[ez-toc]

مقدمه

فناوری NB-IoT به عنوان یکی از استانداردهای مطرح ارتباطات سلولی در حوزه اینترنت اشیاء (IoT)، نقش کلیدی در پیاده‌سازی شبکه‌های هوشمند توزیع گاز ایفا می‌کند. این فناوری توسط سازمان 3GPP توسعه یافته و برای ارتباط مطمئن و کم‌مصرف میان دستگاه‌هایی مانند کنتورهای هوشمند طراحی شده است.

ساختار و معماری NB-IoT در شبکه توزیع گاز

مولفه‌های اصلی شبکه NB-IoT:

1. ترمینال NB-IoT (UE): کنتور هوشمند گاز که اطلاعات مصرف را جمع‌آوری و ارسال می‌کند.

2. سرور NB-IoT Message Post Office (MPO): مسئول دریافت، پردازش و تبدیل داده‌ها به قالب قابل‌استفاده در پلتفرم.

3. پلتفرم شبکه هوشمند: مرکزی برای تحلیل، مانیتورینگ و مدیریت داده‌های دریافتی.

نسخه‌های NB-IoT و کاربرد آن‌ها:

نسخه 14 این استاندارد که در سال 2017 معرفی شده، ویژگی‌هایی از جمله Multicast، کاهش توان مصرفی (Power Class 6)، قطع اتصال RRC برای صرفه‌جویی انرژی و پشتیبانی از باندهای فرکانسی جدید را داراست و برای کنتورهای گاز ایده‌آل است.

معماری شبکه‌ای NB-IoT

شبکه NB-IoT بر پایه ساختار LTE شامل اجزای زیر است:

• UE (کنتور هوشمند) ↔ eNodeB (ایستگاه پایه) ↔ EPC (هسته شبکه) ↔ سرور اپلیکیشن

• ارتباط بین eNodeB و هسته شبکه از طریق رابط S1-lite برقرار می‌شود.

• داده‌ها می‌توانند با استفاده از پروتکل‌های IP یا Non-IP منتقل شوند.

پروتکل‌های ارتباطی:

• IP-based: با استفاده از IPv4/IPv6 و پروتکل UDP.

• Non-IP: انتقال مستقیم و کم‌حجم به یک IP مشخص، با مصرف انرژی کمتر.

مزایای NB-IoT در شبکه گاز

• مصرف انرژی پایین: حالت‌های Sleep و Power Saving Mode (PSM)

• پوشش وسیع سیگنال در محیط‌های صنعتی

• پشتیبانی از ارسال گروهی (Multicast)

• هزینه پایین و عمر باتری طولانی (تا ۱۰ سال)

چالش‌های پیاده‌سازی NB-IoT

• محدودیت در پوشش در برخی نواحی

• مدیریت مصرف توان در حالات مختلف دستگاه (Active, Sleep)

• نیاز به پشتیبانی اپراتورهای مخابراتی برای باندهای مجاز

فناوری‌های مکمل NB-IoT

• LTE-M: پوشش مشابه با NB-IoT اما با نرخ داده بالاتر و پیچیدگی کمتر

• ادغام با هوش مصنوعی (AI) و پردازنده‌های کم‌مصرف: برای تحلیل داده‌های حسگری در محل

ساختار NB-IoT در شبكه هوشمند توزيع گاز شامل سه مولفه ذيل می باشد:

–         NB-IoT Terminal(UE): یا ترمینال NB-IoT، کنتور هوشمند گاز  است که با استفاده از فناوری NB-IoT، داده‌های مصرف گاز را جمع‌آوری و به شبكه بالادست انتقال می‌دهد.

–          NB-IoT Message Post Office (MPO) : سرور شبکه  است که داده‌ها را از ترمینال NB-IoT دریافت و پردازش می‌کند و به فرمت مناسب برای پلتفرم تبدیل می کند و آنها را به فریمورک توزیع داده پلتفرم تحویل می دهد.

–         پلتفرم شبکه هوشمند توزیع گاز

NB-IoT توسط پروژه همکاری نسل سوم (3GPP) استاندارد شده است که از سال 2016 تاکنون چندین نسخه از مشخصات NB-IoT را منتشر کرده است. آخرین نسخه، نسخه 16 است که در ژوئیه 2020 تایید شد.

در سیستم اندازه گیری گاز به دلیل برخی ویژگی ها و عملکردهایی مانند multicast، باید از release 14 از NB-IoT استفاده کرد.

NB-IoT release 14 نسخه دوم از مشخصات فنی NB-IoT است که در ژوئن 2017 توسط 3GPP تایید شد. این نسخه ویژگی‌ها و عملکردهای جدیدی را معرفی می‌کند که آن را برای شبكه هوشمند توزيع گاز و کنتورهای هوشمند گاز مناسب‌تر می‌کند، مانند:

Multicast: NB-IoT release 14 از ارتباط multicast پشتیبانی می کند که می‌تواند انتقال داده‌ها به چندین کنتور گاز هوشمند به طور همزمان را ممکن سازد. این می‌تواند باعث کاهش ازدحام شبکه و مصرف انرژی دستگاه‌ها شود.

