LTE-CAT1 تکنولوژی ای برای تمام فصول!

مقدمه نویسنده:

واضح و آشکار است که اینترنت اشیاء از یک بحث آکادمیک تبدیل به نیاز روزافزون و حتی فوری جوامع بشری شده که تاخیر در توسعه آن نه نتها باعث توسعه‌نیافتگی تکنولوژیک خواهد شد بلکه باعث کاهش نرخ تولید ناخالص ملی می‌گردد.

کلید واژه نسل پنج موبایل و اینترنت اشیاء تبدیل به یکی از پر استفاده‌ترین کلمات در سخنرانی‌های رهبران کشورهای جهان شده است.

از سوی دیگر چالش همگیری ویروس کرونا جهان را با سرعت بی‌سابقه‌ای به سمت آنلاین شدن و بهره‌گیری از شبکه‌های ارتباطی بین افراد و بین اشیاء سوق داد. روندی که به نظر اکثر صاحبنظران حتی بعد از رفع خطر این ویروس بازگشت ناپذیر خواهد شد.

با افزایش تقاضا برای دستگاه‌های مبتنی بر اینترنت اشیاء سوال اساسی که پیش میاید این است که کدامین گزینه برای بخش ارتباطی بهینه‌ترین است؟

گزینش نادرست نوع فناوری می‌تواند تبعات مالی بسیار زیادی نیز برای شرکت‌ها و سازندگان و حتی بهره برداران ایجاد نماید. اینترنت اشیا، یک بازار بسیار گسترده با تنوع و موارد استفاده‌ی فزایندی است. با این وجود، هیچ فناوری برتر یا رایج‌تری نسبت به دیگری لزوما وجود ندارد. زیرا به دلایل مختلف، کاربردهای گوناکون نیاز به فناوری ارتباطی متفاوتی دارند.

برای مثال، نسل دوم به دلیل فراگیر بودن در کشورهای در حال توسعه، هنوز جذاب است. اما چون این فناوری به سرعت در حال منسوخ شدن است، استفاده از آن برای تولیدات به روز به ویژه برای کشورهای توسعه یافته غیر عقلایی است. بنابراین، هیچ نسخه جهانی برای انتخاب بهترین ارتباط اینترنت اشیا وجود ندارد. البته این به هیچ عنوان به این معنا نیست که تمامی این فناوری‌ها همانند هستند.

تکامل LTE

3G با هدف فراگیری صنعت اینترنت موبایل آنچنان که باید و شاید موفق نبود در حالیکه انتظار میرفت به و اسطه رشد خیره کننده‌ی اینترنت در اواسط دهه 90 میلادی، بازار بسیار گسترده‌ای داشته باشد.

در واقع در طی دهه اول قرن حاظر اینترنت موبایل با شیبی ملایم توسعه یافت. یکی از دلایل این مساله مشکل ذاتی نسل سه در تکامل و بهبود تدریجی آن بود که منجر به گسست در فرآیند بهبود فناوری گشت. جهت رفع این مشکل مجمع جهانی 3GPP تصیم به معرفی فناوری‌ای گرفت که بصورت تدریجی و دربازه زمانی طولانی‌تر و بدون گسست و در راستای افزایش طبیعی تقاضا تکامل یابد.
حتی نام (Long Term Evolution) LTE حاکی از تسلط چنین نگرشی بود.

به همین جهت گزینش نوع مدولاسیون تبدیل به یک مساله استرانژیک گردید. قبل از معرفی LTE ، مدولاسیون دامنه Quadrature (QAM) چندین دهه بود که بطور وسیع مورد استفاده قرار گرفته بود،. این فناوری ، می توانست داده‌های بیشتری را، بدون نیاز به پردازش‌های بسیار پیچیده در فرستنده و گیرنده، منتقل کند.

