ارتباطات و مخابرات اینترنت اشیا

شبکه ها و فناوری های ارتباطی اینترنت اشیا

فن آوری های شبکه ای، دستگاه های اینترنت اشیا را قادر می سازند تا با دستگاه های دیگر و همچنین برنامه ها و سرویس هایی که در ابر اجرا می شوند ارتباط برقرار کنند. فناوری های شبکه در اینترنت اشیا به سمت انتهای پشته پروتکل از جمله شبکه های سلولار، wifi، اترنت و به طور اختصاصی تر به سمت شبکه های LPWAN، بلوتوث کم انرژی، زیگبی، NFC و RFID در حال حرکت هستند و هر کدام از این فناوری ها دارای ویژگی های منحصر به فرداند.

فناوری‏های ارتباطی کوتاه و میان برد

فناوری ارتباطی حوزه نزدیک (NFC)

NFC مخفف عبارت Near Field Communication و به معنای «ارتباطات حوزه نزدیک» است و در واقع این فناوری بیشتر برای تلفن‌‌های همراه هوشمند و ابزار‌های مشابه، با هدف تعریف یک ارتباط ساده به وجود آمده است. NFC به نوعی از فناوری RFID بهره گرفته و از تمامی استاندارد‌های این فناوری پشتیبانی می‌کند. تقریباً بیش از ۳۰ سال پیش پایه‌های اولیه فناوری NFC به وجود آمد. توسعه‌دهندگان فناوری اینترنت اشیا در نقشه راه پژوهش‌های خود، به صراحت به فناوری ارتباطات حوزه نزدیک به‌عنوان یکی از حوزه‌های قدرتمند اینترنت اشیا و دارای کاربرد اساسی می‌پردازند.

فناوری­های جدید اینترنت اشیا امکان ادغام فناوری‌های مخابراتی مختلف و ایجاد سرویس‌های جدید را فراهم می‌کند. یکی از این نمونه‏ ها استفاده از GSM، NFC، بلوتوث کم‌مصرف، GPS و شبکه‏ های حسگر همراه با فناوری سیم‌کارت است. فناوری ارتباطات حوزه نزدیک در میان اشیا با یک راه ساده و امن تنها با داشتن اتصال آن‌ها به یکدیگر فعال می‌شود. بنابراین، تلفن همراه می‌تواند به‌عنوان یک NFC خوان و انتقال‌دهنده­ی داده­ ها به سرور مرکزی مورد استفاده قرار گیرد. هنگامی‌که NFC خوان در یک گوشی تلفن همراه استفاده می‌شود، سیم کارت نقش مهمی به‌عنوان ذخیره‌سازی برای داده‏ های فناوری ارتباطات حوزه نزدیک و اعتبارنامه احراز هویت (مانند شماره بلیت، حساب کارت اعتباری، اطلاعات شناسه و غیره) ایفا می‌کند.

RFID

فناوری ارتباطی شناساگر رادیویی یکی از فناوری‏های ارتباطی مهم و پر کاربرد در اینترنت اشیا است. ترکیب این فناوری با شبکه‏ های حسگر بیسیم نه تنها تشخیص حضور و مکان‏ یابی را فراهم می‏ آورد بلکه اطلاعات متعددی در خصوص شرایط محدوده تحت پوشش نیز ارائه می‏دهد. RFID تنها یک حسگر نیست و عمدتا یک مکانیسم برای به دست آوردن اطلاعات از پیش تعبیه‌شده در برچسب یک شی‌ء یا جسم با استفاده از امواج رادیویی محسوب می‏شود.

RFID شامل دو بخش است: برچسب و قرائتگر که علاوه بر آن، برچسب خود از دو قسمت ریزتراشه، برای پردازش و ذخیره اطلاعات و آنتن برای دریافت و ارسال سیگنال تشکیل شده است. برچسب شامل یک شماره ‌سریال خاص برای یک شیء بخصوص است و قرائت گر، اطلاعات رمزگذاری شده بر روی برچسب را با استفاده از یک فرستنده- گیرنده رادیویی دوطرفه و به‌وسیله انتشار سیگنال از روی برچسب می‌خواند. برچسب نیز با اطلاعاتی که در حافظه آن نوشته شده است پاسخ داده و سپس قرائت گر، نتایج خوانده‌شده را به یک برنامه کامپیوتری RFID ارسال می‌کند.

