اینترنت اشیا و ارتباطات

مقدمه‌ای بر فناوری LoRaWAN
ارتباطات بی‌سیم با توان پایین و برد وسیع

LPWAN LoRa M2M & IoT مصرف توان پایین برد تا ۱۵ کیلومتر

با ظهور اینترنت اشیا (IoT) و ارتباطات ماشین به ماشین (M2M)، انتظار می‌رود که رشد فزاینده‌ای در تعداد گره‌های حسگر شاهد باشیم. بر اساس پیش‌بینی‌ها، تا سال ۲۰۳۰ بیش از ۱۲۵ میلیارد دستگاه به اینترنت متصل خواهند شد. فناوری LoRaWAN به عنوان یکی از استانداردهای پیشرو در حوزه LPWAN، ارتباطات با توان پایین و برد وسیع را برای کاربردهای IoT فراهم می‌کند.

شبکه‌های منطقه وسیع با توان پایین (LPWAN)

LPWAN یک کلاس استانداردهای ارتباطی IoT بی‌سیم است که ویژگی‌هایی همچون پوشش وسیع و طول عمر طولانی باتری از مهمترین مشخصه‌های آن است. این فناوری می‌تواند برد تا چند کیلومتر، توان مصرفی محدود، پشتیبانی از تعداد گسترده دستگاه‌های متصل و هزینه پایین را فراهم نماید.

ویژگی‌های کلیدی LPWAN

  • برد تا چند کیلومتر
  • مصرف توان بسیار پایین
  • پشتیبانی از تعداد زیادی دستگاه
  • هزینه پایین پیاده‌سازی
  • امنیت بالا
  • کنترل تداخل فرکانس رادیویی

LoRaWAN: یک استاندارد پیشرو

LoRaWAN از فناوری رادیویی LoRa (مخفف Long Range) بهره می‌گیرد. LoRa یک تکنیک مدلاسیون طیف وسیع (Spread Spectrum) است که از فناوری CSS (Chirp Spread Spectrum) استفاده می‌کند. دامنه پوشش LoRaWAN برای مناطق شهری بین ۲ تا ۵ کیلومتر و برای مناطق خارج شهر تا ۱۵ کیلومتر می‌رسد.

مزایای LoRaWAN نسبت به سایر فناوری‌ها

  • برد بسیار بیشتر از WiFi و ZigBee
  • مصرف انرژی کمتر از شبکه‌های سلولی
  • استفاده از باند فرکانسی ISM بدون مجوز
  • مقیاس‌پذیری بالا

معماری شبکه LoRaWAN

معماری LoRaWAN شامل چهار لایه اصلی است: گره‌های انتهایی، Gatewayها، سرور شبکه و سرور برنامه‌کاربردی. گره‌های انتهایی می‌توانند در گروه‌های مستقل به Gatewayهای مستقل وصل شوند و از طریق آن به سرور شبکه وصل شوند.

گره‌های انتهایی

حسگرها و دستگاه‌های IoT با مصرف توان پایین

Gateway

پل ارتباطی بین گره‌ها و سرور شبکه

سرور شبکه

مدیریت ارتباطات و امنیت

سرور برنامه

پردازش داده‌ها و کاربردهای نهایی

کلاس‌های رفتاری گره‌های LoRa

گره‌های انتهایی سه نوع کلاس رفتاری دارند که هر کدام برای کاربردهای خاصی طراحی شده‌اند:

کلاس A

پایه (Basic)

کمترین مصرف انرژی. گره فقط پس از ارسال داده به کانال گوش می‌دهد.

مناسب برای سنسورهای محیطی

کلاس B

دریافت برنامه‌ریزی‌شده

علاوه بر کلاس A، در زمان‌های مشخصی به کانال گوش می‌دهد.

مناسب برای کاربردهای با تاخیر قابل پیش‌بینی

کلاس C

دریافت پیوسته

همیشه به کانال گوش می‌دهد، تاخیر کم اما مصرف انرژی بالا.

مناسب برای کاربردهای ماموریت‌بحرانی

مقایسه فناوری‌های ارتباطی

فناوری برد نرخ داده مصرف توان باند فرکانسی
LoRaWAN 2-15 km 0.3-5.5 kbps بسیار پایین ISM (رایگان)
SigFox 3-10 km 100 bps بسیار پایین ISM (رایگان)
NB-IoT 1-10 km ~200 kbps پایین سلولی (مجوزدار)
WiFi ~100 m تا 1 Gbps متوسط ISM (رایگان)
ZigBee ~100 m ~250 kbps پایین ISM (رایگان)

مدولاسیون CSS در LoRa

مدولاسیون LoRa مبتنی بر CSS (Chirp Spread Spectrum) است. این روش مدولاسیون سیگنال که بسیار به FSK شبیه است، از یک سیگنال به نام Chirp برای حمل داده بهره می‌گیرد. سیگنال chirp سیگنالی است که فرکانس آن به صورت خطی کاهش یا افزایش می‌یابد.

مزایای مدولاسیون CSS

  • مقاومت بالا در برابر نویز و تداخل
  • امکان تنظیم ضریب گسترش (SF) برای بهینه‌سازی برد و نرخ داده
  • قابلیت دریافت سیگنال‌های زیر سطح نویز

ضریب گسترش (Spreading Factor)

تعداد پرش‌هایی که در یک بازه chirp می‌توان انجام داد برابر با 2SF است. به عنوان مثال اگر SF=7 باشد، می‌توان ۱۲۷ پرش فرکانسی انجام داد. SF بالاتر به معنای برد بیشتر و نرخ داده کمتر است.

فرمت بسته LoRa

بسته LoRa در لایه فیزیکی از سه قسمت تشکیل شده است:


  • Preamble
    همگام‌سازی

  • Header
    اطلاعات اضافی (اختیاری)

  • Payload
    داده اصلی

جمع‌بندی

فناوری LoRaWAN به عنوان یکی از استانداردهای پیشرو در حوزه LPWAN، با ارائه ارتباطات با توان پایین و برد وسیع، نقش کلیدی در توسعه اینترنت اشیا ایفا می‌کند. این فناوری با استفاده از مدولاسیون CSS، کلاس‌های رفتاری متنوع و معماری شبکه مقیاس‌پذیر، راه‌حلی کارآمد برای کاربردهای مختلف از کشاورزی هوشمند تا شهرهای هوشمند ارائه می‌دهد.

مراجع

  1. Bharat S. Chaudhari, "LPWAN Technologies for IoT and M2M Applications", 2020.
  2. Jéssika C. da Silva et al, "A Survey of LoRaWAN Simulation Tools in ns-3", JOURNAL OF COMMUNICATION AND INFORMATION SYSTEMS, VOL. 36, NO.1, 2021.
  3. Pradeeka S, "Beginning LoRa Radio Networks with Arduino: Build Long Range, Low Power Wireless IoT Networks", 2019.
  4. D. Davcev, K. Mitreski, S. Trajkovic, V. Nikolovski and N. Koteli, "IoT agriculture system based on LoRaWAN," 2018 14th IEEE International Workshop on Factory Communication Systems (WFCS), 2018.
  5. A. Hoeller, J. Sant'Ana, J. Markkula, K. Mikhaylov, R. Souza and H. Alves, "Beyond 5G Low-Power Wide-Area Networks: A LoRaWAN Suitability Study," 2020 2nd 6G Wireless Summit (6G SUMMIT), 2020.
  6. LoRa Alliance & WBA IoT Work Group, "LoRa Alliance", 2019.
#LORAWAN #فناوری_LORA #اینترنت_اشیاء #LPWAN #Chirp_Spread_Spectrum #پروتکل_LORA #شبکه_بی_سیم #IoT