توسعه‌ اینترنت اشیاء با بهره‌گیری از ظرفیت ارتباطات ماهواره‌ای مبتنی بر نسل پنجم موبایل

فهرست:

ارتباطات ماهواره‌ای (Satcom[1]) اخیراً به‌عنوان یک محور تحقیقاتی جدید در زمینه‌ی فناوری‌های پیشرفته مطرح شده است. ارتباطات ماهواره‌ای  از زمان آغاز به‌کار خود، کاربردهای فراوانی از جمله پخش رسانه‌ای و سرویس‌دهی اینترنت پیدا کرده است. امروزه به‌دنبال تکامل زیرساخت‌های ارائه‌ی سرویس اینترنت، Satcom درحال گذراندن مرحله‌ی تحول است و طراحی سیستم‌های متمرکز روی داده‌ها را به‌همراه داشته است. نیاز به گسترش پوشش سرویس‌های مخابراتی در مناطق محروم (نظیر کشورهای درحال توسعه، پوشش‌دهی هوایی، دریایی و روستایی) از جمله انگیزه‌های سرمایه‌گذاری روی ارتباطات ماهواره‌ای است. علاوه براین، نقطه‌ی عطف نسل پنجم شبکه‌های ارتباطی (5G) یکپارچه‌سازی و همگرایی فناوری‌های متنوع سیمی و بی‌سیم است. که در این زمینه، Satcom ضمن هدف قرار دادن موارد استفاده‌ی خاص که می‌تواند از قابلیت‌های منحصر به فرد آن‌ها استفاده کند، راه را برای ادغام یکپارچه‌ی فناوری‌ها هموار می‌کند. این مقاله دستاوردهای ارتباطات ماهواره‌ای در توسعه‌ی اینترنت اشیاء و ارائه‌ اتصال 5G برای دستگاه‌های IoT را دنبال می‌کند.

چشم‌انداز بازار ارتباطات ماهواره‌ای 5G بر اساس نوع راه حل‌ها (Backhaul and tower feed، Trunking and head-End Feed، Communication on the Move، Hybrid Multiplay) مدار (GEO، MEO، LEO)، باند طیف (باندهای L و S، باندهای C و X، باندهای Ku و Ka)، سرویس (پهن باند موبایل، ارتباطات حیاتی دولتی و دفاعی، اینترنت اشیاء ماهواره‌ای)، کاربر نهایی (دفاعی، دولتی، تجاری، مصرف کننده) دسته‌بندی می‌شود. سرویس اینترنت اشیاء ماهواره‌ای در بازار ارتباطات ماهواره‌ای 5G موضوعی است که به بررسی آن خواهیم پرداخت [14].

جنبه‌های اجتماعی، سیاسی و کاریِ زندگی ما، تغییر پیوسته‌ی جهان را به‌همراه داشته است. اهمیت ارتباطات موبایلی بر همه‌گان روشن است. با فناوری‌های نوظهور 5G و IoT شاهد تغییرات شدید در افق آینده‌ی جهان هستیم. جوامع امروزی در شهرهای بسیار هوشمندانه زندگی می‌کنند. حفظ سلامتی از طریق فناوری‌های پوشیدنی، تمایل به کار در سیستم‌های حمل‌ونقل و هوانوردی خودکار، گرایش به کشاورزی و صیّادی هوشمندانه محیط امن‌تری را برای زندگی به‌دنبال دارد. به دنبال توسعه‌ی این فناوری‌ها و با رقابت دائمی جهانی برای توسعه و داشتن بهترین فناوری، کمیته ارتباطات فدرال آمریکا (FCC[8]) توافق‌نامه‌ای با SpaceX برای ساخت منظومه‌ای متشکل از 12000 ماهواره ارتباطی در مدار پایین زمین در پروژه‌ای به‌نام “Starlink” تنظیم کرد که از آنتن‌های آرایه‌ی فازی برای دانلود و آپلود کم تاخیر و پهنای باند بالا بهره می‌برد [3].

