فناوری باتری با طول عمر بیشتر واقعاً نجات‌بخش است؛ به‌ویژه در تجهیزات پزشکی. اگر در دهه ۱۹۵۰ میلادی به یک پیس‌میکر یا همان ضربان‌ساز قلب نیاز داشتید، دستگاه آن‌قدر بزرگ بود که باید آن را روی گاری جابجا می‌کردید و مستقیماً به پریز برق برق شهری می‌زدید. در واقع، میزان تحرک شما کاملاً به طول سیم سیار بستگی داشت.
وقتی در نهایت مدل‌های قابل‌حمل با باتری‌های اولیه روی کار آمدند، عمر مفیدشان چیزی حدود یک یا دو سال بود. بی‌سیم شدن دستگاه پیشرفت بزرگی محسوب می‌شد، اما بیماران همچنان مجبور بودند هر ۱۲ تا ۱۸ ماه یک‌بار عمل جراحی بسیار ناراحت‌کننده‌ای را برای تعویض منابع انرژی تخلیه‌شده تحمل کنند.
نقطه عطف در سال ۱۹۷۲ رقم خورد؛ زمانی که ویلسون گریت‌بچ (Wilson Greatbatch)، مهندس اهل نیویورک، باتری لیتیوم-ید را معرفی کرد. این نوآوری ساده، طول عمر مفید پیس‌میکر را از چند ماه به بیش از یک دهه افزایش داد. این تحول با پیشرفت‌های حوزه میکروالکترونیک که مصرف برق داخلی را به‌شدت کاهش داد ترکیب شد و پیس‌میکر را به فناوری «نصب کن و فراموش کن» تبدیل کرد. این ابزار به یک کاربرد بسیار قابل‌اعتماد و با قابلیت مقیاس‌پذیری جهانی بدل شد.
شبکه‌های مدرن اینترنت اشیاء
امروزه شرکت‌هایی که از شبکه‌های اینترنت اشیاء استفاده می‌کنند با چالش مشابهی در زمینه نگهداری و پشتیبانی مواجهند. مستقر کردن هزاران یا حتی میلیون‌ها حسگر متصل در فواصل جغرافیایی وسیع، دفن کردن آن‌ها درون کنتورهای هوشمند، جوش دادن آن‌ها به کانتینرهای حمل‌ونقل یا رهاسازی‌شان در میان دام‌ها، معضل عملیاتی عظیمی ایجاد می‌کند.
به محض اینکه دستگاهی به نگهداری فیزیکی نیاز پیدا کند — چه برای تعویض سیم‌کارت فیزیکی به دلیل تغییرات قرارداد مخابراتی و چه برای جایگزینی باتری‌ای که به خاطر پیکربندی ناکارآمد خالی شده است — دوام تجاری پروژه به‌شدت افت می‌کند.
اگرچه فرستادن یک مهندس به میدان برای سرویس کردن یک دستگاه مهروموم‌شده به اندازه جراحی روی بدن بیمار دردناک نیست، اما از نظر لجستیکی سخت، به‌شدت هزینه‌بر و اصلاً غیرقابل مقیاس‌سازی است. برای دستیابی به پتانسیل واقعی اینترنت اشیاء انبوه، سازمان‌ها به دستاوردی در حد باتری لیتیوم-ید نیاز دارند تا بتوانند به وعده استقلال عملیاتی درازمدت، شبکه‌های بی‌سیم بسیار کارآمد و مدیریت هوشمند و از راه دور اعتبارنامه‌ها جامه عمل بپوشانند.
ظهور فناوری‌های LPWA
برای پاسخ به نیاز به ارتباطات راه‌دور و کم‌مصرف، بازار جهانی مخابرات با اشتیاق به سمت به‌کارگیری فناوری‌های شبکه کم‌مصرف با پوشش گسترده (LPWA) رفته است. این شبکه‌ها برای پشتیبانی از میلیون‌ها دستگاه مستقل و کم‌پهنای باند طراحی شده‌اند که بسته‌های داده کوچکی را به‌صورت وقفه دار ارسال می‌کنند؛ بنابراین مواردی چون نفوذ سیگنال، حداقل هزینه سخت‌افزاری و بهره‌وری انرژی فوق‌العاده برای آن‌ها در اولویت قرار دارد. ترکیب این عوامل به دستگاه‌ها اجازه می‌دهد تا یک دهه یا بیشتر با یک باتری کار کنند.
استانداردهای مختلفی به بازار معرفی شد، اما سه مورد همچنان کاربردی باقی مانده‌اند: اینترنت اشیاء باندباریک (NB-IoT)، تکامل طولانی‌مدت برای ماشین‌ها (LTE-M) و LoRaWAN.
