LPWAN và tiêu chuẩn mở của LoRaWAN là gì?

Điện thoại thông minh của bạn sử dụng rất nhiều năng lượng để gửi nhiều dữ liệu hơn so với khoảng cách trung bình. Nó không thực sự là một vấn đề khi điện thoại của bạn hết pin vì bạn có thể sạc lại nó trong xe hơi hoặc ở nhà. Mặt khác, nhiều ứng dụng Internet (Những thứ “IoT”) - ví dụ: giám sát đất nông nghiệp hoặc giám sát khí hậu ở các vùng sâu vùng xa  đòi hỏi các cảm biến truyền các gói thông tin nhỏ định kỳ trong nhiều năm hoặc thậm chí một thập kỷ chỉ với một lần sạc pin.

LPWAN: Đổi mới trong giới hạn vật lý

Nhưng những ứng dụng IoT từ xa, dài hạn, trải rộng này phải đối mặt với một vấn đề vật lý đơn giản: nếu bạn muốn truyền thông tin không dây qua khoảng cách dài, bạn phải tăng cường công suất tín hiệu hoặc giảm băng thông tín hiệu. Hãy xem xét điều này: nếu nước chảy qua một đường ống, và bạn muốn đẩy nó xa nguồn, bạn phải tăng áp lực (điện) phía sau nước hoặc sử dụng một đường ống hẹp hơn (băng thông) - hoặc cả hai.

Vấn đề vật lý sau này đã truyền cảm hứng cho một số loại mạng không dây nhất định: “Mạng diện rộng thấp” hoặc “LPWAN” (đôi khi được viết tắt là “LPWA”). Bạn có thể đã nghe các điều khoản LPWAN và LoRaWAN trước đó mà không biết chúng là gì. Bạn có thể tự hỏi, LPWAN là gì? LoRaWAN là gì? Tại sao chúng lại quan trọng? Trong bài viết này, tôi sẽ giới thiệu LPWAN trước khi tập trung vào một giao thức LPWAN cụ thể: tiêu chuẩn mở của LoRaWAN.

Lịch sử tóm tắt về LPWAN

Sigfox đã phổ biến LPWAN trong những năm 2000 như là một giải pháp thay thế hiệu quả cho các yêu cầu về năng lượng và chi phí cấp phép của các mạng di động. Khởi đầu tại Pháp, Cycleo, đã phát triển một số IP bán dẫn RF công suất thấp hấp dẫn và Semtech đã mua lại chúng vào năm 2012 để củng cố danh mục RF công suất thấp của họ. Semtech hiện nay kiểm soát một số IP lõi bên dưới giao thức LoRa, vốn đã trở thành giao thức LPWAN không dây thực tế, mặc dù gần đây Sigfox đã công bố mở rộng toàn cầu.

Các nhà mạng di động lớn và 3GPP, cơ quan tiêu chuẩn cấu trúc ngăn toàn cầu, không hài lòng với cách Sigfox và Cycleo (Semtech) đã tạo ra các LPWAN cụ thể cho IoT, tách các đối tượng di động khỏi thị trường LPWAN - một thị trường đã bắt đầu thu hút rất nhiều của các khách hàng công nghiệp. 3GPP bắt đầu chuẩn hóa và phổ biến LTE-Cat M1 và NB-IoT (Narrowband IoT) như LPWAN di động hoạt động chủ yếu trong các băng tần được cấp phép.

Cellular IoT ngày càng trở nên phổ biến cho các hệ thống IoT trong gần một thập kỷ sẽ được thiết kế như LPWAN không dây, tuy nhiên, LoRaWAN vẫn đang phát triển mạnh mẽ. Semtech - với khả năng thiên vị rõ ràng - dự đoán rằng đến năm 2019, 40% LPWAN sẽ chạy trên LoRa (chúng ta sẽ đi sâu vào LoRa sau này).

5G sẵn sàng tác động lên toàn bộ cảnh quan LPWAN. Nó hứa hẹn độ trễ thấp, công suất thấp và tốc độ truyền dữ liệu cao - một sự kết hợp trước đây không thể đạt được. 3GPP cũng đang cân nhắc việc cho phép các công nghệ 5G hoạt động trong các băng tần không được cấp phép - cụ thể là 3,5 GHz, 5 GHz và 60 GHz — tiếp tục xâm lấn các LPWAN không di động. Tuy nhiên, vì 3GPP hiện chỉ hoàn tất các tiêu chuẩn, và Verizon và AT & T mới chỉ bắt đầu thí điểm các mạng 5G đầu tiên, phần lớn vẫn chưa được nhìn thấy.

