ما هو إنترنت الأشياء عبر الأقمار الصناعية? كيف يعمل, الفوائد والتطبيقات

نادرًا ما تمثل التغطية مشكلة عندما يكون جهاز إنترنت الأشياء موجودًا داخل المدينة. انقل نفس الجهاز إلى سفينة صيد, خط أنابيب بعيد, مزرعة معزولة, أو قطعة من المعدات بعيدة عن برج الهاتف المحمول, ويمكن أن يصبح الاتصال هو الجزء الأصعب من المشروع.

وهنا يصبح إنترنت الأشياء عبر الأقمار الصناعية مفيدًا.

يوفر الاتصال عبر الأقمار الصناعية لأجهزة إنترنت الأشياء طريقة أخرى لإرسال البيانات عندما لا تتمكن الشبكات الأرضية من توفير تغطية موثوقة. في بعض الأنظمة, الجهاز يتحدث مباشرة مع القمر الصناعي. في الآخرين, يتم استخدام القمر الصناعي كوصلة توصيل للبوابة المحلية. يجمع النهج الثالث بين الهاتف الخلوي والقمر الصناعي حتى يتمكن الأصل من التبديل بينهما مع تغير موقعه.

هذا لا يعني أن كل مشروع لإنترنت الأشياء عن بعد يجب أن يستخدم الأقمار الصناعية. حجم الرسالة, تردد التقارير, عمر البطارية, وضع الهوائي, تكلفة الخدمة, والتغطية كلها تؤثر على الاختيار النهائي.

إن فهم هذه المقايضات هو المفتاح لاستخدام إنترنت الأشياء عبر الأقمار الصناعية بشكل جيد.

ما هو إنترنت الأشياء عبر الأقمار الصناعية?

يشير إنترنت الأشياء عبر الأقمار الصناعية إلى أنظمة إنترنت الأشياء التي تستخدم الاتصالات عبر الأقمار الصناعية لجزء أو كل الاتصال بين الأجهزة الميدانية وتطبيقات الأعمال.

الغرض الأساسي بسيط. فهو يعمل على توسيع نطاق الاستشعار المتصل ورؤية الأصول إلى ما هو أبعد من الأماكن التي تخدمها الأبراج الخلوية, واي فاي, الشبكات السلكية, أو غيرها من البنية التحتية الأرضية.

قد يقوم جهاز متصل بالقمر الصناعي بالإبلاغ:

• موقع GPS
• الخزان أو مستوى الماء
• درجة الحرارة والرطوبة
• ضغط
• حالة المعدات
• التربة أو الظروف البيئية
• أحداث التنبيه

لا تحتاج معظم تطبيقات إنترنت الأشياء عبر الأقمار الصناعية إلى نقل الملفات الكبيرة. غالبا ما يعتمدون على القصير, رسائل مفيدة يتم إرسالها على فترات زمنية مخططة.

هذا هو أحد الأسباب الاتصال بالأقمار الصناعية يناسب المراقبة عن بعد بشكل جيد. قد لا تحتاج الشركة إلى دفق مستمر من البيانات. قد تحتاج فقط إلى معرفة أن الأصل لا يزال قيد التشغيل, حيث هو, أو ما إذا كانت القيمة قد تجاوزت الحد.

الاختلافات بين إنترنت الأشياء عبر الأقمار الصناعية وإنترنت الأشياء التقليدي

لا ينبغي النظر إلى إنترنت الأشياء عبر الأقمار الصناعية والأرضية على أنها إجابات متنافسة على نفس السؤال.

إنترنت الأشياء الخلوية غالبًا ما يكون هذا هو الخيار العملي عندما تظل الأصول داخل تغطية متنقلة موثوقة. ويصبح القمر الصناعي أكثر جاذبية عندما تعمل هذه الأصول في الخارج, عبر الأراضي النائية, أو من خلال المناطق التي تكون فيها الخدمة الخلوية غير متسقة. تعكس المقارنة أدناه عوامل النشر الرئيسية في ملخص المشروع.

النقطة المهمة هي أن التغطية الأوسع تأتي مع مقايضات التصميم. قد يحل الارتباط عبر القمر الصناعي مشكلة التغطية بينما يخلق أسئلة جديدة حول الطاقة, موقف الهوائي, وقت الإرسال, وتكلفة البيانات.

