ما هي دورة تشغيل LoRaWAN؟

لوراوان يتميز هذا النظام بكفاءته العالية في استهلاك الطاقة. ولهذا السبب نستخدمه في التتبع بعيد المدى، ومراقبة المستودعات، وساحات المركبات، وسلامة العمال، ومراقبة سلسلة التبريد، وجميع تلك الأماكن الصعبة التي قد يمثل فيها مدّ كابلات الواي فاي مشروعًا بحد ذاته.

لوراوان عادةً ما تعمل هذه التقنية ضمن نطاق ترددي مشترك وغير مرخص ضمن نطاق ISM. في أوروبا، يعني ذلك نطاق التردد EU863-870 ميجاهرتز. ولأن العديد من الأجهزة تتشارك نفس النطاق الترددي، فإن الجهات التنظيمية ومشغلي الشبكات يحددون مدة الإرسال المسموح بها لكل جهاز. ويُطلق على هذا الحد اسم دورة التشغيل.

ببساطة، دورة التشغيل هي النسبة المئوية للوقت المسموح فيه لجهاز الراديو بشغل قناة أو نطاق ترددي. إذا كان الحد الأقصى 1%، فيمكن للجهاز الإرسال لمدة ثانية واحدة، ثم يجب أن يبقى صامتًا لفترة كافية للحفاظ على إجمالي وقت إرساله ضمن هذه الفترة الزمنية. يشرح موقع The Things Network المبدأ نفسه بأنه "نسبة الوقت الذي يكون فيه المورد مشغولًا".“ ⁽¹⁾

بالنسبة لتتبع الأصول، فإن ذلك مهم للغاية.

يُعدّ مستشعر درجة الحرارة الذي يرسل قراءة صغيرة كل 15 دقيقة أمرًا بسيطًا. أما البوابة التي تُعيد توجيه مئات رسائل إشارات البلوتوث، فهذا موضوع آخر. ماذا عن بطاقة تعريف العامل التي تُبلغ عن موقعه كل بضع ثوانٍ من موقع صناعي مزدحم؟ هنا تكمن الحاجة إلى التخطيط.

لماذا تُعد دورة التشغيل مهمة في مشاريع التتبع من لانسيتك؟

لقد رأينا هذا في عمليات النشر الحقيقية: نادراً ما تكون المشكلة في جهاز تتبع واحد. إنها في أسطول الأجهزة.

جهاز تتبع الشارات الذي يُبلغ عن حالة كل دقيقة لا يُسبب أي ضرر. أما خمسمائة شارة، فهي قليلة. بوابات البلوتوث, ، روابط صاعدة مؤكدة، واختيار عامل انتشار ضعيف، وحمولات كبيرة الحجم؟ يمكن أن يصبح ذلك مزعجاً بسرعة.

تؤثر دورة التشغيل على ثلاثة أشياء يشعر بها العملاء بالفعل:

ما الذي يؤثر عليه؟	ما يحدث في الواقع
كمون	قد تنتظر الرسالة قبل أن يتم إرسالها بشكل قانوني.
عمر البطارية	زيادة مدة البث تُبقي الراديو نشطًا لفترة أطول.
سعة الشبكة	يؤدي وجود عدد كبير من وصلات الإرسال والاستقبال إلى تقليل المساحة المتاحة للأجهزة الأخرى.
مصداقية	يؤدي الازدحام إلى زيادة فقدان الحزم وضغط إعادة المحاولة.

لهذا السبب، لا ينبغي تفسير عبارة "فترة الإبلاغ 5 ثوانٍ" على أنها "استخدم 5 ثوانٍ في كل مكان". العديد من أجهزة لانسيتك لوراوان تسمح الأجهزة بفترات إبلاغ قصيرة جدًا قابلة للتكوين، على سبيل المثال، فترات إبلاغ الموقع القابلة للتعديل بناءً على 5 sxn وفترات نبضات القلب بناءً على 30 sxn، ولكن القيمة الصحيحة تعتمد على حالة الاستخدام والمنطقة وعامل الانتشار وحجم الحمولة وكثافة البوابة وسياسة الشبكة.

