فناوری شبکه‌‌های دوربرد توان پایین یا شبکه‌های LPWAN (یا LPWA) امکان اتصال دستگاه‌ها در محدوده‌ای وسیع، با مصرف توان (باطری) کم را فراهم می‌کند. LPWAN عنوان طیف گسترده‌ای از پروتکل‌ها و فناوری‌هاست که امکان اتصال سنسورها و کنترل کننده‌ها را بدون استفاده از شبکه‌های قدیمی همچون WiFi و شبکه‌های تلفن همراه فراهم می‌کند. شبکه‌های LPWAN نسبت به غالب شبکه‌های بی‌سیم متداول نرخ داده کمتری دارد؛ اما ویژگی اتصال ارزان و به صرفه تعداد بسیار زیادی گره انتهایی (حسگر و عملگر) یک فرصت عالی را ویژه راهکارهای اینترنت اشیا (IoT) بوجود آورده است. با استفاده از این شبکه سنسورها و دستگاه‌ها می‌توانند اطلاعات را در محدوده چندین کیلومتر ارسال کنند و برای این کار با باطری‌های  AAمعمول تا سال‌ها کار خواهند کرد. لازم به ذکر است، شبکه‌های LPWAN یکی از فناوری‌های اصلی بکارگرفته‌شده در راهکارهای اینترنت اشیا لینکپ نیز می‌باشد.

شبکه‌های LPWAN

بسیاری از راهکارهای اینترنت اشیا (IoT) به سنسورهایی نیاز دارند تا داده‌ها را در محدوده وسیعی منتشر کنند. کاربردهای آن را می‌توان در مجتمع‌های ساختمانی هوشمند، شهر هوشمند، صنعت هوشمند و … دید. زمانی که سنسورهای زیاد را در محدوده وسیعی قرار می‌دهید، برای اتصال آن‌ها به ارتباط بی‌سیم با برد بلند و توان مصرفی پایین نیاز دارید.

تا اوایل سال ۲۰۱۳ عبارتی به نام LPWA یا Low Power Wide Area (دوربرد با توان پایین) وجود نداشت، اما نیازمندی و شواهدی که از پتانسیل بسیار بالای تکنولوژی‌های LPWA بدست آمد، این فناوری را تبدیل به یکی از جنبه‌های مهم و در حال توسعه بازار اینترنت اشیاء کرد. به عنوان نمونه موسسه Machina Research وجود ۳٫۶ میلیارد اتصال LPWA را تا سال ۲۰۲۴ پیش‌بینی کرده بود و این در حالی است که هم‌اکنون تنها در حدود چند ده میلیون از این نوع اتصال وجود دارد. این نشان‌دهنده نرخ رشد بالای این شبکه‌ها در سال‌های آتی است. البته مساله‌ای که لازم است به آن توجه شود این است که شبکه‌های LPWAN با ایجاد ناحیه پوشش وسیع، با هزینه پایین‌تر و مصرف توان بهینه، به عنوان مکمل و نه جایگزین شبکه‌های سلولی و فناوری‌های برد کوتاه  به حساب می‌آیند.

شبکه LPWAN

مهمترین مزیت‌های شبکه‌های LPWAN

همان‌طور که اشاره شد، مهمترین دلایل بوجود آمدن بازارهای جدید مبتنی بر این فناوری عبارتند از:

  • هزینه پایین: شبکه‌های LPWAN با فروش مودم‌هایی با قیمت کمتر از ۵ دلار و هزینه اتصال سالانه کمتر از ۱ دلار (برای برخی کاربردها)، قادر به بکارگیری برای اتصال محدوده وسیعی از تجهیزات است. در حالی که استفاده از شبکه‌های سلولی سنتی بسیار گران‌تر است، هزینه شبکه‌های LPWAN سال به سال کاهش نیز می‌یابد.
  • عدم نیاز به منبع تغذیه دائمی: ممکن است استفاده از شبکه‌های سلولی برای برخی از کاربردهای IoT از نظر هزینه منطقی به نظر برسد، اما به دلیل عدم دسترسی به منبع تغذیه دائمی استفاده از آن غیر ممکن است. بدون شک ارائه سرویسی که بدون نیاز به تعویض باطری برای چندین سال به درستی عمل کند، بازارهای بسیاری را ایجاد می‌کند که از جمله برخی مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به کنتورهای گاز و آب اشاره کرد.
  • انتشار امواج با مقاومت بالا: توانایی امواج در رسیدن به عمق زیر سطح زمین این فناوری را برای کاربردهایی نظیر اتصال کنتورهایی که در زیر زمین قرار گرفته‌اند یا سنسورهای پایش لوله‌های فاضلاب مناسب کرده است.
شبکه‌های LPWAN و IoT

مهمترین پروتکل‌های معرفی‌شده برای شبکه‌های LPWAN

در حوزه شبکه‌های LPWAN، پروتکل‌ها و فناوری‌های مختلفی قرار می‌گیرند که یکی از اساسی‌ترین تفاوت‌های آن‌ها در طیف فرکانسی مورد استفاده‌شان است. شبکه‌های LPWAN که در باندهای بدون مجوز (ISM) کار می‌کنند با استفاده از مزیت طیف فرکانسی رایگان، مسیر راحت‌تری تا ورود به بازار را طی خواهند کرد. در مقابل، شبکه‌های استاندارد شده توسط موسسه ۳GPP قرار دارند که در باندهای دارای مجوز کار می‌کنند.