در این مدولاسیون، از یک پردازنده سیگنال دیجیتال (DSP) استفاده می‌شد تا بتواند عملیات ریاضی مربوط به مدولاسیون سیگنال را در سریع‌ترین زمان و بیشترین بازدهی انجام دهد. به دلیل مقرون به صرفه بودن و همچنین توان مصرفی پایین پردازنده های RISC که برای مدولاسیون QAM ایده آل هستند، LTE خیلی زود توانست به ایده‌آل خود برسد و تسلط بر بازار اینترنت موبایل را فراهم کند.

دسته‌بندی نسل چهارم: معرفی LTE-Cat-1

به منظور برآوردن طیف وسیعی از نیازهایی که در استفاده اینترنت اشیا وجود دارد، LTE گروه یک (LTE-Cat-1) در ویرایش هشتم 3GPP معرفی شد. همچنین به مرور حالت صرفه جویی در مصرف انرژی (PSM) در آن بیشتر بهبود یافت و با و در ویرایش دوازدهم کامل گردید.
با تکامل پردازنده ها، استاندارد LTE نیز پیشرفت کرد. همین موضوع باعث شد تا قیمت دستگاه های LTE کاهش یابد. کاهش قیمت بازخورد مثبتی ایجاد کرد و قیمت نهایی محصول را کاهش داد. به همین علت فناوری LTE برای طیف گسترده تری از موارد استفاده در اینترنت اشیا، مقرون به صرفه گردید. در گام نخست LTEبه عنوان فناوری ارتباطات سطح بالای تلفن‌های هوشمند راه‌اندازی شد. اما دسته‌های بالاتر LTE ویا نسل چهار پیشرفته (LTE-A) و همچنین نسل پنجم از نظر سخت‌افزار بسیار پیچیده‌اند و بنابراین ساخت آنها بروی تراشه (SoC) دشوارتر است. در نتیجه ، دسته‌های بالاتر LTE فقط برای کاربردهای پیشرفته اینترنت اشیا که تأخیر و پهنای باند محوری هستند ، مناسب‌اند. در مقابل ،دسته‌های LTE پایین‌تر به سخت‌افزارهای ساده‌تری احتیاج دارند و از این رو مقرون به صرفه‌تر‌اند.

هر چه زمان می گذرد و با افزایش همگانی شدن فناوری LTE برای استفاده در دستگاه های اینترنت اشیا در سطح جهانی، این محصول در دسترس‌تر و مقرون به صرفه‌تر می‌شود.

نمودار قیمت-زمان را در تصویر زیر ارایه شده است:

نمودار قیمت زمان تکنولوژی اینترنت اشیا

مساله چیست؟

همان طور که در تصویر بالا مشاهده می‌کنید، فناوری‌های شبکه سلولی توسعه یافته پسا نسل سوم به دو گروه تقسیم می‌شوند.

گروه اول که با خط قرمز نشان داده شده است، آن هایی هستند که روند پیشرفت عادی فناوری نسل دو و نسل سه را ادامه می‌دهند. این فنآوری‌ها در مقایسه با نسل‌های قبلی خود با هزینه و مصرف انرژی بیشتری همراه هستند، اما در عوض پهنای باندی به مراتب بالاتری را ارایه می‌دهند و تاخیر در ارسال و دریافت بسته‌های اطلاعاتی بسیار کمتر است. روند این گروه نشان دهنده تکامل شبکه های تلفن همراه به سمت شبکه‌های LTE Advanced و نسل پنجم است.
اما از طرفی، ما به یک مسیر دیگر برای اینترنت اشیا احتیاج داریم. چرا؟

به این خاطر که دستگاه‌های IoT نیاز به اینترنت پرسرعت و پهنای باند بالا احتیاج ندارند، بلکه آن ها تنها به یک اتصال با هزینه و مصرف انرژی کم نیاز دارند. از آن جایی که شبکه‌های نسل دو موجود نیز در حال منسوخ شدن و جمع آوری هستند، باید یک جایگزین مناسب نیز برای اینترنت اشیا درنظر گرفت.