شبکه‌های ارتباطی زمینی عمدتاً متمرکز بر کاربران در مناطق شهری هستند و برای پوشش‌دهی مناطق با دسترسی محدودتر نظیر کوه‌ها، بیابان‌ها و اقیانوس‌ها عملکرد ضعیفی دارند. ماهواره‌ها را می‌توان برای گسترش پوشش شبکه‌های زمینی نسل پنجم مورد بهره‌برداری قرار داد. با این حال محدودیتی که ماهواره‌ها با آن روبرو هستند، تاخیر زیاد و نرخ داده‌ی نسبتاً پایین آن‌ها است. به این ترتیب، ادغام اجزاء زمینی و ماهواره‌ای به‌طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است تا از مزایای هر دو فناوری استفاده شود و پوشش پهنای باند یکپارچه را امکان‌پذیر سازد. با توجه به تفاوت‌های قابل توجه بین ارتباطات ماهواره‌ای (SatComs) و ارتباطات زمینی (TerComs[9]) از لحاظ پدیده‌هایی نظیر محوشدگی کانال[10]، تأخیر انتقال، قابلیت تحرک و پوشش‌دهی آن‌ها، ایجاد یک شبکه‌ی کارآمد ماهواره‌ای-زمینی (HSTN[11]) هنوز با چالش‌های زیادی مواجه است. به‌منظور روشن‌تر شدن موضوع، HSTN ترکیبی از مدل‌های پایه‌ای درنظر گرفته می‌شود که به دور از مدل‌سازی‌های پیچیده‌ی آن در مقیاس‌ بزرگ، شامل ویژگی‌های اصلی ادغام ارتباطات ماهواره‌ای- زمینی است.

ارتباطات ماهواره‌ای مدار پایین (LEO[12]) با ارائه پوشش جهانی، به ویژه در محیط‌های با مشکل دسترسی مانند دریاهای آزاد، کوه‌ها و بیابان‌ها، نقش مهمی در کمک به تکمیل ارتباطات زمینی ایفا می‌کند. بازار جهانی ارتباطات ماهواره‌ای اینترنت اشیاء، با توسعه و رشد اتصال بی‌سیم 5G هدایت می‌شود. سرمایه‌گذاری قابل توجه در بازار ماهواره‌های مدار LEO عامل مهمی است که باعث رشد بازار ارتباطات ماهواره‌ای اینترنت اشیاء می‌شود. این سرمایه‌گذاری‌ها ضمن بهره‌مندی از هزینه‌ی کم، مکانیک‌های پیشرفته، سازگاری، سادگی مونتاژ و راه‌اندازی، تولید انبوه و چرخه‌ی عمر کوتاه، باعث رشد بازار در سال‌های آینده خواهند شد.

