ทำความเข้าใจความแตกต่างระหว่างพื้นที่กว้างที่ใช้พลังงานต่ำและ WPAN

ในบทความนี้, เราจะตรวจสอบตัวเลือกพื้นที่กว้างที่ใช้พลังงานต่ำซึ่งใช้บ่อยที่สุด, มุ่งเน้นไปที่เทคโนโลยีเซลลูล่าร์ (Narrowband IoT และ LT-M), เช่นเดียวกับ WPAN เหล่านั้นที่ใช้แบนด์วิธที่ไม่มีใบอนุญาต, โลรา /โลราวัน, และซิกฟ็อกซ์. We’ll also figure out the differentiation between the technologies of LPWAN and WPAN. เทคโนโลยีการแพร่ภาพโดยใช้ความถี่ที่สูงกว่าสามารถส่งข้อมูลได้มากกว่าและมีอัตราบิตที่เร็วกว่าวิทยุความถี่ต่ำ. ความถี่ที่สูงขึ้นจะต้องใช้พลังงานมากขึ้นในขณะที่ช่วงการเดินทางไม่ไกลเท่าความถี่ที่ต่ำกว่า. ในอาคาร, พื้นที่ที่สร้างขึ้น, หรือบริเวณที่มีสัญญาณรบกวนอื่นๆ, ช่วงมีขนาดเล็กลง. ความถี่ใด ๆ ในการแบน, พื้นที่เปิดจะมีช่วงกว้างกว่าในพื้นที่อาคารเนื่องจากการรบกวนน้อยกว่า. หลังจากเรียนรู้พื้นฐานเหล่านี้แล้ว, we’ll also direct you on choosing the right technology for your application, โดยคำนึงถึงกำลังที่มีอยู่, จำนวนข้อมูลที่คุณต้องการถ่ายโอน, และช่วงที่คุณต้องการบรรลุ.

เครือข่าย Internet of Things ที่ใช้ RF

มีโซลูชันการสื่อสารอุปกรณ์ IoT ที่ใช้ RF มากมายในเครือข่าย. เพื่อประโยชน์ในการอภิปราย, เราแบ่งพวกมันออกเป็นสองประเภท:

• เทคโนโลยีระยะสั้น, หรือเทคโนโลยี WPAN เช่น Bluetooth, Wi-Fi, Z-เวฟ, และซิกบี, มีระยะทางสั้น, ซึ่งมีอัตราบิตสูงหรือต่ำและมีศักยภาพในการใช้พลังงานสูงหรือต่ำลง.
• ระยะยาว, หรือเทคโนโลยีพื้นที่กว้างพลังงานต่ำ, มีการใช้พลังงานต่ำ, ระยะไกล, และอัตราบิตต่ำ.

เครือข่ายส่วนบุคคลไร้สาย (WPAN)

เทคโนโลยี WPAN มีขอบเขตจำกัด, แต่สามารถขยายได้โดยใช้โทโพโลยีแบบตาข่าย. โทโพโลยีแบบเมชคือการใช้งานเครือข่ายโดยที่แต่ละอุปกรณ์ส่งสัญญาณไปยังอุปกรณ์อื่นในบริเวณใกล้เคียงซ้ำๆ. ดังเนื้อหาด้านล่างครับ, you’ll find that the main use cases for WPAN are those who don’t care much on range.