شبکه NB-IoT در طیف فرکانسی مجاز کار می‌کند و نفوذ سیگنال عمیقی ارائه می‌دهد که برای حسگرهای ثابتی مانند کنتورهای هوشمند در زیرزمین‌ها ایده‌آل است.
فناوری LTE-M نیز در طیف مجاز فعالیت می‌کند و پهنای باند بالاتر، تاخیر کمتر و پشتیبانی از انتقال بین دکل‌های مخابراتی را فراهم می‌کند؛ همین ویژگی آن را برای دارایی‌های بسیار متحرک مانند ردیاب‌های لجستیکی یا پایانه‌های فروشگاهی مناسب می‌سازد.
شبکه LoRaWAN در طیف غیرمجاز کار می‌کند و به سازمان‌ها اجازه می‌دهد بدون هزینه‌های اشتراک ادواری، دروازه‌های خصوصی را برای پوشش محوطه‌ها یا مزارع کشاورزی مستقر کنند.
با این حال، استقرار در چند منطقه پیچیدگی‌های عملیاتی بزرگی ایجاد می‌کند. چشم‌انداز LPWA در حال حاضر به‌شدت تکه‌تکه شده است. یک اپراتور مخابراتی در یک کشور ممکن است NB-IoT را در اولویت قرار دهد، در حالی که رقیب آن سوی مرز بر LTE-M تمرکز کند.
علاوه بر این، اپراتورها در مناطقی مانند آمریکای شمالی و شرق آسیا شبکه‌های کامل NB-IoT را در رده‌های پایین‌تر اولویت قرار داده یا خاموش کرده‌اند. این تکه‌تکه‌شدگی به این معناست که یک محصول تک‌شناسه (Single-SKU) را نمی‌توان به راحتی برای ارسال جهانی آماده کرد و استانداردهای متنوع و ناسازگار با یکدیگر مانع بزرگی بر سر راه مقیاس‌پذیری اینترنت اشیاء ایجاد می‌کنند.
مفروضات و مبادلات اتصال و عمر باتری
هر کسب‌وکاری که دستگاهی با باتری و قابلیت اتصال می‌سازد، باید تعادل بین عملکرد و طول عمر را پیدا کند.
زمانی که حسگرهای صنعتی باید بدون دخالت انسان ۱۰ تا ۱۵ سال دوام بیاورند، تک‌تک میکروآمپرهای جریان اهمیت پیدا می‌کنند. انتخاب پروتکل بی‌سیم مستقیماً بر طول عمر دستگاه و هزینه‌های عملیاتی کلی تاثیر می‌گذارد.
این مبادله هنگام مقایسه NB-IoT و LTE-M بسیار آشکارتر است.
شبکه NB-IoT از پهنای باند باریک ۱۸۰ کیلوهرتز استفاده می‌کند و توان انتقال را متمرکز می‌کند تا نفوذ سیگنال عالی به دست آورد. تصور کنید انتهای شلنگ آب را فشار دهید تا آب با نیروی متمرکزتری خارج شود. با این حال، این «لوله باریک» نرخ داده را هم محدود کرده و تاخیر را افزایش می‌دهد. اگر دستگاهی به انتقال بزرگ‌تری مثل به‌روزرسانی سیستم‌عامل نیاز داشته باشد، NB-IoT کانال را برای مدت طولانی تری باز نگه می‌دارد و به سرعت باتری را خالی می‌کند.
در مقابل، LTE-M نرخ‌های داده‌ای تا یک مگابیت بر ثانیه کامل فراهم می‌کند که تقریباً به اندازه کافی سریع است تا بتوانید یک ویدیوی با کیفیت پایین روی گوشی خود تماشا کنید. این پهنای باند نسبتاً زیاد به این معناست که به‌روزرسانی‌ها در چند ثانیه کامل می‌شوند و به دستگاه اجازه می‌دهند به سرعت به حالت خواب زمستانی بازگردد. همان‌طور که قابل پیش‌بینی است، این لوله پهن‌تر در LTE-M در طول انتقال استاندارد برق بسیار بیشتری مصرف می‌کند.