اینترنت اشیاء ماهواره‌ای به استفاده از شبکه‌ها و خدمات ارتباطی ماهواره‌ای برای اتصال حسگرهای اینترنت اشیاء زمینی و گره‌های انتهایی اینترنت اشیاء به یک سرور (به عنوان مثال، در یک ابر عمومی یا خصوصی)، به عنوان جایگزینی برای شبکه‌های ارتباطی زمینی اشاره دارد. بازار ارتباطات ماهواره‌ای اینترنت اشیاء براساس نوع ارتباط مدار (مدار پایین زمین(LEO)، مدار زمین متوسط (MEO[13]) و مدار زمین ثابت (GEO[14])) تقسیم‌بندی می‌شود. منظومه‌ی مدار پایین زمین به‌طور بالقوه راه حلی جذاب برای گسترش اتصال 5G به مناطق دور افتاده و محروم است که در آن پوشش زمینی وجود ندارد. تنها حدود 10 درصد از سطح زمین به خدمات اتصال زمینی دسترسی دارد که فرصت عظیمی را برای ارتباطات ماهواره‌ای اینترنت اشیاء ایجاد می‌کند. مدار LEO برای ارتباطات کم مصرف و تلفات انتشار سیگنال کم‌تر مناسب است. نیازهای برق تجهیزات کاربر را کاهش می‌دهد و آن را برای تماس با دستگاه‌های IOT کم مصرف ایده‌آل می‌کند. امروزه بیشتر ماهواره‌های LEO برای اینترنت اشیاء با استفاده از فناوری CubeSat ساخته می‌شوند که به شرکت‌ها اجازه می‌دهد قطعات را به‌صورت انبوه تولید کنند و قطعات تجاری را عرضه کنند و هزینه و زمان طراحی و توسعه ماهواره‌ها را به شدت کاهش دهند. ماهواره‌های LEO به دلیل سازگاری، مقرون به صرفه بودن، مکانیک‌های پیشرفته و سهولت مونتاژ و پرتاب، سرمایه‌گذاری قابل توجهی را از بازیگران اصلی جذب می‌کنند. این ماهواره‌ها چرخه‌ی عمر کوتاهی دارند و به تولید انبوه می‌رسند. تقاضای قابل توجهی برای اینترنت کم هزینه و پرسرعت در بخش‌های دولتی و تجاری مانند خرده‌ فروشی، بانکداری، نفت و گاز وجود دارد. همچنین نیاز به دسترسی به اینترنت در مناطق روستایی میان مصرف کنندگان فردی در کشورهای مختلف، سرمایه‌گذاری در منظومه‌ی LEO را به همراه داشته است. بعلاوه کاربرد ماهواره‌های LEO در ارتباطات نوری فضایی به دلیل پیشرفت‌های سریع در فناوری پرتو لیزر گسترش یافته است.

اینترنت اشیاء (IoT) با نظارت از راه دور ساده بر سیستم‌هایی نظیر دستگاه‌های فروش خودکار و یخچال‌های هوشمند نسل اول آغاز شد. امروزه این فناوری به سوی خودروهای کاملاً متصل، شبکه‌های هوشمندی که کل شهرها و کشورها را در بر می‌گیرند و سلامت از راه دور برای عصر جدیدی از مراقبت‌های بهداشتی و سلامتی حرکت کرده است. پیش‌بینی‌ها حاکی از وجود 75 میلیارد دستگاه متصل به اینترنت اشیاء تا سال 2025 است که تقریباً سه برابر این تعداد در سال 2019 است.

اولین ماهواره 5G جهان متعلق به شرکت Sateliot توسط SpaceX برای ارائه پوشش در مناطق با پوشش‌ اینترنت اشیاء ضعیف به مدار ارسال شد. این ماهواره اسپانیایی با نام “The ground break” اولین ماهواره استاندارد 5G است که به مدار پایین زمین ارسال می‌شود [16].

موشک SpaceX Falcon 9 ماهواره‌ی “The ground break” را در یک ماموریت مشترک با شرکت اسپانیایی Sateliot از منطقه نیروی فضایی وندنبرگ کالیفرنیا به فضا پرتاب کرد. این اولین ماهواره با استاندارد 5G در مدار پایین زمین و اولین قطعه از یک صورت فلکی آینده متشکل از 250 نانو ماهواره است. به طوری‌که هدف آن ارائه اتصال 5G از فضا برای دستگاه‌های اینترنت اشیاء ضمن برقراری ارتباط سراسری با برج‌های سلولی زمینی که است. سازنده‌ی این ماهواره یعنی شرکت Sateliot اپراتور شبکه صورت فلکی نیز خواهد بود. این شرکت مستقر در بارسلون معتقد است با پرتاب این قبیل ماهواره‌ها دسترسی به اینترنت اشیاء در سراسر جهان آسان‌تر خواهد شد [16,17].

