شبکه های LPWAN یک فناوری شبکه‌ای گسترده و بیسیم است که امکان برقراری ارتباط میان دستگاه‌های مختلف را فراهم میکند. ویژگی خاص این شبکه پهنای باند کم، مصرف انرژی کم و نرخ ارسال پایین بر روی فواصل دور است. این شبکه‌ها منحصرا برای ارتباطات ماشین به ماشین (M2M) و اینترنت اشیاء (IoT) طراحی شده‌اند، در مقایسه با شبکه‌های تلفن همراه سنتی، با هزینه کمتر و بازدهی انرژی بیشتر عمل می‌کنند. همچنین، LPWANها قادر هستند تعداد بیشتری از دستگاه‌های متصل در یک محوطه را پشتیبانی کنند.
شبکه‌های LPWAN می‌توانند بسته‌هایی با اندازه ۱۰ تا ۱۰۰۰ بایت را با سرعت آپلود تا ۲۰۰ کیلوبیت بر ثانیه مدیریت کنند. برد بلند LPWAN بسته به فناوری مورد استفاده، از ۲ کیلومتر تا ده ها کیلومتر متغیر است. یک نکته در خصوص معماری شبکه، اکثر شبکه‌های LPWAN دارای توپولوژی ستاره ای هستند، یعنی مشابه وای فای، هر نقطه انتهایی به طور مستقیم به نقاط دسترسی مرکزی مشترک متصل میشود.
۱- بررسی انواع شبکه های LPWAN
این فناوری نه یک تکنولوژی واحد، بلکه مجموعه‌ای از فناوری‌های مختلف شبکه گسترده کم مصرف با اشکال و فرم‌های گوناگون را شامل میشود.
شبکه‌های LPWAN می‌توانند از فرکانس‌های دارای مجوز یا بدون مجوز استفاده کنند و شامل گزینه‌های اختصاصی یا مبتنی بر مجوز و یا آزاد باشند.
برخی از مهم‌ترین فناوری‌های LPWAN شامل لورا، ان بی آیوتی، سیگفاکس و دش نت هستند.
- LoRaWAN: محبوب‌ترین فناوری LPWAN که از فرکانس‌هایی در رنج مجاز و رایگان استفاده میکند و بردی تا ۱۰ کیلومتر را ارائه می‌دهد.
- NB-IoT: یک فناوری استاندارد مبتنی بر سیم کارت و بردی تا ۱۰۰ کیلومتر را ارائه می‌دهد و نیازمند دریافت مجوز است.
- Sigfox: یک فناوری اختصاصی که از فرکانس‌های دارای مجوز استفاده میکند و بردی تا ۶۰ کیلومتر را ارائه می‌دهد.
- DashNet: یک فناوری اختصاصی که برای کاربردهای صنعتی طراحی شده و بردی تا ۲ کیلومتر را ارائه می‌دهد.
با توجه به این چهار مورد، انتخاب فناوری LPWAN مناسب برای یک کاربرد خاص به عوامل مختلفی از جمله برد مورد نیاز، نرخ داده، مصرف انرژی و هزینه بستگی دارد. در ادامه کلیه توضیحات مربوط به فناوری لورا خواهد بود و به سه مورد دیگر در اینجا نمی‌پردازیم.
۲- شناخت شبکه LoRaWAN
پروتکل LoRaWAN یک پروتکل ارتباطی برای شبکه‌های LPWAN است که بر بستر LoRa کار میکند. LoRaWAN به عنوان یک استاندارد بین‌المللی شناخته شده است.
LoRa یک فناوری امواج رادیویی با فرکانس پایین است که در طیف رادیویی بدون نیاز به مجوز فعالیت میکند. LoRa یک پروتکل لایه فیزیکی است و پهنای باند پایین ارائه می‌دهد. این پروتکل برای ارسال داده از نوعی شکل موج استفاده میکند که در برابر تداخل و نویزهای معمول مقاوم است.
ویژگی‌های کلیدی LoRaWAN عبارتند از:
- مصرف انرژی کم: دستگاه‌های متصل به LoRaWAN می‌توانند با باتری‌های کوچک برای مدت زمان طولانی کار کنند.
