• Home
  • تکنولوژی
  • آشنایی با مهمترین پروتکل‌ های ارتباطی شهر هوشمند 2022
پروتکل‌ های ارتباطی شهر هوشمند

آشنایی با مهمترین پروتکل‌ های ارتباطی شهر هوشمند 2022

مقدمه

یکی از پیش نیازهای اساسی شهر هوشمند، ایجاد بسترهای ارتباطی مورد نیاز برای ایجاد ارتباط بین اشیا، سنسورها و محرک‌ها در یک شهر است. دو فاکتور اساسی پروتکل‌ های ارتباطی شهر هوشمند، مصرف پایین انرژی و دامنه بالای آن است. در این مطلب سه پروتکل مهم و شناخته شده این اکوسیستم مورد بررسی و مقایسه قرار خواهد گرفت.

درحالیکه تعداد دستگاه‌ های متصل به هم در شهر های هوشمند، همچنان در حال افزایش است (و انتظار می‌رود تا سال 2030 به 125 میلیارد واحد برسد)، بلوغ فناوری‌ های بی‌ سیم که از این لوازم پشتیبانی می‌کنند نیز همچنان در سطح جهانی توجه زیادی را به خود جلب می‌کند. فناوری‌ هایی همچون NB-IOT (Narrowband IOT)، LoRa و Sigfox و به طور کلی تمام تکنولوژی‌ های شبکه‌های دامنه بالا- مصرف پایین یا (LPWAN)، اغلب در رقابتی تنگاتنگ برای کسب جایگاه اول، روبروی هم قرار گرفته‌اند؛

اما این لزوماً تصویری دقیق از یک اکوسیستم ارتباطی نمی‌باشد. هر کدام از این تکنولوژی‌ها (یا حداقل LoRa و NB-IoT) احتمالاً متناسب با نوع استفاده، نقش مهمی را در فضای IoT بازی خواهند کرد، لذا شناخت ویژگی‌ ها و تفاوت‌ های هر یک، بسیار مهم است.

Narrowband IoT

شهر هوشمند

NB-IoT ابتکاری جدید است که توسط هولدینگ شرکت های نسل سوم یا (3GPP)، که سازمانی برای استاندارد سازی سیستم‌ های تلفن همراه می‌باشد، ارائه شده است. این فناوری برای پشتیبانی کردن از دستگاه‌ های با سرعت بسیار پایین که نیاز به اتصال به شبکه‌ های تلفن همراه دارند و انرژی آنها اغلب توسط باتری تأمین می‌شود، استفاده می‌شود. به عنوان استانداردی برای شبکه‌ های موبایل، هدف NB-IoT این است که دستگاه‌ های مجهز به اینترنت اشیا IoT را برای سازگاری و امنیت بیشتر، استاندارد کند.

از آنجاییکه NB-IoT یک تکنولوژی بی‌سیم از خانواده شبکه‌های تلفن همراه می‌باشد که از مدولاسیون OFDM استفاده می‌کند و تراشه‌ها پیچیده‌تر هستند، مقادیر دریافتی- ارسالی در یک شبکه ارتباطی یا link budget، بهتر عمل می‌کنند. این به این معناست که کاربران سطح بالایی از عملکرد شبکه‌های سلولی تلفن همراه را دریافت می‌کنند، اما به قیمت پیچیدگی و مصرف انرژی بیشتر.

NB-IoT ابزاری است برای ارسال و دریافت مقادیر کمی از داده‌ها – چند ده یا صد بایت داده تولید شده در روز توسط دستگاه‌های IoT- می‌باشد. این فناوری مانند Sigfox و LoRa مبتنی بر پیام است. اما با سرعت بسیار بیشتر، که می‌تواند مقادیر داده‌های بیشتری را نسبت به آن دو تکنولوژی، مدیریت کند. اما NB-IoT یک پروتکل ارتباطی مبتنی بر IP نیست مانند LTE-M (یکی دیگر از تکنولوژی‌های دامنه بالا- مصرف پایین شبکه‌های تلفن همراه مربوط به کاربردهای IoT).