يبدو هذا كثيراً. وهو كذلك. لكن منطق التصميم بسيط: أرسل ما يهم، فقط عندما يهم.

كيف تعمل دورة تشغيل LoRaWAN عبر القنوات والنطاقات الفرعية

هذا هو الجزء الذي يغفل عنه الكثير من الناس.

يمكن تطبيق دورة التشغيل على مستويات مختلفة: الجهاز، والقناة، والنطاق الفرعي. توضح مقالة أكتيليتي هذا التمييز بوضوح، وهو أمر جدير بالاهتمام لأنه يفسر سبب قدرة جهاز ما على الإرسال على قناة معينة دون أخرى. ⁽²⁾

في نطاق التردد الأوروبي EU863-870 ميجاهرتز، تُدرج شبكة The Things Network حدود النطاقات الفرعية لمعايير ETSI، مثل 0.1% و1% و10%، وذلك بحسب نطاق التردد المحدد. على سبيل المثال، يُدرج النطاقان 865-868 ميجاهرتز و868-868.6 ميجاهرتز ضمن النطاق 1%، بينما يُدرج النطاق 869.4-869.65 ميجاهرتز ضمن النطاق 10%. ⁽³⁾

لذا، عندما يسأل أحدهم: "هل يمكننا الإرسال كل 10 ثوانٍ؟"، فإن الإجابة الصادقة هي: ربما.

أي نطاق؟ أي معدل بيانات؟ كم عدد البايتات؟ ما عامل الانتشار؟ كم عدد الأجهزة؟ شبكة عامة أم شبكة خاصة؟

أنت بحاجة إلى كل هذه الإجابات لتصميم الحل الصحيح.

وقت البث: العملة الحقيقية لشبكة LoRaWAN

دورة العمل هي القاعدة. وقت البث هو ما تنفقه.

تشغل كل وصلة إرسال نطاقًا هوائيًا لفترة زمنية محددة. وتعتمد هذه الفترة بشكل أساسي على حجم البيانات المرسلة، وعرض النطاق الترددي، ومعدل التشفير، ومعامل الانتشار. يؤدي ارتفاع معامل الانتشار إلى زيادة المدى وحساسية جهاز الاستقبال، ولكنه يزيد أيضًا من مدة الإرسال. وتشير شبكة الأشياء إلى أن البيانات المرسلة بمعامل انتشار مرتفع تحتاج إلى مدة إرسال أطول، كما أن ارتفاع معامل الانتشار يقلل من عمر البطارية لأن جهاز الراديو يبقى نشطًا لفترة أطول. ⁽⁴⁾

إليكم النسخة العملية:

اختيار التصميم	تأثير وقت البث	تتبع التأثير
حمولة أصغر	أدنى	أفضل لإعادة توجيه الإشارات الكثيفة
عامل انتشار منخفض، مثل SF7	أدنى	أفضل من حيث السعة والبطارية
عامل انتشار أعلى، مثل SF12	أعلى	مدى أفضل، سعة أسوأ
روابط صاعدة مؤكدة	زيادة عبء الشبكة	استخدمه فقط عند الحاجة الفعلية
روابط تنزيل متكررة	ضغط دورة تشغيل البوابة الأعلى	تجنب التحكم الروتيني في الأسفل

لهذا السبب يُعدّ ترشيح الحمولة أمرًا بالغ الأهمية. العديد من أجهزة لانسيتك بوابات البلوتوث يمكن تصفية بايتات حمولة البلوتوث والإبلاغ فقط عن البيانات المفيدة من خلال لوراوان. الشمسي، الكلي، الجزئي، و بوابات بلوتوث مدمجة كما يدعم ضغط بيانات البلوتوث ويمكنه ضغط ما يصل إلى 15 رسالة إشارة في رسالة واحدة لوراوان حزمة SF9، مع دعم 105 رسالة إشارة كحد أقصى، كما هو مذكور في كتالوج المنتج.