- برد بلند: LoRaWAN میتواند ارتباطات را در فواصل دور، بسته به محیط، برقرار کند.
- امنیت زیاد: LoRaWAN از امنیت ارتباطات دوطرفه با کلیدگذاری انتهایی (end-to-end) بهره می‌برد.
- هزینه کم: راه‌اندازی و نگه‌داری شبکه‌های LoRaWAN نسبت به سایر گزینه‌ها مقرون‌به‌صرفه است.
به دلیل این ویژگی‌ها، LoRaWAN برای طیف وسیعی از کاربردهای اینترنت اشیاء (IoT) از جمله، قرائت کنتور هوشمند، ردیابی اموال، کشاورزی هوشمند و شهرهای هوشمند مناسب است.
۳- نقش شبکه‌های LPWAN و مزیت آن در اینترنت اشیا
شبکه‌های LPWAN مزایای متعددی را برای اینترنت اشیاء (IoT) به ارمغان می‌آورند، به خصوص زمانی که نیاز به استقرار تعداد زیادی دستگاه در مناطق دورافتاده باشد. دلیل این امر آن است که فناوری LPWAN برای دستگاه‌هایی ساخته شده است که به اتصال دائمی با پهنای باند زیاد نیاز ندارند. در عوض، این دستگاه‌ها معمولاً بسته‌های کوچک داده ارسال می‌کنند و ممکن است تنها نیاز داشته باشند به صورت دوره‌ای با شبکه ارتباط برقرار کنند. نمونه‌هایی از کاربردهای اصلی LPWAN شامل سنسورهای پوشیدنی سلامت و حسگرهای خاک استفاده شده در کشاورزی هوشمند و مواردی از این دست است.
در ادامه چند مورد از مزایای خاص استفاده از شبکه‌های LPWAN، به ویژه برای پروژه‌های مقیاس بزرگ را بررسی میکنیم.
- مصرف انرژی کم: در مقایسه با سایر فناوری‌های بیسیم از جمله شبکه سیم کارتی، شبکه‌های LPWAN انرژی بسیار کمتری مصرف میکند و با باتری‌هایی از جنس لیتیوم و ارزان‌قیمتی کار میکند که می‌توانند تا یک دهه یا بیشتر دوام بیاورند. این طول عمر برای استقرارهای اینترنت اشیاء در مناطق دورافتاده یا سنسورهایی که دسترسی به آنها دشوار است، مانند حسگرهای کشاورزی یا کنتورهای هوشمند، مفید است.
- هزینه کم: مجددا در مقایسه با شبکه‌های سیم کارتی نسل ۳ و نسل ۴، فناوری LPWAN یک راه‌حل کم‌هزینه است که میتواند استقرار اینترنت اشیاء را در مقیاس وسیع امکان‌پذیر سازد. اگر شهری بخواهد حسگرهای بیسیم را در سطل‌های زباله نصب کند، این پروژه با LPWAN امکان‌پذیر است، در حالی که با فناوری گران‌تر از لحاظ زیر ساختی و از لحاظ سخت افزاری توجیه پذیر نخواهد بود.
- بهره‌مندی از طیف رادیویی بدون جواز و رایگان: برخی از فناوری‌های LPWAN مانند LoRaWAN روی طیف بدون مجوز کار می‌کنند که هزینه‌های اتصال مداوم را کاهش می‌دهد. با این حال، از آنجایی که تداخل میتواند با افزایش تعداد دستگاه‌های متصل در بسیاری از مناطق جهان به یک مشکل تبدیل شود، برخی از اپراتورها ترجیح می‌دهند هزینه اتصال را در طیف رادیویی دارای مجوز پرداخت کنند.
- ارتباطات دوربرد: از آنجایی که LPWAN با سرعت داده پایین‌تری کار میکند، سیگنال‌های آن می‌توانند در برخی مناطق روستایی که امواج مزاحم زیاد نباشد تا ۴۰ کیلومتر و در محیط‌های شهری ۱ تا ۵ کیلومتر را طی کنند. این میزان در مقایسه، طول موج ۴G حدود ۱۶ کیلومتر است.
