ее экологии, это может привести к дальнейшим, еще более серьезным проблемам. Например, город может стремиться сократить выбросы парниковых газов, сделав свои электрические сети более эффективными, чтобы снизить потребление энергии. Это хорошо, но жители могут увидеть более низкие счета за электроэнергию и стать менее строгими в использовании энергии, возвращая систему к точке энергетического равновесия и потребляя столько же или даже больше энергии, чем прежде.

В этом смысле технологическим пионерам «умных» городов необходимо детально продумывать и учитывать влияние своих решений и на общую картину, и на индивидуальные отношения. Следовательно, технология, которая надежно и устойчиво нарушает способ функционирования города, должна учитывать обширность и глубину его составляющих. И хотя мифические идеализации «умных» городов — абстрактные современные конструкции, летающие дроны для доставки и беспилотные автомобили — потенциально могут стать реальностью, это видение фокусируется на технологических решениях, оставляя человеческий фактор вне поля зрения.

Соединяем сенсорные узлы сети с Wi-SUN

Акцент на человеческих и экологических ценностях отнюдь не сводит на нет все богатство предлагаемых в настоящее время технологических решений, а именно больших данных и «Интернета вещей». Сети «Интернета вещей» предоставляют ценные рычаги воздействия, которые могут оказать огромное конструктивное влияние, но градостроители только сейчас начинают использовать их потенциал.

Технологические игроки должны служить ориентирами для развития «умных» городов и обеспечивать развертывание в городах гибких и всеобъемлющих адаптивных беспроводных платформ. По мере того как все больше компаний и организаций осознают уникальные нюансы проектирования эффективных «умных» городов, в электронной промышленности, как ответ на эти вызовы, наблюдается интенсивное движение в сторону стандартизации беспроводной связи для приложений «умного» города.

В 2011 году группа лидеров сетевой индустрии инициировала идею интероперабельных сетей «умных» городов на основе стандарта IEEE 802.15.4g, что привело к формированию альянса Wi-SUN (Wireless Smart Ubiquitous Network) [3]. Этот альянс, в состав которого сейчас входит более 300 компаний, для того чтобы создать открытую экосистему совместимых решений с безграничными возможностями, направленную на создание перспективных сетей «умных» городов, использует широко распространенные и хорошо себя зарекомендовавшие отраслевые стандарты.

Полевая сеть Wi-SUN (field area network, FAN) — это высоконадежная беспроводная ячеистая IoT-сеть с низким энергопотреблением, которая для поддержки крупномасштабных сетей IoT имеет многочисленные варианты скорости передачи данных. Это делает Wi-SUN протоколом, который будто создан именно для «умного» города. Его сильные стороны — масштабируемость, безопасность, функциональная совместимость и широкий спектр поддерживаемых существующих и новых приложений. Wi-SUN в зависимости от потребностей приложения, кроме всего прочего, позволяет использовать методы переключения режимов для регулировки скорости передачи данных.

До сих пор в большинстве приложений для «умных» городов использовались проприетарные сети, которые обычно разрабатывались для конкретных приложений с ограниченной безопасностью и гибкостью для обновления. Они имеют «звездную» архитектуру, в которой устройства связываются с приемником базовой станции.

Однако Wi-SUN представляет собой самоорганизующуюся, самовосстанавливающуюся ячеистую сеть с тысячами узлов, а не сеть, зависящую от одной базовой станции, что повышает надежность и отказоустойчивость сети на основе протокола Wi-SUN (рис. 1).

Рис. 1. Сетевая архитектура Wi-SUN позволяет подключать сотни отдельных узлов (Wi-SUN Alliance)

По сравнению с традиционными глобальными сетями с низким энергопотреблением (low-power wide-area network, LPWAN) Wi-SUN предлагает более высокие скорости передачи данных и меньшую задержку (табл.), а вместе с тем низкое энергопотребление, безопасность и функциональную совместимость.

