Những tiêu chuẩn không dây hàng đầu cho các thiết bị IoT

Tùy thuộc vào từng ứng dụng, nhu cầu bảo mật và các yếu tố chi phí, một số công nghệ tốt hơn so với những công nghệ khác. 

Dưới đây là các công nghệ phổ biến nhất cùng các tính năng và ưu điểm của chúng:

Zigbee: độc quyền, phạm vi hẹp, rẻ tiền và bảo mật cơ bản

Thương hiệu Zigbee thuộc sở hữu của Liên minh Zigbee, một nhóm các công ty duy trì và xuất bản công nghệ này. Liên minh đã xuất bản hồ sơ ứng dụng cho phép tạo ra các sản phẩm có thể tương tác bằng cách sử dụng thông số kỹ thuật.

Theo website của họ, hàng trăm triệu thiết bị sử dụng công nghệ Zigbee đã và đang được triển khai trên toàn thế giới với hơn 2.200 sản phẩm được chứng nhận. Zigbee được hình thành vào năm 1998, được chuẩn hóa vào năm 2003 và được sửa đổi vào năm 2006. Tên của nó xuất phát từ điệu nhảy lắc lư của ong mật.

Zigbee là một lựa chọn rất phổ biến cho các nhà sản xuất thiết bị IoT. Nó cung cấp hầu hết các tính năng cơ bản (kết nối, phạm vi, bảo mật) mà họ muốn và, như một tiêu chuẩn công nghiệp mở, nó cho phép khả năng tương tác với bất kỳ thiết bị nào được Zigbee chứng nhận.

Phàn nàn lớn nhất từ ​​các OEM là chi phí gia nhập liên minh, chứng nhận và thiếu giấy phép GPL mở. Các OEM phải trở thành thành viên của liên minh để sử dụng công nghệ này.

Zigbee là một mạng tùy biến không dây có năng lượng thấp, tốc độ dữ liệu chậm nhưng gần gũi, nó hỗ trợ cấu trúc liên kết mạng lưới. Zigbee đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng gia đình và văn phòng, nơi các thiết bị được đặt trong một phạm vi nhỏ. Nó chỉ hoạt động trong khoảng cách từ 10 đến 100 mét, sử dụng thông số kỹ thuật của chuẩn IEEE 802.15 WPAN, cung cấp tốc độ dữ liệu 250 kbps, 40 kbps và 20 kbps.

Tốc độ dữ liệu chậm và cự ly ngắn cho phép các thiết bị sử dụng pin ít để vận hành trong nhiều năm thay vì hàng tuần. Và với tính năng Zigbee Pro Wild Green Power, công nghệ này có thể vận hành các thiết bị không dùng pin như khóa cửa, công tắc và cảm biến môi trường.

Năm ngoái, Zigbee đã kỷ niệm 15 năm thành lập và ra mắt ngôn ngữ cơ bản IoT dự đoán của mình là Dotdot để giúp các vật thể thông minh có thể làm việc cùng nhau trên bất kỳ mạng nào. Dotdot không giới hạn ở Zigbee; nó có thể hoạt động cùng trên Zigbee, IP và các mạng khác. Gần đây, Liên minh Zigbee cũng công bố Dotdot qua Thread, giao thức IPV6 để kết nối các thiết bị gia đình.

LoRa: độc quyền, phạm vi rộng, rẻ tiền và an toàn

Tương tự như Zigbee, LoRaWan là một công nghệ độc quyền, tiêu chuẩn toàn cầu mở, được xác định và kiểm soát bởi Liên minh LoRa, một tổ chức phi lợi nhuận.

Sự khác biệt chính là, trong khi Zigbee là một giao thức IoT tầm ngắn nhằm kết nối một số thiết bị gần nhau thì LoRa tập trung vào các mạng diện rộng.

Đặc biệt phù hợp với liên lạc tầm xa, LoRa sử dụng các dải tần số vô tuyến phụ không có giấy phép như 169 MHz, 433 MHz, 868 MHz (Châu Âu) và 915 MHz (Bắc Mỹ). Các băng tần thấp cho phép tốc độ dữ liệu từ 0,3 kbps đến 50 kbps.

LoRa là lựa chọn ưu tiên để triển khai một số lượng lớn các thiết bị điều khiển và cảm biến nhỏ trong khu vực rộng. Việc sử dụng radio không giấy phép làm cho LoRa trở thành sự lựa chọn hoàn hảo cho các cảm biến môi trường toàn thành phố, kiểm soát và giám sát đèn đường, các bộ điều khiển cơ bản cho các trang trại nông nghiệp và giám sát các vật thể nhỏ.

