فناوری اطلاعات

حمایت LTE از اینترنت اشیا

منبع: ماهنامه شبکه
اینترنت اشیا از تجسم به واقعیت تبدیل شده است. نحوه زندگی مردم در حال تغییر است و تا چند سال آینده دنیای بدون اینترنت اشیا دیگر قابل تصور نخواهد بود.
 
اکنون تجارت دنیا تحت تأثیر قرار گرفته است و ابداعات در سخت‌افزارها و سرویس‌ها باعث درآمدزایی می‌شود. بسیاری از اپراتورها سرمایه‌گذاری اختصاصی در زمینه اینترنت اشیا و ارتباطات ماشین به ماشین تدارک دیده‌اند. از لحاظ فنی، شبکه‌های سلولی سنتی مناسب اینترنت اشیا نیستند و نیاز به تغییراتی احساس می‌شود. بنابراین، در نسخه‌های جدید 3GGP فناوری‌های جدیدی ارائه شد که به درخواست اشیا برای نرخ انتقال پایین پاسخ داده شده است. در این فناوری‌ها که از پهنای باند بسیار کمی بهره می‌برند، تمرکز روی هزینه کم، پوشش در مناطق داخلی و عمر باتری زیاد قرار گرفته است. در مقاله پیش ‌رو، به دلایل وجود و جزئیات فناوری‌های نوظهور در LTE می‌پردازیم.
 
چشم‌انداز اینترنت اشیا
 
اینترنت اشیا انقلاب بعدی در اکوسیستم تلفن همراه است و خدماتی که ارائه می‌کند به‌عنوان محرک کلیدی در رشد شبکه‌های سلولی (موبایلی) محسوب می‌شود. اینترنت اشیا به ‌طور گسترده شبکه‌ای است که از اتصال اشیای فیزیکی، ماشین‌ها، وسایل نقلیه، ساختمان‌ها و دستگاه‌های دیگر به وجود آمده است. این اشیای مختلف باعث ارائه سرویس‌های زیادی در صنایع، خانه‌ها، شهرها و تجارت می‌شوند. پیش‌بینی می‌شود که با پیشرفت اشیا، بازار مربوط به آن چند تریلیون دلار رشد داشته باشد. طبق پیش‌بینی Machina Research که در ماه‌می 2015 ارائه شد، حدود 30 میلیارد دستگاه در سال 2025 به اینترنت متصل می‌شوند که از این مقدار شبکه‌های سلولی مانند 2G، 3G، 4G و همچنین ماژول‌های LPWA سهم 7 میلیاردی دارند.
 
شکل 1 - پیش‌بینی درباره آینده اینترنت اشیا​
 
شبکه‌های LPWA (سرنام Low Power Wide Area) شبکه‌هایی هستند که در آن دستگاه‌ها باید مصرف توان، مصرف پهنای باند و تحرک کمی داشته باشند. فناوری‌های زیادی برای این شبکه‌ها ارائه شده است که در حالت کلی به دو دسته تقسیم می‌شوند. در یک سو فناوری‌های اختصاصی LPWA (مثل LoRa و SigFox) هستند که غالباً در طیف فرکانسی آزاد عمل می‌کنند و در طرف دیگر استانداردهای 3GPP که معمولاً در طیف فرکانسی مجوزدار به کار گرفته می‌شوند. ارتباطات در محدوده کوتاه و ثابت در اکثر اتصالات استفاده می‌شوند. این نوع ارتباطات در حال حاضر بیشترین سهم را دارند و در سال‌های آتی نیز رشد بیشتری نسبت به سایر ارتباطات خواهند داشت.
 