В случае проблем с подключением архитектура Wi-SUN FAN может постоянно перенаправлять данные через тысячи узлов. Это позволяет устройствам получать полное сетевое соединение и непрерывную поддержку услуг по всему городу, когда они больше всего в этом нуждаются, например во время сильных штормов, кибератак и/или ограничений энергопотребления, приводящих к постоянным или веерным отключениям.

Кроме того, сеть Wi-SUN FAN обеспечивает гибкость в отношении скорости передачи данных и энергопотребления, позволяя пользователям более эффективно решать задачи в рамках «умного» города и других приложений. Приложения «умного» города предъявляют высокие требования к базовой сетевой инфраструктуре, требуя высокой степени безопасности, надежных соединений, устойчивости в случае сбоев или изменения условий и многого другого. Wi-SUN FAN обеспечивает безопасное, экономичное и отказоустойчивое подключение в самых разных топографических средах с минимальной дополнительной инфраструктурой, от сельской местности до густонаселенных мегаполисов.

Сегодняшнее развитие «умных» городов ориентировано на интеллектуальные измерения, интеллектуальные системы уличного освещения, общественную безопасность, мониторинг дорожного движения, обнаружение шума и мониторинг загрязнения, и Wi-SUN предназначен именно для поддержки подобных задач (рис. 2). Wi-SUN также хорошо подходит для интеграции датчиков «умного» города (управление отходами, торговые автоматы) и для систем распределенных энергоресурсов (distributed energy resources, DER) в электросетях.

Рис. 2. Wi-SUN позволяет подключать множество структур «умного» города (Silicon Lab)

Защита наиболее уязвимых активов наших городов — приоритетная задача

Еще одним отличием протокола Wi-SUN являются его преимущества в области безопасности, создающие огромные возможности для проектирования «умных» городов. Поскольку больницы, государственные учреждения, общественный транспорт, коммерческие организации и электросети становятся все более уязвимыми для кибератак, для них необходимо установить стандарты безопасности с нулевым уровнем риска. Города становятся узлами внутри сетей взаимосвязанных городов, а система взаимо­связанных городов так же слаба, как и ее самое слабое звено, что делает кибербезопасность сети важнейшей задачей.

Созданный с учетом безопасности пользователей, протокол Wi-SUN имеет несколько встроенных функций защиты. Одна из наиболее важных функций заключается в том, что аутентификация безопасности полностью возвращается к поставщику облачных услуг, что сегодня не является нормой для большинства протоколов. Wi-SUN также соблюдает правила кибербезопасности при проектировании сети, включая сквозную безопасность, шифрование, управление ключами и изоляцию сети в случае нарушения безопасности.

Уникальная особенность протокола Wi-SUN — это встроенная интеграция инфраструктуры открытого ключа (public-key-infrastructure, PKI), взаимная аутентификация на основе сертификатов и проверенные алгоритмы шифрования данных и обмена ключами. Контроль доступа к сети Wi-SUN FAN основан на PKI и смоделирован на основе структуры безопасности Wi-Fi. Каждое устройство Wi-SUN также имеет уникальный сертификат, подписанный центром сертификации на месте производства.

Несомненно, что инициатива «умных» городов повышает качество жизни людей и уменьшает вредное воздействие на окружающую среду. Предприятия, работающие в экосистеме городской инфраструктуры и внутри нее, вероятно, получат здесь максимальные выгоды, поскольку их проекты имеют более высокие шансы на устойчивый успех. Протокол Wi-SUN построен с учетом именно этой философии — его технологические особенности позволяют градостроителям и технологическим архитекторам успешно подключать и защищать городскую инфраструктуру в будущем с максимальной выгодой для жителей и окружающей среды.

В ближайшие годы мы будем видеть, как достижения «Интернета вещей» повлияют на переход к «умным» городам во всем мире. Но при этом при преобразовании инфраструктуры «умного» города и жизни его граждан крайне важно сбалансировать все его многочисленные элементы. При этом не менее важно согласовать приоритеты развития технологий, содействия устойчивости и повышения качества жизни как на индивидуальном, так и на групповом уровне. Продолжение дискуссии в [4].