در تصویر بالا، گروه دوم که با خط زرد نمایش داده شده، با کاهش توان، هزینه و مصرف برق همراه هستند، اما تاخیر و پهنای باند در این گروه خیلی مهم نیست. این گروه شامل شبکه های های LPWAN،‏ همانند LTE-Cat-1, LTE Cat-M, NB-IoT و شبکه low-power 5G می شود.. (در ادامه برخی از آن ها را بررسی خواهیم کرد)

در آوریل 2020، ما یک مطالعه تحقیقاتی داخلی با هدف مقایسه معیارهای اصلی چهار فناوری مختلف ‏2G، ‏3G،‏ LTE-Cat-1 و ‏LTE-CAT-M1 انجام دادیم. نتایج این تحقیقات را میتوانید در تصاویر زیر ببینید.

جدول شماره یک

نمایش گرافیکی اطلاعات جدول بالا را میتوانید در شکل زیر ببینید:

نمایش گرافیکی جدول شماره یک

در جدول بالا، به هر ویژگی از 1 تا 10 نمره ای داده شده است. 1 کمترین نمره و 10 بیشترین نمره است. برای مثال، 2G از لحاظ هزینه سخت افزار، نمره کامل ده را کسب کرده است. اگر به امتیازات LTE-Cat-1 دقت کنید، در مجموع نسبت به تکنولوژی های دیگر، امتیاز بالاتری را دریافت کرده است.

در این تصویر، چرخه زندگی این چهار تکنولوژی را مشاهده می کنید. همان طور که میبینید، 2G و 3G کم کم در حال منسوخ شدن هستند، اما تکنولوژی های جدیدتر روز به روز پایدارتر می شوند. همچنین می توان این نتیجه را گرفت که LTE-Cat-1 یک تکنولوژی بسیار مهم و پایدار در زمینه اینترنت اشیا می باشد.

مقایسه LTE-Cat-1 با NB-IoT

اما در مجموع CAT-1 بسیار بهتر و کارآمدتر برای سایر کاربردها، که نیاز به جابجایی و یا ارسال صوت دارند، عمل می‌کند و بطور کلی NB-IoT رقیبی برای CAT-1 محسوب نمی‌شود چون حوزه کاربری آنها متفاوت است.

مقایسه CAT-1 با CAT M1

CAT M1، در واقع تکامل یافته LTE است که همچنین به عنوان LTE-Machine-to-Machine شناخته می شود.
CAT M1، در نسخه 12 به عنوان یک ارتباطی بین اشیاء مقرون به صرفه (low-cost MTC) شناخته شد و در نسخه 13 نیز مجددا بهبود یافت و با نام LTE-enhanced MTC (eMTC) نیز شناخته می شود. در ویرایش شانردهم 3GPP، CAT M1 در فناروی نسل پنجم (5G) ادغام گردید.
CAT M1 با هدف تأمین نیازهای دستگاه های اینترنت اشیا، به کمک سیگنال های حامل LTE موجود، طراحی شد. eMTC از شبکه های تلفن همراه موجود استفاده می کند و حداکثر نرخ سرعت آن 1 مگابیت بر ثانیه (برای uplink و downlink) می باشد. البته تفاوت هایی در قابلیت VoLTE بین CAT-1 و CAT M1 وجود دارد. همانطور که قبلاً گفته شد، CAT-1 نیز به صورت ذاتی و درصورت پشتبانی اپراتور تلفنی همراه از VoLTE پشتیبانی کند.

مقایسه LTE-Cat-1 با CAT-4

تفاوت اصلی بین CAT-1 با CAT-4 در محدوده کاربردهای آن هاست.

CAT-1 یک بازار محدود از اینترنت اشیا را پوشش می دهد، در حالی که CAT-4 بازار گسترده‌تری را پوشش می دهد.

همان طور که در بالاتر نیز اشاره شد، حداکثر سرعت downlink در CAT-1 ‏10 مگابیت بر ثانیه و سرعت uplink،‏ 5 مگابیت بر ثانیه می باشد، در حالی که در اینترنت CAT-4 بیشترین سرعت برای دانلود 150Mbps و برای آپلود 50Mbps می باشد. هر دو از سیگنال مخابراتی 20MHz با پهنای باند یکسان همراه با دو آنتن استفاده می کنند، هرچند CAT-1 در بیشتر موارد تنها یک آنتن دارد.

