مروری بر استانداردهای مطرح شبکه های بی سیم توان-پائین

واضح آرشیو وب فارسی:فان پاتوق: فناوري هاي بلوتوث ، Wi-Fi و Zigbee جايگاه ويژه اي در مخابرات بی سیم دارند. اما به دلايل مختلف هيچ كدام بطور كامل مناسب شبكه هاي حسگر بی سیم نيستند. محصولات و فناوري شرکت Greenpeak که توسط Neik Van Dierdonek جهت استفاده در كاربرد هاي كنترلي و حسگرها ارائه شده است، به سرعت در حال تبديل به واقعيت است. تعداد كثيري از تحليل گران و فناوران بر اين باورند كه پذيرش جهاني فناوري بی سیم تنها مستلزم زمان است.
مؤسسات استاندارد سازي و فناوران، عملكرد خو بي در طبقه بندي راه حل ها و فناوري ها نداشته اند. اگر هم كاري انجام شده است بدليل گنگ بودن در حوزه كاربرد موجب ناكامي شده است.
مصرف كننده هاي نهايي و فناوران، استاندارد سازي را به دلايل گوناگوني احتياج دارند. كه از آن جمله است: پيروي از مقررات جهاني، قابليت كار بين مارک هاي مختلف ، رقابت براي كاهش قيمت و ... .
برخي قطعات تكنولوژيكي به قدري گران مي باشند كه تنها با توليد بالا به مرز سود دهي مي رسند. كه در اين صورت وجود بازار جهاني ضروري و بسيار مهم است. استاندارد ها ابزارات مهمي در ايجاد آگاهي جهاني و بازار جهاني مي باشند.
معماري سيستم شبكه حسگر بی سیم
معماري سيستم حسگر بی سیم از سه لايه تشكيل شده است. (شكل 1)

گيرنده -فرستنده بی سیم (transceiver) كه اطلاعات ديجيتال را به سيگنال الكترومغناطيسي بی سیم تبديل مي كند . اين سيگنال مي تواند توسط فرستنده ارسال گردد و در گيرنده بازسازي شود.
در نسل قبلي فناوري بی سیم شما يا يك فرستنده براي ارسال داشتيد يا يك گيرنده براي دريافت. امروزه فناوري براي افزايش كارايي و اطمينان پذيري سيستم ، ابزار گيرنده و فرستنده را تؤام كرده است.

