LPWAN شبکه‌هایی برای اینترنت اشیا
شبکه‌های ‌گسترده کم‌توان چه شبکه‌هایی هستند؟
اینترنت اشیا آمده است تا زندگی بشر را در همه ابعاد دگرگون سازد. این پارادایم نوین می‌تواند در رفع بسیاری از چالش‌های اساسی بشر از جمله انفجار جمعیت، بحران انرژی و آلودگی‌های زیست‌‌محیطی یاری‌بخش باشد. با وجود این چشم‌انداز امیدبخش، طراحی و پیاده‌سازی شبکه‌هایی برای اتصال اشیا در مقیاس مکانی گسترده و با مصرف انرژی محدود، خود یک چالش به شمار می‌آید. در این راستا شبکه‌های ‌گسترده کم‌توان (Low Power Wide Area Networks یا به اختصار LPWAN) ارائه شده‌اند که در این نوشتار ویژگی‌های آن‌ها را بررسی خواهیم کرد.

ضرورت شکل‌گیری

برای شروع بحث بد نیست به ویژگی‌های شبکه‌های مخابرات سلولی (شبکه موبایل) نگاهی داشته باشیم و ببینیم این شبکه‌ها برای اینترنت اشیا کاملاً مناسب هستند یا خیر. شبکه‌های موبایل برای تأمین نیاز روزافزون بشر به انتقال حجم زیادی از اطلاعات به‌صورت بی‌سیم پدید آمده‌اند و هزینه (و به‌تبع آن مصرف انرژی) در اولویت اول طراحی قرار نداشته است. در واقع، کاربران برای رفاه و آسایش خود حاضرند بهای نصب تجهیزات را به اپراتورها بپردازند و مصرف انرژی زیاد را تحمل کنند. اما در اینترنت اشیا هدف چیز دیگری است: نخست اینکه اشیا می‌خواهند محیط پیرامون خود را حس یا تغییری در آن ایجاد کنند که برای این منظور معمولاً نرخ بالایی مورد نیاز نیست. همچنین، با توجه به تعداد زیاد اشیا هزینه نصب و پیاده‌سازی نباید زیاد باشد. در نتیجه، شبکه‌های LPWA با این اهداف طراحی شده‌اند. پیش‌بینی شده است که در آینده، یک چهارم از 30 میلیارد دستگاه متصل به اینترنت اشیا از این شبکه‎ها برای تبادل اطلاعات استفاده کنند. در این شبکه‌ها چند ویژگی خاص مشاهده می‌شود که در سایر شبکه‌های بی‌سیم اگرچه ممکن است برخی از آن‌ها برقرار باشند، اما مجموعه کامل این ویژگی‌ها موجود نیست. در ادامه این ویژگی‌ها بیان خواهد شد.
1- برد جغرافیایی در حدود چند کیلومتر تا ده‌ها کیلومتر که نه‌تنها هزینه نصب زیرساخت را کاهش می‌دهد، بلکه برای اشیا تحرک بدون دردسر را فراهم می‌سازد. این قابلیت به‌خصوص در کاربردهایی مثل مانیتورینگ گونه‌های حیوانات در حال انقراض در طبیعت برجسته است. در این کاربرد، حسگرهایی به حیوانات در حال انقراض متصل می‌شود تا از مکان و سلامتی آن‌ها اطلاع کافی حاصل شود. حیوانات در طبیعت از نقطه‌ای به نقطه دیگر حرکت می‌کنند و نصب تعداد زیادی آنتن در طبیعت یک اقدام مخرب به شمار می‌آید.
2- عمر باتری ده سال یا بیشتر که بدیهی است هزینه نگهداری مجموعه را کاهش می‌دهد و یک ویژگی ضروری برای کاربردهایی است که دسترسی به اشیا در آن‌ها دشوار یا غیرممکن است، از جمله تجهیزات حوزه سلامتی. برای مثال نمی‌توان باتری حسگری را که در قلب بیمار تعبیه می‌شود، عوض کرد.
3- هزینه نصب و نگهداری ناچیز به‌عنوان یک ضرورت برای موفقیت تجاری شبکه‌های LPWA. در واقع لازم است هزینه کارت شبکه هر شیء متصل به شبکه در این مجموعه در حد چند دلار باشد. همچنین برقراری ارتباط نیز باید هزینه ناچیزی داشته باشد.
4- مقیاس‌پذیری بالا برای توانایی سرویس‌دهی به تعداد انبوه اشیا متصل به شبکه. برای مثال در یک خانه هوشمند ممکن است پنج نفر زندگی کنند، اما ده‌ها دستگاه مختلف به شبکه متصل باشند.
در بخش بعدی به برخی راهکارها در جهت برآورده‌سازی ویژگی‌های ذکر شده اشاره خواهد شد.

