دور شبكات الإتصال في نجاح تطبيقات إنترنت الأشياء

تعتبر شبكات الطاقة المنخفضة واسعة النطاق (LPWAN) الحل المثالي لتطبيقات إنترنت الأشياء التي تتطلب التواصل لعشرات الكيلومترات، والعيش على البطارية لعدّة سنوات، واستيعاب الأعداد الضخمة من الأجهزة مع توفير مستوى حماية عالي، وجميع الشبكات صُممت لخدمة تطبيقات إنترنت الأشياء، ومن أبرزها (NB-IoT)، (LoRaWAN) و(SigFox). 

تمتلك (SigFox) و(LoRaWAN) مميزات من حيث عمر البطارية، وسعة الشبكة وقلّة التكلفة، وأما جودة الخدمة وسرعة الاستجابة القصيرة فهي من نصيب شبكة (NB-IoT)، ومعظم تلك التقنيات ظهرت مؤخرًا، والواقع أنها لم تصل بعد إلى مرحلة الاستقرار والموثوقية في عملية تشغيلها وإدارتها، وفي هذه المقالة نسلط الضوء على الدور الحيوي للشبكات اللاسلكية في تطبيقات إنترنت الأشياء بإعتبارها حلقة الوصل التي تربط الأجهزة بالمستخدم النهائي، والمشاكل المرتبطة بالاختيار الخاطئ التي قد تسبب الفشل المبكر للمشروع.

الحاجة لشبكات اتصال جديدة

من خصائص تطبيقات إنترنت الأشياء أن معظمها ترسل بيانات قليلة لا تتجاوز عدّة بايتات، وتعيش على البطارية لعدّة سنوات وترسل البيانات لمسافات بعيدة؛ ونتيجة لذلك نشأ سوق جديد لإنترنت الأشياء في السنوات الأخيرة حيث أدى إلى إنشاء تنظيمات وقوانين جديدة، ونماذج عمل وتقنيات مصمّمة خصِّيصًا لتلك التطبيقات. 

ولو حللنا معمارية إنترنت الأشياء كما هي موضحة في الرسم التوضيحي 1، سوف نلاحظ أن تقنيات الإتصال اللاسلكية التي تربط الأجهزة هي المجال الجديد المتعدد التقنيات؛ حيث تعرف تلك بشبكات الطاقة المنخفضة واسعة النطاق (Low-power wide area network - LPWAN).

رسم توضيحي 1: معماريه إنترنت الأشياء

المواصفات الرئيسية لشبكات (LPWAN):

معظم مشاريع إنترنت الأشياء في شتى المجالات تأتي بمتطلبات من الصعب تحقيقها باستخدام الشبكات الحالية مثل الواي فاي وشبكات الجوال؛ ونتيجة لذلك ظهرت الحاجة لنوع جديد من الشبكات والبروتوكلات لتمكين الأجهزة من تحقيق جميع المتطلبات والوظائف المختلفة، ولعل أبرز ما يميّز شبكات الطاقة المنخفضة واسعة النطاق هو الآتي [1]:

- استهلاك قليل للطاقة: أكثر ما يقلِّل عمر البطارية هو إرسال واستقبال البيانات وليس استهلاك الحساسات والمعالج، ومع وجود تقنيات (LPWAN) يمكن لبطارية الجهاز أن تعيش لعدّة سنوات.

- الإرسال لمسافات بعيدة: تُمكن تلك الشبكات الأجهزة من التواصل لمسافات طويلة قد تصل إلى عشرات الكيلومترات، والسبب أنّها تعمل في نطاق أقل من واحد جيجا هرتز [2].

- قليلة التكلفة: تكلفة الاشتراك أو بناء شبكة خاصة أو شراء العتاد منخفضة مقارنة بنظيراتها فمثلًا: سعر اشتراك جهاز واحد في شبكة (NB-IoT) في السعودية يكلف ما يقارب ستين ريال سعودي سنويًّا.

- معدّل نقل البيانات منخفض: لا تحتاج الأجهزة والحساسات إلى سرعات عالية لنقل البيانات، وتتراوح السرعات تقريبًا في شبكات (LPWAN) من 100 بت في الثانية إلى 158 ألف كيلوبت في الثانية [5] [4] [3].

