بررسی شبکه های اینترنت اشیا و چالش های پیش روی آن

اینترنت اشیا آمده است تا زندگی بشر را در همه ابعاد دگرگون سازد. این پارادایم نوین میتواند در رفع بسیاری از چالش های اساسی بشر از جمله انفجار جمعیت، بحران انرژی و آلودگی های زیست محیطی یاری بخش باشد. با وجود این چشم انداز امیدبخشی، طراحی و پیاده سازی شبکه هایی برای اتصال اشیا در مقیاس مکانی گسترده و با مصرف انرژی محدود، خود یک چالش به شمار می آید. در این راستا شبکه های گسترده کم توان (Low Power Wide Area Networks یا به اختصار LPWAN) ارائه شدهاند که در این نوشتار ویژگی های آنها را بررسی خواهیم کرد.

ضرورت شکل گیری
برای شروع بحث بد نیست به ویژگی های شبکه های مخابرات سلولی (شبکه موبایل) نگاهی داشته باشیم و ببینیم این شبکه ها برای اینترنت اشیا کاملا مناسب هستند یا خیر. شبکه های موبایلی برای تامین نیاز روزافزون بشر به انتقال حجم زیادی از اطلاعات به صورت بی سیم پدید آمده اند و هزینه (و به تبع آن مصرف انرژی) در اولویت اول طراحی قرار نداشته است. در واقع، کاربران برای رفاه و آسایش خود حاضرند بهای نصب تجهیزات را به اپراتورها بپردازند و مصرف انرژی زیاد را تحمل کنند. اما در اینترنت اشیا هدف چیز دیگری است: نخست اینکه اشیا میخواهند محیط پیرامون خود را حس یا تغییری در آن ایجاد کنند که برای این منظور معمولاً نرخ بالایی مورد نیاز نیست. همچنین، با توجه به تعداد زیاد اشیا هزینه نصب و پیاده سازی نباید زیاد باشد. در نتیجه، شبکه های LPWA با این اهداف طراحی شده اند. پیشبینی شده است که در آینده، یک چهارم از ۳۰ میلیارد دستگاه متصل به اینترنت اشیا از این شبکه ها برای تبادل اطلاعات استفاده کنند. در این شبکه ها چند ویژگی خاصی مشاهده می شود که در سایر شبکه های بی سیم اگرچه ممکن است برخی از آنها برقرار باشند، اما مجموعه کامل این ویژگیها موجود نیست. در ادامه این ویژگی ها بیان خواهد.

۱- برد جغرافیایی در حدود چند کیلومتر تا ده ها کیلومتر که نه تنها هزینه نصب زیرساخت را کاهش میدهد، بلکه برای اشیا تحرک بدون دردسر را فراهم می سازد. این قابلیت به خصوصی در کاربردهایی مثل مانیتورینگ گونه های حیوانات در حال انقراض در طبیعت برجسته است. در این کاربرد، حسگرهایی به حیوانات در حال انقراضی متصل می شود تا از مکان و سلامتی آنها اطلاع کافی حاصل شود. حیوانات در طبیعت از نقطه ای به نقطه دیگر حرکت می کنند و نصب تعداد زیادی آنتن در طبیعت یک اقدام مخرب به شمار می آید.

۲- عمر باتری ده سال یا بیشتر که بدیهی است هزینه نگهداری مجموعه را کاهش می دهد و یک ویژگی ضروری برای کاربردهایی است که دسترسی به اشیا در انها دشوار یا غیرممکن است، از جمله تجهیزات حوزه سلامتی. برای مثال نمی توان باتری حسگری را که در قلب بیمار تعبیه می شود، عوض کرد. آنها را بررسی خواهیم کرد.

۳- هزینه نصب و نگهداری ناچیز به عنوان یک ضرورت برای موفقیت تجاری شبکه های LPVVA. در واقع لازم است هزینه کارت شبکه هر شیء متصل به شبکه در این مجموعه در حد چند دلار باشد. همچنین برقراری ارتباط نیز باید هزینه ناچیزی داشته باشد. ۴- مقیاس پذیری بالا برای توانایی سرویس دهی به تعداد انبوه اشیا متصل به شبکه. برای مثال در یک خانه هوشمند ممکن است پنج نفر زندگی کنند، اما ده ها دستگاه مختلف به شبکه متصل باشند. در بخش بعدی به برخی راهکارها در جهت برآورده سازی ویژگیهای ذکر شده اشاره خواهد شد.