مطلب پیشنهادی

شبکه نظیر به نظیر P2P چیست و چرا مفید است؟

راهکارهایی برای ایجاد LPWAN

برای ایجاد برد جغرافیایی وسیع، معمولاً از فرکانس زیر 1 گیگاهرتز استفاده می‌شود. بسیاری از فناوری‌های بی‌سیم از فرکانس‌های بالاتر استفاده می‌کنند، برای مثال زیگبی و وای‌فای در فرکانس 2.4 گیگاهرتز کار می‌کنند. هرچه فرکانس کاری افزایش یابد، نرخ افزایش می‌یابد و در عین حال تضعیف بیشتر خواهد شد. ممکن است در بسیاری از مراجع (از جمله مطالبی که در ماهنامه شبکه منتشر شده است) خوانده باشید که تمایل به فرکانس‌های خیلی بالا ـ حتی فرکانس‌های در حد چند ده گیگاهرتز ـ رو به گسترش است. این دو رویکرد منافاتی با یکدیگر ندارند و ناشی از دو کاربرد متفاوت هستند: یکی برای ایجاد ارتباط با نرخ بالا در فواصل کم و دیگری برای ارتباط نرخ پایین در فواصل بسیار زیاد. در شکل 1، مقایسه‌ای از نظر پهنای باند (محور عمودی) و برد جغرافیایی (محور افقی) بین فناوری‌های مختلف ارتباط بی‌سیم مشاهده می‌شود. به جایگاه LPWA در این نمودار دقت کنید. نماد 2G تا 5G شبکه‌های موبایل نسل دوم تا پنجم را نشان می‌دهد و 802.11 همان استاندارد وای‌فای است. 
برای دستیابی به مصرف توان پایین نیز تدابیری اندیشیده شده است. یکی اینکه همه دستگاه‌ها مستقیم به ایستگاه پایه (BS) متصل شوند، چراکه ارتباطات به‌صورت چندگامی انرژی زیادی را مصرف می‌کند. یادآوری می‌شود در ارتباطات چندگامی هر دستگاه باید در انتقال اطلاعات دستگاه‌های دیگر نیز مشارکت کند. بنابراین، توپولوژی شبکه‎های LPWA به‌صورت ستاره‌ای است که ایستگاه پایه در مرکز آن قرار دارد.  

راهبرد دیگر برای محدودسازی مصرف توان در LPWAN، استفاده از تکنیک چرخه کار است، بدین معنا که بخش مخابراتی دستگاه‌ها تنها در زمان تبادل اطلاعات روشن می‌شوند که کاهش مصرف انرژی را در پی خواهد داشت. البته هماهنگی میان ایستگاه پایه و اشیا برای از دست نرفتن اطلاعات ارسال ‌شده از سوی ایستگاه پایه لازم است.

مطلب پیشنهادی

از استانداردهای وای‌فای IEEE 802.11 چه می‌دانید؟
استاندارد محبوب 802.11 که وای‌فای را در دسترس ما قرار داده است

در LPWAN پروتکل‌های ساده‌ای برای مدیریت دسترسی به کانال لازم است و پروتکل‌هایی که بر مبنای تشخیص آزاد بودن کانال قبل از ارسال عمل می‌کنند، بیش از حد پیچیده هستند. برخی از راهکارهایی که در این حوزه تعریف شده است، از مکانیسم ساده ALOHA بهره می‌برند که در توضیح آن باید گفت دستگاه‌ها در هر زمان که داده‌ای آماده برای ارسال داشته باشند، بدون ملاحظه وضعیت کانال آن را ارسال می‌کنند. اگر تصادمی رخ داد، پس از چند لحظه دوباره آن را ارسال می‌کنند تا درنهایت موفق شوند. این شیوه بازدهی کمی دارد، اما ساده است و چون نیاز به بررسی وضعیت کانال ندارد، مصرف انرژی کمی دارد. یک راهکار دیگر برای کاهش مصرف توان در اشیا، انتقال برخی پردازش‌های سنگین به نقطه مرکزی در شبکه است. برای مثال، تعیین پارامترهای ارتباطی نظیر کانال فرکانسی بر عهده ایستگاه پایه قرار بگیرد. البته گاهی انجام پردازش در اشیا به‌صرفه است، چراکه معمولاً محاسبات انرژی کمتری نسبت به تبادل اطلاعات نیاز دارد. اینکه پردازش اولیه اطلاعات در دستگاه انجام شود یا اطلاعات کاملاً خام فرستاده شود، پاسخ قطعی ندارد و به کاربرد وابسته است.

