השמת חיישנים אלחוטיים בכל מקום – העברות על פני מרחקים ארוכים ברשתות אלחוטיות בעלות חיישנים אמינים ובעלי הספק נמוך

אחד החזונות של ה”אינטרנט של דברים” הינו היכולת למדוד ו”למכשר” חפצים שלא הייתה כל אפשרות בעבר למדוד אותם. בין אם מדובר במעקב אחר תשתיות מזדקנות, כגון גשרים, מנהרות או קווי מתח גבוה או באספקת מידע בזמן אמת על חנייה ומידע תעבורתי של כלי רכב, ליישומים מסוגים אלו נדרשות רשתות של חיישנים אלחוטיים (WSN) המאפשרות ביצועים כבמערכות מחווטות ועם זאת החיישנים צריכים עדיין להיות מעשיים לפריסה בשטח. רשתות חיישני WSN אלו חייבות לאפשר גדילה לקנה מידה רב של צמתים אלחוטיים (הנקראים גם Motes) ובמקרים רבים לכסות מרחקים ניכרים.

המפתחות לשימוש נרחב

על מנת לאפשר פריסה רחבה של רשתות WSN, הן חייבות לכלול את היכולת לפריסה מעשית ותפעול אמין למשך שנים רבות, לעיתים קרובות למשך למעלה מעשור. על מנת לאפשר זאת חייבות רשתות WSN לעמוד במספר דרישות מפתח:

• מיקום חיישן בכל מקום –

נקודות המדידה חייבות להיות ממוקמות היכן שהחישה תהא האופטימאלית ביותר, אך לא בהכרח במיקום האופטימאלי מבחינת תקשורת. כתוצאה מכך, צמתי חיישנים לעיתים קרובות ממוקמים במקומות שאינם מאפשרים בהכרח נגישות נוחה לתקשורת או לתשתיות אספקת כוח ובמקרים רבים נמצאים במקומות מאתגרים מבחינת סביבות הפרעות RF (כלומר – קרוב לקרקע, במנהרות, מתחת למכוניות, או עמוק בתוך מכונות).

• דרישה לתחזוקה מועטה –

הרשת חייבת לאפשר ברובה תחזוקה עצמית, ואסור שכל תחזוקה פיזית (לדוגמא החלפת סוללה חשמלית) תדרוש ביקורי טכנאי. לדוגמא ביישומים של חנייה חכמה, חיישנים מופעלי סוללות המשובצים במשטח הכביש מותרים אך ורק אם ניתן להחליפם באותו הזמן ובתדירות הקבועה אשר בה מבצעים את תיקון ותחזוקת הכביש המבוצעת לכל היותר פעם ב-5 עד 7 שנים. ביישומים אחרים פרוסות רשתות WSN למשך זמן של יותר מעשור.

• אמינות בתקשורת –

הרשתות חייבות להיות מסוגלות לתקשר באופן אמין עם החיישנים למרות העובדה שהם עלולים להימצא בסביבה קשה מבחינת RF.

• הגדלה / הרחבה –

הרשת חייבת להיות מותאמת למגוון של פריסות דומות אך ייחודיות, המכסות תחום רחב של רשתות בגדלים שונים (גם של מספר צמתים וגם של תחום כיסוי), עומק (לדוגמא – מספר ה”קפיצות” בין צמתי הרדיו שעוברת חבילת מידע מנקודת המקור שממנה נשלחה), צפיפות או רמת תקשורת המידע וכדומה.

בניית רשת בעלת ביצועים צפויים על תווך בלתי צפוי

קשה להשיג צריכת הספק נמוכה ללא ויתורים – ישנן גישות רבות ברישות של רשתות חיישנים אלחוטיות המכוונות לפעולה בהספק נמוך. מספר רשתות אלחוטיות כגון ZigBee משיגות הספק נמוך רק בחיישנים הממוקמים בקצוות הרשת אבל דורשות חיבור קווי למקור הספק לכל הצמתים המנתבים את המידע. רשתות אחרות מציגות צורה בסיסית של מחזור תפקוד, הנקראת “איתות” (Beaconing), שבה כל הרשת מכניסה את עצמה לצורת עבודה בהספק נמוך ע”י מעבר למצב רדום לפרקי זמן ארוכים, אך פעולה בשיטה זו מקריבה את זמינות הרשת וכן את קיבולת העברת הנתונים שלה. מכל מקום, בשביל סוגי היישומים הרלבנטיים ל”אינטרנט של הדברים”, רשתות חיישנים אלחוטיות חייבות להיות מסוגלות להכיל רשתות בהיקפים גדולים יותר ולהפיץ מידע בזמנים קבועים וידועים מראש. אם כן, האתגר הוא לספק עבודה בהספק נמוך מבלי להקריב את אמינותה או את זמינותה של הרשת.

