في هذه المقالة, سنراجع بعض خيارات المنطقة الواسعة منخفضة الطاقة الأكثر استخدامًا, التركيز على التقنيات الخلوية (إنترنت الأشياء ضيق النطاق وLT-M), بالإضافة إلى شبكات WPAN التي تستخدم نطاق ترددي غير مرخص, لورا / لوراوان, و سيجفوكس. سنكتشف أيضًا الفرق بين تقنيات LPWAN وWPAN. يمكن لتكنولوجيا البث التي تستخدم ترددات أعلى أن تنقل المزيد من البيانات ومعدلات بت أسرع من الراديو منخفض التردد. سوف تتطلب الترددات الأعلى المزيد من الطاقة في حين أن نطاق السفر ليس بقدر الترددات المنخفضة. في المباني, المناطق المبنية, أو المناطق ذات مصادر التدخل الأخرى, النطاق أصغر. أي تردد في شقة, سيكون للمنطقة المفتوحة نطاقًا أوسع من المنطقة المبنية نظرًا لقلة التداخل. بعد تعلم هذه الأساسيات, سنوجهك أيضًا لاختيار التقنية المناسبة لتطبيقك, مع الأخذ في الاعتبار الطاقة المتاحة, كمية البيانات التي تحتاج إلى نقلها, والنطاق الذي تريد تحقيقه.
شبكة إنترنت الأشياء المعتمدة على الترددات اللاسلكية
هناك العديد من حلول اتصالات أجهزة إنترنت الأشياء القائمة على الترددات اللاسلكية في الشبكة. من أجل المناقشة, نحن نقسمهم إلى فئتين:
- التكنولوجيا قصيرة المدى, أو تقنيات WPAN مثل البلوتوث, واي فاي, موجة Z, وزيجبي, لها مسافات قصيرة, والتي تكون ذات معدلات بت عالية أو منخفضة ولديها القدرة على استهلاك طاقة أعلى أو أقل.
- طويلة المدى, أو تكنولوجيا منطقة واسعة منخفضة الطاقة, لديه استخدام منخفض للطاقة, مسافة طويلة, ومعدل بت منخفض.
شبكة المنطقة الشخصية اللاسلكية (الشبكة اللاسلكية)
تقنية WPAN محدودة النطاق, ولكن يمكن تمديدها باستخدام طوبولوجيا الشبكة. طوبولوجيا الشبكة عبارة عن تطبيق للشبكة يقوم من خلاله كل جهاز بإرسال إشارات بشكل متكرر إلى الأجهزة الأخرى في المنطقة المجاورة. كما المحتوى أدناه أدناه, ستجد أن حالات الاستخدام الرئيسية لـ WPAN هي تلك التي لا تهتم كثيرًا بالنطاق.
واي فاي
يمكن تشغيل شبكة Wi-Fi بسرعة 2.4 جيجا هرتز أو 5 جيجا هرتز. لأن هذه الترددات أعلى, معدلات بيانات WIFI أعلى أيضًا. كل جهاز لديه 1:1 العلاقة مع جهاز توجيه الشبكة. كما رأينا من قبل, سيكون نطاق الاتصال قصيرًا جدًا بسبب التردد العالي لموجات التردد اللاسلكي. تتمتع أجهزة Wi-Fi التقليدية بمتطلبات طاقة أعلى, وهذا يعني أن معظم الأجهزة المتاحة تحتاج إلى أن تكون مدعومة بالكهرباء الرئيسية. واي فاي 6 تهدف المعلمة إلى تقليل استهلاك الطاقة لأجهزة Wi-Fi IoT حتى تتمكن أجهزة IoT من استخدام Wi-Fi. لكن, لا يزال هناك طريق طويل حتى يسهل الوصول إلى الأجهزة التي تستخدم هذه المواصفات الجديدة. تعتبر شبكة WI-FI مثالية للمواقف التي يلزم فيها نقل البيانات الجماعية على الفور. على سبيل المثال: معدات الكاميرا التي تحتاج إلى تحميل مقاطع فيديو بدقة 4K.