Zigbee

ZigBee مشخصه دسته‌هایی از پروتکل‌های ارتباط سطح بالا است که از فرستنده و گیرنده‏های دیجیتال کم مصرف مبتنی بر استاندارد IEEE 802 برای شبکه ‏های شخصی بی‌سیم با نرخ ارسال داده پایین استفاده می‌کند. ZigBee به‌منظور تعریف یک فناوری ساده‌تر و ارزان‌تر از بلوتوث برای شبکه‏ های شخصی بی‌سیم به وجود آمده‌ است. به کمک ZigBee می‌توان بیش از 000,۶۴ وسیله را به‌طور بی‌سیم از طریق شبکه به هم وصل کرد.

در شبکه‏ های ZigBee سه نوع ابزار می‌توان یافت: هماهنگ‌کننده‏ ها، مسیریاب‌ها و دستگاه‌های پایانه‌ای. هماهنگ‌کننده‏ ها بر آرایش و امنیت شبکه نظارت می‌کنند. مسیریاب‌ها برد شبکه را گسترش می‌دهند و دستگاه‌های پایانه‌ای، عملکردهای حسی یا کنترلی خاص را بر عهده دارند. با این حال اغلب این ابزارها می‌توانند بیش از یک کارایی داشته باشند؛ مثلاً یک دستگاه می‌تواند در عین حال که تجهیزات روشنایی را کنترل می‌کند، برای پیام‌هایی که از سایر قسمت‌های شبکه می‌آید به‌عنوان مسیریاب عمل کند.

WiFi

اصطلاح Wi-Fi مخفف كلمات Wireless Fidelity است و در حقيقت يك شبكه بي­سيم است كه مانند امواج راديو و تلويزيون و سيستم­ هاي تلفن همراه از امواج راديويي استفاده مي­كند. برقراري ارتباط با شبكه بي­سيم شباهت زيادي به يك ارتباط راديويي دو طرفه دارد. آنچه رخ مي­دهد به اين شكل است:

• يك مبدل بي­سيم اطلاعات را به سيگنال­هاي راديويي ترجمه مي­كند و آن‌ها را ارسال مي­كند.
• يك مسیریاب بي­سيم سيگنال­ها را دريافت و رمزگشايي مي­ كند و تبديل به اطلاعات مي­کند. حال اين اطلاعات با استفاده از يك اتصال سيمي اترنت به اينترنت فرستاده مي­شود. اين فرآيند در جهت معكوس هم كار مي­كند (آنچه بيشترِ كاربران معمولي آن را احساس مي­كنند) يعني مسیریاب اطلاعات را از اينترنت دريافت مي­كند. تبديل به سيگنال­هاي راديويي كرده و براي كامپيوترهايي كه مجهز به سيستم بي­سيم هستند ارسال مي­كند.
• امواج راديويي كه براي شبكه ­هاي بي­سيم استفاده مي­شوند با امواج راديويي به كار رفته در تلفن‌هاي همراه و واكي-تاكي­ها و مانند آن‌ها تفاوت­هايي دارد. آن‌ها مي­توانند امواج راديويي را ارسال و دريافت كنند و 0 و 1‌ها (اطلاعات ديجيتال) را به امواج راديويي و بالعكس تبديل كنند. اما امواج راديويی Wi-Fi چند تفاوت چشمگیر با اين امواج راديويي دارند:
• انتقال اطلاعات با استفاده از امواج فركانس بالاي 4_/2 گيگاهرتز يا 5 گيگاهرتز صورت مي­گيرد كه فركانس آن از فركانس امواج راديويي واكي-تاكي تلفن­هاي همراه و تلويزيون به مراتب بالاتر است. البته فركانس بالاتر اجازه حمل اطلاعات بيشتري را مي­دهد.
• آن‌ها از استاندارد 11_/802 استفاده مي­كنند كه با چند زیرشاخه مختلف عرضه مي­شوند.
• امواج راديويي Wi-Fi مي­توانند در سه باند فركانسي منتقل شوند، به عبارت ديگر مي­توانند به سرعت بين باندهاي مختلف «پرش فركانسي» انجام دهند. پرش فركانسي سبب كاهش تداخل مي­شود و به کاربر اجازه مي­دهد به‌طور هم‌زمان با چند دستگاه ارتباط بي­سيم برقرار كند.
• همه دستگاه‌ها و كامپيوترهايي كه مجهز به آداپتور بي­سيم Wi-Fi هستند، مي­توانند از يك مسیریاب استفاده كنند و به اينترنت متصل شوند. اين اتصال راحت و نامریی است و نسبتاً ارتباط امني است. اگرچه در صورت خرابي مسیریاب يا استفاده افراد زيادي به‌صورت هم‌زمان از حداكثر پهناي باند، ممكن است قطع ارتباط رخ دهد.