كيف يعمل اتصال إنترنت الأشياء عبر الأقمار الصناعية?

يبدو مسار بيانات إنترنت الأشياء عبر الأقمار الصناعية النموذجي بهذا الشكل:

المستشعر ← وحدة الاتصال ← الهوائي ← شبكة الأقمار الصناعية ← البنية التحتية الأرضية ← النظام الأساسي السحابي ← التطبيق

التفاصيل تختلف حسب النظام.

جهاز استشعار المستوى البعيد, على سبيل المثال, قد يستيقظ في الأوقات المحددة, جمع القراءة, وإعداد رسالة صغيرة. تقوم وحدة الاتصال الخاصة بها بإرسال تلك الرسالة عبر شبكة الأقمار الصناعية. ثم تصل البيانات إلى الخدمة السحابية, حيث يمكن أن تظهر في لوحة المعلومات أو تؤدي إلى تنبيه.

إذا لم يتمكن الجهاز من إرسال الرسالة على الفور, قد يقوم النظام المصمم جيدًا بتخزينه والمحاولة مرة أخرى لاحقًا.

وهذا أمر مهم لأن الاتصال عبر الأقمار الصناعية يعتمد على أكثر من مجرد موقع الجهاز. اتجاه الهوائي, الهياكل المحيطة, التضاريس, توافر الأقمار الصناعية, وتصميم الشبكة يمكن أن يؤثر جميعها على الارتباط.

ثلاث طرق لإضافة الاتصال عبر الأقمار الصناعية

يمكن للقمر الصناعي الدخول إلى هندسة إنترنت الأشياء في أكثر من مكان.

مباشرة إلى القمر الصناعي

يشتمل الجهاز نفسه على الراديو والهوائي اللازمين للاتصال بشبكة الأقمار الصناعية.

ويكون هذا النهج جذابًا عندما تنتشر الأصول الفردية عبر مناطق نائية كبيرة ولا يمكن أن تعتمد على البنية التحتية القريبة.

وصلة الأقمار الصناعية

تتصل أجهزة الاستشعار المحلية أولاً ببوابة قريبة. وتقوم البوابة بعد ذلك بإرسال بياناتها عبر رابط عبر الأقمار الصناعية.

يمكن أن يكون هذا تصميمًا عمليًا لموقع بعيد به العديد من أجهزة الاستشعار المحلية, مثل تركيب الطاقة, موقع زراعي, أو منشأة معزولة.

الهجين الخلوية والقمر الصناعي

يستخدم الجهاز الاتصال الخلوي عندما يكون متاحًا والقمر الصناعي عند فقدان التغطية الأرضية.

تحدد إرشادات GSMA الاتصال الخلوي وغير الأرضي الهجين كنموذج مهم لتوسيع خدمات إنترنت الأشياء خارج حدود الشبكات الأرضية.

يمكن أن يكون هذا النهج منطقيًا بشكل خاص بالنسبة للمركبات, حاويات, والمعدات المتنقلة التي تقضي معظم وقتها داخل التغطية الخلوية ولكنها تدخل في بعض الأحيان إلى مناطق عمياء.

التقنيات الرئيسية وراء إنترنت الأشياء عبر الأقمار الصناعية

لا يرتبط إنترنت الأشياء عبر الأقمار الصناعية بمعيار لاسلكي واحد. يمكن للعديد من التقنيات دعم أنواع مختلفة من الأجهزة المتصلة.

مباشرة إلى القمر الصناعي LoRaWAN

لوراوان تم تصميمه لتطبيقات إنترنت الأشياء التي تحتاج إلى اتصالات طويلة المدى مع استخدام منخفض للطاقة. ويرتبط عادةً برسائل أجهزة الاستشعار الصغيرة بدلاً من حركة المرور ذات النطاق الترددي العالي.

يمكن لشبكات الأقمار الصناعية توسيع هذا النموذج من خلال وضع إمكانية بوابة LoRaWAN على الأقمار الصناعية. يشير تحالف LoRa إلى أن بوابات الأقمار الصناعية LEO يمكنها التواصل مع مستشعرات LoRaWAN المناسبة عبر مسافات طويلة من الرؤية.

لتطبيقات مثل الاستشعار البيئي أو الزراعة عن بعد, يمكن أن يكون هذا النموذج جذابًا لأن القيمة غالبًا ما تأتي من قياسات صغيرة بدلاً من تدفقات البيانات الكبيرة.

NB-IoT عبر NTN

وتتحرك تقنية NB-IoT أيضًا إلى ما هو أبعد من الشبكات الأرضية.

3إصدار GPP 17 قدمت دعمًا موحدًا لإنترنت الأشياء NB-IoT وeMTC عبر الشبكات غير الأرضية. يساعد هذا العمل على جلب الاتصالات عبر الأقمار الصناعية إلى النظام البيئي لإنترنت الأشياء الخلوي الأوسع.

لمصممي الحلول, يمكن لشبكة NTN القائمة على المعايير أن تسهل التفكير في الهاتف الخلوي والأقمار الصناعية كأجزاء من استراتيجية اتصال واحدة بدلاً من نظامين منفصلين تمامًا.

الوحدات والهوائيات لا تزال مهمة

لا تضمن الوحدة القادرة على استخدام القمر الصناعي النشر الناجح.

يجب أن يأخذ تصميم الأجهزة أيضًا في الاعتبار وضع الهوائي, مزود الطاقة, مواد الضميمة, زاوية التثبيت, جدولة الرسائل, إعادة المحاولة, وتخزين البيانات المحلية.

هذا مهم بشكل خاص للمنتجات التي تعمل بالبطارية. عادةً ما يكون الإرسال الراديوي واحدًا من العمليات الأكثر استهلاكًا للطاقة في المستشعر, وبالتالي فإن استراتيجية إعداد التقارير يمكن أن يكون لها تأثير مباشر على عمر التشغيل.

أين يقدم إنترنت الأشياء عبر الأقمار الصناعية أكبر قيمة؟?

تميل أقوى التطبيقات إلى مشاركة ميزة واحدة: الأصول مهمة, ولكن لا يمكن افتراض التغطية الأرضية.

تعتمد استراتيجية الاتصال الصحيحة بشكل أساسي على التغطية, تردد التقارير, حجم البيانات, وكيفية تحرك الأصل بين بيئات الشبكة.

المراقبة البحرية والسفن

بمجرد أن تبتعد السفينة عن الساحل, تصبح التغطية المتنقلة الأرضية أقل موثوقية.

يمكن لإنترنت الأشياء عبر الأقمار الصناعية دعم موقع السفينة, حالة المعدات, الاستشعار البيئي, ورسائل تشغيلية محددة دون الاعتماد على برج خلوي قريب.

مراقبة الزراعة والبيئة

الحقول, الغابات, الأنهار, الخزانات, وقد تكون محطات الأرصاد الجوية بعيدة عن البنية التحتية للاتصالات.

يمكن لأجهزة الاستشعار المتصلة بالأقمار الصناعية أن تتيح جمع بيانات ميدانية مختارة دون بناء شبكة أرضية عبر المنطقة بأكملها.

الطاقة والمرافق

خطوط الأنابيب, الآبار, المحطات الفرعية, أصول الطاقة المتجددة, وغالباً ما تنتشر البنية التحتية للمرافق عبر مناطق واسعة.

في هذه التطبيقات, قد تكون رسالة حالة صغيرة كافية لإظهار أن الأصل يعمل بشكل طبيعي أو أن هناك حاجة إلى فحص ميداني.

الخدمات اللوجستية وتتبع الأصول

حاويات, المركبات, مقطورات, ونادرا ما تبقى المعدات الصناعية في بيئة شبكة واحدة.

قد ينتقل أحد الأصول من مدينة إلى طريق ريفي, ثم إلى ميناء أو طريق بحري. يمكن أن يساعد الاتصال المختلط في تقليل الفجوات في الرؤية بين تلك المواقع.

ما هي الفوائد الرئيسية لإنترنت الأشياء عبر الأقمار الصناعية؟?

الفائدة الأولى واضحة: التغطية خارج الشبكات الأرضية.

الفوائد التجارية الأكثر فائدة تأتي بعد ذلك.

