گامی در جهت هوشمندسازی و ایجاد اینترنت اشیاء جهانی

فناوری‌های ارتباطی با بُرد کوتاه، بخش عمده‌ای از ارتباطات اینترنت اشیاء (IoT)^[1] را در آینده پشتیبانی خواهند کرد. از میان این فناوریهای کوتاه بُرد نیز فناوری شبکه‌های گسترده کم مصرف (LPWAN)^[2]، از سایر فناوری‌های ارتباطی اینترنت اشیاء پیشتاز بوده‌اند و قدرت رقابتی زیادی دارند. اما، چالشی که وجود دارد این است که شبکه‌های زمینی از جمله LPWAN، ناحیه پوشش‌دهی محدودی روی زمین دارند. برای غلبه بر چالش محدودیت پوشش‌دهی، اگر شبکه‌های ماهواره‌ای با فناوری‌های کوتاه بُرد زمینی ترکیب شوند، آن‌گاه ارائه خدمات IoT به صورت جهانی و یک‌پارچه میسر خواهد شد. از میان شبکه‌های ماهواره‌ای در مدارهای مختلف، ماهواره‌های منظومه‌ای در مدار زمین پایین (LEO)^[3] به خاطر داشتن ویژگی‌هایی مثل داشتن تاخیر کمتر در ارسال و دریافت سیگنال، اتلاف توان کمتر در مسیر و قابلیت اتصال جهانی داشتن، گزینه مناسبی برای ترکیب با LPWAN زمینی هستند. در این مقاله، معماری شبکه LoRaWAN  در ترکیب با شبکه‌ی ماهواره‌های منظومه‌ای LEO جهت افزایش بهره‌وری در اینترنت اشیاء و هوشمندسازی بررسی می‌شود.

کلیدواژه: شبکه ماهواره‌های LEO، فناوری شبکه‌های گسترده کم مصرف (LPWAN)، اینترنت اشیاء (IoT)، معماری شبکه، هوشمندسازی.

اخیرا اینترنت اشیاء تبدیل به یکی از محبوب‌ترین فناوری‌های وابسته به اینترنت شده است [1]. با توجه به [2]، بازار اینترنت اشیاء در سال 2025 به سوددهی حدود 3 هزار میلیارد دلار خواهد رسید و 27 میلیارد اتصال ایجاد خواهد شد. این اتصالات را می‌توان به سه گروه تقسیم‌بندی کرد: گروه اول) دسترسی بی‌سیم بُرد کوتاه (مانند بلوتوث، زیگ‌بی، وای‌فای و … )، گروه دوم) دسترسی سلولار (مانند LTE-MTC[4]، eMTC^[5] و …)، گروه سوم) دسترسی گسترده کم‌مصرف (LPWA). در مورد ناحیه‌ی پوشش‌دهی، گروه سوم یعنی LPWA در مقایسه با دو گروه اول و دوم، عملکرد بهتری داشته است و این امکان را فراهم می‌سازد تا بتوان شبکه اینترنت اشیاء با ناحیه گسترده‌تری ایجاد کرد. فناوری‌ها در LPWA می‌توانند به دو صورت فعالیت کنند: انجام عملیات بر روی باندهای فرکانسی دارای مجوز (مثل فناوری‌های NB-IoT^[6] و LTE Cat-M) و انجام عملیات بر روی باندهای فرکانسی بدون مجوز (مثل LoRa و Sigfox).

ترکیب شبکه LoRaWAN در اینترنت اشیاء و شبکه ماهواره‌های منظومه‌ای مدار

با وجود این فناوری‌ها، هنوز مسئله محدودیت پوشش‌دهی در کل شبکه‌های زمینی از جمله شبکه‌های مذکور وجود دارد. 

از طرفی ماهواره‌ها ابزاری قدرتمند برای حل مسئله‌ی محدودیت پوشش‌دهی هستند و برای ارائه خدمات یکپارچه و جهانی اینترنت اشیاء گزینه مناسبی می‌باشند [3]. از آن‌جایی که ادوات اینترنت اشیاء، قابلیت ذخیره‌سازی انرژی محدودی دارند، ماهواره‌های LEO  به خاطر اتلاف انرژی کمتر در انتشار سیگنال، گزینه‌ی مناسبی برای ارائه خدمات اینترنت اشیاء هستند. دو ویژگی مهم برای پیاده‌سازی شبکه‌ اینترنت اشیاء جهانی، تاخیر انتشار کم و پوشش‌دهی یک‌پارچه و جهانی است که ارتباطات ماهواره هر دو ویژگی را به ارمغان می‌آورد.