Liên minh LoRa lập luận rằng công nghệ này cũng có thể được sử dụng cho các cơ sở hạ tầng quan trọng. Dữ liệu cá nhân bí mật hoặc các cơ quan quan trọng trong xã hội đòi hỏi sự liên lạc an toàn. Đó là lý do tại sao công nghệ này có thể sử dụng các khóa 64 bit và 128 bit để mã hóa mạng, ứng dụng và thiết bị.

Là công nghệ mới được bán trên thị trường sử dụng cho hầu hết các ứng dụng M2M, việc sử dụng radio không có giấy phép dựa trên picocell và cổng có thể được cài đặt độc lập với các mạng di động khiến LoRa trở nên hấp dẫn đối với các OEM triển khai các thiết bị IoT trong một khu vực rộng.

Giống như Zigbee, LoRaWan không phải là một giao thức mở hoàn toàn mà yêu cầu phải là thành viên trong Liên minh LoRa.

Hạn chế chính của Lorawan là thiếu bảo mật phần cứng. Các thiết bị M2M đã được sử dụng chip mô-đun nhận dạng thuê bao (SIM) của nhà mạng di động có thể được sử dụng để lưu trữ và chứng nhận khóa mã hóa. LoRaWan sử dụng mã hóa dựa trên phần mềm.

Ngoài ra, khả năng tương tác giữa các thiết bị LoRa không được đảm bảo, vì mọi OEM có thể thực hiện các tính năng radio của công nghệ trong hệ điều hành của riêng mình.

LTE-M: giải pháp mạng di động để thay thế M2M

Sự phát triển dài hạn cho máy móc (LTE-M) là câu trả lời của ngành M2M đối với IoT bằng cách sử dụng các mạng di động được bảo mật để liên lạc tầm xa. Đây là một hệ thống không dây của nhà mạng di động, được hỗ trợ bởi hiệp hội công nghiệp GSMA và tổ chức tiêu chuẩn 3GPP (LTE thường được gọi là mạng di động 4G.)

Một trong những ưu điểm chính của LTE-M là tiềm năng kết nối trên toàn thế giới và đây là hệ thống duy nhất phù hợp để theo dõi các vật thể chuyển động trong khoảng cách xa.

Theo GSMA: “Công nghệ này cung cấp cải tiến cả vùng phủ sóng trong nhà và ngoài trời, hỗ trợ số lượng lớn thiết bị băng thông thấp, độ delay thấp, chi phí thiết bị cực thấp, tiêu thụ điện năng thấp và kiến ​​trúc mạng được tối ưu hóa.

Do hoạt động trên các mạng di động, LTE-M có thể được sử dụng để giám sát, kiểm soát và nhận thông tin từ các thiết bị IoT được tải vào theo hầu hết các hình thức vận chuyển như: xe tải, tàu hỏa, tàu thuyền, v.v. Khi không có mạng LTE, hệ thống có thể quay trở lại WCDMA (3G) hoặc GPRS / EDGE (2G) để duy trì kết nối.

LTE-M cũng cung cấp dịch vụ định vị, dựa trên định vị tháp di động mà không cần sử dụng các hệ thống dựa trên vệ tinh như GPS hoặc Galileo. Tính năng này tiết kiệm một khoản chi phí cho các OEM - những người đang cần một hệ thống định vị cơ bản cho thiết bị của họ.

Tuy nhiên, ưu điểm lớn nhất của LTE-M là bảo mật. Các thiết bị kết nối di động cần được gắn SIM. Nó có thể được nhúng vào bảng mạch và được cung cấp tại nhà máy hoặc nhận các khóa vận chuyển và chữ ký sau đó. Khi SIM được cung cấp mã khóa, không thể sửa đổi các mã khóa đó khi không truy cập trực tiếp được vào thiết bị.

SIM là các mô-đun bảo mật có thể cung cấp mã hóa và chứng nhận danh tính NSA Suite B AES-256.

Một lợi thế khác là khả năng duy trì kết nối ngay cả khi mất điện. Khi được kết nối với các mạng di động, nó không yêu cầu Điểm truy cập (AP) và miễn là pin thiết bị IoT hoạt động, nó vẫn có thể được kết nối.

Đó là lý do tại sao kết nối IoT di động được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng quan trọng như lưới điện, an ninh gia đình và văn phòng, quản lý đội xe, vv...

Điểm trừ duy nhất là phải trả phí đều đặn. Để sử dụng hệ thống này, cần phải đăng ký với một trong các nhà mạng di động và phải có SIM trong mọi thiết bị được kết nối.

White-Fi và HaLow: chi phí thấp, quang phổ không có giấy phép, phạm vi rộng nhưng bảo mật thấp

IEEE 802.11af (White-Fi) và IEEE 802.11ah (HaLow) là những giải pháp được tìm kiếm nhiều nhất cho việc kết nối. Cả hai đều sử dụng phổ tần được cấp phép trước đó và không can thiệp vào tín hiệu Wi-Fi truyền thống trong các băng tần 2,4 GHz và 5 GHz cũng như với các mạng di động 2G và 3G. Một số phổ tần được chia sẻ với một số kênh LTE sử dụng ở Hoa Kỳ.

