Mạng LPWAN cho các ứng dụng IoT

LPWAN là gì

LPWAN  là các công nghệ không dây với các đặc điểm như phủ sóng lớn, băng thông thấp, kích thước gói tin nhỏ và thời gian sử dụng pin lâu dài. Mạng LPWAN có chi phí thấp hơn mạng di động và có phạm vi rộng hơn mạng không dây tầm ngắn [1].

LPWAN cung cấp khả năng kết nối cho các thiết bị và ứng dụng có tính di động thấp và mức độ truyền dữ liệu thấp - Ví dụ như các cảm biến, đồng hồ thông minh (đồng hồ nước, đồng hộ điện) là một phần trong Internet vạn vật. Chính vì thế, LPWAN sẽ mang tới một lựa chọn mới cho truyền tải dữ liệu IoT, được phát triển nhằm đáp ứng mục đích tiêu thụ năng lượng thấp, kéo dài thời gian hoạt động của thiết bị đầu cuối, khả năng truyền tải với khoảng cách xa tới hàng chục Km.

Sơ lược lịch sử LPWAN

LPWAN xuất hiện vào những năm 1980-1990. Tuy nhiên, các mạng này đã nhường chỗ cho các công nghệ hiệu quả hơn. Cho tới những năm gần đây, LPWAN hiện đại mới có thể cạnh tranh với mạng di động hiện tại.

Thuật ngữ “Diện rộng năng lượng thấp” đã được đưa ra vào năm 2013 cho một loại công nghệ không dây được thiết kế để liên lạc giữa máy với máy (Machine-Machine - M2M) và được xác nhận là công nghệ không dây được lựa chọn cho Internet of Things vào năm 2015, khi 3GPP (3rd Generation Partnership Project) quyết định tiêu chuẩn hóa một số công nghệ không dây được sử dụng cho các ứng dụng IoT [2].

Một số tiêu chuẩn của 3GPP đề xuất dựa trên cơ sở hạ tầng mạng di động như NarrowBand IoT (NB-IoT, còn gọi là NB CIoT hoặc LTE-M2), eMTC (còn gọi là LTE-M, LTE-M1 và LTE-MTC) và EC-GSM (Extended Coverage GSM). Tất cả những mạng này đều sử dụng tần số được cấp phép và được đề cập trong các tài liệu mạng 5G. Ngoài ra, trong mạng LPWAN còn được đề xuất sử dụng các băng tần miễn cấp phép, ví dụ như các công nghệ mạng mới nổi: LoRaWAN, Sigfox, Ingenu và những mạng khác. Như vậy, với các tiêu chuẩn LPWAN cạnh tranh, các kỹ sư sẽ có nhiều tùy chọn khi thiết kế mạng cho Internet of Things.

Các tiêu chuẩn LPWAN nhìn chung có thể được chia thành hai loại: Mạng di động hay mạng tế bào, sử dụng tần số được cấp phép của mạng di động và Mạng không di động, sử dụng các dải tần số vô tuyến công nghiệp, khoa học và y tế mà không cần cấp phép (ISM) [3].

LPWAN hiện nay

Những công nghệ mạng LPWAN được tạo ra để truyền dữ liệu từ xa từ các thiết bị đồng hồ đo, các cảm biến và các thiết bị khác trên một khoảng cách dài. Sự xuất hiện của LPWAN phần lớn do yêu cầu cần thiết của các thiết bị M2M.

Dựa theo thực tế, mạng LPWAN được sử dụng để truyền tải một lượng nhỏ dữ liệu trên một khoảng cách xa (thường chỉ tới 1MB mỗi tháng) từ các thiết bị có khả năng hoạt động nhiều năm từ một pin AA. Do đó, chi phí bảo dưỡng các các thiết bị như vậy trong mạng LPWAN được giảm thiểu.

Các băng tần miễn cấp phép thường dùng trong mạng LPWAN như: 868/915 MHz, 433 MHz, 169 MHz. Ở Châu Á, băng tần 433 MHz được đề nghị sử dụng [4].

Một số điểm mạnh của LPWAN được ghi nhận, gồm:

• Khoảng cách truyền tải xa hơn so với các công nghệ không dây khác.
• Tiêu thụ điện năng thấp ở các thiết bị đầu cuối, do gói tin nhỏ được truyền đi với lượng tiêu thụ năng lượng thấp.
• Khả năng mở rộng mạng cao trong khu vực rộng lớn.

• Một lượng ít trạm thu phát cần thiết để phủ sóng một vùng nhất định, như trong điều kiện địa hình bằng phẳng và mật độ tòa nhà thấp thì một trạm thu phát sóng có thể phủ sóng diện tích tới 100 km2 và tiếp nhận hàng nghìn thiết bị.
• Công suất tín hiệu vô tuyến cao trong khu vực đô thị khi sử dụng tần số sub-GHz.
• Một điểm nữa là chi phí cung cấp và bảo trì thiết bị LPWAN ở mức thấp hơn so với mạng di động hiện nay.