لماذا لا تزال رسائل LoRaWAN الصغيرة تستهلك سعة الشبكة

لنفترض أن بوابة تقوم بإعادة توجيه معرفات إشارات BLE،, RSSI قيم، وحقل استشعار صغير. رسالة واحدة صغيرة. لا مشكلة.

والآن ضع ذلك في موقف سيارات، أو مستشفى، أو مستودع، أو موقع بناء.

قد يتضمن إعداد B-Mobile ما يلي إشارات البلوتوث على الأصول أو الأشخاص،, بوابات البلوتوث مثبتة في مواقع معروفة، و لوراوان بوابة تقوم بإعادة توجيه البيانات إلى خادم الشبكة والتطبيق.

يوضح حل LoRa من Lansitec هذا التدفق بوضوح: منارات تقوم الشركات بالإعلان عن البيانات بشكل دوري،, بوابات البلوتوث استلم الملف وأعد تنسيقه، ثم أعد توجيهه عبر لوراوان إلى خادم الشبكة والتطبيق.

عند الكثافة المنخفضة، يمكنك تقديم التقارير بشكل متكرر. أما عند الكثافة العالية، فينبغي أن يصبح التصميم أكثر ذكاءً.

• استخدم خاصية التصفية من جانب البوابة.
• إرسال رسائل الإشارة دفعة واحدة.
• الإبلاغ عن أحداث التغيير بدلاً من تكرار الحالات المستقرة.
• دع الأصول الثابتة تبقى صامتة.

قصيرة ومملة؟ جيد. الشبكات المملة قابلة للتوسع.

مثال EU868: 1% يبدو مبلغًا سخيًا، حتى تقوم بحسابه

دورة تشغيل 1% تُتيح 864 ثانية من وقت البث يوميًا. دورة تشغيل 0.1% تُتيح 86 ثانية فقط يوميًا. دورة تشغيل 10% تُتيح 8640 ثانية يوميًا. هذه ميزانيات وقت البث اليومية، وليست عدد الرسائل. ⁽³⁾

هذا التمييز مهم.

قد يتناسب جهاز يرسل حزم SF7 قصيرة بشكل مريح. أما الجهاز نفسه عند استخدام SF12، مع حمولات أكبر وعدد محاولات إعادة إرسال أكبر، فقد يستهلك وقت البث بشكل أسرع بكثير. قد تكون الشبكات العامة أكثر صرامة أيضًا. تحدد سياسة الاستخدام العادل في بيئة الاختبار الخاصة بشبكة الأشياء وقت البث الصاعد إلى 30 ثانية يوميًا لكل عقدة، ورسائل التنزيل إلى 10 رسائل يوميًا لكل عقدة، بينما يجب على الشبكات الخاصة الامتثال للوائح التنظيمية و... لوراوان الحدود. ⁽¹⁾

لعملاء لانسيتك الذين يستخدمون حسابات خاصة لوراوان البنية التحتية، هذا خبر جيد وخبر سيئ.

جيد: يمكنك تصميم التطبيق وفقًا لمتطلباتك الخاصة.

سيء: أنت المسؤول عن تخطيط القدرات.

كيف ينبغي أن تفكر عمليات نشر أنظمة لانسيتك في فترات إعداد التقارير

أسهل خطأ هو البدء بأسرع فاصل زمني ممكن. هل يمكن لجهاز التتبع إرسال تقرير كل 5 ثوانٍ؟

من الناحية التقنية، تدعم بعض الأجهزة هذا الحد الأدنى للفاصل الزمني. أما من الناحية العملية، فربما لا ترغب في تطبيقه على جميع الأجهزة طوال اليوم.