תקשורת RF איננה צפויה – תקשורת רדיו (RF) הינה תווך תקשורתי בלתי צפוי. בניגוד לתקשורת חוטית שבה האות התקשורתי מסוכך מן העולם החיצוני על ידי הכבלים, אות ה- RF מתפשט בחלל הפתוח ומגיב עם הסביבה החיצונית. קיימת אפשרות למקורות שידור RF אחרים הגורמים להפרעה פעילה. שכיחה הרבה יותר היא תופעת החלשות האות בגלל התאבכות הנגרמת מהחזרות אות ה-RF עצמו ומסביבת התפשטותו (התפשטות רב ערוצית) ובזמן ההסתכמות של כל ההחזרים האות הנקלט מתקבל במופע שגוי. משתמשים בטלפונים ניידים מתנסים בכל יום בתופעה זו של התאבכות הורסת (בגלל התפשטות רב ערוצית) באות ה-RF שלהם, כאשר מתקבלת קליטה גרועה במקום אחד בגלל אות חלש היכולה להשתפר ברגע שזזים מספר סנטימטרים למקום אחר. יתר על כך, ההשלכות של התפשטות רב ערוצית משתנות בתלות בזמן, היות שהמשטחים המחזירים את האות (לדוגמא, אנשים, מכוניות, דלתות) בדרך כלל זזים ממקומם. התוצאה המשוקללת היא שכל ערוץ RF יחווה שינויים משמעותיים באיכות האות שלו בתלות בזמן. מכך, היות שהחלשות האות כתוצאה מהתפשטות רב ערוצית משפיעה באופן שונה על כל ערוץ RF, שימוש בדילוג ערוצים לריבוי תדרים מקטינה את ההשפעות השליליות של החלשות האות מהתפשטות רב ערוצית. האתגר ל-WSN אם כן, הוא היכולת להשתמש בדילוג תדרים על פני רשתות גדולות שבהן קיימות העברות מידע בין צומת חיישן אחד לשנייה (Hop) לצורך מעבר המידע ל-Gateway.

דילוג ערוצים מסונכרן בזמן ברשתות Mesh

רשתות חיישנים אלחוטיות אמינות בהספק נמוך הינן מציאות קיימת בשימוש בשיטת דילוג ערוצים מסונכרן בזמן (TSCH) ברשתות Mesh. רשתות ה-“דאסט” (Dust Networks) של חברת ליניאר טכנולוגיות הן חלוצות בתחום רשתות מסוג זה ופעולתן המוצלחת הוכחה בסביבות הקשות ביותר שקיימות. TSCH כבר נחשבת כאבן הפינה הבסיסית לתקנים התעשייתיים האלחוטיים הקיימים, כמו WirelessHART

() והינה מרכיב מאפשר להתפתחות תקנים של פרוטוקול אינטרנטי לרשתות חיישנים אלחוטיות.

ברשת מסוג TSCH קיימת לכל צומת חישת זמן משותפת שהינה מדויקת בכל מקום ברשת עד לדיוק של עשיריות בודדות של מיקרו-שנייה. התקשורת ברשת מאורגנת בקטעי זמן אשר מאפשרים החלפות של חבילות מידע מהתקנים בעלי הספק נמוך, דילוגי ערוצים זוגיים וריבוי מלא של נתיבים.

