مروری بر فناوری‌های ارتباط بی‌سیم در اینترنت اشیاء

برای پشتیبانی از ارتباطات بی‌سیم در اینترنت اشیاء، از فناوری‌های ارتباط بی‌سیم مختلفی استفاده می‌شود. به طور خاص فناوری‌های ارتباط بی‌سیم اینترنت اشیاء بر اساس دامنه پوشش به سه دسته‌ی کوتاه برد (کارایی آن‌ها در فاصله کمتر از ۱۰ متر است)،  میان برد (برد مفید آن‌ها بین ۱۰ تا ۵۰۰ متر است)، دور برد (برد آن‌ها بیشتر از ۵۰۰ متر است) تقسیم می‌شوند.

فناوری‌های کوتاه برد

فناوری Radio Frequency Identification (RFID)

فناوری Electronic Product Code (EPC)

فناوری Unique IDentifier (UID)

فناوری Near Field Communications (NFC)

یک فناوری ارتباط بی‌سیم برای ارتباط بین دو دستگاه با فاصله کمتر از ۴ سانتی‌متر است. این فناوری یک اتصال با نرخ انتقال اطلاعات کم و با تنظیم ساده دارد که می‌توان از آن برای راه‌اندازی یک اتصال با فناوری ارتباطی از نوع دیگر استفاده کرد. فناوری NFC، می تواند برای کمک به شناسایی هویت (برای مثال یک کارت شناسایی و یا یک کلید الکترونیکی) استفاده شود. همچنین از فناوری NFC می‌توان در سیستم‌های پرداخت بدون تماس (CTLS) مانند بلیط‌های الکترونیکی یا کارت‌های بانکی هوشمند استفاده نمود. از فناوری NFC، می‌توان برای به اشتراک‌گذاری فایل‌های کوچک مانند لیست مخاطبین استفاده نمود. فناوری NFC، مبتنی بر اتصال القایی یا مغناطیسی بین دو آنتن دو دستگاه NFC است. فناوری NFC از فرکانس ۱۳/۵۶ مگاهرتز در باند ISM استفاده و داده‌ها را با نرخ انتقال اطلاعات ۱۰۶ کیلو بیت بر ثانیه تا ۴۲۴ کیلوبیت بر ثانیه ارسال می‌کند. هر دستگاه فعال NFC، می تواند یکی از نقش‌های تقلید کارت، خواننده/نویسنده و نظیر به نظیر را داشته باشد. نقش تقلید کارت، یک تلفن هوشمند مجهز به فناوری NFC را قادر می‌سازد تا مانند یک کارت بانکی هوشمند یا یک بلیط الکترونیک عمل کند. از طرفی نقش خواننده/نویسنده، به دستگاه‌های مجهز به فناوری NFC، امکان خواندن و نوشتن اطلاعات را در برچسب‌های (Tag)، NFC می‌دهد. همچنین نقش نظیر به نظیر (Peer to Peer)، برای دو دستگاه مجهز به فناوری NFC، این امکان را فراهم می‌کند که ضمن برقراری ارتباط با یکدیگر به تبادل اطلاعات بپردازند. فناوری NFC، از دو کدگذاری مختلف Miller اصلاح شده (در صورت ارسال داده با نرخ انتقال اطلاعات ۱۰۶ کیلوبایت بر ثانیه توسط دستگاه فعال) و منچستر (در سایر نرخ‌های انتقال اطلاعات توسط دستگاه فعال) برای انتقال اطلاعات استفاده می‌کند.

اگرچه دامنه ارتباط فناوری NFC چند سانتی‌متر است، اما فناوری NFC ارتباط ایمن را تضمین نمی‌کند. فناوری NFC، در برابر استراق سمع و تغییرات داده آسیب‌پذیر است. استراق سمع یک دستگاه غیرفعال نسبت به استراق سمع یک دستگاه فعال در یک شرایط یکسان سخت‌تر است. یک دستگاه فعال را در فاصله ۱۰ متری و یک دستگاه غیر فعال را در فاصله ۱ متری می‌توان استراق سمع نمود. همچنین فناوری NFC در برابر حمله رله آسیب‌پذیر است. در حمله رله، شخص نفوذگر درخواست خواننده (Reader) را به شخص قربانی (Victim) ارسال می‌کند و پاسخ خود را به صورت بلادرنگ به خواننده (Reader) منتقل می‌کند و وانمود می‌کند که صاحب کارت هوشمند شخص قربانی، خودش است.

