טכנולוגיות חדשות מפחיתות את אנרגיית הרשתות הביתיות

טכנולוגיות חדשות מפחיתות את אנרגיית הרשתות הביתיות
 מאת: ד"ר שלמה מרקל, 18.1.16, 08:00
 
פרוטוקולי רשת חכמים והאינטרנט של הדברים מסוגלים להפחית כמעט באופן "מודע" את צריכת ההספק הכוללת ללא ידיעת המשתמש ובו זמנית לשפר את חוויית המשתמש בשירותי OTT.
 
מספרם של המכשירים המחוברים בבית הולך וגדל, החל בממירים, סמארטפונים ומחשבים, וכלה בגאדג'טים של האינטרנט של הדברים (IoT) ומסכים. החשש הוא, שצריכת האנרגיה הכוללת תעלה בעקבות האנרגיה, שצורכים ממשקי רשת שונים אלה. אולם, ממשקי רשת אלה הם למעשה המפתח להפחתת סך כול האנרגיה במשק הבית, באמצעות מיזוג משאבים ושליחת התראות כאשר נדרשים משאבים, או כאשר ניתן להעבירם למצב של צריכה נמוכה או כיבוי.
 
תקני ממשק  ופרוטוקולים של מכשירים  חדשים עונים על חששות אלה. הם כוללים טכנולוגיות כגון IoT ועובדים יחד ברקע כדי לקבל החלטות מודעות בנוגע לצריכה, מצמצמות למינימום את האנרגיה בשימוש ומבטיחות את חוויית המשתמש המצופה ואף משפרות אותה.
 
ביוני 2014 פרסם ה-Consumer Electronics Association (איגוד מוצרי הצריכה האלקטרוניים) מחקר מטעמו, שהראה, שמוצרי צריכה אלקטרוניים צורכים 12% מתקציב החשמל הממוצע של משק בית, כאשר רובו הולך לטלוויזיות (30%), ממירים ומחשבים אישיים, ולאחר מכן לקונסולות משחקים ולציוד רשת כגון נתבים.

איור 1: מוצרי אלקטרוניקה צרכו 12% מתקציב החשמל הביתי השנתי הממוצע ב2013-. שירותי וידאו OTT – Over-The-Top זורם עלולים להגדיל אחוז זה. אולם, טכנולוגיות חדשות יכולות לשלוט היטב בצריכת האנרגיה. (התמונה באדיבות Consumer Electronics Association).
 
בשנתיים שעברו מאז, רשם הווידיאו הזורם זינוק עם שירותי OTT זורמים מעל רשת האינטרנט, שהפכו נפוצים בטלוויזיות וממירים, טאבלטים וסמארטפונים. חברת המחקר Juniper Research העריכה במאי 2015, שמספר המנויים העולמי לשירותי OTT כגון Netflix ו-Amazon Prime יגדל מ-92.1 מיליון ב-2014 ל-332.2 מיליון עד 2019.
 
שירותי OTT אמנם נצפו באופן מסורתי ע"י צרכן המשתמש במכשירים כגון ,Chromecast‏Roku, AppleTV ‏, Fire TV Stick וקונסולות משחקים. אולם, גם ממירים יהפכו לפלטפורמה אפשרית, כאשר המפעילים בעצמם יתחילו לספק שירותי OTT.
 
אינטרסים משותפים בתחום הווידאו הזורם מגופים המפיצים תוכן OTT של צד שלישי, שמשתמשים וכעת גם מפעילים בשילוב דרישות הספק מחמירות יותר ויותר לשערי כניסה לשירות, הובילו את ספקי השירותים, חברות מוצרי האלקטרוניקה וספקי הטכנולוגיה לעבוד יחד כדי לשפר את השירות למשתמש הקצה בתקנים וממשקים רבים (איור 2). אחת ההתפתחויות היותר מרגשות, שעומדות להתגלות משיתוף פעולה זה, היא VidiPath, שמבוסס על טכנולוגיית DLNA, שעוזר לקשר בין תכונות חיסכון באנרגיה של הרשת משכבות נמוכות יותר.
 