White-Fi sử dụng cổ tức kỹ thuật số của các tần số được giải phóng khi truyền hình phát sóng được chuyển sang mặt đất kỹ thuật số và một số kênh UHF đã ngừng hoạt động. Việc sử dụng phổ cổ tức kỹ thuật số được quy định khác nhau ở Hoa Kỳ và Châu Âu và các thiết bị được kết nối cần phải tìm tần số khả dụng theo định kỳ.

HaLow mở rộng Wi-Fi thành băng tần 900 MHz, cho phép kết nối năng lượng thấp cần thiết cho các ứng dụng, bao gồm cảm biến và thiết bị đeo. Vì tần số này có sẵn và miễn phí cho các giao tiếp cơ bản, HaLow là tiêu chuẩn Wi-Fi ưa thích cho IoT.

Vấn đề lớn nhất đối với HaLow là phổ tần không được cấp phép này không thống nhất trên toàn cầu: HaLow hoạt động ở tần số 900 MHz ở Hoa Kỳ, 850 MHz ở Châu Âu và 700 MHz ở Trung Quốc và thậm chí không có sẵn ở nhiều quốc gia.

Do tính chất của các dải tần số thấp, không công nghệ nào phù hợp để truyền dữ liệu tốc độ cao hoặc âm lượng lớn. Tuy nhiên, chúng có thể được sử dụng để cung cấp kết nối cho một số lượng đáng kể các thiết bị được triển khai trong một khu vực rộng.

Tốc độ thấp được chấp nhận trong những khoảng cách này vì ít bị nhiễu. HaLow cung cấp tốc độ dữ liệu thấp tới 150 Kb/giây.

Kết nối dưới 1 GHz cũng rất quan trọng đối với thế hệ thiết bị tiêu thụ năng lượng thấp mới, với thời lượng pin vài năm thay vì vài tuần. Hiệu suất pin đó là cần thiết cho hàng tỷ cảm biến và thiết bị giám sát được triển khai tại các thành phố trên khắp thế giới.

HaLow cũng cung cấp một số tính năng tiết kiệm năng lượng như Target Wake Time (TWT) và Bản đồ chỉ dẫn lưu lượng truy cập (TIM), cho phép các thiết bị IoT giao tiếp theo các khoảng thời gian đã chọn, do đó giúp tiết kiệm pin.

Năm ngoái, IEEE đã giới thiệu một chuẩn Wi-Fi khác cho IoT là 802.11ax. Ưu điểm của nó so với HaLow là việc sử dụng các dải tần 2,4 GHz và 5 GHz phổ biến trên hầu hết các điểm truy cập Wi-Fi.

Nhìn chung, 802.11ax phù hợp hơn với IoT phạm vi địa phương so với HaLow. Các kỳ vọng cho 802.11ax rất cao do các cải tiến truy cập mạng của nó, điều này sẽ tự nhiên cung cấp các lợi ích thứ cấp cho việc hỗ trợ của IoT.

Bảo mật là vấn đề lớn nhất. Wi-Fi thiếu sự bảo vệ của yếu tố an ninh và mã hóa phần cứng được cung cấp bởi các SIM trên mạng di động. Tuy nhiên, để triển khai hàng trăm hoặc hàng nghìn cảm biến không dây trong một khu vực rộng, White-Fi và HaLow có thể cung cấp kết nối chi phí thấp và hiệu suất tốt.

Vậy, lựa chọn tốt nhất cho bạn là gì?

Nếu bạn đang tìm kiếm một giải pháp có chi phí thấp để kết nối các thiết bị nhỏ ở gần nhau, thì Zigbee hoặc White-Fi có thể là những lựa chọn tốt nhất. Phần mềm DotDot Zigbee sẽ giúp bạn phát triển một giải pháp tương thích với các thiết bị Zigbee khác, nhưng bạn sẽ phải tham gia Liên minh Zigbee để sử dụng nó.

Đối với các ứng dụng tầm xa, Lo-RaWan hoặc LTE-M là những lựa chọn tốt nhất.

LTE-M mạnh mẽ và an toàn nhất, nó còn được hỗ trợ bởi các mạng di động, nhưng nó có lẽ là lựa chọn đắt đỏ nhất. Đó là tiêu chuẩn duy nhất đảm bảo kết nối thực sự trên toàn thế giới và có thể được sử dụng để quản lý hàng hóa và đội xe.

LoRa là một giải pháp tốt cho các mạng tầm trung địa phương mà không cần dịch vụ định vị hoặc bảo mật cấp NSA.