برای کاهش این مصرف زیاد انرژی، استانداردهای LPWA مجاز ویژگی‌هایی مانند حالت صرفه‌جویی در مصرف انرژی (PSM) و دریافت ناپیوسته توسعه‌یافته (eDRX) را معرفی کرده‌اند. حالت PSM به دستگاه اجازه می‌دهد بدون قطع کامل ارتباط با شبکه وارد حالت خواب عمیق شود و فقط برای ارسال داده بیدار شود. در همین حال، eDRX زمان بیکاری بین چرخه‌های فراخوان را افزایش می‌دهد و تعداد دفعاتی را که دستگاه سیگنال‌های مربوطه را بررسی می‌کند کاهش می‌دهد.
هر دو استاندارد نقاط قوت روشنی دارند، اما اجرای دنیای واقعی به ندرت ساده است. این ویژگی‌ها به طور جهانی توسط بیشتر شبکه‌های شریک رومینگ پشتیبانی نمی‌شوند. وقتی دستگاهی خود را در حال ارتباط با زیرساخت خارجی می‌بیند، شبکه اصلی ممکن است از پذیرش تایمرهای خواب درخواست‌شده خودداری کند.
این امر باعث می‌شود دستگاه‌ها به طور مداوم به دنبال سیگنال‌های ارسالی برای خود باشند؛ وضعیتی که مهندسین شبکه به طور نگران‌کننده‌ای آن را «تقلا برای اتصال به شبکه» (Network Attachment Thrashing) می‌نامند و می‌تواند باتری ده ساله را ظرف چند هفته تخلیه کند. این تنها یکی از نمونه‌های فراوانی است که نیاز به مدیریت هماهنگ شبکه برای محافظت از طول عمر مفید ناوگان را برجسته می‌کند.
مدیریت پروفایل با مدیریت eSIM در اینترنت اشیاء
برای حل مشکلات پوشش تکه‌تکه و تخلیه شدید باتری، شرکت‌ها به سمت استانداردهای نسل بعدی پروویژنینگ از راه دور سیم‌کارت (RSP) روی آورده‌اند.
پیش از این، رویکرد اصلی به اینترنت اشیاء سلولی بر روی مشخصات M2M استاندارد SGP.02 انجمن GSMA متکی بود که به سیگنال‌های پیامک پرمصرف انرژی وابسته بود و دستگاه‌ها را به یک مدیر اشتراک واحد قفل می‌کرد که باید در طول ساخت انتخاب می‌شد. از طرف دیگر، مشخصات SGP.22 متمرکز بر مصرف‌کننده زیبا بود، اما واقعاً فقط زمانی کار می‌کرد که شخصی برای دنبال کردن دستورات روی صفحه یا اسکن کد QR حضور داشته باشد؛ که این گزینه برای یک حسگر ضربه جوش داده شده به یک کوره بلند عملیاتی اصلاً قابل اجرا نبود.
مشخصات جدید SGP.32 انجمن GSMA بهترین ویژگی‌های هر دو دنیا را نشان داد و یک گام رو به جلو برای صنعت اینترنت اشیاء بود که به طور خاص برای ناوگان‌های در مقیاس وسیع اما با محدودیت منابع مهندسی شده بود. این استاندارد یک معماری مدیریت انعطاف‌پذیر آغاز شده توسط سرور را پایه‌گذاری کرد که به جای اتکا به دستگاه‌ها برای درخواست ورودی، از یک مدیر eSIM اینترنت اشیاء (eIM) مبتنی بر ابر به عنوان مرکز فرماندهی استفاده می‌کند تا به دستگاه‌ها بگوید چه زمانی وقت توجه است.
همزمان با یک دستیار پروفایل سبک‌وزن اینترنت اشیاء (IPA) که روی دستگاه یا سخت‌افزار eSIM اجرا می‌شود، eIM می‌تواند دستورات مدیریت پروفایل را به صورت غیرهم‌زمان ارسال کند و آن‌ها را به طور مرتب در صف قرار دهد تا زمانی که دستگاه دفعه بعد بررسی کند.
استاندارد SGP.32 علاوه بر این، ارتباطات را از طریق پروتکل‌های بسیار سبک‌وزن مبتنی بر IP بهینه‌سازی می‌کند. به جای ترافیک حجیم وب یا پیامک‌های گران‌قیمت از نظر مصرف باتری، این استاندارد از پروتکل برنامه محدود (CoAP) روی UDP پشتیبانی می‌کند که توسط امنیت لایه انتقال دیتاگرام (DTLS) محافظت می‌شود. اساساً، این کار سربار سنگین پروتکل‌های سنتی را حذف می‌کند و به یک حسگر با منابع متوسط و قدرت پردازشی کم اجازه می‌دهد تا با استفاده از حداقل داده و انرژی، یک پروفایل را بارگیری و فعال کند.
