شبكة المنطقة الواسعة منخفضة الطاقة LPWAN

كتقنية جديدة إلى حد ما يتغير مشهد (LPWAN) باستمرار وبعيداً عن النضج، وأنّ سرعة توسع السوق غير معروفة أيضاً وكما أنّ الأداء طويل المدى لكل اختلاف في (LPWAN) غير مؤكد، حيث لا يزال العديد منهم في طور نشره الأولي ولم يتم الانتهاء بعد من اختبار العالم الحقيقي على نطاق واسع.

ما هي شبكة WAN منخفضة الطاقة

شبكة (WAN) منخفضة الطاقة (LPWAN): هي تقنية شبكة لاسلكية واسعة النطاق تربط بين الأجهزة ذات النطاق الترددي المنخفض والأجهزة، والتي تعمل بالبطارية بمعدلات بت منخفضة عبر نطاقات طويلة.

تم إنشاء (LPWAN) لشبكات من آلة إلى آلة (M2M) وإنترنت الأشياء (IoT)، وتعمل شبكات (LPWAN) بتكلفة أقل مع كفاءة طاقة أكبر من شبكات الهاتف المحمول التقليدية، كما أنّها قادرة على دعم عدد أكبر من الأجهزة المتصلة على مساحة أكبر، بحيث يمكن أن تستوعب شبكات (LPWAN) أحجام حزم من (10 بايت) إلى (1000 بايت) بسرعات ارتباط تصل إلى (200 كيلوبت في الثانية.

كما يتراوح مدى (LPWAN) الطويل من (2 كم) إلى (1000 كم) اعتماداً على التكنولوجيا، وتحتوي معظم شبكات (LPWAN) على هيكل نجمي، حيث تتصل كل نقطة نهاية وعلى غرار شبكة (Wi-Fi) مباشرةً بنقاط الوصول المركزية المشتركة.

• “LPWAN” هي اختصار لـ “Low-Power-Wide-Area-Network”.

• “WAN” هي اختصار لـ “Wide-Area-Network”.

• “M2M” هي اختصار لـ “Machine-to-machine”.

• “IoT” هي اختصار لـ “Internet-of-Things”.

أنواع شبكات LPWAN

لا تُعد (LPWAN) تقنية واحدة ولكنّها مجموعة من تقنيات الشبكة الواسعة والمنخفضة الطاقة والتي تتخذ العديد من الأشكال والأنواع، بحيث يمكن أن تستخدم شبكات (LPWAN) الترددات المرخصة أو غير المرخصة وتتضمن خيارات قياسية مملوكة أو مفتوحة.

تُعد (Sigfox) المملوكة وغير المرخصة واحدة من أكثر شبكات (LPWAN) انتشاراً اليوم، بحيث تعمل تقنية النطاق الضيق للغاية، والتي تعمل عبر شبكة عامة في النطاقين (868 ميجاهرتز) أو (902 ميجاهرتز) على السماح لمشغل واحد فقط في كل بلد، وفي حين أنّه يمكن أن يسلم رسائل عبر مسافات (30-50 كم) في المناطق الريفية، و(3-10 كم) في المناطق الحضرية وما يصل إلى (1000 كم) في تطبيقات خط الموقع، فإنّ حجم حزمته يقتصر على 150 رسالة من 12 بايت في اليوم.

حزم الارتباط الهابطة أصغر حجماً وتقتصر على أربع رسائل من 8 بايت في اليوم، كما يمكن أن يكون إرسال البيانات مرة أخرى إلى نقاط النهاية عرضة للتداخل، والوصول العشوائي متعدد الطور (RPMA) هو (LPWAN)، وعلى الرغم من أنّ نطاقه أقصر (يصل إلى 50 كم من خط الرؤية) و(5-10 كم غير خط نظر) فإنّه يوفر اتصالًا ثنائي الاتجاه أفضل من (Sigfox)، ومع ذلك نظراً لأنّه يعمل في نطاق (2.4 جيجاهرتز) فهو عرضة للتداخل من (Wi-Fi) و(Bluetooth) والهياكل المادية، كما أنّ لديها عادةً استهلاك طاقة أعلى من خيارات (LPWAN) الأخرى.

تُرسل (LoRa) غير المرخصة المحددة والمدعومة من قبل (LoRa Alliance) في عدة ترددات فرعية جيجاهيرتز ممّا يجعلها أقل عرضة للتداخل، ومشتق من تعديل طيف انتشار (CSS) و(LoRa) يسمح للمستخدمين بتحديد حجم الحزمة، وفي حين أنّ شريحة جهاز الإرسال والاستقبال الأساسية المستخدمة لتنفيذ (LoRa) مفتوحة المصدر، و(LoRaWAN) هو بروتوكول طبقة التحكم في الوصول إلى الوسائط (MAC) الذي يدير الاتصال بين أجهزة (LPWAN) والبوابات.

طورت شركة (SIG) عديمة الوزن ثلاثة معايير (LPWAN) وعديم الوزن أحادي الاتجاه ووزن خفيف- P ثنائي الاتجاه وعديم الوزن- W، وهو أيضاً ثنائي الاتجاه ويعمل خارج الطيف التليفزيوني غير المستخدم وغالباً ما يكون (Weightless-N) و(Weightless-P) من الخيارات الأكثر شيوعاً، نظراً لعمر بطارية (Weightless-W) الأقصر، ويتم تشغيل (Weightless-N) و(Weightless-P) في النطاق الفرعي (1 جيجاهرتز) غير المرخص ولكنّه يدعم أيضاً تشغيل الطيف المرخص باستخدام تقنية النطاق الضيق (12.5 كيلو هرتز).