اینترنت اشیاء همان ارتباط بین اشیاء و تجهیزات مستقر در اطراف است. این اشیاء با اتصال به اینترنت امکان کنترل از طریق تلفن همراه و یا تبلت‌ها را خواهند داشت. شرکت Sateliot معتقد است با راه‌اندازی ارتباط بین اشیاء، یک شبکه‌ی منسجم ایجاد می‌شود که می‌تواند در آینده باعث افزایش امکانات این دستگاه‌ها شود. به این ترتیب کاربران می‌توانند از شبکه‌های زمینی به شبکه‌ی غیر زمینی تغییر وضعیت دهند [16,17].

این ماهواره دارای یک ماژول یکپارچه است که اتصال مستقیم به دستگاه‌های NB-IoT را فراهم می‌کند. هر دستگاه اینترنت اشیاء با پشتیبانی 5G که با استاندارد Rel-17 NTN به‌روز شده باشد می‌تواند به فناوری 5G ارائه شده توسط ماهواره متصل شود [16,17].

شبکه‌ 5G، مسیر تازه‌ای برای ورود برنامه‌های کاربردی اینترنت اشیاء در بسیاری از صنایع با موارد استفاده‌ی نوآورانه ایجاد کرده است. تأخیر کم و گستره‌ی شبکه‌های 5G به گونه‌ای است که در هر کیلومتر مربع، پشتیبانی 10 برابری از دستگاه‌ها را نسبت به 4G خواهد داشت. نسل چهارم شبکه‌ی موبایل قادر به برآورده ساختن نیازهای رو به رشد شبکه از خدمات ارتباطی جدید مانند اینترنت اشیاء نیست. به این ترتیب نسل پنجم شبکه‌های ارتباطی برای پر کردن این شکاف پیش بینی شده است. فناوری‌های دسترسی چندگانه‌ی غیرمتعامد (NOMA[15]) و ارتباطات ماهواره‌ای به عنوان فناوری‌های کلیدی برای دستیابی به شبکه‌های 5G شناسایی شده‌اند. بررسی‌های ارائه شده نشان داد که کاربرد NOMA در ارتباطات ماهواره‌ای 5G جلب توجه فراوانی به‌همراه داشته است [4,5].

پوشش سلولی موبایل درصد محدودی از کره‌ی زمین را در بر می‌گیرد. به همین علت توسعه‌دهندگان فناوری مجبورند راهکارهایی برای گسترش دامنه دسترسی خود فراتر از محدودیت‌های زیرساختی زمینی بیابند. این نیاز باعث شد تا شرکت‌های بیشتری به دنبال ارتباطات ماهواره‌ای برای پوشش فراگیرتر باشند. در نتیجه دسته‌ی جدیدی از اینترنت اشیاء -اینترنت اشیاء ماهواره‌ای (Satellite IoT)- ظهور کرد [18].

اکوسیستم‌ 5G یک روند کلیدی در ادغام یکپارچه‌ی شبکه‌های ماهواره‌ای و زمینی خواهد بود. ارتباطات ماهواره‌ای، مکمل شبکه‌های سلولی و غیرسلولی زمینی در مکان‌های دوردست است که استفاده‌های پرکاربرد صنعتی دارد. پیش‌بینی می‌شود که بازار جهانی ارتباطات ماهواره‌ای 5G در دوره‌ی پیش‌بینی، یعنی سال‌های 2023 الی 2028، با نرخ رشد مرکب سالیانه (CAGR[16])  حدود 28.91 درصد رشد کند. این بازار عمدتاً با ادغام فناوری‌های پیشرفته مانند اینترنت اشیاء (IoT)، هوش مصنوعی (AI) و فناوری‌های مستقل در ارتباطات ماهواره‌ای 5G در برنامه‌های مختلف در بخش‌هایی مانند دفاعی، دولتی، کالاهای مصرفی، انرژی و آب و برق، و بسیاری دیگر برای ارائه‌ی اتصال بهتر در زیرساخت شبکه‌ی فعلی همراه خواهد بود. علاوه بر این از آنجاییکه این فناوری‌ها برای اجرای عملیاتی موثر و بدون وقفه، به یک شبکه‌ی گسترده و ایمن از اتصالات نیاز دارند، تقاضا برای ارتباطات ماهواره‌ای 5G به‌طور قابل توجهی درحال افزایش است. به‌طور مشابه، تعداد مشترکان اتصال اینترنت اشیاء ماهواره‌ای در سال جاری از 5 میلیون نفر گذشت و پیش‌بینی می‌شود در پنج سال آینده به 21 میلیون نفر برسد .[6,15]

