آینده IoT موبایل در 5G: هم‌گرایی بزرگ رقبا

طرح مسئله

با اجرای شبکه‌های 5G، شاهد یک تحول بزرگ در شبکه‌های موبایل، شبکه‌های ارتباطی بی‌سیم، اینترنت اشیا و بسیاری از بخش‌های ارتباطی دیگر خواهیم بود. 5G چه از نظر ماهیت و ذات و چه از نظر مسائل عملیاتی با شبکه‌های 4G و LTE متفاوت است. از طیف‌های فرکانسی و پهنای باند متفاوتی استفاده می‌کند و استانداردهای جدیدی برای اتصال دستگاه‌های IoT به شبکه تعریف خواهد کرد و به دنبال امن کردن و مدیریت ساده‌تر شبکه‌های اینترنت اشیا است. یکی از بزرگ‌ترین چالش‌هایی را که باید شبکه‌های 5G حل کنند، به اتصال میلیاردها دستگاه با مصرف انرژی پایین، نرخ تبادل اطلاعات کم، باتری‌هایی با طول عمر بالا و ارتباطات امن مربوط است. با تصویب استاندارد شبکه‌های 5G در سال ۲۰۱۷ توسط موسسه 3GPP، حالا نوبت به تعیین تکلیف و استانداردسازی دیگر شبکه‌های ارتباطی و از جمله شبکه‌های اینترنت اشیا می‌‌رسد. اینترنت اشیا، بخش عمده‌ای از ترافیک شبکه‌های 5G را تشکیل می‌دهد و انتظار می‌رود این نسل از شبکه‌های موبایل بتوانند ارتباط میان اشیا، خودروها و انواع سنسورها با یکدیگر را تغییر داده و متحول کنند. در 5G نیاز داریم تکنیک‌های جدید، کاربردهای نوین و طراحی‌های بهتری برای IoT صورت گیرد و چالش‌های پیش‌روی بزرگ‌ترین تحول دهه سوم قرن ۲۱ حل شوند. یکی از این چالش‌ها نحوه تعامل و همکاری شبکه‌های NB-IoT و LTE-M هستند. 

مطلب پیشنهادی

جایی که IOT و 5G به هم می رسند...

