Bạn đang muốn sử dụng LPWAN (Mạng diện rộng công suất thấp) cho các kết nối IoT của mình, nhưng đang bối rối không biết lựa chọn giải pháp nào. Bài viết này SmartIndustryVN chia sẻ một số thông tin về công nghệ kết nối IoT giúp cho bạn lựa chọn dễ dàng hơn cho dự án của mình.
Chúng tôi đã từng giới thiệu về mạng diện rộng LPWAN qua bài viết ở đây : Lora là gì ? Ứng dụng của Lora và LoraWAN là gì ? Mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN) là một mô hình mới trong IoT công nghiệp (IIoT). Cung cấp liên lạc tầm xa trên các loại pin nhỏ, rẻ tiền tồn tại trong nhiều năm, công nghệ này được xây dựng nhằm mục đích hỗ trợ các mạng IIoT quy mô lớn trải rộng trên các khuôn viên công nghiệp và thương mại rộng lớn.
Dựa trên hiểu biết chung về LPWAN, ở đây chúng tôi sẽ so sánh các chuẩn chính thuộc công nghệ LPWAN vì đây là một kết nối được quan tâm nhiều nhất do tầm phủ sóng rộng lớn của nó.
Mặc dù có nhiều công nghệ và tiêu chuẩn LPWAN, chúng tôi sẽ tập trung vào SigFox, LoRa, NB-IoT và LTE-M, vì các công nghệ này đang được phát triển hoặc triển khai hiệu quả tại nhiều nơi trên thế giới.
Mặc dù cũng có các giao thức và ngăn xếp độc quyền khác như Dash Alliance Protocol, chúng vẫn chưa đạt được nhiều dự án trên thế giới và chúng tôi sẽ không đề cập trong bài viết này. LTE-M và Narrowband-IoT (còn được gọi là NB-IoT, và LTE-M2) gần đây đã nổi lên nhiều do tính thông dụng và dễ triển khai của nó.
Cùng với công nghệ 5G phát triển mạnh gần đây, bối cảnh kết nối IoT đang biến đổi nhanh chóng đã sẵn sàng cho một sự thay đổi lớn khác. Điều cốt yếu là phải hiểu cả cách LPWAN ứng dụng thế nào để xem xét lựa chọn giải pháp phù hợp với chi phí và hiệu quả cũng như ROI mang lại.
NB-IoT và LTE-M
Tiêu chuẩn về mạng NB-IoT đã được nhóm 3GPP đưa ra vào năm 2016 trong phiên bản Release 13 (LTE Advanced Pro) và hiện đang trong quá trình thử nghiệm. NB-IoT được phát triển dựa trên các tiêu chuẩn di động hiện có. Như vậy đối với NB-IoT, có thể sử dụng gần như tất cả các dải tần số tương tự như 2G/3G/4G trong băng tần thấp. Đó là B20 (800 MHz), B8 (900 MHz), B3 (1800 MHz) [7].
Nhóm 3GPP đưa ra ba tùy chọn để triển khai mạng NB-IoT được biểu diễn như hình minh họa dưới. Đầu tiên là In Band, tức là phổ tần số hoạt động sẽ được đặt trong khoảng tần số bảo vệ của mạng LTE. Thứ hai là NB-IoT Guard Band, tức là Narrowband IoT sẽ được phân bổ phổ tần số riêng. Thứ ba được gọi là Standalone. Dựa trên khái niệm đưa ra, NB-IoT và LTE hoạt động trong cùng một dải tần số. Như vậy, mạng NB-IoT có thể được triển khai ở các dải tần, trong đó tiêu chuẩn GSM hay LTE hiện đang hoạt động. Tốc độ truyền dữ liệu trong NB-IoT đạt 200 kbps, đủ cho các thiết bị truyền dữ liệu nhỏ cùng loại theo một chu kì.
LTE-M và Narrowband-IoT (NB-IoT) là những công nghệ đầy hứa hẹn cho lĩnh vực LPWAN. NB-IoT là một cấu trúc 3GPP cải thiện sự đột phá của Sigfox và LoRa Alliance (bên dưới) , tuy nhiên, NB-IoT khác với LTE-M ở chỗ nó hoạt động bên ngoài cấu trúc LTE. Một lợi thế lớn của NB-IoT là do dạng sóng đơn giản hơn: công nghệ tiêu thụ năng lượng tối thiểu. Một lợi thế lớn khác là chi phí.- NB-IoT có lẽ phù hợp nhất với các tài sản tĩnh như đồng hồ thông minh, nhà thông minh trong khi LTE-M có lợi ích trong các ứng dụng chuyển vùng như xe cộ hoặc máy bay không người lái.
