مقایسه تکنولوژی‌های “اینترنت اشیاء” در شبکه‌های اندازه‌گیری هوشمند انرژی

یکی از بزرگترین چالش‌ها در اجرای سیستم‌های اندازه‌گیری هوشمند (AMI-Advanced Metering Infrastructure)  بحث انتخاب زیرساخت انتقال داده کنتورهای هوشمند می باشد. انتخاب درست از میان انواع پروتکل‌های ارتباطی اینترنت اشیاء برای پروژه‌های هوشمندسازی کنتور برق، آب، گاز، اینورترهای خورشیدی و حتی کنترل‌پذیری چراغ‌های روشنایی معابر، یکی از مهم‌ترین مسائلی است که دولت‌ها با آن مواجهه هستند.

در این مقاله سعی کردیم سه تکنولوژی برتر در حوزه اینترنت اشیاء یعنی NB-IoT، LoRa و Wi-SUN را با یکدیگر مقایسه کنیم و در نهایت به یک جمع بندی در خصوص انتخاب بهترین راهکار برای استفاده در شبکه هوشمند انرژی برسیم. باید در نظر داشته باشیم که فناوری‌ها و پروتکل‌های زیادی در حوزه اینترنت اشیاء وجود دارد، اما در اینجا ما سعی کردیم سه تا از برترین  فناوری‌های مورد استفاده در سال 2023 میلادی را بررسی کنیم.

شاید بهتر باشد قبل از مقایسه مشخصات این سه تکنولوژی، الزامات و نیازهایی که برای استفاده از آنها خواهیم داشت را مورد بررسی قرار دهیم. لذا باید مواردی از جمله بازه های زمانی و همچنین حجم داده‌هایی که در هر بار قرائت لازم است خوانده شوند، قابلیت اطمینان، اندازه و طول عمر باتری، قابلیت همکاری، مقیاس‌پذیری، دسترس‌پذیری و امکان ارسال فرمان‌های لحظه ای بر اساس تقاضا مد نظر قرار گیرد.

توپولوژی و پوشش شبکه

منظور از توپولوژی در یک شبکه، ساختار اتصالات بین دستگاه‌ها در آن شبکه است. دستگاه‌های داخل یک شبکه اغلب “گره” نامیده می‌شوند و “توپولوژی”، نحوه چیدمان این گره‌هاست. شبکه های IoT معمولاً در یکی از دو توپولوژی “ستاره” یا “مش” مستقر می‌شوند.

ستاره: در توپولوژی ستاره‌ای، که معمولا در شبکه های سلولی استفاده می شود، تعدادی گره(دستگاه های IoT) با تک گره مرکزی(گیت‌وی) ارتباط برقرار می کنند.

با این حال، هر چیزی که مسیر از دستگاه به گیت‌وی را مسدود کند (مانند آب و هوا، ساخت و ساز یا موانع موقت) می تواند بر توانایی دستگاه برای متصل ماندن به شبکه تأثیر بگذارد، که به نوبه خود قابلیت اطمینان شبکه و خدماتی که ارائه می‌دهد را به خطر می‌اندازد. این انسدادها به عنوان “لکه‌های سیاه” یا “سایه” شناخته می شوند.

در مناطق شهری، برای اطمینان از اتصال قابل اعتماد برای همه دستگاه‌ها و جلوگیری از ظهور لکه‌های سیاه نیاز به نصب گیت‌وی‌های بیشتری می باشد، زیرا بسیاری از دستگاه‌های اینترنت اشیاء در جای خود ثابت هستند و نمی‌توان آنها را به مکان دارای پوشش بهتر منتقل کرد. از طرفی نصب گیت‌وی‌های نزدیک به هم، می‌تواند منجر به همپوشانی بین آنها و ایجاد اختلال در کار یکدیگر می شود. بنابراین می توان گفت این یکی از چالش های بزرگ شبکه های ستاره ای است.

