Công nghệ LoRa là gì?
LoRa là một kỹ thuật điều chế sóng vô tuyến về cơ bản là một cách điều chế sóng vô tuyến để mã hóa thông tin bằng cách sử dụng định dạng đa ký hiệu chirp (công nghệ trải phổ chirp). LoRa như một thuật ngữ cũng có thể đề cập đến các hệ thống hỗ trợ kỹ thuật điều chế này hoặc mạng truyền thông mà các ứng dụng Internet vạn vật (IoT) sử dụng.
Ưu điểm chính của LoRa là khả năng tầm xa và giá cả phải chăng. Trường hợp sử dụng điển hình của LoRa là ở các thành phố thông minh, nơi các thiết bị Internet vạn vật (thường là cảm biến hoặc giám sát) có công suất và chi phí thấp lan truyền khắp nơi.
Hệ số lan truyền (SF)
Công nghệ trải phổ chirp sử dụng gọi là “chirp”, là những tín hiệu có tần số di chuyển lên hoặc xuống (tương ứng là chirp lên hoặc chirp xuống) ở các tốc độ khác nhau. Hệ số lan truyền (SF) xác định tốc độ của một chirp.
SF cao có nghĩa là truyền phát sóng có phạm vi và độ xuyên thấu cao hơn, nhưng lại phải trả giá bằng mức tiêu thụ điện năng tăng lên. SF thấp hơn sẽ nhanh hơn và truyền nhiều dữ liệu hơn ở cùng băng thông và thời gian.
Mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN)
Mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN) là một loại mạng viễn thông không dây cho phép các thiết bị được kết nối có khả năng liên lạc tầm xa ở tốc độ bit thấp. LPWAN thường được sử dụng trong giám sát và quản lý tài sản ở các thành phố thông minh và triển khai Internet vạn vật công nghiệp. Điều này trái ngược với mạng diện rộng không dây (thường được sử dụng bởi các tổ chức doanh nghiệp lớn) mang nhiều dữ liệu hơn và sử dụng nhiều năng lượng hơn. Ví dụ về công nghệ LPWAN là Lora/LoraWAN, Sigfox, MIoTy, Wi-SUN, LTE-M và NB-IOT.
Công nghệ LPWAN có phạm vi hoạt động lên tới 10 km và vì đây là giao thức tương đối đơn giản và nhẹ nên các thiết bị và phần cứng tương đối rẻ tiền. Bộ thu phát (thiết bị chạy bằng pin nhỏ) cũng sử dụng ít năng lượng, cho phép chúng hoạt động tới 20 năm.
LoRaWAN
LoRaWAN là giao thức mạng diện rộng, tiêu thụ điện năng thấp được xây dựng dựa trên kỹ thuật điều chế vô tuyến LoRa. Nó kết nối không dây các thiết bị với Internet và quản lý liên lạc giữa các thiết bị nút cuối và cổng mạng. Việc sử dụng LoRaWAN trong không gian công nghiệp và thành phố thông minh đang ngày càng tăng vì đây là giao thức liên lạc hai chiều, tầm xa, giá cả phải chăng với mức tiêu thụ điện năng rất thấp - các thiết bị có thể hoạt động trong 10 năm chỉ với một cục pin nhỏ. Nó sử dụng các băng tần vô tuyến ISM (Công nghiệp, Khoa học, Y tế) không được cấp phép để triển khai mạng.
Thiết bị đầu cuối có thể kết nối với mạng bằng LoRaWAN theo hai cách:
- Kích hoạt qua mạng (Over-the-air Activation - OTAA): Thiết bị phải thiết lập khóa mạng và khóa phiên ứng dụng để kết nối với mạng.
- Kích hoạt bằng cá nhân hóa (Activation by Personalization - ABP): Một thiết bị được mã hóa cứng với các khóa cần thiết để giao tiếp với mạng, giúp kết nối kém an toàn hơn nhưng dễ dàng hơn.