والسؤال الأفضل هو: ما القرار الذي ستثيره هذه الرسالة؟

حالة الاستخدام	منطق إعداد التقارير المعقول
نداء استغاثة طارئ	وصلة صاعدة فورية، أولوية عالية
انتهاك منطقة سلامة العمال	وصلة صاعدة مدفوعة بالأحداث بالإضافة إلى تحديثات قصيرة متقطعة
تتبع ساحة المركبات	تزداد وتيرة الحركة أثناء التنقل، وتقل عند التوقف.
تتبع أصول المستودعات	تغيرات في الحضور والموقع، وليس في الثرثرة المستمرة
مراقبة درجة الحرارة	يتم تقديم التقارير بشكل دوري ما لم يتم تجاوز الحد الأدنى.

يُقدّم حلّ B-Fixed من Lansitec معيارًا عمليًا مفيدًا: إذ يُوصف جهاز تتبع الشارات الذي يُرسل تقارير كل دقيقة عند مستوى SF7 بأنه يدعم بوابة واحدة تصل إلى 500 جهاز، مع ملاحظة ضرورة استخدام أداة تقييم سعة الشبكة للحصول على تقدير دقيق. كما يُشير إلى حد أدنى لفترة إرسال تقارير الموقع يبلغ 5 ثوانٍ، ولكن ينبغي التعامل مع ذلك كخيار في الإعدادات وليس كإعداد افتراضي للأسطول الكبير.

نُفضّل البيانات السريعة عندما تُفيدنا، ولا نُفضّلها عندما تُثبت فقط أن الجهاز لا يزال في مكانه قبل عشر ثوانٍ.

يساعد نظام إدارة البيانات البديلة (ADR)، ولكن فقط عندما يتناسب سلوك الجهاز مع ذلك.

تساعد خاصية معدل البيانات التكيفي (ADR) على تحسين معدل نقل البيانات، ووقت البث، واستهلاك الطاقة. فهي تُتيح ضبط عامل الانتشار، وعرض النطاق الترددي، وقوة الإرسال. وتوصي شبكة الأشياء باستخدام خاصية ADR عندما تكون ظروف الترددات اللاسلكية مستقرة، وعادةً ما يكون ذلك للأجهزة الثابتة، بينما ينبغي للأجهزة المحمولة استخدام خاصية ADR فقط عندما تستطيع تحديد أنها ثابتة لفترات طويلة. ⁽⁵⁾

وهذا يتوافق تمامًا مع عملية التتبع.

• هل لديك بوابة داخلية ثابتة؟ قد يكون نظام إدارة البيانات التلقائي (ADR) مفيدًا.
• جهاز تتبع يتحرك بين مستودع وساحة وشاحنة؟ كن حذراً.
• هل يمكن لجهاز تتبع المركبات أن يبقى متوقفاً طوال الليل، ثم يتحرك خلال النهار؟ إن اتباع استراتيجية هجينة سيكون أكثر منطقية.

بالنسبة لأنظمة التتبع، قد يتحرك الجهاز في ظروف ترددات لاسلكية مختلفة تمامًا. خلف رفوف معدنية. بالقرب من الرافعات الشوكية. داخل حاوية. في الهواء الطلق. تحت سقف. يمكن أن يؤدي عدم الاستقرار هذا إلى جعل معدل نقل البيانات التلقائي أقل قابلية للتنبؤ ما لم يفهم منطق التطبيق حالات الحركة.

لماذا قد تؤدي وصلات التنزيل إلى استنزاف سعة شبكة LoRaWAN

تحظى روابط الإرسال بمعظم الاهتمام، لكن روابط الاستقبال يمكن أن تضر بالشبكة بشكل أسرع.

لماذا؟ لأن البوابة التي تبث إشارة هابطة لا تستمع في تلك اللحظة. كما يجب عليها مراعاة حدود دورة التشغيل الإقليمية. في أنظمة التتبع الكثيفة، قد يؤدي كثرة الإشارات الصاعدة المؤكدة أو أوامر الإشارة الهابطة الروتينية إلى ازدحام ذاتي.

استخدم روابط التنزيل للأمور المهمة:

• تغييرات في التكوين
• تأكيد الإنذار عند الحاجة
• البرامج الثابتة أو سير عمل التحكم التشغيلي
• نوافذ صيانة مخططة بعناية

تجنب استخدام روابط التنزيل كعادة للاستطلاع. لوراوان ليس بروتوكولاً للثرثرة. إنه يكافئ ضبط النفس.