مقايسه Wi-Fi و بلوتوث با IEEE 802.15.4
توليد كنندگان چيپ به فروش بالا براي داشتن سود مناسب نياز دارند و فروش بالا نياز به بازار جهاني دارد. تجربه نشان ميدهد براي رشد بازار جهاني يك فناوري، نياز به استاندارد وجود دارد . فناوري اينترنت بی سیم Wi-Fi با استاندارد IEEE 802.11 a/b/g/n و فناوري بلوتوث كه بر پايه استاندارد تعريف شده در IEEE 802.15.4 (a.b) است از جمله مصداق هاي اين تجربه مي باشند. اين مورد براي شبكه هاي حسگر با استاندارد IEEE 802.15.1 (a/b) سال 2003 نيز صادق است.
هر كدام از اين سه فناوري كاربرد هاي خاصي را هدف قرار داده اند. Wi-Fi به عنوان جايگزيني براي ارتباط Ethernetكابلي رایانه های شخصی در شبكه مي باشد كه داراي ويژگي سرعت انتقال بالا است. در اين فناوري ایستگاه اصلي در مركز و رایانه های شخصی در كنار آن هستند.( شبكه ستاره) .
Wi-Fi مقدار مناسبي توان مصرف مي كند و مي تواند منبع آن باتري يك لپ تاپ باشد .
نرخ انتقال اطلاعات(سرعت) با افزايش فاصله از ایستگاه مركزي به شدت كاهش مي يابد. بلوتوث مرتبط يا كاربرد هاي تلفن همراه مي باشد . به عنوان مثال، ارتباط گوشي با هدفن، GPS و لپ تاپ . سرعت Mbps 1 فناوري بلوتوث براي انتقال صوت كافي است ولي سرعت آن نسبت به Wi-Fi كمتر است . در عوض مصرف توان كمتر است و اغلب سيستم مي تواند از طريق باتري گوشي همراه تغذيه شود.
در اغلب موارد محدوده ارتباطي بلوتوث كوچكتر از Wi-Fi مي باشد. بنابراين براي كاربرد هاي گوشي همراه مناسب مي باشد چراكه معمولاً هدفن ،GPS و لپ تاپ در مجاورت تلفن همراه مي باشند.
كاربردهاي مربوط به حسگر ها نيازمندي هاي ديگري را مي طلبند. خصوصاً در اين مورد كه بحث مصرف توان نيز مطرح است:
حسگر ها اغلب بايد براي مدت 5 سال با باتری ساعت ، انرژي بدست آمده از محيط توسط سلول خورشيدي و يا انرژي بدست آمده از سيستم جذب ارتعاش، كار كنند. اين باتری را نمي توان مانند باتری لپ تاپ يا گوشي همراه شارژ نمود.
نيازمندي هاي ديگر توسط فاكتور هايي چون : اعتماد پذيري سيستم، محدوده ارتباطي، تعداد گره هايي (node) كه بايد در يك شبكه پشتیبانی شوند و همچنين نياز به ساختار شبكه اتوماتيك ، تعيين مي گردد. در مقابل، سرعت پايين انتقال اطلاعات قابل قبول مي باشد چرا كه اغلب حسگر ها اطلاعات نسبتاً كمي توليد مي كنند و از طرفي روند توليد اطلاعات پيوسته نيست.
براي گيرنده-فرستنده هاي حسگر بی سیم ، محدوديت و شايد تنها استاندارد موجود IEEE 802.15.4 باشد. اولين نسخه استاندارد در سال 2003 به تصويب رسيد و در سال 2006 به روز گشت.
فروشندگان متعددي چيپ هاي فرستنده-گيرنده را عرضه مي كنند. بيشتر آنها حداقل اجراي استاندارد ها را رعايت مي كنند. بقيه توليد كننده ها دستگاه ها و فناوري هاي ضميمه ی تشويقي را به همراه محصول ارائه مي كنند كه در برخي كاربرد ها مفيد مي باشند. بطور مثال، گيرنده-فرستنده GP-2000 شركت GreenPeak دارای ويژگي هاي كاهش توان مصرفي مي باشد كه مناسب كاربرد هاي مربوط به باتري ساعت و كاربردهاي بدون باتري مي باشد.
در جدول شماره 1 پارامترهاي اساسي استاندارد IEEE 802.15.4 و مقايسه آنها با فناوري بلوتوث آمده است. پيشنهاد هايي به منظور استفاده از فناوري بلوتوث و Wi-Fi در كاربردهاي مربوط به حسگر ها مطرح شده است. در هر دو مورد Wi-Fi و بلوتوث بطور غير استاندارد استفاده شده اند. در حال حاضر بطور گسترده پذيرفته شده است كه IEEE 802.15.4 بهترين راه حل را براي كاربردهاي مربوط به حسگر ها پيشنهاد مي كند. كه البته تمام فناوران استاندارد IEEE 802.15.4 را رعايت نمي كنند.

برخي به منظور كاهش پيچيدگي و هزينه، اقدام به توليد گيرنده-فرستنده هايي با حقوق انحصاري كرده اند.
شبكه
ساختار اطلاعاتی شبكه دو مسئوليت دارد. اول اينكه شبكه را شكل دهد و نگهداري كند. ساختار اطلاعاتی شبكه هاي بی سیم بايد بتواند خود را با تغيير مداوم كيفيت لينك بين گره ها هماهنگ كند. براي مثال اتوماسيون يك ساختمان را در نظر بگيريد . در اين ساختمان افراد در رفت و آمد هستند( ممكن است شخصي بين دو گره ايستاده باشد.) و اين مي تواند تاثير خيلي بدي روي كيفيت لينك داشته باشد. بنابراين ساختار اطلاعاتی شبكه بايد در نظر بگيرد كه لينك ممكن است در هر لحضه قطع شود و در اين صورت آن گره يا شاخه مربوطه را ايزوله نمايد. در پاسخ به تداخل ،ساختار اطلاعاتی شبكه بايد مسيرهاي مخابراتي را دوباره برقرار كند و لينك هاي جديد را به گونه اي ايجاد كند كه اتصال بدون وقفه به تمام قسمتهاي شبكه فراهم آيد.
مسئوليت دوم شبكه ، تضمين انتقال پيام از گره مقصد به مبدأ بطور كارآمد و مطمئن مي باشد. منظور از راندمان در اينجا دو مورد مي باشد:
1) برآورده شدن ملزومات تآخير ( زماني كه پيام در مسير است)
2) اجتناب از ايجاد تنگراه ( عامل كند كننده) در مسير پيام
سخت افزار به تنهايي نمي تواند اين انعطاف پذيري را تأمين كند. نياز به وجود ساختار اطلاعاتی قابل برنامه ريزي مي باشد تا هزينه سرمايه گذاري را كاهش داده و سود قابل قبول را با وجود حجم توليد پايين براي قطعه سازان به ارمغان آورد.
در حال حاضر تعدادي ساختار اطلاعاتی شبكه استاندارد بر اساس802.15.4 IEEE ساخته شده اند.