در این چارچوب، پیشرفته‌ترین مدیران eSIM اینترنت اشیاء نشان‌دهنده یک مزیت عملیاتی و استراتژیک حیاتی هستند. با فعال کردن مدیریت پویای پروفایل، این پلتفرم‌ها به شرکت‌ها اجازه می‌دهند پروفایل‌های شبکه را بر اساس نیازهای دستگاه‌های فردی اختصاص دهند.
از آنجایی که آن‌ها نیازی ندارند با تمام جزئیات نرم‌افزاری نصب‌شده از انبار خارج شوند، دستگاه‌ها می‌توانند با یک پروفایل راه‌اندازی اولیه (Bootstrap) با قابلیت جهانی تولید شوند. پس از روشن شدن، از این اتصال اولیه برای تماس با eIM استفاده می‌شود که نیازهای خاص دستگاه را ارزیابی می‌کند و به طور خودکار مقرون‌به‌صرفه‌ترین و باکیفیت‌ترین پروفایل اپراتور محلی را ارسال می‌کند. این هم از خطر قطع ارتباط نظارتی جلوگیری می‌کند و هم تضمین می‌کند که دستگاه از طریق کارآمدترین شبکه از نظر مصرف باتری متصل باقی بماند.
مدیریت ساده چند شبکه
اداره یک ناوگان جهانی نیازمند یک رویکرد یکپارچه برای مدیریت چیزی است که می‌تواند به سرعت به یک تکه‌دوزی نامنظم از اپراتورها تبدیل شود. ورود به پورتال‌های متعدد برای نظارت بر مصرف داده، عیب‌یابی اتصال و مدیریت صورت‌حساب به زودی غیرقابل کنترل می‌شود و می‌تواند پروژه‌های در مقیاس بزرگ را کاملاً متوقف کند.
یک راه حل قوی eSIM با ادغام دسترسی به شبکه در یک پلتفرم واحد، بر این چالش غلبه می‌کند. با بهره‌گیری از مدیریت اتصال یکپارچه، شرکت‌ها می‌توانند ناوگان خود را در چندین شبکه LPWA و سلولی سنتی، همه از طریق یک رابط «تک‌پنجره‌ای» نظارت کنند.
چنین تمرکزی لجستیک را به شدت ساده می‌کند. به جای مدیریت موجودی سیم‌کارت‌های فیزیکی که همگی به اپراتورهای خاصی متصل هستند، تولیدکنندگان تمام مزایای صرفه‌جویی در هزینه یک زنجیره تامین تک‌شناسه را دریافت می‌کنند. یک تراشه استاندارد eSIM را می‌توان مستقیماً در طول تولید در سخت‌افزار نصب کرد، با این اطمینان که اعتبارنامه‌های شبکه آن را می‌توان در هر نقطه‌ای از عمر عملیاتی‌شان بدون به خطر انداختن سودآوری دستگاه تغییر داد.
این مدل یکپارچه همچنین در برابر قفل شدن توسط فروشنده (Vendor Lock-in) محافظت می‌کند. تا همین اواخر، شرکت‌ها در رحمت شریک مخابراتی اصلی خود بودند. اگر ارائه‌دهندگان نرخ‌ها را افزایش می‌دادند، کیفیت رو به زوال شبکه را نشان می‌دادند یا به سادگی کنار می‌رفتند، این شرکت بود که باید هزینه‌ها را جذب می‌کرد یا دستگاه‌ها را فرا می‌خواند.
با مدیریت پیشرفته eSIM، کنترل اعتبارنامه‌های شبکه به شرکتی بازگردانده می‌شود که در واقع هزینه آن‌ها را پرداخت می‌کند و به آن‌ها اجازه می‌دهد پروفایل‌های اپراتور جدید را زمانی که خدمات زیر حد مطلوب می‌شود به ناوگان ارسال کنند.
نظارت عملیاتی و تحلیل‌ها
موفقیت مداوم یک استقرار اینترنت اشیاء به شدت به دید مداوم و بلادرنگ آن بستگی دارد. از آنجا که اغلب انتظار می‌رود دستگاه‌ها وظایف خود را بدون نظارت انجام دهند، مدیران نمی‌توانند برای تعیین اینکه آیا دستگاه به درستی کار می‌کند یا خیر، به بازرسی‌های فیزیکی اتکا کنند. در عوض، آن‌ها به نظارت عملیاتی و تحلیل‌ها برای اطمینان از سلامت ناوگان نیاز دارند.
