ما هو إنترنت الأشياء الخلوي في الاتصالات CIoT

يمكن تمكين إنترنت الأشياء الخلوي حاليًا من خلال مجموعة متنوعة من تقنيات (GSM) و(LTE) بما في ذلك (EC-GSM-IoT) و(NB-IoT) و(LTE-M)، حيث ينتمي نظام (GSM) إلى شبكات الهاتف المحمول من الجيل الثاني (2G) وهو موجود منذ أوائل التسعينيات، كما أحدث التقنيات الخلوية هي الراديو الجديد (NR) والذي يستخدمه الجيل الخامس من شبكات الهاتف المحمول (5G)، ومع ذلك فإنّ تقنية (LTE) هي تقنية خلوية من الجيل الرابع (4G) وهي أكثر التقنيات المتاحة على نطاق واسع.

ما هو إنترنت الأشياء الخلوي CIoT

إنترنت الأشياء الخلوي (CIoT): هو نظام يستخدم الشبكات الخلوية المتنقلة للاتصال بإنترنت الأشياء وهي تستخدم تقنيات منخفضة الطاقة واسعة النطاق (LPWA) مثل (NB-IoT) و(LTE-M) و(GSM-IoT) للسماح لأجهزة (IoT) منخفضة التكلفة ومنخفضة الطاقة، بالاتصال بأمان باستخدام الطيف المرخص لمشغل الهاتف المحمول.

• “CIoT” هي اختصار لـ “Cellular IoT” و”IoT” هي اختصار لـ “Internet of things”.

• “LTE” هي اختصار لـ “Long Term Evolution” و”GSM” هي اختصار لـ “Global System for Mobile”.

• “EC-GSM-IoT” هي اختصار لـ “Extended Coverage GSM IoT” و”NB-IoT” هي اختصار لـ “Narrowband IoT”.

لماذا تستخدم شبكة الهاتف المحمول بدلاً من شبكة Wi-Fi لإنترنت الأشياء

يمكن لأجهزة (IoT) الاتصال عبر أي شبكة ولا تتطلب بالضرورة اتصالاً خلويًا متنقلًا مثل (GSM) أو (UMTS) أو (LTE) أو (5G NR)، ومع ذلك هناك العديد من المزايا الرئيسية لاستخدام شبكة الهاتف المحمول للاتصال بإنترنت الأشياء:

• مدى وصول الشبكة.

• نظرًا لأن إنترنت الأشياء المحمول يستخدم الشبكات الخلوية الحالية، فإنّه قادر على الاستفادة من وجود البنية التحتية الحالية.

• بالإضافة إلى ذلك، تستخدم شبكات الهاتف المحمول طيفاً ترددياً مرخصاً، مما يسمح لها بتقليل التداخل وتوفير الاتصال بطريقة آمنة للغاية.

ملاحظة:“UMTS” هي اختصار لـ “Universal Mobile Telecommunications Service”.

لماذا يتطلب Cellular IoT شبكة منخفضة الطاقة

• استهلاك منخفض للطاقة بحيث يمكن للبطارية أن تدوم لمدة تصل إلى (10 سنوات).

• تكلفة منخفضة بحيث يمكن أن يتم النشر الشامل.

• تغطية واسعة النطاق حتى تتمكن الأجهزة من الاتصال وبغض النظر عن مكان وجودهم.

يتماشى توحيد (IoT) المتنقل أو (IoT) الخلوي مع مواصفات (3GPP)، حيث يتطلب النشر الجماعي لمليارات أجهزة إنترنت الأشياء بعض الاعتبارات العملية، والشرط الأول هو أن تدعم تقنية الاتصال الطاقة المنخفضة بحيث لا تنفد بطارية الأجهزة التي تستخدم التكنولوجيا بين الحين والآخر، والشرط الثاني هو تكلفة الجهاز والتي يجب أن تكون منخفضة من أجل دعم النشر الشامل بطريقة ميسورة التكلفة.

أمّا الشرط الثالث هو أن تكون التغطية قوية بحيث يمكن لجميع الأجهزة الاتصال بسهولة بالشبكة لذلك فإنّ المجالات الرئيسية التي تحدد اللبنات الأساسية لـ (IoT الخلوية) هي تكلفة منخفضة للجهاز، وتغطية شبكة ممتدة واستهلاك منخفض للطاقة، وعلى عكس الهواتف المحمولة التي تقضي معظم وقتها، غالبًا ما يُطلب من أجهزة إنترنت الأشياء وضعها في مواقع غير ملائمة.

لذلك يجب أن تكون إشارة الهاتف المحمول قوية جداً للوصول إلى هذه المواقع التي بها مشكلات، ونتيجة لذلك تتطلب تغطية إنترنت الأشياء للأجهزة المحمولة، أن تكون الإشارة الخلوية أقوى بمقدار (20 ديسيبل) من المتوسط، وعلاوة على ذلك للحفاظ على انخفاض تكاليف الجهاز تحتاج الأجهزة إلى مستوى منخفض جداً من التعقيد، كما يتطلب استهلاك الطاقة المنخفض أن تدوم البطارية لعدة سنوات حتى (10 سنوات).

• “3GPP” هي اختصار لـ “The 3rd Generation Partnership Project”.