LPWAN như một giải pháp

Về cơ bản, LPWANs cho phép các nhà cung cấp giải pháp thiết kế hệ thống IOT đối với trường hợp sử dụng đòi hỏi phải có thiết bị để gửi một lượng nhỏ dữ liệu theo định kỳ qua mạng thường và trong khoảng cách nhiều dặm và sử dụng các thiết bị chạy bằng pin mà cần phải kéo dài trong nhiều năm.

LPWAN đạt được kỳ tích đó bằng cách thiết bị IoT của họ chỉ gửi các gói thông tin nhỏ định kỳ hoặc thậm chí không thường xuyên để cập nhật trạng thái, báo cáo, v.v ... khi thức dậy từ bộ kích hoạt bên ngoài hoặc tại khoảng thời gian được lập trình sẵn. Tuy nhiên, với sự ra đời của LPWAN di động, bây giờ có sự linh hoạt hơn trong định nghĩa “năng lượng thấp” và “diện tích rộng”, như biểu đồ dưới đây thể hiện.

Một số điểm mạnh cốt lõi của LPWAN

Tracy Hopkins mô tả trong video sau đây rằng thiết kế LPWAN phổ biến vì chúng có chi phí thấp, thời lượng pin dài và chúng hoạt động ở phạm vi dài. Đó là một sự kết hợp tuyệt vời cho nhiều trường hợp sử dụng.

LPWAN là giải pháp tuyệt vời cho một số trường hợp sử dụng nhất định yêu cầu truyền dữ liệu định kỳ hoặc không nhất quán trong khoảng cách dài và trong một khoảng thời gian đáng kể. Hãy suy nghĩ đồng hồ xử lý rác thải thông minh, đồng hồ đỗ xe thông minh, hoặc cảm biến chất lượng đất và nước. Do phạm vi và độ đơn giản tương đối của các gói dữ liệu LPWAN, các cảm biến thậm chí có thể báo cáo từ dưới lòng đất, ở vùng khí hậu khó khăn, và cách xa các cổng hoặc tháp. Nhiều LPWAN cũng có kiến trúc đơn giản và các giao thức đã được thiết lập và hơn thế nữa, làm cho chúng tương đối dễ dàng, rẻ, đáng tin cậy và hiệu quả để triển khai ở quy mô lớn.

Một số hạn chế cơ bản của LPWAN

Mọi công nghệ đều có những hạn chế. Chính xác hơn, không có công nghệ nào là trường hợp sử dụng thuyết bất khả tri. LPWAN là tuyệt vời cho các trường hợp được mô tả ở trên, tuy nhiên, chúng không phù hợp cho các trường hợp sử dụng yêu cầu dữ liệu được chuyển thường xuyên hoặc với số lượng lớn. LPWAN thường mang các gói tin khác nhau, từ 300 bit/s đến 50 kbit/s. Hãy nhớ Internet 56 kbit/s hoặc “dial-up”? Nhiều dữ liệu hơn được truyền qua dial-up so với hầu hết các LPWAN chuyên sâu dữ liệu, vì vậy bạn sẽ không gửi hình ảnh mèo, video con chó hoặc thư thoại rambling trên hầu hết LPWAN. Đó không phải là mục đích của họ.

LPWAN cũng có thể gặp vấn đề bởi vì chúng thường hoạt động trong các dải không có giấy phép: các nhóm ngành Công nghiệp, Khoa học và Y tế (“ISM”) mà các chính phủ để chế độ mở. Các băng tần ISM phổ biến của Hoa Kỳ bao gồm 915 MHz, 2,4 GHz và 5 GHz. Một số hệ thống năng lượng cao hoạt động ngay bên ngoài các băng tần ISM đó. Giải pháp LPWAN ngoài trời ,ví dụ: trên đỉnh của tòa nhà sử dụng các dải không có giấy phép có thể gặp nhiễu từ các tín hiệu năng lượng cao hoạt động ngay trên ranh giới GHz từ 902-928 Mhz, ngay dưới ngưỡng Ghz là một dải chung cho LPWAN.