LoRaWAN^[7] :LoRa نیز یک فناوری لایه‌ی فیزیکی برد بلند است که توسط شرکت Semtech ثبت شده است و امکان ارتباطات دور بُرد انعطاف‌پذیر را در اینترنت اشیاء فراهم می‌کند.  اتحادیه LoRa Alliance، لایه‌های بالاتر از لایه‌ی فیزیکی را نیز تعریف کرده و توانسته یک شبکه‌ی اینترنت اشیاء مبتنی بر LoRa به نام LoRaWAN ایجاد کند. توپولوژی  LoRaWAN، توپولوژی ستاره معمولی است که پیچیدگی شبکه را کاهش می‌دهد و راحت‌تر گسترده‌تر می‌شود. نمایی از نحوه اتصالات فیزیکی  LoRaWAN در شکل 1 نشان داده شده است. همان‌طور که در این شکل نشان داده شده است، نقطه اتصال ادوات اینترنت اشیاء به سرور گیت‌وی‌ها هستند و از طریق گیت‌وی‌ها داده‌ها از ادوات به سمت سرور منتقل می‌شوند و دستورات کنترلی نیز از طریق گیت‌وی‌ها به ادوات رسانده می‌شوند. ادوات به صورت بی‌سیم و در فرکانس رادیویی LoRa به ارسال داده به گیت‌وی‌ها می‌پردازند. گیت‌وی‌ها نیز از طریق اترنت و یا شبکه سلولار به سرور (یا اَبر) متصل می‌شوند. برای استفاده از داده‌های ذخیره شده در سرور نیز سرورهای مربوط به کاربردهای مختلف داده‌های مربوط به خود را از سرور شبکه دریافت می‌کنند.

شکل 1: نمایی از نحوه اتصالات در LoRaWAN

ماهواره‌های LEO: ماهواره‌ها در یک شبکه‌ی ماهواره‌ای LEO، در حقیقت نقاط دسترسی هستند و از این نظر شبکه‌ی ماهواره‌ای LEO مشابه LoRaWAN است. بنابراین، وقتی LoRaWAN با شبکه‌ی ماهواره‌ای LEO ترکیب می‌شود، ماهواره‌ها نقش گیت‌وی‌ها در LoRaWAN را بازی می‌کنند، که وظیفه به دست آوردن داده‌ی اداوات و  عملیات کنترل دستیابی را به عهده دارند. در شکل 2، معماری شبکه اینترنت اشیاء ماهواره‌ای مبتنی بر LoRaWAN نشان داده شده است. همان‌طور که در این شکل نشان داده شده است، ادوات اینترنت اشیاء به مودمی که به دیش ارسال کننده به ماهواره وصل است، متصل می‌شوند. ماهواره‌ها نیز به کمک ایستگاه‌های زمینی (هاب) به سرور متصل می‌شوند. در نتیجه ادوات اینترنت اشیاء از طریق ماهواره داده‌های خود را به سرورها ( یا ابر) می‌رسانند و سرورهای کاربرد و همچنین کاربران می‌توانند از داده‌های ذخیره شده استفاده نمایند.

شکل 2: معماری شبکه اینترنت اشیاء ماهواره‌ای مبتنی بر LoRaWAN

ساختار معماری هیبریدی اینترنت اشیاء مبتنی بر شبکه‌های ماهواره‌ای و زمینی: ادغام شبکه‌های زمینی^[8] و شبکه‌های ماهواره‌ای یا شبکه‌های فضایی^[9] راه‌حل مناسبی برای ارائه ارتباط مطمئن همه‌جایی و همه‌زمانی است که این ارتباط برای اتصال ادوات اینترنت اشیاء بسیار مناسب است. ادغام شبکه‌های زمینی و ماهواره‌ای در واقع باعث ایجاد یک شبکه یک‌پارچه، با پوشش وسیع می‌شود  و عملکرد شبکه به شدت بالا می‌رود؛ چراکه این شبکه‌ی یک‌پارچه هم مزیت‌های شبکه‌های ماهواره‌ای را دارد و هم از مزیت‌های شبکه‌های زمینی بهره می‌برد. بنابراین بهتر است برای پشتیبانی از ادوات اینترنت اشیاء که در مناطق دورافتاده هستند و یا غیرقابل دسترسی توسط شبکه‌های زمینی هستند، از شبکه ماهواره‌‌ای LEO استفاده گردد [4]. همچنین، شبکه‌ی ماهواره‌ای می‌تواند در زمان بلایای طبیعی نظیر سیل و زلزله پاسخ‌گوی ادوات اینترنت اشیاء باشد در حالی‌که در این مواقع شبکه‌های زمینی ممکن است آسیب‌های جدی ببینند.

چالش‌های پیش‌رو برای ادغام شبکه‌ی ماهواره‌های LEO و LoRaWAN

تاکنون مزیت‌های ادغام دو شبکه ماهواره‌ای و LoRaWAN بیان گردید. در این بخش به بررسی چالش‌هایی که در ترکیب شبکه‌های مذکور وجود دارد، پرداخته می‌شود.

