Những điều bạn cần biết về LPWAN - Mạng diện rộng công suất thấp lý tưởng cho các mô hình IoT

Công nghệ LPWAN là gì? Công nghệ này có vai trò ra sao đối với mô hình IoT? internet of Things (IoT) đã là 1 khái niệm quá quen thuộc trong những năm gần đây, bao gồm một mô hình thông minh được xây dựng từ số lượng lớn các thiết bị kết nối với nhau để thu thập và trao đổi dữ liệu. Các giao thức mạng không dây hiện nay cho thiết bị IoT có thể kể đến như Bluetooth LE, Wifi, 802.15.4-based Zigbee gặp phải những hạn chế về khả năng truyền thông khoảng cách xa cùng khả năng tiết kiệm năng lượng. Và đó là lý do cho sự phát triển của công nghệ Low Power Wide Area Network (LPWAN) sắp được Việt Tuấn giới thiệu chi tiết trong bài viết ngay sau đây!

1. Tổng quan về công nghệ LPWAN

LPWAN hay Low Power Wide Area Network là tập hợp của các công nghệ không dây sở hữu những đặc điểm về: Khả năng phủ sóng rộng, băng thông truyền tải thấp, kích thước gói tin nhỏ và tuổi thọ hoạt động lâu dài.

LPWAN là các công nghệ được thiết kế để hỗ trợ cho việc truyền tải không dây cho sự phát triển của mô hình IoT. Low Power Wide Area Network cung cấp các kết nối công suất thấp với số lượng thiết bị lớn, phạm vi phủ sóng rộng lớn, năng lượng tiêu thụ thấp, khả năng truyền tải ổn định với khoảng cách xa tới hàng chục Km.

2. Sơ lược lịch sử LPWAN

LPWAN xuất hiện lần đầu vào những năm 1980-1990. Tuy nhiên, công nghệ này đã tạm thời bị gác sang 1 bên để nhường chỗ cho các công nghệ hiệu quả hơn ra đời. Cho đến những năm gần đây, LPWAN hiện đại mới có thể cạnh tranh với mạng di động.

Thuật ngữ Low Power Wide Area Network dịch ra tiếng Việt là “Diện rộng năng lượng thấp” đã được công bố vào năm 2013, định nghĩa cho một loại các công nghệ không dây được thiết kế để liên lạc giữa máy với máy (Machine-Machine - M2M). LPWAN đã được xác nhận là công nghệ không dây tối ưu được lựa chọn cho mô hình Internet of Things vào năm 2015, khi tổ chức 3GPP (3rd Generation Partnership Project) quyết định tiêu chuẩn hóa một số công nghệ không dây được sử dụng cho các xu hướng IoT đang phát triển mạnh mẽ.

Một số tiêu chuẩn được để xuất bởi 3GPP dựa trên cơ sở hạ tầng mạng di động có thể kể đến 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 hạ tầng mạng này đều sử dụng tần số truyền tải được cấp phép và được đề cập trong các tài liệu mạng 5G. Ngoài ra, mô hình mạng LPWAN cũng được đề xuất sử dụng các băng tần miễn cấp phép, ví dụ như: LoRaWAN, Sigfox, Ingenu... Vì vậy, với sự đa dạng của các tiêu chuẩn LPWAN, các chuyên gia CNTT sẽ có nhiều tùy chọn khi thiết kế cách thức hoạt động của Internet of Things.

Các tiêu chuẩn LPWAN nhìn chung sẽ được chia thành hai phiên bản: 

• Mạng di động hay mạng tế bào, sử dụng tần số truyền tải được cấp phép đối với mạng di động.
• Mạng không di động, sử dụng các dải tần số vô tuyến công nghiệp không cần cấp phép (ISM).

3. Ưu điểm của công nghệ LPWAN

LPWAN sở hữu những ưu điểm đáng kể đến như:

• Khoảng cách truyền tải xa hơn so với các công nghệ truyền phát không dây khác, đáp ứng yêu cầu của các hệ thống IoT quy mô rộng lớn. Ví dụ Smart City, Smart Home…
• Tiêu thụ điện năng thấp ở các thiết bị đầu cuối.
• Phạm vi phủ sóng trong khu vực rộng lớn.
• Không đòi hỏi quá nhiều hạ tầng trạm thu phát để cung cấp vùng phủ sóng tại một vùng nhất định. Thực tế cho thấy, trong điều kiện địa hình bằng phẳng, mật độ các tòa nhà thấp thì một trạm thu phát LPWAN đã có thể phủ sóng trên diện tích lên tới hơn 100 km2 và xử lý tối đa hàng nghìn thiết bị.
• Công suất tín hiệu vô tuyến cao trong khu vực đô thị khi sử dụng tần số sub-GHz.
• Chi phí để đầu tư, triển khai và bảo trì các hệ thống thiết bị LPWAN sẽ thấp hơn rất nhiều so với mạng di động hiện nay.

4. Các công nghệ LPWAN phổ biến hiện nay

Bạn đọc có thể tham khảo các công nghệ LPWAN thông dụng hiện nay:

4.1 LoRa – Long Range Radio

LoRa viết tắt của Long Range Radio - Công nghệ lớp vật lý được phát triển độc quyền bởi nhà sản xuất chất bán dẫn SemTech. LoRa sử dụng kĩ thuật điều chế trải phổ (Spread Spectrum), là một biến thể của Chip Spread Spectrum (CSS) với công nghệ tích hợp sửa lỗi FEC (Forward Error Correction).