- LTE-M có những ưu điểm đáng chú ý hơn NB-IoT. Đầu tiên, nó có tốc độ dữ liệu cao hơn, điều này rất quan trọng đối với các case study cần nhiều dữ liệu.
LoRa và LoraWAN
Lora Alliance là một tổ chức mở, phi lợi nhuận hiệp hội thành lập để thúc đẩy một hệ sinh thái cho các công nghệ LPWAN nhất định. Nó có khoảng 400 công ty thành viên trên khắp Bắc Mỹ, Châu Âu, Châu Phi và Châu Á và các thành viên sáng lập bao gồm IBM, MicroChip, Cisco, Semtech, Bouygues Telecom, Singtel, KPN, Swisscom, Fastnet và Belgacom.
LoRaWAN là lớp mạng tiêu chuẩn mở được quản lý bởi Liên minh LoRa. Tuy nhiên, nó không thực sự mở vì chip cơ bản để thực hiện một ngăn xếp LoRaWAN đầy đủ chỉ có sẵn thông qua Semtech. Về cơ bản, LoRa là lớp vật lý: chip. LoRaWAN là lớp MAC : phần mềm được đặt trên chip để kích hoạt kết nối mạng.
Chức năng này tương tự SigFox ở chỗ nó chủ yếu dành cho các ứng dụng chỉ có đường lên dữ liệu từ các cảm biến / thiết bị đến cổng gateway có nhiều điểm cuối. Tuy nhiên, thay vì sử dụng băng thông hẹp, nó phân phối thông tin trên các kênh tần số và tốc độ dữ liệu khác nhau bằng các gói được mã hóa. Các tin nhắn này ít có khả năng va chạm và can thiệp lẫn nhau do đó làm tăng khả năng giao tiếp hiệu quả của cổng kết nối Gateway.
So sánh Lora và NB-IoT – Công nghệ IoT nào phù hợp cho bạn
SigFox
Công nghệ LPWAN độc quyền được triển khai rộng rãi nhất là Sigfox, được thành lập tại Pháp vào năm 2009 và đã triển khai mạng đầu tiên vào giữa năm 2012. Vào đầu năm 2014, nó đã đạt được phạm vi phủ sóng toàn quốc ở Pháp và một năm sau đó đã có mạng Sigfox ở năm quốc gia. Bản thân Sigfox có các mạng ở Pháp, Đức, Tây Ban Nha và Mỹ nhưng các mạng khác nhau được triển khai và vận hành bởi nhiều đối tác khác nhau. Tính đến tháng 8 năm 2018 đã có mạng lưới ở khoảng 50 quốc gia trên toàn cầu với mục tiêu hướng tới là vào cuối năm sẽ nâng lên thành 60 quốc gia [2, 6].
Giống như LoRaWAN, Sigfox hoạt động ở phổ tần số Sub-GHz và sử dụng công nghệ UNB (Ultra-Narrowband – Băng tần hẹp), cho phép sử dụng băng thông hiệu quả cao với tỉ số tín hiệu/nhiễu thấp và phương pháp điều chế băng tần hẹp (Ultra narrow band modulation) để đạt được tầm xa (lên tới 10km ở khu vực thành thị, 50km ở các khu vực nông thôn).
Toàn bộ thành phố có thể được bao phủ với một trạm thu phát duy nhất. Tuy nhiên, tốc độ dữ liệu là thấp (tối đa 2 giây đối với truyền 12 byte), giới hạn dung lượng của 150 tin nhắn 12 byte uplink và 4 tin nhắn 8 byte downlink mỗi ngày.
Các trạm thu phát có thể nhận tin nhắn đồng thời trên tất cả các kênh có sẵn. Vì vậy, thiết bị đầu cuối sẽ chọn ngẫu nhiên một kênh tần số để truyền tin nhắn của nó. Điều này giúp đơn giản hóa thiết kế của thiết bị đầu cuối, do đó giảm chi phí.
Mạng hoạt động trong một dải tần số miễn cấp phép. Hiện tại, để cung cấp dịch vụ truyền thông, ở Châu Âu và ở Mỹ lần lượt các băng tần 868 MHz và 902 MHz đã được sử dụng.
Các ứng dụng của Sigfox có thể bao gồm cảm biến đỗ xe, đồng hồ nước hoặc cảm biến IoT thông minh. Tuy nhiên, nó cũng có một số nhược điểm là khi gửi dữ liệu trở lại các cảm biến / thiết bị (khả năng đường xuống) bị hạn chế nghiêm trọng và nhiễu tín hiệu có thể trở thành một vấn đề lớn