Wi-Fi

Wi-Fi สามารถทำงานที่ 2.4GHz หรือ 5GHz. เนื่องจากความถี่เหล่านี้สูงกว่า, อัตราข้อมูล WIFI ก็สูงขึ้นเช่นกัน. แต่ละเครื่องมี 1:1 ความสัมพันธ์กับเราเตอร์เครือข่าย. อย่างที่เราเคยเห็นกันมาแล้ว, ช่วงของการสื่อสารจะสั้นมากเนื่องจากความถี่สูงของคลื่น RF. อุปกรณ์ Wi-Fi แบบดั้งเดิมมีความต้องการพลังงานที่สูงกว่า, หมายความว่าอุปกรณ์ที่มีอยู่ส่วนใหญ่จำเป็นต้องได้รับพลังงานจากไฟฟ้าหลัก. Wi-Fi 6 พารามิเตอร์มีวัตถุประสงค์เพื่อลดการใช้พลังงานของอุปกรณ์ Wi-Fi IoT เพื่อให้อุปกรณ์ IoT สามารถใช้ Wi-Fi ได้. อย่างไรก็ตาม, there’s still a long way for devices using these new specifications to become easily accessible. WI-FI เหมาะอย่างยิ่งสำหรับสถานการณ์ที่ต้องถ่ายโอนข้อมูลจำนวนมากในทันที. ตัวอย่างเช่น: อุปกรณ์กล้องที่ต้องการอัพโหลดคลิปวีดีโอ 4K.

โซลูชัน WI-FI เหมาะกับการใช้งานต่อไปนี้:

• อัตราข้อมูลสูง
• คุณภาพการบริการสูง (ความน่าจะเป็นของการส่งข้อความ)
• เวลาแฝงต่ำ

โซลูชัน Wi-Fi ไม่เหมาะกับแอปพลิเคชันต่อไปนี้:

• หลากหลายมากระหว่างอุปกรณ์และเราเตอร์
• อุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่

บลูทู ธ

รองรับโหมดบลูทูธหลายโหมด. โหมดที่เกี่ยวข้องกับ Internet of Things มากที่สุดคือ Bluetooth Low Power (กลายเป็น). BLE ทำงานที่ 2.4GHz, แต่ส่งข้อมูลเพียงเล็กน้อยเท่านั้น. นอกจากนี้, นอกจากนี้ยังใช้เทคโนโลยีการมอดูเลต FHSS เพื่อต่อต้านสัญญาณรบกวน. BLE บลูทูธ 4 ใช้การถ่ายโอนข้อมูลที่ 1Mbps. บลูทู ธ 5 ให้ความเร็วสูงสุดถึง 2Mbps. ช่วง BLE สามารถเพิ่มได้ด้วย Bluetooth Mesh ในการส่งข้อความระหว่างโหนด, แต่คุณต้องมีโหนดจำนวนมากเพื่อเชื่อมต่อในพื้นที่ที่หลากหลาย.

โซลูชัน BLE เหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้งานที่มีความต้องการสูง:

• การใช้พลังงานต่ำ
• บริการคุณภาพสูง
• เวลาแฝงต่ำ
• ใช้กริด Bluetooth สำหรับระยะกลาง

สารละลาย BLE ไม่เหมาะสำหรับ:

• การใช้งานระยะยาว

Zigbee และ Z-Wave

Zigbee ทำงานที่ 1000MHz และ 2.4ghz ตามลำดับ. คลื่น z ทำงานที่ประมาณ 900MHz. สัญญาณจะได้รับผลกระทบจากสัญญาณรบกวนน้อยลงและสามารถเข้าถึงได้มากขึ้นเพื่อผ่านสิ่งกีดขวางที่มีความถี่ต่ำ. ความถี่ที่ต่ำกว่าส่งผลให้อัตราข้อมูลลดลง. ในขณะที่ Z-Wave และ Zigbee มีขอบเขตที่สั้น, การเข้าถึงโดยรวมของเครือข่ายสามารถขยายได้ด้วยอุปกรณ์หลายเครื่องในกริด. Zigbee และ Z-Wave เหมาะอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานต่ำซึ่งต้องการบริการคุณภาพสูงและข้อมูลจำนวนน้อย, ตัวอย่างเช่น, สวิตช์ไฟและเซ็นเซอร์อุณหภูมิในบ้าน.