قواعد التصميم العملية لتتبع شبكة LoRaWAN من Lansitec

هذه هي النسخة الميدانية التي سنستخدمها في مراجعة المشروع.

قاعدة	لماذا هذا مهم
ابدأ بالفعالية التجارية	“تعتبر عبارات "تحركت" و"دخلت المنطقة" و"استغاثة" و"تجاوزت درجة الحرارة الحد المسموح به" محفزات أفضل من التكرار الأعمى.
حافظ على حمولات منخفضة	بطاقات الهوية،, RSSI, ، والبطارية، وقيمة المستشعر الوحيدة التي تحتاجها ستكون قابلة للتوسع بشكل أفضل من الحمولات المطولة.
استخدم SF7 حيثما تسمح التغطية بذلك	عوامل الانتشار المنخفضة تقلل من وقت البث وتحسن عمر البطارية.
بيانات BLE المجمعة في بوابات	بوابات لانسيتك يمكن تجميع رسائل الإشارة المتعددة، مما يساعد على تقليل عدد الوصلات الصاعدة.
حدّ من عمليات الربط المؤكدة	يؤدي التأكيد إلى زيادة الضغط على الرابط الهابط، ولا ينبغي أن يكون هو الوضع الافتراضي للتتبع الروتيني.
ركز على ساعات الذروة، وليس على المتوسطات	تؤدي تغييرات الورديات، وتحميل الشاحنات، والتدريبات على حالات الطوارئ، ومداخل الفعاليات إلى زيادة مفاجئة في حركة المرور.

بحسب خبرتنا، فإن "ساعة الذروة" هي التي تكشف عن جوهر التصاميم. قد يبدو الموقع جيدًا في الساعة الثانية ظهرًا، ثم ينهار في الساعة السابعة صباحًا عندما يبدأ 400 مستخدم بالعمل، وتتحرك 30 رافعة شوكية، و بوابات بدء إرسال ملاحظات جديدة من منارات الإشارة.

كيف ينطبق هذا على B-Mobile و B-Fixed

في بي-موبايل, منارات متنقلة، و بوابات البلوتوث يتم تثبيتها. تستقبل البوابة إعلانات البلوتوث منخفضة الطاقة القريبة، وتعيد هيكلة البيانات، ثم تعيد توجيهها عبر لوراوان. يكون هذا فعالاً عندما بوابات تُجري هذه العملية تصفية البيانات وتجميعها بذكاء. كما أنها المكان الذي يتم فيه ضغط البيانات وضبط فترات الإبلاغ بشكل فعال.

في ب-ثابت, ، ال منارات يتم تثبيت الإشارات، ويقوم جهاز التتبع بالإبلاغ عما يسمعه. قد يكون هذا ممتازًا لتتبع العمال وحركة التنقل بين الأماكن المغلقة والمفتوحة، ولكن تصبح استراتيجية الإبلاغ الخاصة بجهاز التتبع بالغة الأهمية. تشير وثائق B-Fixed من Lansitec إلى فترة ثلاث ثوانٍ استقبال البلوتوث وتوصي نافذة بفترات إعلان الإشارة مثل 800 مللي ثانية، 500 مللي ثانية، أو أقل، مع التحذير أيضًا من أن الفترات الأقصر تحسن تحديد الموقع ولكنها تستهلك المزيد من طاقة الإشارة.

هندسة معمارية مختلفة ولكن بنفس المبدأ، دون إغراق الهواء.