- قابليّة التوسّع (scalability): العديد من الإحصائيات توقعت أن يصل عدد الأجهزة المتصلة بالمليارات خلال السنوات المقبلة [6]، وتعتبر شبكات (LPWAN) مُمكّن رئيسي لأنها صُممت على إستيعاب هذا العدد الضخم من الأجهزة وهذا على عكس الشبكات الحالية مثل: شبكات الجوال التي تستوعب آلاف الأجهزة فقط.

ولعل من أشهر التطبيقات هي المدن الذكية، فلو افترضنا أنّنا نريد التحكم بحاويات النفايات ومراقبتها وكانت المتطلبات أن يعيش الجهاز على البطارية لمدة لا تقل عن ثلاث سنوات ويرسل حوالي أربعون قراءة في اليوم، وبمقارنة بين أنواع الشبكات سوف نجد أن اختيار إحدى تقنيات (LPWAN) أفضل من الواي فاي والبلوتوث على سبيل المثال؛ والسبب أنّها لن تستطيع تحقيق جميع المتطلبات من عمر البطارية والمقدرة على توصيل البيانات لوجهتها النهائية.

أبرز التقنيات 

معظم تقنيات (LPWAN) ظهرت في الخمس سنوات الأخيرة حيث يوجد بالسوق العديد من التقنيات التي تستهدف تطبيقات عامة أو خاصة كالتي تتطلب وقت استجابة قصير جدًّا (low latency). الشكل رقم 1 يوضح الفرق بين الشبكات بناءً على رخصة الطيف الترددي، حيث تنقسم إلى شبكات تحتاج إلى رخصة لاستخدام الطيف الترددي مثل شبكات الجوال، والنوع الآخر مفتوح للعامة بضوابط محددة، النوع الأول يضم شبكة (NB-IoT) التي تعتبر امتدادًا لشبكات الجوال (GSM)، وتعتبر (LoRaWAN) و(SigFox) الأشهر في النوع الثاني. 

رسم توضيحي 2: أبرز تقنيات (LPWAN)

تعتبر شبكة (LoRaWAN) من أكثر تقنيات (LPWAN) انتشارًا في العالم؛ نظرًا للدعم التي تحظى فيه من كبرى الشركات العالميّة والمطورين[7] ، وفي عام 2016 أصدر تحالف (LoRa-Alliance) المقاييس والتنظيمات الخاصّة بالشبكة، والجدير بالذكر هُنا أنها مبنية على تقنية (LoRa) التي تُعد نوعًا من أنواع التضمين (Modulation) وأمّا (LoRaWAN) فهي طبقة البروتكولات التي تنظم إرسال وإستقبال البيانات وبناء وادارة البنية التحتية وغيرها [8]، وتتميز الشبكة بأنها مفتوحة المصدر بالكامل وبإمكان الشركات أو الأفراد بناء شبكتهم الخاصة، ومن الممكن استخدامها في الأجهزة التي تتطلب سرعة استجابة قصيرة (real-time and low latency). بالإضافة إلى أنه من الممكن للأجهزة أن ترسل وتستقبل البيانات عبر الأقمار الصناعيّة [9].

إن شبكة ((SigFox الفرنسية مصممة لخدمة الأجهزة التي ترسل عدّة قراءات باليوم مثل عدادات الكهرباء الذكيّة [4]، وهي تستهدف ما يقارب 90% من تطبيقات إنترنت الأشياء، ويتضمن نموذج عمل الشركة بأنها تقوم ببناء وإدارة البنية التحتيّة بالكامل، وتوفر وسيلة الاتصال كخدمة (CaaS)، بالإضافة إلى أنّها أتاحت مؤخرًا البروتكول الخاص بالأجهزة، وأمّا بروتكول أبراج الشبكة يبقى مغلق المصدر، بالإضافة إلى أنه من الممكن للأجهزة أن ترسل وتستقبل البيانات عبر الأقمار الصناعيّة [10] .

في عام 2016 أصدرت منظّمة (3GPP) المقاييس الخاصة بشبكة (NB-IoT) التي تعتبر امتدادًا لشبكات الجوال المتنقلة (GSM)؛ حيث يقوم كل مشغل للشبكة ببناء وإدارة البنية التحتيّة [11]، ولعل الميزة التي تتفوق فيها على نظيراتها أنه يمكن ضمان جودة الخدمة أو الشبكة (QoS) والحد من أي تداخل أو تشويش للإتصالات، والسبب الرئيسي أنها تعمل في نطاق الطيف الترددي الخاص بمشغل الشبكة.