- نیاز زیرساختی محدود: به طور کلی، نیازمندی‌های زیرساخت LPWAN به خوبی بین Wi-Fi و فناوری‌های سیم کارتی قرار میگیرد. LPWAN ها نسبت به Wi-Fi به زیرساخت بیشتری نیاز دارند، اما مزایای بیشتری را ارائه می‌دهند. همچنین برای اتصال دستگاه‌ها به زیرساخت کمتری نسبت به سیم کارت نیاز دارند، اما اتصال LPWAN به اندازه سیم کارت گسترده نیست. بنابراین، برای موارد استفاده خاص، فناوری LPWAN راه‌حل ایده‌آلی ارائه می‌دهد.
۴- کاربردهای عملی شبکه‌های LPWAN
سناریو نویس‌های اینترنت اشیاء (IoT) در بسیاری از بخش ها، فناوری LPWAN را به عنوان انتخابی ایده آل برای پروژه‌ها در نظر می‌گیرند. اکثر دستگاه های IoT به اتصال دائمی و پهنای باند زیاد برای انتقال داده‌ها نیاز ندارند. به این معنی که حجم داده‌های انتقالی از هر گره یا هر دستگاه در این بستر بسیار ناچیز است و برای اکثر سنسورهای ساده در یک منطقه جغرافیایی، LPWAN یک راه حل منطقی و قطعی است. بیایید نگاه دقیق تری به برخی از نمونه های موارد استفاده در صنایع مختلف داشته باشیم.
- تاسیسات هوشمند (Smart utilities):
قرائت کنتور هوشمند یک مورد استفاده عالی برای فناوری LPWAN است. شرکت‌های توزیع منطقه‌ای خدمات شهری هزاران (یا میلیون ها) از این کنتورها را در منطقه تحت پوشش خود قرار می دهد. این سنسورها فقط نیاز دارند به طور دوره ای برای راهنمایی اطلاعات صورتحساب گزارش دهند، حجم داده کم است و عمر باتری طولانی برای امکان سنجی مالی ضروری است. بنابراین با فراگیر شدن انقلاب صنعتی چهارم، شغل کنتور خوانی از بین خواهد رفت. البته این به معنی بیکار شدن افراد تحت این شغل نیست، اساسا در یک سیستم با ماهیت عدم قطعیت و تغییرات سریع، افراد هم دائم در حال یادگیری و ارتقا مهارتهایشان هستند.
- کشاورزی هوشمند (Smart agriculture):
دستگاه های کشاورزی اینترنت اشیاء مانند ردیاب های دام و سنسورهای رطوبت خاک به طور معمول در مناطق وسیع کشت و زرع و یا مکان‌های روستایی مستقر می شوند. این دستگاه ها مقادیر کمی از اطلاعات را جمع آوری می کنند و نیازی به اتصال دائمی به شبکه ندارند – آنها فقط باید به صورت دوره ای برای انتقال داده به یک سیستم مدیریت، گزارش دهند. LPWAN برای این دسته از دستگاه های IoT ایده آل است زیرا راه حل مورد نیاز با برد بالا و مصرف کم انرژی را ارائه می دهد.
- حمل و نقل درون شهری (Micromobility):
برای شرکت هایی که دوچرخه و سایر وسایل نقلیه با برد کوتاه را در مناطق شهری اجاره می دهند، اتصال LPWAN کمک میکند که ردیابی دارایی کم مصرف و کم هزینه را در اختیار داشته باشند. سنسورها به طور دوره ای داده ارائه می دهند و می توانند برای ایجاد هشدار در صورت خارج شدن وسیله نقلیه از یک منطقه جغرافیایی تعیین شده، برنامه ریزی شوند.
- ردیابی دارایی (Asset tracking):
بسیاری از شرکت ها سنسورهای IoT را روی وسایل نقلیه و کانتینرهای حمل و نقل نصب می کنند و باز هم، فناوری های LPWAN برای این موارد استفاده مناسب هستند. ردیاب های دارایی در سناریوهای مختلفی برای صنایع مختلف کاربردی هستند. در برخی موارد فقط باید به صورت دوره ای گزارش دهند یا در صورت بروز مشکل هشداری را فعال کنند و عمر باتری طولانی برای موفقیت ضروری است. البته منظور از ردیابی دارایی در بستر LPWAN صرفا برای مسافت‌های مشخص و محدود قابل پیاده سازی است. مثلا در یک کارخانه، یا در یک معدن و به طور کل در یک شهرک صنعتی قابل پیاده سازی است. برای راهکارهای بین شهری بایستی از بستری متفاوت استفاده شود.
۵- امنیت در شبکه LoRaWAN
امنیت در تمامی لایه‌های اینترنت اشیا اهمیت بسیار زیادی دارد. اما شبکه LoRaWAN به عنوان یکی از شبکه‌های پرکاربرد در اینترنت اشیا، دارای معماری و استانداردهایی برای حفاظت و امنیت است. امنیت صرفا مربوط به یک بخش نمی‌شود. بلکه ترکیبی از اجرای سناریو و پیاده سازی در کل فرآیند است. بنابراین امنیت از لایه سخت افزاری یا همان لایه فیزیکی شروع شده و تا انتقال و دریافت و ذخیره سازی داده‌ها ادامه دارد.
شبکه بیسیم لورا دارای رمزنگاری‌های مختص به خودش است که کمک میکند در طول مسیر انتقال، داده‌ها حفاظت شوند. استفاده از الگوریتم‌های استاندارد صنعتی رمزنگاری پیشرفته، محرمانگی و صحت داده‌های منتقل شده بر بستر شبکه را تضمین میکند. در ادامه چند مورد از امنیت در شبکه LoRaWAN را بررسی میکنیم.
تاییدیه دو طرفه (Mutual Authentication)
در طول فرآیند اتصال به شبکه، تاییدیه دوطرفه بین دستگاه نهایی End-device LoRaWAN® و شبکه برقرار میشود. این امر تضمین میکند که تنها دستگاه‌های معتبر و مجاز می‌توانند به شبکه متصل شوند و لایه امنیتی دیگری را فراهم میکند.
صحت داده‌ها (Data Integrity)
LoRaWAN® با استفاده از مکانیزم‌های حفاظت از صحت داده، مانند AES-CMAC، که از هرگونه دستکاری یا تغییر غیرمجاز داده‌ها جلوگیری میکند و یکپارچگی داده‌های ارسالی را تضمین میکند.
محرمانگی داده‌ها (Confidentiality Protection)
تمام محتوای کاربردی (payload) که بین دستگاه‌های نهایی LoRaWAN® و سرورهای کاربردی رد و بدل میشود، با استفاده از AES-CTR رمزگذاری میشود. این امر تضمین میکند که داده‌ها محرمانه باقی می‌مانند و توسط طرف‌های غیرمجاز قابل درک نیستند.
امنیت فیزیکی دستگاه‌های LoRaWAN®
امنیت فیزیکی دستگاه‌های LoRaWAN® برای اطمینان از امنیت کلی شبکه بسیار مهم است. این دستگاه‌ها بایستی توسط کلیدهای AES منحصربه‌فرد شخصی‌سازی شده و امنیت فیزیکی آنها برای جلوگیری از دسترسی غیرمجاز و محافظت از کلیدها در برابر سرقت ضروری است.
رمزنگاری (Cryptography)
LoRaWAN® از الگوریتم‌های رمزنگاری AES به همراه حالت‌های مختلف عملیاتی مانند CMAC برای حفاظت از یکپارچگی و CTR برای رمزگذاری استفاده میکند. این امر استحکام و امنیت مکانیزم‌های رمزنگاری استفاده شده در شبکه را تضمین میکند.
کلیدهای توزیع درون شبکه (Session Key Distribution)
LoRaWAN® از رویه‌های توزیع امن کلیدهای هر تماس برای توزیع کلیدهای بالادستی (root key) ضروری بین دستگاه‌های LoRaWAN® و سرورهای شبکه/کاربردی استفاده میکند. این امر تضمین میکند که کلیدهای مورد استفاده برای رمزگذاری و احراز هویت به صورت ایمن به اشتراک گذاشته شوند و به راحتی به خطر نیفتند.
امنیت سمت سرور (Backend Interfaces Security)
رابط‌های کاربری پشتیبان در LoRaWAN® شامل کنترل و سیگنال دهی داده بین سرورهای شبکه و برنامه است. این رابط‌ها را می‌توان با استفاده از فناوری‌های HTTP، HTTPS و VPN ایمن کرد تا از محرمانگی و صحت ارتباط اطمینان حاصل شود.
امنیت پیاده‌سازی و استقرار (Implementation and Deployment Security)
امنیت کلی یک شبکه LoRaWAN® همچنین به شیوه‌های خاص پیاده‌سازی و استقرار بستگی دارد. تولیدکنندگان باید اطمینان حاصل کنند که اقدامات امنیتی مناسب مانند ذخیره ایمن کلیدها و مکانیزم‌های احراز هویت قوی دستگاه اعمال شود. به طور مشابه، اپراتورهای شبکه باید امنیت استقرار را در نظر بگیرند تا از دسترسی غیرمجاز یا دستکاری جلوگیری شود.
۶- پیاده‌سازی شبکه‌های LPWAN
برای این منظور سه بخش شناخت اجزای اصلی شبکه و روند پیاده سازی و رعایت نکات مهم در پیاده سازی اهمیت دارند.
-
معرفی اجزای اصلی شبکه‌های LPWAN
گیت‌وی، گره‌ها و سرور سه بخش از یک شبکه انتقال رادیویی برد بلند هستند. به طور کل در یک سناریو انتقال داده در بستر اینترنت اشیا، داده‌ها از دستگاه‌های انتهایی یا همان گره ارسال شده و توسط گیت وی دریافت میشود. سپس از طریق گیت وی، داده‌ها به مقصد بعدی که معمولا سرور است، هدایت میشوند. اتصال گیت وی یا ایستگاه پایه رادیویی به سرور شبکه (LNS) از طریق اترنت، وای‌فای یا شبکه سیم کارتی برقرار میشود. یک گیت وی قادر است داده‌ها را از هزاران حسگر دریافت نماید.
-
فرآیند پیاده‌سازی شبکه LPWAN
در یک شبکه رادیویی مبتنی بر لورا بایستی تفاوت بین LoRa و LoRaWAN را به خوبی درک کرده باشید، تا بتوانید انتخاب مناسبی انجام دهید. در بسیاری از سناریوهای ساده که صرفا تعداد اندکی سنسور در محیط قرار دارند، میبایست از لورا استفاده شود. ولی در زمانی که تعداد سنسورها یا همان گره‌ها در شبکه افزایش یابند، بلا استثنا بایستی از شبکه LoRaWAN استفاده شود. این شبکه با توجه به قابلیت مدیریت توان مصرفی و تبادل داده‌ها بسیار بسیار اهمیت دارد. در حالت LoRaWAN بین گیت وی و سرورهای اصلی، سرور LoRaWAN قرار میگیرد که این سرور وظیفه بسیار مهمی را برعهده دارد و در حقیقت تنظیمات کل شبکه و رفتار هر گره را بررسی و مدیریت میکند. این سرور میتواند یک کامپیوتر مبتنی بر ویندوز و یا لینوکس باشد.
-
نکات مهم در پیاده‌سازی و پیکربندی شبکه LPWAN
انتخاب باند رادیویی، براساس قوانین هر کشور متفاوت است و بایستی دقیقا بررسی شود که باند رادیویی آزاد و بدون جواز و یا با جواز انتخاب شود. انتخاب صحیح و دقیق سخت افزارها به عنوان لایه فیزیکی بایستی به درستی صورت گیرد. حداقل امکان فعالیت در بازه ۵ ساله را فراهم کنند. پس از اجرای یک سناریو اینترنت اشیا، تغییرات در بخش سخت افزاری کاری پرهزینه و یا حتی غیرقابل دسترس خواهد بود. بنابراین یکی از نکات مهم در پیاده سازی LoRaWAN انتخاب سخت افزار است. در کل از آنجایی که شبکه لورا یک شبکه بیسیم است، نباید آنرا ساده بگیریم. بایستی حتما پروتکل‌های اصلی و بدیهی را در شبکه بیسیم رعایت کرده و نسبت به تمامی آنها مطلع باشیم.
۷- آینده LPWAN و پیش بینی فناوری‌های جدید
آینده‌ی فناوری‌های LPWAN سرشار از پیشرفت‌های هیجان‌انگیز و گزینه‌های نوظهوری است که در ادامه به چند مورد از این ترندها اشاره میکنیم.
- یکپارچه‌سازی LPWAN و ۵G: با گسترش شبکه‌های ۵G در سطح جهان، انتظار می‌رود ادغام فناوری‌های LPWAN با ۵G، پیشرفت‌های قابل‌توجهی را در زمینه‌ی اتصال دستگاه‌های اینترنت اشیاء به ارمغان بیاورد. ترکیب شبکه‌های پرسرعت ۵G با قابلیت برد بلند LPWAN، امکان استفاده از سناریوهای جدیدی را فراهم میکند که نیازمند ارتباط با پهنای باند بالا و برد وسیع هستند.
- بهبود ویژگی‌ها و قابلیت‌های LPWAN: فناوری‌های LPWAN در حال تکامل هستند تا ویژگی‌ها و قابلیت‌های بهبودیافته‌ای را ارائه دهند. این موارد شامل افزایش سرعت انتقال داده، توان دستگاه و کاهش مصرف انرژی، پشتیبانی از تراکم دستگاهی بیشتر و ارتقای امنیت میشوند. با بالغ‌تر شدن فناوری‌های LPWAN، کسب‌وکارها می‌توانند انتظار قابلیت اطمینان، انعطاف‌پذیری و کارایی بیشتری را در سناریوهای اینترنت اشیاء خود داشته باشند.
- فراگیر شدن فناوری‌های جدید LPWAN: علاوه بر فناوری‌های موجود LPWAN، به‌طور مداوم فناوری‌های جدیدی در حال توسعه و معرفی هستند. برخی از فناوری‌های نوظهور قابل‌توجه LPWAN عبارتند از:
Wi-SUN شبکه بیسیم هوشمند زیرساخت شهری یک استاندارد ارتباطات بیسیم است که برای کاربردهای زیرساختی مانند سیستم‌های شبکه هوشمند و شهرهای هوشمند طراحی شده است. این فناوری پوشش منطقه‌ای وسیع، قابلیت مقیاس‌پذیری بالا و قابلیت همکاری را ارائه می‌دهد.
DASH7 استاندارد بین‌المللی/ایزو ۱۸۰۰۰-۷ یک فناوری استاندارد باز LPWAN است که برای ارتباطات برد بلند در محیط‌های چالش‌برانگیز طراحی شده است. این فناوری در باندهای بدون مجوز ISM کار میکند و از سرعت انتقال داده‌ای مناسب برای کاربردهای صنعتی پشتیبانی میکند.
در پایان لازم است دقت داشته باشید که گسترش شبکه لورا بسیار به زیر ساخت آن وابسته است. زیرساخت لورا در بخش گیت وی ها میتواند به صورت عمومی در دسترس باشد. مثلا از شرکت‌های متخصص خدمات پهنای باند و انتقال در بستر لورا دریافت شود. اما بخش سرورهای لورا و سرورهای اصلی نیازمند تنظیمات اختصاصی و منحصر برای هر پروژه و سناریو است. بنابراین آینده‌ی شبکه لورا بسیار وابسته به گسترش زیر ساخت خواهد بود.
نسخه صوتی اپیزود ۲۲ پادکست هوش اشیا
منابع
hologram tektelic techtarget aws.amazon m2mgermany loriot.io hologram.io mokolora