Z-Wave

Z-Wave یک فناوری ارتباطی کم‌مصرف است که مبتنی بر شبکه مش طراحی شده و در آن یک یا چند کنترل‌گر اصلی وظیفه مسیریابی و تأمین امنیت شبکه را بر عهده دارند. در این شبکه هر دستگاه یا گره می‌تواند در محیط‌های سرپوشیده و دارای موانعی مانند دیوارها به ارسال و دریافت داده پرداخته و همچنین با استفاده از گره‌های واسط با دیگر دستگاه‌ها ارتباط برقرار کند. این شبکه ارتباطی با استفاده از توپولوژی مش طراحی شده و در آن یک یا چند کنترل‌گر اصلی وظیفه مسیریابی و تأمین امنیت شبکه را بر عهده دارد.

UWB

اصطلاح UWB به فارسی «باند با پهناي بسيار وسيع»، «فوق پهن باند» یا «فراپهن باند» نیز گفته می‌شود. فراپهن باند يك فناوری بي­سيم جالب براي سيستم­هاي پایشی به خصوص پزشكي است و مهم­تر از همه اينكه خطر اثرات تداخل الكترومغناطيسي براي ساير سيستم­هاي با باند کم و تجهيزات پزشكي در محيط­هاي بيمارستاني ندارد، زيرا توان انتقال‌دهندگي آن بسيار كم است و دارای فركانس­هاي كاربردي بسیار بالا هستند.

بر اساس استاندارد، هر سيگنالي كه پهناي باند نسبي آن (نسبت پهناي باند به سيگنال حامل) بيش از 20% يا پهناي باند مطلقي بيش از 500 مگاهرتز داشته باشد، فراپهن باند محسوب مي­شود. بيشينه چگالي آن با طیف توان ارسالی -41.3 Bm/MH است و امکان فعالیت در 0 تا 960 مگاهرتز و در باند 1/3 تا 6/10 گیگاهرتز را دارد. سیستم­های UWB از مدارهاي ساده ­اي بهره مي­برند كه امكان پياده‌سازي فرستنده-گيرنده ­هايي با مصرف كمتر از 1 نانوژول بر بيت و طول عمر باتري زياد را ممكن مي­سازند. همچنين، مصرف پایین برق در هنگام انتقال داده، از آسيب رسيدن به بافت­ها بر اثر امواج الكترومغناطيس جلوگيري مي­ كند. تحقيقات بسياري که در رابطه با كاربري­هاي داخل بدن و روي بدن انسان انجام شده، UWB را به‌عنوان راهبردي مناسب در ارتباطات کوتاه‌برد و با برق مصرفی کم و بدون ضرر، معرفي كرده است. به‌طوری که استاندارد 802.15.6 نیز UWB را به‌عنوان یکی از گزینه­ هاي بخش راديويي پيشنهاد مي­كند.

فناوری‏های برد بلند

فناوری LoRa

LoRaWAN به شبکه‌های گسترده با مصرف انرژی پایینی که روی تجهیزات بی‌سیمی که از باتری استفاده می‌کنند و در محدوده‌های منطقه‌ای، کشوری و جهانی به‌کار می‌روند، اشاره دارد. از اهداف اصلی شبکه‌های LoRa می‌توان به فراهم‌سازی نیازمندی‌های پیرامون اینترنت اشیا، همچون ارتباطات دوطرفه امن، جابه‏جایی و خدمات محلی اشاره کرد. شبکه‌های LoRa تعامل‌پذیری دوجانبه میان اشیای هوشمند و بدون نیاز به زیرساخت‌های پیچیده را برای توسعه‌دهندگان و بازار اینترنت اشیا، فراهم می‏ آورد. این شبکه از دو لایه متمایز شامل یک ‌لایه فیزیکی با استفاده از طیف گسترده توزیع روش مدولاسیون رادیویی و یک پروتکل متوسط کنترل دسترسی تشکیل شده است.

