شبکه گسترده LPWAN چیست؟

منظور از Lpwan چیست؟

شبکه گسترده LPWAN کم توان اشاره دارد که نام کامل آن Low power wide area network می باشد. در شبکه دور برد کم مصرف سرعت انتقال داده در هر یک از کانال ها، در بازه ۰.۳ تا ۵۰ کیلوبیت بر ثانیه می‌باشد.

از این شبکه برای رفع نیازها در ارتباطات بین ماشین (M2M) و شبکه های اینترنت اشیاء (IoT) استفاده می‌شود. علاوه بر این یک شبکه گسترده کم مصرف، ممکن است جهت ایجاد یک حسگر شبکه بی‌سیم نیز مورد استفاده قرار گیرد.

مهمترین مزیت‌های شبکه‌های LPWAN چیست؟

شبکه‌های LPWAN از مزایای مختلفی بهره‌مند هستند که در ادامه چهار مورد از مهمترین‌هایشان را بیان خواهیم نمود:

۱- دوربرد: در این شبکه‌ها، محدوده عملیاتی می‌تواند از چند کیلومتر در مناطق شهری تا ۱۰ کیلومتر در مناطق روستایی گسترش یابد.

2- انتشار امواج با مقاومت بالا: مقاومت بالا در انتشار امواج شبکه های LPWAN امکان رسیدن سیگنال‌ها را به اعماق زمین فراهم آورده است. به طوری که می‌توان از آن‌ها برای اتصال کنتورهایی که زیر زمین قرار دارند و یا حتی سنسورهای پایش لوله‌های فاضلاب بهره گرفت.

3- هزینه پایین: در شبکه های LPWAN پروتکل ها بسیار ساده و سبک بوده و از پیچیدگی در طراحی خبری نیست. از این رو نیاز به سخت‌افزار و تجهیزات گران‌قیمت کاهش یافته است. در واقع استفاده از توپولوژی ستاره‌ای، در محدوده‌های طولانی و باندهای فرکانسی رایگان، نیاز به تجهیزات زیربنایی گران را تا حد زیادی کاهش داده است.

4- کم مصرف: دیگر ویژگی شبکه های LPWAN، کم مصرف بودنشان است. به طوری که فرستنده‌های این شبکه با باتری‌های کوچک و ارزان تا 20 سال قابلیت کار کردن دارند.

چرا به شبکه دوربرد کم توان احتیاج داریم؟

فناوری شبکه دوربرد کم توان امکان تقویت راهکارهای تجاری IoT را در بر دارد. در واقع این شبکه بی سیم بسیار مقرون به صرفه بوده و کارآمدی بالایی برای سیستم به همراه خواهد داشت. امکان دسترسی جهانی در شبکه های LPWAN و امنیت بالای داخلی آن را به انتخابی ایده‌آل برای دستگاه‌های M2M و IoT تبدیل نموده است. این شبکه‌های قادر به کاهش مصرف انرژی و برقراری ارتباط بی سیم دوربرد می‌باشند.

شبکه گسترده LPWAN تا چه اندازه کارآمد است؟

یکی از مهم‌ترین مزیت‌های شبکه های LPWAN ، طول عمر بالای باتری در دستگاه‌های IoT می‌باشد. به طوری که با یکبار شارژ کامل باتری، دستگاه‌ها تا سقف حداقل ۱۰ سال بدون مشکل به کار خود ادامه می‌دهند. از این رو آن را برای شبکه‌هایی با محدودیت جابجایی که فاقد منبع قدرت قابل اطمینان هستند، به کار می‌گیرند. به طور مثال در دستگاه‌های اندازه‌گیری، شهر هوشمند، مسیریابی و ردیابی، کشاورزی هوشمند، برنامه‌های کاربردی در ساختمان‌های هوشمند و … شاهد استفاده از شبکه‌های دوربرد کم توان هستیم.

روش انتقال داده در فناوری LPWAN به صورت بسته‌های داده متناوب و کوچک است. از این رو سرعت انتقال و کارایی شبکه افزایش خواهد یافت. علاوه بر این قدرت و پهنای باند بالا در این شبکه‌ها، موجب کاهش نیاز به زیرساخت‌های گران قیمت و سخت‌افزارهای مختلف جهت راه‌اندازی یک شبکه دوربرد کم مصرف شده است. از این رو با صرف هزینه کمتر، کارایی بیشتری نصیب شبکه می‌گردد.

