ขีดจำกัดของเครือข่าย LoRaWAN


Posted 16 Apr 2021 16:21 | 560 views

II: แพลตฟอร์ม Internet of Things (IoT) ที่เข้าถึงได้อย่างครอบคลุมและเชื่อมต่อได้ในระยะไกล และใช้พลังงานต่ำ มีมานานกว่าสิบปีแล้ว และมีอุปกรณ์กว่า 100 ล้านเครื่องทั่วโลกที่เชื่อมต่อกับเกตเวย์หรือ Base Station ของ LoRa แล้ว

          ในวันนี้ LoRa เปิดให้บริการทั่วโลก จากการวิเคราะห์โดย IHS Markit คาดการณ์ว่า 43% ของการเชื่อมต่อ LPWAN ทั้งหมดจะใช้ LoRa ภายในปี 2023

          บริษัทต่างๆ เช่น Semtech (ผู้พัฒนาเทคโนโลยี LoRa รายแรก) และสมาชิกของ LoRa Alliance กว่า 100 ราย กำลังพัฒนาเกตเวย์และอุปกรณ์ใหม่อย่างต่อเนื่อง นอกจากนี้ microcontroller suppliers Microchip ,  STMicroelectronics , Renesas ได้ประกาศความตั้งใจที่จะนำเทคโนโลยี LoRa มาใช้
 

 lV. ขีดจำกัด ความจุ และขนาดเครือข่าย LoRaWAN

การศึกษามาตราส่วนเครือข่าย LoRaWAN ที่เกี่ยวกับอัตราข้อมูลระเบียบรอบการทำงาน ฯลฯ           

          A. ขนาดเครือข่ายถูก จำกัด โดยรอบการทำงาน (Network size limited by duty-cycle)

          แม้ว่าประสิทธิภาพของ LoRaWAN จะถูกกำหนดโดยภาพรวมของ PHY / MAC ในส่วนที่ 3 แต่ข้อบังคับรอบการทำงานในแถบ ISM ก็เป็นปัจจัยที่สำคัญ หากรอบการทำงานสูงสุดในแถบย่อยแสดงด้วย "d" และเวลาในการส่งแพ็กเก็ตหรือที่เรียกว่าไทม์ออนแอร์ แสดงด้วย Ta อุปกรณ์แต่ละชิ้นจะต้องเงียบในย่านความถี่ย่อยเป็นระยะเวลาปิด ต่ำสุด Ts = Ta(1/d -1) ตัวอย่างเช่น รอบการทำงานสูงสุดของแถบ EU 868 ISM คือ 1% และส่งผลให้เวลาในการส่งข้อมูลสูงสุด 36 วินาที / ชั่วโมง ในแต่ละแถบย่อยสำหรับอุปกรณ์ปลายทางแต่ละเครื่อง

รูปที่ 1 แสดงเวลาออนแอร์ของการส่งแพ็กเก็ตที่มีอัตราการเข้ารหัส 4/5 ใน 125 kHzช่องแบนด์วิดท์

          เป็นที่ทรา บ กันดีว่า SF ขนาดใหญ่ช่วยให้สามารถสื่อสารได้นานขึ้น อย่างไรก็ตามจากที่สังเกตในรูปที่ 1 SF ขนาดใหญ่ยังเพิ่มเวลาในการออกอากาศด้วย

          แม้ว่า Listen Before Talk จะไม่ถูกห้ามไว้ใน LoRaWAN แต่จำเป็นต้องเข้าถึงเฉพาะ ALOHA เท่านั้น ดังนั้นความจุ LoRaWAN สามารถคำนวณได้โดยประมาณว่า เป็นการซ้อนทับของเครือข่ายที่ใช้ ALOHA แบบอิสระ (เครือข่ายอิสระหนึ่งเครือข่ายสำหรับแต่ละช่องสัญญาณและสำหรับแต่ละ SF เนื่องจากการส่งสัญญาณพร้อมกันจะทำให้เกิดการชนกันหากทั้งคู่เลือก SF และช่องสัญญาณเดียวกันเท่านั้นไม่ถือเป็นเอฟเฟกต์การจับภาพ) และในทางตรงกันข้ามกับ ALOHA บริสุทธิ์อุปกรณ์ LoRaWAN ที่ใช้ SF i ต้องไม่เกินอัตราแพ็กเก็ตที่ส่งโดย nd/ Tai โดยที่ n คือจำนวนช่อง d คือรอบการทำงานและ Tai คือไทม์ออนแอร์ด้วย SF i.

