امروزه، پیشرفت فناوری‌های اینترنت اشیا، ارتباطات بین افراد و دستگاه‌ها را به واقعیت تبدیل کرده است. LPWAN به عنوان یک موضوع داغ در دنیای اینترنت اشیا تبدیل شده و راه‌حل‌هایی را ارائه می‌دهد که قبلاً دست نیافتنی بودند. برای بردهای کوتاه، فناوری‌هایی مانند WiFi، Bluetooth، Zigbee و موارد دیگر داشتیم و برای مسافت‌های طولانی‌تر، شبکه‌های سلولی 2G، 3G، 4G و مانند آن وجود داشت. اما اگر به این فناوری‌های بی‌سیم بر اساس نیازهای برق و برد آنها نگاه کنید، متوجه می‌شوید که شکافی برای گزینه‌های کم مصرف و دوربرد وجود دارد. این همان چیزی است که فناوری LPWAN کاملاً با آن مطابقت دارد.
شبکه LPWAN چیست؟
شبکه LPWAN یا شبکه گسترده کم‌توان (گاهی اوقات LPWA نیز نامیده می‌شود) یک اصطلاح نسبتاً جدید است و در اصل یک استاندارد یا یک فناوری واحد نیست. در واقع LPWAN، بیشتر یک اصطلاح کلی است که شامل پروتکل‌های مختلف اختصاصی و منبع باز می‌شود. LPWAN به خانواده‌ای از شبکه‌های بی‌سیم اطلاق می‌شود که برای ارتباط با توان کم و دوربرد بین دستگاه‌ها طراحی شده‌اند.
فاصله ارتباطی فناوری های LPWAN از چند کیلومتر در مناطق شهری تا بیش از 10 کیلومتر در مناطق روستایی متغیر است که اساساً نشان‌دهنده ارتباط کارآمدتر و مقرون‌به‌صرفه‌تر است؛ یعنی می‌توانیم برد را با مصرف انرژی کمتر، به حداکثر برسانیم. فرض بر این است که در آینده ای نزدیک، LPWAN کاربرد گسترده تری را به روشی بسیار نوآورانه تر در بر خواهد گرفت.
توپولوژی و معماری در فناوری های LPWAN
از نظر ساختار توپولوژیکی، LPWANها را می توان به دو دسته اصلی تقسیم کرد: ستاره و مش. در این راستا، فناوری های سلولی معمولاً از قابلیت جابجایی پشتیبانی می کنند. توپولوژی های ستاره یا ستاره به ستاره (Star-to-Star) برای LPWANها نسبت به شبکه های مش به دلیل مقرون به صرفه بودن ترجیح داده می شوند.
در قلب LPWAN، سایر اجزای یک معماری ساده LPWAN شامل اتصال بی سیم، اینترنت و ابر است. ایستگاه پایه/ گیت‌وی، داده ها را از چندین گره انتهایی توزیع شده از راه دور جمع آوری می کند و به ورودی های LPWAN پاسخ می دهد. ایستگاه پایه/ گیت‌وی، دستگاه مرزی است که این داده‌ها را دریافت و دی ماجوبه [AG1] می‌کند و آنها را از طریق یک ارتباط بک‌هال [AG2] استاندارد TCP/IP مانند اترنت، شبکه سلولی و غیره به یک سرور انتهایی در بک‌اند ارسال می‌کند.
برای سرویس‌های عمومی LPWAN، داده‌ها قبل از ارسال به برنامه کاربر نهایی، روی سرورهای اپراتور شبکه ارسال می‌شوند. در LPWANهای مدیریت خصوصی، داده ها را می توان مستقیماً به پشتیبان از پیش تعریف شده کاربر نهایی هدایت کردکه تضمین می کند داده های دستگاه LPWAN، خصوصی و ایمن هستند.
استانداردهای LPWAN: LPWA سلولی و LPWA غیر سلولی
قبل از پرداختن به فناوری‌های LPWAN، درک دسته‌بندی‌های اولیه آنها بسیار مهم است. LPWANها را می توان به طور کلی به دو گروه طبقه بندی کرد: آنهایی که در باندهای فرکانسی بدون نیاز به مجوز (مانند LoRa و SigFox) کار می کنند، و فناوری های سلولی که در باندهای فرکانس نیازمند به مجوز کار می کنند و به استانداردهای 3GPP (مانند LTE-M و NB-IoT) پایبند هستند. در زیر، ما برخی از گزینه‌های فعال فناوری LPWAN را بررسی خواهیم کرد.