حلول WI-FI تناسب التطبيقات التالية:
- معدلات بيانات عالية
- جودة عالية من الخدمة (احتمالية تمرير الرسالة)
- قليل من الكمون
حلول Wi-Fi ليست مناسبة تمامًا للتطبيقات التالية:
- نطاق واسع جدًا بين الأجهزة وأجهزة التوجيه
- الأجهزة التي تعمل بالبطارية
بلوتوث
يدعم أوضاع بلوتوث متعددة. الوضع الأكثر صلة بإنترنت الأشياء هو Bluetooth Low Power (بليه). يعمل بليه بسرعة 2.4 جيجا هرتز, ولكنه ينقل فقط كمية صغيرة من البيانات. فضلاً عن ذلك, كما أنه يستخدم تقنية تعديل FHSS لمواجهة التداخل. بليه بلوتوث 4 ينفذ نقل البيانات بسرعة 1 ميجابت في الثانية. بلوتوث 5 يصل إلى 2 ميجابت في الثانية. يمكن زيادة نطاق BLE بواسطة Bluetooth Mesh في طريقة تمرير الرسائل بين العقد, ولكن يجب أن يكون لديك عدد كبير من العقد لتظل متصلاً عبر نطاق واسع من المساحة.
حلول بليه هي الأكثر ملاءمة للتطبيقات التي تتطلب الكثير:
- انخفاض استهلاك الطاقة
- خدمة عالية الجودة
- قليل من الكمون
- استخدم شبكة Bluetooth للمدى المتوسط
حلول بليه ليست مناسبة ل:
- الاستخدام طويل الأمد
زيجبي و Z-موجة
زيجبي يعمل بتردد 1000 ميجا هرتز و 2.4 جيجا هرتز على التوالي. تعمل الموجة z عند حوالي 900 ميجا هرتز. ستكون الإشارة أقل تأثراً بالتداخل وسيكون من السهل الوصول إليها لتجاوز العوائق ذات الترددات المنخفضة. الترددات المنخفضة تؤدي إلى انخفاض معدلات البيانات. بينما Z-Wave وZigbee قصيران النطاق, يمكن توسيع النطاق الإجمالي للشبكة باستخدام أجهزة متعددة في الشبكة. يعد Zigbee وZ-Wave مثاليين للأجهزة ذات استهلاك الطاقة المنخفض والتي تتطلب خدمة عالية الجودة وكميات صغيرة من البيانات, على سبيل المثال, مفاتيح الإضاءة وأجهزة استشعار درجة الحرارة في المنازل.
Zigbee و Z-Wave هما الأنسب لهما:
- انخفاض استهلاك الطاقة
- خدمة عالية الجودة
- قليل من الكمون
- نطاق مرن لأجهزة متعددة
Zigbee وZ-Wave غير مناسبين لـ:
- كميات هائلة من البيانات
- بعيدة المدى
شبكة واسعة النطاق منخفضة الطاقة (LPWAN)
LPWAN يمكن للتكنولوجيات تلبية متطلبات الشبكات طويلة المدى ومنخفضة الطاقة. إذا كانت شبكتك ضرورية لتغطية مسافات طويلة, أو تحتاج إلى اجتياز العقبات مثل المباني, إذًا يعد حل المساحة الواسعة منخفض الطاقة خيارًا رائعًا بالنسبة لك. يمتد حل المنطقة الواسعة منخفض الطاقة إلى نطاق من الترددات عبر النطاقات المرخصة وغير المرخصة. في الأقسام التالية, سنناقش بعض تقنيات LPWAN الأكثر شيوعًا.
الخلوية – الفرق بين LPWAN وWPAN
تستخدم الشبكات الخلوية نطاقات مرخصة, عادة في نطاق 500 ميجا هرتز إلى 4 جيجا هرتز, على الرغم من أن تقنية 5G يمكنها استخدام ترددات أقرب إلى 100 جيجا هرتز. بدءًا, ولدت الشبكات الخلوية للاتصالات ذات معدل البيانات العالي, على سبيل المثال, المكالمات الصوتية التي يتم تشغيلها بترددات أعلى لتحمل كميات أكبر من البيانات. كلما زاد التردد, كلما قصرت المسافة, لذلك توجد الآن معايير للشبكات الخلوية مخصصة لاتصالات إنترنت الأشياء منخفضة التردد لتحقيق مسافات أكبر. هناك نوعان من المواصفات الخلوية الرئيسية التي ينبغي مراعاتها لتطبيقات إنترنت الأشياء.
كلتا التقنيتين تندرج تحت 5G: إنترنت الأشياء ضيق النطاق
- إنترنت الأشياء (NB-IoT)., يُشار إليه أحيانًا باسم CAT-M2 أو CAT-NB, هي فئة اتصالات خلوية ذات عرض قناة ترددي ضيق. يستخدم كل من NB-IoT طاقة أقل من LTE-M مع مسافة أطول.
- يتمتع LTE-M بمعدلات بيانات أعلى وزمن وصول أقل من nB-iot. يتمتع LTE-M أيضًا بميزة تمكين تنقل الأجهزة عبر NB-IoT, لذلك إذا تحرك الجهاز أثناء نقل البيانات, يمكنه التبديل إلى محطة أساسية أخرى. تعد معدلات البيانات على الشبكات الخلوية هي الأعلى بين الحلول واسعة النطاق ذات الطاقة المنخفضة, لذا, تم زيادة حجم الحزم التي يمكنك إرسالها.