          ในสถานการณ์ง่ายๆที่อธิบายไว้ข้างต้นหากอุปกรณ์ปลายทางทั้งหมดส่งแพ็กเก็ตที่อัตราแพ็กเก็ตสูงสุด nd/ Tai , จำนวน
แพ็กเก็ตที่เกตเวย์รับสำเร็จจะลดลง ดังแสดงใน
รูปที่ 2 โดยที่เครือข่ายที่มี n = 3 ช่องสัญญาณได้รับการวิเคราะห์จำนวนแพ็คเก็ตที่ได้รับลดลงเนื่องจากผลของการชนกัน

รูปที่ 2. จำนวนแพ็คเก็ตที่ได้รับต่อชั่วโมงเมื่ออุปกรณ์ปลายทางพยายามส่งที่ nd/Tai  packets / วินาที ด้วยอัตราการเข้ารหัส 4/5
และ n = 3 ช่องสัญญาณที่มีแบนด์วิดท์ 125 kHz

 

          ในรูปที่ 3 จำนวนแพ็กเก็ตที่ได้รับสำเร็จต่อชั่วโมง และอุปกรณ์ปลายทางจะแสดงสำหรับการปรับใช้กับ {250 500; 1,000} อุปกรณ์ปลายทาง 5,000 กรัม และ n = 3 ช่องเป็นฟังก์ชันของการสร้างแพ็คเก็ต

          สำหรับค่าอัตราการส่งข้อมูลต่ำ (ในแพ็คเก็ต/ ชั่วโมง) ปริมาณงานจะถูกจำกัดโดยการชนกัน สำหรับค่าที่สูงรอบการทำงานสูงสุดจะป้องกันไม่ให้อุปกรณ์ปลายทางเพิ่มอัตราการส่งแพ็กเก็ตและทำให้ปริมาณงานคงที่ สำหรับการปรับใช้กับอุปกรณ์ปลายทางจำนวน "เล็ก" ข้อจำกัดของรอบการทำงานจะจำกัดปริมาณงานสูงสุด

ตารางที่ 1 สรุปปริมาณงานสูงสุดต่ออุปกรณ์ปลายทางและความน่าจะเป็นของการรับที่สำเร็จสำหรับชุดการปรับใช้ที่แตกต่างกัน ปริมาณ                    งานสูงสุดจะลดลงเมื่อจำนวนอุปกรณ์ปลายทางเพิ่มขึ้น


 

B. ความน่าเชื่อถือและความหนาแน่นการกระจายความจุของเครือข่าย (Reliability and Densification drain Network Capacity)


ภาพจาก: https://orangematter.solarwinds.com/wp-content/uploads/2018/03/iStock-656972352.jpg


          ใน LoRaWAN ความน่าเชื่อถือเกิดขึ้นได้จากการรับทราบเฟรมในดาวน์ลิงค์ สำหรับอุปกรณ์ปลายทางคลาส A การตอบรับสามารถส่งผ่านหนึ่งในสองหน้าต่างรับที่มีอยู่ สำหรับอุปกรณ์ปลายทางคลาส B จะถูกส่งในหน้าต่างรับหนึ่งในสองหน้าต่าง หรือในหน้าต่างซิงโครไนซ์เวลาเพิ่มเติม สำหรับอุปกรณ์ปลายทางคลาส C สามารถส่งได้ตลอดเวลา

          ใน LoRaWAN ความจุของเครือข่ายจะลดลงไม่เพียงแต่เกิดจากการส่งสัญญาณในดาวน์ลิงค์เท่านั้น แต่ยังเกิดจากช่วงเวลานอกช่วงเวลา หลังจากการส่งสัญญาณเหล่านั้น (เกตเวย์ต้องสอดคล้องกับระเบียบรอบการทำงาน) ด้วย

