[ez-toc]

مقدمه: LPWAN چیست و چه نقشی در اینترنت اشیاء دارد؟

LPWAN (Low Power Wide Area Network) مجموعه‌ای از فناوری‌های مخابراتی کم‌مصرف با برد بلند است که به‌طور ویژه برای ارتباط میان دستگاه‌های IoT و M2M با نرخ داده پایین و عمر باتری طولانی طراحی شده‌اند. این فناوری‌ها پاسخی به نیازهای روزافزون برای ایجاد شبکه‌های گسترده، ارزان‌قیمت و مقاوم در برابر محدودیت‌های محیطی هستند.

بسترهای مخابراتی LPWAN به طور کلی برای توسعه شبکه در کاربردهای اینترنت اشیاء به دستگاه­های مورد نیاز است که دارای پیچیدگی پایین و مصرف انرژی کم باشند. هم­اکنون برای مخابره برد کوتاه فناوری­هایی مانند WLAN (IEEE 802.11) و بلوتوث (IEEE 802.15.1) با سرعت بالای مخابره اطلاعات و ZigBee (IEEE 802.15.3) و LR-WPAN با سرعت مخابره پایین (با برد حدود چند صدمتر در محیط محلی متناسب با در دید مستقیم بودن، توان ارسالی، تداخل و…) استفاده می­شوند. در مقابل فناوری سلولی 2G، 3G، 4G و 5G برای مخابره برد بلند برای انتقال پیام­های صوتی و داده استفاده می­شوند که پهنای باند زیادی مصرف می­کنند.

برای پاسخگویی به نیازمندی­های مختلف IIOT، فناوری­های LPWAN  تکامل پیدا کردند. این فتاوری­ها در کلاس دیگری از فناوری­های اینترنت اشیاء با مشخصه­های پوشش گسترده، نرخ ارسال اطلاعات پایین، بسته­های اطلاعاتی با طول کم و طول عمر باتری بالا طبقه بندی می­شوند. در حال حاضر این فناوری­ها در کشورهای مختلف توسعه داده شده­اند و نتایج حاکی از پتانسیل بالای این فناوری در کاربردهای IIOT و M2M مخصصوصاً در محیط­های با محدودیت است. در شکل زیر مقایسه بین برد و پهنای باند فناوری­های مختلف آورده شده است.

 معرفی فناوری‌های LPWAN

بر خلاف فناوری‌هایی مانند Wi-Fi، بلوتوث و ZigBee که برای برد کوتاه و محیط‌های محلی طراحی شده‌اند، فناوری‌های LPWAN قابلیت پوشش گسترده و مصرف توان بسیار پایین را دارند. مهم‌ترین فناوری‌های شناخته‌شده LPWAN عبارتند از:

🔹 LoRaWAN

• برد بالا (تا چند کیلومتر)

• مناسب برای مناطق دورافتاده

• استفاده از باند ISM بدون نیاز به مجوز

🔹 Sigfox

• نرخ داده بسیار پایین

• مناسب برای پیام‌های کوچک (پینگ یا آلارم)

• ساختار بسیار ساده

🔹 NB-IoT

• مبتنی بر شبکه سلولی (LTE/5G)

• امنیت بالا و پوشش بسیار وسیع

• مناسب برای محیط‌های داخلی و زیرزمینی

 ویژگی‌های عمومی فناوری‌های LPWAN

 شاخص‌های انتخاب فناوری LPWAN برای کاربردهای مختلف

 مقایسه LPWAN با سایر فناوری‌های بی‌سیم

 توپولوژی‌های شبکه در LPWAN

 توپولوژی ستاره‌ای

• ساده، کم‌مصرف، و مناسب برای سناریوهای تک‌مسیره

• هر گره فقط به گیت‌وی متصل می‌شود

• مناسب برای شبکه‌های با تراکم بالا

 توپولوژی مش

• ارتباط بین گره‌ها با قابلیت مسیریابی

• خودترمیم و مقیاس‌پذیر

• مصرف انرژی بالاتر و تأخیر بیشتر

 پارامترهای کلیدی طراحی شبکه LPWAN

در سال­های اخیر فناوری­های مهمی چون LoRaWAN، Sigfox و NB-IOT در بازار تجاری خود را تثبیت کرده­اند. این فناوری­ها از حیث دسترس­پذیری و انطباق، امنیت و استانداردسازی، کارایی و اثربخشی تفاوت­هایی دارند. پوشش، ظرفیت، هزینه و توان مصرفی پایین اولین دغدغه­ی LPWANها هستند. هرچند هر کدام از راه­کارهای LPWAN مصالحه بین نیازمندی­های مختلف دارند، مثلا پوشش در مقابل هزینه. بنابراین هر کدام از فناوری­ها می­تواند متناسب با نوع کاربرد و ویژگی­های مورد نظر برای اپلیکیشن خاصی سفارشی­سازی شود.