Kiến trúc mạng LoRaWAN
LoRaWAN là lựa chọn đúng cho thành phố thông minh
Nhận thấy việc triển khai LoRaWan cho thành phố thông minh là một bước đi đúng đắn đối với các nhà quản lý và nhà đổi mới thành phố. Để thảo luận về việc một thành phố muốn trở nên thông minh hơn và mang lại kết quả tốt hơn cho cộng đồng và những thách thức khi thực hiện điều đó với ngân sách hạn chế và lộ trình không rõ ràng về cách phát triển. Các thành phố có cơ hội đối với dữ liệu lớn. Vì vậy, để làm cho thành phố của họ trở nên thông minh, các nhà quản lý cần có khả năng thu thập dữ liệu ở dạng có thể sử dụng được để hiểu rõ hơn và đưa ra quyết định chính xác hơn. Với công nghệ LoRaWan mang lại như chi phí thấp, dễ dàng triển khai, tiêu thụ năng lượng thấp, cộng đồng hỗ trợ rộng khắp. Do đó, LoRaWan là một bước đi cần thiết trong việc áp dụng và triển khai thành phố thông minh.
Tại sao phải “thông minh”?
Điều gì đang thúc đẩy các thành phố muốn trở nên “thông minh”? Thông thường, đó là áp lực của việc đô thị hóa ngày càng tăng và mật độ dân số ngày càng tăng. Đô thị hóa mang lại nhiều thách thức và cơ hội. Về mặt cơ hội cho các thành phố, là quá trình đô thị hóa ngày càng tăng cho phép sử dụng quy mô tài nguyên, tăng trưởng việc làm và tăng cường hoạt động kinh tế. IoT có thể nhận biết và giảm bớt những thách thức tăng trưởng đô thị. Một thành phố trở nên “thông minh” hơn khi thu thập, sắp xếp và quản lý dữ liệu theo cách tạo ra những hiểu biết sâu sắc và đưa đến những quyết định tốt hơn.
Sử dụng IoT, một thành phố “thông minh” có thể thu thập thông tin để hiểu rõ hơn về địa điểm và thời điểm nhằm áp dụng các nguồn lực cũng như nâng cao hiệu quả. Các công nghệ IoT tương tự có thể thu thập thông tin từ các cảm biến và cung cấp các điểm dữ liệu về mối quan hệ giữa các yếu tố của thành phố. Bằng cách thu thập và phân tích dữ liệu, thành phố “thông minh” có thể cải thiện khả năng giúp nhà quản lý đưa ra quyết định, tính bền vững và chất lượng cuộc sống cho người dân sống ở đó.
Sử dụng IoT, một thành phố thông minh có thể thu thập thông tin để hiểu rõ hơn về địa điểm và thời điểm áp dụng các nguồn lực cũng như nâng cao hiệu quả.
Như vậy một câu hỏi thường được đặt ra trong quá trình xây dựng, phát triển một thành phố thông minh “Hướng đi đúng là gì?” Mỗi thành phố phải bắt đầu bằng việc hiểu rõ những thách thức hiện tại và hình dung những thách thức trong tương lai, đặc biệt là những thách thức mà sự gia tăng dân số có thể mang lại. Từ đó, thành phố cần phát triển quan điểm hoặc tầm nhìn rõ ràng về kết quả mong muốn. Cuối cùng, thành phố phải quyết định dữ liệu nào cần thu thập, cách thu thập dữ liệu, đơn vị nào khác có thể thu thập dữ liệu đó và cách quản lý dữ liệu. Nói tóm lại, họ cần biết nên sử dụng công nghệ nào để thu thập và quản lý điểm dữ liệu. Sau đây sẽ thảo luận và trình bày một số yêu cầu cần xem xét khi lựa chọn công nghệ thu thập, truyền phát dữ liệu phù hợp cho thành phố thông minh.
Lựa chọn công nghệ IoT cho thành phố
Khi lựa chọn công nghệ cho thành phố thông minh, người ta phải dự đoán kết quả mong muốn, chi phí ước tính và lợi tức đầu tư tiềm năng. Theo nhiều nhà quản lý từng nói, “Chúng tôi không muốn hôm nay nó trở thành một thứ hào nhoáng và trở thành gánh nặng cho thành phố vào ngày mai”.