نسل پنجم شبکه تلفن همراه و اینترنت اشیاء

اینترنت اشیا موبایل

Mobile IoT، یک اصطلاح موسسه GSMA است که به استانداردهای 3GPP حول فناوری‌ Low Power Wide Area اشاره دارد. شبکه‌هایی مانند NB-IoT و LTE-M از طیف‌های فرکانسی و پهنای باندی استفاده می‌کنند و مشخصات شبکه LTE را دارند که در دسته استانداردهای LPWA جای می‌گیرند. یک شبکه 5G شامل چندین بخش اینترنت اشیا موبایل، ارتباطات با پهنای باند بهبودیافته و ارتباطات اضطراری می‌شود. بخش اینترنت اشیا موبایل به چندین زیر بخش به نام‌های Mobile IoT، Massive IoT و LPWA تقسیم می‌شود. 
فناوری LPWA به شبکه‌ها و ارتباطاتی گفته می‌شود که کاراکترهای زیر را داشته باشد:
۱- مصرف انرژی بسیار پایین به‌طوری‌که دستگاه بتواند برای سال‌های متمادی بدون شارژ باتری فعالیت کند؛
۲- ساخت دستگاه‌هایی با هزینه بسیار پایین؛
۳- بهبود پوشش‌دهی شبکه داخل و خارج از ساختمان در مقایسه با شبکه‌ها و فناوری‌های Wide Area امروزی؛
۴- ارتباطات و اتصالات امن با مکانیزم‌های احرازهویت بسیار قوی؛
۵- بهبود انتقال اطلاعات به‌طوری‌که بتوان در بسته‌هایی کوچک اطلاعات را جابه‌جا کرد و به‌سرعت و پهنای باند بالا نیازی نباشد؛
۶- توپولوژی شبکه ساده و به سرعت قابل‌استقرار باشد؛
۷- مقیاس‌پذیری شبکه بالا و قابل ارتقا باشد.
بخش قابل‌توجهی از شبکه‌های 5G را در آینده شبکه‌های LPWA تشکیل می‌دهند. این شبکه‌ها باید استاندارد و مشخصات فنی مخصوص به خود را داشته باشند. با دستگاه‌های متصل به شبکه LPWA نمی‌توانیم مانند گوشی موبایل، تبلت، کامپیوتر رومیزی و لپ‌تاپ رفتار کنیم. بسیاری از سنسورها و دستگاه‌های پوشیدنی در این نوع شبکه‌ها جای می‌گیرند و استانداردها، طیف‌های فرکانسی، نرخ تبادل اطلاعات و مکانیزم‌های احراز هویت و رمزنگاری مخصوص به خود را نیاز دارند. تصور کنید، یک قرص هوشمند که توسط انسان بلعیده می‌شود و قرار است چندین‌ماه تا چندین‌سال در معده انسان باقی‌مانده و اطلاعاتی برای منبع بفرستد؛ باید چه نوع استاندارد و ارتباطاتی داشته باشد.
LTE-M، یک نوع استاندارد و فناوری زیرمجموعه  LWPA است که برای ارتباطات LTE میان ماشین‌ها استفاده می‌شود. این نوع شبکه را نخستین بار موسسه 3GPP در استاندارد Release 13 مطرح کرد. شبکه‌های LTE-M از دستگاه‌هایی با پیچیدگی پایین‌تر، چگالی ارتباطی بالا، مصرف انرژی بسیار پایین، تاخیر پایین با پوشش گسترده پشتیبانی می‌کنند و اجازه می‌دهند این دستگاه‌ها دوباره بتوانند از ایستگاه‌های پایه LTE استفاده کنند. استقرار یک LTE-M می‌تواند توسط اپراتورها در داخل یک شبکه LTE معمولی صورت گیرد یا این‌که طیف فرکانسی اختصاصی به آن واگذار شود.
NB-IoT (سرنام Narrowband IoT) یک استاندارد معرفی‌شده دیگر توسط موسسه 3GPP در استاندارد Release 13 است و پیرامون الزامات LPWA در اینترنت اشیا بحث می‌کند. NB-IoT هم مشخصاتی مانند بهبود پوشش‌دهی داخلی، پشتیبانی از دستگاه‌های بسیار زیاد با توان کم، حساسیت‌ کم به تاخیر، هزینه ساخت بسیار پایین، مصرف انرژی بسیار پایین و شبکه‌هایی با معماری بهبودیافته دارد و همانند LTE-M، می‌توانند در یک شبکه LTE معمولی توسط اپراتورها پیاده‌سازی شوند یا این‌که روی باندهای رادیویی اختصاصی استقرار پیدا کنند. به‌علاوه، شبکه‌های NB-IoT می‌توانند روی باندهای رادیویی محافظت‌شده نیز اجرا شوند.

تعارض LPWA با 5G

پس از آشنایی با مفاهیم و مشخصات شبکه‌های LPWA و دو شبکه LTE-M و NB-IoT؛ چالش‌ها و تعارض‌های 5G را با LPWA بررسی خواهیم کرد. 
به‌طورکلی، نسل پنجم شبکه‌های موبایل به دنبال افزایش سرعت و پهنای باند در ارتباطات انسانی و سیستم‌های باتجربه کاربری انسانی است و زمانی‌ هم که 5G می‌خواهد برای اینترنت اشیا استفاده شود؛ روبات‌ها، خودروها، پهپادها و دستگاه‌هایی نظایر این‌ها تعریف شده است که هم به‌سرعت اتصال بالا، تاخیر بسیار پایین، مصرف انرژی زیاد، هزینه ساخت و استقرار شبکه بالا و دسترسی‌های چندگانه نیاز دارند. توپولوژی شبکه این دستگاه‌ها اغلب پیچیده است و به پردازش‌های سنگین نیاز دارد. به‌طور کلی، مشخصات 5G و طیف‌های فرکانسی آن با LPWA در تعارض هستند و به بازتعریف بخش‌هایی از 5G و انتشار استانداردهای جدیدی برای همکاری و سازگاری LPWA و به‌طور ویژه شبکه‌های LTE-M و NB-IoT نیاز احساس می‌شود.