          ดังนั้นการพัฒนาเทคโนโลยี LoRaWAN ที่เผชิญกับแนวโน้มการปรับใช้ที่อาจส่งผลให้เกิดความไร้ประสิทธิภาพในอนาคต โดยเฉพาะอย่างยิ่งเครือข่าย LoRaWAN กำลังถูกปรับใช้ตามรูปแบบเครือข่ายเซลลูลาร์ นั่นคือ ผู้ให้บริการเครือข่ายให้การเชื่อมต่อที่เป็นบริการ โมเดลนี้กำลังทำให้เกตเวย์กลายเป็นสถานีพื้นฐานที่ครอบคลุมพื้นที่ขนาดใหญ่ 


V. USE CASES

A. Real Time Monitoring (การตรวจสอบ)

           การเกษตรแบบเรียลไทม์ การตรวจจับการรั่วไหลหรือการควบคุมสภาพแวดล้อม เป็นแอปพลิเคชันที่มีจำนวนรับส่งข้อความเป็นระยะ / เป็นระยะที่ลดลง และลดข้อจำกัดของการหน่วงเวลา LoRaWAN ได้รับการออกแบบมาเพื่อรองรับการรับ-ส่งข้อมูลที่สร้างโดยแอปพลิเคชันประเภทนี้ที่ให้เป็นไปตามระบบการทำงาน และการปรับใช้เกตเวย์ให้เพียงพอที่จะครอบคลุมอุปกรณ์ปลายทางทั้งหมด


ภาพจาก: https://www.salika.co/wp-content/uploads/2019/04/smart-agriculture-trend-2019-3.jpg

หลักการพิจารณาการออกแบบควรคํานึงถึง:       

  • ปัจจัยการแพร่กระจายควรมีขนาดเล็กที่สุด เพื่อจำกัดทั้งเวลาออนแอร์และช่วงนอกเวลาที่ตามมา กล่าวอีกนัยหนึ่งเกตเวย์ต้องอยู่ใกล้กับอุปกรณ์ปลายทางมากพอ
  • จำนวนช่องสัญญาณต้องได้รับการออกแบบอย่างรอบคอบและต้องเพียงพอที่จะ
    - ลดความน่าจะเป็นของการชนให้น้อยที่สุด (ควบคู่ไปกับจำนวนอุปกรณ์ปลายทางอย่างแน่นหนา)
    - เสนอช่องทางเลือกที่รวดเร็ว สำหรับโหนดในการส่งแพ็กเก็ตที่ชนกันใหม่ซึ่งจะช่วยลดผลกระทบของแผงวงจร 

B. Metering (การวัดแสง)

           สำหรับระบบอัตโนมัติในอุตสาหกรรม สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจว่าสถานการณ์เหล่านั้นตั้งแต่การดำเนินการที่ไวต่อเวลา ไปจนถึงการตรวจสอบอย่างดีที่สุด ดังนั้นจึงเป็นเรื่องสำคัญที่จะต้องระบุในระบบนิเวศที่หลากหลายว่า ข้อกำหนดของแต่ละแอปพลิเคชันคืออะไรและ LoRaWAN เป็นเทคโนโลยีที่เหมาะสมหรือไม่


ภาพจาก: https://www.photoschoolthailand.com/wp-content/uploads/2019/06/multizone-metering-mode.jpg


C. Smart City Applications (แอปพลิเคชันสมาร์ทซิตี้)

          LoRaWAN กับการสร้างความสำเร็จที่สำคัญด้วยระบบไฟอัจฉริยะ ที่จอดรถอัจฉริยะ และการเก็บขยะอัจฉริยะ ด้วยขนาดและลักษณะของข้อมูลที่สร้างโดยแอปพลิเคชัน สิ่งเหล่านี้ครอบคลุมการส่งข้อความเป็นระยะอย่างต่อเนื่อง

 

 

ระบบไฟอัจฉริยะ

https://inwfile.com/s-cp/
kbl2hv.png

ที่จอดรถอัจฉริยะ
https://f.ptcdn.info/332/054/000/
oyh7tnk4nigv7Cf25bU-o.png

การเก็บขยะอัจฉริยะ
https://bottomlineis.co/uploads/images/
image_750x_5d918bd369c94.jpg