انگیزه‌ی ارتباطات ماهواره‌ای از نیاز مبرم به اتصال جهانی برای دستگاه‌های اینترنت اشیاء (IOT) ناشی می‌شود. کسب و کارهای مختلفی درحال سرمایه‌گذاری در گسترش برنامه‌های کاربردی ارتباطات ماهواره‌ای هستند. با پیشرفت‌های فناوری، پیش‌بینی می‌شود بازار جهانی ارتباطات اینترنت اشیاء ماهواره‌ای به‌سرعت توسعه پیدا کند. به این ترتیب کسب‌وکار های زیادی از خدمات اینترنت اشیاء ماهواره‌ای برای نظارت و ردیابی تجهیزات برای انتقال هوشمند داده استفاده می‌کنند [6].

در دهه‌ی گذشته، شاهد انقلابی در صنعت فضایی بوده‌ایم. پیشرفت‌های مهم این فناوری، مانند پذیرش سریع فناوری CubeSat، موشک‌های با قابلیت استفاده‌ی مجدد و تکامل سریع ریزپردازنده‌ها، موانع رشد این صنعت را کاهش داده و دسترسی به بازار را برای بازیگران جدیدتر و کوچک‌تر امکان‌پذیر کرده است. بازار ارتباطات ماهواره‌ای اینترنت اشیاء بسیار رقابتی است و از چندین بازیگر اصلی مانند Astrocast، Inmarsat Technologies، Kepler Communications، Ligado Networks، Galaxy Space، Geely و بسیاری دیگر تشکیل شده است. این درحالیست که تنها برخی از بازیگران مهم درحال حاضر از نظر سهم بازار، بر بازار تسلط دارند .[6,7]

در گذشته‌های نه‌چندان دور، صنعت ماهواره در درجه اول بر روی خدمات تصویربردای مانند نظارت بر آب‌وهوا، پخش تلوزیونی یا خدمات موقعیت‌یابی مانند GPS[17] متمرکز بودند. تا همین اواخر، ماهواره‌ها به دلیل نرخ پایین داده، هزینه‌ها و تاخیر طولانی، برای کابردهای ارتباطی مناسب نبودند. از آنجاییکه برای استفاده از ماهواره در شبکه‌های 5G، تاخیر کم وقابلیت اطمینان بالا مورد نیاز است، پیشرفت‌های صنعت ماهواره‌های مدار پایین زمین، این امکان را فراهم می‌آورد. ماهواره‌های LEO نقش کلیدی در گسترش شبکه‌های 5G سلولی به هوا، دریا و سایر مناطق دورافتاده که تحت پوشش شبکه‌های سلولی کوچک نیستند، ایفا خواهند کرد. برای کاربر نهایی، ماهواره‌ها گسترش یکپارچه خدمات 5G را از شهرها به هواپیماها، کشتی‌های کروز و سایر وسایل نقلیه در مکان‌های دوردست ارائه می‌کنند [13].