يمكن لإنترنت الأشياء عبر الأقمار الصناعية أن يمنح فرق العمليات رؤية أفضل للأصول البعيدة. يمكن أن يقلل الاعتماد على الفحوصات اليدوية. يمكن أن يساعد في اكتشاف الحالات غير الطبيعية في وقت مبكر. ويمكنه أيضًا الحفاظ على حركة البيانات المحددة عند اختفاء التغطية الخلوية.

يمكن للقمر الصناعي أيضًا دعم مسار اتصال ثانٍ في نظام هجين. تصف GSMA NTN بأنها مكملة للبنية التحتية المتنقلة الأرضية, وخاصة للمناطق النائية والمحرومة.

تلك الكلمة, إطراء, مهم.

للعديد من عمليات نشر إنترنت الأشياء, الهدف ليس استبدال الخلوية. هو إزالة البقع العمياء التي لا يستطيع الخلوي وحده تغطيتها.

إنترنت الأشياء عبر الأقمار الصناعية مقابل إنترنت الأشياء الخلوي: الذي يجب عليك اختياره?

يبدأ قرار الاتصال الجيد بالأصل, وليس شعار الشبكة.

يوفر المخطط التفصيلي نمطًا مفيدًا للقرار يعتمد على التغطية, احتياجات الإبلاغ, وحركة الأصول.

قبل الالتزام بالاتصال عبر الأقمار الصناعية, الإجابة على ستة أسئلة:

1. أين سيعمل الجهاز فعليا؟? تحقق من تغطية الخدمة لمنطقة النشر الحقيقية.

2. ما هي كمية البيانات التي يجب أن ترسلها? تحديث الموقع والصورة لهما متطلبات مختلفة جدًا.

3. كم مرة يجب أن يقدم تقريرا? يمكن أن يؤدي الإبلاغ كل بضع دقائق إلى تغيير استخدام الطاقة وتكلفة الخدمة.

4. كيف سيتم تشغيل الجهاز? تحتاج الأصول التي تعمل بالبطاريات إلى ميزانية طاقة واقعية.

5. أين سيتم تركيب الهوائي? العبوات, معدن, المباني, التضاريس, ويمكن أن تؤثر رؤية السماء على الأداء.

6. ماذا يحدث عندما يفشل الإرسال? قرر ما إذا كان يجب على الجهاز إعادة المحاولة, تخزين الرسالة, أو انتظر نافذة التقارير التالية.

عادةً ما تكشف هذه الأسئلة أكثر من مجرد خريطة التغطية وحدها.

خاتمة

يتغير الاتصال عبر الأقمار الصناعية حيث يمكن أن تعمل إنترنت الأشياء, ولكنه لا يلغي الحاجة إلى تصميم نظام دقيق.

لا يزال جهاز الاستشعار عن بعد بحاجة إلى الفاصل الزمني الصحيح لإعداد التقارير. لا يزال الهوائي بحاجة إلى موضع تثبيت مناسب. لا يزال الجهاز بحاجة إلى طاقة كافية. لا يزال التطبيق بحاجة إلى خطة للرسائل المتأخرة أو المفقودة.

ولهذا السبب يعمل إنترنت الأشياء عبر الأقمار الصناعية بشكل أفضل عندما يبدأ المشروع بسؤال بسيط:

ما هي المعلومات التي يجب أن يرسلها هذا الأصل عندما لا يكون الاتصال الأرضي متاحًا؟?

إذا كانت الإجابة صغيرة, قطعة قيمة من البيانات التشغيلية, قد يكون القمر الصناعي مناسبًا جدًا.

إذا كان الأصل يتمتع بالفعل بخدمة خلوية موثوقة ويرسل بيانات كثيفة متكررة أو ذات نطاق ترددي كبير, قد يظل الاتصال الأرضي هو الخيار الأفضل.

وعندما يتحرك الأصل بين العالمين, يمكن للنهج المختلط أن يوفر في كثير من الأحيان التوازن الأكثر عملية.

لا يتعلق إنترنت الأشياء عبر الأقمار الصناعية بوضع كل جهاز متصل على شبكة الأقمار الصناعية. يتعلق الأمر بإبقاء الأصول الصحيحة مرئية عندما تتوقف الشبكات العادية عن الوصول إليها.