الاتصالات اللاسلكية طويلة المدى ومنخفضة الطاقة LoRa Wireless

تُعد أجهزة “LoRa” وتقنية تردد الراديو اللاسلكي عبارة عن منصة لاسلكية طويلة المدى ومنخفضة الطاقة حيث أصبحت التقنية الفعلية لشبكات إنترنت الأشياء “IoT” في جميع أنحاء العالم، كما تعمل أجهزة “LoRa” وبروتوكول “LoRaWAN” المفتوح على تمكين تطبيقات إنترنت الأشياء الذكية التي تجد حلولاً للمشكلات كإدارة الطاقة والحد من الموارد الطبيعية ومكافحة التلوث وكفاءة البنية التحتية والوقاية من الكوارث.

ما هي الاتصالات اللاسلكية LoRa Wireless؟

اتصالات “LoRa”: هي تقنية لاسلكية تم تطويرها لتمكين إجراء اتصالات ذات معدل بيانات منخفض عبر مسافات طويلة بواسطة أجهزة استشعار ومحركات لتطبيقات “M2M” وإنترنت الأشياء “IoT”، حيث يستخدم الطيف الراديوي غير المرخص في العديد من النطاقات “ISM”؛ لتمكين اتصال منخفض الطاقة واتصال واسع النطاق بين أجهزة الاستشعار عن بعد والبوابات المتصلة بالشبكة، كما يستخدم تقنية انتشار الطيف بنطاق أوسع، حيث يستخدم التردد المعدل لكسب التشفير لزيادة حساسية المُستقبل.

تعتمد “LoRa” على تعديل طيف انتشار “chirp spread spectrum”، والذي يتميز بخصائص طاقة منخفضة مثل تعديل “FSK” ولكن يمكن استخدامه للاتصالات طويلة المدى، كما يمكن استخدام “LoRa” لتوصيل المستشعرات والبوابات والآلات والأجهزة والأشخاص لاسلكياً بالحوسبة السحابية، كما تعمل “LoRa Technologies” في نطاقات تردد مختلفة في مناطق مختلفة، ففي الولايات المتحدة تعمل في نطاق “915 ميجاهرتز” وفي أوروبا تعمل في نطاق “868 ميجاهرتز”، أمّا في آسيا تعمل في النطاق “865 إلى 867 ميجاهرتز” و”920 إلى 923 ميجاهرتز”.

تتميز “LoRa” أيضاً بخوارزمية معدل بيانات قابلة للتكيف للمساعدة في زيادة عمر بطارية العقد وسعة الشبكة، حيث يتضمن بروتوكول “LoRa” عدداً من الطبقات المختلفة، بما في ذلك التشفير على مستوى الشبكة والتطبيق والجهاز للاتصالات الآمنة.

• “ISM” هي اختصار لـ “Industrial, Scientific and Medical”.

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

• “LoRa” هي اختصار لـ “Long Range low power wireless communications”.

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

• “FSK” هي اختصار لـ “Frequency Shift Keying”.

أساسيات نظام LoRa:

هناك العديد من العناصر الأساسية لتكنولوجيا “LoRa”، والتي تتضمن بعض ميزاته الرئيسية كالمدى البعيد الذي يكون “15 – 20 كم” واحتوائها على ملايين العقد “nodes” وعمر بطارية طويل، حيث يزيد عن عشر سنوات، كما تم تصميم نظام “LoRa” اللاسلكية بشكل متناسق لاستخدامها في مجموعة متنوعة من التطبيقات، حيث تعني القدرات المنخفضة الطاقة والقدرات بعيدة المدى أنّه يمكن نشر نقاط النهاية في مجموعة متنوعة من الأماكن، في المباني وخارجها ولا تزال تتمتع بالقدرة على الاتصال بالبوابة.

يتم نشر نظام “LoRa” على نطاق واسع، حيث يتم دمجه في العديد من الأنظمة وحتى أجهزة الكمبيوتر الصغيرة مثل “Arduino” لديها خيارات “LoRa”، ووفقاً لذلك من السهل جداً تطوير تطبيقات “LoRa” لكل من التصنيع على نطاق واسع أو التطبيقات الأكثر تخصصاً.

يمكن ترتيب شبكة “LoRa” لتوفير تغطية مماثلة لتلك الخاصة بالشبكة الخلوية، حيث يكون العديد من مشغلي “LoRa” هم من مشغلي الشبكات الخلوية الذين سيكونون قادرين على استخدام الأبراج الموجودة لتركيب هوائيات “LoRa”، وفي بعض الحالات يمكن دمج هوائيات “LoRa” مع الهوائيات الخلوية حيث قد تكون الترددات قريبة وسيوفر الجمع بين الهوائيات مزايا تكلفة كبيرة، كما تشمل تطبيقات نظام “LoRa” اللاسلكية القياس الذكي وتتبع المخزون وآلة البيع والبيانات والمراقبة وصناعة السيارات وتطبيقات المرافق، حيث قد تكون هناك حاجة إلى الإبلاغ عن البيانات والتحكم فيها.