مطلب پیشنهادی

شبکه مش بلوتوث چیست و چگونه کار می‎کند؟
نبردی تنگاتنگ بین استانداردهای بی‌سیم

محدود نگه‌ داشتن هزینه نیز هنر مهندسان را می‌طلبد. روش‌های کاهش مصرف انرژی می‌تواند برای این منظور مفید باشد، زیرا انرژی بدون صرف هزینه به دست نمی‌آید. کاهش تعداد ایستگاه‌های پایه که با تکنیک‌های افزایش برد جغرافیایی شبکه حاصل می‌شود، یک رویکرد دیگر برای مدیریت هزینه راه‌اندازی سیستم است. درنهایت باید به فضای فرکانسی اشاره کرد که یکی از هزینه‌های اصلی در شبکه‌های بی‌سیم به حساب می‌آید. در فناوری‌های موجود معمولاً از فرکانس‌های آزاد استفاده می‌شود که نیاز به خرید مجوز ندارد، اما گاهی استفاده از فرکانس انحصاری در کاهش تداخل و رفع مشکلات بعدی مؤثر است. در بخش بعدی فرکانس کاری برخی از محصولات موجود در این حوزه را بیان خواهیم کرد. برای مقیاس‌پذیری شبکه به میزان مورد نیاز، لازم است ایستگاه‌های پایه بتوانند از طیف وسیعی از تجهیزات پشتیبانی کنند؛ بنابراین، ارتباطات چندآنتنه و چندکانالی مطلوب است. همچنین دستگاه‌ها نیز در صورت پشتیبانی از تغییر فرکانس یا توان، می‌توانند روی فرکانس یا توان بهینه تنظیم شوند. البته این رویکرد موجب پیچیدگی دستگاه‌ها می‌شود و هزینه را افزایش می‌دهد و یک نقطه مصالحه بین مقیاس‌پذیری و سادگی مطلوب است. درنهایت باید به تراکم بسیار زیاد در اینترنت اشیا اشاره کرد که یک عامل محدودکننده برای مقیاس‌پذیری به شمار می‌آید. این مسئله همچنان یک چالش محسوب می‌شود و بعداً آن را بررسی خواهیم کرد.
در بخش بعدی به برخی فناوری‌هایی که به‌عنوان LPWAN تعریف شده‌اند، اشاره خواهیم کرد و مقایسه‌ای بین آن‌ها خواهیم داشت.

مطلب پیشنهادی

فریمور (Firmware) مودم چیست و چگونه می‌توان آن را آپدیت کرد؟
به روزرسانی سفت‌افزار چه ثاثیری بر عملکرد مودم دارد؟

فناوری‌های مرسوم

فناوری‌های مرسوم برای ایجاد شبکه‌های LPWA به دو دسته انحصاری و فناوری‌های باز (استاندارد) تقسیم می‌شوند. این راهکارها را می‌توان از جنبه‌های مختلف نظیر فرکانس کاری، نرخ، برد جغرافیایی، تعداد کانال و بسیاری موارد دیگر مقایسه کرد. در این بخش تنها چند نمونه را برای آشنایی بررسی خواهیم کرد.


در دسته اول، فناوری SIGFOX قابل ذکر است که با ایجاد یک مجموعه ایستگاه پایه، به‌صورت رادیوشناختی از فرکانس‌های آزاد زیر 
یک گیگاهرتز بهره می‌برد. بازه فرکانسی این فناوری برابر 100 هرتز است که موجب کاهش نویز و تداخل می‌شود و در عین حال نرخ حداکثر 100 بیت بر ثانیه را فراهم می‌کند. مسلماً این نرخ تنها برای کاربردهای کنترلی مناسب است. همچنین در حالت ارتباط فراسو (از اشیا به مرکز) تنها 140 عدد پیغام 12 بایتی در طول شبانه‌روز قابل ارسال است. برد ایستگاه‌های SIGFOX نیز 10 کیلومتر برای نواحی شهری و 50 کیلومتر برای نواحی روستایی است. LORAWAN یک فناوری لایه فیزیکی است که از تکنیک طیف گسترده انحصاری خود بهره می‌برد. در این تکنیک، طیف فرکانسی سیگنال پخش می‌شود تا در برابر تداخل مقاوم باشد. با این فناوری نرخ حداکثر 37.5 کیلوبیت بر ثانیه قابل دستیابی است و برد آنتن آن 5 و 15 کیلومتر به‌ترتیب برای نواحی شهری و روستایی است که نسبت به SIGFOX خیلی کمتر است. نهادهای استانداردسازی همچون IEEE و 3GPP نیز پیشنهادهایی برای ایجاد شبکه‌های LPWA ارائه کرده‌اند. یکی از گزینه‌ها که توسط 3GPP ارائه شده است، استاندارد NarrowBand IoT (یا به اختصارNB-IoT) است که از نام آن مشخص است برای اینترنت اشیا طراحی شده است. همچنین عبارت NarrowBand به محدود بودن باند فرکانسی اشاره دارد. در واقع، این فناوری از فضاهای خالی یا بدون استفاده در بازه فرکانسی مورد استفاده در نسل چهارم شبکه‌های موبایل (LTE) بهره می‌برد. در شکل 3 فضای فرکانسی شبکه LTE را به همراه NB-IoT نشان می‌دهد. در قسمت بالا از فضای محافظ بین دو کانال مختلف استفاده شده است، اما در قسمت پایین اطلاعات روی همان فرکانس کاربران شبکه موبایل ارسال می‌شود که مدیریت تداخل را ضروری می‌سازد.
فناوری‌های دیگری (چه از نوع انحصاری و چه استاندارد) موجود است که بررسی آن‌ها از حوصله این متن خارج است. 

