پنج سال پیش، میتوانستید یک شبکه گسترده با توان پایین (LPWAN) برای استقرار اینترنت اشیا (IoT) خود راهاندازی کنید بدون اینکه نگران شلوغی بیش از حد باشید. پهنای باند ارزان و فراوان بود. به سادگی تعداد زیادی دستگاه IoT وجود نداشت که به آن نیاز داشته باشند.
اما حالا اوضاع تغییر کرده است و امواج رادیویی روز به روز شلوغتر میشوند. تا سال ۲۰۳۱، پیشبینی میشود حدود ۸۰۰ میلیون اتصال LPWAN در جهان وجود داشته باشد، در حالی که این عدد در سال ۲۰۲۲ تنها کمی بیش از ۲۵۰ میلیون بود.
فناوریهای LPWAN که تا به امروز اینترنت اشیا صنعتی را پیش بردهاند، تحت فشار حجم عظیم ترافیک در حال فروپاشی هستند. این مشکل در مناطق شهری پرجمعیت که چندین استقرار IoT برای استفاده از همان پهنای باند رقابت میکنند، شدیدتر است. به طور خلاصه، استقرارهای IoT کممصرف با چالش مقیاسپذیری مواجه شدهاند.
خوشبختانه، راهحلی وجود دارد. در این مقاله، به شما نشان میدهیم که چگونه یک رویکرد جایگزین برای استریم دادههای IoT میتواند بر تداخل غلبه کند، یکپارچگی دادهها را حفظ کند و مقیاسپذیری را در اینترنت اشیا تجاری حل کند.
فهرست مطالب
درک چالش مقیاسپذیری LPWAN
برای شروع با اصول اولیه، شبکههای LPWAN دادهها را با امواج رادیویی منتقل میکنند. بخشی از این پهنای باند رادیویی دارای مجوز است و تنها از طریق اپراتورهای شبکه موبایل (MNOs) قابل دسترسی است. اینها فناوریهای اتصال سلولی مانند LTE-M و NB-IoT هستند که توسط شرکتهای ارائهدهنده خدمات سلولی مدیریت میشوند.
بسیاری از شبکههای IoT صنعتی به جای استفاده از طیف دارای مجوز، از بخشهای بدون مجوز طیف الکترومغناطیسی، یعنی باند رادیویی صنعتی، علمی و پزشکی (ISM) استفاده میکنند. این ارتباطات توسط پروتکلهای LPWAN مانند LoRa، Sigfox و mioty مدیریت میشوند.
برای IoT، اتصال مبتنی بر باند ISM مزایای زیادی نسبت به طیف دارای مجوز دارد:
- نیازی به مدیریت روابط با اپراتورهای شبکه موبایل (MNOs) ندارید.
- هزینههای اتصال کمتر است.
- دستگاههای IoT شما برای یافتن سیگنال در هنگام جابجایی، انرژی زیادی مصرف نمیکنند.
مشکل شلوغی (Congestion)
با افزایش تعداد دستگاههایی که از باندهای ISM استفاده میکنند، شلوغی به یک مشکل تبدیل شده است.
سازمانهای نظارتی تلاش میکنند تا دسترسی به این باندها را کنترل کنند تا همه کاربران واجد شرایط بتوانند از مزایای آن بهرهمند شوند. در اتحادیه اروپا، استانداردهای موسسه استانداردهای مخابراتی اروپا (ETSI) محدودیتهایی را برای میزان انتقال دستگاهها در فرکانسهای ISM اعمال میکند.
وقتی دستگاههای زیادی در یک فرکانس یکسان داده ارسال میکنند—مانند مناطق شهری شلوغ و مراکز صنعتی—شلوغی رادیویی رخ میدهد. وقتی سیگنال IoT شما توسط ترافیک دستگاه دیگری قطع شود، چه اتفاقی میافتد؟
- دادهها به ترتیب اشتباه میرسند و خطاهایی ایجاد میکنند.
- پیام به طور کامل گم میشود و یک نقطه داده کلیدی را از دست میدهید.
- دستوراتی که یک دستگاه را فعال میکنند—از باز کردن در گاراژ تا بستن لوله نشتی—هرگز به مقصد نمیرسند.
به عبارت دیگر، دستگاههای IoT شما نمیتوانند کاری که برای آن طراحی شدهاند را انجام دهند. در استقرارهای IoT صنعتی و تجاری، از دست رفتن دادهها میتواند از یک ناراحتی ساده تا خطرناک باشد.
فناوریهای سنتی LPWAN مقاومت زیادی در برابر تداخل ندارند، زیرا پیامها را به صورت یکجا و به عنوان یک بسته داده واحد ارسال میکنند. اگر بسته گم شود، کل پیام از بین میرود.