در این شکل برخی از موارد استفاده NB-IoT و LTE-M و CAT-1 را میبینید.

بررسی LTE-Cat-1 از دید بازار

با گذر زمان، استفاده از اینترنت اشیا روز به روز بیشتر شده و بر تنوع و تعداد دستگاه هایی که به اینترنت متصل هستند، افزوده می شود.
در شکل زیر، بطور تقریبی میزان گستردگی و استفاده از انواع دستگاه های IOT را میبینید.

همان طور که در تصویر بالا میبینید، 60% از دستگاه های موجود در بازار، تنها به یک ارتباط اینترنتی با پهنای باند پایین احتیاج دارند و تنها 10% به اینترنت پرسرعت نیاز دارند. بنابراین میتوان نتیجه گرفت که LTE CAT-1 نقش مهمی را در زمینه اینترنت اشیا بازی می کند.

همانطور که در تصویر مشاهده می شود، ماژول CAT-1 پنج درصد از سهم بازار را در سال 2019 تشکیل داده است.
طبق تحقیقات انجام شده توسط Techno System Research (TSR) کل محموله های ماژول CAT-1 در سال 2018 از 22 میلیون واحد در سراسر جهان فراتر رفته است، در حالی که تحقیقات Berg Insight (در شکل زیر) نزدیک به 28 میلیون واحد را برای همان سال تخمین زده است.

در همان گزارش، Berg Insight پیش بینی کرد که محموله های ماژول LTE-Cat-1 در سال 2020 بیش از 55 میلیون واحد در سراسر جهان باشد.

بخش عظیمی از این مصرف در راستای جایگزینی 2G و 3G و البته بخشی دیگر از آن به علت عدم راه اندازی CatM1 در تعداد کثیری از کشورهای جهان است.

استدلال اصلی این دسته از اپراتورها و کشورها این است که تفاوت فناوری CatM1 و LTE-Ca1 چندان نیست و از طرفی ارایه یک فناوری اضافه باعث پیچیده‌تر شدن و پرهزینه‌ترشدن فرآیندهای راه انداری، اخذ مجوزها و گواهی‌های مربوطه و سردرگمی سازندگان و مصرف کنندگان می‌گردد. این مساله به ویژه با تصمیم اپراتورهای کشور چین برای عدم ارایه CatM1 و همچنین ترغیت سازندگان ماژول برای تولیدات داخلی LTE-Ca1 تشدید شده است.

در میان کشورهای دیگری نیز تصمیم بر عدم راه‌ندازی CatM1 در کوتاه مدت گرفته‌اند که این خود باعث افزایش حجم تقاضا برای LTE-Ca1 به عنوان جایگزین مناسب و فوری2G به ویژه برای کاربردها متحرک گردد.

انتظار میرود با شدت یافتن باز خورد مثبت و افزایش حجم بازار و کاهش روزافزون هزینه ماژول LTE-Ca1 در آینده نزدیک این محصول هم از نظر اقتصادی و هم از نظر فنی تبدیل به بهترین گزینه برای طیف وسیعی از کاربردهای اینترنت اشیاء گردد.
هنگامی که یک تکنولوژی جدید معرفی می شود، معمولا در ابتدا قیمت آن بسیار زیاد است، اما به مرور زمان قیمت آن کاهش می باید. این کاهش قیمت در پیشرفت و همه گیری یک تکنولوژی تاثیر بسیار زیادی دارد. این تغییرات را میتوانید در شکل زیر مشاهده کنید:

این مطلب در سایت کویکتل  منتشر شده که اصل مطلب که کاملتر هست را میتونید در زیر دانلود نمایید.

PDF زبان اصلی (منبع)

خرید ماژول LTE کویکتل