ما هو LPWAN: دليل كامل يجب أن تعرفه

ما هو LPWAN?

LPWAN (شبكة مساحة منخفضة الطاقة منخفضة) هي تقنية لاسلكية تربط الأجهزة على مسافات طويلة أثناء استخدام القليل من الطاقة. تساعد هذه التكنولوجيا الآلات والمستشعرات على مشاركة البيانات عبر المدن, المزارع, أو المصانع دون تغييرات متكررة للبطارية.

على عكس التقليدية Wi-Fi أو الشبكات الخلوية, يعمل LPWAN بشكل أفضل للأجهزة البسيطة التي ترسل كميات صغيرة من البيانات. إنه يعمل بشكل جيد في المناطق التي يصعب الوصول إليها مثل الأنابيب تحت الأرض, الحقول الريفية, أو المباني الطويلة.

كيف LPWAN يعمل?

تربط شبكة منطقة ذات طاقة منخفضة أجهزة مثل أجهزة الاستشعار والمتر على مسافات طويلة باستخدام موجات الراديو. تركز هذه الشبكات على توفير طاقة البطارية وتغطية المساحات الكبيرة. تقوم الأجهزة بإرسال حزم بيانات صغيرة (على سبيل المثال, “درجة حرارة: 25درجة مئوية”) مباشرة إلى بوابة مركزية في تصميم على شكل نجمة, تجنب الاتصالات المعقدة بين الأجهزة. لتوفير الطاقة, ينقلون لمدة تقل عن ثانية وتبقى غير نشطة 99% من الوقت, الاستيقاظ فقط عند الحاجة أو في جدول ثابت (على سبيل المثال, مرة واحدة في الساعة).

يحقق LPWAN تغطية طويلة المدى (10-40 كم في المناطق الريفية) باستخدام تقنيات الراديو الخاصة. بعض الأنظمة تنشر إشارات عبر ترددات متعددة (لوراوان), بينما يستخدم الآخرون شرائح ضيقة من موجات الراديو (إنترنت الأشياء (NB-IoT).). يمكن أن تدعم بوابة واحدة الآلاف من الأجهزة, مثل عدادات المياه أو أجهزة استشعار المزرعة, ل 5-10 سنوات على البطاريات الصغيرة. على عكس شبكة Wi-Fi أو الشبكات الخلوية, تعد شبكة منطقة ذات طاقة منخفضة مثالية لمهام إنترنت الأشياء البسيطة مثل تتبع الأصول أو بيئات المراقبة.

أنواع تقنيات LPWAN

لوراوان

لوراوان هي تقنية LPWAN مفتوحة المعتمدة على نطاق واسع باستخدام تعديل LORA لآخر طويل المدى, التواصل منخفض الطاقة. تعمل في نطاقات الطيف غير المرخصة, جعلها فعالة من حيث التكلفة للنشرات الخاصة في المناطق الريفية أو النائية, مثل الزراعة أو المراقبة البيئية. تتضمن المزايا الرئيسية تغطية استثنائية (حتى 15 كم في الإعدادات الريفية), استهلاك الطاقة منخفضة منخفضة, ومرنة, بنية الشبكة اللامركزية. لكن, معدلات البيانات المحدودة لها (0.3-50 كيلو بايت في الثانية), قابلية للتداخل في فرق مزدحمة غير مرخصة, والافتقار إلى التشفير الأصلي من طرف إلى طرف يمكن أن يقيد قابلية التوسع والأمن في تطبيقات حضرية أو مهمة كثيفة المهمة.

إنترنت الأشياء (NB-IoT).

إنترنت الأشياء (NB-IoT). (إنترنت الأشياء ضيق النطاق) هو معيار LPWAN الخلوي الذي طورته 3GPP, تعمل في الطيف المرخص للموثوقة, اتصال آمن. مصمم للقرطات, أجهزة data منخفضة مثل العدادات الذكية أو مراقبة المنفعة, يوفر تغلغلًا داخليًا عميقًا, ضمانات QOS قوية, والتكامل السلس مع البنية التحتية الخلوية الحالية. على الرغم من أنه يوفر موثوقية وأمانًا أعلى مقارنة بالبدائل غير المرخصة, تتحمل أجهزة NB-Iot تكاليف معتدلة, تعتمد على شبكات الناقل, وتفتقر إلى دعم التنقل أو البيانات عالية السرعة, مما يجعلها أقل ملاءمة لتطبيقات الهاتف المحمول أو تطبيقات الوقت الفعلي.

LTE-M

LTE-M (LTE كات-M1), تقنية خلوية أخرى 3GPP, يوازن معدلات البيانات الأعلى (~1 ميجابت في الثانية) مع انخفاض استهلاك الطاقة, مثالية لحالات استخدام إنترنت الأشياء المتنقلة مثل تتبع الأصول أو الأجهزة القابلة للارتداء. وهو يدعم ميزات مثل الاتصال الصوتي, تسليم البرج, وتحديثات البرامج الثابتة عبر الهواء (قدم), كل ذلك مع الاستفادة من شبكات LTE الحالية. على الرغم من أنه أكثر كفاءة في استخدام الطاقة من LTE التقليدي, فهو يستهلك طاقة أكثر من NB-IoT أو LoRaWAN ويتطلب تغطية خلوية متسقة, مما يحد من قدرتها على البقاء في المناطق النائية. التكاليف أيضًا أعلى من خيارات LPWAN غير الخلوية, لكن تعدد استخداماته يناسب نشر إنترنت الأشياء في المناطق الحضرية.

سيجفوكس

يعمل لدى SIGFOX تكنولوجيا النطاق الضيق للغاية في الطيف غير المرخص لتمكين التكلفة المنخفضة للغاية, أجهزة منخفضة التعقيد لتطبيقات مثل أنظمة الإنذار أو أجهزة الاستشعار البسيطة. بروتوكولها الخفيف ينقل حمولة صغيرة (حتى 12 بايت/يوم) على نطاقات طويلة, تحقيق سنوات من عمر البطارية مع الحد الأدنى من متطلبات الأجهزة. لكن, التواصل ثنائي الاتجاه المحدود لـ SIGFOX, الاعتماد على شبكة عالمية خاصة, وتغطية إقليمية متقطعة (بسبب تبعيات المشغل) تقييد استخدامه إلى الأساس, نقل البيانات النادرة. المنافسة من المعايير المفتوحة مثل LoRaWAN وLPWAN الخلوية تزيد من التحديات التي تواجه اعتمادها على المدى الطويل في النظم البيئية المتنوعة لإنترنت الأشياء.

مزايا LPWAN

تغطية كبيرة

أنظمة LPWAN تحقق نطاقات من 10-40 كم في المناطق الريفية و 2-5 كم في المدن باستخدام بوابة واحدة, يتفوق على Wi-Fi و بلوتوث. إشارات تخترق الهياكل الحضرية الكثيفة, مواقع تحت الأرض, والأراضي الزراعية النائية, تمكين الاتصال للأجهزة مثل أجهزة استشعار التربة في الزراعة أو عدادات المرافق في الطوابق السفلية.

كفاءة الطاقة العالية

تعمل الأجهزة على بطاريات صغيرة 5-10 سنوات عن طريق نقل البيانات في <1-الانفجارات الثانية والبقاء غير نشط 99% من الوقت. هذا التصميم "وضع السكون" يلغي بدائل البطارية المتكررة, جعل هذه التكنولوجيا مثالية للتركيبات التي يصعب الوصول إليها مثل أجهزة الاستشعار الخارجية أو ضوء الشوارع.

تكلفة منخفضة

إنه يقلل من النفقات مع 3-5 سنوات من رسوم الاتصال لكل الأجهزة والأجهزة الفرعية 10 دولارات. تقلل بروتوكولات البيانات الخفيفة الوزن من احتياجات تخزين السحابة, بينما تتجنب المعايير المفتوحة مثل LoRaWAN تقييد البائع. نشر تكاليف شبكة خاصة 70% أقل من البدائل الخلوية, مع عدم وجود بطاقات SIM أو رسوم ترخيص الطيف.

نشر مريح

التثبيت بوابات على الأبراج الموجودة, أسطح المنازل, أو lampposts بدون بنية تحتية معقدة. تم الحصول عليها مسبقًا وحداتها تسمح بتكامل التوصيل والتشغيل مع مستشعرات إنترنت الأشياء, وتوسيع نطاق الشبكات دون عناء - تدعم بوابة واحدة 10,000+ الأجهزة. المزارعون, المصانع, ويمكن للمدن إطلاق مشاريع تجريبية في أيام, ليس أشهر.

بعض عيوب LPWAN

قضايا الأمن

الأنظمة التي تستخدم الطيف غير المرخص (على سبيل المثال, لوراوان, سيغفوكس) اعتراض بيانات المخاطر أو الهجمات الخداع بسبب الترددات الراديوية المفتوحة. بينما تدعم البروتوكولات مثل LoRaWAN تشفير AES-128, تعطيل العديد من عمليات النشر بشكل افتراضي لتوفير الطاقة, ترك الأجهزة عرضة للأوامر المزيفة. LPWAN القائم على الخلوية (إنترنت الأشياء (NB-IoT)., LTE-M) يعتمد على أمن الناقل ولكن لا يزال يواجه مخاطر مثل استنساخ بطاقة SIM, كما رأينا في أ 2019 هجوم الروبوتات العالمي لإنترنت الأشياء.

محدود دأتا تفدية رأكل

يعطي LPWAN الأولوية للكفاءة على السرعة, وضع معدلات البيانات في 100 BPS (سيغفوكس) ل 50 KBPs (لوراوان). جهاز SIGFOX, على سبيل المثال, يمكن أن ترسل فقط 140 الرسائل يوميا (12 بايت كل), جعلها غير مناسبة للإنذارات في الوقت الحقيقي أو أنظمة متعددة المستشعرات. هذا يقيد حالات الاستخدام للقياس عن بعد الأساسي, باستثناء موجزات الصوت/الفيديو الحية أو الأتمتة الصناعية المعقدة.

لا قuitable ل حigh بودودة رما يتأثر

مصممة لحزم البيانات الصغيرة, تكافح الشبكة المنخفضة للسلطة المنخفضة مع عمليات نقل متكررة أو كبيرة. إرسال ملف 1 ميجابايت (على سبيل المثال, تحديث البرامج الثابتة) سوف يأخذ 4 ساعات على nb-it (50 KBPs) عكس 1 الثانية على 5G. تتطلب تطبيقات إنترنت الأشياء عالية النطاق الترددي مثل مراقبة الطائرات بدون طيار أو كاميرات أمنية 4K Wi-Fi 6 أو الشبكات الخلوية بدلاً من ذلك.

تطبيقات LPWAN

الرعاية الصحية الذكية

يتيح مراقبة المريض عن بُعد عن طريق نقل بيانات صحية حيوية بشكل آمن من أجهزة يمكن ارتداؤها وأجهزة الاستشعار الطبية لمقدمي الرعاية الصحية. يدعم استهلاكها المنخفض للطاقة التشغيل على المدى الطويل للأجهزة القابلة للزرع وأنظمة تنبيه الطوارئ, ضمان الرعاية المستمرة للحالات المزمنة والمرضى المسنين دون بدائل للبطارية المتكررة.

الزراعة الذكية

LPWAN يعمل على تحسين إدارة المحاصيل من خلال المراقبة في الوقت الفعلي لظروف التربة, أنماط الطقس, وأنظمة الري. يستفيد المزارعون من تغطيته الواسعة لتتبع الماشية وأتمتة ضوابط الدفيئة عبر المناطق الريفية الواسعة, تقليل نفايات المياه وتحسين العائد دون الاعتماد على البنية التحتية الخلوية.

صناعة إنترنت الأشياء

تعتمد مرافق التصنيع LPWAN للصيانة التنبؤية للآلات, المراقبة البيئية, وتتبع الأصول. تقاوم التكنولوجيا البيئات الصناعية القاسية أثناء توصيل الآلاف من أجهزة الاستشعار للكشف عن فشل المعدات, إدارة استخدام الطاقة, وتبسيط لوجستيات سلسلة التوريد بأقل تكاليف تشغيلية.

المدن الذكية

LPWAN يدفع الكفاءة الحضرية عن طريق ربط البنية التحتية مثل Smart Streetlights, أنظمة إدارة النفايات, ومتر فائدة. تقوم البلديات بنشرها لمراقبة جودة الهواء, السيطرة على إشارات حركة المرور, واكتشاف تسرب المياه على مستوى المدينة, تمكين القرارات القائمة على البيانات التي تخفض التكاليف وتعزيز الخدمات العامة.

المراقبة البشرية

في المهن عالية الخطورة, LPWAN يضمن سلامة العمال عن طريق نقل البيانات البيومترية في الوقت الحقيقي والمخاطر البيئية من الأجهزة القابلة للارتداء. يتيح تغلغلها من خلال مواد كثيفة التواصل الموثوق في مناطق البناء, مناجم, ومواقع الكوارث, تفعيل التنبيهات الفورية للسقوط, التعرض السام, أو حالات الطوارئ.

بديل لشبكة 2G/3G: LPWAN

بينما يقوم مقدمو خدمات الاتصالات بالتخلص التدريجي من شبكات 2G/3G للشيخوخة لتحديد أولويات 5G., تقنيات LPWAN مثل NB-IOIOT و LTE-M (CAT-M1) تظهر كخلفاء فعالين من حيث التكلفة مصممين لتلبية احتياجات إنترنت الأشياء. تعالج شبكات الجيل التالي هذه أوجه القصور الحرجة في 2G/3G-استهلاك الطاقة المفرط, كثافة الجهاز محدودة, وارتفاع التكاليف التشغيلية - مع الاحتفاظ بالتغطية الخلوية على مستوى البلاد.

يتطابق NB-IOIOT إلى نطاق 2G ولكنه يقلل من استخدام الطاقة بواسطة 90%, تمكين عمر البطارية لمدة عقد من الزمان لمترات الأدوات أو أجهزة تتبع الأصول. يدعم LTE-M الصوت والتنقل للتطبيقات مثل صناديق مكالمات الطوارئ أو مراقبة الأسطول, على عكس أجهزة 3G الثابتة. تعمل كلتا التقنيتين على البنية التحتية الحديثة 4G/5G, ضمان الامتثال لشبكة غروب الشمس العالمية.

الهجرة إلى LPWAN تخفض تكاليف الاتصال 60-80% مقارنة مع حلول 3G Legacy, مع بروتوكولات مبسطة تقلل من البيانات العامة. المتبنون المبكرين عمليات النشر المستقبلية في المستقبل مع الوصول إلى ميزات متقدمة مثل التحديثات المفرطة في الهواء والأمان السحابي الأصلي. ترقيات استباقية تقلل من اضطرابات الخدمة مثل شركات النقل مثل في&T و Vodafone تسريع الإغلاق 2G/3G من خلال 2025.

تاريخ موجز ل LPWAN

ظهرت في أواخر العقد الأول من القرن الحادي والعشرين استجابة لحاجة إنترنت الأشياء إلى التكلفة المنخفضة, اتصال طويل المدى, تطورت LPWAN من السلائف المبكرة مثل شبكات الإنذار في الثمانينات. كانت Sigfox رائدة في مجال LPWAN الحديث 2009 مع تكنولوجيا النطاق الضيق للغاية, بينما 2015 تم تمكين معيار LoRaWAN مفتوح المصدر, عمليات نشر خالية من الترخيص. المتغيرات الخلوية NB-IoT وLTE-M (2016) البنية التحتية للاتصالات الاستفادة, قيادة هيمنة الصين على إنترنت الأشياء ذات الحزمة الضيقة (NB-IoT) واعتماد تقنية LTE-M الغربية. ما بعد 2020, توسعت الشبكات الهجينة وتكاملات الأقمار الصناعية في التغطية, استبدال أنظمة 2G/3G التي تم التخلص منها تدريجياً. على الرغم من تراجع اللاعبين الأوائل مثل Sigfox, يدعم LPWAN الآن 1.3 مليار جهاز, مع NB-IoT وLoRa مما يؤدي إلى تحقيق هدف متوقع 3 مليار اتصالات بواسطة 2027.

مستقبل LPWAN

ومن المتوقع أن تصل إلى LPWAN 3 مليار اتصالات بواسطة 2027, مع احتفاظ NB-IoT بالهيمنة (58% يشارك) و LoRa تحافظ على أهميتها في النظم الإيكولوجية غير الخلوية. لا تزال هناك تحديات في موازنة قابلية التوسع, حماية, ومتطلبات إنترنت الأشياء المتطورة, ولكن دور LPWAN في تمكين المدن الذكية, صناعة 4.0, والاستدامة تضمن تأثيرها الدائم.

س&أ

ما هو الفرق بين LPWAN وLoRaWAN?

LPWAN (شبكة مساحة منخفضة الطاقة منخفضة) هي فئة واسعة من التقنيات اللاسلكية المصممة للمدى الطويل, اتصال إنترنت الأشياء منخفض الطاقة. LoRaWAN هو بروتوكول LPWAN محدد يستخدم تقنية تعديل LoRa ويعمل على طيف راديوي غير مرخص. بينما تتضمن LPWAN معايير متعددة مثل NB-IoT, LTE-M, و سيجفوكس, تتميز LoRaWAN ببنيتها مفتوحة المصدر, تمكين عمليات نشر الشبكة الخاصة دون تبعيات الناقل الخلوي. وتشمل الاختلافات الرئيسية التغطية, الطيف والتكلفة.

هل شبكة Wi-Fi هي تقنية LPWAN؟?

لا, شبكة Wi-Fi ليست تقنية LPWAN. في حين أن كلاهما من طرق الاتصال اللاسلكية, أنها تخدم أغراض مختلفة بشكل أساسي.

ما هو معدل بيانات LPWAN?

يمكن أن تستوعب LPWAN أحجام حزم البيانات عادةً من 10 ل 1000 بايت بسرعات الوصلة الصاعدة تصل إلى 200 كيلوبت في الثانية.

ما هو تردد LPWAN?

868ميجا هرتز أو 902 ميجا هرتز