האינטרנט של הדברים (IoT) קיים בזכות הקישוריות האלחוטית. היא מאפשרת להציב צמתי חיישנים ומפעילים היכן שצריך ולגרום להם לתקשר עם שרתים ומכשירים קרובים אחרים ברגע שהם מותקנים. אך קישוריות אלחוטית מגיעה בצורות רבות אחרות. מבחר פרוטוקולי הרשת עלול להיות מבלבל בהתחלה אך כל אחד מהם מציע יכולות שמתאימות לשווקים וליישומים שונים. עכשיו שהשוק למכשירי IoT מתחיל להבשיל, חלק מהפרוטוקולים מתחילים גם הם לתפוס עמדת הובלה, בעיקר בתקשורת אלחוטית לטווח קצר.
הקריטריון הראשון הוא המרחק. מכשירים בתוך בניינים יכולים לעיתים לשמש בתור רשתות לטווח קצר ולנצל את הפשטות וצריכת החשמל הנמוכה של פרוטוקולים המותאמים לסביבה שכזאת. המתקין יכול בדרך כלל להסתמך על כך שיהיו צמתים שיכולים לשדר נתונים לאינטרנט. חיישנים לחקלאות חכמה או לניטור תשתיות ציבוריות זקוקים לטווח גדול יותר מכיוון שכל מכשיר Gateway או תחנת בסיס עלולים להימצא במרחק של מספר קילומטרים.
במגזר הטווח הקצר, יש שתי טכנולוגיות בעמדות שליטה מבוססות בתקשורת האלחוטית. שתיהן כבר נהנות מהצלחות נרחבות בשוק האלקטרוניקה, והן ממשיכות ליהנות מתוכנית שיפורים מתמשכת.
על אף שפרוטוקול האב שלו פותח לרשתות אישיות ומתמקדת בטלפון, יצירת הפרוטוקול Bluetooth Low Energy פתחה את הדלת למבחר רחב יותר של יישומים. לפני כן, מכשירי IoT נאלצו להסתמך על פרוטוקולים נישתיים כגון Zigbee לאוטומציה ביתית או 6LowPAN לאוטומציה תעשייתית. Bluetooth Low Energy כעת מציעה תאימות מול 6LowPAN ותומכת במספר תכונות עיקריות שפותחו במקור על ידי Zigbee.
אחת מהתכונות הללו היא רשת האריג. Bluetooth מציע את אפשרות ה-Scatternet מאז 2013, אשר מאפשרת לצמתים לעבור בין מצב Master למצב Slave על מנת להפוך אותם לגמישים יותר. למשל, צומת חכם עשוי לאסוף נתונים ממספר מכשירי Slave פשוטים ואז לשדר את הנתונים לטלפון חכם על ידי מעבר זמני למצב Slave בעצמו. יכולת רשת האריג הקיימת כיום ב-Bluetooth מאפשרת להרחיב את הטווח של Getaway בודד באופן חלק על ידי שימוש בצמתי ביניים כנקודות פריסה לחבילות מידע.
Bluetooth 5, אשר הושק בקיץ 2016, הביא שיפורים הכוללים את היכולת להתפשר על הטווח לקבלת קצב נתונים מקסימלי. על ידי שימוש בפרוטוקול האדפטיבי, ניתן להגדיל את הטווח כמעט פי 4 מהטווח של Bluetooth 4.2 עם קצב נתונים של כ-125kb/s. כשלוקחים בחשבון את תנאי קו הראייה באוויר הפתוח, הטווח יכול להתקרב ל-200 מטרים. לחלופין, עבור מכשירים שמתאימים יותר למקומות סגורים, קצב הנתונים המקסימלי יכול להגיע עד 2MB/s, על אף שקצב העברת הנתונים בדרך כלל מפחית את קצב הנתונים המקסימלי בשעות השיא לסביבות 1.6Mb/s
עבור תעבורת IoT עם קצב נתונים גבוהה, WiFi מהווה כיום אפשרות מעשית. עלויות המקמ”שים צנחו באופן דרמטי והתמיכה בפרוטוקול מאפשרת את השימוש בראוטרים ביתיים קונבנציונליים לגישה לאינטרנט במקום הסתמכות על מכשירי Gateway מיוחדים. WiFi מאז ומתמיד התמקד באספקת תקשורת רוחב פס גבוה למכשירים ניידים. הזמינות של תדר ה-5GHz בנוסף לתדר ה-2.4GHz לשימושי תעשייה, מדע ורפואה (ISM) ששימש את פרוטוקול ה-WiFi הראשון, Bluetooth, 6LowPAN ו-Zigbee מספקים גישה לחלק הפחות הצפוף יותר של ספקטרום גלי הרדיו. הדבר שימושי ליישומים הדורשים העברת נתונים קבועה במהירות גבוהה.