NB-IoT release 14 :Power class یک کلاس توان پایین‌تر را به دستگاه‌های NB-IoT اضافه می‌کند که می‌تواند توان انتقال دستگاه‌های NB-IoT را از 23 dBm به 14 dBm (Power Class 6) کاهش دهد. این می تواند مصرف جریان را کاهش ‌دهد، و به دستگاه‌ها امکان استفاده از باتری‌های کوچک را می‌دهد.

مصرف انرژی: همچنین، NB-IoT release 14 یک نشانه‌ی کمکی را معرفی می‌کند که پس از اینکه دستگاه اعلام کند دیگر داده‌ی آپلودی ندارد و انتظار دیگری برای دریافت داده‌ی دانلودی ندارد، اتصال RRC (کنترل منبع رادیویی) را قطع می‌کند. این عمل باعث صرفه‌جویی در انرژی می‌شود زیرا دستگاه می تواد بیشتر زمان خود را در حالت خواب بگذراند و مصرف انرژی بسیار پایین NB-IoT را بهبود می‌بخشد.

باندهای فرکانسی: NB-IoT release 14 باندهای فرکانسی جدیدی را برای NB-IoT اختصاص می‌دهد، این امر می‌تواند دسترسی به طیف و گزینه‌های نصب NB-IoT را گسترش دهد. پنج باند فرکانسی جدید FDD برای NB-IoT با شماره باندهاي 11، 21، 25، 31 و 70 معرفی شده است.

معماری شبکه ای NB-IoT

شبکه‌های NB-IoT از تجهیزات کاربری (UE) و evolved NodeB (eNodeB) تشکیل شده‌اند. داده‌ها به (EPC) Evolved Packet Core ارسال و در نهایت در سرورهای اپلیکیشن دریافت شوند. ارتباط بین NB-IoT UEs و eNodeB از طریق کانال هوایی بر اساس فانکشنی است که فرآیند دسترسی و مدیریت سلول را توصیف می‌کنند. همانطور که در ‏شکل زیر نشان داده شده است، معماری شبکه از سمت UE با eNodeB شروع می‌شود که توانایی ارتباط با EPC اینترنت اشیاء را از طریق واسط S1-lite دارد. داده‌ها از سرور کاربردی اینترنت اشیاء از طریق تعامل میان EPC اینترنت اشیاء با NAS UE به سرور کاربردی منتقل می‌شوند.

پلتفرم اینترنت اشیاء داده‌ها را از شبکه جمع‌آوری می‌کند و سپس داده‌های جمع‌آوری شده را برای پردازش مبتنی بر کاربرد اینترنت اشیاء به سرورهای اپلیکیشن ارسال می‌کند.

در NB-IoT، واسط­ه ای S1-lite به عنوان نسخه بهینه‌شده برای پلن کنترل بر مبنای پروتکل S1 AP واسط بین eNodeB و هسته مدیریت اینترنت اشیاء در نظر گرفته می‌شوند. داده‌های سطح کاربر توسط پیام‌های S1 AP اصلاح شده حمل می‌شوند تا پردازش Small Data به صورت کارآمد و ایمن در CIoT و NB-IoT انجام شود. این مکانیزم­ها به اپراتورها اجازه می‌دهد تا شبکه Operate One-Packet را برای کل شبکه سلولی شامل شبکه‌های WLAN، WIMAX، LTE و برنامه‌های NB-IoT راه‌اندازی و اجرا کنند.

در NB-IoT، برای انتقال داده از طریق شبکه بین دستگاه‌های NB-IoT و سرور دو گزینه استفاده می‌شود: پروتکل‌های IP و Non-IP انجام می‌شود

در شبکه IP به توجه به قابلیت ماژول رادیویی، از IPv4 و IPv6 با پروتکل انتقال UDP استفاده می‌شود. برای ارسال در کانال هوا، TCP برای NB-IoT پشتیبانی می‌شود در حالی که HTTP و HTTPs در واسط هوایی پشتیبانی نمی‌شوند به دلیل هزینه‌های اضافی که بر روی TCP دارند. انتقال داده بر اساس non-IP برای NB-IoT توصیه می‌شود زیرا حجم داده انتقال کم‌تری دارد. این گزینه توسط شبکه قابل اجرا است که تنها یک آدرس IP هدف را مجاز می‌کند، به این معنی که داده‌ها تنها می‌توانند به یک آدرس IP هدف (سرور) ارسال شوند.

در شبکه IP به توجه به قابلیت ماژول رادیویی ، از IPv4 و IPv6 با پروتکل انتقال UDP استفاده می‌شود. در رابط هوا، پروتکل TCP برای NB-IoT پشتیبانی می‌شود، در حالی که HTTP و HTTPS در رابط هوا به دلیل بار زیاد بر TCP، پیاده‌سازی نشده‌اند. انتقال داده بر پایه non-IP برای NB-IoT توصیه می‌شود زیرا حجم داده‌های انتقالی را کاهش می‌دهد. این گزینه توسط شبکه قابل مدیریت است و فقط اجازه می‌دهد که داده به یک آدرس IP هدف (سرور) ارسال شود.