مبدأ عمل Cellular IoT

تستخدم تقنية الاتصالات اللاسلكية المحمولة معايير وبروتوكولات مختلفة لنقل البيانات بين عقدة كمحطة إرسال وجهاز لاسلكي كجهاز محمول، بحيث تتواصل بعض الأجهزة اللاسلكية باستخدام الوصول المتعدد بتقسيم التردد المتعامد (OFDMA) في الإرسال للوصلة الهابطة (DL)، والنفاذ المتعدد بتقسيم التردد الحامل الفردي (SC-FDMA) في الوصلة الصاعدة (UL).

تشمل المعايير والبروتوكولات التي تستخدم مضاعفة تقسيم التردد المتعامد (OFDM) لنقل الإشارة مشروع شراكة الجيل الثالث (3GPP) التطور طويل المدى (LTE)، و(WiMAX) القابلية التشغيل البيني العالمية للوصول إلى الميكروويف ومعيار (IEEE 802.11) المعروف باسم (Wi-Fi).

في (3GPP) وشبكة نفاذ لاسلكي (RAN) وأنظمة (LTE) يمكن أن تكون العقدة مزيجاً من شبكة الوصول الراديوي الأرضي العالمي المتطور (E-UTRAN)، أو (eNBs) المحسّنة ووحدات التحكم في شبكة الراديو (RNCs)، التي تتواصل مع الجهاز اللاسلكي والمعروف باسم جهاز المستخدم (UE)، كما يمكن أن يكون إرسال الوصلة الهابطة (DL) اتصالًا من العقدة إلى الجهاز اللاسلكي، ويمكن أن يكون إرسال الارتباط الصاعد (UL) اتصالًا من الجهاز اللاسلكي إلى العقدة.

كما إنّ إنترنت الأشياء ضيق النطاق (NB-IoT) هي تقنية تم توحيدها بواسطة مشروع شراكة الجيل الثالث (3GPP)، حيث تم تصميم (NB-IoT) لمعالجة قيود إنترنت الأشياء الخلوية (CIoT) المحددة مثل أن (NB-IoT) يمكن أن يوفر تغطية داخلية محسنة، ودعماً لعدد كبير نسبياً من الأجهزة ذات الإنتاجية المنخفضة وحساسية التأخير المنخفضة، وانخفاض تكلفة الجهاز وانخفاض استهلاك طاقة الجهاز وبنية شبكة محسنة.

يمكن نشر (NB-IoT) في أي من النظام العالمي للجوال، وطيف الاتصالات (GSM) أو طيف التطور طويل الأمد (LTE)، بحيث يمكن أيضاً نشر (NB-IoT) في تقنيات الجيل الخامس (5G) أو الراديو الجديد (NR)، كما يمكن أن تدعم (NB-IoT) إجراءات التحكم في الموارد الراديوية (RRC)، بناءً على بروتوكولات (LTE) الحالية والتحسينات ذات الصلة لتمكين طبقة مادية محددة.

بالإضافة إلى ذلك يمكن أن يكون حل مستوى التحكم (CP) للبيانات عبر طبقة عدم الوصول (NAS) ميزة إلزامية لـ (NB-IoT UE) و(eNodeB)، ويمكن أن يكون حل (CP) اختياريًا لوحدة (UE) غير (NB IoT)، بينما يمكن أن يكون حل مستوى المستخدم (UP)، والذي يتضمن تخزين سياق طبقة الوصول إلى تجهيزات المستعمل (AS) في (eNodeB) ميزة اختيارية.

في حل (UP) يمكن تخزين سياق تجهيزات المستعمل على تجهيزات المستعمل من أجل أسلوب أو إجراءات الخمول، حيث يمكن اعتبار حل (CP) بمثابة تحسين لنظام الحزم المتطور ((EPS) CP CIoT) ويمكن اعتبار حل (UP) تحسينًا لـ (UP CIoT EPS)، كما يمكن أن يتيح تحسين (CP CIoT EPS) دعم النقل الفعال لبيانات المستخدم وعلى سبيل المثال بيانات بروتوكول الإنترنت (IP) أو بيانات غير (IP).

وكذلك رسائل خدمة الرسائل القصيرة (SMS) عبر مستوى التحكم عبر كيان إدارة التنقل (MME) دون الحاجة إلى إنشاء حامل راديو بيانات، كما يمكن لتحسين (UP CIoT EPS) تمكين الدعم للتغيير من وضع الخمول  (EMM) إلى وضع (EMM) المتصل دون استخدام إجراء طلب الخدمة.

• “WiMAX” هي اختصار لـ “Worldwide Interoperability for Microwave Access” و”EMM” هي اختصار لـ “EPS Mobility Management”.

• “MME” هي اختصار لـ “Mobility Management Entity” و”SMS” هي اختصار لـ “Short Message Service”.

• “EPS” هي اختصار لـ “Evolved Packet System” و”IP” هي اختصار لـ “Internet Protocol”.

• “CP” هي اختصار لـ “control plane” و”NAS” هي اختصار لـ “Non-access stratum”.

• “RRC” هي اختصار لـ “Radio Resource Control” و”E-UTRAN” هي اختصار لـ “Evolved-UMTS Terrestrial Radio Access Network”.

• “RAN” هي اختصار لـ “Radio Access Network” و”IEEE” هي اختصار لـ “The Institute of Electrical and Electronics Engineers”.

• “RNC” هي اختصار لـ “Radio Network Controller ” و”OFDMA” هي اختصار لـ “Orthogonal Frequency Division Multiple Access”.

• “OFDM” هي اختصار لـ “Orthogonal Frequency Division Multiple” و”SC-FDMA” هي اختصار لـ “Single Carrier Frequency Domain Multiple Access”.