شبکه‌های بی‌سیم و اینترنت اشیا
یکی از پلتفرم‌های جذاب برای پاسخ‌گویی به اتصالات اینترنت اشیا شبکه‌های سلولی هستند. در کنار رشد شبکه‌های دیگر، هنوز تعداد زیادی از ارتباطات همان ارتباطات سلولی اینترنت اشیا هستند. معمولاً این نوع ارتباطات به کمک فناوری ماشین به ماشین انجام می‌شود. ارتباط ماشین به ماشین ارتباطی است که در آن دستگاه‌ها بدون دخالت انسان داده‌هایشان را مبادله می‌کنند. این کار ممکن است بین دو دستگاه یا بین یک دستگاه و یک سرور باشد. شکل 2 برخی از استفاده‌های اینترنت اشیا که توسط شبکه‌های سلولی قابل انجام است را نشان می‌دهد.
 
شکل 2 - کاربردهای اینترنت اشیا در شبکه‌های سلولی​
 
یکی از مشکلاتی که بر سر راه اینترنت اشیا وجود دارد، این است که گستره وسیعی از اپلیکیشن‌ها را در بر می‌گیرد و این اپلیکیشن‌ها نیازمندی‌های متفاوتی با یکدیگر دارند، از جمله در پردازش و نوع اتصال. برای مثال، ممکن است دستگاهی نیاز به یک ارتباط کوتاه‌بورد داشته باشد تا به یک اکسس‌پوینت متصل شود، مانند بیشتر دستگاه‌هایی که برای محیط خانگی گسترش یافته‌اند و در مقابل اپلیکیشن‌هایی نیاز به بورد بیشتر و محدوده پوشش گسترده دارند. به‌علاوه اتصال اشیا به یکدیگر نیازمند سازگاری فناوری‌های ناهمگون با یکدیگر است. شکل 3 به‌صورت خلاصه چند فناوری بی‌سیم را نشان می‌دهد که نیازمندی‌های متفاوتی دارند.
 
LTE در خدمت اینترنت اشیا
LTE اکنون در سراسر جهان قابل دسترس است و سریع‌ترین استاندارد موجود به شمار می‌رود. انتظار داریم پوشش این فناوری در دنیا تا سال 2021 به 75 درصد برسد. LTE از نسخه 8 (release 8) استانداردهای 3GPP با هدف افزایش کارایی نسبت به نسل سوم ارائه شد. همچنین، LTE-A (نسخه 10، 11 و 12) با هدف افزایش گذردهی در حد گیگابیت گسترش پیدا کرد و سپس نسخه 13 استاندارد 3GPP به همراه فناوری کم‌پهنا که مناسب اینترنت اشیا است، معرفی شد. همان طور که گفته شد، در شبکه‌های LPWA فناوری‌هایی نیاز است که با حداقل استفاده از منابع نیاز اشیا را فراهم کنند. در نسخه 13 از LTE دو فناوری به‌نام‌های eMTC و NB-IoT معرفی شدند که به ساخت دستگاه با قیمت پایین، مصرف توان بسیار کم و کاهش پیچیدگی کمک می‌کنند. گفتنی است هر دو فناوری طوری ساخته شده‌اند که با LTE-A دستگاه‌ها و طیف‌های فعلی سازگاری داشته باشند.(شکل 4)
 
eMTC که با نام LTE Cat-M1 نیز شناخته می‌شود، بیشترین پهنای باند برای یک دستگاه LPWA را فراهم می‌کند و برای ارسال‌های بی‌درنگ و اپلیکیشن‌های تلفن همراه مناسب است. همچنین، قابلیت پشتیبانی از صوت و رومینگ در طیف فرکانسی 4G را دارد. تمرکز فناوری NB-IoT یا LTE Cat-NB1 روی نرخ انتقال بسیار پایین به‌منظور کوچک‌تر کردن دستگاه و کم کردن هزینه ساخت است. این فناوری هم در طیف فرکانسی 4G و هم در طیف فرکانسی 2G کار می‌کند و برای حسگرها مناسب است. NB-IoT تنها از 200 کیلوهرتز پهنای باند استفاده می‌کند تا به نرخ انتقال چند ده کیلوبیت بر ثانیه دست پیدا کند.
 