در شبکه‌های LoRa معمولاً از توپولوژی ستاره‌ای استفاده می‌شود و هر پیام از طریق دروازه از دستگاه به سرور مرکزی شبکه انتقال داده می‌شود. در این شبکه ارتباط بین دستگاه‌های پایانی و دروازه روی کانال‌های فرکانسی مختلف با نرخ داده‌ای متفاوت گسترش می‌یابند. در شبکه‌های LoRa میزان نرخ داده به محدوده ارتباطی و مدت‌زمان پیام بستگی دارد. با توجه به طیف گسترده این فناوری، ارتباطات با نرخ داده‌ای متفاوت با یکدیگر تداخل نداشته و این ارتباطات با ایجاد یک کانال ارتباطی مجازی، ظرفیت دروازه را افزایش خواهند داد.

شبکه ارتباطی سیگفاکس

در میان شرکت‌های جهانی ارائه‌دهنده شبکه‌های LPWAN و اکوسیستم غنی شرکت‌های تخصصی، شرکت سیگفاکس یک شبکه با قابلیت برقراری ارتباطات دو طرفه امن برای اینترنت اشیا ارائه کرده است. فناوری ارتباطی برد بلند سیگفاکس یک راه استاندارد برای جمع‌آوری داده‌ها از حسگرها و دستگاه‌ها ارائه داده که در آن هر ایستگاه می‌تواند محدوده‌ای در حدود 10 تا 50 کیلومتر را پوشش دهد.

شبکه سیگفاکس بر اساس یک معماری افقی و دو لایه‌ای طراحی شده است. لایه تجهیزات شبکه اساساً از ایستگاه‌های پایه و عناصر دیگر مانند آنتن‌ها تشکیل شده و مسئولیت دریافت پیام‌ها از دستگاه‌ها و انتقال آن به سیستم پشتیبان سیگفاکس را به عهده دارد.

سیستم پشتیبانی سیگفاکس دومین لایه اصلی تشکیل‌دهنده فناوری سیگفاکس است که وظیفه پردازش پیام‌ها و ارسال آن‌ها از طریق callback به سیستم مشتری را بر عهده دارد. این لایه امکان ورود عناصر مختلف اکوسیستم از قبیل اپراتورهای سیگفاکس، کانال‌ها و مشتریان را جهت تعامل با سیستم از طریق رابط کاربری و وب فراهم می‌کند. همچنین این لایه شامل ماژول و ویژگی‌هایی جهت حصول اطمینان از نظارت بر کارایی شبکه، مراکز داده و ابزارهای تحلیل است.

فناوری ارتباطی NB-IoT

NarrowBand IoT یک شبکه گسترده کم انرژی (LPWAN) و دارای استاندارد فناوری رادیویی است که طیف وسیعی از دستگاه‌ها و خدمات را با استفاده از باندهای مخابراتی تلفن همراه فعال‌سازی می‌کند. NB-IoT یک فناوری باند باریک رادیویی است که برای اینترنت اشیا طراحی شده و یکی از طیف‌های فناوری اینترنت اشیای موبایل (MIOT) است که توسط پروژه مشارکتی نسل سوم (3GPP) استانداردسازی شده است.

تمرکز NB-IoT به‌طور خاص روی پوشش داخلی، هزینه کم، عمر باتری طولانی و تعداد زیادی از دستگاه‌های متصل شده است. فناوری NB-IOT به‌صورت "In-Band" در طیف مربوط به توسعه طولانی مدت گسترش یافته است.

فناوری NB-IOT کارایی شبکه را بسیار بهبود می‌بخشد و ظرفیت پشتیبانی از تعداد بسیار زیادی از اتصالات جدید را تنها با استفاده از بخشی از طیف موجود افزایش می‌دهد. این کار به نوبه‌ی خود باعث صرفه‌جویی در مصرف انرژی می‌شود و عمر باتری را تا 10 سال افزایش می‌دهد. به‌علاوه NB-IoT به‌صورت عمیق به زیر زمین و در فضاهای بسته که در پوشش 20 dB قرار دارند، نفوذ می‌کند.