شبکه LPWAN سلولی (طیف مجوزدار)
شکبه های LPWAN سلولی نیاز به مجوز از نهادهای دولتی یا نظارتی دارند و معمولاً از زیرساخت های اپراتورهای شبکه موجود استفاده می کنند. با این حال، آنها به یک اتصال قابل اعتماد دستگاه به ایستگاه پایه نیاز دارند، بنابراین برای مناطق پرجمعیت مانند مراکز شهری، مناطق مسکونی و پارک های صنعتی مناسب تر هستند. استانداردهای LPWAN سلولی شامل EC-GSM-IoT، LTE Cat. M1 (LTE-M) و NB-IoT هستند که در طیف LTE (700MHz-3.5GHz) کار می کنند.
فناوری EC-GSM-IoT
فناوری EC-GSM-IoT یا پوشش گسترده GSM IoT ابتدا توسط 3GPP در نسخه 13 معرفی شد. این یک فناوری LPWAN سلولی مبتنی بر eGPRS است که با هدف استفاده از شبکه های تلفن همراه و زیرساخت موجود (عمدتاً 2G/GSM) برای ایجاد ارتباطات از راه دور IoT است. از طیف مجاز برای ارائه ارتباطات مطمئن و ایمن [AG3] استفاده می کند. در مقایسه با سایر فناوری های سلولی، GSM پوشش وسیع تری ارائه می دهد. نسخه بهبودیافته آن، eGPRS/EDGE، این مزیت را حفظ کرده و در عین حال از نرخ داده بالاتری پشتیبانی می کند.
فناوری اینترنت اشیا باند باریک (NB-IoT)
فناوری NB-IoT (اینترنت اشیا باند باریک) یک استاندارد فناوری رادیویی LPWAN است که توسط 3GPP برای اتصال دستگاه های اینترنت اشیا توسعه یافته است. به عنوان یک فناوری 3GPP CIoT، NB-IoT بیشتر رابط بی سیم را برای ارتباطات IoT در مقایسه با EC-GSM-IoT و LTE-M تعریف می کند. با عملکرد در باندهای طیف مجاز، از پهنای باند باریکی در حدود 180 کیلوهرتز استفاده می کند. NB-IoT از طریق همکاری بین 3GPP و فروشندگان پیشرو تجهیزات مخابراتی مانند نوکیا، هوآوی و اریکسون استاندارد شد.
. فناوری LTE-M
فناوری LTE-M (LTE-Machine-to-Machine) که با نام eMTC (ارتباط نوع ماشین پیشرفته) نیز شناخته می شود، یکی دیگر از فناوری 3GPP LPWAN IoT است که از LTE مشتق شده است. در مقایسه با NB-IoT از سرعت داده و انتقال بالاتر (تا 350 کیلومتر در ساعت) پشتیبانی می کند. LTE-M در طیف دارای مجوز عمل می کند و با شبکه های سلولی 2G، 3G، 4G و 5G همزیستی دارد.
فناوری LTE-M در ابتدا MTC کم هزینه، در نسخه 12 شبکه3GPP نامیده می شد و بعداً در نسخه 13 به eMTC تغییر نام داد. پیشرفت های موجود در نسخه های 3GPP، قابلیت های LTE-M را گسترش داده است. نسخه‌های 14 و 15 پشتیبانی را برای سطوح پوشش پیشرفته همراه با انتقال فعال می‌کند. انتشار نسخه 14 قابلیت VoLTE (Voice over LTE) را اضافه کرد. انتشار نسخه 15 ساخته شده بر روی این موارد با موارد استفاده جدید برای دستگاه های IoT با تحرک بالاتر. نسخه 16 با بهبودهایی برای همزیستی با رادیو جدید 5G (NR) به تکامل ادامه داد.