Zigbee และ Z-Wave เหมาะที่สุดสำหรับ:

• การใช้พลังงานต่ำ
• บริการคุณภาพสูง
• เวลาแฝงต่ำ
• หลากหลายอุปกรณ์ที่ยืดหยุ่น

Zigbee และ Z-Wave ไม่เหมาะสำหรับ:

• ข้อมูลจำนวนมหาศาล
• ระยะยาว

เครือข่ายบริเวณกว้างพลังงานต่ำ (ลพวรรณ)

ลพวรรณ เทคโนโลยีสามารถตอบสนองความต้องการของเครือข่ายทางไกลและพลังงานต่ำ. หากเครือข่ายของคุณมีความจำเป็นต้องครอบคลุมระยะทางไกล, หรือคุณต้องข้ามสิ่งกีดขวางเช่นอาคาร, ดังนั้นโซลูชันพื้นที่กว้างที่ใช้พลังงานต่ำจึงเป็นตัวเลือกที่ยอดเยี่ยมสำหรับคุณ. โซลูชันย่านกว้างพลังงานต่ำครอบคลุมช่วงความถี่ทั่วทั้งย่านความถี่ที่มีใบอนุญาตและไม่มีใบอนุญาต. ในส่วนต่อไปนี้, เราจะหารือเกี่ยวกับเทคโนโลยี LPWAN ที่เป็นที่นิยมมากขึ้น.

Cellular – the difference between LPWAN and WPAN

เครือข่ายเซลลูล่าร์ใช้คลื่นความถี่ที่ได้รับอนุญาต, โดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 500MHz ถึง 4GHz, แม้ว่าเทคโนโลยี 5G จะสามารถใช้ความถี่ได้ใกล้ถึง 100GHz. ในขั้นต้น, เครือข่ายเซลลูล่าร์ถือกำเนิดขึ้นเพื่อการสื่อสารที่มีอัตราข้อมูลสูง, ตัวอย่างเช่น, การโทรด้วยเสียงที่ทำงานด้วยความถี่สูงเพื่อรับข้อมูลปริมาณมากขึ้น. ความถี่ที่สูงขึ้น, ยิ่งระยะทางสั้นลง, ดังนั้นขณะนี้จึงมีมาตรฐานเครือข่ายเซลลูลาร์โดยเฉพาะสำหรับการสื่อสาร IoT ความถี่ต่ำเพื่อให้ได้ระยะทางที่มากขึ้น. มีข้อกำหนดด้านเซลลูลาร์หลักสองข้อที่ควรพิจารณาสำหรับแอปพลิเคชัน IoT.

เทคโนโลยีทั้งสองอยู่ภายใต้ 5G: IoT วงแคบ

• NB-IoT, บางครั้งเรียกว่า CAT-M2 หรือ CAT-NB, เป็นประเภทการสื่อสารเคลื่อนที่ที่มีความกว้างของช่องสัญญาณความถี่แคบ. ทั้ง NB-IoT ใช้พลังงานน้อยกว่า LTE-M ด้วยระยะทางที่ไกลกว่า.
• LTE-M มีอัตราข้อมูลที่สูงกว่าและเวลาแฝงต่ำกว่า nB-iot. LTE-M ยังมีข้อได้เปรียบในการเปิดใช้งานการเคลื่อนย้ายอุปกรณ์ผ่าน NB-IoT, ดังนั้นหากอุปกรณ์เคลื่อนที่ระหว่างการรับส่งข้อมูล, สามารถสลับไปยังสถานีฐานอื่นได้. อัตราข้อมูลบนเครือข่ายเซลลูล่าร์นั้นสูงที่สุดในบรรดาโซลูชั่นพื้นที่กว้างที่ใช้พลังงานต่ำ, ดังนั้น, ขนาดของแพ็คเก็ตที่คุณสามารถส่งได้เพิ่มขึ้น.

