شبکه‌های کم‌مصرف و گسترده (LPWA) نوعی از شبکه‌های بی‌سیم هستند که برای کاربردهای اینترنت اشیاء (Internet of Things) استفاده می‌شوند، به ویژه در مواردی که شبکه‌های سلولی گزینه مناسبی نیستند یا نیازهای خاصی وجود دارد که شبکه‌های LPWA بهتر پاسخگو هستند. استفاده و اتصال شبکه‌های LPWA در حال افزایش است!
شبکه‌های سلولی IoT گزینه‌ای عالی برای بسیاری از کاربردهای اینترنت اشیاء هستند، اما گاهی اوقات فناوری‌های غیرسلولی مورد نیاز یا ترجیح داده می‌شوند.
مزایای شبکه‌های LPWA
شبکه‌های بی‌سیم LPWA از مودم‌های رادیویی کم‌مصرف و برد بلند برای ارتباط با دستگاه‌های IoT استفاده می‌کنند، به ویژه در مناطقی که خدمات سلولی موجود نیست یا پوشش ضعیفی دارد، مانند:
- مناطق روستایی
- ساختمان‌های خاص
- مناطقی که نگرانی‌های محیط زیستی یا سیاست‌های دولتی اجازه اتصال سلولی را نمی‌دهند
- مکان‌های دورافتاده با پوشش ضعیف
- مناطق صعب‌العبور که نصب دکل‌های سلولی را دشوار می‌کند
شبکه‌های LPWA همچنین برای کاربردهایی که نیاز به باتری‌های کم‌مصرف دارند، مانند دستگاه‌های خانه‌های هوشمند و پوشیدنی‌ها، مفید هستند.
علاوه بر این، این شبکه‌ها زمانی که سایر روش‌های اتصال بسیار گران یا غیرعملی هستند، استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، اگر بخواهید داده‌ها را در مسافت‌های طولانی بدون هزینه‌های بالای شبکه‌های سنتی مانند 4G LTE یا هات‌اسپات‌های Wi-Fi (که ظرفیت محدودی دارند) انتقال دهید، شبکه‌های LPWA گزینه بهتری هستند.
بسیاری از شبکه‌های LPWA از فرکانس‌های بدون مجوز استفاده می‌کنند، بنابراین نیازی به مجوز از FCC (کمیسیون فدرال ارتباطات) مانند اپراتورهای سلولی ندارند—این بدان معناست که نیازی به مجوزهای طیف گران‌قیمت یا زیرساخت‌های پیچیده شبکه‌ای متشکل از دکل‌ها و سایت‌های سلولی در سراسر شهرها نیست.
شبکه‌های LPWA مختلف دارای برد و نرخ داده متفاوتی هستند و برای انواع مختلف دستگاه‌های هوشمند مناسب‌ترند. به عنوان مثال، LoRaWAN برد بیشتری نسبت به Sigfox دارد اما حداکثر سرعت انتقال آن تنها 880 بیت بر ثانیه (bps) است.
کاربردهای مختلف شبکه‌های LPWA
شبکه‌های LPWA می‌توانند برای اتصال دستگاه‌های کم‌انرژی (مانند دوربین‌های هوشمند)، سنسورها و کنتورها به یکدیگر و اینترنت استفاده شوند. به دلیل برد طولانی، این شبکه‌ها می‌توانند دستگاه‌ها را در مناطق گسترده حتی در صورت وجود موانع مانند ساختمان‌های بزرگ یا زمانی که دستگاه‌ها زیرزمین هستند، به هم متصل کنند.
یکی از مزایای اصلی فناوری LPWA مصرف انرژی بسیار کم آن در مقایسه با سایر انواع شبکه‌ها مانند شبکه‌های سلولی یا Wi-Fi است. این ویژگی آن را برای استفاده در کاربردهای IoT که طول عمر باتری یک عامل مهم در طراحی و عملکرد دستگاه است، ایده‌آل می‌کند.