. فناوری های LPWAN غیر سلولی (طیف بدون مجوز)
LPWANهای غیر سلولی در باندهای فرکانس بدون مجوز (ISM) کار می کنند و به زیرساخت اپراتور شبکه متکی نیستند. تجهیزات، داده ها را مستقیماً یا از طریق گیت‌وی‌ها به سرورهای برنامه یا شبکه منتقل می کنند. علاوه بر LoRa، سایر LPWAN های غیر سلولی عبارتند از Sigfox، Weightless، RPMA، Symphony Link و Wize، DASH7 و غیره که از باند فرکانسی Sub-GHz با سرعت های ارتباطی از 100bps تا 250kbps و فواصل از 2km تا 100km قابل استفاده هستند. LPWAN های غیر سلولی معمولاً در مناطق شهری که پوشش LPWAN سلولی ندارند و یا مناطق دورافتاده با پوشش سلولی محدود، مناطق کوهستانی، جزایر و برای پیاده سازی شبکه سازمانی اختصاصی مستقر می شوند.
. فناوری LoRa/LoRaWAN
فناوری LoRa مشخصات پروتکلی است که به طور خاص به مدولاسیون اختصاصی Chirp Spread Spectrum توسعه یافته توسط Semtech اشاره دارد. استاندارد LoRaWAN پروتکل لایه MAC و معماری سیستم را تعریف می کند که در بالای لایه LoRa PHY عمل می‌کند. این فناوری توسط LoRa Alliance، با حدود 500 شرکت عضو از سراسر جهان به سرعت در حال رشد است.
LoRaاساساً برای ارتباط uplink از چندین دستگاه انتهایی به گیت‌وی‌ها، با استفاده از پیام‌های کدگذاری شده در کانال‌های مختلف و نرخ داده‌ها برای کاهش برخورد و افزایش ظرفیت گیت‌وی در نظر گرفته شده استو برای برنامه‌هایی که به محموله‌های داده کوچک و ارتباطات نادر در مناطق شهری و روستایی/دورافتاده نیاز دارند، مناسب است. یک گیت‌وی LoRaWAN می تواند اتصالات بسیاری از گره ها و دستگاه های انتهایی را مدیریت کند.
. فناوری Sigfox
Sigfox یکی از فناوری‌های LPWAN غیر 3GPP است که به طور گسترده مورد استقبال قرار گرفته استکه یک فناوری LPWAN اختصاصی است که به نام شرکت Sigfox که اولین بار آن را معرفی کرد، نامگذاری شده است. از رادیو فوق باند باریک برای دستیابی به اتصال اینترنت اشیا بی‌سیم با برد فوق‌العاده طولانی و کم مصرف استفاده می‌کند.
با این حال، پهنای باند باریک Sigfox به شدت توانایی downlink برای انتقال داده ها به دستگاه ها را محدود می کند و باند فوق العاده باریک ممکن است به مشکلات تداخل احتمالی منجر شود. علی‌رغم این محدودیت‌ها، Sigfox همچنان یک بازیگر برجسته LPWAN باقی می‌ماند و کشش موفقی را در اروپا به دست آورده است.
. فناوری Weightless
گروه مورد علاقه ویژه Weightless (Weightless SIG) در سال 2008 با هدف استانداردسازی فناوری LPWAN تأسیس شد. اعضای گروه عبارتند از Accenture، M2COMM، ARM، Telensa و Sony Europe.
فناوری Weightless, از سه تنوع طراحی شده برای سناریوهای کاربردی مختلف تشکیل شده است:
Weightless-W، Weightless-N و Weightless-P
Weightless-W در باند فضای سفید تلویزیون (TVWS) عمل می کند و استقرار پیچیده تری دارد. Weightless-N مشابه Sigfox است، یک پروتکل باند باریک است که در باند بدون مجوز زیر گیگاهرتز اجرا می شود و توسط NWave استفاده می شود. به طور کلی، Weightless-N و Weightless-P در مقایسه با Weightless-W مورد توجه و استقرار بیشتری قرار گرفته اند.
. فناوری Symphony Link
فناوری Symphony Link یک پروتکل LPWAN است که توسط Link Labs، یک شرکت عضو LoRa Alliance توسعه یافته است. در حالی که Link Labs از چیپست های لایه فیزیکی LoRa Semtech استفاده می کند، آنها به جای استفاده از مشخصات باز LoRaWAN، پشته نرم افزار لایه MAC سفارشی خود را به نام Symphony Link پیاده سازی کرده اند.