تكوين بداية معقول

يحتاج كل موقع إلى مسح خاص به، ولكن هذه نقطة انطلاق عملية للعديد من مشاريع التتبع التي تقوم بها شركة Lansitec:

المعلمة	نقطة انطلاق متحفظة
نبضات قلب الأصول الروتينية	5-30 دقيقة
تحديث الأصول المتحركة	30-120 ثانية
تحديث روتيني لشارة العامل	60 ثانية، ثم اضبط
نداء استغاثة أو إنذار أمان	وصلة الحدث الفورية
إعلانات منارات البلوتوث	500-800 مللي ثانية للأفراد، وأبطأ للأصول الثابتة
تم تأكيد وصلة الإرسال	مُعطّل افتراضيًا، ويُفعّل فقط للأحداث الهامة.
استراتيجية الحمولة	تصفية، دفعات، ضغط

ثم اختبر.

ليس في مختبر بثلاثة أجهزة. اختبر بكثافة حقيقية، وجدران حقيقية، ومعدن حقيقي، وحركة حقيقية، وخادم الشبكة الفعلي. موقف سيارات ممتلئ بالسيارات ليس كموقف سيارات فارغ. ممر المستشفى ليلاً ليس كممر المستشفى أثناء تغيير المناوبات.

أخطاء شائعة في دورة تشغيل LoRaWAN يجب تجنبها

إن أكثر مشاكل دورة التشغيل شيوعاً ليست غريبة. إنها مملة، ولهذا السبب تمر مرور الكرام.

أولاً، تبالغ الفرق في تحديد وتيرة إعداد التقارير لأن مصطلح "الوقت الفعلي" يبدو مناسباً في اجتماعات المبيعات. ثم يكتشفون أن عملية العمل لا تحتاج إلا إلى تحديد الموقع كل دقيقة، باستثناء أوقات الإنذارات.

ثانيًا، تغفل الفرق عن حجم الحمولة. قد لا تُحدث بضعة بايتات غير ضرورية فرقًا في المرة الواحدة، لكنها تُحدث فرقًا كبيرًا عند التعامل مع آلاف الحزم يوميًا.

ثالثًا، تستخدم الفرق وصلات الإرسال المؤكدة بشكل متساهل للغاية. صحيح أن التأكيد يبدو آمنًا، لكنه يزيد من الطلب على وصلات الاستقبال. في بيئة مكتظة لوراوان قد يصبح هذا الانتشار، الذي قد تكون فيه السلامة عائقاً، نقطة اختناق.

وأخيرًا، تتعامل الفرق مع عدد البوابات باعتباره أداة التوسع الوحيدة. المزيد بوابات تحسين التغطية وجودة الاتصال، لكنها لا تلغي قواعد دورة التشغيل. يبقى وقت البث هو وقت البث.

خاتمة

لوراوان دورة التشغيل ليست مجرد هامش تقني مزعج، بل هي أحد الأسباب لوراوان يعمل بشكل جيد للغاية عند تصميمه بشكل صحيح.

بالنسبة لعمليات تتبع لانسيتك، لا يكمن الهدف في الإرسال بأكبر قدر ممكن من التكرار، بل في الإرسال معلومات مفيدة وموجزة وفي الوقت المناسب مع الحفاظ على هدوء الشبكة بما يكفي لتوسيع نطاقها.

هذا هو المكان الذي لوراوان يلمع.

لا يحتاج جهاز تتبع الشارات إلى إصدار صوت تنبيه كل بضع ثوانٍ إذا لم يطرأ أي تغيير. بوابة البلوتوث لا يحتاج إلى إعادة توجيه كل بايت يسمعه. لا يجب أن تتصرف الشبكة الخاصة كبيئة اختبار عامة، لكنها لا تزال بحاجة إلى الانضباط.

أفضل شبكة تتبع هي تلك التي تخبرك بما تغير، ومتى يكون ذلك مهماً، وتترك المجال مفتوحاً للرسالة المهمة التالية.

مصادر ومصادر إضافية للقراءة:

1. وثائق TTN: دورة التشغيل
2. النشاط: فهم دورة العمل في LoRaWAN
3. وثائق TTN: المعايير الإقليمية
4. وثائق TTN: عامل الانتشار
5. وثائق TTN: ADR
6. RP002-1.0.5 معلمات LoRaWAN الإقليمية