راهکارهایی برای ایجاد LPWAN

برای ایجاد برد جغرافیایی وسیع، معمولا از فرکانس زیر ۱ گیگاهرتز استفاده می شود. بسیاری از فناوری های بی سیم از فرکانس های بالاتر کار می کنند. هرچه فرکانس کاری افزایش یابد، نرخ افزایش می یابد و در عین حال تضعیف بیشتر خواهد شد. ممکن است خوانده باشید که تمایل به فرکانس های خیلی بالا – حتی فرکانس های در حد چند ده گیگاهرتز – رو به گسترش است. این دو رویکرد منافاتی با یکدیگر ندارند و ناشی از دو کاربرد متفاوت هستند: یکی برای ایجاد ارتباط با نرخ بالا در فواصل کم و دیگری برای ارتباط نرخ پایین در فواصل بسیار زیاد. در شکل ۱، مقایسه ای از نظر پهنای باند (محور عمودی) و برد جغرافیایی (محور افقی) بین فناوری های مختلف ارتباط بی سیم مشاهده می شود. به جایگاه LPWAN در این نمودار دقت کنید. نماد 2G تا 5G شبکه های موبایل نسل دوم تا پنجم را نشان میدهد و 802.11 همان استاندارد و ایفای است.

برای دستیابی به مصرف توان پایین نیز تدابیری اندیشیده شده است. یکی اینکه همه دستگاه ها مستقیم به ایستگاه پایه (BS) متصل شوند، چراکه ارتباطات به صورت چندگامی انرژی زیادی را مصرف می کند. یادآوری می شود در ارتباطات چند گامی هر دستگاه باید در انتقال اطلاعات دستگاه های دیگر نیز مشارکت کند. بنابراین، توپولوژی شبکه های LPWAN به صورت ستاره ای است که ایستگاه پایه در مرکز آن قرار دارد. راهبرد دیگر برای محدودسازی مصرف توان در LPWAN استفاده از تکنیک چرخه کار است، بدین معنا که بخش مخابراتی دستگاه ها تنها در زمان تبادل اطلاعات روشن می شوند که کاهش مصرف انرژی را در پی خواهد داشت. البته هماهنگی میان ایستگاه پایه و اشیا برای از دست نرفتن اطلاعات ارسال شده از سوی ایستگاه پایه لازم است.

در LPWAN پروتکل های ساده ای برای مدیریت دسترسی به کانال لازم است و پروتکل هایی که بر مبنای تشخیص آزاد بودن کانال قبل از ارسال عمل می کنند، بیش از حد پیچیده هستند. برخی از راهکارهایی که در این حوزه تعریف شده است، از مکانیسم ساده ALOHA بهره می برند که در توضیح آن باید گفت دستگاه ها در هر زمان که دادهای آماده برای ارسال داشته باشند، بدون ملاحظه وضعیت کانال آن را ارسال می کنند. اگر تصادمی رخ داد، پس از چند لحظه دوباره آن را ارسال می کنند تا درنهایت موفق شوند. این شیوه بازدهی کمی دارد، اما ساده است و چون نیاز به بررسی وضعیت کانال ندارد، مصرف انرژی کمی دارد. یک راهکار دیگر برای کاهش مصرف توان در اشیا، انتقال برخی پردازش های سنگین به نقطه مرکزی در شبکه است. برای مثال، تعیین پارامترهای ارتباطی نظیر کانال فرکانسی بر عهده ایستگاه پایه قرار بگیرد. البته گاهی انجام پردازشی در اشیا به صرفه است، چراکه معمولاً محاسبات انرژی کمتری نسبت به تبادل اطلاعات نیاز دارد. اینکه پردازش اولیه اطلاعات در دستگاه انجام شود یا اطلاعات کاملاً خام فرستاده شود، پاسخ قطعی ندارد و به کاربرد وابسته است. محدود نگه داشتن هزینه نیز هنر مهندسان را می طلبد. روش های کاهش مصرف انرژی می تواند برای این منظور مفید باشد، زیرا انرژی بدون صرف هزینه به دست نمی آید. کاهش تعداد ایستگاه های پایه که با تکنیک های افزایش برد جغرافیایی شبکه حاصل می شود، یک رویکرد دیگر برای مدیریت هزینه راه اندازی سیستم است. درنهایت باید به فضای فرکانسی اشاره کرد که یکی از هزینه های اصلی در شبکه های بی سسیم به حساب می آید. در فناوری های موجود معمولاً از فرکانس های آزاد استفاده می شود که نیاز به خرید مجوز ندارد، اما گاهی استفاده از فرکانس انحصاری در کاهش تداخل و رفع مشکلات بعدی مؤثر است. در بخش بعدی فرکانس کاری برخی از محصولات موجود در این حوزه را بیان خواهیم کرد. برای مقیاس پذیری شبکه به میزان مورد نیاز لازم است ایستگاه های پایه ای بتوانند از طیف وسیعی از تجهیزات پشتیبانی کنند. بنابراین ارتباطات چند آنتنه و چندکانال مطلوب است.

