[ez-toc]

مقدمه: Wireless M-Bus چیست و چه کاربردی دارد؟

فناوری Wireless M-Bus (WM-Bus) بر اساس استاندارد EN 13757-4 طراحی شده و با استفاده از باندهای بدون مجوز مانند 169، 433 و 868 مگاهرتز، ارتباط کم‌مصرف و بلندبرد بین دستگاه‌های اندازه‌گیری انرژی از جمله کنتورها و گیت‌وی‌ها را فراهم می‌سازد.

 ویژگی‌های کلیدی Wireless M-Bus

 حالت‌های عملیاتی در WM-Bus

Wireless M-Bus دارای حالت‌های ارتباطی متنوعی است که بسته به سناریوی کاربرد، انتخاب می‌شوند:

 حالت T (Transmit – ارسال مکرر)

• ارسال دوره‌ای داده‌ها

• مناسب برای کنتورهای با انرژی محدود

• زیرحالت T1 برای ارسال سریع و بدون انتظار ACK

 حالت S (Stationary – دستگاه ثابت)

• پشتیبانی از unidirectional و bidirectional

• زیرحالت S1: ارسال داده بدون دریافت ACK

• زیرحالت S1M و S2: ارتباط دوطرفه در بازه‌های زمانی مشخص

حالت R (Receive – دریافت مکرر)

• بیدار شدن دوره‌ای برای دریافت داده

• بهترین برد ارتباطی در میان حالات

 ساختار فریم WM-Bus

فریم داده در WM-Bus شامل موارد زیر است:

1. فیلد کنترل

2. شناسه تولیدکننده

3. آدرس منحصربه‌فرد دستگاه

4. RSSI (در صورت نیاز)

5. فیلد داده لایه Application (AppLayer)

 مزایای Wireless M-Bus

• طراحی کم‌مصرف با عمر باتری بالا

• ساختار ساده نرم‌افزار (Stack کوچک)

• عدم نیاز به IP یا معماری مش (Mesh)

• تطابق با مقررات ISM اروپا (بدون نیاز به مجوز)

• مناسب برای شهرهای هوشمند و سیستم‌های صنعتی

 مقایسه Wireless M-Bus با سایر فناوری‌ها

نگاهی به فناوری‌های جایگزین

 LoRaWAN

• عملکرد مناسب در محیط‌های سخت و زیرزمینی

• نصب آسان با حداقل زیرساخت

• انتخابی عالی برای مناطق روستایی و دورافتاده

 Wi-SUN

• مبتنی بر استاندارد IEEE 802.15.4g

• مسیریابی مش با پشتیبانی از RPL و IPv6

• ایده‌آل برای شبکه‌های گسترده شهری و انرژی

 NB-IoT

• بهره‌برداری از شبکه‌های موبایل

• پوشش داخلی عالی (مناسب برای سردخانه‌ها)

• امنیت بالا با پشتیبانی کامل از استانداردهای مخابراتی

فناوری Wireless M-Bus (WM-Bus) مبتنی بر استاندارد EN13757-4 است که در فرکانس‌های  بدون لایسنس 169، 433 و 868 مگاهرتز فعالیت می‌کند. این فناوری به طور خاص برای ایجاد ارتباط بین انواع دستگاه‌های اندازه‌گیری انرژی مانند کنتورها، دیتالاگرها و گيت‌وي های هوشمند کنتور Machine-Type Communication Gateways: MTCG طراحی شده است.

طراحی این پروتکل به این گونه است که یک دستگاه با باتری بتواند به صورت خودکار تا 10 سال عمل کند. این امکان از طریق کم‌مصرف نمودن ماژول مدیریت رادیو برای حداکثر زمان ممکن، بهینه‌سازی فرآیندهای بیدارسازی و ارسال داده‌ها ممکن می‌شود. بر اساس این استاندارد، همواره نود شروع کننده ارتباط، کنتور هوشمند است که برای افزایش عمر باتری حسگر مناسب‌تر است. توپولوژی شبکه WM-Bus یک شبکه ستاره‌ای است، جایی که یک یا چند نود اندازه‌گیری داده‌ها را به جمع‌کننده ارسال می‌کنند.

جمع‌کننده همواره محیط بی‌سیم را برای ایجاد ارتباط و جمع‌آوری داده‌ Sense می‌کند. WM-Bus شش حالت ارتباطی را فراهم می‌کند: سه حالت اول (یعنی S، T، و R) به دو مود 1 و 2 یعنی unidirectional  و  bidirectional تقسیم می‌شوند. سه حالت دیگر (یعنی N، C و F) تنها توسط دستگاه‌های خاصی پشتیبانی می‌شوند.

– در حالت ارسال مکرر (T)، کنتور داده‌ها را به صورت دوره‌ای یا هر زمان که یک بسته در دسترس باشد ارسال می‌کند. زیرحالت T1 عملیات صرفه‌جویی در مصرف انرژی را تعریف می‌کند، که در آن دستگاه اطلاعات را به جمع‌کننده ارسال می‌کند و فوراً بدون زمان انتظار گرفتن ACK به حالت صرفه‌جویی می رود. این حالت سریع­ترین زمان ارسال را دارد.

– حالت Stationary (S) برای ارتباط unidirectional  یا  bidirectional بین دستگاه‌های ثابت یا متحرک طراحی شده است. این حالت سه زیرحالت S1، S1M و S2 دارد. زیرحالت S1 برای ارتباط unidirectional بدون گرفتن ACK از سمت سرور استفاده می‌شود. این حالت اصلی‌ترین‌گونه برای انجام انتقالات داده “روزانه” است. زیرحالت S1M ارتباط bidirectional را در چرخه‌های پیش‌تعیین‌شده بدون نیاز به بیدار شدن دستگاه پشتیبانی می‌کند.

– در حالت دریافت مکرر (R)، کنتور داده‌ها را به صورت دوره‌ای ارسال نمی‌کند بلکه منتظر درخواست از طرف جمع کننده است. در این حالت  لینک Bidirectional باز است. در اكثر بازه هاي زماني، کنتور در حالت صرفه‌جویی (Sleep or Stand by) قرار دارد و تنها در بازه‌های پیش‌تعیین‌شده برای دریافت بسته فعال می‌شود. اگر هیچ فریم فعال سازی معتبری دریافت نشود، کنتور دوباره وارد حالت صرفه‌جویی می‌شود. این حالت بهترین رنج را فراهم می­کند.

بعد از معرفی حالت‌های عملیاتی و توپولوژی پروتکل، بر روی ساختار فریم داده تمرکز مشده است تا  جزئیات عملیاتی Wireless M-Bus تشريح شود. این بخش توضیحی از فازهای ارتباطی Wireless M-Bus (هندشیک) ارائه می‌دهد. در گام اول، از طریق لایه application WM-Bus داده‌های خود را به عنوان یک بسته به ماژول RF ارسال می‌کند – همان‌طور که در زیر نشان داده شده است:

در گام بعدی، ماژول رادیویی فیلدهای زیر را اضافه می‌کند: (i) فیلد کنترل؛ (ii) شناسه تولید کننده؛ (iii) آدرس منحصر به فرد بر اساس پارامترهای ذخیره شده در حافظه ماژول‌ها؛ و (iv) اطلاعات اختیاری درباره قدرت سیگنال دریافتی (RSSI). بنابراین، اكنون بسته دارای هدرهای زیر است:

سپس این بسته به صورت اضافه رمزنگاری  (به طور پیش‌فرض با AES-128) و ارسال می‌شود. اگر اتصال به عنوان یک تانل (اتصال P2P) بین دو ماژول Wireless M-Bus پیاده‌سازی شده باشد، فیلد آدرس و اطلاعات مرتبط اختیاری است.

فیلد  AppLayerتوسط لایه برنامه Wireless M-Bus تعریف شده است و به عنوان یک مکانیزم گذرا برای ارتباط از لایه لینک به لایه‌های بالاتر استفاده می‌شود. این از مشخصات نسخه 3.0.1 OMS مشتق شده از استاندارد EM 13757-4 برای ارتباط بیسیم است.‌

Wireless M-Bus، به دلیل سادگی نسبی خود، در بازار اروپا توانسته است توجه زیادی جلب کند. این شبکه با توپولوژی نوع ستاره و فرکانس‌های زیر گیگاهرتز برد مناسب با اندازه کوچکی از stack نرم‌افزاری ارائه می‌دهد. به عنوان یک شبکه ستاره‌ای که قابلیت IP یا mesh را ندارد، نیازهای stack نرم‌افزاری به حداقل کاهش می‌یابد.

نرخ داده پایین، یک سیستم با کارایی طیفی بالا و بدون نیاز به گواهی‌نامه‌های غیر از انطباق با مقررات را تضمین می‌کند. و چون بر اساس استانداردها و فناوری‌های ثابت است، در این بازار بسیار رقابتی چند تامین‌کننده وجود دارد.

ویژگی‌ها:

– شبکه ستاره‌ بدون نیاز به IP یا mesh

– انتشار زیر گیگاهرتز باعث برد بیشتر می‌شود

– اندازه کوچک Stack

– سیستم با کارایی طیفی بالا

– هزینه راه‌حل پایین – باندهای ISM، بدون گواهی‌نامه اتحادیه صنایع

فناوری LoRa-WAN

توضیحات تفصيلي مربوط به فناوری LoRaWAN در پیوست 1 آمده است.  شبکه‌ی LoRaWAN قادر است در مکان‌های دوردستی که شبکه‌های سلولی ممکن است در دسترس نباشند، به عنوان جايگزين مناسب به كار گرفته شود. نفوذ سيگنال درشبکه‌ی LoRaWAN به گونه اي است كه قادر است طریق دیوارهای ضخیم و زیرزمین عبور کند، که این ویژگی برای اندازه‌گیری گاز در سردخانه‌ها، زیرزمین‌ها و یا محیط‌های دشوار دیگر مناسب است.

شبکه‌ی LoRaWAN قادر است تعداد زیادی از دستگاه‌ها را با حداقل زیرساخت شبکه پشتیبانی کند، که این امر منجر به کاهش هزینه‌های نصب و نگهداری برای شرکت‌های گاز و ارائه دهندگان خدمات می‌شود. LoRaWAN یک فناوری امیدوارکننده برای هوشمندسازي شبكه توزيع گاز در مناطق روستایی و دوردست است، زیرا می‌تواند راه‌حلی مقرون‌به‌صرفه، قابل اعتماد و مقیاس‌پذیر برای شرکت‌ها و مشتریان شبكه توزيع گاز ارائه دهد.

Wi-SUN

Wi-SUN (Wireless Smart Utility Network) یک فناوری شبکه بی‌سیم است که به‌طور اصلی برای اتصال دستگاه‌ها و سنسورها در شبکه‌های هوشمند شهری (Smart City) و شبکه‌های انرژی هوشمند (Smart Grid) طراحی شده است. لایه فیزیکی Wi-SUN در تطابق با استاندارد IEEE 802.15.4-2015 است، که این استاندارد بین‌المللی برای نرخ‌های داده پایین و مصرف انرژی کم است.

این استاندارد از باند زیر 1 گیگاهرتز استفاده می‌کند، که به آن زیر 1 گیگاهرتز یا Sub-1 GHz نیز گفته می‌شود، و می‌تواند با توان حدود 20 میلی‌وات یا بیشتر بردی از چند صد متر تا یک کیلومتر را پوشش دهد. Wi-SUN چندین مشخصه فنی به نام پروفایل در Wi-SUN Alliance توسعه داده است تا برای انواع مختلف کاربردها منعطف باشد. پروفایل‌های معمولی شامل Wi-SUN Home Area Network (HAN) و Wi-SUN Field Area Network (FAN) هستند.

در ماه مه 2016، Wi-SUN Alliance مشخصات ارتباط فنی را به عنوان Wi-SUN FAN 1.0 استاندارد کرد و این استانداردهمچنین در ژوئن 2021 به عنوان IEEE 2857 استاندارد شد. FSK به عنوان یک مدولاسیون برای لایه فیزیکی با نرخ داده‌های 50، 100 و 150 کیلوبیت بر ثانیه در Wi-SUN FAN 1.0 با استفاده از باندهای فرکانسی در محدوده زیر 1 گیگاهرتز انتخاب شده است. علاوه بر این، Wi-SUN FAN از پرش فرکانس (FH) Frequency Hopping  به همراه CSMA/CA برای جلوگیری از تداخل در ارتباط بین گره‌های مختلف استفاده می‌کند.

لایه شبکه Wi-SUN FAN از IPv6 استفاده می‌کند و از مسیریابی چندپرشی با استفاده از پروتکل مسیریابی IPv6 برای شبکه‌های (RPL) Low-power and Lossy Networks پشتیبانی می‌کند. تعداد حداکثر تعداد چندپرشی بیش از 20 است. مسیریابی چندپرشی از یک گره میانی به عنوان مسیریاب استفاده می‌کند تا اتصال امن را حتی در مناطقی که ارتباط مستقیم مشکل است، ایجاد کند و منطقه‌های مرده را حذف کند. اتصال به صورت شبکه مش یکی از مشکلات بزرگ این شبکه در کاربرد شبکه هوشمند گاز کشور مطرح است.

NB-IoT

NB-IoT یک فناوری استاندارد رادیویی برای شبکه­های گسترده کم توان است که برای ایجاد طیف گسترده­ای از دستگاه­ها و خدماتی که با استفاده از باندهای مخابراتی سلولی متصل میشوند، توسعه پیدا کرده است. این فناوری توسط 3GPP استانداردسازی شده است. NB-IoTبه­طور خاص روی پوشش داخلی، هزینه کم، طول عمر باتری طولانی و متصل کردن تعداد زیادی از دستگاه­ها تمرکز می­کند. استقرار NB-IoT در باندهای فرکانسی دارای License مانند 700مگاهرتز، 800 مگاهرتز و 900 مگاهرتز می­تواند یک انتخاب خوب باشد، زیرا اپراتورها در این باندها فعالیت می­کنند.

این فناوری با بهره­گیری از پهنای باند بسیار باریک 200 کیلوهرتزی (180کیلوهرتز به اضافه محافظ بین باند) می­تواند نرخ انتقال 250 کیلوبیت بر ثانیه را فراهم سازد. از دیگر ویژگی­های این فناوری می­توان به مقیاس­پذیری بسیار بالای آن (پشتیبانی از حدود 50 هزار دستگاه در هر سلول) و مصرف انرژی پایین آن (طول عمر باتری 10 ساله برای دستگاه­ها در شرایط عادی و متوسط) اشاره کرد .

این فناوری از تمامی ویژگی­های امنیتی و حفظ حریم خصوصی شبکه­های تلفن همراه مانند پشتیبانی از هویت کاربر، تأیید هویت سازمانی، محرمانه بودن، یکپارچگی داده­ها و شناسایی تجهیزات تلفن همراه بهره­مند می­باشد. ایتالیا از NB-IoT release  16 را برای اندازه گیری گاز به کار برده است که بر روی 5G می باشد. سایر کشورها مانند قسمت هایی از بریتانیا، چین و دانمارک نیز از این فناوری در اندازه گیری گاز استفاده کرده اند.

سوالات متداول

آیا Wireless M-Bus قابلیت اتصال مستقیم به اینترنت را دارد؟

خیر، پروتکل Wireless M-Bus بدون پشتیبانی مستقیم از IP طراحی شده است و نیاز به Gateway دارد.

چه زمانی باید از Wireless M-Bus به جای LoRa یا NB-IoT استفاده کرد؟

در شرایطی که مصرف انرژی بسیار پایین، هزینه کم و سادگی در اولویت است – مانند ساختمان‌های شهری با کنتورهای ثابت.

آیا Wireless M-Bus مناسب برای زیرزمین است؟

در حالت کلی نه، اما اگر از فرکانس 169 MHz استفاده شود، تا حدی بهبود می‌یابد. برای نفوذ بالا بهتر است از LoRaWAN یا NB-IoT استفاده شود.