ترددات المحاليل الخلوية متساهلة, يمكن أن يقلل من التداخل, ويمكن إرسال الرسائل. نتيجة ل, توفر التكنولوجيا الخلوية خدمة عالية الجودة وزمن وصول منخفض. إذا كانت حالة الاستخدام الخاصة بك تتطلب اتخاذ إجراء فوري, مثل إغلاق صمام الغاز على مسافة طويلة بمجرد حدوث تسرب, ثم يمكنك أن تأخذ الخلوية بعين الاعتبار.
تنتمي الشبكات الخلوية عادةً إلى موفري شبكات الهاتف المحمول. عن طريق اختيار شبكة خلوية لحل إنترنت الأشياء الخاص بك, يمكنك الاستفادة من البنية التحتية الموجودة بالفعل بناءً على تغطية المنطقة المستهدفة. مع ذلك, تعتبر مواصفات إنترنت الأشياء الخلوية جديدة نسبيًا,ولهذا السبب لا يزال موفرو الشبكة يقومون بإعداد أنظمتهم كدعم. قد تجد أيضًا أن تغطية مزود الشبكة الخاص بك محدودة ويمكنك اختيار مواصفات معينة (إنترنت الأشياء ضيق النطاق أو LTE-M) لخدمة عملائك. (ملحوظة: ومن غير المرجح أن يتم تنفيذ كليهما بواسطة مزود شبكة معين.)
إحدى حالات الاستخدام المناسبة لتنفيذ إنترنت الأشياء الخلوي هي القياس الكهربائي:
- معدلات بيانات عالية وطول الحمولة
- جودة عالية من الخدمة
- قليل من الكمون
سيجفوكس ولورا
يستخدم Sigfox وLoRa نطاقات غير مرخصة بين 433 ميجا هرتز و928 ميجا هرتز لنقل إشارات التردد المنخفض عبر المدى الطويل. كما سنرى, تشترك هذه التقنيات في بعض الخصائص المشتركة. على عكس الشبكات الخلوية, تستخدم شبكات LoRa وSigfox طوبولوجيا الشبكة النجمية,مما يعني أنه يمكن استلام رسائل البث وتسليمها إلى السحابة بواسطة أي محطة أساسية في النطاق المحدد. وهذا يزيد من فرصة التقاط الإشارة عندما يكون الجهاز في النطاق الخارجي لمحطات قاعدة متعددة. يمكن لكل من Sigfox وLoRa تغطية مسافات أطول واستخدام طاقة أقل من Cellular. بدلاً من, يتمتع كلاهما بسرعات نقل بيانات أبطأ والمزيد من القيود على البيانات والتردد. يمكن إرسال كمية أكبر من البيانات لكل رسالة, البث بشكل متكرر أكثر مع LoRa, واحصل على أقصى نطاق ممكن مع Sigfox.
ما هو الشيء المشترك بين Sigfox و LoRa:
- طويلة المدى
- انخفاض استهلاك الطاقة
سيجفوكس
تأسست Sigfox في 2010, لتصبح أول منطقة واسعة حديثة منخفضة الطاقة. يستخدم Sigfox نطاقات غير مرخصة بترددات من 862 ميجا هرتز إلى 928 ميجا هرتز, ويستخدم تعديل النطاق الضيق للغاية لإرسال رسائل بعرض 100 هرتز. وهذا يعني أن أجهزة Sigfox تقوم بالإرسال في قنوات عشوائية عبر نطاق تشغيل معين, يمكن أن يكون مفيدًا في تقليل احتمالية تداخل الضوضاء في الخلفية. يمكن لـ Sigfox تحقيق أقصى مدى لجميع التقنيات التي نقوم بتحليلها, ولكنه سيؤدي إلى انخفاض معدلات البيانات بسبب النطاق الضيق المستخدم. لذلك, يجب أن يتم إرسال كمية صغيرة من البيانات بواسطة كل رسالة بأقل من 12 بايت.
لا يمكن لمستخدمي Sigfox إرسال أكثر من ست رسائل في الساعة من الجهاز إلى السحابة (المنبع) وما لا يزيد عن أربع رسائل يوميًا من السحابة إلى الجهاز (المصب). تعني هذه القيود أن Sigfox مثالي للتطبيقات منخفضة الطاقة التي تحتاج فقط إلى توصيل بعض القيم البسيطة يوميًا.