فناوری‌های میان برد

فناوری Bluetooth

فناوری Bluetooth Low Energy (BLE)

فناوری Zigbee

فناوری WIFI

فناوری Optical Wireless Communication (OWC)

فناوری‌های بلند برد

فناوری WIMAX

WIMAX، یک فناوری ارتباط بی‌سیم برای Metropolitan Area Network (MAN) بر اساس استاندارد IEEE 802.16 می‌باشد. هدف از ایجاد این فناوری ارتباط بی‌سیم، ایجاد یک ارتباط بی‌سیم پهن باند مبتنی بر امواج مایکروویو به جای ارتباطات مبتنی بر کابل بود. در WIMAX، شعاع تحت پوشش هر دکل ثابت، حداکثر ۵۰ کیلومتر و هر دکل سیار، حداکثر ۱۵ کیلومتر می‌باشد. نرخ انتقال داده در WIMAX در حدود ۷۰ مگابیت بر ثانیه می‌باشد. WIMAX، برای برقراری امنیت از روش پنهان‌سازی و مدیریت کلید خصوصی استفاده می‌کند و با به کارگیری این دو راهکار، مانع از سرقت خدمات و حفظ محرمانگی اطلاعات مبادله شده در ارتباط برقرار شده بین ایستگاه پایه (Base Station) و ایستگاه مشترک (Subscriber Station) می‌شود. سیستم مدیریت انرژی WIMAX، از سه حالت خواب، آماده به کار و عادی پشتیبانی می‌کند. در اینجا به کارگیری دو حالت خواب و آماده به کار موجب می‌شود از مصرف بیهوده انرژی جلوگیری شود.

فناوری ۴G، ۳G، ۲G

فناوری Long Term Evolution

فناوری The 5th Generation (5G)

در فناوری ۵G، دو نوع شکل‌دهی پرتو (beamforming)، داریم، شکل‌دهی پرتو آنالوگ و شکل‌دهی پرتو دیجیتال

فناوری Low Power Wide Area Network (LPWAN)

فناوری Long Term Evolution Machine Type Communications (LTE-M)

فناوری Narrow Band IoT (NB-IoT)

یک فناوری ارتباط بی‌سیم برای Low Power Wide Area Network (LPWAN) است که برای طیف گسترده‌ای از دستگاه‌ها و خدماتی که برای اتصال و ارتباط از باندهای شبکه‌های سلولی استفاده می‌کنند، توسعه پیدا کرده است. این فناوری توسط ۳GPP استانداردسازی شده است. NB-IoT، به طور خاص روی پوشش داخلی، هزینه کم، طول عمر باتری طولانی و متصل کردن تعداد زیادی از دستگاه‌ها تمرکز می‌کند. استقرار NB-IoT در باندهای فرکانسی مانند ۷۰۰ مگاهرتز، ۸۰۰ مگاهرتز و ۹۰۰ مگاهرتز یک انتخاب عالی است، زیرا تعداد زیادی از اپراتورها، این باندهای فرکانسی را پشتیبانی و از آن استفاده می‌کنند. این فناوری با بهره‌گیری از پهنای باند باریک ۲۰۰ کیلوهرتزی (۱۸۰ کیلوهرتز برای انتقال داده و ۲۰ کیلوهرتز به عنوان محافظ بین باند) می‌تواند نرخ انتقال ۲۵۰ کیلوبیت بر ثانیه را فراهم سازد. از دیگر ویژگی‌های این فناوری می‌توان به مقیاس‌پذیری بسیار بالای آن (پشتیبانی از حدود ۵۰۰۰۰ دستگاه در هر سلول) و مصرف انرژی پایین آن (طول عمر باتری ۱۰ ساله برای دستگاه‌ها در شرایط عادی و متوسط) اشاره کرد. فناوری NB-IoT، با تمام تراشه‌ها و ماژول‌های تولید شده توسط شرکت‌های سازنده تلفن همراه سازگار بوده و علاوه بر شناسایی تمام تجهیزات تلفن همراه، از تمامی نسل‌ها (۴G، ۳G، ۲G و ۵G و …) و ویژگی‌های امنیتی و حفظ حریم خصوصی شبکه‌های تلفن همراه پشتیبانی می‌کند.