תרשים 1: מבחר פרוטוקולי הרשת עלול להיות מבלבל
בהתחלה אך כל אחד מהם מציע יכולות שמתאימות
לשווקים וליישומים שונים.
כיום יש מספר גרסאות של WiFi. למרות יישומי ה-IoT הרבים, אפילו אלה שזקוקים לתקשורת ברוחב פס גבוה לשידור אודיו או וידאו בזמן אמת יכולים להשתמש בגרסאות הישנות יותר של WiFi, לרוב הגיוני לתקנן היום לפי גרסת 802.11ac. גרסה זו מסייעת למגוון אנטנות להגביר את קצב הנתונים המצטבר לפחות עד 1Gb/S בתדר ה-5GHz. מכשירי IoT שתומכים ב-802.11ac יעזרו לשמר את קצב הנתונים המהיר ביותר שניתן על ידי שיאפשרו לראוטר בבית או במשרד לנצל את מלוא היכולות של האנטנה. השימוש בפרוטוקול איטי וישן יותר עלול להאט את כל הרשת בכל פעם שמפעילים מכשיר IoT.
מכשירי IoT רבים תומכים הן ב-WiFi והן ב-Bluetooth מכיוון שעלות התמיכה בשניהם לעיתים קרובות גבוהה במעט ממקמ”ש שתומך ב-WiFi בלבד. ניתן למנף זאת על מנת להקל על משימות כגון ההתקנה. ראשית, ניתן להשתמש בחיבור Bluetooth פשוט לאפליקציה שיושבת על מכשיר נייד על מנת להגדיר את המכשיר. לאחר הגדרת המכשיר, ניתן לעבור לשימוש בפרוטוקול WiFi להעברת נתונים.
אפשרות נוספת שעלתה לאחרונה ניתן למצוא בפרוטוקול ה-DECT Ultra Low Energy (ULE) . יש לו יתרונות על פרוטוקולים רבים של IoT לטווח קצר עם ספקטרום RF ייעודי במקום גישה משותפת לתדר 2.4GHz ISM. הטווח של ה-DECT ULE מגיע עד ל-300 מטרים בחוץ ו-50 מטרים בפנים. פרוטוקול ה-DECT מאפשר למספר מכשירי Gateway לשתף פעולה על מנת להרחיב את הטווח של רשת בודדת הרבה מעבר לטווח הבסיסי של 300 מטרים. על אף ש-DECT פותח במקור עבור טלפוניה אלחוטית, גרסת ה-ULE מספקת תקשורת חסכונית בחשמל עבור צמתי חיישנים של IoT.
בסביבת טווח קצר, מכשיר ה-Gateway בדרך כלל נשלט על ידי המשתמש. בסביבת LPWAN, מכשיר ה-Gateway יכול להיות בבעלות פרטית אך הגישה אליו יכולה להגיע גם דרך רשתות פרטיות. פרוטוקול LoRA מאפשר לבחור בין שתי האפשרויות.
LoRA מבוסס על עיצוב המקמ”ש של ספקית המוליכים למחצה Semtech, והוא משתמש בספקטרום של תדרים ללא רישיון ומאפשר למשתמשים לפרוס את ה-Gateway שלהם או להשתמש במכשירים שלהם כדי לתקשר עם רשתות צד ג’. ערים מסוימות פרסו רשתות פתוחות המבוססות על LoRA וספקי שירות שוכרים את הגישה ל-Gateway שלהם.
על מנת למנוע הפרעות ממשתמשים אחרים על אותו תדר RF, LoRA משתמש בסכמת אפנון תדרים התומכת בקצבי העברת נתונים של 300 b/s עד 50 kb/s. הטווח יכול להגיע עד 10 ק”מ והשימוש בתדרים נמוכים יחסית מאפשר להגיע למכשירים הקבורים מתחת לקרקע, כגון מוני מים.
Sigfox משתמש בשידור פס צר במיוחד על מנת להרחיב את הטווח שלו בעד 50 ק”מ באזורים כפריים. בעוד LoRA נועד לתמוך בתקשורת דו-כיוונית, Sigfox מותאם להעברת בקצב נמוך בכיוון אחד – בדרך כלל מהצומת לשרת. טווח קצב הנתונים נע בין 10 b/s ל-1 kb/s. Sigfox אינו חד-כיוונית לחלוטין: הפרוטוקול תומך בחבילות הכרה על מנת שהצומת החיישן יוכל לקבוע אם התקבל שידור, ולתמוך ביישומים כגון התראות אבטחה.