شکل 3 - ناهمگونی شبکه‌های بی‌سیم
 
شکل 4 - مقیاس‌پذیری LTE در مقابل نیازهای مختلف​
 
پهنای باند 200 کیلوهرتزی در NB-IoT به سه شکل می‌تواند وجود داشته باشد: در حالت Guard-band از فضاهای خالی فرکانسی که برای جلوگیری از تداخل قرار داده می‌شود، استفاده می‌کند. در حالت In-band از همان طیف فرکانسی که در LTE اختصاص داده شده است، بهره می‌گیرد و در حالت Standalone از یک طیف فرکانسی اختصاصی استفاده می‌کند. (شکل 5)
 
تأثیرات NB-IoT و eMTC
فناوری‌های جدید کم‌پهنا که برای اینترنت اشیا به وجود آمده‌اند و پیش‌نیاز 5G هستند، چهار حوزه کلی را در اینترنت اشیا بهبود داده‌اند: کاهش پیچیدگی، افزایش عمر باتری، پوشش بیشتر و پشتیبانی از تعداد دستگاه‌های بیشتر.
 
کاهش پیچیدگی به‌منظور کم کردن هزینه دستگاه
به‌دلیل تفاوت در کاربرد و تعداد دستگاه‌های اینترنت اشیا با سایر دستگاه‌ها نظیر گوشی‌های همراه و تبلت‌ها هزینه‌ها باید به حداقل برسند. در حال حاضر، هدف صنعت برای قیمت هر ماژول کمتر از 5 دلار است. برای کم کردن هزینه‌ها در فناوری‌های جدید پیچیدگی کاهش یافته است. در شکل 6 تفاوت سه فناوری از خانواده LTE را مشاهده می‌کنید. (شکل 6)
 
نرخ انتقال هم در Cat-M1 و هم در Cat-NB1 نسبت به LTE عادی کمتر شده است. در Cat-M1 نرخ انتقال در هر دو مسیر به 1 مگابیت بر ثانیه و در Cat-NB1 این مقدار به چند ده کیلو بیت بر ثانیه محدود شده است. کاهش در نرخ انتقال نیاز به حافظه و پردازش کمتری دارد و بدین نحو در سخت‌افزار صرفه‌جویی می‌شود.
 
شکل 5 - حالت‌های مختلف NB-IoT​
 
پهنای باندی که در LTE پشتیبانی می‌شود متغیر است. در Cat-M1 به دلیل اینکه نرخ پایین‌تری نیاز داریم، از 1.4 مگاهرتز پهنای باند استفاده می‌شود ( 1.08 به‌علاوه محافظ بین باندها). در Cat-NB1 دستگاه از 200 کیلوهرتز استفاده می‌کند (180 کیلوهرتز به‌علاوه محافظ بین باندها).
آنتن‌های چندگانه برای افزایش کارایی در LTE ارائه شدند. با وجود این، برای کاهش پیچیدگی در دستگاه‌های اینترنت اشیا از تک‌آنتن‌ها استفاده می‌شود.
 
حالت Duplex نشان می‌دهد که هم‌زمان توانایی ارسال و دریافت وجود دارد یا خیر. در اینترنت اشیا به‌دلیل اینکه ارسال و دریافت کمتری وجود دارد، می‌توان برای کاهش پیچیدگی و هزینه از حالت Half duplex استفاده کرد که در یک زمان داده فقط در یک جهت انتقال یابد.
توان ارسالی برای کاهش هزینه‌ها از 23 dBm (200 میلی وات) به 20 dBm (100) رسیده است.
 
بهینه کردن توان مصرفی برای دوام چند ساله باتری
تقریباً تمام دستگاه‌ها در اینترنت اشیا باتری دارند. تلفن‌های همراه و به‌ویژه گوشی‌های هوشمند طوری طراحی شده‌اند که به‌صورت مداوم شارژ شوند، اما در مقابل اکثر دستگاه‌های اینترنت اشیا باید برای مدت طولانی دوام داشته باشند. برخی دستگاه‌ها در جاهایی قرار می‌گیرند که هرگز نمی‌توان باتری آنها را مجدد شارژ کرد (مثلاً در دهانه آتشفشان) و باید طوری طراحی ‌شوند که با یک بار شارژ برای چند سال دوام داشته باشند. بنابراین، یکی از چالش‌های اساسی دوام بیشتر شارژ باتری است. خوشبختانه فناوری‌های جدیدی ارائه شده‌‌اند که علاوه‌بر کم کردن توان مصرفی پیچیدگی را نیز کاهش داده‌اند. حالت ذخیره انرژی (PSM) و دریافت ناپیوسته (eDRx) بهبودهایی هستند که در هر دو فناوری NB-IoT و eMTC قابل پیاده‌سازی هستند.
 
