GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG LORAWAN – KỶ NGUYÊN MỚI CỦA INTERNET VẠN VẬT

Tóm tắt

Giao thức truyền thông LoRaWAN ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong khái niệm Internet vạn vật (IoT). Nhiều ghiên cứu gần đây đã giải quyết được vấn đề của mạng cảm biến không dây (WSN) như việc tăng hiệu suất của WSN. Khái niệm IoT hứa hẹn sẽ cách mạng hóa và thay đổi cách chúng ta thực hiện công việc hàng ngày và cho phép chúng ta vượt qua những thách thức hiện tại như khủng hoảng năng lượng, cạn kiệt tài nguyên và ô nhiễm môi trường. Tiềm năng của khái niệm IoT là rất lớn và giúp giải quyết những thách thức lớn của ngành M2M (Machine-to-Machine). Mạng không dây LPWA (diện rộng công suất thấp) dần hoàn thiện các công nghệ truyền thông không dây tầm ngắn và không dây truyền thống nhằm đáp ứng các yêu cầu khác nhau của ứng dụng IoT. Điều chế LoRa đang sử dụng kỹ thuật trải phổ chirp (xung radar cường độ nén cao), mang lại khả năng chống nhiễu, liên kết truyền dữ liệu lớn, hiệu suất ở mức năng lượng thấp trong khi có khả năng chống lại hiệu ứng giảm công suất truyền đa đường và hiệu ứng Doppler.

Giới thiệu

Trong những năm gần đây, đã có nhiều công trình nghiên cứu chú trọng đến công nghệ diện rộng suất thấp (LPWA), công nghệ này đã có nhiều ứng dụng trong việc triển khai áp dụng Internet vạn vật (IoT). Nhiều công trình nghiên cứu đã giải quyết được vấn đề của mạng cảm biến không dây. Khái niệm IoT hứa hẹn sẽ cách mạng hóa và thay đổi cách chúng ta kinh doanh hàng ngày và cho phép chúng ta vượt qua những thách thức hiện tại như khủng hoảng năng lượng, cạn kiệt tài nguyên, hiệu ứng toàn cầu hóa và ô nhiễm môi trường. Tiềm năng của khái niệm này là rất lớn và giúp giải quyết những thách thức lớn của ngành công nghiệp M2M (Machine-to-Machine).

Hình 1. Kiến trúc công nghệ không dây LoRaWAN

Mạng LPWA đã bổ sung khoảng trống của công nghệ truyền thông không dây tầm ngắn truyền thống và đáp ứng các yêu cầu khác nhau của ứng dụng IoT. Những công nghệ này có nhiều ưu điểm, đảm bảo liên lạc với một khối lượng dữ liệu được giảm thiểu. Mạng LPWA có một số điểm đặc biệt so với các công nghệ không dây tầm ngắn khác phù hợp với khái niệm IoT. Ví dụ: một giải pháp thay thế có thể được thể hiện bằng các công nghệ mạng WSN tầm ngắn như ZigBee (IEEE 802.15.4), Bluetooth, Z-Wave hoặc mạng GSM di động.

Ưu điểm chính là đảm bảo khoảng cách liên lạc lên tới hàng chục km và tuổi thọ pin 10 năm, công nghệ LPWA là sự lựa chọn hoàn hảo để đạt được chi phí bảo trì thấp. Bán kính liên lạc lớn có được nhờ tốc độ truyền tải (thường ở mức hàng chục kilobyte mỗi giây). Ngoài ra, độ trễ thường cao theo thứ tự giây hoặc thậm chí vài phút. Do đó, các ứng dụng IoT không chấp nhận độ trễ hoặc yêu cầu tốc độ truyền dữ liệu cao sẽ không phù hợp với công nghệ LPWA.

Công nghệ mạng LoRaWAN

 Lớp vật lý của giao thức truyền thông LoRaWAN sử dụng điều chế LoRa, được Semtech cấp bằng sáng chế. Trong Hình 1 trình bày ngăn xếp giao thức truyền thông LoRaWAN. Có thể thấy rằng các thông số kỹ thuật LoRaWAN do LoRa Alliance xác định được xác định trên lớp điều chế LoRa và lớp LoRa MAC (kiểm soát truy cập trung bình).

Hình 2. Giao thức truyền thông LoRaWAN

Một trong những ưu điểm chính của mạng LoRaWAN là nó sử dụng tần số ISM (công nghiệp, khoa học và y tế) không được cấp phép nên không cần giấy phép. Giới hạn duy nhất được thực thi bởi tham số chu kỳ được quy định tùy thuộc vào khu vực địa lý khác nhau. Các thiết bị Lora đều hoạt động bằng pin với tuổi thọ rất cao.

Liên minh LoRa xác định ba loại thiết bị: loại A, loại B và loại C. Để đạt được hiệu quả sử dụng năng lượng nút LoRa ngoài quy định về chu kỳ cũng có khả năng nhận gói tin từ mô đun cổng (gateway) chỉ trong khoảng thời gian giới hạn.

Hình 3. Mô tả cấu trúc thành phần của mạng LoRaWAN bao gồm: Cổng Lora, mô đun đầu cuối Lora, máy chủ Lora và máy chủ ứng dụng. Cổng LoRa có thể nhận tin nhắn từ hàng nghìn nút đầu cuối LoRa, do đó, nó có thể phục vụ một khu vực địa lý rộng lớn. Các gói tin được gửi ở các tốc độ dữ liệu khác nhau bằng cách sử dụng công nghệ hệ số trải phổ xác định. Việc tách các kênh vật lý bằng cơ chế hệ số trải phổ rất hiệu quả. Như vậy, hai gói tin được gửi cùng lúc trên cùng một kênh sử dụng hệ số trải phổ khác nhau sẽ không gây nhiễu lẫn nhau và sẽ được nhận chính xác.