LoRa sử dụng phổ tần số Sub-GHz, tuy nhiên tại mỗi quốc gia sẽ sử dụng phổ tần khác nhau. Ví dụ: Ở Châu Âu sẽ sử dụng tần số 868 MHz, tại Châu Mỹ là 915 MHz ở Châu Mỹ và ở Châu Á sẽ là 433 MHz. Công nghệ LoRa sử dụng kỹ thuật trải phổ để truyền tải dữ liệu đồng thời trên nhiều tần số khác nhau và ở các tốc độ khác nhau để các thiết bị Gateway có thể thích ứng với các điều kiện bất quy tắc và tối ưu hóa cách thức trao đổi dữ liệu tới từng từng thiết bị IoT trong mạng..

Tốc độ truyền tải dữ liệu được LoRa hỗ trợ nằm trong khoảng từ 300bps đến 50kbps tùy thuộc vào hệ số trải phổ (Spreading Factor) và băng thông (Bandwidth), độ dài gói tin tối đa là 243 byte để đảm bảo hiệu quả khi truyền thông hai chiều. 

Tìm hiểu thêm: Gateway là gì? Chức năng, phân loại, cách hoạt động của Gateway

4.2 Sigfox

Công nghệ LPWAN Sigfox xuất hiện lần đầu tiên tại Pháp vào năm 2009 và được đi vào hoạt động trong phạm vi rộng từ năm 2012. Giống như LoRaWAN, Sigfox hoạt động ở phổ tần số Sub-GHz và sử dụng công nghệ UNB (Ultra-Narrowband – Băng tần hẹp). 

Điều này cho phép Sigfox sử dụng băng thông truyền tải hiệu quả cao hơn với tỉ số tín hiệu/nhiễu thấp cùng phương pháp điều chế băng tần hẹp (Ultra narrow band modulation) để đạt được tầm phủ sóng xa hơn, có thể lên tới 10km tại khu vực thành thị và 50km tại các khu vực nông thôn.

Toàn bộ thành phố có thể được bao phủ với một trạm thu phát duy nhất của Sigfox. Tuy nhiên, tốc độ truyền tải dữ liệu khá thấp và bạn sẽ bị giới hạn dung lượng của 150 gói tin 12 byte uplink và 4 gói tin 8 byte downlink trong 1 ngày.

Các trạm thu phát có thể nhận gói tin đồng thời trên tất cả các kênh có sẵn. Vì vậy, thiết bị đầu cuối IoT có thể lựa chọn ngẫu nhiên một kênh tần số để truyền gói tin. Qua đó, giúp đơn giản hóa việc triển khai và chi phí thiết kế của thiết bị đầu cuối.

4.3 NB-IoT

NB-IoT hay NarrowBand – IoT cũng là một công nghệ IoT được tổ chức 3GPP đưa ra vào thử nghiệm năm 2016 trong phiên bản Release 13 (LTE Advanced Pro). NB-IoT có thể được triển khai trên hầu hết các dải tần số tương tự như mạng di động 2G/3G/4G, bao gồm: B20 (800 MHz), B8 (900 MHz), B3 (1800 MHz). 

Mô hình NB-IoT sẽ có 3 tùy chọn để triển khai mạng:

• NB-IoT In Band: Phổ tần số hoạt động sẽ nằm trong khoảng tần số bảo vệ của mạng LTE. NB-IoT Guard Band sử dụng phổ tần số riêng. 
• Cuối cùng là Standalone.

NB-IoT có thể xử lý tối đa 100 nghìn kết nối trên mỗi trạm thu phát. Pin năng lượng của thiết bị đầu cuối được kết nối với NB-IoT có thể hoạt động lên tới 10 năm liên tục mà không cần phải sạc lại. Ngoài ra, NB-IoT cũng có thể cung cấp vùng phủ sóng rộng có thể đạt độ lợi 20 dB trong mạng GSM.

Đọc thêm: LTE là gì? Mạng LTE và mạng 4G có phải là một?

4.4 LTE-M 

LTE-M là 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 có thể kết nối không dây trực tiếp với hạ tầng mạng 4G-LTE hiện có. Vì vậy, giảm tối đa chi phí đầu tư hạ tầng thiết bị một cách hiệu quả.

5. Tổng kết

Trên đây là những thông tin bạn đọc cần biết về các công nghệ LPWAN phổ biến hiện nay. Trong kỷ nguyên công nghệ 4.0, các mô hình IoT đã và đang được triển khai rộng rãi trên toàn cầu, đòi hỏi hạ tầng, giao thức mạng có sự tối ưu cả về hiệu suất truyền tải, chi phí đầu tư, sự linh hoạt để đạt hiệu quả cao nhất. Và chắc chắn rằng, trong tương lại chúng ta sẽ có thêm rất nhiều công nghệ nâng cấp IoT khác. Bạn đọc đừng quên theo dõi các bài viết mới nhất tại website Viettuans.vn, hứa hẹn sẽ có rất nhiều chủ đề hấp dẫn đang chờ đón bạn!