استفاده از هر کدام از راهکارهای شبکه‌های LPWAN در باند دارای مجوز یا بدون نیاز به مجوز دارای مزایا و معایبی است. امروزه و پس از فراز و نشیب زیاد و معرفی پروتکل‌های متنوع، مهمترین شبکه‌ها و پروتکل‌های LPWAN که در بازار توسعه یافته‌اند عبارتند از: LoRaWAN، SigFox و NB-IoT. هر کدام از این پروتکل‌ها به صورت مجزا در مطالب بعدی وبلاگ لینکپ توضیح داده می‌شود، اما در اینجا به طور خلاصه به معرفی هر یک می‌پردازیم.شبکه لورا (LoRaWAN): شبکه LoRaWAN یکی از فناوری‌ها در باند بدون نیاز به مجوز است که دستگاه‌ها را در محدوده وسیع و با توان پایین متصل می‌کند. در هر بسته داده LoRaWAN می‌توان داده‌هایی تا حجم ۲۴۳ بایت را ارسال کرد. مساله‌ای که لازم است به آن توجه شود این است که هر چند این شبکه غالبا به اختصار LoRaنامیده می‌شود، اما LoRa به تنهایی یک راهکار کامل LPWAN نیست، بلکه یک فناوری در لایه فیزیکی می‌باشد. LoRaWAN پروتکل کامل شبکه‌ای است که بر مبنای LoRa ارایه شده است. این پروتکل توسط جامعه LoRa Alliance با بیش از ۵۰۰ عضو از سرتاسر دنیا حمایت و پشتیبانی می‌شود.

شبکه سیگفاکس (SigFox): این شبکه برای اولین بار در سال ۲۰۰۹ توسط شرکت فرانسوی SigFox معرفی شد. SigFox برای رفع نیاز به شبکه‌ای با توان پایین و نرخ داده کم در دستگاه‌های اینترنت اشیا، پروتکل LPWAN خود را توسعه داده و معرفی کرد. SigFox داده‌های خود را تا حجم ۱۲ بایت، در باندهای فرکانسی بدون نیاز به مجوز و از طریق مدولاسیون فوق باند باریک (Ultra Narrow Band یا UNB) انتقال می‌دهد. در نتیجه داده‌ها در محدوده‌ای وسیع با سرعت پایین و در مقابل مقاومت بالا در برابر تضعیف و نویز ارسال می‌شود. لازم به ذکر است پروتکل SigFox و شبکه آن بطور انحصاری توسط این شرکت و با همکاری شرکای منطقه‌ای توسعه می‌یابد.

شبکه NB-IoT: این شبکه یک فناوری دوربرد توان پایین (شبکه LPWAN) است که با تاخیر و پس از مشاهده نیازمندی گسترده به فناوری‌های LPWAN، توسط سازمان استاندارد سازی ۳GPP توسعه داده شد تا امکان اتصال سرویس‌ها و دستگاه‌ها را از طریق شبکه‌های سلولی اپراتورهای موبایل فراهم کند. NB-IoT به طور خاص روی پوشش‌دهی خارجی، قیمت پایین، عمر بالای باطری و تعداد بالای اتصالات تمرکز دارد. این فناوری اگرچه به نوعی زیر مجموعه‌ای از استانداردهای LTE به حساب می‌آید، اما در محدوده باند باریک ۲۰۰ kHz تمرکر کرده است.

در مطالب بعدی وبلاگ لینکپ، هر کدام از این شبکه‌ها به صورت جداگانه و با جزئیات بیشتر معرفی می‌شود.

سری مطالب آشنایی با شبکه‌های LPWAN
آشنایی با پروتکل‌های LPWAN: شبکه لورا (LoRaWAN)
آشنایی با پروتکل‌های LPWAN: شبکه سیگفاکس (SigFox)
آشنایی با پروتکل‌های LPWAN: شبکه NB-IoT

لینکپ، ارایه‌دهنده راهکارهای یکپارچه اینترنت اشیا (IoT)

برای آشنایی بیشتر با «هسته IoT لینکپ» که مجموعه فناوری‌های مورد نیاز برای توسعه راهکارهای IoT در حوزه هوشمندسازی محیطی را شامل می‌شود می‌توانید به صفحه ویژه آن مراجعه کنید. همچنین برای مشاهده و دریافت راهکارهای کامل ارایه شده بر بستر لینکپ می‌توانید به بخش راهکارهای لینکپ مراجعه نمایید.

برخی منابع مورد استفاده:

www.link-labs.com/blog/low-power-wide-area-network-lpwa
www.postscapes.com/long-range-wireless-iot-protocol-lora
www.i-scoop.eu/internet-of-things-guide/lpwan