ما هي شبكة المنطقة الواسعة منخفضة الطاقة (LPWAN)؟

لقد نما الإنترنت بسرعة فائقة في العقدين الماضيين. لا يقتصر الاتصال الآن على أجهزة مثل الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر فقط. بل إن إنترنت الأشياء (IoT) يخلق أنظمة بيئية وتطبيقات أوسع وأعقد. جزء مهم منها هو شبكة المنطقة الواسعة منخفضة الطاقة أو LPWAN، كما سنغطي في هذه المقالة.

ما هي شبكة المنطقة الواسعة منخفضة الطاقة (LPWAN)؟

يغطي مصطلح "شبكة المنطقة الواسعة منخفضة الطاقة" (LPWAN) الذي أطلق على فئة من شبكات الاتصال اللاسلكي في عام 2013، مجموعة من تقنيات الشبكات اللاسلكية. في الأساس، تتمتع تقنيات الاتصال اللاسلكي هذه بشكل أساسي بنطاق اتصال قياسي مشترك 1TP14، واستهلاك الطاقة، والتكلفة. هذه الخصائص تجعلها خيارًا مثاليًا للتطبيقات الصناعية وتطبيقات المدن الذكية.

تشمل الخصائص الرئيسية لتقنيات LPWAN ما يلي:

• نطاق ممتد:

توفر تقنيات LPWAN اتصالاً يتراوح بين 3 كم إلى 50 كم للمناطق الحضرية والريفية، على التوالي. يمكن لهذا النطاق بين الأجهزة أن يجعلها مناسبة للتطبيقات الداخلية والخارجية حيث يمكن للتقنيات اللاسلكية قصيرة المدى مثل Bluetooth و Wi-Fi و زيجبي نقص.

• استهلاك منخفض للطاقة:

إن معدل البيانات المنخفض هو مفتاح استهلاك الطاقة المنخفض لشبكة LPWAN في التطبيقات بعيدة المدى. لا تحتاج العديد من حلول مراقبة إنترنت الأشياء إلى معدل بيانات هائل، وبالتالي يمكن أن تعمل ببطاريات رخيصة منخفضة الطاقة من أجل حتى 15 عاماً.

• يوفر التكلفة:

تساعد سهولة تنفيذ الشبكة على التخلص من التعقيدات الكبيرة في تصميم الأجهزة مع الأجهزة منخفضة التكلفة. وعلاوة على ذلك، تستخدم معظم تقنيات LPWAN طوبولوجيا النجوم التي تقضي على بنية الشبكة المختزلة. يمكن لتقنيات LPWAN استخدام نطاقات مرخصة أو بدون ترخيص لحالة الاستخدام المثالية.

ما هي تقنيات LPWAN؟

يمكن تقسيم تقنيات LPWAN إلى فئتين أساسيتين بناءً على احتياجات الترخيص الخاصة بها. وهنا، تعمل تقنيات الاتصال الخلوي مثل NBIoT و LTE-CAT M1 على نطاقات تردد مرخصة. وفي الوقت نفسه، تعمل LoRaWan وSigFox على نطاقات تردد غير مرخصة.

كما يمكن لهذه التقنيات أن تخدم احتياجات التطبيقات الفريدة من خلال خصائصها مثل النطاق، وعرض النطاق الترددي، ومعدل الإرسال، والاستهلاك، وطيف التردد، والتغطية القطرية. فيما يلي تحليل مفصل لأبرز تقنيات LPWAN للمقارنة والفهم:

• لورا:

تعمل تقنية LoRa على طيف تردد غير مرخص 868/915MHz بنطاق ترددي 125 كيلوهرتز. وهو مفيد على وجه التحديد للاحتياجات منخفضة الطاقة حيث يتم تبادل حزم أصغر مع رسائل غير محدودة في اليوم. وعلى هذا النحو، فإنه يوفر معدل بيانات من 0.3 كيلوبايت في الثانية إلى 50 كيلوبايت في الثانية. يمكن الوصول بسهولة إلى أجهزة وبوابات LoRaWAN واستخدامها في العديد من التطبيقات الداخلية والخارجية. تستهلك LoRa أقل قوة من تقنيات LPWAN.

• NB-IoT:

تُعد شركة NBIoT المرشحة الأوفر حظًا بين الحصة السوقية لشبكة LPWANمع كون LoRa ثانيًا مغلقًا. تستخدم تقنية NBIoT نطاق LTE المرخص داخل النطاق، بما في ذلك نطاقات غير مستخدمة تبلغ 200 كيلوهرتز كانت تستخدم سابقًا في نظام GSM أو CDMA. بالمقارنة مع LoRaWAN، فإنه يوفر نطاقًا تردديًا يبلغ 180 كيلوهرتز ومعدل بيانات مماثل 50 كيلوبت في الثانية.

• LTE-M:

بعد ذلك، تقنية النطاق LPWAN الأقل شيوعًا المرخصة الأقل شيوعًا هي تقنية LTE-M، التي تعمل بنفس النطاق LTE. ومع ذلك، فهي توفر نطاقًا تردديًا أعلى بكثير (1.08MHz) ومعدل بيانات 1 ميجابت في الثانية. بالإضافة إلى ذلك، تدعم LTE-M أيضًا التبادل الصوتي بالإضافة إلى البيانات، على عكس التقنيات الأخرى هنا.