در واقع با این پروتکل نمی‌توانید به یک شبکه IP متصل شوید. و انتظار داشته باشید که آن را همانطور که با گوشی هوشمند به کار می‌برید، استفاده کنید. این فناوری برای کاربردهای ساده در اینترنت اشیا ساخته شده است .

مصرف انرژی کمتری نسبت به LTE-M (که برای پهنای باند بالاتر یا برنامه‌های کاربردی تلفن همراه و رومینگ مناسبتر است) دارد؛ اما برای دریافت و ارسال اطلاعات به صورت منقطع یا گسسته، طراحی شده است.

در توسعه NB-IoT، عناصر سیاسی، سازمانی و جغرافیایی بسیار دخیل هستند، برای آشنایی فنی بیشتر به مقاله Nick Hunn به نام NB-IoT is Dead. Long Live NB-IoT، مراجعه کنید. در این مقاله اشاره شده است که استانداردهای (3GPP) برای NB-IoT دارای دو شرکت کننده اصلی می‌باشد. هولدینگ هوآوی / وودافون در مقابل اریکسون / نوکیا / اینتل. علاوه بر این، اریکسون اعلام کرده است که زیرساختهای 4G قدیمی مستقر روی Alcatel با NB-IoT سازگار نیست.

این به این معنی است که هزاران ایستگاه در ایالات متحده باید برای پشتیبانی از NB-IoT تغییر یابد. با کمک این زیرساخت‌های جدید اکثر ایستگاهای ایالات متحده به فناوری LTE-M تجهیز خواهند شد.

شهر هوشمند

بنابراین NB-IoT برای دستگاه‌هایی مناسب است که برای ارتباط بین اجزاء، از شبکه‌هایی استفاده می‌کنند که نیاز به مجوز دارد. این فناوری در حال حاضر تنها در اروپا آزمایش و تست شده است. به طور گسترده در دسترس نمی‌باشد و فقط توسط تعداد کمی از اپراتورها در اروپا، که در حال انجام آزمایشاتی در این زمینه هستند استفاده می‌گردد. اگر شما تحت سرویس‌های شرکت Sigfox فعالیت کنید، متوجه خواهید شد که این گونه اقدامات برای جهت دادن بازار و توسط 3GPP، انجام می‌گردد.

مزیتهای NB-IoT

  • پوشش شبکه بسیار خوب خواهد بود. دستگاه‌ های مبتنی بر NB-IoT بر روی شبکه 4G کار می‌کنند، به طوری که به خوبی در فضاهای داخلی و مناطق متراکم شهری کار می‌کنند.
  • زمان پاسخگویی سریعتری نسبت به LoRa دارد و می‌تواند کیفیت بهتر خدمات را تضمین کند.

معایب NB-IoT

  • انتقال فایل‌ ها دشوار می‌باشد و برخی از ویژگیهای NB-IoT منجر به این می‌گردد که ارسال حجم بالایی از اطلاعات به یک دستگاه سخت خواهد شد.
  • به دلیل وجود محدودیتهایی خاص (Network and tower handoffs problems)، این نوع شبکه‌ ها برای دستگاه‌ های در حال حرکت مناسب نیست و برای تجهیزاتی مانند ابزارهای اندازه گیری و سنسورها که در یک مکان ثابت هستند بسیار مناسبتر از لوازم در حرکت هستند.

 در ادامه به پروتکل LoRa ، یکی از شناخته شده ترین و فراگیرترین پروتکل‌ های ارتباطی شهر هوشمند می پردازیم.

Lora

lora

LoRa یک تکنولوژی مدولاسیون غیر سلولی برای LoRaWAN است. (همانند BPSK یا QPSK که مدولاسیون NB-IoT می‌باشد.) این دو اصطلاح LoRa و LoRaWAN قابل استفاده به جای هم نیستند: LoRaWAN پروتکل استاندارد برای ارتباطات با دامنه بالا یا همان WAN می‌‌باشد ولی LoRa به عنوان یک تکنولوژی شبکه های با دامنه بالا می‌باشد.