كان عليك تسجيل شبكة Sigfox العامة الآن. لكن لا بأس بذلك, يتيح لك Sigfox تشغيل مثيلات خاصة لشبكتك من خلال تقديم تقنية PAN.
- ميزة سيجفوكس: أطول مجموعة من جميع خيارات المنطقة الواسعة ذات الطاقة المنخفضة.
تستخدم LoRa نطاقات تردد غير مرخصة بين 433 ميجا هرتز و928 ميجا هرتز بناءً على المنطقة, ويستخدم نظام تعديل CSS خاصًا لتوصيل البيانات عبر نطاق ترددي أوسع للقناة بنطاقات ضيقة (125, 250 و 500 كيلو هرتز), في هذا الطريق, يمكن ضمان مستويات ضوضاء منخفضة وقدرات مضادة للتشويش. يمكن تغيير نظام التعديل عن طريق تغيير عامل الانتشار لتحقيق مسافة أكبر على حساب الطاقة. LoRaWAN هو بروتوكول قياسي مفتوح يحدد الاتصال بين البوابات والأجهزة.
نطاق LoRa أكبر من نطاق Cellular, ولكن أصغر من Sigfox. مع ذلك, إنها مرنة فيما يتعلق بحدود حجم الحزمة, ويمكنك نقل بيانات أكثر مما تستطيع باستخدام Sigfox إذا كان التكوين صحيحًا. تحدد المنطقة التي تتواجد فيها ومعدل البيانات الذي تريد دعمه الحد الأقصى لحجم الحزمة لرسالة LoRa. معدلات البيانات الأعلى تعني نطاقات أقصر لأن الترددات أعلى.
يوجد العديد من موفري شبكات LoRaWAN العامة في السوق. ولكن يمكنك أيضًا إعداد شبكة خاصة باستخدام البرنامج والبوابة الخاصة بك.
الأسطوانة لديها مجموعة متنوعة من العمليات:
- الفئة أ: يتطلب أقل قوة. ينام الجهاز معظم الوقت ويستيقظ لإرسال رسائل الوصلة الصاعدة عندما تتغير قيم المستشعر. نافذة استقبال الرسائل من الخادم (المصب) محدودة للغاية.
- الصف ب: يتطلب أيضًا القليل جدًا من الطاقة. الجهاز في وضع السكون معظم الوقت, ولكن يمكن الاستيقاظ في الوقت المحدد والإبلاغ عن القراءة الحالية عندما تتغير قراءة المستشعر. نافذة استقبال الرسائل من الخادم (المصب) محدودة.
- فئة ج: يتطلب طاقة أكبر من أجهزة الفئة A وB, لكن الجهاز يستمع دائمًا إلى الوصلة الهابطة ما لم يبث الوصلة الصاعدة. تعني مرونة هذه العمليات متعددة الفئات إمكانية تقديم نطاق أوسع من حالات الاستخدام بواسطة LoRaWAN.
مزايا لوراوان:
- يتحكم في الحد الأقصى لحجم الحزمة, وهو أعلى من Sigfox.
- من السهل إنشاء شبكة خاصة وفعالة من حيث التكلفة.
- مرن, تعمل مجموعات من الأجهزة ذات متطلبات الطاقة والتأخير المختلفة معًا.
خاتمة – الفرق بين LPWAN وWPAN
تتمتع الترددات المنخفضة بمدى أطول بينما تحمل بيانات أقل من الترددات العالية. تقنيات WPAN مثل Wi-Fi, بلوتوث, Zigbee و Z-Wave ذات ترددات أعلى وقصيرة المسافة الطويلة. هذه الخيارات ليست مثالية للسيناريوهات التي تكون فيها المسافة مهمة. تقنيات LPWAN قادرة على تحقيق نطاق أكبر والعمل بترددات أقل من تقنيات WPAN. لقد قررنا أن تقنية المنطقة الواسعة ذات الطاقة المنخفضة الصحيحة تعتمد على حالة الاستخدام الخاصة بك. تعد التقنيات الخلوية مثل NB-IoT وLTE-M خيارات رائعة للسيناريوهات التي تكون فيها التغطية الخلوية ومكان الخدمة, يعد الكمون المنخفض والكميات الكبيرة من البيانات أكثر أهمية من الطاقة لأن النطاق من المرجح أن يكون أقل. يعد Sigfox مناسبًا للمواقف التي يكون لديك فيها القليل من البيانات وترغب في نقلها عبر مسافات طويلة مع استهلاك منخفض للطاقة. تسمح LoRa بأقصى قدر من التحكم, القدرة القابلة للتكوين على إرسال كميات أكبر من البيانات بمجرد إنشاء شبكات خاصة, والفئة C تدعم الكمون الأقل.