همچنین دستگاهها نیز در صورت پشتیبانی از تغییر فرکانس یا توان، می توانند روی فرکانس یا توان بهینه تنظیم شوند. البته این رویکرد موجب پیچیدگی دستگاه ها می شود و هزینه را افزایش میدهد و یک نقطه مصالحه بین مقیاس پذیری و سادگی مطلوب است. در نهایت باید به تراکم بسیار زیاد در اینترنت اشیا اشاره کرد که یک عامل محدودکننده برای مقیاس پذیری به شمار می آید. این مسئله همچنان یک چالش محسوب می شود و بعداً آن را بررسی خواهیم کرد. در بخش بعدی به برخی فناوری هایی که به عنوان LPWAN تعریف شده اند، اشاره خواهیم کرد و مقایسه ای بین آنها خواهیم داشت.

فناوریهای مرسوم

فناوری های مرسوم برای ایجاد شبکه های LPWAN به دو دسته انحصاری و فناوری های باز (استاندارد) تقسیم می شوند. این راهکارها را میتوان از جنبه های مختلف نظیر فرکانس کاری، نرخ، برد جغرافیایی، تعداد کانال و بسیاری موارد دیگر مقایسه کرد. در این بخش تنها چند نمونه را برای آشنایی بررسی خواهیم کرد. در دسته اول، فناوری SIGFOX قابل ذکر است که با ایجاد یک مجموعه ایستگاه پایه، به صورت رادیو شناختی از فرکانس های آزاد زیر یک گیگاهرتز بهره می برد. بازه فرکانسی این فناوری برابر ۱۰۰ هرتز است که موجب کاهش نویز و تداخل می شود و در عین حال نرخ حداکثر ۱۰۰ بیت بر ثانیه را فراهم می کند. مسلما این نرخ تنها برای کاربردهای کنترلی مناسب است. همچنین در حالت ارتباط فراسو (از اشیا به مرکز) تنها ۱۴۰ عدد پیغام ۱۲ بایتی در طول شبانه روز قابل ارسال است. برد ایستگاه های SIGFOX نیز ۱۰ کیلومتر برای نواحی شهری و ۵۰ کیلومتر برای نواحی روستایی است. LORAWAN یک فناوری لایه فیزیکی است که از تکنیک طیف گسترده انحصاری خود بهره می برد. در این تکنیک، طیف فرکانسی سیگنال پخش می شود تا در برابر تداخل مقاوم باشد. با این فناوری نرخ حداکثر ۳۷٫۵ کیلوبیت بر ثانیه قابل دستیابی است و برد آنتن آن ۵ و ۱۵ کیلومتر به ترتیب برای نواحی شهری و روستایی است که نسبت به SIGFOX خیلی کمتر است. نهادهای استانداردسازی همچون IEEE و 3GPP نیز پیشنهادهایی برای ایجاد شبکه های PWA با ارائه کرده اند. یکی از گزینه ها که توسط 3GPP ارائه شده است، استاندارد NarroWBand IOT (یا به اختصار NB-LOT) است که از نام آن مشخص است برای اینترنت اشیا طراحی شده است. همچنین عبارت NarroWBand به محدود بودن باند فرکانسی اشاره دارد. در واقع، این فناوری از فضاهای خالی یا بدون استفاده در بازه فرکانسی مورد استفاده در نسل چهارم شبکه های موبایل (LTE) بهره می برد. در شکل ۳ فضای فرکانسی شبکه LTE را به همراه NB-IOT نشان میدهد.