پوشش برای همه‌ی فناوری‌های LPWAN ارزش اساسی دارد؛ اما تعریف پوشش ممکن است متفاوت باشد. به عنوان مثال، برای یک کاربرد خاص، تعداد دستگاه‌هایی که باید پشتیبانی شوند، مهم است و برای دیگری، ناحیه‌ی جغرافیایی تحت پوشش مورد توجه قرار می‌گیرد.

مصرف توان پایین برای کاربردهایی که محدودیت دسترسی به منبع تغذیه دارند، بسیار مهم  است و طول عمر بالای 10 سال برای این کاربردها مناسب است.

در کاربردهایی که تعداد زیاد دستگاه بایستی در شبکه قرار بگیرند هزینه، فاکتور بسیار مهمی است. بنابراین برای طراحی شبکه و معماری کلان بایستی ملاحظات مختلف را در نظر گرفت.

شاخص‌های کاربردهای مختلف LPWAN

تعریف هر کدام از شاخص ها

همان­طور که پیش از این مطرح شد، هدف اصلی ایجاد فناوری­های LPWAN دستگاه­های کم هزینه، ارسال پکت­های کوچک با پهنای باند کم، عمر باتری طولانی، قابلیت پشتیبانی تعداد زیادی دستگاه­ و پوشش گسترده است. بنابراین انتظار تحقق اهداف ذیل را داریم: دستگاه­هایی با سایز پکت از 10 تا 1000 بایت با سرعت  200kbps در مسیر بالاسو، طول عمر 10 سال یا بیشتر، پشتیبانی از صدها هزار دستگاه در شبکه، پوشش بین 2 تا 1000 کیلومتر. علاوه بر ویژگی‌های اصلی LPWAN، اپلیکیشن­هایی وجود دارند که ممکن است به اندازه پکت­های بزرگ‌تر با پهنای باندهای متفاوت، رنج کم­تر، و هزینه بیش­تر نیاز داشته باشند.

برای طراحی شبکه LPWAN بایستی ملاحظات مربوط به طراحی شبکه را در نظر گرفت. بعضی از پارامترهای طراحی در جدول زیر آورده شده است. دو حالت ممکن در نظر گرفته شده است که یا این ملاحظات طراحی در شرایط فعلی برای فناوری­هاي موجود و بلوغ رسیده است یا موجود نیست و باید برای نیل به آن ارتقا یابد.

ملاحظات توپولوژی شبکه  های LPWAN

شبکه ­ی LPWAN در دو قالب ستاره  (star) و مش (Mesh) پیکربندی می­شود. توپولوژی ستاره و ستاره-ستاره در LPWAN به علت صرفه جویی در مصرف انرژی و افزایش برد، ارجحیت دارند. در توپولوژی ستاره، گیت‌وی اطلاعات را از چندین گره دریافت و به سرور منتقل می‌کند. هر گره اطلاعات را می­تواند به یک یا چندین درگاه ارسال کند و در این حالت نیازی به ارتباط درگاه­ها با هم نیست.

در سرور مرکزی خطاها، امنیت و افزونگی بررسی می شوند. توپولوژی ستاره به علت single-hop، از چابکی و قابلیت اطمینان بالا بهره می­برد. در صورتی که یک گره دچار مشکل شود، به راحتی می­توان آن را شناسایی و ایزوله کرد. اما اگر درگاه دچار مشکل شود، دسترسی به اطلاعات گره‌های متصل به آن از بین خواهد رفت. در صورتی که اطلاعات نودها در چندین دروازه دریافت شود، نیازی به ارتباط بین دروازه-دروازه نیست. شکل زیر دو توپولوژی ستاره و مش را نشان می دهد.

در توپولوژی مش گره­ها با یکدیگر ارتباط دارند و چندین گره روتر اطلاعات سایر گره­ها را به درگاه ارسال می­کنند. وجود چندین روتر برای دسترسی بهتر، ارتباط همزمان، مقیاس­پذیری شبکه و قابلیت خود ترمیمی از مزایای توپولوژی مش است. از طرف دیگر هزینه بیشتر، پیچیدگی بالاتر و تأخیر از جمله چالش­های مش است. در شکل زیر معماری شبکه های LPWAN نمایش داده شده است.

سوالات متداول

تفاوت بین LPWAN و Wi-Fi چیست؟

LPWAN برای برد بلند و مصرف پایین طراحی شده در حالی که Wi-Fi برد کوتاه و مصرف بالا دارد.

آیا LPWAN مناسب برای مناطق بدون آنتن‌دهی است؟

بله، فناوری‌هایی مانند LoRaWAN و Sigfox برای پوشش در مناطق دورافتاده طراحی شده‌اند.

بهترین فناوری LPWAN برای کنتور گاز کدام است؟

در حال حاضر LoRaWAN و NB-IoT بیشترین استفاده را در کنتورهای هوشمند گاز دارند.

آیا امکان ارسال داده در زمان واقعی وجود دارد؟

خیر، بیشتر فناوری‌های LPWAN برای ارسال دوره‌ای داده‌ها طراحی شده‌اند، نه بلادرنگ.