LPWAN – Mạng Diện Rộng Công Suất Thấp Là Gì ?

Công nghệ LPWAN là gì. Công nghệ Low Power Wide Area Network là gì. Tại sao công nghệ LPWAN sinh ra để phục vụ cho IoT. Công nghệ LPWAN có nhiều công nghệ nhưng trong đó có bốn công nghệ chính: LoRa, Sigfox, NB-IoT, LTE-M. Các công nghệ này đưa vào áp dụng thực tế tại các quốc gia, vùng lãnh thổ khác nhau.

Internet of Things (IoT) đã quen thuộc trong những năm gần đây, và Industrial IoT là một phần trong IoT. Nó có một lượng lớn thiết bị kết nối với nhau để thu thập và trao đổi dữ liệu. Các giao thức mạng không dây hiện tại cho thiết bị IoT như Bluetooth LE, Wi-Fi, 802.15.4-based Zigbee. Tuy nhiên, chúng bị giới hạn ở việc cung cấp truyền thông khoảng cách rộng và hiệu quả năng lượng. Điều này đã thúc đẩy công nghệ Low Power Wide Area Network (LPWAN) được sử dụng cho những nhu cầu trên. Vậy công nghệ LPWAN là gì mà được tạo ra để phục vụ cho IoT.

Xem thêm:

• IoT là gì ? Vai trò của IoT trong công nghiệp 4.0
• Thu thập năng lượng (Energy Harvesting) qua sóng vô tuyến (RF) là gì – Ứng dụng trong IoT

Bài viết này sẽ tập trung trả lời:

• LPWAN là gì ?
• Tập trung vào bốn công nghệ: LoRa, Sigfox, NB-IoT, LTE-M.
• Phân tích các đặc điểm công nghệ cơ bản của: LoRa, Sigfox, NB-IoT, LTE-M

Tổng Quan Về Công Nghệ LPWAN

Công Nghệ LPWAN Là Gì ?

LPWAN – Low Power Wide Area Network là các công nghệ không dây. Có các đặc điểm: phủ sóng rộng, băng thông thấp, kích thước gói tin nhỏ và tuổi thọ pin dài.

LPWAN được thiết kế để hỗ trợ việc truyền thông không dây cho sự phát triển của IoT. Nó cung cấp các kết nối công suất thấp với số lượng thiết bị lớn, phân bố rộng. Tập trung hiệu quả về vùng phủ sóng, năng lượng, băng thông thấp. LPWAN sử dụng cho các ứng dụng IoT với các tiêu chí đó. Công nghệ LPWAN cho phép triển khai các cảm biến thông minh trên toàn khu vực rộng lớn.

Thị trường LPWAN vô cùng tiềm năng, vì nó phục vụ cho các ứng dụng IoT.

Trong LPWAN có nhiều công nghệ, làm sao để chọn được công nghệ thích hợp để áp dụng trong IoT. Bởi vì có rất nhiều thông số, các tiêu chí khác nhau để được xem xét. Có thể tồn tại song song giữa hiệu quả chi phí và chất lượng dịch vụ hay không?

Do đó, cần có sự so sánh giữa các công nghệ trong LPWAN: LoRa, Sigfox, NB-IoT, LTE-M.

Các Công Nghệ LPWAN Phổ Biến Hiện Nay

1. LoRa – Long Range Radio

LoRa viết tắt của Long Range Radio, là công nghệ lớp vật lý được phát triển bởi Semtech. Điều cần lưu ý là phân biệt hai thuật ngữ LoRa và LoRaWAN. Chúng không thể hoán đổi cho nhau. LoRa định nghĩa là công nghệ lớp vật lý, trong khi LoRaWAN viết tắt của Long Range Wide Area Network. LoRaWAN định nghĩa là giao thức MAC hỗ trợ về công suất thấp, tầm xa, dung lượng cao trong LPWAN.

Đặc điểm công nghệ

Độ bao phủ

LoRa sử dụng kĩ thuật điều chế trải phổ (spread spectrum). Là một biến thể của Chirp Spread Spectrum (CSS) với tích hợp sửa lỗi FEC (Forward Error Correction).