در قسمت بالا از فضای محافظ بین دو کانال مختلف استفاده شده است، اما در قسمت پایین اطلاعات روی همان فرکانسی کاربران شبکه موبایل ارسال می شود که مدیریت تداخل را ضروری میسازد. فناوری های دیگری (چه از نوع انحصاری و چه استاندارد) موجود است که بررسی آنها از حوصله این متن خارج است.

چالش های موجود

یکی از تفاوتهای اینترنت اشیا با شبکه های بی سیم مرسوم، تراکم کاربران آنها است. در ابتدای متن به این موضوع اشاره کردیم که تراکم تجهیزات متصل به شبکه در اینترنت اشیا می تواند ده ها برابر یک شبکه با کاربران انسانی باشد. یکی از تبعات این ویژگی، بروز تداخلی شدید به خصوصی در شبکه های با فرکانسی غیر انحصاری است. راهکارهای متنوعی در این زمینه تحت بررسی و ارزیابی است که می توان به دسترسی به پهنای باند فرصت طلبانه، پرش فرکانسی و ایستگاه های پایه با چند مودم اشاره کرد. یکی دیگر از چالش های موجود، رقابت شدید بین تولیدکنندگان مختلف است که به تولید محصولات متنوع و ناسازگار منجر خواهد شد. دو راهکار اساسی برای ایجاد سازگاری میان محصولات مختلف، تکنیک مجازی سازی و استفاده از میان افزار است. یکی دیگر از موضوعاتی که هنوز به نتیجه قابل قبول نرسیده است، مکان یابی اشیا در شبکه های LPWA است. مکان یابی معمولا با بررسی مشخصات سیگنال دریافتی و زمان انتشار سیگنال انجام می شود که با توجه به محدود بودن پهنای باند و نبود مسیر مستقیم بین دستگاهها و ایستگاه پایه یک چالش واقعی در LPWAN به شمار می  آید. امنیت نیز در همه شبکه ها یک چالش به شمار می آید، به خصوص در شبکه های LPWA که قرار است کم هزینه باشند و بنابراین پروتکل های ساده تر برای احراز اصالت و رمزگذاری مطلوب است. مطالعه ای که روی فناوری SIGFOX و LORAWAN انجام شده است، نشان میدهد اطلاعات در این دو فناوری اصلاً رمزگذاری نشده و شنود آن کاملاً امکان پذیر است.

سخن آخر
برای هر مسئله ای که در دنیای فناوری مطرح می شود، پاسخی متناسب با ان را باید ارائه کرد. اینترنت اشیا نیز یکی از مسائلی است که نیاز به تدبیر و چاره اندیشی مهندسان شبکه دارد. در واقع، اهدافی که در اینترنت اشیا مد نظر است، در بسیاری از زمینه ها با اهداف شبکه های مرسوم همخوانی ندارد و از این بابت یک مسئله جدید به شمار می آید. نرخ تبادل اطلاعات، مصرف انرژی، هزینه پیاده سازی و گستره جغرافیایی شبکه از جمله مواردی است که باید در طراحی شبکه های مختص اینترنت اشیا مورد توجه قرار داد. شبکه های گسترده کم توان از جمله راهکارهایی هستند که برای اینترنت اشیا ارائه شده اند و در این نوشتار مورد بررسی قرار گرفت و تلاش شد تفاوت آن با سایر شبکه ها مشخص شود

منبع: ماهنامه شبکه