این شبکه‌ها در صنایع مختلفی از جمله انرژی، بهداشت و کشاورزی استفاده می‌شوند. شبکه‌های کم‌مصرف و گسترده به دلیل مصرف انرژی کم و برد طولانی، نسبت به شبکه‌های بی‌سیم سنتی مزیت دارند.
انواع مختلف شبکه‌های LPWA
اولین شبکه LPWA در سال 2012 توسط Sigfox راه‌اندازی شد و از آن زمان تاکنون پیشرفت‌های زیادی در این زمینه صورت گرفته است. پس از Sigfox، شبکه‌های LoRaWAN که توسط اتحادیه LoRa اداره می‌شوند، ظهور کردند. LoRa مخفف Low Power and Long Range است و در طیف بدون مجوز عمل می‌کند. مشتریان می‌توانند شبکه LoRaWAN خود را راه‌اندازی کنند یا از یک شبکه عمومی LoRaWAN استفاده کنند.
نسل بعدی شبکه‌های LPWA شامل LTE-M یا Cat M1 و NB-IoT است که امکان انتقال داده با سرعت تا 500 کیلوبیت بر ثانیه را فراهم می‌کنند. این شبکه‌ها در طیف مجاز عمل می‌کنند و توسط اپراتورهای موبایل ارائه می‌شوند.
NB-IoT یک استاندارد 4G است که پس از LTE Cat M1 که از سال 2016 وجود داشته، معرفی شده است. هر دو استاندارد برای مناطق کم‌مصرف و گسترده طراحی شده‌اند.
شبکه‌های LPWA سلولی در مقابل غیرسلولی
شبکه‌های LPWA سلولی
شبکه‌های LPWA سلولی مانند NB-IoT (اینترنت اشیاء باند باریک) و LTE-M (LTE Cat-M1) از زیرساخت‌های سلولی موجود استفاده می‌کنند، به این معنا که از دکل‌های شبکه موبایل، ایستگاه‌های پایه و پروتکل‌های توسعه‌یافته برای شبکه‌های موبایل بهره می‌برند. این شبکه‌ها پوشش گسترده‌ای به ویژه در مناطق شهری ارائه می‌دهند، که به دلیل گستردگی جهانی اپراتورهای سلولی است. این شبکه‌ها بر اساس استانداردهای سلولی ساخته شده‌اند و امکان یکپارچه‌سازی با زیرساخت‌های موبایل موجود را فراهم می‌کنند، که امنیت، مقیاس‌پذیری و قابلیت اطمینان بالایی را تضمین می‌کند. از آنجا که این شبکه‌ها توسط اپراتورها کنترل می‌شوند، ویژگی‌های قوی‌ای مانند مدیریت دستگاه، صورتحساب و پشتیبانی ارائه می‌دهند، که آن‌ها را برای کاربردهای حیاتی کسب‌وکار مانند مدیریت ناوگان، کنتورهای هوشمند و ردیابی دارایی‌ها ایده‌آل می‌کند. شبکه‌های LPWA سلولی همچنین امکان رومینگ جهانی را فراهم می‌کنند، که آن‌ها را برای استقرارهای بین‌المللی مناسب می‌سازد.
مزایای اصلی شبکه‌های LPWA سلولی شامل پوشش گسترده، هم در مناطق شهری و هم روستایی، و امنیت قوی به دلیل زیرساخت‌های کنترل‌شده توسط اپراتور است. با این حال، هزینه‌های این شبکه‌ها نسبت به شبکه‌های غیرسلولی بالاتر است، زیرا نیاز به اشتراک خدمات اپراتور موبایل، از جمله سیم‌کارت و هزینه‌های مرتبط دارند. این شبکه‌ها همچنین مصرف انرژی کمی بالاتری نسبت به شبکه‌های LPWA غیرسلولی دارند، اگرچه هنوز بسیار کمتر از شبکه‌های سلولی سنتی است. علاوه بر این، از آنجا که شبکه‌های سلولی به اپراتورهای موبایل وابسته هستند، ممکن است در برخی مناطق دورافتاده که پوشش ضعیف یا وجود ندارد، محدودیت‌هایی وجود داشته باشد.