در اینترنت اشیاء، شبکه‌های LoRa و NB-IoT معمولاً از شبکه ستاره‌ استفاده می‌کنند. پوشش شبکه در تکنولوژی LoRa حدود 2 تا 12 کیلومتر و در NB-IoT بین 1 تا 10 کیلومتر می باشد.

مش: در این توپولوژی، هر گره می تواند به عنوان یک نقطه پایانی و یا به عنوان یک تکرارکننده پیام برای گره‌های مجاور خود عمل نماید (داده‌ها بصورت گره به گره تا رسیدن به گره مرکزی حرکت می‌کنند). لذا این قابلیت به شما اجازه می‌دهد که پیام‌ها را در مسافت‌های طولانی‌تری ارسال نمایید.

همچنین این ساختار به گره‌ها اجازه می دهد که برای دستیابی به گره مرکزی، مسیرهای متعددی داشته باشند، و در صورت بروز “لکه‌های سیاه” در یک مسیر، بصورت خودکار از مسیر دیگری ارتباط برقرار می‌گردد. بنابراین بر خلاف شبکه‌های مبتنی بر ستاره، نقاط سیاه به طور چشمگیری کاهش می یابند یا حتی به طور کامل حذف می‌شوند. در واقع، می‌توان گفت، در شبکه‌های مش هر چه تعداد گره‌های بیشتری داشته باشیم، قابلیت اطمینان و عملکرد شبکه بهبود می‌یابد، زیرا مسیرهای ارتباطی چند برابر می‌شوند.

همچنین از آنجاییکه در معماری مش، گره‌ها می‌توانند با یکدیگر صحبت کنند، این توپولوژی به شما این فرصت را می‌دهد تا بر روی چند دستگاه در مجاورت یکدیگر، تشکیل یک شبکه هوش مصنوعی بدهید(AIoT).

شبکه های Wi-SUN معمولا توپولوژی‌های ستاره و مش و همچنین ترکیبی را پشتیبانی می‌کنند. در این تکنولوژی، شبکه‌های مش بصورت خودکار تشکیل (هنگامی که دستگاه جدیدی اضافه می شود، به طور خودکار گره‌های مجاور را برای برقراری ارتباط پیدا می کند) و بصورت خودکار ترمیم می‌شوند (در صورت بروز موانع، دستگاه ها به طور خودکار به نزدیک‌ترین گره‌های موجود تغییر مسیر می‌دهند). پوشش شبکه در این فناوری حدود 1 تا 3 کیلومتر است اما با توجه به اینکه گره‌ها مابین گره پایانی تا گره مرکزی می‌توانند تا 10 سطح، نقش تکرار کننده را ایفا کنند، لذا پوشش شبکه این تکنولوژی می تواند در شرایط ایده‌آل تا 30 کیلومتر افزایش یابد.

با توجه به توضیحات فوق، می توان نتیجه گرفت که یک شبکه مش اینترنت اشیاء مبتنی بر Wi-SUN می‌تواند به فراگیر بودن، مقیاس‌پذیری و قابلیت اطمینان مورد نیاز شبکه های هوشمند (AMI) دست یابد، اما از طرفی زمان دریافت اطلاعات از گره‌های دورتر در شبکه مش زیاد می‌شود و طول عمر باتری نیز کاهش می‌ یابد. بنابراین در طولانی مدت معماری ستاره برای حفظ عمر باتری ممکن است بهتر عمل نماید.

عملکرد ارتباطی: پهنای باند، تأخیر و ارتباطات دو جهته

پهنای باند، تأخیر و عملکرد ارتباط دوطرفه یک فناوری می تواند تأثیر قابل توجهی بر طول عمر قابل استفاده و عملکرد شبکه داشته باشد.

کشف و ایجاد برنامه های کاربردی اینترنت اشیاء با کاربردها و مزایای جدید، به سرعت در حال توسعه هستند. لذا داشتن شبکه ای با قابلیت مدیریت برنامه ها و جریان‌های داده جدید، از منسوخ شدن زودهنگام آن جلوگیری می‌کند.

