التقنيات منخفضة الطاقة واسعة النطاق في الاتصالات LPWA

تم تحسين اتصال (LPWA) لإنترنت الأشياء (IoT)، وتقليدياً كان مسار تطوير تقنيات الاتصالات اللاسلكية في المناطق المنتشرة، مدفوعًا برغبة لا تفيد لعرض النطاق الترددي لدعم مجموعة أكثر تنوعًا من التطبيقات للمستهلكين ومستخدمي المؤسسات أيضًا.

ما هي التقنيات منخفضة الطاقة واسعة النطاق LPWA

التقنيات منخفضة الطاقة واسعة النطاق (LPWA): هي تقنيات اتصال واسعة النطاق، بحيث يمكنها دعم تجربة اتصال مشابهة جدًا في طبيعتها للخدمات الخلوية التقليدية أي اتصال بعيد المدى بجهاز، ولكنّها تختلف من حيث أنّها قد تم تحسينها لدعم الاتصالات من نوع الآلة للرسائل الصغيرة، ويتم إرسالها بشكل غير متكرر وحيث لا يكون زمن الوصول المنخفض مطلبًا بالغ الأهمية.

ملاحظة: “LPWA” هي اختصار لـ “Low Power Wide Area”.

ملاحظة: “IoT” هي اختصار لـ “Internet of Things”.

خصائص التقنيات منخفضة الطاقة واسعة النطاق LPWA

• في الشبكات اللاسلكية يُعتبر كل شيء مقايضة، وتؤدي قيود تقنيات (LPWA) إلى فائدتين رئيسيتين وهما انخفاض استهلاك الطاقة، ومع عمر بطارية يصل إلى (10 سنوات) للأجهزة المتصلة وأجهزة اتصال منخفضة التكلفة، كما تعني هاتان الخاصيتان أنّه يمكن نشر اتصال (LPWA) لدعم حلول إنترنت الأشياء التي لن تكون مجدية اقتصاديًا لولا ذلك.

• لكن الاتصالات من نوع الآلة (IoT) مختلفة، وغالبًا ما تحتاج الرسائل إلى أن تكون صغيرة نسبيًا فقط حتى لو كانت مجرد وحدات بايت قليلة لتأكيد شحن البطارية بشكل كافٍ، وبالنسبة لمعظم التطبيقات لا يمثل وقت الاستجابة مشكلة ما لم يكن التفاعل البشري مطلوبًا، هذه الأنواع من حالات الاستخدام هي التي تم تطوير تقنيات (LPWA) لمعالجتها.

• بحلول بداية العقد الماضي كانت إمكانات هذه المجموعة من التقنيات واضحة، وقد صاغ (Jim Morrish) مصطلح (LPWA) للمساعدة في توصيف المفهوم ووصفه.

• تدور إلى الأمام عقدًا من الزمن ويتوقع معظم مراقبي الصناعة أن تكون تقنيات (LPWA) هي حل الاتصال المهيمن لأجهزة إنترنت الأشياء المتصلة لاسلكيًا بمنطقة واسعة في منتصف عام (2020).

أهمية تقنيات LPWA

تطابق جيد لمجموعة واسعة من حلول إنترنت الأشياء كالقياس الذكي ومراقبة البنية التحتية والمراقبة الأمنية وأغطية غرف التفتيش المتصلة وصنابير الإطفاء المتصلة وصناديق البريد المتصلة، وإنّ قائمة الأصول التي يمكن مراقبتها بشكل مفيد باستخدام جهاز يعمل بالبطارية منخفض التكلفة، ومتصل بشبكة واسعة لا حدود لها تقريبًا.

سيكون الطلب الكبير مدفوعًا أيضًا بقدرة حلول (LPWA) على دعم الاتصال “خارج الصندوق” للأجهزة الاستهلاكية، حيث قارن بين تجربة المستخدم المتمثلة في إخراج مجموعة جديدة من الأجهزة من وإدخال البطاريات وجعلها تتصل تلقائيًا بشبكة (LPWA)، مع عملية أكثر تعقيدًا وعرضة للخطأ تتمثل في إرفاق نفس المقاييس بشبكة (Wi-Fi) المنزلية.

كما يُعد توصيل الأجهزة مباشرة بشبكة واحدة متجانسة أفضل بكثير من منظور خدمة العملاء وحل الخطأ من كل جهاز يشحنونه يحتاج إلى الاتصال بشبكة (Wi-Fi) المنزلية للعميل، وتتضمن التطبيقات الداخلية الأخرى الواضحة لتقنيات (LPWA) أشياء مثل أجهزة إنذار الحريق المتصلة، والتي يمكنها إرسال تنبيهات عندما تكون البطاريات منخفضة، وإصدارات متصلة بمساحة واسعة.