VidiPath, שכולל, בין היתר, אספקה חלקה של שירותי OTT ומנויים לכל מכשיר, עובד עם תקנים פתוחים כגון IEEE 1905 nVoy למצבי הספק שונים בשכבות המכשיר, החיבור והשירות, כדי לאפשר מצב הספק נמוך למכשיר נתון על בסיס צורכי התוכן ודפוסי השימוש שלו.    
איור 2: הדגמת הקשר בין תקני שכבות הרשת השונים. בשכבת היישום, יישום של VidiPath יכול לנהל פונקציות ושירותים בכל רשת הבית כדי לאפשר צמצום בצריכת האנרגיה הכללית.
 
ברמת המכשיר, חידושים טכנולוגיים, כגון טכנולוגיית ,full-band capture כבר מאפשרים אינטגרציה של מנגנונים שווי ערך למספר טיונרים על ממיר. טכנולוגיות אלו, בשילוב רשתות התקשורת בבית, מאפשרות למכשיר בודד לחבר ולשמש משאבי טיונרים למספר לקוחות חסרי טיונר, ובכך להפחית משמעותית את צריכת ההספק הכוללת.

VidiPath חודר לשכבות העמוקות של הממיר ע"י שילוב מצבי הספק מודולריים של מערכות על שבב (SoC) של הממיר. ל-SoC יש לרוב 4 מצבי הספק, שניתן לנהל בצורה פעילה, וכולם מאזנים בין תכונות להספק (איור 3). טווח המצבים נע בין S0 - מצב ON, שבו כל התכונות זמינות וצריכת ההספק מרבית, לבין S3 - Deep Standby, שבו אין תכונות זמינות ואין כמעט צריכת אנרגיה.  
איור 3: ל-SoC אופייני של ממיר יש 4 מצבי הספק, כל אחד מהם מחפש את האיזון המיטבי בין התכונות הזמינות לצריכת ההספק, על סמך השימוש המכשיר.
 
S3 הוא מקרה קיצון מפני שהוא מנתק את קישוריות הרשת ובדרך כלל הוא אינו בשימוש. מצב S2 - ‏Low Latency Standby לפחות מאפשר למערכת להעיר את המכשיר, תכונה חיונית לניהול הספק מבוסס רשת.
 
בשכבת החיבור, EEE - ‏Energy Efficient Ethernet הוא אמנם חלק מפתרון קישוריות כולל של הרשת הביתית, אולם בפועל, לרוב הבתים אין אתרנט (קטגוריה 5 או 6) בין החדרים ואפילו אם היא קיימת, היא לעתים קרובות אינה נמצאת במיקום נוח.

כתוצאה מכך, רוב ספקי השירותים  פורסים בסופו של דבר טכנולוגיות רשת "ללא חוטים חדשים" כגון HomePlugAV על רשת החשמל, MoCA על הטלוויזיה או כבלים קואקסליים של כבלים או לוויין, או על WiFi (ללא חיווט).
 
מודל רשת היברידי זה הוא הגורם העומד מאחורי תקן IEEE 1905.1 nVoy המגדיר שכבת הפשטה, שמעניקה ממשק משותף לרוב טכנולוגיות הרשת הביתית הפרוסות והבולטות בשוק (איור 4).
איור 4: ה- IEEE 1905.1  מגדיר שכבת הפשטה המאפשרת לשלוט על מכשירים ברשת היברידית כדי למטב את ניתוב הנתונים וסטטוס הממשק לקצב העברה מרבי בהספק מינימלי.
 
IEEE 1905.1 מאפשר, בין היתר, בחירת נתיב נתונים משופר וכן ניהול הספק משופר ע"י שימוש בממשק היעיל ביותר, כיבוי ממשקים, שאינם נחוצים, והפעלת ממשקים רק כאשר הם נחוצים.
 
יצוין, שטכנולוגיות רשת אחרות נתמכות ע"י מנגנון ניתן להרחבה באמצעות שימוש בפורמט IEEE OUI ו-XML  ולכן  ניתן להחיל אותו בכל ענף התקשורת.
 
איתות על הספק רשת DLNA/UPnP
כפי שנזכר לעיל, מכשיר ללא חיבור רשת אינו שמיש בפרדיגמה, שבה השליטה על הספק מבוססת רשת. לכן, ההנחה היא, שחייבת להיות תקשורת רשת כדי לאותת על הספק הרשת גם במצב של חיסכון באנרגיה. 
 
ישנן שתי הנחות נוספות. הנחה ראשונה היא, שהשירותים והממשקים של המכשיר הם מודולריים. בלוקים פונקציונליים מסוימים בתוך המכשיר הפיזי יכולים להיות פעילים בעוד שאחרים רדומים.
 