عناصر نظام LoRa:

1- السطح البيني RF والطبقة المادية في LoRa:

الطبقة المادية “LoRa”: هي مفتاح تشغيل النظام، حيث إنّه يتحكم في جوانب إشارة التردد اللاسلكي التي يتم إرسالها بين العقد أو نقاط النهاية أي أجهزة الاستشعار وبوابة “LoRa”، كما يتم استقبال الإشارات بحيث تتحكم الطبقة المادية أو السطح البيني الراديوي في جوانب الإشارة بما في ذلك الترددات وتنسيق التشكيل ومستويات القدرة وإرسال الإشارات بين عناصر الإرسال والاستقبال.

2- بروتوكول LoRa:

تم تحديد مجموعة بروتوكولات مفتوحة لـ “LoRa”، حيث أتاح إنشاء البروتوكول المصدر لنظام “LoRa” أن ينمو لأنّ تطوير “LoRa” تمكن من إنشاء حل سهل الاستخدام ومنخفض التكلفة للاتصال بجميع الطرق من أجهزة إنترنت الأشياء المتصلة.

3- بنية شبكة “LoRaWAN”:

بالإضافة إلى عناصر “RF” في نظام “LoRa” اللاسلكي، هناك عناصر أخرى لبنية الشبكة بما في ذلك بنية النظام الشاملة والوصلة والخادم وأجهزة الكمبيوتر التطبيقية، حيث غالباً ما يشار إلى الهيكل العام باسم “LoRaWAN”.

نظام “LoRaWAN”: هي مواصفات بروتوكول بنية تحتية “LPWAN” مفتوحة المصدر مبنية على أعلى تقنية “LoRa” التي طورها تحالف “LoRa”، والتي تسمح للشركات الأخرى بإنشاء شبكات إنترنت الأشياء الخاصة بها بناءً على مواصفاتها التكنولوجية، حيث يتيح هذا النهج القائم على المعايير لبناء “LPWAN” الإعداد السريع لشبكات إنترنت الأشياء العامة أو الخاصة في أي مكان باستخدام أجهزة وبرامج آمنة ثنائية الاتجاه وقابلة للتشغيل المتبادل والمتنقلة، كما توفر ترجمة دقيقة وتعمل بالطريقة التي يطلبها المستخدم.

• “LPWAN” هي اختصار لـ “low-power-wide-area networks”.

أجهزة شبكة LoRa:

• أجهزة الإرسال والاستقبال والعقد النهائية، التي يتم تضمين أجهزة الإرسال والاستقبال التي تم تكوينها باستخدام أجهزة “LoRa” في العقد النهائية أو أجهزة الاستشعار المصممة للعديد من تطبيقات الصناعة.

• أجهزة “Pico Cells and Gateways”، حيث تلتقط المستشعرات “sensor” البيانات وتنقلها إلى البوابات عبر مسافات قريبة وبعيدة داخلية وخارجية، مع الحد الأدنى من متطلبات الطاقة.

• خادم الشبكة، والتي ترسل البوابات المعلومات عبر “Wi-Fi” أو “Ethernet” أو الهاتف المحمول إلى خادم الشبكة، وهو المسؤول عن وظائف إدارة الشبكة مثل التنشيط عبر الهواء وإزالة تكرار البيانات وتوجيه الإطار الديناميكي والتحكم في المعدل التكيفي وإدارة حركة مرور البيانات والإدارة.

• خوادم التطبيقات وخدمات إنترنت الأشياء السحابية، حيث تفسر التطبيقات البيانات التي تم جمعها بواسطة الأجهزة المستندة إلى “LoRa”، وتطبق تقنيات مثل التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي لحل مشاكل الأعمال.

ميزات نظام LoRa:

1- بعيد المدى:

يربط الأجهزة التي تفصل بينها مسافة “30 ميلاً” في المناطق الريفية ويخترق البيئات الحضرية أو البيئات الداخلية العميقة.

2- طاقة منخفضة:

يتطلب الحد الأدنى من الطاقة، مع عمر بطارية طويل يصل إلى “10 سنوات”، ممّا يقلل من تكاليف استبدال البطارية.

3- آمن “Secure”:

يتميز بتشفير “AES128” من طرف إلى طرف والمصادقة المتبادلة وحماية السلامة والسرية.

4- موحد “Standardized”:

يوفر إمكانية التشغيل البيني للأجهزة والتوافر العالمي لشبكات “LoRaWAN” للنشر السريع لتطبيقات إنترنت الأشياء في أي مكان.

5- تحديد الموقع الجغرافي:

يمكّن تطبيقات التتبع الخالية من نظام تحديد المواقع العالمي “GPS“، مما يوفر مزايا فريدة من نوعها منخفضة الطاقة لم تمسها التقنيات الأخرى.

• “GPS” هي اختصار لـ “Global Positioning System”.

6- اتصال الهاتف المحمول:

يحافظ على الاتصال بالأجهزة المتحركة دون الضغط على استهلاك الطاقة.

7- السعة العالية:

يدعم ملايين الرسائل لكل محطة أساسية، ممّا يلبي احتياجات مشغلي الشبكات العامة الذين يخدمون الأسواق الكبيرة، كما يقلل من نفقات استبدال البطارية ونفقات التشغيل في النهاية.