مقارنة بين الشبكات الثلاثة:

جميع الشبكات الثلاثة صُممت لخدمة تطبيقات إنترنت الأشياء، وتشترك في المواصفات الآتية: 

- التواصل عبر مسافات بعيدة تصل لعشرات الكيلو مترات

- استهلاك منخفض للطاقة

- تغطية عميقة للشبكة داخل المباني أو تحت الأرض

- طوبولوجيّة الشبكة على الشكل النجمي (star topology) وانتشار واسع حول العالم

وفي الجدول الأول، مقارنة لأهم المواصفات الفنيّة بين الشبكات الثلاثة [3][4][5]:

جدول 1: مقارنة المواصفات الفنيّة بين الشبكات الثلاثة

المعايير لإختيار شبكة لاسلكية:

إن عمليّة الاختيار تتكون من شق يتعلق بالجوانب الفنيّة وشق آخر يرتبط بالجانب التجاري، والخطوة الأولى هي تحليل وفهم وظائف ومتطلبات التطبيق، ويجب أن يشمل كيفيّة استخدام الأجهزة من قبل المستخدم النهائي، فعلى سبيل المثال: من أشهر تطبيقات الخدمات اللوجستيّة هي تتبع الحاويات العابرة عبر البحار، وهذه النوعيّة من التطبيقات تعطي أفضليّة لاختيار شبكة (SigFox) لأنها شبكة عالمية وتُدار من مشغل شبكة واحد، والجدول الثاني يحتوي على أبرز المعايير لاختيار إحدى تقنيات (LPWAN) لاستخدامها في تطبيقات إنترنت الأشياء:

جدول 2: معايير مساعدة على اختيار الشبكة اللاسلكية

الاستنتاجات:

إنَّ قرار اختيار شبكة الاتصالات المناسبة في مشاريع إنترنت الأشياء يُعتبر من أصعب القرارات وذلك بحسب تقرير أصدرته شركة ليبيلوم الأسبانية الرائدة في المجال [12]؛ حيث اعتبر 78% تقريبًا من المشاركين بأنّ اختيار الشبكة اللاسكليّة من أصعب القرارات، وفي واقع الأمر تتعدد المشاكل والتأثيرات في حالة الاختيار الخاطئ لتشمل أبعاد غير تقنيّة، وهنا نلخص لكم أبرز هذه التأثيرات:

- عدم قدرة الشبكة على استيعاب المزيد من الأجهزة (Scalability).

- ضعف مستوى الأمان في الشبكة خصوصًا في التطبيقات الحساسة.

- التشويش وتداخل الاتصالات بسبب ازدحام الطيف الترددي مثل استخدام (LoRaWAN) في أماكن عامّة.

- عدم اكتمال المقاييس والتنظيمات الخاصّة ببعض الشبكات.

- التأثير السلبي على الجانب التجاري.

ختامًا... لا توجد شبكة لاسلكية واحدة تخدم جميع تطبيقات إنترنت الأشياء، بل لكل تطبيق توجد واحدة على الأقل.

خالد سالم الجهني

المصادر

1. A technical overview of LoRa® and LoRaWAN™
2. Sub-1 GHz long-range communication and smartphone connection for IoT applications
3. LoRaWAN™ 1.0.3 Regional Parameters
4. Sigfox Technical Overview
5. Quectel BG95 Series LTE Cat M1/ Cat NB2/ EGPRS Module
6. The Internet of Things How the Next Evolution of the Internet Is Changing Everything
7. Major Brands Join the LoRa Alliance® at Leadership Levels Confirming Continued Momentum for LoRaWAN® as the Global De Facto LPWAN Standard
8. LoRaWAN 1.1 Specification
9. The Things Network to provide LoRaWAN® Satellite connectivity for evaluation in 2020
10. Admiral LEO World-wide coverage service of satellite and terrestrial IoT
11. Standardization of NB-IOT completed
12. IoT Survey: key concerns and barriers to develop successful projects