Vậy điều gì tạo nên một công nghệ truyền thông IoT tốt hoặc thậm chí tuyệt vời? Đối với IoT lớn với hàng nghìn cảm biến, lựa chọn tốt nhất là mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN). Kinh nghiệm triển khai của một số công ty lớn cho thấy một trong những giải pháp là công nghệ LPWAN hiện có, LoRaWAN mang lại cho các thành phố nhiều lợi ích nhất để trở nên thông minh. LoRaWAN là một tiêu chuẩn mở linh hoạt, có thể mở rộng, hiệu quả và có khả năng tương tác theo nhu cầu của thành phố. Các tiêu chuẩn mở giúp kéo dài tuổi thọ và khuyến khích một hệ sinh thái cạnh tranh và gắn kết, giảm rủi ro cho cả nhà sản xuất công nghệ cũng như thành phố.
Để đảm bảo triển khai đúng các tiêu chuẩn LoRaWAN, Liên minh LoRa cung cấp chương trình chứng nhận toàn diện giúp các thành phố tin tưởng rằng các thiết bị sẽ đáng tin cậy và tuân thủ các tiêu chuẩn, từ đó giảm chi phí hỗ trợ tiềm ẩn và đảm bảo khả năng tương tác. LoRaWAN đã trở thành tiêu chuẩn được Liên minh Viễn thông Quốc tế (International Telecommunications Union - ITU) phê duyệt chính thức vào tháng 12 năm 2021, nhằm tiếp tục đảm bảo tuổi thọ của công nghệ này.
Các lợi ích của LoRaWAN
Một thành phố được kết nối đòi hỏi một mạng linh hoạt có thể đáp ứng nhiều trường hợp sử dụng trong nhiều môi trường khác nhau. LoRaWAN cung cấp phạm vi phủ sóng rộng khắp và có thể mở rộng một cách độc đáo ở địa hình đa dạng của thành phố thông minh nhờ kiến trúc thiết bị trên đám mây độc đáo và các tùy chọn triển khai rộng lớn. Khả năng thâm nhập tốt nhất của LoRaWAN tạo điều kiện cho việc phủ sóng trong nhà, ngoài trời và thậm chí ở các địa điểm dưới lòng đất. Điều này là cần thiết để kết nối các điểm đầu cuối được phân phối trên toàn thành phố. Sau đây là một số lợi ích khác của LoRaWAN dành cho thành phố thông minh.
Các mạng lưới và đầu tư linh hoạt
Một điểm mạnh quan trọng của LoRaWAN là khả năng hỗ trợ hàng nghìn thiết bị trên mỗi cổng. Kiến trúc truyền thông tiên tiến, cho phép dự phòng trên các cổng, tạo điều kiện cho quy mô thực sự với chi phí hợp lý.
Ngoài ra, một trong những thuộc tính quan trọng nhất của bất kỳ công nghệ LPWAN nào là mức tiêu thụ điện năng của thiết bị. Để chiến lược thành phố thông minh thành công và bền vững, cần có chi phí thấp. Một trong những yếu tố tạo ra chi phí trong bất kỳ công nghệ nào là bảo trì và vận hành liên tục. Lợi ích sâu sắc của LoRaWAN là mức tiêu thụ điện năng thấp của cảm biến hoặc thiết bị giúp kéo dài tuổi thọ pin. Chỉ riêng một phân tích về lợi ích khái quát về như trên cũng có thể đưa ra quyết định về công nghệ truyền phát dữ liệu IoT. LoRaWAN cung cấp thời lượng pin tốt hơn từ ba đến bảy lần, giúp tiết kiệm chi phí vật liệu trong suốt vòng đời của thiết bị.
Việc triển khai LoRaWAN rất linh hoạt cả về mặt công nghệ và thương mại. Từ góc độ công nghệ, cơ sở hạ tầng mạng LoRaWAN rất linh hoạt, cho phép phân phối các cổng hoặc điểm thu thập dữ liệu trên toàn thành phố. Chi phí rất thấp do chi phí vật lý nhỏ và nhu cầu năng lượng cực thấp. Cổng có thể được gắn trong nhà hoặc ngoài trời, lắp đặt trên các tòa nhà hoặc tòa tháp hoặc thậm chí bên trong nội thất đường phố. Nhờ hệ sinh thái các nhà sản xuất ngày càng phát triển nên có nhiều lựa chọn cho mọi yêu cầu triển khai.