החלפת חבילות מידע בהספק נמוך – השימוש ב-TSCH מאפשר לנקודות החכמות להיכנס למצב שינה ובכך לצריכת הספק אולטרה נמוכה בין הזמנים המיועדים לתקשורת. כל התקן פעיל אך ורק כאשר הוא שולח חבילת מידע או מאזין לאפשרות של קליטת חבילת מידע שתשלח מההתקן הסמוך. חשובה עוד יותר העובדה שהיות שכל צומת יודע מתי הוא מיועד להתעורר, הדבר אומר שהצומת זמין כל הזמן להעברת חבילות מידע מהצמתים השכנים שלו. לכן מגיעות רשתות TSCH לעיתים קרובות למחזור תפקוד של פחות מ-1%, בעוד שהרשת מקיימת זמינות מלאה בכל עת. מעבר לכך, היות שכל מעבר של חבילת מידע ברשתות מסוג TSCH הוא מתוזמן, לא קיימות ברשת מסוג זה התנגשויות של חבילות המידע. הרשתות יכולות להיות צפופות ולגדול מבלי לגרום להפרעות RF עצמיות משתקות.

דילוגי ערוצים זוגיים –

סינכרון זמנים מאפשר דילוג ערוצים בכל זוג של קולט-משדר לקבלת ריבוי תדרים. ברשת TSCH, כל ערוץ להעברת חבילת מידע מדלג כדי למנוע את קיומן של הפרעות RF בלתי נמנעות והחלשות האותות. בנוסף לכך, שידורים מרובים במקביל בין זוגות של התקנים שונים עשויים להתרחש בו-זמנית בערוצים שונים, דבר שיתרום להגדלת רוחב הסרט של הרשת.

נתיב שלם וריבוי תדרים –

לכל התקן קיימים מספר נתיבים עודפים כדי לאפשר התגברות על הפסקות בתקשורת כתוצאה מהפרעות, מחסימה פיזית או מהחלשות אותות כתוצאה מהתפשטות רב ערוצית. אם שידור של חבילת מידע נכשל בנתיב אחד, הצומת ינסה אוטומטית לשלוח אותה בנתיב הזמין הבא ובערוץ RF שונה. שלא כבטכנולוגיות מבוזרות אחרות, רשת TSCH איננה נזקקת לשרתים פעילים ולחיפושי נתיבים חלופיים הדורשים זמן.

רשתות מבוססות TSCH מיושמות כיום בהצלחה ביישומים כדוגמת חנייה חכמה, מרכזי מחשוב ומידע לניטור יעילות אנרגטית ובמפעלים תעשייתיים. יישומים רבים כגון ניטור של צנרת, ניטור מבנים של גשרים וניטור מנהרות, כמו גם ניטור קווי מתח גבוה, דורשים כי רשתות ה-WSN תפרשנה למרחקים ארוכים. יחד עם זאת, היכולת להקים ולהצליח לתחזק רשת אלחוטית אמינה עם צריכת הספק נמוכה על פני מרחקים שכאלה מייצגת את אחת מטופולוגיות הרשתות המאתגרות ביותר. בהגדרה, המשמעות של רשת בעלת כמות קפיצות עמוקה היא שהמסרים הנשלחים מהצמתים המרוחקים ביותר צריכים לעבור קפיצות רבות על מנת להגיע ליעדם. למרות שדבר מעין זה מאפשר לרשת יחידה לכסות אזור גיאוגרפי גדול עם משדרים ומקלטים בעלי הספק נמוך יחסית, הוא מעלה לפעמים את השאלה אם רשת הפרושה למרחק שכזה יכולה לתמוך בתעבורת נתונים סדירה מכל הנקודות החכמות שלה, ולעשות זאת בהשהיה ובצריכת זרם קבילות.

חקר מקרה – רשת Mesh מרובת קפיצות

על מנת לאפיין רשת כזאת הוקמה רשת בת 100 נקודות חכמות עם עומק של 32 קפיצות שנמדדה בשימוש ברשת SmartMesh IP של Dust Network. כל אחת מ-100 הנקודות החכמות יצרה ושלחה חבילת מידע אחת ל-30 שניות בצפייה שכל חבילה תיקלט תוך זמן השהייה של 30 שניות (כלומר לפני ייצור חבילת המידע הבאה מאותו צומת).