التحديات في تقنيات LPWA

1- دورات التنمية

يتطلب تطوير حل (LPWA) جديد يعمل بالبطارية وبطارية طويلة العمر الكثير من العمل، ويميل تطوير تطبيقات البرامج باستخدام أدوات تطوير البرامج النموذجية، ونشرها على أجهزة عامة إلى إنتاج حلول “دردشة” للغاية مع قدر كبير من الإشارات والاتصالات الهامة غير المتعلقة بالحل بين جهاز بعيد وأي خوادم مركزية، ومن المرجح أن تستنزف هذه الحلول البطاريات بسرعة، ولتحقيق عمر البطارية الذي يبلغ (10 سنوات) الذي وعدت به تقنية (LPWA) ومن الضروري زيادة الاستثمار في عدة مجالات:

• تطوير التطبيقات، حيث يجب أن تكون الاتصالات بين الجهاز البعيد والخوادم الأساسية في حدها الأدنى.

• الأجهزة، حيث قد يكون استهلاك الطاقة للنقاط النهائية العامة التي تدعم نظام التشغيل السائد مرتفعًا جدًا، ممّا قد يؤدي إلى الحاجة إلى تطوير تصميم مرجعي جديد للأجهزة.

• تعمل قيود الأجهزة على زيادة التحدي المتمثل في تطوير تطبيقات (LPWA) التي يجب تصميمها للعمل ضمن قيود بيئة الأجهزة المصغرة أو المخصصة.

2- مرونة التطبيق

تؤدي عملية التصميم إلى حل مُحسَّن للغاية مصمم لزيادة عمر البطارية إلى أقصى حد، ولكن نتيجة التخلي عن أجهزة وأنظمة تشغيل الأجهزة الطرفية العامة سعياً وراء عمر البطارية، هو أنّ هناك مجالاً أقل لتحسين أي تطبيق ناتج بعد نشره، وسيتم تصميم القيود في أجهزة نقطة النهاية وأي زيادة كبيرة في الاتصالات بين جهاز بعيد وخوادم أساسية ستؤثر على عمر البطارية.

حتى في حالة استخدام الأجهزة العامة للأجهزة الطرفية وعلى سبيل المثال عندما تكون الأجهزة متصلة بمصدر طاقة، فإنّ النطاق الترددي الذي يمكن أن تدعمه تقنيات اتصال (LPWA) يكون محدودًا ممّا يحد بالضرورة من إمكانية تحسين الحلول بمجرد نشرها.

3- المخاطر التجارية

• إنّ اختيار شريك اتصال لأي عملية نشر لإنترنت الأشياء سيترتب عليه دائمًا مستوى معين من المخاطرة.

• ومع ذلك نتيجة لحجم المشغلين من المحتمل أن تكون تقنيات (LoRaWAN) وشبكات (Sigfox) خيارات مخاطرة أعلى من أي من حلول (3GPP) أي (NB-IoT) و(LTE-M).

وهذا لا يعني أنّ اختيار (NB-IoT) أو (LTE-M) بدعم من مشغل الهاتف المحمول خالٍ تمامًا من المخاطر ولن ينجح جميع مشغلي شبكات الجوّال في مساعي (LPWA)، وقد لا يرغب أولئك الذين ليسوا كذلك في تمويل الاستثمارات اللازمة للحفاظ على عرض (LPWA) الإجمالي الخاص بهم.

ملاحظة:“LoRaWAN” هي اختصار لـ “long range, wide area networks” و”NB-IoT” هي اختصار لـ “Narrow band Internet of things”.

ملاحظة:“LTE-M” هي اختصار لـ “Long Term Evolution Machine Type Communication” و”3GPP” هي اختصار لـ “Third Generation Partnership Project”.

ملاحظة: “Wi-Fi” هي اختصار لـ “Wireless Fidelity” و”ZigBee” هي اختصار لـ “Zonal Intercommunication Global-standard”.

ميزات تقنيات LPWAN

• التغطية المحصورة أو البعيدة، حيث تُستخدم شبكات (LPWAN) بشكل متكرر لتوفير تغطية للأجهزة في المواقع التي يصعب الوصول إليها، وتركز بعض التقنيات بشكل أكبر على المسافة والبعض الآخر على المرافق تحت الأرض.

• كفاءة الطاقة، يتم تصميم معظم تقنيات (LPWAN) لإطالة عمر بطارية الجهاز وأحيانًا لمدة تصل إلى عشر سنوات، في حين أنّهم يتخذون طرقًا مختلفة لتقليل استهلاك الطاقة فإنّ معظمهم يسمح بفصل الجهاز عند عدم جمع البيانات وإرسالها كطريقة أساسية لتحقيق الكفاءة.

• الأمان والخصوصية، يستفيد معظمها من ميزات الأمان لشبكات المحمول، بما في ذلك المصادقة وتحديد الجهاز وسرية المستخدم وتكامل البيانات.

في نهاية المقال، تأتي تقنية (LPWAN) في العديد من الأشكال والأحجام مثل: (ZigBee) و(SigFoX) و(Nwave) و(LTE-M) و(NB-IoT)، ومن بين جميع الخيارات الحالية والناشئة اكتسبت (LTE-M) و(NB-IoT) مكانة بارزة باعتبارها تقنيات (LPWAN) المفضلة لتطبيقات إنترنت الأشياء، ويرجع ذلك إلى كفاءة التكلفة وقدرة هذه المعايير على توفير شبكات طويلة العمر وأمان وشبكات ناضجة وواسعة النطاق.