Tính linh hoạt của mạng LoRaWAN có nghĩa là một thành phố có thể xây dựng mạng riêng, đưa vào mạng công cộng, tham gia mạng cộng đồng hoặc chọn mạng kết hợp. Các thành phố có quyền lựa chọn xây dựng mạng LoRaWAN của mình bằng cách sử dụng các tiêu chuẩn mở và phần cứng có sẵn trên toàn cầu hoặc chọn hợp tác với các nhà cung cấp công nghệ để đưa ra giải pháp được quản lý hoàn toàn và thậm chí chọn tận dụng các kỹ năng và kinh nghiệm của hơn 166 nhà khai thác LoRaWAN trên toàn cầu. Cuối cùng, khả năng chuyển vùng qua các loại tùy chọn triển khai thương mại khác nhau thông qua các tiêu chuẩn đã được thiết lập có nghĩa là LoRaWAN mang lại tính linh hoạt thương mại tối ưu.
Bảo mật
Việc an toàn toàn và bảo mật dữ liệu là một trong những yếu tố quan trọng trong việc triển khai thành phố thông minh trên diện rộng, dó đó việc lựa chọn công nghệ của thành phố thông minh nhất thiết phải xem xét đến vấn đề bảo mật và quyền riêng tư dữ liệu. LoRaWAN ngay từ đầu đã được thiết kế và phát triển với mục tiêu bảo mật. Nền tảng của bảo mật LoRaWAN là việc sử dụng khóa mã hóa AES2 x 128 bit để xác định cả bảo mật cấp mạng và cấp ứng dụng. Vì vậy, việc sử dụng công nghệ LoRaWAN là một bước đi đúng hướng cho việc an toàn và bảo mật dữ liệu của thành phố.
Tỷ suất hoàn vốn (Return on investment - ROI)
Cuối cùng một vấn đề khác cần phải cân nhắc trong quá trình triển khai thành phố thông minh là ngân sách. Nhận thấy trong công việc để thông minh đối với các thành phố trên khắp thế giới là ngân sách eo hẹp. Do đó, các dữ liệu thu thập gồm chất lượng không khí (trong nhà và ngoài trời), đèn đường, tài sản giải trí, chất thải, nước, tòa nhà và bãi đậu xe, đếm người và quản lý giao thông. Triển khai mạng LoRaWAN và hỗ trợ tất cả các trường hợp sử dụng này và hơn thế nữa.
Nhờ kiến trúc phổ biến của LoRaWAN, trong đó một mô hình phủ sóng duy nhất có thể hỗ trợ phần lớn các trường hợp sử dụng băng thông thấp, việc sử dụng LoRaWAN làm cốt lõi trong quá trình triển khai sẽ là chìa khóa để tối đa hóa khoản đầu tư vào thành phố thông minh. Có thể đạt được ROI cao nhờ sự lựa chọn của LoRaWAN, mô hình thương mại linh hoạt, quy mô của hệ sinh thái và chi phí vận hành tốt nhất.
Tài liệu tham khảo
[1] Dong-Hoon Kim, Eun-Kyu Lee, and Jibum Kim. (March 30, 2019). MDPI. “Experiencing LoRa Network Establishment on a Smart Energy Campus Testbed”. Accessed on Jan. 11, 2020 at https://www.mdpi.com/2071-1050/11/7/1917.
[2] IoTOne. (n.d.). IoTOne. “Chirp Spread Spectrum.” Accessed on Jan. 11, 2020 at https://www.iotone.com/term/chirp-spreadspectrum/t110.
[3] TechTarget. (n.d.). IoT Agenda. “LPWAN (low-power wide area network).” Accessed on Jan. 11, 2020 at
https://internetofthingsagenda.techtarget.com/definition/LPWAN-low-power-wide-area-network.
[4] Matt Knight. (Dec. 29, 2016). RC3 33c3. “Decoding the LoRa PHY.” Accessed on Jan. 11, 2020 at
https://www.youtube.com/watch?v=NoquBA7IMNc.
TS. Hồ Đức Chung