הרשת, בעלת קפיצות עמוקות הורכבה מהתקנים אלחוטיים אמתיים שבהם 7 התקנים (שלהם ניתנו תגי זיהוי ID1 עד 7ID) המתקשרים ישירות עם המנהל . התקנים 8 עד 10 מתקשרים באמצעות שבעת ההתקנים האלחוטיים הראשונים, ויתר ההתקנים (התקנים בעלי תג זיהוי 11 עד 101) נמצאים בטווח ההשגה של שלושת ההתקנים האלחוטיים הסמוכים אליהם במספור, מלמעלה ומלמטה. לדוגמא, התקן מספר 50 נמצא בטווח של התקנים 47, 48, 49 ו-51, 52, 53. בטופולוגיה זו המספר המינימאלי של השידורים (קפיצות) הנדרש על מנת להגיע להתקן מספר 101 הוא 32, למרות שמבחינה מעשית לרוב החבילות ידרשו יותר דילוגים.

בזמן כתיבת מאמר זה, פעלה רשת זו ברציפות וללא הפסקה במשך 52 ימים. 17 מיליון חבילות מידע נאספו בסך הכל, דבר שדרש סך של 400 מיליון שידורים בדידים, עקב הניסיונות החוזרים ועומק הדילוג. מתוך 17 מיליון חבילות שנשלחו, אף לא אחת הלכה לאיבוד, מה שמעמיד את אמינות המידע של הרשת על 100%. מתוך כל החבילות הללו כ-25 אלף חבילות הינן “דיווחי בריאות” – מידע דיאגנוסטי ש נשלח באופן מחזורי קבוע על ידי הצמתים.

ניתוח של זמן השהייה

וצריכת זרם

כל חבילה נושאת חתימת זמן מרגע זמן היווצרותה בנקודת החיישן החכמה, ושוב כאשר היא נקלטת על ידי המנהל בכדי שניתן יהא לנתר את זמן השהייה של כל חבילה. הפצת המידע ברשת זו סומנה בגרף כפי שמופיע באיור 3, במשך זמן של 90 דקות. כפי שניתן היה לצפות, נקודות חכמות בעלות תגי זיהוי גבוהים יותר אשר נמצאות עמוק יותר ברשת מראות זמן השהייה ארוך יותר ושינויים רבים יותר לכל חבילה המשויכת אליהם, מאחר שאפשרויות הנתיבים גדלות בצורה אקספוננציאלית (מעריכית) בהתאם לעומק. למרות זאת, כל חבילות מידע מהנקודה החכמה המרוחקת ביותר (תג זיהוי 101) הגיעו ליעדן בהשהייה של פחות מ-30 שניות, שזהו זמן היעד.

כל הנקודות החכמות אוגרות את המידע על רמת הטעינה של הסוללות שלהן והצריכה האנרגטית שלהן ושולחות מידע זה בדיווחים מחזוריים באופן קבוע למנהל. ממידע זה ניתן לחשב ולסמן בגרף את צריכת הזרם הממוצעת ברשת – כפי שמופיע באיור 4. הנקודות החכמות בעלות תגי הזיהוי הנמוכים מדווחות על צריכת הזרם הגבוהה ביותר, היות והן פעילות בהעברת זרימת המידע מהנקודות החכמות המרוחקות. אבל כפי שניתן להבחין אפילו השרתים העמוסים ביותר ברשת עמוקה זו בת 32 קפיצות הראו צריכת זרם ממוצעת של מאות מיקרו-אמפרים בלבד. בצריכת זרם נמוכה כל כך, הצמתים המנתבים יכולים להיות מופעלים על ידי זוג סוללות ליתיום מסוג D, ולכן ניתן לצפות לאורך חיי פעילות של מעל 15 שנים.

לסיכום, רשת מסוג SmartMesh IP, המבוססת על דילוג ערוצים מסונכרן בזמן, מספקת באופן שוטף אמינות מידע של יותר מ-99.999% וצריכת הספק נמוכה מאוד ביישומים מאתגרים. בטווח פעולה של 10 עד 15 שנים בשימוש בסוללות ליתיום קטנות יחסית, ניתן להתקין חיישנים אלחוטיים באופן פרגמטי בכל מקום, דבר המאפשר יישומי אינטרנט של הדברים (loT) אמיתיים בקנה מידה עירוני.