(NB-IoT) و(LTE-M) كلاهما من معايير مشروع شراكة الجيل الثالث (3GPP) التي تعمل على الطيف المرخص، وعلى الرغم من أنّ لديهم أداءً مشابهاً للمعايير الأخرى إلا أنّهم يعملون على البنية التحتية الخلوية الحالية، ممّا يسمح لمقدمي الخدمة بإضافة اتصال إنترنت الأشياء الخلوي بسرعة إلى محافظ خدماتهم.

تعمل (NB-IoT) المعروفة أيضاً باسم (CAT-NB1) على البنية التحتية الحالية لـ (LTE) والنظام العالمي للجوال (GSM)، وإنّه يوفر معدلات للوصلة الصاعدة والهابطة بحوالي (200 كيلوبت في الثانية) باستخدام (200 كيلوهرتز) فقط من عرض النطاق الترددي المتاح، و(LTE-M) المعروف أيضاً باسم (CAT-M1) يوفر نطاقاً ترددياً أعلى من (NB-IoT) وأعلى نطاق ترددي لأي تقنية (LPWAN).

• “RPMA” هي اختصار لـ “Random-Phase-Multiple-Access” و”NB-IoT” هي اختصار لـ “Narrowband-IoT”.

• “LTE” هي اختصار لـ “Long-Term-Evolution” و”3GPP” هي اختصار لـ “3rd-Generation-Partnership-Project”.

• “MAC” هي اختصار لـ “Media-Access-Control” و”LoRa” هي اختصار لـ “Long-Range-Radio”.

• “CSS” هي اختصار لـ “Circuit-Switched-System” و”GSM” هي اختصار لـ “Global-System-for-Mobile-Communications”.

الفرق بين LPWAN والتقنيات الخلوية وRF والشبكة

بينما تعد (Bluetooth) و(Zigbee) و(Wi-Fi) مناسبة لاتصال إنترنت الأشياء على مستوى المستهلك، فإنّ العديد من تطبيقات إنترنت الأشياء، لا سيما في عمليات النشر الصناعية والمدنية والتجارية تستفيد من شبكة (LPWAN)، حيث يمكن لعدد كبير من الأجهزة منخفضة الطاقة في نطاق منطقة واسع أن تكون مدعومة بشكل فعال من حيث التكلفة.

على عكس التقنيات اللاسلكية السابقة يوفر (LPWAN) اتصالاً واسع النطاق موفراً للبطارية في كل مكان ممّا يتيح المزيد من تطبيقات (M2M) و(IoT) التي كانت باهظة في السابق بسبب التكلفة، ومع ذلك فإنّ المفاضلة الرئيسية هي مقدار البيانات التي يمكن إرسالها، ومع ذلك إنّ (86%) من جميع أجهزة إنترنت الأشياء تستخدم أقل من (3 ميجابايت) من البيانات شهرياً، وتقدر (3GPP) أنّ (99.9%) من أجهزة (LPWAN) ستستخدم أقل من (150 كيلوبايت) من البيانات شهرياً.

غالباً ما تعاني الشبكات الخلوية من ضعف عمر البطارية وقد تحتوي على فجوات في التغطية وغالباً ما يتم أيضًا ًغروب الشمس على التقنيات الخلوية، نظراً لأنّ العديد من أجهزة إنترنت الأشياء يتم نشرها لمدة (10 سنوات) أو أكثر فإنّ غروب الشمس للتغطية الخلوية ليس خياراً ممكناً.

لا تحتوي تقنيات التردد اللاسلكي (RF) مثل البلوتوث والاتصالات قريبة المدى (NFC) على النطاق الذي تتطلبه العديد من تطبيقات إنترنت الأشياء، وتُعد تقنيات الشبكات مثل (Zigbee) أكثر ملاءمة لتطبيقات إنترنت الأشياء لمسافات متوسطة مثل المنازل الذكية أو المباني الذكية، ولديهم معدلات بيانات عالية وأقل كفاءة في استخدام البطارية من (LPWAN).

• “RF” هي اختصار لـ “radio-frequency”.

• “NFC” هي اختصار لـ “Near-field-communication”.

تطبيقات شبكة LPWAN

مع انخفاض متطلبات الطاقة ونطاقات أطول وتكاليف أقل من شبكات المحمول التقليدية تتيح شبكات (LPWAN) عدداً من تطبيقات (M2M) و(IoT)، والتي كان العديد منها مقيدًا في السابق بالميزانيات ومشكلات الطاقة.

يعتمد اختيار (LPWAN) على التطبيق المحدد أي السرعة المطلوبة وكميات البيانات والمنطقة المغطاة وكما تُعد شبكات (LPWAN) هي الأنسب للتطبيقات، والتي تتطلب تسليم رسائل الوصلة الصاعدة غير المتكرر للرسائل الأصغر، كما تحتوي معظم تقنيات (LPWAN) أيضاً على إمكانيات الوصلة الهابطة.

تُستخدم شبكات (LPWAN) بشكل شائع في التطبيقات بما في ذلك القياس الذكي والإضاءة الذكية ومراقبة الأصول وتتبعها والمدن الذكية والزراعة الدقيقة، ومراقبة الثروة الحيوانية وإدارة الطاقة والتصنيع ونشر إنترنت الأشياء الصناعي.

كما توفر تقنيات (LPWAN) المختلفة مستويات مختلفة من الأمان، بحيث يتضمن معظمها مصادقة الجهاز أو المشترك ومصادقة الشبكة وحماية الهوية، والتشفير القياسي المتقدم (AES) وسرية الرسائل وتوفير المفاتيح.

• “AES” هي اختصار لـ “Advanced-Encryption-Standard”.