سه پروتکل برتر شبکه گسترده LPWAN کدام‌اند؟

در حال حاضر برای شبکه های LPWAN ، پروتکل‌ها و فناوری‌های مختلفی وجود دارد که مهم‌ترین تفاوتشان در طیف فرکانسی مورد استفاده می‌باشد. برخی از این شبکه‌ها از باندهای بدون مجوز (ISM) استفاده می‌کنند. بدیهی است بهره‌مندی از طیف فرکانسی رایگان، موجب ایجاد مسیر راحت و سریع برای ورود به بازار می‌شود. برخی دیگر نیز از باندهای دارای مجوز برای انتقال داده بهره می‌برند. این تنوع در ارسال داده‌ها، یکی از دلایل محبوبیت شبکه‌های گسترده کم مصرف است. با این حال هر کدام از پروتکل‌های معرفی شده برای این شبکه‌ها، دارای مزایا و معایب مخصوص به خود هستند. اما در ادامه ما قصد داریم سه مورد از بهترین پروتکل‌ها و فناوری‌های معرفی شده در شبکه دوربرد کم توان را بررسی نماییم.

1- شبکه سیگفاکس (SigFox)

شرکت فرانسوی سیگفاکس در سال 2009 با هدف رفع نیاز به شبکه‌ای کم توان و با نرخ داده کم در دستگاه‌های مبتنی بر اینترنت اشیاء، اقدام به ایجاد پروتکل SigFox برای شبکه گسترده LPWAN نمود. این پروتکل داده‌ها را تا حجم 12 بایت، در باندهای فرکانسی بدون مجوز و از طریق مدولاسیون باند فوق باریک (Ultra Narrow Band یا UNB) منتقل می‌کند. به همین سبب داده‌ها در یک محدوده وسیع و با سرعت کم و مقاوم در برابر نویز و تضعیف درون شبکه ارسال می‌شوند.

2- شبکه NB-IoT

سازمان استانداردسازی GPP3 پس از مشاهده نیاز گسترده به فناوری‌های LPWAN، تصمیم به ایجاد یک پروتکل دوربرد توان پایین گرفت و به این ترتیب شبکه NB-IoT روی کار آمد. در این شبکه اتصال میان سرویس‌ها و دستگاه‌ها از طریق شبکه‌های سلولی اپراتورهای موبایل فراهم می‌آید. تمرکز اصلی این پروتکل بر روی پوشش‌دهی خارجی، قیمت پایین، طول عمر بالای باتری و تعداد زیاد اتصالات می‌باشد. با وجود این که NB-IoT یکی از زیرمجموعه‌های استاندارد LTE است، اما در محدوده باند باریک 200 KHz فعالیت می‌کند.

3- شبکه لورا (LoRaWAN)

پروتکل LoRaWAN نوعی شبکه گسترده با توان پایین است که در باند بدون نیاز به مجوز فعالیت می‌کند. این شبکه قادر به ارسال داده‌هایی تا حجم 243 بایت است. البته باید بدانید برخی این پروتکل را به اختصار لورا می‌نامند. اما LoRa در حقیقت یک فناوری در لایه فیزیکی شبکه است که پروتکل LoRaWAN بر مبنای آن ارائه شده است.

تکنولوژی LoRa چیست؟

تکنولوژی LoRa که نام آن از عبارت Long Range گرفته شده است، در سال 2015 توسط اتحادیه انجمن باز و غیرانتفاعی به جهت ایجاد استاندارد در شبکه های دوربرد کم توان معرفی شد. از جمله اعضای این اتحادیه می توان به ارائه‌دهندگان راه‌حل‌های اینترنت اشیاء مانند IBM، Cisco، Semtech، Kerlink و اپراتورهایی از جمله Telecom، SingTel، Proximus و FastNet اشاره نمود. این تکنولوژی می‌تواند انتقال داده با برد بسیار دور (بیش از 10 کیلومتر در مناطق روستایی) با مصرف انرژی کم را فراهم آورد.

فناوری لورا پوشش‌دهنده لایه فیزیکی است، در حالی که پروتکل های دیگر از جمله LoRaWAN لایه‌های بالایی را پوشش می‌دهند. LoRa مبتنی بر تکنیک‌های مدولاسیون طیف گسترده‌ای است که از Chirp یا Spread Spectrum Communication بهره می‌برد. از این فناوری برای ایجاد ارتباطات داده بی‌سیم در شبکه‌های اینترنت اشیاء استفاده می‌شود.

انتقال داده در فناوری LoRa از طریق باند فرکانس رادیویی زیر گیگاهرتز بدون مجوز صورت می‌پذیرد. از جمله این باندهای فرکانسی میتوان به 169 مگاهرتز، 433 مگاهرتز، 868 مگاهرتز (مخصوص اروپا) و 915 مگاهرتز (مخصوص آمریکای شمالی) اشاره نمود. در حقیقت باندهای فرکانسی در روش لورا، در هر منطقه جغرافیایی متفاوت است.