علاوه بر این، توانایی به‌روزرسانی و ارتقاء دستگاه‌های مستقر از راه دور می‌تواند به طور قابل توجهی عمر کاری آن دستگاه‌ها را افزایش دهد، در حالی که نیاز به انجام بازدیدهای میدانی گران قیمت را به حداقل می رساند. از طرفی امروزه اکثر برنامه های کاربردی اینترنت اشیاء به کنترل بر اساس تقاضا نیاز دارند. دستورات درخواستی به شبکه ای نیاز دارند که بتواند دائم در حال گوش دادن باشد و به موقع به دستورات درخواستی پاسخ دهد. باید توجه داشته باشیم که ممکن است همه فناوری‌های اینترنت اشیا، پهنای باند، تأخیر و ارتباطات دوسویه لازم را برای اطمینان از عمر مفید و عملکردهای کامل ارائه ندهند.

Wi-SUN نرخ ارسال داده بالایی را ارائه می دهد که در سراسر شبکه ثابت است و تأخیر پایینی دارد. علاوه بر این، ماژول‌های Wi-SUN از انرژی کمتری برای گوش دادن استفاده می‌کنند (به بخش بهینه سازی مصرف توان مراجعه نمایید) که به مشتریان امکان می‌دهد دستگاه‌ها را برای گوش دادن مکرر پیکربندی کنند و همچنان عمر طولانی داشته باشند.

LoRa و NB-IoT با هدف کاهش هزینه های دستگاه و افزایش عمر باتری، با پهنای باند کم و ارتباطات با فاصله زمانی طولانی طراحی شده‌اند. LoRa پهنای باند بسیار کمتری نسبت به NB-IoT و Wi-SUN دارد که آن را برای ارسال مقادیر کم داده در فواصل طولانی مناسب تر می کند.

در تست‌های انجام شده در شرایط واقعی، نرخ انتقال داده در LoRa می‌تواند حداکثر 4.8 کیلوبیت در ثانیه باشد که 10 برابر کمتر از Wi-SUN است. باید توجه داشته باشیم که نرخ پایین انتقال داده می‌تواند منجر به مصرف انرژی بیشتر ‌شود. همچنین برای انتقال قابل اعتماد داده، حداکثر طول سایز بسته ها در LoRa می تواند 100 بایت باشد، اما در Wi-SUN داده ها با سایز 512 بایت نیز قابل ارسال می‌باشند. این عدد برای NB-IoT می‌تواند تا 1024 بایت باشد.

استانداردهای صنعتی

زمانیکه یک شبکه اینترنت اشیاء به استفاده از استانداردهای شناخته شده صنعتی پایبند باشد، شما به عنوان مالک و یا اپراتور شبکه از مزایای خاصی برخوردار خواهید شد. لذا این طور می توان گفت که انتخاب استانداردهای آزاد و غیرانحصاری توسط یک شبکه IoT، ترس از انحصار و یا گروگان‌گیری زنجیره تامین کالا را کاهش می دهد. بنابراین، ضروری است این سه فناوری، در این زمینه با هم مقایسه شوند:

Wi-SUN Alliance در سال 2011 تاسیس شد و از استانداردهای آزاد IEEE 802.15.4g/e و IPv6 بهره می برد. Wi-SUN Alliance بیش از 300 شرکت عضو از 46 کشور دنیا دارد که مجموعاً بیش از 150 محصول دارای گواهینامه Wi-SUN را راه اندازی کرده اند. دستگاه‌ها و قطعات Wi-SUN  در حال حاضر از طیف گسترده‌ای از فروشندگان در دسترس هستند.