LoRa عمدتا به دو روش مورد استفاده قرار می گیرد:

  • یکی LoRaWAN می‌باشد که بیشتر در اروپا مستقر شده است که ظرفیت پیام‌ هایی که توسط این استاندارد مدیریت میشود بسیار کوچک و در حدود 12 بایت میباشد.
  • دیگری Symphony Link می‌باشد که محصول شرکت Link Labs می‌باشد. Symphony Link یک سیستم بیسیم ساخته شده بر روی تکنولوژی LoRa است که برای غلبه کردن بر محدودیت‌ های LoRaWAN طراحی شده است. این فناوری به عنوان بخشی از راهکارهای پیچیده شبکه LoRa، عمدتا در ایالات متحده و کانادا، و برای کاربردهای صنعتی طراحی شده است.

LoRa ارائه دهنده یک شبکه رادیویی مناسب برای راهکارهای IoT است و ضمنا دارای Link Budget بهتری نسبت به سایر فناوری های رادیویی مشابه می‌باشد. اما در محدوده‌ هایی غالبا خارج از اروپا، اگر بخواهید به شبکه‌ های LoRaWAN متصل شوید یا از LoRa استفاده کنید، باید درگاه اختصاصی (Gateway) شبکه خود را مستقر کنید.

ممکن است که این یک عیب به نظر برسد اما LoRa جایگزینی خوب برای WiFi می‌باشد که برای اتصال لوازمی با مصرف انرژی پایین در یک ساختمان، کارخانه یا یک بیمارستان ، به کار میرود. سخت است که یک فعال در زمینه فناوری اطلاعات پیدا کنید که موافقت خود را با قرار دادن یک third-party device در شبکه ، به دلیل نگرانی‌ های امنیتی، ابراز دارد ، در حالی که راه اندازی درگاه یا Gateway اختصاصی ، یک شبکه کاملا جداگانه و امن را ایجاد می کند.

از سه تکنولوژی مورد بحث در این مقاله، تنها LoRa است که می‌تواند به عنوان یک فن آوری با قابلیت راه اندازی آسان در نظر گرفته شود. هر شرکتی می‌تواند شبکه و درگاه اختصاصی خود را از مجموعه‌ ای دستگاه به هم متصل سازد و استفاده کند .مهمترین تفاوتهای بین NB-IoT و LoRaWAN 

  • LoRaWAN نیاز به اخذ مجوز ندارد. این در اروپا یعنی اینکه حجم و فرکانس ترافیک داده‌ها و به همان اندازه توانایی ایستگاه‌ های رادیویی برای کنترل شبکه و کاهش ترافیک داده‌ها، محدود می‌گردد.
  • LoRa یک مدولاسیون اختصاصی است که توسط شرکت Semtech فروخته می‌شود. آنها تنها تولید کننده چیپ‌ ست و دارنده مجوز LoRa هستند. اما NB-IoT براساس مدولاسیون‌ های استاندارد ایجاد شده، و همانطور که از 3GPP انتظار میرود ، دیگر صاحبان مجوز IP نیز وجود خواهند داشت که در نهایت درخواست هزینه می‌کنند.
  • LoRaWAN می‌تواند توسط مشتریانی غیر از اپراتورهای تلفن همراه برای پیاده سازی راهکارهای IoT مورد استفاده قرار گیرد. شبکه Things Network یک ابتکار شبکه سازی به روش جمع سپاری با استفاده از LoRaWAN می‌باشد. لازم به ذکر است شبکه‌ های LoRaWAN زمانی که بیشتر از یک شبکه در یک منطقه در حال کار باشد ، با تداخل مواجه می‌گردد.
  • NB-IoT، با توجه به سرعت بسیار بیشتر، هوشمندی مناسبتر در دسترسی به داده ها و ایستگاه های به مراتب با قدرت بیشتر، ویژگی‌ های پیشرفته تری را برای امکاناتی همچون مسیریابی، رسانه های ویدیویی، پخش برنامه‌ های رادیویی و غیره ارائه می‌دهد.