อนุญาตให้ใช้ความถี่ของโซลูชันเซลลูลาร์ได้, สามารถลดสัญญาณรบกวน, และส่งข้อความได้. ผลที่ตามมา, เทคโนโลยีเซลลูลาร์นำเสนอบริการคุณภาพสูงและความหน่วงต่ำ. หากกรณีการใช้งานของคุณต้องดำเนินการทันที, such as shutting off a gas valve at a long distance once there’s a leak, จากนั้นคุณสามารถพิจารณา Cellular ได้.

เครือข่ายเซลลูล่าร์มักเป็นของผู้ให้บริการเครือข่ายมือถือ. โดยเลือกเครือข่ายเซลลูลาร์สำหรับโซลูชัน IoT ของคุณ, คุณสามารถใช้ประโยชน์จากโครงสร้างพื้นฐานที่มีอยู่แล้วตามความครอบคลุมของพื้นที่เป้าหมายของคุณ. แต่ถึงอย่างไร, ข้อกำหนด IoT ของเซลลูลาร์นั้นค่อนข้างใหม่,that’s why network providers are still setting up their systems as a support. นอกจากนี้ คุณยังอาจพบว่าความครอบคลุมของผู้ให้บริการเครือข่ายของคุณมีจำกัด และคุณสามารถเลือกข้อกำหนดเฉพาะข้อใดข้อหนึ่งได้ (IoT วงแคบหรือ LTE-M) เพื่อให้บริการลูกค้าของคุณ. (บันทึก: ไม่น่าเป็นไปได้ที่ทั้งสองจะถูกนำไปใช้โดยผู้ให้บริการเครือข่ายที่กำหนด)

กรณีการใช้งานหนึ่งที่เหมาะสมสำหรับการใช้งาน IoT เซลลูลาร์คือการวัดค่าไฟฟ้า:

• อัตราข้อมูลสูงและความยาวของเพย์โหลด
• คุณภาพการบริการสูง
• เวลาแฝงต่ำ

Sigfox และ LoRa

Sigfox และ LoRa ใช้คลื่นความถี่ที่ไม่ได้รับอนุญาตระหว่าง 433MHz และ 928MHz ในการส่งสัญญาณความถี่ต่ำในช่วงระยะไกล. อย่างที่เราจะได้เห็นกัน, เทคโนโลยีเหล่านี้มีลักษณะร่วมกันบางประการ. ไม่เหมือนกับเครือข่ายเซลลูล่าร์, เครือข่าย LoRa และ Sigfox ใช้โทโพโลยีเครือข่ายแบบดาว,ซึ่งหมายความว่าสามารถรับและส่งข้อความออกอากาศไปยังคลาวด์โดยสถานีฐานใดก็ได้ในขอบเขตเฉพาะ. สิ่งนี้จะเพิ่มโอกาสที่สัญญาณจะถูกจับเมื่ออุปกรณ์อยู่ในระยะรอบนอกของสถานีฐานหลายแห่ง. ทั้ง Sigfox และ LoRa สามารถครอบคลุมระยะทางไกลกว่าและใช้พลังงานน้อยกว่า Cellular. แทนที่, ทั้งคู่มีความเร็วในการถ่ายโอนข้อมูลที่ช้าลงและมีข้อ จำกัด เกี่ยวกับข้อมูลและความถี่มากขึ้น. สามารถส่งข้อมูลจำนวนมากขึ้นต่อข้อความ, ออกอากาศบ่อยขึ้นด้วย LoRa, และรับช่วงศักยภาพสูงสุดด้วย Sigfox.