تأثيرAlliance Zigbee
Alliance Zigbee يك موسسه استاندارد مستقل مي باشد. اين موسسه توسط گروهي از فناوران و OEM ها اداره مي شود . در اواخر سال 2007 اين گروه مشخصات دو ساختار اطلاعاتی شبكه را نهايي نمود: ساختار اطلاعاتی شبكه Zigbee و ساختار اطلاعاتی شبكهPRO Zigbee .
از نقطه نظر كاربرد ، Zigbeeمناسب شبكه هاي خانگي كه بطور نمونه شامل ده تا چند صد وسيله هستند، مي باشد. PRO Zigbee داراي كاركرد هايي است كه امكان scale شبكه و هماهنگي بهتر با تداخلات بی سیم فناوري هاي ديگر را فراهم مي آورد .
اين ويژگي موجب گشته PRO Zigbee مناسب كاربردهاي بزرگ مانند فضاي يك ساختمان تجاري باشد. هم اكنون اين كاربرد احتياج به حجم بسيار حافظه دارد.در نتيجه قيمت آن زياد است و استفاده از آن را براي بسياري از مشتريان محدود مي كند.
با كاهش روز افزون قيمت سيليكون پيش بيني مي كنيم اختلاف قيمت بين Zigbee و PRO Zigbee به زودي قابل چشم پوشي شود و PRO Zigbee بسياري از كاربرد ها را پوشش دهد.
Alliance Zigbee بطور صريح كاربردهاي صنعتي را نفي نمي كند. با اين وجود تعداد زيادي از شركت هاي بزرگ اتوماسيون صنعتي نياز به ويزگي هاي اضافي را حس كرده اند كه جزو ليست اولويت هاي اصلي Zigbee نمي باشد. دو ويژگي صنعتي مهم تآخير قطعي (deterministic latency ) و قابليت اطمينان قطعي(deterministic reliability ) مي باشند. تآخير قطعي مدت زماني است كه پيام از منبع به مقصد ميرود. اگر منبع يك PLC و مقصد يك ماشين باشد بسيار مهم است كه تآخير قطعي به دقت كنترل شود.
به همين دليل استاندارهايي كه بطور صريح اتوماسيون صنعتي را هدف قرار داده اند از يك ويژگي IEEE 802.15.4 به نام" زمان تضمين شده " بهره مي برند. كه دراين حالت بدترين تآخير پيام تضمين مي گردد. Zigbee از زمان تضمين شده استفاده نمي كند. قابليت اطمينان قطعي اشاره به قابليت ايجاد مسير مخابراتي تضمين شده بين دو وسيله بی سیم دارد.
مهمترين دشمن اعتمادپذيري تداخل مي باشد.اين تداخل بوسيله ديگر كاربران همان باند فركانسي بوجود مي آيد. ابزارات منطبق با IEEE 802.15.4 از باند فركانسي 2.4 GHz استفاده مي كنند. دراين حالت مهمترين تداخل توسط گيرنده-فرستنده هاي Wi-Fi مي باشد. اكثر تداخلات عملكرد دستگاه هاي منطبق بر IEEE 802.15.4 را بطور كامل مختل نمي كنند. اما موجب مي شوند برخي بسته هاي اطلاعاتي از دست رود. براي كاهش اين تلفات ،استانداردهاي بی سیم مورد استفاده در كاربردهاي صنعتي مكانيزمي را فراهم مي آورد كه تلفات بسته ها بطور يكنواخت در طول زمان توزيع شوند. بدين طريق قابليت پيش بيني و قابليت اطمينان به سيستم افزايش مي يابد.
ISA-100 و Wireless HART
ISA-100 و Wireless HART دو استاندارد در اتوماسيون بی سیم صنعتي مي باشند. ISA-100 محصول انجمن اتوماسيون ، سيستم ها و ابزار سازي (ISA ) مي باشد . ISA يك انجمن مهندسي غير تجاري است كه روي اتوماسيون صنعتي تمركز دارد. انتظار مي رودISA-100 مشخصات استانداردي را در بازه زماني 2008-2009 ارائه دهد.
Wireless HART بطور كامل يك پروتكل صنعتي حسگر نمي باشد. در واقع ضميميه اي بر استاندارد قديمي ولي معمول HART است. HART يك استاندارد گذرگاه (Bus) کابلی براي اتوماسيون صنعتي مي باشد.
از آنجا كه ISA-100 و Wireless HART هر دو بطور اساسي مشكلات يكساني را حل مي كنند اخيراً تلاش شده است كه بتوان اين دو را در یکدیگر ادغام كرد. اولين نسخه به احتمال زياد نيازمند پل شبكه ( يك مترجم بين دو سيستم ) خواهد بود. نسخه هاي بعدي احتمالاً از يك زبان مشترك استفاده كنند.
جدول 2 برخي ويژگي هاي استانداردهاي صنعتي و تجاري را فهرست مي كند.