Hình 3. Cấu trúc thành phần của mạng LoRaWAN

Lợi ích của công nghệ LoRaWAN

• Năng lượng cực thấp - Các thiết bị đầu cuối LoRaWAN được tối ưu hóa để hoạt động ở chế độ năng lượng thấp và có thể tồn tại tới 10 năm chỉ với một viên pin dạng đồng xu.
• Tầm xa - Cổng LoRaWAN có thể truyền và nhận tín hiệu trong khoảng cách hơn 10 km ở khu vực nông thôn và lên tới 3 km ở khu vực thành thị đông đúc.
• Thâm nhập sâu trong nhà - Mạng LoRaWAN có thể cung cấp phạm vi phủ sóng sâu trong nhà và dễ dàng bao phủ các tòa nhà nhiều tầng.
• Phổ tần không có giấy phép - Không phải trả phí cấp phép phổ tần đắt tiền để triển khai mạng LoRaWAN.
• Định vị địa lý- Mạng LoRaWAN có thể xác định vị trí của các thiết bị đầu cuối bằng phép đo tam giác mà không cần GPS. Một thiết bị đầu cuối LoRa có thể được định vị nếu có ít nhất ba cổng nhận tín hiệu của nó.
• Dung lượng cao - Máy chủ mạng LoRaWAN xử lý hàng triệu tin nhắn từ hàng nghìn cổng.
• Triển khai công khai và riêng tư - Dễ dàng triển khai mạng LoRaWAN công cộng và riêng tư bằng cách sử dụng cùng một phần cứng (cổng, thiết bị đầu cuối, ăng-ten) và phần mềm (bộ chuyển tiếp gói UDP, phần mềm basic station, ngăn xếp LoRaWAN cho thiết bị đầu cuối).
• Bảo mật đầu cuối- LoRaWAN đảm bảo liên lạc an toàn giữa thiết bị cuối và máy chủ ứng dụng bằng mã hóa AES-128.
• Cập nhật chương trình cơ sở qua mạng - Có thể cập nhật chương trình cơ sở từ xa (ứng dụng và ngăn xếp LoRaWAN) cho một thiết bị đầu cuối hoặc một nhóm thiết bị đầu cuối.
• Chuyển vùng- Các thiết bị đầu cuối LoRaWAN có thể thực hiện chuyển giao liền mạch từ mạng này sang mạng khác.
• Chi phí thấp - Cơ sở hạ tầng tối thiểu, nút cuối chi phí thấp và phần mềm nguồn mở.
• Chương trình chứng nhận- Chương trình chứng nhận của Liên minh LoRa chứng nhận các thiết bị cuối và mang đến cho người dùng cuối sự tin tưởng các thiết bị này đáng tin cậy và tuân thủ thông số kỹ thuật của LoRaWAN.
• Hệ sinh thái- LoRaWAN có một hệ sinh thái rất lớn bao gồm các nhà sản xuất thiết bị, nhà sản xuất cổng, nhà sản xuất ăng-ten, nhà cung cấp dịch vụ mạng và nhà phát triển ứng dụng.

Ứng dụng thường thấy của công nghệ LoRaWAN

• Giám sát dây chuyền lạnh vắc xin - Cảm biến LoRaWAN được sử dụng để đảm bảo vắc xin được giữ ở nhiệt độ thích hợp trong quá trình vận chuyển.
• Bảo tồn động vật - Cảm biến theo dõi quản lý các loài có nguy cơ tuyệt chủng như Tê giác đen và Báo hoa mai Amur.
• Bệnh nhân sa sút trí tuệ - Cảm biến dây đeo cổ tay giúp phát hiện cú ngã và theo dõi thuốc.
• Trang trại thông minh- Thông tin chi tiết theo thời gian thực về độ ẩm đất trồng trọt và lịch tưới tối ưu giúp giảm lượng nước sử dụng tới 30%.
• Tiết kiệm nước- Xác định và sửa chữa nhanh hơn các điểm rò rỉ trong mạng lưới cấp nước của thành phố.
• An toàn thực phẩm- Giám sát nhiệt độ đảm bảo duy trì chất lượng thực phẩm.
• Thùng rác thông minh - Cảnh báo mức thùng rác gửi đến nhân viên tối ưu hóa lịch thu gom.
• Xe đạp thông minh- Trình theo dõi xe đạp theo dõi xe đạp ở những vùng sâu vùng xa và các tòa nhà đông đúc.
• Theo dõi sân bay - Theo dõi không cần GPS giám sát phương tiện, nhân sự và hành lý.
• Không gian làm việc hiệu quả - Giám sát công suất phòng, nhiệt độ, mức sử dụng năng lượng và chỗ đỗ xe.
• Sức khỏe gia súc - Cảm biến theo dõi sức khỏe gia súc, phát hiện dịch bệnh và dự báo thời gian sinh bê.
• LoRa trong không gian - Vệ tinh cung cấp vùng phủ sóng dựa trên LoRaWAN trên toàn thế giới.

Tài liệu tham khảo

[1] S. Wilson, [Online], “The future of 3g: the case for decommissioning,” Available: http://www.analysysmason.com/3G-decommission-Oct2015, Accessed on 01.02.2018.

[2] A. Lavric, V. Popa, „A LoRaWAN: Long Range Wide Area Networks Study”, 11^th International Conference on Electromechanical and Power Systems, pp. 435-438, 2017.

[3] B. C. Fargas, and M. N. Petersen, "GPS-free Geolocation using LoRa in Low-Power WANs," Global IoT Summit, pp. 1-6, 2017.

TS. Hồ Đức Chung