توسعه‌ فناوری اطلاعات در دهه‌های گذشته، صنعت مخابرات و ارتباطات را دستخوش تحولات فراوانی کرده است. با رشد اقتصاد جهانی، ارائه‌دهندگان سرویس‌های مخابراتی چالش‌ها و فرصت‌های جدیدی را در این محیط دیجیتالی و رقابتی پیدا می‌کنند. شناخت درست بازیگران و عناصر صنعت مخابرات ماهواره‌ای، ضمن کاهش ریسک سرمایه‌گذاری، سودآوری بلندمدت را به‌دنبال خواهد داشت. ارتباطات ماهواره‌ای امروز عضو جدایی‌ناپذیر سیستم‌های مخابراتی شده است. ارتباطات ماهواره‌ای مبتنی بر سیستم‌های رادیویی، ارتباط میان دو نقطه روی زمین را بوسیله‌ی تجهیزات متحرک در مدار زمین ممکن می‌سازند. با رشد اینترنت، حجم بالایی از ترافیک اینترنت به کمک ماهواره‌ها انتقال می‌یابند. این موضوع سرویس دهندگان خدمات اینترنت را به یکی از بزرگ‌ترین مشتریان ارتباطات ماهواره‌ای بدل کرده است.

 این یک واقعیت است که در سال‌های آینده جایی برای کسب‌وکارهای غیر خلاقانه وجود ندارد. به این ترتیب، اهمیت شبکه‌های IOT و 5G به روشنی مشخص می‌گردد. ظهور نسل پنجم موبایل در ارتباطات سلولی و همچنین توسعه‌ی صنعت اینترنت اشیاء، توجه اپراتورهای موبایل را به خود جلب کرده‌اند. این واقعیت که بازیگران صنعت مخابرات، خود حاملان اتصال به اینترنت هستند، نشان می‌دهد که این صنعت نقش موثری در پیاده سازی و استقرار اینترنت اشیاء خواهد داشت.

شبکه‌های 5G به طور بالقوه می‌تواند پوشش سراسری را حتی بر روی اقیانوس‌ها و قطب‌ها فراهم کند. در مناطقی که درحال حاضر به شبکه‌های تلفن همراه متصل نیستند یا سرویس ضعیفی ارائه می‌شود، استفاده از ماهواره‌ها مبتنی بر ماهواره‌هایی که 5G را در مناطق دوردست فعال می‌کنند، بسیار مورد توجه قرار گرفته است.


پی‌نوشت

[1] Satellite Communication

[2] Non Terrestrial Networks

[3] Information and communications technology

[4] Internet-Of-Things

[5] Enhanced Mobile Broadband

[6] Ultra-reliable and low-latency communications

[7] Massive Machine-type Communications

[8] Federal Communications Committee

[9‌] Terrestrial Communications

[10] Channel Fading

[11] Hybrid satellite-terrestrial networks

[12] Low Earth Orbit

[13] Medium Earth Orbit

[14] Geostationary Orbit

[15] NoN Orthogonal Multiple access

[16] Compound annual growth rate

[17] Global Positioning System

مقالات مشابه

اینترنت اشیاء

دوقلوی دیجیتال؛ بازوی توانمندساز انقلاب صنعتی چهارم

علیرغم پیشرفت‌های شگرفی که در راستای تجزیه و تحلیل داده‌های پیچیده صورت گرفته است، همچنان بسیاری از رویکرد‌ها و برنامه‌ریزی‌های راهبردی سازمان‌ها توسط مدیران ارشد صنعت وابستگی قابل تأملی به

اینترنت اشیاء

فناوری‌ها و رویه‌های کلیدی در توسعه کاربردهای نوین

توسعه کاربردهای نوین حوزه فناوری اطلاعات و ارتباطات مانند متاورس نیازمند توسعه فناوری‌هایی همچون هوش مصنوعی است. درعین‌حال موتور محرک توسعه هوش‌مصنوعی، زیرساخت‌های شبکه‌های جدید مخابراتی 6G است. متاورس از

اینترنت اشیاء

نیروی کار تقویت‌شده متصل (ACWF) و انقلاب صنعتی پنجم

نیروی کار کنونی در حال حاضر با وجود رشد و توسعه گسترده فناوری اطلاعات به‌قدر کافی از این ابزارها برای ارتقای بازدهی عملکرد استفاده نمی‌کند. نیروی کار متصل تقویت شده

پیمایش به بالا