Kĩ thuật CSS có thể hiểu như sau. Dữ liệu gốc được băm bằng các xung cao tần, tín hiệu mới có dãy tần số cao tần hơn. Vì sử dụng kĩ thuật điều chế CSS nên có các tính năng quan trọng như là:

• Có phạm vi rất rộng tương tự như được cung cấp bởi mạng băng tần hẹp,
• Độ bền cao chống lại nhiễu và tổn thất lan truyền.
• Toàn bộ thành phố hoặc khu vực đó được bao phủ bởi chỉ một gateway.

Băng tần

Trong công nghệ LPWAN, LoRa hoạt động băng tần không cần đăng kí ISM. Xem tại đây Băng tần ISM là gì?.

Có các băng con với băng thông: 500 KHz, 250 KHz, 125 KHz. Băng con phụ thuộc quốc gia, khu vực: châu Âu 250 và 125 KHz.

Kiến trúc mạng: Để tôn trọng tác giả, xem bài viết gốc TẠI ĐÂY

LoRa sử dụng mạng hình sao. Nó tăng dung lượng mạng, giảm độ phức tạp và hiệu quả năng lượng các node.

Như hình, một vật có thể nhiều lần tiếp nhận cùng một thông tin giữa các trạm. Điều này được LoRaWAN khai thác để xác định vị trí thiết bị cuối và tránh việc chuyển giao (handover).

2. Sigfox

Sigfox là một công ty được thành lập năm 2010 tại Pháp. Nó cung cấp giải pháp kết nối không dây toàn cầu. Điều này nhằm triển khai giải pháp công nghệ LPWAN trong IoT. Cách tiếp cận của Sigfox tương tự như các nhà khai thác mạng di động. Nhưng khác biệt là cung cấp các thiết bị tiêu thụ năng lượng thấp nên chi phí thấp. Đã được triển khai hơn 45 quốc gia.

Đặc điểm công nghệ

Băng tần siêu hẹp (Ultra – Narrow Band)

Sigfox sử dụng băng tần ISM, tại châu Âu là 868 MHz. Bắc Mỹ là 915 MHz và 433 MHz ở châu Á. Ở châu Âu dài tần giữa 868.180 MHz và 868.220 MHz được chia thành 400 kênh 100 Hz trực giao. Vì sử dụng băng tần siêu hẹp, SigFox sử dụng băng tần hiệu quả và độ nhiễu thấp. Dẫn đến tiêu thụ điện năng thấp, độ nhạy thu cao, chi phí thiết kế anten thấp.

Phân tập thời gian – tần số 

Vậy Phân tập là gì ? Xem bài viết TẠI ĐÂY

Vì cùng sử dụng ISM band, nên Sigfox cần độ tin cậy trong việc truyền thông. Do đó Sigfox sử dụng phân tập nhằm mục đích trên. Phân tập thời gian và tần số cũng như trùng lặp đường truyền. Các thiết bị truyền cùng một thông điệp 3 lần bằng 3 khe thời gian khác nhau.

Phân tập không gian

Các trạm gốc mà thiết bị nằm trong vùng phủ sóng của nó đều nhận và truyền tin. Mặc dù có sự trùng lặp về gói tin nhưng đảm bảo có sự phân tập về không gian.

Kiến trúc mạng

Sigfox sử dụng cấu trúc mạng hình sao và được mô tả như hình. Kết nối giữa devices với trạm của Sigfox là vô tuyến. Trong công nghiệp đo lường có thể: cảm biến báo mức nước MWB1A, cảm biến nhiệt độ Pt100….

3. NB-IoT

NB-IoT (NarrowBand – IoT) là một công nghệ IoT băng hẹp được chuẩn hóa bởi 3GPP. Mục đích này là một giải pháp truyền thông M2M (Machine to Machine). Đạt được sự cải thiện ở vùng phủ sóng trong nhà, nơi thiết bị rất IoT. Giảm chi phí và tiêu thụ năng lượng thấp hơn, hỗ trợ các tính năng có độ trễ.

Mục đích của NB-IoT là phục vụ các ứng dụng IoT thông lượng thấp. NB-IoT hỗ trợ kết nối hàng triệu thiết bị M2M và ứng dụng. Kết nối này được đặc trưng bởi thông lượng thấp, truyền dữ liệu không thường xuyên. NB-IoT có thể hoạt động cùng với mạng GSM và LTE dưới dải tần số cần đăng kí sử dụng.