مزیتهای LoRa

  • برای کاربردهایی همچون خانه هوشمند یا شهر هوشمند، بسیار مناسب میباشد.
  • شما می‌توانید شبکه اختصاصی خود را ایجاد و مدیریت کنید.
  • اگر شما نیاز به سیگنال‌ ها دو جهته داشته باشید، LoRa گزینه ای مناسب می‌باشد. به عنوان مثال، قابلیت فرمان پذیری و کنترل همزمان که به لطف لینک‌ های متقارن امکانپذیر می‌گردد.
  • دستگاه‌ های LoRa هنگامی که در حال حرکت هستند، به خوبی کار می کنند، که این ویژگی باعث می‌شود این تکنولوژی برای ردیابی دارایی های در حال حرکت، مانند صنایع حمل و نقل، مفیدتر باشند.
  • دستگاه‌ های LoRa عمر باتری طولانی تری از دستگاه های NB-IoT دارند.

معایب LoRa

  • سرعت کمتر نسبت به NB-IoT
  • latency time طولانی‌تری نسبت به NB-IoT دارد. ( latency time = زمان موردنیاز برای رد و بدل کردن یک پیام در یک سیستم ارتباطی )
  • این تکنولوژی نیاز به یک درگاه اختصاصی یا Gateway دارد. (که در بسیاری موارد یک مزیت محسوب میشود).

در ادامه پروتکل sigfox یکی از شناخته شده ترین پروتکل‌ ها در اکو سیستم شهر هوشمند مورد بررسی و مقایسه قرار می‌گیرد.

Sigfox

شهر هوشمند

هیچ مقاله‌ ای با موضوع شبکه‌های LPWAN بدون صحبت از Sigfox- شرکتی که پیشقدم در نشان دادن پتانسیل دستگاه‌ های IoT با استفاده از شبکه‌ های با پهنای باند بسیار کم می‌باشد – کامل نمی‌گردد. Sigfox در میان این سه تکنولوژی، پایه‌ای‌ ترین فناوری می‌باشد، تکنولوژی است که تفاوت های کلیدی آن در ادامه بیان می‌شود:

  • Sigfox دارای کمترین هزینه‌ های ماژول‌ های رادیویی می‌باشد. ( در حدود کمتر از 5 دلار، در مقایسه با 10 دلار برای LoRa و 12 دلار برای NB-IOT).
  • Sigfox تنها برای ارسال داده‌ها استفاده میگردد. اگرچه قابلیت‌های محدودی نیزبرای دریافت اطلاعات در این تکنولوژی وجود دارد، ولی link budget متفاوتی دارد و بسیار محدود است.
  • Sigfox بازیگر اصلی در دنیای فناوری و شبکه های end-to-end می‌باشد.

با این حال، برای Sigfox، به نظر می رسد که این، آغاز یک پایان باشد. این شرکت در حال حاضر شبکه‌ های چشمگیری را در ایالات متحده مستقر نکرده است و به عنوان یک شرکت در با چالشهای فراوانی مواجه است. مدل کسب و کارشان تا حدودی آرمانی است، به طوری که در حال حاضر صدها میلیون دلار برای راه اندازی شبکه‌ ای صرف شده است که مصرف کنندگان این سرویس ها، در آینده و بر اساس سیاستهای پرداخت به ازای هر واحد مصرف، هزینه‌ها را پرداخت خواهند کرد.

Sigfox فکر می‌کند که پایین بودن هزینه‌ های استفاده از یک نرم‌ افزار، راهی برای متمایل کردن مردم به این بازار می‌باشد اما این نوع تفکر باعث شده که درآمد کافی کسب نکنند. در پایان، به نظر می‌رسد تلاش‌ های Sigfox برای راه اندازی یک شبکه تلفن همراه جایگزین برای دستگاه‌ های IoT، در حال شکستی تلخ می‌باشد و یا حداقل اینکه این شرکت با چالش های فراوانی در بازار روبرو خواهد شد.