فناوري هاي بی سیم انحصاري

علاوه بر فناوري هاي استاندارد حسگر بی سیم، فناوري هاي انحصاري مربوط به شركت هاي خاص نيز وجود دارند. به اين معنا كه يك شركت كنترل يك فناوري را به عهده دارد كه عملاً موجب حق امتياز بر آن فناوري مي شود. استاندارد هاي امتيازي اغلب به منظور استفاده در يك كاربرد خاص يا تعدادي كاربرد خاص بوجود آمده اند. در عمل فناوري هاي انحصاري با سرعت بيش تري مي توانند رشد كنند .فناوري هاي با حقوق انحصاري ممكن است در برخي كاربرد هاي محدود از فناوري هاي استاندارد برتر باشند.

دو فناوري مهم در عرصه فناوري هاي انحصاري Zensys" Z-Wave و Cornis" Wavenis مي باشند. Zensys" Z-Wave كاربرد اتوماسيون مسكوني را با حداكثر 273 گره هدف قرار داده است. اين تعداد گره براي خانه مناسب است اما براي تأسيسات بزرگتر مانند هتل ها و ساختمان هاي اداري كافي نيست. در حالي كه Wavenisدر كاربرد هاي اندازه گیری فاصله استفاده مي شود. اگرچه براي كاربردهاي ديگر نيز فروش دارد.

پيشرفت هاي اخير

حتي با وجود مرز هاي استاندارها، فرصت هاي زيادي براي تمايز بين فناوري ها وجود دارد. براي مثال Greenpeak ، گيرنده-فرستنده ها و ساختار اطلاعاتی منطبق بر IEEE 802.15.4 توليد مي كند كه داراي قابليتهاي اضافه ايي براي كاربرد هاي فوق العاده كم مصرف مي باشد.

اين تكنولوژي اين امكان را به سيستم بی سیم مي دهد كه با تغذيه يك باتري ساعت ،انرژي بدست آمده از سلول خورشيدي، جذب كننده انرژي ارتعشات و يا هر وسيله مبدل انرژي محيط بتواند كار كند. شركت Greenpeakفناوري LPR را ارائه كرده است كه در آينده نزديك راه خود را در استانداردها باز مي كند. در يك شبكه LPR ابزاراتي كه با باتري تغذيه مي شوند مي توانند پيامها را از ابزار كناري دريافت كنند و آنها را به زنجيره مخابراتي طولاني تري ارسال كنند.

استانداردهاي امروزي فقط قادرند اين قابليت را براي ابزاراتي كه با سيستم برق تغذيه مي شوند ارائه دهند. چرا که نياز است ابزار همواره روشن باشد كه درنتيجه اتلاف توان قابل توجهي را موجب مي شوند. LPR اتلاف توان دستگاه ها ي همواره روشن را حذف مي كند . بدين طريق كه با بكار بردن مكانيزم همزمان سازي زماني، اين امكان را به ابزار مي دهد كه روشن شود و شبكه را برقرار كند.

درباره مولف مقاله

Neik Van Dierdonek معاونت مديريت توليد و استراتژي را در شركت Greenpeak بر عهده دارد. او از پيشگامان مخابرات حسگر مي باشد. وي در سال 2003 شركت Ubiwave را تأسيس نمود و به عنوان CEO تا سال 2007 در آن فعاليت نمود . در اين سال شركت Xanadu Wireless اين شركت را خريداري كرد و نام آن به Greenpeak تغيير داده شد.

این صفحه را در گوگل محبوب کنید

[ارسال شده از: فان پاتوق]

[مشاهده در: www.funpatogh.com]

[تعداد بازديد از اين مطلب: 275]