راهحل برای باند ISM شلوغتر، دسترسی چندگانه با تقسیم تلگرام (TSMA) نام دارد و عملکرد متفاوتی دارد.
چگونه TSMA بر تداخل در استقرارهای LPWAN غلبه میکند؟
دسترسی چندگانه با تقسیم تلگرام (TSMA) یک رویکرد برای مدیریت ارتباطات رادیویی است. این فناوری در مشخصات فنی ETSI برای شبکههای با توان پایین (ETSI TS 103 357) تعریف شده است.
TSMA چه کار متفاوتی انجام میدهد؟
- یک پیام واحد (یا بسته داده) را به چندین بخش کوچک، به نام زیربستهها (sub-packets)، تقسیم میکند.
- این زیربستههای کوچک را چندین بار و در ترکیبهای مختلف دادهای ارسال میکند.
- هر انتقال از طریق فرکانسهای رادیویی مختلف و در زمانهای متفاوت انجام میشود.
- در نقطه دریافت، نرمافزار زیربستهها را دوباره به پیام کامل تبدیل میکند.
با TSMA، تنها نیمی از زیربستهها باید به گیرنده برسند تا پیام تحویل داده شود. این به دلیل ساختار زیربستههای اضافی است که در آن هر انفجار رادیویی شامل ترکیبهای مختلفی از دادههاست—اما همه دادهها حداقل دو بار نمایش داده میشوند.
این دیگر یک توده داده نیست، بلکه یک “انبوه” است و هر ذره شانس موفقیت انتقال را افزایش میدهد. این تکنیک پردازش سیگنال، تصحیح خطای پیشرو (Forward Error Correction – FEC) نامیده میشود و تضمین میکند که پیام کامل حتی در صورت گم شدن برخی زیربستهها در دسترس گیرنده باشد.
این ممکن است پیچیده به نظر برسد، اما کل عملیات در یک لحظه انجام میشود.
پروتکل LPWAN که از TSMA استفاده میکند، در مقایسه با فناوریهایی که به رویکرد تکپیامی و تکبستهای پایبند هستند، در برابر تداخل مقاومتر است و نرخ خطا را کاهش میدهد.
مزایای دیگر TSMA برای LPWAN در IoT
TSMA چگونه میتواند به شما در مقیاسپذیری یک استقرار IoT کمک کند؟ عمدتاً از طریق مقاومت در برابر تداخل. اما این فناوری چند مزیت اضافی نیز ارائه میدهد که ممکن است برای مورد استفاده شما مناسب باشد، بهویژه اگر به عمر باتری اهمیت میدهید:
- انفجارهای رادیویی بسیار سریع TSMA—۱۵ میلیثانیه برای هر زیربسته، در مقایسه با بیش از یک ثانیه برای بستههای LPWAN سنتی—بسیار کممصرف هستند. همچنین مشکلات انتقال مرتبط با سرعت را برای دستگاههای متحرک کاهش میدهند.
- شبکههای ساختهشده با TSMA معمولاً نیازی به استفاده از تأیید downlink ندارند، زیرا uplink در درجه اول احتمالاً دریافت میشود. در سیستمهای LPWAN سنتی، دستگاهها طوری تنظیم شدهاند که داده را تا زمان دریافت تأیید downlink ارسال کنند. در محیطهای پر سر و صدا، این تأییدها ممکن است گم شوند. در نتیجه، دستگاه همان پیام را بارها و بارها ارسال میکند، که به سرعت باتری را خالی میکند؛ اما این مشکل با TSMA وجود ندارد.
- TSMA از دست رفتن دادهها را کاهش میدهد. از دست رفتن دادهها نیاز به ارسال مجدد دارد که انرژی بیشتری مصرف میکند. جریانهای داده قابل اعتماد انرژی کمتری مصرف میکنند و TSMA برای قابلیت اطمینان طراحی شده است.
این ترکیب از عوامل میتواند عمر باتری را افزایش دهد و به تولیدکنندگان IoT کمک کند تا مصرف انرژی را به طور دقیق پیشبینی کنند. بنابراین، میتوانید دستگاهها را با ادعای “حداقل یک سال” عمر باتری به جای “تا یک سال” تبلیغ کنید. این نوع بیان برای مصرفکنندگان بسیار مفیدتر است، زیرا “تا یک سال” میتواند به معنای ۳۶۵ روز یا فقط یک روز باشد.
استقرار بعدی LPWAN شما احتمالاً در یک محیط رادیویی پر سر و صدا خواهد بود. دسترسی چندگانه با تقسیم تلگرام (TSMA) میتواند کلید موفقیت آن باشد و به طور کلی اینترنت اشیا صنعتی را مقیاسپذیر کند.
منبع: iotforall