چالش اول) سنکرون‌سازی

در LoRaWAN زمان مورد نیاز برای اتمام فریم ارسالی و باز کردن فریم دریافتی حداقل یک ثانیه است. بسته به شرایط محیطی، زمان ارسال و دریافت فریم‌ها بین ادوات اینترنت اشیاء و گیت‌وی ممکن است تغییر کند. حال زمانی که از ماهواره استفاده می‌شود، با این تنظیم‌های زمانی که در گیت‌وی برای سیگنال‌های زمینی در نظر گرفته شده است، ممکن است گیت‌وی قادر نباشد به موقع روی لینک ماهواره‌ای سیگنال‌ ارسال و دریافت کند و سنکرون‌سازی آن تحت تاثیر قرار بگیرد. لذا پارامترهای LoRaWAN باید مجددا برای شرایط لینک‌های ماهواره‌ای تنظیم شود تا از ارسال و دریافت موفق سیگنال اطمینان پیدا شود.

چالش دوم) انتخاب مناسب گیت‌وی LoRaWAN و حذف سیگنال‌های تکراری

با توجه به استاندارهای پیاده‌سازی شده در LoRaWAN، تمام گیت‌وی‌هایی که در یک ناحیه هستند، سیگنال‌های داده‌ی یک دستگاه اینترنت اشیاء را دریافت می‌کنند. حال اگر تمام این گیت‌وی‌ها، داده‌ی دریافتی از یک دستگاه را برای ماهواره ارسال کنند، نسخه‌های بسیاری از یک داده به دست خواهد آمد که موجب اتلاف پهنای باند می‌شود و تاخیر زیادی نیز ایجاد می‌شود. بنابراین اگر برای هر یک از ادوات اینترنت اشیاء، گیت‌وی مناسبی بسته به میزان تداخل و شرایط کانال انتخاب شود، مطمئنا چالش دریافت نسخه‌های متعدد از داده‌های یک دستگاه مرتفع خواهد شد.

چالش سوم) بهینه‌سازی بین لایه‌ای

از آن‌جایی که سیگنال‌های ارسالی و دریافتی در LoRaWAN با فرمت MQTT غالب‌بندی می‌شوند، ممکن است در ارتباط ماهواره‌‌ای، حالت برست^[10] رخ دهد و این نوع غالب‌بندی جواب‌گو نباشد. لذا نیاز است برای ارتباط بین‌لایه‌ای از غالب بندی مناسب که در ارتباطات ماهواره‌ای هم بهینه باشد، استفاده شود.

نتیجه‌گیری

در این مقاله، معماری‌های LoRaWAN در اینترنت اشیاء و شبکه‌ی ماهواره‌های LEO بررسی شد. یک معماری اینترنت اشیاء ماهواره‌ای مبتنی بر LoRaWAN ارائه گردید و درنهایت ادغام شبکه‌های ماهواره‌ای و LoRaWAN توضیح داده شد. همچنین، با چالش‌هایی که درنتیجه‌ این ادغام مواجه خواهیم شد، آشنایی حاصل شد.

منابع

[1] Z. Qu, H. Cao, Y. Cheng, S. Wu, and G. Zhang, “A LoRaWAN-based network architecture for LEO satellite internet of things,” IEEE International Conference on Consumer Electronics, Taiwan, 2019.

[2] Machina Research (Gartner), “Press release: Global internet of things market to grow to 27 billion devices, generating usd3 trillion revenue in 2025”, Gartner, IoT Forecast Tool, 2016. Available at: https://machinaresearch.com/news/press-release-global-internet-of-things-market-to-grow-to-27-billion-devices-generating-usd3-trillion-revenue-in-2025/

[3] M. D. Sanctis, E. Cianca, G. Araniti, I. Bisio, and R. Prasad, “Satellite communications supporting internet of remote things,” IEEE Internet of Things Journal, vol. 3, no. 1, pp. 113–123, Feb. 2016.

[4] L. Chaari, M. Fourati, and J. Rezgui, “Heterogenous LoRaWAN and LEO satellite networks: concepts, architectures and future directions,” Global Information Infrastructure and Networking Symposium (GIIS), 2019.

[5] M. R. Pallattella, and N. Accettura, “Enabling internet of everything everywhere: LPWAN with satellite backhaul,” Global Information Infrastructure and Networking Symposium (GIIS), 2019.

---

پی‌نوشت

[1] Internet of Things

[2] Low Power Wide Area Networks

[3] Low Earth Orbit

[4] Long Term Evolution-Machine Type Communication

[5] enhanced Machine Type Communication

[6] Narrow Band- Internet of Things

[7] Long Range (LoRa)

[8] Terrestrial networks

[9] Space Networks

[10] burst