شبکه‌های LPWA غیرسلولی
شبکه‌های LPWA غیرسلولی مانند LoRaWAN، Sigfox و Weightless، به طور مستقل از زیرساخت‌های سلولی عمل می‌کنند و معمولاً از طیف بدون مجوز یا استقرار شبکه‌های خصوصی استفاده می‌کنند. این شبکه‌ها برای کاربردهایی طراحی شده‌اند که نیاز به ارتباط کم‌مصرف و برد بلند دارند بدون نیاز به خدمات اپراتور موبایل. استفاده از طیف بدون مجوز امکان استقرار انعطاف‌پذیر و مقرون‌به‌صرفه‌تر را فراهم می‌کند، به ویژه در شبکه‌های خصوصی. پوشش در شبکه‌های LPWA غیرسلولی ممکن است به مناطق خاصی محدود شود، اما در مناطقی که استقرار یافته‌اند، مانند مناطق روستایی یا دورافتاده، این شبکه‌ها می‌توانند مناطق جغرافیایی وسیعی را با حداقل زیرساخت پوشش دهند، که هزینه اتصال را کاهش می‌دهد. این شبکه‌ها اغلب در کشاورزی هوشمند، شهرهای هوشمند و نظارت بر محیط زیست استفاده می‌شوند، جایی که ارتباط کم‌هزینه و برد بلند کلیدی است.
مزیت اصلی شبکه‌های LPWA غیرسلولی هزینه‌های پایین‌تر آن‌ها به دلیل استفاده از طیف بدون مجوز و عدم وابستگی به اپراتورهای موبایل است. این شبکه‌ها همچنین بسیار کم‌مصرف هستند، که آن‌ها را برای دستگاه‌های IoT مبتنی بر باتری که نیاز به کارکرد طولانی‌مدت دارند، ایده‌آل می‌سازد. با این حال، شبکه‌های LPWA غیرسلولی ممکن است از پوشش محدود، به ویژه در مناطق کم‌جمعیت یا کمتر توسعه‌یافته، رنج ببرند، زیرا زیرساخت شبکه به اندازه شبکه‌های سلولی گسترده نیست. علاوه بر این، امنیت می‌تواند یک نگرانی باشد، زیرا شبکه‌های غیرسلولی به طور کلی فاقد ویژگی‌های رمزنگاری و امنیتی قوی شبکه‌های کنترل‌شده توسط اپراتور هستند. این شبکه‌ها همچنین دسترسی جهانی محدودی دارند و ممکن است برای دستیابی به پوشش گسترده‌تر نیاز به استقرارهای منطقه‌ای متعدد داشته باشند.
این شبکه‌ها برای کاربردهای IoT مانند زیرساخت‌های شهر هوشمند، اتوماسیون صنعتی و ردیابی دارایی‌ها استفاده می‌شوند. آن‌ها می‌توانند دستگاه‌ها را در مسافت‌های طولانی با پرش‌های کوتاه بین ایستگاه‌های پایه یا نقاط دسترسی (AP) به هم متصل کنند. LTE-M و NB-IoT برای کاربردهای IoT که نیاز به توان عملیاتی بالا دارند، مانند انتقال داده‌های حجیم، استفاده می‌شوند.
کلمات کلیدی: شبکه‌های LPWA، اینترنت اشیاء کم‌مصرف، LoRaWAN، Sigfox، LTE-M، NB-IoT، شبکه‌های کم‌مصرف و گسترده، کاربردهای IoT، اتصال بی‌سیم کم‌مصرف.
منبع: iotforall