بخش‌های کلیدی اینترنت اشیا در 5G

موسسه 3GPP هر دو استاندارد NB-IoT و LTE-M را در سال ۲۰۱۶ منتشر کرد که موجب رشد ارتباطات و شبکه‌های مبتنی بر مشخصات این دو استاندارد در سراسر جهان شد. در انتهای مارس ۲۰۱۸، حدود ۴۳ شبکه تجاری NB-IoT و LTE-M در جهان عرضه‌شده که عمدتا در حال توسعه راهکارهای LPWA برای استفاده و اجرا در این شبکه‌ها بودند. موسسه GSMA پیش‌بینی می‌کند تا سال ۲۰۲۵ نزدیک به ۲۴ اپراتور مخابراتی و موبایل به راه‌اندازی ۴۸ شبکه اینترنت اشیا سلولی بر اساس فناوری‌های مختلف اقدام کرده باشند. بیش از ۳.۱ میلیارد دستگاه و کانکشن به این شبکه‌ها متصل خواهد بود که ۱.۸ میلیارد دستگاه دارای مجوز و استاندارد LPWA هستند. تجهیزات پوشیدنی، بهترین مثال از دستگاه‌های LPWA هستند. این تجهیزات باتری و مصرف انرژی سطح پایینی دارند، اما به ارتباطات گسترده، با پوشش‌دهی وسیع نیاز دارند. به همین دلیل، مؤسسه‌هایی مانند GSMA و 3GPP دنبال راهکارهایی برای توسعه شبکه‌های LPWA مبتنی بر NB-IoT و LTE-M در 5G هستند. موسسه 3GPP در ماه ژوئن ۲۰۱۸ استاندارد جدید Release 15 را مطرح کرد که بر اساس آن هر دو شبکه NB-IoT و LTE-M زیرمجموعه و بخش‌های کلیدی از شبکه‌های موبایل 5G در زمینه اینترنت اشیای موبایل باشند. در این استاندارد، مشخصات و جزئیات همکاری و ادغام NB-IoT و LTE-M در شبکه‌های 5G تشریح شده است. بزرگ‌ترین چالش نحوه استقرار شبکه‌های LPWA در 5G است که طبق استاندارد Release 15 به صورت شکل (1) خواهد بود.

در این استاندارد، تخصیص پهنای باند به‌صورت in-band خواهد بود. ساختار شبکه 5G طوری طراحی می‌شود که از زیرباندهای LTE برای اجرای شبکه NB-IoT و LTE-M پشتیبانی شود. فرکانس‌های رادیویی جدید و پیکربندی‌های صورت گرفته باید با این شبکه‌ها سازگار باشند. به‌علاوه، باید از پیکربندی‌های forward compatibility پشتیبانی صورت گیرد تا کاربران 5G بتوانند به نیازمندی‌های خود روی فرکانس‌های رادیویی جدید تعریف‌شده دست پیدا کنند. 

مطلب پیشنهادی

سیم کارت IoT در مقابل سیم کارت سلولی

سیم‌کارت اینترنت اشیا چیست و چه مزایایی دارد؟

آینده اینترنت اشیا و 5G

اپراتورهای موبایل، برندهای معروف مخابراتی و توسعه‌دهنده‌ها، شبکه‌های NB-IoT و LTE-M را به‌عنوان یک بخش جدایی‌ناپذیر از شبکه‌های 5G راه‌اندازی کردند و با این چشم‌انداز پیش می‌روند. اینترنت اشیای موبایل با استناد به استاندارد Release 15 مؤسسه 3GPP سعی دارد شبکه‌های اینترنت اشیا را به‌طور امن و در طیف‌های مجوزدار مدیریت کند. در گذشته، شبکه‌هایی برای برنامه‌های کاربردی و مصارف اینترنت اشیا طراحی‌شده که هزینه پایینی داشته و به تبادل اطلاعات با سرعت‌های کمتر به همراه باتری‌هایی با طول عمر بالاتر نیاز دارند. این شبکه‌ها از راه دور و بسیار سخت در دسترس قرار می‌گیرند. این مشکلات موجب شد، اپراتورها نتوانند مطابق انتظار اینترنت اشیای موبایل را توسعه دهند. در حال حاضر، شبکه‌های سلولی در حال متحول‌شدن هستند. میلیاردها دستگاه جدید به شبکه‌های موبایل افزوده‌شده که باید در شبکه 5G به یکدیگر متصل باشند و از خدمات اینترنت اشیا سود ببرند. اکنون دیگر شبکه‌های NB-IoT و LTE-M با نسل جدید شبکه‌های موبایل تعارض یا عدم سازگاری ندارند؛ بلکه در آن ادغام شده و بخشی کلیدی از اینترنت اشیا 5G را تشکیل می‌دهند. موسسه 3GPP برای اطمینان از پشتیبانی سیستم 5G از فناوری‌ها و شبکه‌های NB-IoT و LTE-M، در حال بررسی گزینه‌هایی در هسته شبکه‌های 5G است که از طیف‌های رادیویی این شبکه‌ها پشتیبانی شود. این تلاش 3GPP راه را برای اپراتورها هموار می‌کند تا بتوانند باندهای رادیویی 5G NR را باوجود شبکه‌های NB-IoT و LTE-M به کار گیرند و توسعه دهند.