شکل 6 - مقایسه سه فناوری LTE
 
PSM: این حالت به دستگاه اجازه می‌دهد کمتر از گذشته فعال باشد و زمان بیشتری را در حالت خواب سپری کند. با این حال، دستگاه در این حالت دیگر در دسترس نخواهد بود. مزیت دیگر این است که وقتی دستگاه مراحل شناسایی به شبکه را انجام می‌دهد، در حالت PSM همچنان شبکه دستگاه را می‌شناسد و بعد از اینکه از این حالت خارج می‌شود، نیاز به انجام مراحل شناسایی نیست. این حالت بیشتر برای دستگاه‌هایی کاربرد دارد که به‌صورت دوره‌ای در زمانی مشخص اطلاعاتی را به شبکه ارسال می‌کنند (مانند اندازه‌گیری هوشمند).
 
eDRx: در این حالت وقتی دستگاه به شبکه متصل است، هر 10.24 ثانیه اطلاعات شبکه را دریافت می‌کند و در طول این مدت به خواب می‌رود. این زمان در LTE عادی برابر 1.24 ثانیه است. همچنین، در حالت غیرفعال اطلاعاتی که از طرف شبکه (به‌منظور موقعیت‌یابی و Paging) فرستاده می‌شود، هر 40 دقیقه یک بار بررسی و بدین ترتیب در مصرف باتری صرفه‌جویی می‌شود.
 
 
پوشش بیشتر برای دسترسی به مناطق خاص
در فناوری‌های جدید بهبودهایی برای افزایش ناحیه تحت پوشش داده شده است. با این بهبودها نرخ پوشش در NB-IoT ده برابر و در eMTC هفت برابر شده است.
 
بهبود شبکه در LTE برای پشتیبانی از تعداد دستگاه‌های بیشتر
تفاوتی که ترافیک اینترنت اشیا با ترافیک دستگاه‌های عادی دارند در این است که حجم اطلاعاتی که ارسال می‌کنند معمولاً بسیار کم است. در مقابل، تعداد دستگاه‌های آن بسیار زیاد است و درضمن رشد بیشتری هم دارد. در LTE برای پشتیبانی بهتر تغییراتی صورت گرفته است که کنترل سیگنال یکی از این موارد است. زمانی که شبکه شلوغ است، برای جلوگیری از ارسال سیگنال‌های غیرضروری مکانیسم‌هایی ارائه شده است. از جمله این‌ها EAB است که در این مکانیسم تا زمانی که شبکه اجازه نداده است، هیچ دستگاهی حق ندارد به‌سمت شبکه سیگنالی ارسال کند و به شبکه متصل شود. به‌علاوه گروه‌بندی برای ارسال پیام‌ها یکی از روش‌هایی است که سربار سیگنال‌ها را کاهش می‌دهد.
 
 
سخن آخر
با وجود تمام مشکلاتی که بر سر راه اینترنت اشیا وجود دارد، به نظر می‌رسد فناوری‌های NB-IoT و eMTC تا حد زیادی توانسته‌اند بر این مشکلات غلبه کنند. استفاده از بخش کوچکی از پهنای باند ایده‌ای هوشمندانه است که علاوه‌بر فراهم کردن نرخ داده مناسب، در توان مصرفی و کاهش هزینه‌ها نیز تأثیر فراوانی داشته است. با این حال، هنوز در ابتدای کار قرار داریم و در ادامه راه 5G باید همچنان شاهد تغییراتی متناسب با مفهوم اینترنت اشیا باشیم.

​​