دید بلادرنگ وضعیت اتصال، مصرف داده و وضعیت پروفایل برای شناسایی ناهنجاری‌ها قبل از اینکه به مشکل تبدیل شوند حیاتی است. اگر دستگاهی به طور مداوم در حال تلاش برای اتصال به یک دکل سلولی قطع شونده باشد، پلتفرم نظارتی می‌تواند این سنبله سیگنال غیرعادی را تشخیص دهد و موقتاً آن اتصال را به حالت تعلیق درآورد یا پروفایل را به طور کامل تغییر دهد. این کار از هزینه‌های سرسام‌آور داده جلوگیری می‌کند و از باتری در برابر تخلیه شدن روی کارهای بیهوده محافظت می‌کند.
این تحلیل‌های متمرکز است که به طور واقعی به شرکت‌ها قدرت می‌دهد تا از مدیریت بحران واکنشی به تعمیر و نگهداری پیش‌بینانه تغییر مسیر دهند. با پردازش گزارش‌های کیفیت اتصال و قدرت سیگنال، مدیران می‌توانند مناطق دارای پوشش ضعیف را مشخص کنند یا قطعی‌های محلی شبکه را شناسایی کنند. اگر دکل یک اپراتور خاص مکرراً اتصال را قطع کند، می‌توان قوانینی را برای هدایت خودکار دستگاه‌ها به یک شبکه جایگزین قوی‌تر تنظیم کرد.
نمونه‌ای از این رویکرد تغییر مسیر اضطراری در استقرارهای حیاتی را می‌توان با فناوری چند IMSI شرکت 1GLOBAL مشاهده کرد که در کنار پروفایل‌های eSIM آن‌ها کار می‌کند و از یک اپلت روی سیم‌کارت استفاده می‌کند که به طور خودکار و عملاً فوری پس از از دست رفتن سیگنال اصلی، تعویض شبکه محلی را اجرا می‌کند.
چشم‌انداز آینده
بازار اینترنت اشیاء در حال حاضر برای مرحله بعدی و بسیار مورد انتظار تکامل خود آماده می‌شود که با همگرایی فناوری کم‌مصرف و برنامه‌های نوظهور 5G فعال شده است. فراتر از سرعت‌های بالاتر برای گوشی‌های هوشمند، 5G استانداردهایی را معرفی می‌کند که برای یکپارچه‌سازی کل اکوسیستم بی‌سیم طراحی شده‌اند. به ویژه، قابلیت کاهش‌یافته 5G (RedCap) نقش محوری خواهد داشت و شکاف بین 5G پرسرعت و شبکه‌های LPWA فوق‌العاده کم‌مصرف را پر خواهد کرد.
همزمان با راه‌اندازی این شبکه‌های جدید و استقبال بیشتر از ویژگی‌های آن‌ها، شرکت‌ها به ناچار با چالش ناوگان‌های چندنسلی مواجه خواهند شد. استقراری که امروز از LTE-M یا NB-IoT استفاده می‌کند باید با دستگاه‌های جدیدتر 5G RedCap همسایگان خوبی باشند.
برای هدایت این نقشه راه فناوری که اکنون بر حسب دهه اندازه‌گیری می‌شود، مدیریت چابک eSIM یک ضرورت است. یک پلتفرم انعطاف‌پذیر eIM تضمین می‌کند که دستگاه‌ها می‌توانند از طریق هوایی به‌روزرسانی شوند تا از برش‌ها و پروفایل‌های شبکه 5G جدید پشتیبانی کنند و مقیاس‌پذیری بلندمدت و قابلیت همکاری را در سراسر نسل‌های فناوری تضمین کنند.
در نهایت، مقیاس‌بندی اینترنت اشیاء در واقع پیگیری طول عمر عملیاتی مفید است. با جداسازی دستگاه‌های فیزیکی از بازار موقت‌تر مخابرات، مدیریت مدرن eSIM یک محافظ قابل اعتماد فراهم می‌کند.
همان‌طور که باتری لیتیوم-ید ویلسون گریت‌بچ اثربخشی پیس‌میکر قلب را به طور اساسی به یک راه حل خودپایدار و بلندمدت تبدیل کرد، مدیریت eSIM و شبکه‌های LPWA دستگاه مدرن اینترنت اشیاء را از قید و بند تعویض سیم‌کارت فیزیکی و خرابی‌های شبکه محلی آزاد می‌کنند.
با تکیه بر این فناوری‌ها، شرکت‌ها می‌توانند با اطمینان ناوگان خود را در سراسر جهان مستقر کنند و از این امر مطمئن باشند که آن‌ها متصل، مقرون‌به‌صرفه و کاربردی باقی خواهند ماند.
منبع: iotforall