مطلب پیشنهادی

7 گام بهینه‌سازی شبکه برای VoIP
آشنایی با چالش‌های پیاده‌سازی تماس‌های صوتی و تصویری در کسب‌ و کارها

چالش‌های موجود

یکی از تفاوت‌های اینترنت اشیا با شبکه‌های بی‌سیم مرسوم، تراکم کاربران آن‌ها است. در ابتدای متن به این موضوع اشاره کردیم که تراکم تجهیزات متصل به شبکه در اینترنت اشیا می‌تواند ده‌ها برابر یک شبکه با کاربران انسانی باشد. یکی از تبعات این ویژگی، بروز تداخل شدید به‌خصوص در شبکه‌های با فرکانس غیرانحصاری است. راهکارهای متنوعی در این زمینه تحت بررسی و ارزیابی است که می‌توان به دسترسی به پهنای باند فرصت‌طلبانه، پرش فرکانسی و ایستگاه‌های پایه با چند مودم اشاره کرد.
یکی دیگر از چالش‌های موجود، رقابت شدید بین تولیدکنندگان مختلف است که به تولید محصولات متنوع و ناسازگار منجر خواهد شد. دو راهکار اساسی برای ایجاد سازگاری میان محصولات مختلف، تکنیک مجازی‌سازی و استفاده از میان‌افزار است.
یکی دیگر از موضوعاتی که هنوز به نتیجه قابل قبول نرسیده است، مکان‌یابی اشیا در شبکه‌های LPWA است. مکان‌یابی معمولاً با بررسی مشخصات سیگنال دریافتی و زمان انتشار سیگنال انجام می‌شود که با توجه به محدود بودن پهنای باند و نبود مسیر مستقیم بین دستگاه‌ها و ایستگاه پایه یک چالش واقعی در LPWAN به شمار می‌آید.
امنیت نیز در همه شبکه‌ها یک چالش به شمار می‌آید، به‌خصوص در شبکه‎‌های LPWA که قرار است کم‌هزینه باشند و بنابراین پروتکل‌های ساده‌تر برای احراز اصالت و رمزگذاری مطلوب است. مطالعه‌ای که روی فناوری SIGFOX و LORAWAN انجام شده است، نشان می‌دهد اطلاعات در این دو فناوری اصلاً رمزگذاری نشده و شنود آن کاملاً امکان‌پذیر است.
چالش‌های دیگری نیز برای پیاده‌سازی شبکه‌های LPWA به صورتی که اهداف را برآورده سازد، وجود دارد که خواننده علاقه‌مند می‌تواند به مرجع این متن مراجعه کند.

مطلب پیشنهادی

6 مسیری که استراتژی ابری امروزه را تشکیل می‌دهند
استراتژی سازمان‌ها در ارتباط با خدمات ابری

سخن آخر

برای هر مسئله‌ای که در دنیای فناوری مطرح می‌شود، پاسخی متناسب با آن را باید ارائه کرد. اینترنت اشیا نیز یکی از مسائلی است که نیاز به تدبیر و چاره‌اندیشی مهندسان شبکه دارد. در واقع، اهدافی که در اینترنت اشیا مد نظر است، در بسیاری از زمینه‌ها با اهداف شبکه‌های مرسوم هم‌خوانی ندارد و از این بابت یک مسئله جدید به شمار می‌آید. نرخ تبادل اطلاعات، مصرف انرژی، هزینه پیاده‌سازی و گستره جغرافیایی شبکه از جمله مواردی است که باید در طراحی شبکه‌های مختص اینترنت اشیا مورد توجه قرار داد.
شبکه‌های ‌گسترده کم‌توان از جمله راهکارهایی هستند که برای اینترنت اشیا ارائه شده‌اند و در این نوشتار مورد بررسی قرار گرفت و تلاش شد تفاوت آن با سایر شبکه‌ها مشخص شود.

برچسب: