تقنيات LPWAN: أيهما أفضل لتطبيق إنترنت الأشياء الخاص بك؟

في هذه المقالة، سنناقش كيفية اختيار شبكة واسعة منخفضة الطاقة منخفضة الطاقة (LPWAN) لتطبيقات إنترنت الأشياء (IoT) الضخمة. أصبحت شبكات إنترنت الأشياء LPWAN شائعة بسبب تشغيلها بعيد المدى وتكلفتها المنخفضة. لهذا الغرض، سنستعرض بإيجاز ما الذي يدفع شبكات LPWAN وشعبيتها الناشئة. ثم سنقارن بإيجاز بين تقنيات شبكات LPWAN الرئيسية بناءً على مواصفاتها وتطبيقاتها. 

لماذا تحظى شبكة LPWAN بشعبية كبيرة؟ 

أصبحت شبكة LPWAN شائعة مع تقدم تطبيقات إنترنت الأشياء الضخمة التي تمتد لمدى طويل. ومع ذلك، ليس فقط المدى الطويل للتشغيل هو ما يدفع شعبية LPWAN، ولكن هناك أسباب أخرى أيضًا. يمكن تحديد الأسباب الرئيسية لظهور LPWAN على النحو التالي: 

• البروتوكولات مثل زيجبي و BLE غير قادرة على دعم التشغيل على المدى الطويل 
• الاتصال الخلوي بعيد المدى القائم على الاتصالات بعيدة المدى مثل 4G-LTE و 3G تستهلك طاقة زائدة على الرغم من تغطيتها الجيدة 
• كان نشر communication على مدى بعيد مكلفاً نسبياً.

لذلك، أدت الأسباب المذكورة أعلاه إلى ظهور تقنيات LPWAN التي تتمتع بتغطية كبيرة على مدى بعيد مع استهلاك طاقة منخفضة للتشغيل مع انخفاض تكلفة الجهاز. كانت هذه العوامل حاسمة في تحقيق تطبيقات إنترنت الأشياء الضخمة مثل المدن الذكية وتطبيقات الزراعة الذكية. أيضًا، تشير التقديرات إلى أن تطبيقات إنترنت الأشياء القائمة على شبكات LPWAN ستظهر بشكل متزايد في الصناعة، حيث سيظهر 1 من كل 4 تطبيقات إنترنت الأشياء الصناعية (IIoT) ستعتمد على LPWAN بحلول عام 2025.  

وبناءً على ذلك، يمكننا أن نرى أن المدى الطويل للتشغيل الذي يصل إلى 15 كم في المناطق الريفية، وانخفاض استهلاك الطاقة الذي يؤدي إلى عمر افتراضي للجهاز يصل إلى 10 سنوات وانخفاض تعقيد الجهاز مما يؤدي إلى انخفاض تكلفة الجهاز هي القوى الدافعة الرئيسية لشعبية تطبيقات إنترنت الأشياء القائمة على شبكة LPWAN. 

مقارنة تقنية لخيارات LPWAN المختلفة 

 قبل الخوض في خيارات LPWAN المختلفة، يمكننا تقسيم تقنيات LPWAN إلى فئتين متميزتين، وهما 

• LPWAN المرخصة: هي تقنيات شبكات LPWAN المرخصة التي تعتمد على طيف التردد الخلوي العام. ومن أمثلة شبكات LPWAN المرخصة ما يلي; NB-IoT و LTE-M. 
• LPWAN غير المرخصة: هي تقنيات شبكات LPAN غير المرخصة القائمة على طيف التردد غير المرخص. تشمل أمثلة شبكات LPWAN غير المرخصة ما يلي; LoRaWAN و سيجفوكس. 

يعتمد الاختيار بين شبكة LPWAN المرخصة وغير المرخصة على متطلبات تطبيق إنترنت الأشياء مثل الموثوقية والأمان والتنقل المتوقع للنظام بأكمله. بعد فهمنا الأساسي لأنواع مختلفة من تقنيات LPWAN، دعونا الآن نبحث في بعض تقنيات LPWAN. 

LoRaWAN هو خيار LoRaWAN الشهير والصاعد لشبكة LPWAN، والذي يسهل التشغيل بعيد المدى للأجهزة التي تعمل بالبطارية. من الميزات المثيرة للاهتمام أجهزة LoRaWAN أقل تعقيدًا مما يؤدي إلى انخفاض تكاليف الجهاز. وهي تستند إلى طيف تردد غير مرخص وقادرة على الاتصال ثنائي الاتجاهات المشتركة، مع قدرة جيدة على مقاومة التداخل. إن القدرة على تطوير شبكات خاصة تجعل LoRaWAN متميزة عن خيارات LPWAN الأخرى التي سنتناولها لاحقًا في هذه المقالة. 

Sigfox هي تقنية ضيقة النطاق تم تطويرها من قبل شركة ناشئة في فرنسا وهي الأفضل للتطبيقات ذات النطاق الترددي المنخفض مع إيلاء المزيد من الاهتمام لاستهلاك الطاقة. مثل LoRaWAN، تعمل Sigfox في طيف تردد غير مرخص، ومع ذلك، فإن لديها قدرة محدودة على الاتصال ثنائي الاتجاهات ثنائي الاتجاه عند مقارنتها بتقنية LoRaWAN. أخيرًا، يتم تكييف Sigfox مع تطبيقات إنترنت الأشياء في أمريكا الشمالية وأوروبا وتتوسع حاليًا إلى مناطق مثل آسيا. 

ومع ذلك، فإن شبكة إنترنت الأشياء منخفضة التردد (NB-IoT) هي شبكة LPWAN مرخصة، تعمل في طيف التردد الخلوي. ويمكن اعتبارها استجابة من مزودي الشبكات الخلوية استجابةً لظهور تطبيقات إنترنت الأشياء. وقد تم تطويره على رأس الشبكة الخلوية الحالية، لتمكين عرض النطاق الترددي المنخفض والتغطية العميقة وتطبيقات إنترنت الأشياء ذات الكفاءة الطيفية العالية. وبالمثل، يعتمد LTE-M أيضًا على طيف التردد الخلوي المرخص. عند مقارنتها بإنترنت الأشياء غير الخلوية، تتمتع LTE-M بنطاق ترددي محسّن وأمان عالٍ. 

خيار LPWAN الذي يعتمد على ميزات إنترنت الأشياء 

دعونا الآن نقارن خيارات LPWAN الخاصة بنا بناءً على بعض ميزات إنترنت الأشياء المهمة لتطبيقات إنترنت الأشياء. هذه بمثابة بعض المتطلبات الرئيسية للعديد من تطبيقات إنترنت الأشياء بشكل عام.  

• جودة الخدمة: تشير جودة الخدمة (QoS) إلى الاستقبال العالي للبيانات مع حصانة immunity جيدة للتداخل بسبب العوامل الخارجية وقدرتها على تلبية مستويات مختلفة من متطلبات بيانات المستخدم النهائي. يمكن لشبكتي LoRaWAN و Sigfox التعامل مع التداخل في البيئات الصاخبة، لكنهما تستخدمان بروتوكولات اتصال غير متزامنة. من ناحية أخرى، تستخدم تقنية إنترنت الأشياء غير المتزامنة بروتوكولات الاتصال المتزامن القائم على تقنية LTE، مما يزيد من توافرها ويجعلها مثالية لخدمات جودة الخدمة. ومع ذلك، فإن هذا يأتي بتكلفة تنفيذ. ولذلك، بالنسبة لتطبيقات إنترنت الأشياء التي تتطلب جودة الخدمة المثلى، فإن إنترنت الأشياء غير المتزامن هو الخيار الأفضل. 

•  التنقل: يشير هذا إلى القدرة على نقل البيانات إلى عقد طرفية متحركة عالية السرعة في الشبكة. وعلى الرغم من قدرة كل من LoRaWAN وSigfox على الاتصال عبر المدى البعيد، إلا أنهما غير قادرين على إجراءات التسليم، وهو أمر ممكن بطبيعته في إنترنت الأشياء ذات النطاق الترددي المنخفض وإنترنت الأشياء ذات النطاق الترددي المنخفض (NB-IoT) وLTE-M بسبب استخدامهما لطيف التردد الخلوي والبنية التحتية الخلوية الحالية. 

• التكلفة: التكلفة عامل رئيسي يجب أخذه بعين الاعتبار عند تطوير تطبيقات إنترنت الأشياء. في تطبيقات إنترنت الأشياء الضخمة، يمكن تقييم ذلك في ثلاثة مكونات رئيسية مختلفة، وهي: 
  1. تكلفة الطيف الترددي 
  2. تكلفة النشر 
  3. تكلفة الجهاز 

من حيث تكلفة الطيف، من الطبيعي أن كلاً من LoRaWAN و Sigfox ليس لهما تكلفة طيف إضافية لأنهما يستخدمان طيف الترددات غير المرخص به المتاح مجاناً. ومع ذلك، يستخدم كل من NB-IoT و LTE-M طيف التردد المرخص، وبالتالي يتطلب الأمر تكبد تكلفة لشراء طيف التردد من مشغل الشبكة أو من تنظيم الشبكة في تلك المنطقة. ومرة أخرى، من حيث تكلفة النشر، فإن LoRaWAN و Sigfox لهما تكلفة نشر منخفضة مقارنةً بإنترنت الأشياء غير المترددة و LTE-M. سيكون لـ Sigfox أقل تكلفة للجهاز مقارنةً بـ LoRaWAN، في حين أن تكلفة الجهاز لإنترنت الأشياء ذات النطاق NB-IoT يمكن أن تكون أكثر من $10 من النطاق. 

• عمر البطارية: تكون جميع تقنيات LPWAN في حالة خمول عندما لا تقوم بإرسال البيانات عبر الشبكة. ومع ذلك، فإن تقنيات مثل NB-IoT تستخدم بروتوكولات الاتصال المتزامن communication التي تتطلب طاقة إضافية لتهيئة الاتصال المتزامن. وبالتالي، فإن أجهزة Sigfox و LoRaWAN من الفئة A هي أفضل الخيارات للتطبيقات التي تتطلب عمر بطارية وأداءً جيدًا. 

• نطاق التشغيل: سيكون لشبكة LoRaWAN أدنى مدى لمسافة تتراوح بين 12 و14 كم عند تشغيل LOS، بينما سيكون نطاق تشغيل Sigfox من 15 إلى 17 كم. ومع ذلك، فإن نطاق NB-IoT سيكون له مدى يتراوح بين 20 و22 كم بسبب استخدام البنية التحتية الخلوية الحالية. أما تقنية LTE-M فسيكون نطاقها محدوداً بسبب تغطية شبكة الجيل الرابع 4G-LTE في المنطقة. 

• الأمان: فيما يتعلق بأمان الشبكة، يوفر LTE-M أفضل ميزات الأمان عند مقارنته بتقنيات LPWAN الأخرى. 

خيار LPWAN على أساس تطبيق إنترنت الأشياء 

على الرغم من أن العوامل المختلفة التي نظرنا إليها حتى الآن، تساعدنا في تحديد جدوى تقنية معينة لشبكة LPWAN على أخرى، إلا أنه من الصعب اتخاذ قرار عندما يتعلق الأمر بتطبيق إنترنت الأشياء المحدد. لذلك، من الجدير بالاهتمام دراسة تطبيقات إنترنت الأشياء وتحديد تقنية LPWAN الأنسب. 

• العدادات الكهربائية 

يتطلب القياس الكهربائي معدلات بيانات أعلى وأداءً جيداً في زمن الاستجابة. أيضًا، عندما يتعلق الأمر بعمر البطارية، يمكن توصيل هذه التطبيقات بالشبكة مباشرةً بدلاً من تشغيلها على البطاريات. نظرًا لأن LoRaWAN و Sigfox تتمتعان بزمن انتقال عالٍ ومعدلات بيانات منخفضة، يمكننا الاعتماد على إنترنت الأشياء ذات الكمون المنخفض والموثوقية العالية لتحقيق هذا النوع من تطبيقات القياس الكهربائي. 

• الزراعة الذكية 

في مجال الزراعة الذكية، نحتاج إلى تحقيق أجهزة تعمل بالبطاريات تعمل على مدى بعيد. علاوة على ذلك، يجب أن تكون هذه التطبيقات في متناول معظم المزارعين والشركات الزراعية. لذلك، فإن التكلفة عامل حاسم. بالنظر إلى هذه العوامل، سيكون خيارنا immediate لهذه التطبيقات هو LoRaWAN أو Sigfox. 

• مبنى ذكي 

ويشمل ذلك مراقبة درجة حرارة المبنى والرطوبة ومراقبة الأجهزة الذكية الأخرى. لذلك، ليس من الضروري مراقبة هذه المعلومات بشكل مستمر وسيكون لدينا أجهزة تعمل بالبطارية. يساعدنا ذلك على تضييق نطاق خياراتنا إلى LoRaWAN و Sigfox فقط لهذا النوع من تطبيقات إنترنت الأشياء. 

• صناعة التصنيع والأتمتة  

ويشمل ذلك مراقبة العناصر الحيوية للآلات والتحكم فيها بدقة. لذلك، نحتاج إلى مراقبة متكررة وجودة خدمة جيدة لهذه التطبيقات. وهذا ما يجعل من إنترنت الأشياء NB-IoT و LTE-M أفضل الخيارات لتلبية هذه المتطلبات. يمكن استخدام LTE-M إذا كنا مهتمين أكثر بالأمان إلى حد كبير. 

الخاتمة 

في هذه المقالة، ناقشنا بإيجاز الخيارات المختلفة المتاحة لتحقيق تطبيقات إنترنت الأشياء الضخمة. في الختام، يمكننا القول إن الخيار الأفضل هو حل وسط بين متطلباتنا، وهو يختلف باختلاف التطبيقات المختلفة.