ملاحظات پهنای باند LoRaWAN

در شبکه‌های LoRaWAN داده‌ها در قالب بایت و به صورت دیجیتالی منتقل می‌شوند. حداکثر حجم قابل انتقال داده در این شبکه‌ها حدود 100 بایت می‌باشد. البته در آزمایش‌ها مشخص شده که می‌توان کمی بالاتر از این عدد نیز داده منتقل نمود اما حد قابل اعتماد آن همان 100 بایت است. علاوه بر این آزمایش‌ها نشان داده، انتقال داده‌های 100 بایتی در هر 7 ثانیه به پایان می‌رسد. اما در شبکه‌های عملی توصیه می‌شود هر یک دقیقه یکبار داده با حجم 100 بایت درون باند انتقال یابد.

شبکه LoRaWAN چه مزیت‌هایی دارد؟

مصرف کم سنسورها و سطح پوشش گسترده در حد چند کیلومتر
قابلیت کار با فرکانس‌های رایگان و بدون مجوز به جهت کاهش هزینه‌ها
هزینه اتصال بسیار کم
پشتیبانی از ارتباطات بی‌سیم
قابلیت برقراری ارتباط کاملا دوطرفه میان دستگاه‌ها
ماندگاری بالای باتری دستگاه‌ها به لحاظ مصرف پایین شبکه
برخورداری از معماری ساده و سبک و دوری از پیچیدگی در طراحی‌ها
دارای یک لایه امنیتی برای شبکه و یکی برای برنامه با رمزگذاری AES
مناسب استفاده در شبکه‌های M2M و IoT

شبکه LoRaWAN چه معایبی دارد؟

عدم مناسب بودن برای انتقال بارهای بزرگ داده و محدودیت در حجم بسته‌های داده
دارای تاخیر زمانی در انتقال داده‌ها
باز بودن فرکانس‌ها امکان مداخله در فرکانس و کاهش سرعت انتقال داده را در پی دارد.
نیازمند به نظارت مستمر
هنگام ایجاد تراکم در شبکه‌های LoRaWAN و استقرار دروازه‌ها در مناطق شهری، چالش‌های فراوانی به وجود می‌آید.

معرفی چند اصطلاح کاربردی در شبکه گسترده LPWAN

در ادامه چند مورد از اصطلاحاتی که در شبکه LPWAN کاربرد دارند را معرفی خواهیم نمود:

1- Symphony Link

Symphony Link نوعی پروتکل ارتباطی منبع‌باز شبیه به لایه ارتباطی LoRaWAN می‌باشد که توسط شرکت Link Labs تعریف شده است. این پروتکل در حقیقت راه‌حلی بی‌سیم برای مشتریان سازمانی و صنعتی است که از طریق AirFinder، از دارایی‌ها در فضای ابری به صورت ایمن محافظت می‌کند.

به کمک Symphony Link می‌توانید محدوده شبکه را بدون افزایش میزان تاخیر، گسترش داده و فرکانس‌ها، بازه‌های زمانی، امتیاز گره و توان را مدیریت نمایید. علاوه بر این در پروتکل مورد نظر امکان فعال کردن وصله‌های امنیتی به جهت کاهش منابع و مدیریت بهتر وجود دارد.

2- دروازه یا Gateway

سنسورهای فناوری LoRa، داده‌های مورد نظر را به سمت دروازه (Gateway) منتقل می‌کنند. این دروازه‌ها به کمک پروتکل استاندارد IP، به اینترنت متصل شده و داده‌های دریافتی را به سمت سرور یا ابر ارسال می‌نمایند. دستگاه‌های Gateway همواره به یک منبع تغذیه متصل بوده و همانند یک پل میان شبکه و سرور ارتباط ایجاد می‌کنند. این دستگاه‌‌ها قابلیت به تبدیل بسته‌های RF به IP و برعکس آن را دارند.

۳- سرورهای شبکه در شبکه گسترده LPWAN

سرورهای شبکه قابلیت اتصال به درگاه‌ها را داشته و از این طریق بسته‌ها داده dup را به سمت برنامه مربوطه هدایت می‌کنند. این سرورها جهت برقراری ارتباط uplink (ارتباط از سنسور به برنامه) و downlink (ارتباط از برنامه به سنسور) به کار برده می‌شوند. علاوه بر این سرور شبکه مجهز به روتر، بروکر و هندلر بوده و می تواند داده‌های ارسالی از سوی دروازه LoRaWAN را مورد پردازش قرار دهد و از یک پل AWS برای اتصال میان TTN به پلتفرم AWS IOT استفاده می‌کند.

۴- سرورهای برنامه

این برنامه به طور معمول قادر است بر روی پلتفرم‌های اینترنت اشیا نظیر AWS IoT، Lambda، DynamoDb یا S3 ایجاد گردد.

سخن پایانی

شبکه LPWAN یک فناوری دوربرد با توان کم است که توسط پروتکل‌های مختلفی اداره می‌شود. علاوه بر این شبکه های گسترده کم مصرف، انتخابی ایده‌آل برای برقراری ارتباط در شبکه‌های M2M و اینترنت اشیاء است.

شبکه گسترده کم مصرف (LPWAN) چیست؟