فناوری LPWAN غیر مجاز

فناوری Long Range (LoRa)

فناوری SIGFOX

فناوری Compressive Sensing (CS)

فناوری Non Orthogonal Multiple Access (NOMA)

فناوری Massive Multiple Input Multiple Output (mMIMO)

فناوری Machine Learning (ML)

Base Station (BS)

یک ایستگاه ارسال و دریافت که در یک مکان ثابت واقع شده و از یک یا چند آنتن فرستنده، گیرنده، بشقاب ماکروویو و مدارهای الکترونیکی تشکیل شده است. از BS به منظور مدیریت ترافیک سلولی و ارتباط با تجهیزات موبایل استفاده می‌شود.

پروژه مشارکت نسل سوم ((۳GPP) Third Generation Partnership Project)

پروژه مشارکت نسل سوم، یک سازمان استانداردسازی است که پروتکل‌های ارتباطی را برای مخابرات سیار توسعه می‌دهد. این سازمان برای توسعه و نگهداری استانداردهای ۲G ،۲.۵G، ۳G، ۴G، ۴.۵G، ۵G و … شناخته می‌شود.

اتصالات اینترنت اشیاء مبتنی بر فناوری mMIMO

علاوه بر فناوری NOMA، فناوری mMIMO، یکی دیگر از فناوری امیدوار کننده به منظور کاهش کمبود منابع بی‌سیم و مدیریت و کنترل رشد سریع ترافیک داده در فناوری ۵G و ارتباطات بی‌سیم آینده است. در مقایسه با فناوری NOMA، فناوری mMIMO، از منابع بی‌سیم در حوزه فضایی بهره‌برداری می‌کند و این موجب می‌شود که فناوری mMIMI، بتواند به تعداد بیشتری از تجهیزات ارتباطی نوع ماشین (MTC) سرویس دهد. از طرف دیگر فن‌آوری mMIMO، به سبب ویژگی ذاتی چندگانه‌سازی فضایی (Spatial Multiplexing) و نیاز به توان کم برای انتقال، پتانسیل ایجاد امکان همزیستی خدمات ارتباطی نوع ماشین (Machine Type Communications (MTC)) و خدمات ارتباطی نوع انسانی (Human Type Commubications (HTC)) را دارد.

در یک mMIMO معمولی، تعداد زیادی آنتن در BS استفاده می‌شود. این کار باعث می‌شود، پاسخ‌های کانال‌ بین دستگاه‌های مختلف تمایل داشته باشند نسبت به یکدیگر متعامد باشند. با بهره‌گیری از این ویژگی، دستگاه‌‌های زیادی می‌توانند منبع فرکانس زمان را به طور کارآمدی به طور همزمان با یکدیگر به اشتراک بگذارند. کارهای تحقیقاتی صورت گرفته نشان داده است که فناوری mMIMO، می تواند از نظر کارایی طیفی، بازده انرژی و پوشش به طور قابل توجهی عملکرد خدمات ارتباطی نوع انسانی (HTC) را بهبود بخشد. به عنوان مثال، هنگامی که BS از ۱۰۰ آنتن به منظور سرویس‌دهی به ۴۰ کاربر استفاده می‌کند در مقایسه با حالتی که BS از یک آنتن به منظور سرویس‌دهی به ۴۰ کاربر استفاده می‌کند، فناوری mMIMO می‌تواندکارایی طیف را بیشتر از ۱۰ برابر و همزمان با استفاده از Beam Formating، کارایی انرژی تابشی را تا ۱۰۰ برابر بهبود بخشد.