مزیتهای Sigfox

  • مصرف انرژی پایینی دارد.
  • برای دستگاه‌ های ساده ای که حجم اطلاعات کمی را به صورت منقطع و در فواصل زمانی ارسال می‌کنند، مناسب است، چون با این فناوری بسته‌ های کوچک اطلاعاتی با سرعت خیلی کم به مقصد ارسال می‌گردد.
  • دامنه بالای پوشش شبکه

معایب Sigfox

  • در همه جا مستقر نیست، بنابراین کاربران زیادی ندارد.
  • ارتباط به شکل بهتری از نقطه پایانی به ایستگاه پایه ای هدایت می شود. Sigfox دارای قابلیت ارتباطی سیگنالی دو طرفه می‌باشد. اما ظرفیت آن از ایستگاه پایه به دستگاه نهایی، محدود می باشد، و شما link budget کمتری خواهید داشت.
  • برای دستگاه‌ های در حال حرکت مناسب نیست.

کدام یک از تکنولوژی های LPWAN برای شما مناسب است؟

هر یک از این فن آوری ها مجموعه ای جالب از قابلیت ها را ارائه می دهند، هرچند باید تاکید کرد که امروزه هیچ یک ازآنها به مقیاس مناسب در دنیا موجود نیستند. در سال 2017، LTE Cat-M1 اولین فناوری LPWAN در سراسر دنیا بود که در ایالات متحده مستقر شد.

تکنولوژی هایی مانند LoRa برای کاربرد هایی “مجزا و مستقل” مانند ساختمان های هوشمند یا دانشگاه ها که در آنها، ارتباط از طریق شبکه تلفن همراه مورد نیاز نیست، بسیار مناسب تر میباشند. Symphony Link برای غلبه بر محدودیت های LoRa طراحی شده است اما بر اساس تکنولوژی LoRa کار میکند. این فناوری به طور خاص برای مشتریان سازمانی و صنعتی طراحی شده است که نیاز به یک راه کار تغییر پذیر و قابل اعتماد دارند. اما کاربران دیگر نیز امکان اضافه کردن قابلیت هایی سلیقه ای به درگاه یا Gateway را از طریق API دارا میباشند.

در کنار مزایا و معایب این پروتکل ها، انتخاب تکنولوژی مناسب بستگی به نیازهای یک شهر و برنامه ها و چشم اندازهای تدوین شده برای هوشمندی آن و همچنین سیاست های اتخاذ شده از جانب بازیگران اصلی، اپراتور ها ،مدیران شهری و دولت ها دارد تا با فراهم کردن زیرساخت های مناسب عرصه را برای ورود شرکت ها و استارتاپ های مختلف به منظور هوشمند سازی شهرها فراهم نمایند.

به تازگی یک پروتکل ارتباطی دیگر در حوزه شهر های هوشمند مطرح شده است. در قسمت بعد با Weightless پروتکل ارتباطی شهر هوشمند آشنا خواهیم شد که نسبت به سایر پروتکل ها عمر کوتاهتری دارد. مفاهیم Weightless برای IoT، اگرچه از سال 2012 مطرح شد، اما اولین سخت افزار مربوط به این تکنولوژی در سال 2017 ارائه گردید.

فهرست مطالب

مقالات مرتبط
آموزش ھوشمندسازی ساختمان (BMS) – قسمت چهارم
اموزش هوشمندسازی(BMS) – قسمت سوم
آموزش ھوشمند سازی ساختمان (BMS) – قسمت دوم
آموزش هوشمند سازی ساختمان (BMS) – قسمت اول
BMS چیست؟ مزایای سیستم هوشمند ساختمان

اشتراک گذاری :

اشتراک گذاری در facebook
اشتراک گذاری در twitter
اشتراک گذاری در linkedin
اشتراک گذاری در whatsapp
اشتراک گذاری در telegram
اشتراک گذاری در email

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.