در مقایسه با استاندارد LoRaWAN، تفاوت های کلیدی در Symphony Link برخی از قابلیت های شبکه پیشرفته مانند تحویل پیام قابل اعتماد و گسترش شبکه پویا با افزودن گیت‌وی‌ها است.
کاربردهای فناوری LPWAN
فناوری های LPWAN از نظر برد و مصرف برق، برتری دارند. استفاده از LPWAN، جمع آوری داده ها از حسگرها را از راه دور و ردیابی در فواصل طولانی را ممکن می سازد. در این بخش، برخی از موارد کاربرد عملی آن را بررسی خواهیم کرد.
کنتور هوشمند گاز و آب
سیستم‌های خودکار خوانش کنتور از LPWANها برای جمع‌آوری بی‌سیم از راه دور داده‌های مصرف انرژی از جمله برق، گاز و آب استفاده می‌کنند. روزهایی که اپراتورها داده ها را به صورت دستی بررسی و ثبت می کردند، گذشته است. کاربران همچنین می توانند میزان داده مصرفی را که روزانه استفاده می کنند، مشاهده کنند.
. ساختمان های هوشمند
در داخل ساختمان ها، LPWAN ها در تاسیسات مسکونی، تجاری و صنعتی برای هوشمندتر کردن آنها استفاده می شوند. تنظیمات داخلی، دستگاه های خانه هوشمند مانند قفل های هوشمند، سیستم های HVAC و روشنایی را می توان از طریق LPWAN به صورت یکپارچه و مرکزی مدیریت کرد. در ساختمان های اداری و تجاری، LPWAN امکان نظارت متمرکز بر اشغال فضا و سیستم های امنیتی مانند سنسورهای درب را فراهم می کند.
. مدیریت هوشمند زباله
مدیریت هوشمند زباله به طور گسترده‌تری برای طرح‌های شهر هوشمند مورد استفاده قرار می‌گیرد. حسگرهای نصب شده در سطل های زباله می توانند سطح پر شدن را کنترل کنند و داده ها را از طریق LPWAN به سیستم مرکزی منتقل کنند. هنگامی که به سطوح از پیش تعیین شده رسید، هشدارهایی برای جمع آوری و دفع به موقع ارسال می شود. علاوه بر این، می توان با تجهیز ردیاب های LPWAN به آنها، اطلاعات مکان کامیون های زباله را به دست آورد.
. پارکینگ هوشمند
در سیستم‌های پارک هوشمند، فناوری LPWAN امکان نظارت و مدیریت به صورت بلادرنگ اشغال فضای پارک را فراهم می‌کند. سنسورهای نصب شده در جایگاه های پارکینگ می توانند وضعیت اشغال را به دقت تشخیص دهند. کاربران می توانند پارکینگ موجود را از طریق یک برنامه تلفن همراه بررسی و رزرو کنند و از راه دور برای پارکینگ پرداخت کنند.
. کشاورزی هوشمند
فناوری LPWAN در حال گسترش به سیستم های کشاورزی هوشمند است. کشاورزان می توانند حسگرهای مختلفی (رطوبت خاک، دما، رطوبت، نور و …) را در مزارع نصب کنند. سپس می توانند داده ها را از راه دور از آن حسگرهایی که از LoRaWAN یا سایر LPWAN ها مانند NB-IoT استفاده می کنند جمع آوری کنند.
راهکار کشاورزی و دامپروری هوشمند چیزفارم
مقایسه محبوب ترین LPWAN های دارای مجوز در مقابل بدون مجوز
با توجه به فناوری‌های متعدد LPWAN موجود، انتخاب عاقلانه بسیار مهم است. بر اساس تخمین های تحقیقات بازار IoT Analytics، تا سال 2024، بیش از 97 درصد از سیستم های LPWAN با استفاده از فناوری های LTE-M، NB-IoT، Sigfox یا LoRa مستقر خواهند شد. بنابراین، ما 4 فناوری برتر LPWAN را با هم مقایسه خواهیم کرد: NB-IoT، LTE-M، Sigfox و LoRa.