D. Smart Transportation and Logistics (การขนส่งและโลจิสติกส์อัจฉริยะ)

          การขนส่งและโลจิสติกส์ถือเป็นสองเสาหลักของการเติบโตของ IoT ที่คาดว่าจะเกิดขึ้นในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า เนื่องจากผลกระทบต่อเศรษฐกิจโลก แอพพลิเคชั่นส่วนใหญ่กำหนดเป้าหมายประสิทธิภาพในด้านต่างๆ เช่น การขนส่งสาธารณะหรือการขนส่งสินค้า


ภาพจาก: https://transport-serbia.com/wp-content/uploads/2020/02/supply-chain-clipart-3.jpg

          มาตรฐานต่างๆ ได้รับการพัฒนาในย่านความถี่ 5.9 GHzสำหรับ Intelligent Transportation Systems (ITS) ตามมาตรฐาน IEEE 802.11p ข้อจำกัดในการหน่วงเวลามีความหลากหลายสำหรับการใช้งานที่แตกต่างกัน แต่ LoRaWAN ซึ่งเป็นโซลูชัน LPWAN ไม่เหมาะสำหรับแอปพลิเคชันเหล่านี้ ในทางตรงกันข้าม LoRaWAN สามารถรองรับโซลูชันต่างๆ เช่น การควบคุมและการจัดการยานพาหนะการโรมมิ่งเป็นหนึ่งในการพัฒนาภายใต้คำจำกัดความภายใน LoRa Alliance เพื่อเพิ่มความคล่องตัวโดยเฉพาะอย่างยิ่งโซลูชันโรมมิ่งในอนาคตคาดว่าจะรองรับการเชื่อมต่อที่ปลอดภัยแบบแบ็คเอนด์การล้างข้อมูลและการเรียกเก็บเงินระหว่างผู้ให้บริการตำแหน่งของอุปกรณ์ปลายทาง (ระบุว่าเป็นความท้าทายในการวิจัยแบบเปิดในส่วน VI) และการจัดเตรียมอุปกรณ์ที่โปร่งใสผ่านเครือข่าย


E. Video Surveillance (การเฝ้าระวัง)

          รูปแบบวิดีโอดิจิทัลที่พบบ่อยที่สุดสำหรับระบบวิดีโอที่ใช้ IPได้แก่ MJPEG, MPEG-4 และ H.264 อัตราบิตที่แนะนำสำหรับกล้องวงจรปิด IP มีตั้งแต่ 130 kbps พร้อมการเข้ารหัส MJPEG คุณภาพต่ำถึง 4 Mbps สำหรับความละเอียด1920x1080 และการเข้ารหัส MPEG-4 / H.264 30 fps เนื่องจากอัตราข้อมูล LoRaWAN อยู่ในช่วง 0.3 kbps ถึง 50 kbps ต่อช่อง LoRaWAN จะไม่รองรับแอปพลิเคชันเหล่านี้


ภาพจาก: https://www.xaasjournal.com/wp-content/uploads/2019/03/video-surveillance-e1553001889579.jpg


LoRaWAN เครือข่ายอัจฉริยะ เสริมประสิทธิภาพให้ IIoT เหมาะสำหรับการใช้งานในพื้นที่ขนาดใหญ่ เช่น ตึกสำนักงาน โรงงาน และสนามบิน หนึ่งในตัวอย่างของการติดตั้ง LoRaWAN แบบ Private ในสนามบิน Amsterdam’s Schiphol


ภาพจาก: https://www.thousandwonders.net/photo/5325

          นอกจากนี้ตามข่าวประชาสัมพันธ์ของสนามบิน เครือข่าย LoRaWAN ของ Schiphol สามารถประสานงานกับทั่วโลกได้ ซึ่งเป็นการพัฒนารูปแบบของสนามบินเป็นระบบดิจิทัล เพื่อมอบการบริการใหม่ๆ สำหรับการต้อนรับ การจัดการผู้โดยสาร หรือแม้กระทั่งในร้านค้า ร้านอาหาร และโรงแรม

 

แหล่งที่มาบทความ

  • สื่อตีพิมพ์จาก IEEE Communications Magazine ในเดือนมกราคม 2017 
  • https://thestandard.co/iot-lorawan/ 
  • https://riverplus.com/lorawan-for-iiot/