สิ่งที่ Sigfox และ LoRa มีเหมือนกัน:

• ระยะยาว
• การใช้พลังงานต่ำ

Sigfox

Sigfox ก่อตั้งขึ้นใน 2010, กลายเป็นพื้นที่กว้างพลังงานต่ำที่ทันสมัยแห่งแรก. Sigfox ใช้แถบความถี่ที่ไม่ได้รับอนุญาตที่ความถี่ตั้งแต่ 862MHz ถึง 928MHz, และใช้การมอดูเลตความถี่แคบพิเศษเพื่อส่งข้อความกว้าง 100Hz. ซึ่งหมายความว่าอุปกรณ์ Sigfox จะส่งสัญญาณแบบสุ่มผ่านช่วงการทำงานที่กำหนด, จะมีประโยชน์ในการลดความเป็นไปได้ของการรบกวนจากเสียงรบกวนรอบข้าง. Sigfox สามารถบรรลุขอบเขตสูงสุดของเทคโนโลยีทั้งหมดที่เรากำลังวิเคราะห์, แต่จะส่งผลให้มีอัตราข้อมูลต่ำเนื่องจากใช้แถบความถี่แคบ. ดังนั้น, แต่ละข้อความต้องส่งข้อมูลจำนวนเล็กน้อยโดยมีค่าน้อยกว่า 12 ไบต์.

ผู้ใช้ Sigfox สามารถส่งข้อความได้ไม่เกินหกข้อความต่อชั่วโมงจากอุปกรณ์ไปยังคลาวด์ (ต้นน้ำ) และไม่เกินสี่ข้อความต่อวันจากระบบคลาวด์ไปยังอุปกรณ์หนึ่งเครื่อง (ปลายน้ำ). ข้อจำกัดเหล่านี้หมายความว่า Sigfox เหมาะอย่างยิ่งสำหรับแอปพลิเคชันที่ใช้พลังงานต่ำซึ่งจำเป็นต้องสื่อสารค่าง่ายๆ เพียงไม่กี่ค่าต่อวัน.

คุณต้องลงทะเบียนเครือข่ายสาธารณะ Sigfox ทันที. But it’s ok as, Sigfox อนุญาตให้คุณเรียกใช้อินสแตนซ์ส่วนตัวของเครือข่ายของคุณโดยนำเสนอเทคโนโลยี PAN.

• Sigfox’s advantage: ช่วงที่ยาวที่สุดในบรรดาตัวเลือกพื้นที่กว้างที่ใช้พลังงานต่ำทั้งหมด.

LoRa และ LoRaWAN

LoRa ใช้คลื่นความถี่ที่ไม่ได้รับอนุญาตระหว่าง 433MHz และ 928MHz ตามภูมิภาค, และใช้รูปแบบการมอดูเลต CSS ที่เป็นกรรมสิทธิ์เพื่อส่งข้อมูลผ่านแบนด์วิธช่องสัญญาณที่กว้างขึ้นด้วยแถบความถี่แคบ (125, 250 และ 500kHz), ทางนี้, สามารถมั่นใจได้ถึงระดับเสียงรบกวนต่ำและความสามารถในการป้องกันการรบกวน. รูปแบบการมอดูเลตสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยการเปลี่ยนสเปรดแฟกเตอร์เพื่อให้ได้ระยะทางที่มากขึ้นโดยมีค่าใช้จ่ายด้านพลังงาน. LoRaWAN เป็นโปรโตคอลมาตรฐานเปิดที่กำหนดการสื่อสารระหว่างเกตเวย์และอุปกรณ์ต่างๆ.

LoRa’s range is larger than Cellular, แต่เล็กกว่า Sigfox. แต่ถึงอย่างไร, it’s flexible of packet size limits, และคุณสามารถถ่ายโอนข้อมูลได้มากกว่าที่คุณสามารถทำได้ด้วย Sigfox หากการกำหนดค่าถูกต้อง. ภูมิภาคที่คุณอยู่และอัตราข้อมูลที่คุณต้องการสนับสนุนจะกำหนดขนาดแพ็คเกจสูงสุดของข้อความ LoRa. อัตราข้อมูลที่สูงกว่าหมายถึงช่วงที่สั้นกว่าเนื่องจากความถี่สูงกว่า.

ผู้ให้บริการเครือข่าย LoRaWAN สาธารณะจำนวนมากอยู่ในตลาด. แต่คุณยังสามารถตั้งค่าเครือข่ายส่วนตัวโดยใช้ซอฟต์แวร์และเกตเวย์ของคุณเองได้อีกด้วย.