Thông thường, sự can thiệp như vậy sẽ không thành vấn đề. Nếu bạn bỏ lỡ một vài khoảng thời gian thử nghiệm dưới đất, đó không phải là quyết định sống còn, nhưng đối với nhiều ứng dụng IoT quan trọng của sứ mệnh (“MC-IoT”), ví dụ: các ứng dụng y tế và xe tự lái, những sự can thiệp như thế có thể là thảm họa. Tất cả đều hiểu được sự phức tạp của trường hợp sử dụng của bạn và cách bạn sẽ tương tác với những hạn chế của đài phát thanh địa phương và môi trường vật lý.

Tiêu chuẩn mở của LoRaWAN

Liên minh LoRa là một tổ chức phi lợi nhuận gồm 500 công ty thành viên dành riêng cho việc sử dụng “tiêu chuẩn mở LoRaWAN” như một cách để giữ cho các triển khai LPWAN được tích hợp, mạch lạc và tương thích với quy mô lớn. Liên minh này tạo ra các tiêu chuẩn và giao thức mà các nhà sản xuất thiết bị LPWAN và các nhà cung cấp giải pháp tuân thủ. LoRa Alliance tương tự như 3GPP, tiêu chuẩn hóa công nghệ di động, ngoại trừ LoRa là một cơ quan của các công ty trong khi 3GPP là một nhóm các cơ quan tiêu chuẩn.

LoRa duy trì “tiêu chuẩn mở LoRaWAN” và chứng nhận các thiết bị IoT mới hoạt động trong các thông số kỹ thuật của nó. Các thiết bị được chứng nhận của LoRaWAN sử dụng một sơ đồ điều chế tần số vô tuyến độc quyền để truyền tín hiệu ra để tăng độ nhạy của máy thu trong khi hạ thấp tốc độ truyền dữ liệu.

Hãy nghĩ đến việc bạn nghe thấy khó khăn như thế nào tại một bữa tiệc lớn. Bây giờ hãy tưởng tượng bạn đang ở một lễ hội ngoài trời lớn, cố gắng vượt qua những tiếng thì thầm trên hàng trăm mét. LoRa giải quyết vấn đề này bằng cách gửi các thông điệp đơn giản (tín hiệu CHIRP LORa) được cấu trúc để tránh ô nhiễm tiếng ồn.

Máy thu LoRaWAN đủ nhạy để nhận các CHIRP được điều chế ở khoảng cách lớn giữa các môi trường ồn ào. Yếu tố lan truyền (điều chế), kích thước tải trọng (số lượng dữ liệu) và tốc độ truyền dữ liệu (tốc độ truyền), tất cả đều giảm dần khi các thiết bị nút kết thúc truyền thông tin đến các bộ thu RF gateway từ khoảng cách lớn hơn và lớn hơn.

Video ngắn này giải thích một số tính năng chính của truyền dẫn LoRaWAN:

Các tính năng chính của hệ thống LoRaWAN

• Tầm xa (>5 km ở khu vực đô thị, >10 km ở khu vực ngoại ô, >80 km ở đường ngầm)
• Tuổi thọ pin dài (>10 năm)
• Chi phí thấp (<5 USD/module)
• Tốc độ dữ liệu thấp (0,3 bps - 50 kbps, thường khoảng ~ 10 kB/ngày)
• Hỗ trợ bản địa hóa
• Hai chiều
• Đảm bảo
• Hoạt động trong quang phổ không có giấy phép

LPWAN trên thế giới ngày càng tăng

Các nhà cung cấp dịch vụ di động lớn như Verizon và AT & T có doanh thu ổn định từ việc cung cấp điện thoại thông minh mà họ có thể đủ khả năng cung cấp các tùy chọn LPWAN di động như LTE-Cat M1 và NB-IoT và sắp tới là 5G. Bởi vì điều này, các công ty liên minh LoRa có lý do để quan tâm.

5G chắc chắn sẽ thay đổi cảnh quan LPWAN. NB-IoT hứa hẹn cho các ứng dụng LPWAN và LTE-Cat M1 là rất tốt cho các ứng dụng giống như LPWAN có nhiệm vụ quan trọng hoặc tốn nhiều dữ liệu hơn.

3GPP chắc chắn đang trên bờ vực lấp đầy không gian LPWAN, nhưng như Brian Ray của Link Labs lập luận, tiêu chuẩn mở của LoRaWAN có lẽ sẽ vẫn còn hữu ích nếu các thành viên Alliance trau dồi trên hệ thống LPWAN trong đó LoRaWAN có thể là điểm nổi trội.