LoRa یک مشخصات عمومی در دسترس است که بر روی طراحی اختصاصی رادیوی LoRa مبتنی بر spread spectrum radios متعلق به شرکت Semtech ساخته شده است. به این ترتیب، یک استاندارد کاملاً باز نیست و تا به امروز، Semtech فقط دسترسی محدودی به مالکیت معنوی خود را برای برخی از شرکت های امریکایی فراهم کرده است. پیاده‌سازی راه‌حل‌های مبتنی بر LoRa نیازمند استفاده از تراشه‌های ساخته شده توسط Semtech یا دارندگان مجوز آن است که به طور بالقوه باعث ایجاد انحصار می‌شود. این بدان معنی است که آینده LoRa به طول عمر Semtech گره خورده است، و در عصر فزاینده یکپارچه‌سازی نیمه هادی‌ها، این شرطی است که برخی ممکن است نخواهند آن را قبول کنند. همچنین LoRa دارای اکوسیستم متنوعی از تامین‌کنندگان است، اما رویکردهای متفاوت آنها، به این معنی است که دستگاه‌ها و تجهیزات تضمینی برای کارکرد کامل با یکدیگر ندارند.

NB-IoT  در سال 2014 و در نسخه 13 موسسه استانداردگذاری 3GPP گام‌های اولیه خود در توسعه این تکنولوژی را برداشت. این فرایند در ابتدا توسط شرکت Neul توسعه داده شد و سپس توسط Huawei خریداری گردید و با حمایت‌های این شرکت شکل گرفت. خروجی این فرآیند ارایه استانداردهایی از جمله EC-GSM، LTE-M و نهایتا NB-IoT است که در نسخه 14 و اواسط سال ۲۰۱۷ نهایی و عرضه شد و نسخه های ارتقا یافته دو پروتکل اولیه LTE Cat-M2 و LTE Cat-NB2 به آن اضافه گردید. NB-IoT بر روی یک طیف مجاز عمل می کند، به این معنی که فقط اپراتورهای شبکه دارای مجوز می توانند آن را مستقر کنند. در نتیجه، استقرار شبکه‌های NB-IoT ممکن است بیشتر طول بکشد و ممکن است در همه مکان‌ها در دسترس نباشند. در حالیکه LoRa و Wi-SUN بر روی یک طیف بدون مجوز عمل می کند، به این معنی که هر کسی می تواند بدون نیاز به خرید مجوز از آن استفاده کند. این بدان معنی است که شبکه های LoRa و Wi-SUN می توانند به سرعت و به راحتی در هر مکانی مستقر شوند.

امنیت

از سال 2016 که بدافزار Mirai نشان داد شبکه‌های  اینترنت اشیاء تا چه حد در معرض خطر هستند، امنیت به یک نگرانی و بحث اصلی برای هر شبکه هوشمندی تبدیل شده است. زیرا دستگاه های در معرض خطر می توانند برای حمله به شبکه‌های دیگر مورد استفاده قرار گیرند و منجر به اختلال در خدمات ضروری یا امنیت عمومی شوند.

وجه تمایز اصلی Wi-SUN نسبت به رقبایش، یکپارچه‌سازی زیرساخت کلید عمومی (PKI) بومی آن است که قابلیت صدور گواهینامه امنیتی را برای هر دستگاه در شبکه فراهم می کند. این ویژگی تضمین می‌کند که دستگاه‌ها نمی توانند به طور مخرب دوباره برنامه‌ریزی شوند و همچنین اعتبار فایل‌های دریافتی برای بروزرسانی سیستم عامل را تایید می‌کند.

یکی دیگر از ویژگی‌های برجسته Wi-SUN، پشتیبانی از IPv6 و تمام ویژگی‌های امنیتی شبکه مرتبط مورد استفاده در اکوسیستم شبکه اینترنت، مانند تشخیص نفوذ، شکل‌دهی ترافیک، تجزیه و تحلیل شبکه و تست نفوذ است. این به شبکه Wi- SUN  اجازه می‌دهد تا احتمال حملات denial-of-service (DOS) را کاهش دهد و همچنین دید شبکه را تا دستگاه‌های نهایی به بهترین شکل ممکن حفظ کند.

البته راهکارهایی برای ایجاد این سطح از امنیت در LoRa و NB-IoT نیز وجود دارد، اما پیش‌بینی و پیاده‌سازی این راهکارها در استانداردهای مربوط به تجهیزات Wi-SUN ، موجب یکپارچگی و استفاده بسیار ساده‌تر از آن، در مقیاس‌های بالا شده است.