ลูกกลิ้งมีการใช้งานที่หลากหลาย:

• คลาสเอ: ต้องการพลังงานน้อยที่สุด. อุปกรณ์จะหลับเป็นส่วนใหญ่และตื่นขึ้นเพื่อส่งข้อความอัปลิงค์เมื่อค่าเซ็นเซอร์เปลี่ยนไป. หน้าต่างสำหรับรับข้อความจากเซิร์ฟเวอร์ (ปลายน้ำ) มีจำกัดมาก.
• คลาส B: ยังใช้พลังงานน้อยมาก. อุปกรณ์อยู่ในโหมดสลีปเป็นส่วนใหญ่, แต่สามารถปลุกตรงเวลาและรายงานการอ่านปัจจุบันเมื่อการอ่านเซ็นเซอร์เปลี่ยนแปลง. หน้าต่างสำหรับรับข้อความจากเซิร์ฟเวอร์ (ปลายน้ำ) มีจำนวนจำกัด.
• คลาส C: ต้องการพลังงานมากกว่าอุปกรณ์ Class A และ B, แต่อุปกรณ์จะฟัง downlink เสมอ เว้นแต่จะแพร่สัญญาณอัปลิงค์. ความยืดหยุ่นของการดำเนินการแบบหลายคลาสเหล่านี้ทำให้ LoRaWAN สามารถให้บริการกรณีการใช้งานได้หลากหลายมากขึ้น.

ข้อดีของ LoRaWAN:

• ควบคุมขนาดแพ็กเก็ตสูงสุด, ซึ่งสูงกว่า Sigfox.
• สร้างเครือข่ายส่วนตัวได้ง่ายและคุ้มค่า.
• ยืดหยุ่นได้, การรวมกันของอุปกรณ์ที่มีข้อกำหนดพลังงานและความล่าช้าต่างกันทำงานร่วมกัน.

Conclusion – the difference between LPWAN and WPAN

ความถี่ต่ำมีช่วงสัญญาณที่ยาวกว่าในขณะที่นำข้อมูลน้อยกว่าความถี่สูง. เทคโนโลยี WPAN เช่น Wi-Fi, บลูทู ธ, Zigbee และ Z-Wave มีความถี่สูงกว่าและระยะทางสั้น. ตัวเลือกเหล่านี้ไม่เหมาะสำหรับสถานการณ์ที่ระยะทางเป็นสิ่งสำคัญ. เทคโนโลยี LPWAN สามารถบรรลุช่วงกว้างกว่าและทำงานที่ความถี่ต่ำกว่าเทคโนโลยี WPAN. เราได้พิจารณาแล้วว่าเทคนิคพื้นที่กว้างพลังงานต่ำที่ถูกต้องนั้นขึ้นอยู่กับกรณีการใช้งานของคุณ. เทคโนโลยีเซลลูลาร์ เช่น NB-IoT และ LTE-M เป็นตัวเลือกที่ยอดเยี่ยมสำหรับสถานการณ์ที่ความครอบคลุมของเซลลูลาร์และจุดบริการ, เวลาแฝงต่ำและข้อมูลจำนวนมากมีความสำคัญมากกว่าพลังงานเนื่องจากช่วงมีแนวโน้มที่จะต่ำกว่า. Sigfox เหมาะสำหรับสถานการณ์ที่คุณมีข้อมูลน้อยและต้องการส่งข้อมูลในระยะทางไกลโดยใช้พลังงานต่ำ. LoRa ช่วยให้สามารถควบคุมได้สูงสุด, สามารถกำหนดค่าได้เพื่อส่งข้อมูลปริมาณมากขึ้นโดยเพียงแค่ตั้งค่าเครือข่ายส่วนตัว, และคลาส C รองรับเวลาแฝงที่ต่ำกว่า.