• سيجفوكس

يستخدم SigFox تقنية خاصة به تعمل على 868/915 MHz من خلال مشغل واحد في جميع أنحاء البلاد. ما يميز SigFox هو خط الرؤية المشترك mm الذي يبلغ طوله 1000 كم بمعدل بيانات 100 بت في الثانية. ومع ذلك، تقدم SigFox حاليًا تغطية في 45 دولة ولديها أقل حصة سوقية من بين الأربعة.

ما هي التطبيقات الشائعة لشبكة LPWAN؟

كما يوحي الاسم، فإن شبكة LPWAN هي الخيار الأنسب للتطبيقات التي تتطلب استهلاكًا أقل للطاقة لتغطية مساحة شاسعة. فيما يلي بعض من أبرز التطبيقات الصناعية وتطبيقات المدن الذكية والتطبيقات التجارية لشبكات LPWAN:

1. المنشآت الصناعية الذكية

يعتبر استخدام شبكة LPWAN للتطبيقات الصناعية من الاهتمامات المزدهرة. ويمكن استخدامه لمراقبة المرافق الأوسع نطاقاً والتحكم في البنية التحتية الضخمة. وباستخدام أجهزة العقدة ومجموعة من البوابات، يمكن استخدام شبكة LPWAN لمراقبة العمليات والظروف الصناعية.

قد تشمل الكشف عن حالات اندلاع الحرائق، وإدارة الموظفين، ومراقبة مستوى المياه، والكشف عن تسرب الغاز، والعديد من التطبيقات النهائية الأخرى. مع أقل قدر من الصيانة وسهولة التنفيذ، يمكن لشبكة LPWAN المساعدة في تبسيط العمليات في المنشآت الصناعية وسلاسل التوريد وإعدادات التصنيع والمصانع.

2. حلول القياس:

يمكن للقياس الذكي أن يساعد المدن على تطوير وإدارة إمدادات الطاقة والمياه والغاز بسلاسة. والمشكلة المطروحة في مجال القياس هي السرقة والمستحقات والفساد في استهلاك هذه الموارد. يمكن أن تساعد العدادات الذكية القائمة على شبكة LPWAN في مكافحة هذه المشكلات بأقل جهد يدوي من الإدارة.

3. إدارة الأسطول وعملياته:

يمكن أن تكون إدارة أسطول من المركبات مرهقة وتؤدي إلى عدم كفاءة الخدمات اللوجستية أو حتى ظروف عرضية في المواقع الخطرة. يمكن أن تكون إدارة الأسطول باستخدام LPWAN مفيدة جدًا في المناطق التي يمكن أن يكون فيها سوء إدارة المركبات عرضيًا، مثل مواقع التعدين أو الموانئ. ستؤدي الإدارة المبسطة للأسطول إلى زيادة الكفاءة وتوفير الوقود وتحسين الجداول الزمنية للتسليم.

4. البنى التحتية لمدينة الشوارع:

يمكن أن تساعد حلول المدينة الذكية LPWAN في التحكم في إنارة الشوارع، ومعالجة الازدحام المروري، ومراقبة الصحة الهيكلية الواسعة. يمكن تركيب شبكة من أجهزة الاستشعار والبوابات في عدة وحدات عبر مساحة شاسعة من المدينة. يمكن لهذه السلسلة من الشبكات أن تدير المدن الذكية بالنظام والتحكم. وكنتيجة لذلك، ستتيح شبكة LPWAN لمواطني المدن الذكية أن يعيشوا حياة صحية ومريحة ونامية.

5. مراقبة جودة المياه:

مراقبة جودة المياه هي حاجة الساعة مع تزايد تلوث المياه. لا يمكن مراقبة مستوى المياه في منطقة أوسع عبر شبكة إمدادات الخطوط بدون شبكة LPWAN. يمكن لشبكة LPWAN أن تساعد في تتبع الإمدادات في كل منطقة ويمكنها تحديد الملوثات في أي عقدة معينة لحماية الإمدادات.

ومع ذلك، ليست هذه هي التطبيقات الوحيدة التي تقتصر على LPWAN. فلإدارة المناطق الممتدة والتحكم فيها، يمكن استخدام شبكة LPWAN في المزيد من التطبيقات مثل جمع القمامة، وقياس جودة الهواء، وإدارة الكوارث، وغيرها الكثير.

خلاصة القول

فتحت LPWAN مجموعة كبيرة من تطبيقات إنترنت الأشياء طويلة المدى ومنخفضة الطاقة. ستعمل هذه التطبيقات بعيدة المدى على تبسيط البنى التحتية الواسعة مما يؤدي إلى نظام بيئي أفضل من السلامة والاتصال والنمو. لإعطاء فكرة، من المتوقع أن يكون هناك 24 مليار دولار الأجهزة المترابطة بحلول عام 2050 مع معدل نمو إنترنت الأشياء هذا.