ההנחה השנייה היא, שבקר ההספק הפנימי מקבל את כל ההחלטות כיצד לנהל את המשאבים שלו בתוך המכשיר הפיזי. הנחה זו חשובה מאחר שמכשיר הדורש זאת באופן חיצוני אינו יכול לדעת באמת את פרטיו של מכשיר פיזי אחר. כמו כן, למספר לקוחות תהיינה דרישות ייחודיות.
 
אלו הן ההנחות, שעליהן מבוסס DLNA Low Power / UPnP Energy Management: 1Service . השירות כולל מינוי לשירות, שמאפשר ללקוחות לקבוע אלו משאבים נדרשים מהשרת, והשרת יכול לקבל החלטות מושכלות כיצד להפחית את ההספק תוך הגבלת ההפרעה ללקוחות התלויים בו (איור 5).  
השירות כולל גם WakeOnPatterns, שמאפשר למכשיר לפרסם על הרשת את פרטי האיתות הנדרשים כדי לשנות את מצב ממשק הרשת שלו ואת המידע של ממשק הרשת של שרת הפרוקסי (Proxied Network Interface Information). כך, מכשיר השרת יכול להיות מאותר מידית ע"י מכשירי הלקוח, גם אם ממשקי הרשת של מכשיר השרת אינם פעילים כרגע.
 
השפעת האינטרנט של הדברים - IoT
כיוון שתקנים ופרוטוקולים אלה פותחו באופן פעיל תוך שיתוף פעולה הדוק בתחום, תופעה טכנולוגית מעניינת, שמכונה האינטרנט של הדברים (IoT), צוברת תאוצה כחלק כמעט בלתי נפרד. 
 
ברמת הבסיסית, משתמשים במכשירים, שתומכים ב-IoT, כדי לנטר או לשלוט על מכשירים ממיקום מרוחק באמצעות חיבור רשת. משם, נוסף ניתוח נתונים ברמה מסוימת, בדרך כלל בשער הכניסה, כדי לזהות מגמות ולשפר את יתרונות השימושיות של המכשיר.
 
אמנם  שוב נראה, שהוספת מכשירים התומכים ב-IoT תחמיר את בעיית האנרגיה, מאחר שמספר רב של מכשירים אוספים ומעבירים נתונים לרוב מעל ממשק אלחוטי כגון Bluetooth, WiFi או ZigBee. אולם, זה לא בהכרח מה שיקרה.
 
ראשית, יצרני המכשירים נאלצים לשמור על צריכת הספק נמוכה ככל האפשר, מפני שמכשירים אלה פועלים לרוב על סוללות. מצב זה דורש לא רק סיליקון בהספק נמוך במיוחד, אלא גם הכללת מצבי שינה שונים ושימוש חכם בזמן שידור/קליטה.
 
ברמה גבוהה יותר, רשת מכשירים זו, שמתפתחת באופן טבעי, משלימה את העבודה הנעשית בשכבות המכשיר, החיבור והשירותים באמצעות הוספת בינה של חישה וסביבה לרשת החוסכת באנרגיה.
 
לדוגמה, הוכח בבירור כיצד ע"י שימוש ב-IoT ניתן להפעיל או לכבות מרחוק מכשירים ספציפיים באמצעות הסמארטפון או מכשיר מחשוב מרחוק. עם זאת, על"י שימוש בחיישנים מחוברים בתוך הבית, יכולה הרשת לדעת מתי המשתמש עוזב את המרחב בזמן צפייה בתכנית והיא יכולה להעביר את התכנית למכשיר סמוך, ואת המכשיר הראשון למצב המתנה. בתרחיש משתמש אחר, ניתן לחמם מים למקלחת או לקפה רק כאשר המשתמש מתעורר מהשינה, במקום לשמור על המים חמים כל הזמן.
 
אלו הן דוגמאות פשוטות יחסית, חלקן כבר הודגמו בתערוכת CES 2015. אולם, זו התחלה של מיזוג פרוטוקולי רשת חכמים והאינטרנט של הדברים, שיכולה להפחית כמעט באופן "מודע" את צריכת ההספק הכוללת ללא ידיעת המשתמש, ובו זמנית לשפר את חוויית המשתמש.
  
מאת: ד"ר שלמה מרקל, ינואר 2016.
סגן נשיא ברודקום העולמית