Đặc điểm công nghệ

Hiệu quả năng lượng cao

Trong công nghệ IoT, yêu cầu tuổi thọ pin kéo dài ít nhất 10 năm. NB-IoT đáp ứng yêu cầu nhờ hai công nghệ tiết kiệm năng lượng là PSM và eDRX.

• PSM – Power Saving Mode: chế độ ngủ tối đa là 12 ngày nhưng vẫn giữ kết nối.
• eDRX – expanded Discontinued Reception: Kéo dài chu kì ở chế độ ngủ không tải tối đa 40 phút. Nó cho phép thiết bị tắt một phần mạch điện để tiết kiệm năng lượng.

Vùng phủ sóng – Kĩ thuật triển khai

NB-IoT trong công nghệ LPWAN tập trung vào lớp thiết bị M2M. Phạm vi phủ sóng không được nhỏ hơn 23 dB. Triển khai NB-IoT phụ thuộc vào các trạm cơ sở 4G/LTE. Do đó không phù hợp với những khu vực hạn chế về sóng 4G/LTE.

Hiện tại, NB-IoT có ba cách thức hoạt động sử dụng tần số trong mạng LTE như hình.

• Độc lập (Stand alone): Sử dụng một băng tần ngoài mà không phải là băng tần được dùng cho LTE.
• Dải tần bảo vệ (Guard band): Sử dụng phổ tần ở băng tần bảo vệ sóng mang của LTE.
• Trong dải tần (In band): Sử dụng một sóng mang LTE thông thường.

Kiến trúc mạng: Để tôn trọng tác giả, xem bài viết gốc TẠI ĐÂY

Thực tế, mạng NB-IoT được thiết kế dựa trên mạng LTE với sự điều chỉnh đặc biệt. Điều này cho phép NB-IoT có các lợi thế để sử dụng trong các ứng dụng IoT. Thành phố thông minh IoT, Industrial IoT vì chất lượng dịch vụ và tốc độ dữ liệu cao.

4. LTE-M 

LTE-M viết tắt của Long Term Evolution for Machines. LTE-M sử dụng băng tần cần cấp phép và sử dụng một băng tần bình thường (in band) như LTE. Các thiết bị của LTE-M được kết nối không dây trực tiếp với mạng 4G-LTE hiện có. Do đó không cần triển khai các trạm mới nên nghe rất hấp dẫn với các nhà mạng. LTE-M là nó tương thích với mạng LTE hiện có. Nó hỗ trợ thực hiện roaming thích hợp các ứng dụng di động.

Đặc điểm công nghệ

LTE-M được thiết kế sao cho phù hợp với công nghệ LTE hiện có. LTE-M có thể hoạt động ở bất kì băng tần nào của LTE. Do đó giảm chi phí một cách hiệu quả.

Kĩ thuật điều chế của LTE-M

LTE-M sử dụng kĩ thuật điều chế:

• Đường lên: SC-FDMA là kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang. Với khoảng cách băng tần là 15 KHz và sử dụng điều chế 16-QAM.
• Đường xuống sử dụng OFDMA, kĩ thuật điều chế cũng là 16-QAM và khoảng cách băng tần là 15 KHz.

Tiết kiệm năng lượng trong LTE-M tương tự như NB-IoT. LTE-M cũng có thêm hai chế độ PSM và eDRX cho chipset nên tiết kiệm năng lượng.

Kiến trúc mạng LTE-M

LTE-M là một công nghệ LPWAN hấp dẫn vì nó sử dụng hạ tầng LTE có sẵn. Chỉ cần triển khai các UE ở phía người dùng, một bản nâng cấp phần mềm ở các trạm eNB. Các UE kết nối trực tiếp với mạng LTE mà không cần thông qua một cổng kết nối nào. Chúng chỉ cần tích hợp anten lên các thiết bị đó như hình.

Trong bài viết này chỉ chia sẻ kiến thức về LPWAN là gì, các công nghệ LPWAN phổ biến. Trong bài viết tiếp theo sẽ so sánh giữa 4 công nghệ: LoRa, Sigfox, NB-IoT, LTE-M. Cũng như các ứng dụng cụ thể của từng công nghệ, tình hình triển khai thực tế.

Xem thêm: Mạng LPWAN – So Sánh Các Công Nghệ: LoRa, Sigfox, NB-IoT, LTE-M.