LPWAN là gì?

Internet vạn vật (Internet of Things – IoT) hay IoT công nghiệp (Industry IoT – IIoT) là những từ khóa nổi bật nhất trong các ứng dụng công nghệ thông tin – viễn thông. Các công nghệ không dây chiếm một tỉ lệ lớn trong truyền tải dữ liệu IoT lên Internet. Các công nghệ không dây cũng được phát triển để phù hợp với các nhóm ứng dụng IoT khác nhau. LPWAN (Low-Power Wide Area Network) – Mạng diện rộng năng lượng thấp là một trong xu hướng tất yếu không thể thiếu trong các ứng dụng IoT tương lai.

LPWAN là gì?

LPWA là viết tắt của Low Power Wide Area Network, tạm dịch sang tiếng Việt là Mạng diện rộng công suất thấp. Nó không đề cập đến bất kỳ một công nghệ cụ thể nào, mà là một thuật ngữ chung cho bất kỳ mạng nào được thiết kế để giao tiếp không dây với công suất thấp hơn các mạng khác như mạng di động, vệ tinh hoặc WiFi.

LPWAN có 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.

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 như các cảm biến, đồng hồ thông minh (đồng hồ nước, đồng hộ điện) là một phần trong IoT. 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.

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 M2M (Machine to Machine) 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.

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 công nghệ LPWAN

LoRaWAN

LoRaWAN viết tắt của Low-Power Long Range Wide Area Network, tạm dịch sang tiếng Việt là “Mạng diện rộng công suất thấp dải rộng”.

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 865 đến 867 MHz, 920 đến 923 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.

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.

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. Không giống như các giao thức mở, cách duy nhất để có và sử dụng Sigfox là thông qua công ty.

RPMA

Với một phạm vi kết nối khoảng 3-6,5 dặm (phi line-of-sight), Ingenu cung cấp một công nghệ mà họ gọi là Random Phase Multiple Access (RPMA). Phạm vi phủ sóng rộng lớn này cho phép công ty bao phủ khu vực Dallas / Fort Worth chỉ với 17 tháp mạng. Theo công ty RPMA có thể xuyên qua bê tông và thậm chí kết nối với các thiết bị dưới lòng đất.

Công nghệ này hoạt động ở dải tần 2,4 GHz, có thể khiến nó bị nhiễu sóng từ các thiết bị khác sử dụng cùng dải tần như WiFi, Bluetooth và điện thoại không dây cũ hơn. Tuy nhiên, điểm thuận lợi là phổ tần 2,4 GHz được mở để sử dụng ở nhiều quốc gia khác nhau, điều này khiến cho loại tín hiệu vô tuyến này là loại tín hiệu vô tuyến duy nhất sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới.

Một thông cáo báo chí năm 2017, hãng tuyên bố công nghệ này hiện đã được áp dụng tại 29 quốc gia trên sáu lục địa khác nhau.

LTE-M

LTE-M là công nghệ dựa trên mạng di động 4G. Tiêu chuẩn này được ban hành bởi dự án “3rd Generation Partnership Project (3GPP)” trong bản thông số kỹ thuật “3GPP Release 13” của nó. Thông thường, các thiết bị di động không có năng lượng thấp, như bất kỳ ai phải sạc điện thoại di động liên tục đều biết. Để tạo ra tiêu hao năng lượng thấp “Low Power” đúng như định nghĩa về LPWA, các chip không dây 4G chuyên dụng này được thiết kế với Chế độ tiết kiệm năng lượng “Power Saving Mode”. Về cơ bản, con chip này thường bị tắt, chỉ thoát khỏi trạng thái này vào những khoảng thời gian định trước.

Ngoài ra, đây là loại chip bán song công (half-duplex) nên sử dụng ít năng lượng hơn ngay cả khi bật, nhưng chậm hơn nhiều so với kết nối 4G truyền thống. Tốc độ dữ liệu tối đa là khoảng 100 kbits/ s. Phiên bản LPWA này cung cấp kết nối năng lượng thấp, nhưng chỉ ở nơi bạn có thể nhận được kết nối LTE. Mối quan tâm về các công nghệ di động như thế này là xu hướng của các công nghệ như vậy sẽ bị các nhà cung cấp dịch vụ ngừng hoạt động nhanh hơn so với các thiết bị rời khỏi lĩnh vực này. Ví dụ: bất kỳ thiết bị nào dựa trên kết nối 2G không có khả năng hoạt động ở hầu hết mọi nơi ở Hoa Kỳ nơi các mạng đó đã được tắt và nâng cấp. Các công ty như IBM đang thiếu vắng lực lượng đặc nhiệm LTE-M làm việc với tiêu chuẩn này. Tuy nhiên, Nhóm đặc nhiệm LTE-M bao gồm nhiều nhà cung cấp dịch vụ di động trên thế giới, bao gồm bốn nhà mạng lớn của Hoa Kỳ — Verizon, AT&T, Sprint và T-Mobile — cũng như một số nhà sản xuất chip như Qualcomm.