بهینه سازی مصرف توان:

بسیاری از دستگاه‌ها به برق مستقیم دسترسی ندارند و لذا نیاز به باتری دارند. به این ترتیب، برای اطمینان از عمر طولانی باتری، نیاز به دستگاه‌های کم مصرف داریم. اما مصرف انرژی کمتر می‌تواند با کاهش

عملکرد همراه باشد. فناوری شبکه‌‌های دوربرد توان پایین یا شبکه‌های LPWAN ، امکان اتصال دستگاه‌ها در محدوده‌ای وسیع، با مصرف توان (باتری) کم، که می توانند چندین سال دوام بیاورند، را فراهم می‌کند.

با این حال، انتخاب پروتکل در کنار الزامات نرخ ارسال پیام، تعیین می‌کند که سه سال یا 10 سال از باتری استفاده کنید. از طرفی برخی از فناوری‌های اینترنت اشیاء برای حفظ عمر باتری، کمتر گوش می‌دهند و اکثرا در حالت استراحت به سر می برند و این برای دستگاه هایی که نیاز به دریافت دستورات لحظه ای دارند، قابل قبول نمی‌باشد.

با این توضیحات، میزان مصرف انرژی را در هر یک از این سه فناوری بررسی می کنیم:

Wi-SUN: دستگاه‌ها Wi-SUN  را می‌توان برای ارتباطات مکرر با تأخیر کم طراحی کرد، که کمتر از 2 میکروآمپر هنگام استراحت، و مهم تر از آن حدود 8 میلی‌آمپر هنگام گوش دادن جریان کشی دارند. همچنین در هنگام ارسال در +10 dBm کمتر از 14 میلی‌آمپر جریان می‌کشد. تأخیر کم قابلیت ارسال دستورات لحظه ای را فراهم می کند، و لازم نیست منتظر بمانید تا دستگاه ها بیدار شوند و پیام هایی را از شبکه دریافت یا ارسال کنند.

LoRa: دستگاه‌های LoRa معمولاً برای ارتباطات با تاخیر طولانی‌تر، طراحی می‌شوند. حدود 2 میکروآمپر در حالت استراحت مصرف جریان دارند، اما هنگام گوش دادن، 50 درصد بیشتر از Wi-SUN ، یعنی حدود 12 میلی‌آمپر جریان کشی دارند. تأخیر طولانی تر آنها، توانایی دستگاه برای دریافت دستورات درخواستی را به خطر می اندازد.

NB-IoT: دستگاه های NB-IoT برای ارتباطات نادر طراحی شده اند. همچنین مصرف انرژی نسبی بسیار بیشتری نسبت به دو تکنولوژی دیگر دارند. حداکثر جریان آن حدود 120 تا 300 میلی‌آمپر و جریان حالت استراحت آن حدود 5 میکروآمپر ذکر شده است.

مقیاس پذیری:

بزرگترین شبکه‌های اینترنت اشیاء تا پنج سال آینده کوچک به نظر می‌رسند. این بازاری است که ده‌ها سال از اشباع واقعی فاصله دارد و می‌توان سرمایه‌گذاری‌های اولیه را تا میزان زیادی گسترش داد. لذا، توانایی رشد یک شبکه یک ملاحظه حیاتی است که باید در نظر گرفته شود:

Wi-SUN: شبکه مش Wi-SUN هم از نظر ظرفیت و هم از نظر اندازه مقیاس‌پذیر هستند. با توجه به پهنای باند بالایی که این تکنولوژی دارد، توانایی اضافه کردن برنامه‌های کاربردی جدید را بر اساس نیازهای عملیاتی، در آینده فراهم می‌کند. همچنین با نگاه به توپولوژی مش، متوجه خواهیم شد که با اضافه شدن تعداد گره‌ها، قابلیت اطمینان شبکه نیز بهبود می‌یابد. با توجه به استقرار موفقیت آمیز این فناوری در پنج قاره دنیا، متوجه می‌شویم که Wi-SUN در محیط‌های شهری و روستایی عملکرد بسیار خوبی داشته است.