Tích cực nhất trong việc phát triển mạng LPWAN là một số nhà cung cấp cũng như tổ chức, như: LoRa Alliance, Sigfox, Ingothy,… Mỗi tổ chức đưa ra một tiêu chuẩn riêng với các phương thức hoạt động khác nhau, nhưng tất cả đều hướng tới mục đích sử dụng của mạng LPWAN.

Các công nghệ LPWAN khác nhau:

LoRaWAN
LoRaWAN là một tiêu chuẩn mở được đưa ra bởi tổ chức LoRa Alliance nhằm đảm bảo khả năng tương tác giữa các thiết bị IoT [5]. Chip LoRa cơ bản cần thiết để triển khai mạng LoRaWAN là độc quyền của nhà sản xuất chất bán dẫn SemTech.

Được thành lập vào tháng 3 năm 2015 để phát triển giao thức LoRaWAN, LoRa Alliance là một hiệp hội phi lợi nhuận mở với hơn 500 thành viên trên toàn cầu từ các công ty viễn thông, các nhà tích hợp hệ thống, các nhà khởi nghiệp và các nhà sản xuất. Đến đầu năm 2018 đã có 62 nhà khai thác mạng công cộng được đưa vào sử dụng và hơn 350 thử nghiệm đang diễn ra và triển khai tại hơn 100 quốc gia.

LoRa sử dụng phổ tần số Sub-GHz (868 MHz ở Châu Âu, 915 MHz ở Châu Mỹ và 433 MHz ở Châu Á). Công nghệ này sử dụng kỹ thuật trải phổ để truyền dữ liệu trên các kênh tần số khác nhau và ở các tốc độ khác nhau để các Gateway có thể thích ứng với các điều kiện thay đổi và tối ưu hóa cách thức trao đổi dữ liệu với từng thiết bị.

Tốc độ dữ liệu nằm trong khoảng từ 300bps đến 50kbps tùy thuộc vào hệ số trải phổ (SF - Spreading Factor) và băng thông (BW-Bandwidth) kênh, trong khi độ dài tin nhắn tối đa là 243 byte cung cấp chức năng truyền thông hai chiều hiệu quả. Mỗi tin nhắn được nhận bởi tất cả các trạm thu phát trong phạm vi để đảm bảo tỷ lệ truyền thành công nhưng với yêu cầu nhiều trạm thu phát có thể làm tăng chi phí triển khai mạng.

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.

NB-IoT

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.

NB-IoT cung cấp hỗ trợ cho hơn 100 nghìn kết nối mỗi trạm thu phát; pin của thiết bị được kết nối với NB-IoT có thể hoạt động tới mười năm mà không cần sạc lại. NB-IoT có khả năng cung cấp vùng phủ sóng rộng có thể đạt độ lợi 20 dB trong mạng GSM.

Ingenu

Mạng này sử dụng giao thức RPMA (Random Phase Multiple Access - Truy cập nhiều pha ngẫu nhiên). Công nghệ này có sẵn ở 29 quốc gia [9].

LPWAN trong tương lai

Theo Stratistic MRC, tốc độ tăng trưởng trung bình hàng năm của thị trường LPWAN toàn cầu sẽ là 88,8% từ năm 2015 đến năm 2022. Đến năm 2022, khối lượng thị trường sẽ đạt 46,3 tỷ USD [9].

Như vậy, LPWAN có thể sẽ đóng một vai trò lớn trong cung cấp dịch vụ viễn thông tương lai. Những ứng dụng cho thiết bị quan trắc, đồng hồ đo lường, nông nghiệp thông minh, v.v… sẽ có những lựa chọn phù hợp khi sử dụng mạng LPWAN. Dưới đây là một ví dụ điển hình đang được thử nghiệm tại Liên bang Nga.

                                                                                                                                                                                         TS. Hoàng Lê Trung

Tài liệu tham khảo:

[1]. https://tools.ietf.org/html/rfc8376

[2]. https://5g.co.uk/guides/what-is-lpwan/

[3]. http://ictvietnam.vn/cong-nghe/lpwan-va-tieu-chuan-mo-cua-lorawan-la-gi.htm

[4]. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405959517302953

[5]. https://lora-alliance.org/

[6]. https://www.sigfox.com/en

[7]. http://www.3gpp.org/news-events/3gpp-news/1785-nb_iot_complete

[8]. https://appserver.eie.polyu.edu.hk/ITS/docs/w9/NarrowbandIoTIntroduction_rachel.pdf

[9]. https://iot.ru/promyshlennost/seti-lpwan-istoriya-i-perspektivy

[10]. https://www.osp.ru/lan/2017/03/13051580/.