אחד מהיתרונות בהתמקדות של Sigfox בהעברות נתונים חד-כיווניות הוא שכך ניתן לחסוך בחשמל בצומת החיישן, ולהאריך את חיי הסוללה כתוצאה מזאת. אם רק הצומת צריך להמתין לחבילות ההכרה, אשר מתקבלות במהירות רבה לאחר השידור, אין כל צורך להעיר את הצומת במחזור קבוע כדי להאזין לאותות מה-Gateway.
בזמן ש-LoRA מאפשר למשתמשים לעבוד מכל Gateway, כל התקשורת ב-Sigfox עוברת דרך מכשירי ה-Gateway של החברה. על אף שזה מציע גמישות תפעולית נמוכה יותר, היתרון הוא שניתן להציע למשתמשים ספק בודד שמספק תמיכת רשת במספר רב של מדינות.
תרשים 2: דגמי BLE כמו מכשיר ה MBN52832- יכולים
לתמוך ביישומי ה- IoT התובעניים ביותר של בלוטות’ בצריכת
אנרגיה נמוכה
קישוריות סלולרית כבר נמצאת בשימוש רחב בתקשורת בין מכונות. בשנים האחרונות, התעשייה הרחיבה את פתרונות ה-GPRS הבסיסיים עם מגוון פרוטוקולים שתומכים בקצבי נתונים גבוהים יותר או בצריכת חשמל נמוכה יותר. היתרון המרכזי של הקישוריות הסלולריות הוא שהמפעילים מסוגלים להתמודד עם עומס ועם הפרעות ללא קושי רב יותר ממה שמאפשר ספקטרום ללא רישיון, דבר המשפר את האמינות לטווח רחוק. האופי הפתוח של הפרוטוקולים עצמם מספק מבחר רחב של חומרה ומודולי RF תואמים.
השינוי הראשון הגיע עם Enhanced Coverage GSM, אשר משפר את היכולת של אותות סלולריים להגיע לצמתים מרוחקים יותר או להתחבר לצמתי חיישנים קבורים. EC-GSM יכול להתמודד עם אותות החלשים ב-20 dB מה-GPRS הסטנדרטי ותומך בקצבי העברת נתונים של עד 10 kb/s.
ה- Long Term Evolution(LTE) הביא איתו מספר אפשרויות לקישוריות IoT, הודות לשימוש היעיל יותר של פרוטוקול ה-4G בספקטרום ה-RF. הראשון היה Cat-M, אשר תמך בקצבי העברת נתונים של 1MB/s הן בהעלאה והן בהורדה באמצעות תקשורת דו-כיוונית לסירוגין. Cat-M גם משפר את צריכת החשמל. בהשוואה לפרוטוקול LTE הבסיסי המשמש טלפונים ניידים, Cat-M יכול לפעול עם פחות עדכונים מתחנת הבסיס. ניתן להפחית את תדירות העדכונים עד למצב שבו רק צומת החיישן צריך להתעורר פעם בעשר דקות לערך, מה שמסייע מאוד לחיי הסוללה במכשירים שמנטרים תנאים בשינוי איטי, כגון לחות הקרקע.
Narrowband-IoT (NB-IoT) משפר את החסכון בחשמל. NB-IoT משתמש בתדר שידור צר בהרבה מה-LTE המלא: 1.4 MHz במקום 20 MHz. הדבר מלווה בירידה בעוצמת השידור על מנת לשפר את חיי הסוללה. בתהליך השיפורים המתמשך, גרסה 14 של תקן ה-LTE של 3GPP שיפרה אף יותר את היעילות על ידי תמיכה בטכניקות המאפשרות לצמתים להתנתק במהירות לאחר שידור על מנת לצמצם את זליגת החשמל. ניתן להשיג קצבי העברת נתונים של 50 kb/s בהורדות ו-20 kb/s בהעלאות, ולהגיע עד ל-50 kb/s אם האיתות רב התדרים מופעל עבור ההעלאה.
הודות למבחר הרב של פרוטוקולים המתאימים לשימוש ב-IoT, בין אם מדובר בתרחיש לטווח קצר או לטווח רחב, כל המפתחים והאינטגרטורים יוכלו למצוא פרוטוקול אחד שמתאים ליישום. ספקי מודולים עצמאיים כגון מוראטה יכולים לעזור לכם למצוא את הפרוטוקול המתאים ביותר לסיטואציה ולספק פתרונות המבוססים על החומרה הטובה ביותר בשוק.