فناوری های مرتبط با NB-IoT

در کل، NB-IoT مزایای بیشتری نسبت به سایر فناوری‌های LPWAN به خصوص در زمینه‌های پهنای باند باریک و نرخ بیشینه  دارد. این به معنای داشتن عملکرد بهتر در مصرف بسیار پایین انرژی و خدمات با نرخ داده کم است.

با وجود عملکرد بالای NB-IoT نسبت به سایر فناوری‌ها، ادغام برخی فناوری‌های LPWAN می‌تواند عملکرد بالاتری در برخی جنبه‌های فناوری برای کاربردهای مختلف به ارمغان آورد.

در LTE-M پیچیدگی دستگاه کاهش یافته، پوشش گسترده دارد و عمر باتری زیاد است. NB-IoT و LTE-M هر دو به عنوان استاندارد منتشر شده توسط 3GPP ارائه شده‌اند، که در باند دارای لایسنس فعالیت می­کنند می‌کنند. هر دوی آن­ها در شبکه زیرساخت اپراتورها غعالیت می­کنند. NB-IoT از مود Power Saving استفاده می‌کند که در LTE-M به کار رفته و PSM و eDRX شناخته می‌شود.

تحقیقات در زمینه پردازش سیگنال و پردازنده‌های هوش مصنوعی (AI) مدل جدیدی را برای دستگاه‌های متصل و هوشمند ارائه می‌دهد که ارتباطات سلولی IoT با مصرف بسیار پایین انرژی، دارای مدهای مختلف LTE-M/NB-IoT و عملکرد بسیار کارآمد مورد نیاز برای یک مجموعه گسترده کاربردهای IoT سلولی را امکان‌پذیر می‌کند. در اتصال ارتباطی IoT سلولی، ادغام NB-IoT با یک ماژولی که از پردازش سیگنال دیجیتال با مصرف بسیار پایین و معماری پردازش موازی استفاده می‌کند، امکان مصرف بسیار پایین انرژی در IoT را فراهم می­کند.

راه حل ها و چالش های استقرار NB-IoT

فناوری NB-IoT به‌طور خاص برای غلبه بر مشکلات اپلیکیشن­های مختلف طراحی شده است. در بسیاری از کاربردهای سنسوری IoT، برای اجتناب از مصرف بالای انرژی و هزینه‌های گران‌قیمت نگهداری، عمر باتری کم مورد نیاز است که این مهم با بهینه‌سازی چرخه زندگی (Life Cycle) دستگاه‌ها از طریق کاهش تکرارها برای ارسال داده انجام می‌شود. در NB-IoT، عمر باتری حداکثر در حدود 10 سال مورد انتظار است که داده به صورت بسته‌های کوچک ارسال می‌شوند، اما یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها برای عمر باتری دستگاه NB-IoT این است که با پوشش کوچک مواجه می­شوند.

برای داشتن عمر باتری طولانی راه حل این است که تولیدکنندگان باید سطح پاور مورد نیاز دستگاه را برای حالت‌های Active، Idle، Standby و Sleep مدیریت کنند و مقدار انرژی مورد نیاز توسط دستگاه‌ و نیازهای اپلیکیشن­های مختلف را مشخص کنند. از طرف دیگر استاندارد 3GPP مود PSM را مشخص می‌کند تا به دستگاه‌ها اجازه ورود به حالت خواب عمیق و خاموش کردن اکثر اجزای داخلی آنها را بدهد.

نتیجه‌گیری

NB-IoT راه‌حلی پایدار و کم‌مصرف برای ارتباطات کنتورهای هوشمند گاز در زیرساخت‌های شهری و صنعتی است. با بهره‌گیری از نسخه‌های جدید این فناوری و ترکیب آن با پلتفرم‌های هوشمند، می‌توان به شبکه‌ای امن، پایدار و خودکار در زمینه توزیع گاز دست یافت.

سوالات متداول

NB-IoT چیست و چه کاربردی دارد؟

فناوری ارتباطی کم‌مصرف برای دستگاه‌های IoT مانند کنتورهای گاز که اطلاعات را از راه دور ارسال می‌کنند.

تفاوت NB-IoT و LTE-M چیست؟

NB-IoT برای مصرف پایین انرژی و داده‌های کم طراحی شده، در حالی که LTE-M از نرخ داده بالاتر و قابلیت تحرک بهتر برخوردار است.

آیا NB-IoT نیاز به اینترنت دارد؟

خیر، ارتباطات می‌تواند بر اساس Non-IP انجام شود و فقط به یک آدرس مشخص داده ارسال شود.

چگونه NB-IoT باعث کاهش مصرف باتری می‌شود؟

با استفاده از Power Saving Mode و قطع سریع اتصال RRC در صورت عدم نیاز به ارتباط، مصرف انرژی به حداقل می‌رسد.