جدول مقایسه NB-IoT در مقابل LTE-M در مقابل LoRaWAN در مقابل Sigfox
| LTE-M | NB-IOT | LoRaWAN | Sigfox | |
| سازمان مرجع | 3GPP | 3GPP | LoRa Alliance | اختصاصی |
| باند فرکانسی | باند مجوزدار LTE | باند مجوزدار LTE | باند آزاد ISM | باند آزاد ISM |
| حداکثر برد | تقریبا 10 کیلومتر | تقریبا 10 کیلومتر | تقریبا 15 کیلومتر | تقریبا 40 کیلومتر |
| توان مصرفی | کم | کم | کم | خیلی کم |
| پهنای باند | 200 Kbps | 1 Mbps | 50 Kbps | 600 bps |
| طول عمر باطری | بالای 10 سال | بالای 10 سال | بالای 15 سال | بالای 15 سال |
| ارتباطات دو طرفه | بله | بله | بله | بله |
| امنیت | 3GPP 128-256 | 3GPP 128-256 | AES 128 | AES 128 |
| بومی سازی | بله | بله | بله (TDOA) | بله (RSSI) |
| هزینه | متوسط | متوسط | کم | کم |
انتخاب درست LPWAN
NB-IoT یک فناوری LPWAN 3GPP است که از شبکه های LTE/GSM موجود برای ارائه اتصال پهنای باند کم برای دستگاه های اینترنت اشیا استفاده می کند. مصرف برق دستگاه، ظرفیت سیستم، راندمان طیف و عملکرد پوشش عمیق، مناسب بودن برای حوزه صنعتی، اتوماسیون ساختمان، شهر هوشمند، نظارت بر سلامت و موارد استفاده از اینترنت اشیا، قدرت پاسخ به بلایا را افزایش می‌دهد.
LTE-M برنامه‌های مشابه NB-IoT اما با پهنای باند بالاتر را هدف قرار می‌دهد تا نرخ داده‌های بیشتر و امنیت قوی‌تر را هرچند با مصرف انرژی بیشتر فراهم کند. این موضوع برای برنامه‌هایی که به توان عملیاتی بالاتری نیاز دارند، مانند نظارت تصویری که در آن محدودیت‌های توان کمتر، سخت‌گیرانه‌تر هستند ، مناسب است.
Sigfox و LoRaWAN فناوری‌های غیر 3GPP هستند که در طیف بدون مجوز کار می کنند. پهنای باند باریک آنها عملکرد بسیار توان کم را برای انتقال دیتای کوچک از نقاط پایانی که به عمر باتری چند ساله نیاز دارند، اما با محدودیت های سرعت داده کم، امکان پذیر می کند. Sigfox قدرت کم و استقرار ساده را در اولویت قرار می‌دهد، اما برای به‌روزرسانی‌های Firmware فاقد Downlink است. LoRaWAN از مدیریت دو طرفه دستگاه با هزینه کم پشتیبانی می کند.
LPWAN، آینده است.
به عنوان یک فناوری جدید، چشم انداز LPWAN به سرعت در حال توسعه است ولی هنوز به بلوغ نرسیده است. با وجود مشارکت‌کنندگان متعدد در بازار، ، به ویژه با توجه به سرعت نامشخص گسترش بازار، برندگان به وضوح مشخص نشده اند.عملکرد بلندمدت هر نوع LPWAN نیز نامشخص است، زیرا بسیاری از آنها هنوز در مراحل اولیه استقرار با فقدان آزمایش جامع و مقیاس بزرگ در دنیای واقعی هستند.
طبق تحقیقات ABI Research تخمین زده می‌شود که 5.3 میلیارد دستگاه اینترنت اشیا تا سال 2030 از فناوری‌های LPWAN استفاده کنند. محرک اصلی این رشد، تقاضا برای موارد استفاده مانند نظارت از راه دور است که به انتقال داده‌های نادر و عملکرد باتری نیاز دارد، ویژگی‌هایی که فناوری‌های LPWAN مخصوصاً برای رفع آنها مناسب هستند.
مرجع:
مقاله در شبکه‌های اجتماعی: