نگاهی به پروتکل ارتباطی اینترنت اشیا LoRaWAN

قهرمان مسیرهای طولانی با مصرف کم انرژی

26/07/1395 - 09:11

کی از مشکلاتی که در حوزه اینترنت اشیا وجود دارد، موضوع ارتباطات است. اگرچه پروتکل‌هایی مانند وای‌فای، بلوتوث و به طور تخصصی‌تر ZigBee و 6LoWPAN وجود دارند، هرکدام از آن‌ها دارای معایبی هستند. در این میان، خلأیی وجود داشت که هیچ‌کدام از این پروتکل‌ها نتوانستند به‌درستی آن را از بین ببرند. در همین حین، قهرمانی وارد شد تا به رفع این کاستی‌ها کمک و ارتباطات را بهتر کند. این قهرمان LoRaWAN نام دارد و به طور خاص بر ارتباطات رادیویی برای فواصل طولانی با مصرف کم انرژی تمرکز دارد.

از زمان آغاز اینترنت اشیا، بحث‌های زیادی درباره عملکرد نامناسب پروتکل‌های ارتباطی موجود برای برقراری ارتباط بین دستگاه‌های مختلف مطرح بود. وای‌فای در مقایسه با ظرفیت منبع انرژی سنسورها، انرژی زیادی مصرف می‌کند، برد آن کم و پهنای باندش زیاد است که اغلب از این پهنای باند به طور کامل استفاده نمی‌شود و هدر می‌رود. بلوتوث امنیت کمی دارد؛ نرخ ارسال و مصرف انرژی آن مناسب، اما برد آن کم است. علاوه بر این، به دلیل ضعف در آدرس‌دهی، ایجاد شبکه‌های بزرگ متصل به یکدیگر با بلوتوث امکان‌پذیر نیست. گرچه محصولات شرکت CSR Mesh توانسته است تعداد زیادی از این دستگاه‌ها را به هم متصل کند، ماهیت اصلی بلوتوث امکان ایجاد تعداد ارتباط زیاد را نمی‌دهد و باید با سازوکارهای دیگری این ارتباط را برقرار کرد. پس از استقبال کم از این دو، ZigBee و 6LoWPAN مطرح شدند. این دو پروتکل نیز نقاط قوت و ضعف‌هایی داشتند. امنیت مناسب، سبک بودن و مصرف کم باطری از محاسن آن‌ها به شمار می‌آیند؛ اما برد کم و هزینه سنگین تهیه لوازم مربوطه، از جمله معایب آن‌ها است.

مطلب پیشنهادی

Mirai خاموش و خطرناک تسخیر می‌کند

نقشه زنده‌ای از آلودگی بدافزار Mirai در سراسر جهان را مشاهده کنید

در این حین، گروهی از محققان به فکر ایجاد پروتکلی با امنیت مناسب، برد بالا، مصرف کم باطری و مناسب برای اینترنت اشیا افتادند. آن‌ها در نظر داشتند پروتکل جدید از خانواده LPWAN باشد. LPWAN مخفف عبارت Low-Power Wide Area Network است. پروتکل‌هایی که از این خانواده هستند، برای ارتباطات ماشین با ماشین یا M2M بهینه شده‌اند. از انواع تکنولوژی‌هایی که در این دسته قرار می‌گیرند و سازمان‌هایی که مشغول به توسعه آن‌ها هستند، می‌توان به این موارد اشاره کرد:
• Haystack توسط Haystack Technologies
• NarrowBand IoT یا اینترنت اشیای باند باریک توسط 3GPP برای استفاده در شبکه‌های سلولی
• NB-Fi توسط WAVIoT
• Weightless توسط Weightles SIG
• LoRaWAN توسط LoRa Alliance
LoRaWAN، در واقع یک پروتکل لایه MAC است که برای شبکه‌های عمومی (Public) که یک اپراتور یا دریافت‌کننده دارند و به صورت توپولوژی ستاره هستند، طراحی شده است؛ بر خلاف ZigBee که برای شبکه‌های Mesh طراحی شده است. ماژولاسیون LoRa مانند ماژولاسیون Semtec و بسیار پیچیده است. برای اطلاع از نحوه ماژولاسیون Semtec می‌توانید به وب‌سایت آن مراجعه کنید.

اجزای LoRaWAN
نودها: این نودها در واقع حسگرهای کوچکی هستند که در محیط قرار داده می‌شوند، اطلاعات را جمع‌آوری و ارسال یا دستورات را از سرور مرکزی دریافت می‌کنند. این نودها معمولاً تجهیزات کوچکی هستند که با باطری کار می‌کنند.
Gatewayها: Gatewayها مسئولیت دریافت اطلاعات از نودها و ارسال به سمت سرور یا بالعکس را دارند. زیرساخت ارتباطی Gateway می‌تواند اترنت یا ارتباطات سلولی و هر نوع روش مرسوم ارتباطی دیگر باشد. این Gatewayها می‌توانند محدوده‌ای از پنج تا 15 کیلومتر را پوشش دهند و اطلاعات را در این محدوده با نودها تبادل کنند.
سرور مرکزی: مسئولیت اصلی سرور مدیریت شبکه است. سرور پیام‌های تکراری را تشخیص می‌دهد، از بین می‌برد و تأییدیه دریافت پیام‌ها را مدیریت می‌کند.
کامپیوتر کاربر: پس از اینکه اطلاعات از سمت سرور مرکزی جمع‌آوری شد، در نهایت اطلاعات به سمت کامپیوترهای نهایی و کاربران ارسال می‌شود تا پردازش بر روی آن‌ها صورت گیرد. شکل 1 نحوه همکاری اجزای مختلف LoRaWAN را نمایش می‌دهد.

شکل 1: اجزای مختلف LoRaWAN

کلاس‌های LoRaWAN
LoRaWAN سه کلاس دارد؛ این سه کلاس B، A و C نام‌گذاری شده‌اند. کلاس A نیازی به همگام‌سازی ندارد و Pure ALOHA است.
در Pure ALOHA، اگر داده‌ای برای ارسال داشته باشید، بدون وقفه ارسال خواهید کرد. اگر در حین ارسال داده، نود دیگری نیز قصد ارسال داده داشته باشد، تصادم رخ می‌دهد. اگر سیستمی بسیار منظم و دقیق در هشت کانال داشته باشید، می‌توانید تمام بازه‌های زمانی (time slot) را با یک پیام پر کنید. به محض اینکه یک نود ارسال خود را به پایان رساند، نود دیگر شروع به ارسال می‌کند. از نظر تئوری، حداکثر ظرفیت یک شبکه Pure ALOHA، 18.4 درصد ظرفیت آن است؛ این به دلیل تصادم‌های زیادی است که رخ می‌دهد. در حالی که یک نود در حال ارسال است، هر لحظه ممکن است نود دیگری در همان کانال و فرکانس قصد ارسال داده کند.

"LoRaWAN، در واقع یک پروتکل لایه MAC است که برای شبکه‌های عمومی (Public) که یک اپراتور یا دریافت‌کننده دارند و به صورت توپولوژی ستاره هستند، طراحی شده است"

کلاس B، برای ارسال پیام‌ها از Gateway به نودها استفاده می‌شود. هر 128 ثانیه، Gateway یک Beacon ارسال می‌کند. تمام نودها از بازه زمانی 128 ثانیه‌ای باخبر هستند و می‌دانند که باید در این بازه‌ها به Gateway گوش فرا دهند.
کلاس C به نودها اجازه می‌دهد دائماً به کانال گوش دهند و پیام‌ها در هر لحظه ممکن است از Gateway به نودها ارسال شود. به دلیل اینکه نود باید دائم در حال گوش دادن باشد، انرژی بیشتری مصرف می‌شود. این کلاس بیشتر برای نودهایی استفاده می‌شود که به منبع برق متصل هستند، مانند چراغ راهنما در چهارراه‌ها.
بسته به نوع کاربرد، ممکن است هر کدام از این کلاس‌ها استفاده شود. مثلاً در مصارف کشاورزی از کلاس A، در مصارف صنعتی از کلاس B و در مصارفی مانند چراغ راهنما از کلاس C استفاده می‌‌شود. نحوه زمان‌بندی این کلاس‌ها و همچنین کانال‌های ارتباطی در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2: نحوه زمان‌بندی مختلف در کلاس‌های متفاوت

شبکه‌های عمومی به وسیله LoRa
برخی از متخصصان معتقد هستند LoRa برای شبکه‌های خصوصی مناسب نیست و در این شبکه‌ها، استفاده از Symphony Link را توصیه می‌کنند. برای کسب اطلاعات بیشتر درباره Symphony Link و بررسی حداکثر برد آن می‌توانید به این آدرس مراجعه و اطلاعات بیشتری کسب کنید.
LoRa به دلیل اینکه تمام کانال‌های ارتباطی را در یک فرکانس ادغام و استفاده می‌کند، برای ارتباطات WAN در یک شبکه عمومی، مانند اینترنت مناسب‌تر است. با این روش، احتمال اینکه در یک منطقه تصادم رخ دهد، کاهش می‌یابد.
در شبکه بزرگی که مناطق وسیعی را پوشش می‌دهد، ممکن است ارسال داده از سمت نودها به سمت Gateway، توسط چندین Gateway شنیده شود. در این حالت، برای ارسال داده‌ها به سمت سرور مرکزی ممکن است تصادمِ Uplink/Downlink رخ دهد. LoRa برای جلوگیری از این اتفاق، مسئولیت انتخاب تبادل داده از طریق Gateway را بر عهده سرور مرکزی قرار داده است؛ بدین صورت که سرور مرکزی Gateway را انتخاب می‌کند. پس از انتخاب Gateway، سایر Gatewayها اطلاعاتی ارسال نمی‌کنند.

"LoRa به دلیل اینکه تمام کانال‌های ارتباطی را در یک فرکانس ادغام و استفاده می‌کند، برای ارتباطات WAN در یک شبکه عمومی، مانند اینترنت مناسب‌تر است. با این روش، احتمال اینکه در یک منطقه تصادم رخ دهد، کاهش می‌یابد"

علاوه بر موارد یادشده، با ایجاد کمی تغییرات، امکان جداسازی چند کانال برای استفاده‌های خاص نیز وجود دارد. در ایالات متحده به دلیل اینکه طیف‌های فرکانسی بدون نیاز به مجوز، بیشتر از اروپا است، بیشتر شاهد این موضوع هستیم. در ایران نیز اغلب طیف فرکانسی 868 مگاهرتز استفاده می‌شود که از طیف‌های بدون نیاز به مجوز است.
در حال حاضر، تعداد شرکت‌هایی که راه حل‌های end-to-end مبتنی بر LoRaWAN ارائه دهند، بسیار کم است. برخی از شرکت‌ها مانند Link Labs در حال کار بر روی LoRaWAN هستند تا بتوانند برنامه‌ها و تجیهزات سازگار با آن را روانه بازار کنند. در این خصوص قرار است که در سال جاری میلادی، پلتفرم سازگاری با آن نوشته شود و در دسترس عموم قرار گیرد.
در یکی از شهرهای کوچک مجارستان، پروژه‌ای بر پایه LoRaWAN عملیاتی شد. در این شهر بیش از 500 چراغ راهنما وجود داشت. شرکت LoRa Alliance که مسئول توسعه LoRaWAN است، با همکاری سه شرکت محلی توانستند این شبکه را پیاده‌سازی کنند. در این شبکه، نودها بر روی چراغ‌ها نصب و در فواصل طولانی Gateway قرار داده شدند. اطلاعات به سمت کامپیوتری که برنامه InteliLIGHT بر روی آن نصب شده بود، ارسال می‌شد. این برنامه اطلاعات تمام چراغ‌های راهنمای شهر را به کاربر نشان می‌داد و کاربر می‌توانست چراغ‌ها را مدیریت کند. در صورت مشاهده ترافیک در خیابان، زمان چراغ را بیشتر کند یا در هنگام تعطیلی مدارس، با طولانی کردن زمان، اجازه تردد کودکان بیشتری را از خیابان بدهد. به این صورت کودکان کمتر در محیط بیرون و اطراف خیابان انتظار می‌کشیدند. نمایی از این برنامه و موقعیت نودها به همراه Gateway در شکل 3 نشان داده شده است.

شکل 3: نمایی از محیط برنامه InteliLIGHT

یکی از محصولاتی که با LoRaWAN سازگاز است و به عنوان نودهای انتهایی استفاده می‌شود، waspmote محصول شرکت Libelium است. این محصول از نوع Plug & Sence بوده، به‌راحتی نصب می‌شود، شروع به کار می‌کند، نیاز به تنظیمات خاصی ندارد و در اروپا، آمریکا و چین استفاده می‌شود. waspmote هم با باطری و هم با پنل خورشیدی کار می‌کند. علاوه بر پشتیبانی از LoRaWAN، از ZigBee802.15.4، Sigfox ،WiFi ،3G/GPRS و بلوتوث نیز پشتیبانی می‌کند که محصول ایده‌آلی برای استفاده در اینترنت اشیا است. حسگرهای این محصول به‌راحتی تعویض می‌شوند تا در صورت نیاز، پارامترهای جدیدی اندازه‌گیری شوند. شکل 4 محصول مربوطه را نشان می‌دهد.

شکل4: محصول Waspmote از شرکت Libelium