LoRa: استفاده از توپولوژی ستاره در شبکه‌های مبتنی بر LoRa، ممکن است منجر به لزوم نصب گیت‌وی‌های جدید برای حل نقاط سیاه شود. لذا نگرانی‌هایی وجود دارد که در محیط‌های شهری متراکم با تعداد زیادی دستگاه‌های LoRa در همسایگی یکدیگر، تداخل یک چالش مهم برای توسعه این شبکه‌ها در آینده باشد.

NB-IoT: نیاز به فراهم کردن زیرساختهای مورد نیاز توسط اپراتورهای شبکه موبایل، بزرگترین عامل محدود کننده برای پذیرشNB-IoT است. مشتریان باید منتظر اپراتورهای شبکه موبایل بمانند تا پوشش شبکه تکمیل شود، و تجربه قبلی 3G و 4G نشان می‌دهد که این می‌تواند بسیار کند و تکه تکه انجام شود. از طرفی حتی ممکن است که اپراتورها توسعه شبکه‌های مبتنی بر LPWAN را در اولویت قرار ندهند بر گسترش فناوری سودآورتر 5G تمرکز کنند. لذا بررسی مقیاس‌پذیری  NB-IoTتا حد زیادی امکان‌پذیر نمی‌باشد.

نتیجه گیری:

Wi-SUN یک پروتکل شبکه مش است که برای ارتباط ماشین به ماشین (M2M) در مقیاس‌های بزرگ در شبکه های هوشمند انرژی طراحی شده است. شبکه های Wi-SUN بسیار مقیاس پذیر، ایمن و دارای توان عملیاتی بالاتر و تأخیر کمتری نسبت به دو تکنولوژی دیگر هستند و لذا برای کاربردهایی که نیاز به پهنای باند بالا و اتصال بلادرنگ دارند، بسیار ایده‌آل خواهد بود. از سوی دیگر لورا برای برنامه هایی که نیاز به انتقال داده‌ها با سایز کوچک و توان مصرفی کم در مسافت های طولانی‌تر را دارند، ایده آل است. این ویژگی ها لورا را برای سنسورها و محرک هایی که در حالت کم مصرف کار می کنند مناسب می‌کند. NB-IoT نیز با توجه به عمق نفوذ و قابلیت اطمینان بالایی که دارد، می تواند برای کاربردهای شبکه هوشمند انرژی مناسب باشد اما با توجه به اینکه ایجاد زیرساخت مناسب، وابسته به اپراتورهای شبکه موبایل می باشد، شاید نسبت به دو رقیب خود، در رتبه سوم قرار بگیرد.

همان طور که مشاهده می‌شود، هر تکنولوژی مزایا و معایب خاص خود را دارد و انتخاب فناوری مناسب، وابسته به کاربرد و نیاز شما می تواند متفاوت باشد، اما بصورت کلی در بسیاری از موارد شرایط به نفع Wi-SUN  است. در کنتور برق، تعداد پارامترهایی که در هر بار قرائت به سرور ارسال می‌شود نسبت به کنتور آب و گاز بیشتر و بازه‌های زمانی قرائت نیز کوتاه‌تر است، بطوری که در کنتور برق طبق درخواست کارفرما پارامترهای اندازه گیری شده بصورت هر یک ربع یک بار جمع‌آوری می‌شود. نکته حائز اهمیت دیگر این است که در کنتور برق مشکلی بابت تامین انرژی وجود ندارد و برای تامین توان مستقیما به برق شهری دسترسی خواهیم داشت، در حالیکه کنتور آب و گاز توسط یک باتری کوچک باید کار کنند. از طرفی طول بسته‌ها در کنتور برق معمولا بزرگتر از 100 بایت است، لذا استفاده از LoRa توصیه نمی‌شود. بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که تکنولوژی Wi-SUN به تنهایی در تمام حوزه‌ها، پاسخگوی نیاز صنعت و شبکه‌های هوشمند انرژی خواهد بود.

 ‌

نویسنده: مجتبی سعیدی
منتشر شده در نشریه امواج برتر چاپ شماره 105