NB-IoT

NB-IoT là viết tắt của “Narrowband Internet of Things”, tạm dịch sang tiếng Việt là “Internet vạn vật băng thông hẹp”. NB-IoT cũng xuất phát từ thông số kỹ thuật 3GPP Release 13 và đôi khi được gọi là CAT M2. Nó sử dụng điều chế DSSS modulation cho việc truyền thông. NB-IoT cung cấp tốc độ tải xuống (download Rate) cao nhất là 250 kbit / s và tốc độ đường lên (uplink rate) là 250 kbit / s với Multi-tone hoặc 20 kbit / s với Single Tone. Các thiết bị NB-IoT có thể có tuổi thọ pin 10 năm.

NB-IoT sử dụng một lớp vật lý (physical layer) và các tín hiệu (signal) mới. Nhờ đó, nó có thể cùng tồn tại với các thiết bị trên mạng 2G, 3G và 4G. Các nhà khai thác hiện đang triển khai mạng NB-IoT bao gồm China Mobile, China Telecom, Deutsche Telekom và những người khác.

Một bài báo gần đây cho thấy rằng tiêu chuẩn này có thể tạo ra một số động lực khi Ericsson ra mắt mạng NB-IoT ở Ấn Độ.

EC-GMS-IoT

Bên ngoài Hoa Kỳ, nhiều mạng di động sử dụng giao thức GSM. Tương tự như cách giao thức LTE-M sử dụng mạng LTE hiện tại theo cách tiêu hao ít điện năng, Giao thức phủ sóng mở rộng-Extended Coverage-GSM-IoT (EC-GSM-IoT) Protocol nhằm mục đích dựa trên các mạng GSM hiện có trên toàn thế giới. Nhiều trường hợp sử dụng có thể hỗ trợ tuổi thọ của pin lên đến 10 năm.

Là một giao thức dựa trên GSM, nó có thể cùng tồn tại với các mạng 2G, 3G và 4G.

Weightless

Weightless là một tiêu chuẩn mở hoạt động trong phổ tần số vô tuyến (spectrum) không được cấp phép. Điều này làm cho nó độc lập với cả nhà cung cấp dịch vụ và nhà cung cấp phần cứng, nhưng cũng khiến nó ít được phổ biến hơn. Có ba loại Weightless. Weightless-W sử dụng các tần số không được cấp phép giữa các tần số của đài truyền hình (TV station frequencies). Weightless-N sử dụng giao thức băng hẹp (Unlicensed Narrowband Protocol) không được cấp phép. Weightless-P sử dụng dải tần hẹp 12,5 kHz và cung cấp truyền thông hai chiều (bidirectional communications).

DASH7

Một đề xuất công nghệ LPWA thú vị từ Haystack Technologies, DASH7 được thiết kế để kết nối những thứ chuyển động. DASH7 sử dụng tần số 433 MHz. Điều này cho phép phạm vi từ 200 mét đến 2 km, tùy thuộc vào vị trí và các nhiễu khác. Trong khi tuổi thọ pin DASH7 được tính bằng năm cho hầu hết các trường hợp sử dụng, công ty này còn lưu ý rằng nó thậm chí có thể thu năng lượng từ pin mặt trời.

Để bảo mật, DASH7 hỗ trợ che giấu thiết bị để ẩn chúng khỏi máy quét, cũng như mật mã AES 128 với mã hóa khóa công khai.

Các công nghệ khác

Các công nghệ LPWA bổ sung đang trong các giai đoạn phát triển hoặc triển khai khác nhau. Có khả năng là nhiều công nghệ hơn sẽ tiếp tục phát triển cho đến khi một số người chơi thống trị xuất hiện hoặc các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn được hợp nhất. Một số công nghệ khác bao gồm:

GreeOFDM từ GreenWaves Technologies
Symphony Link từ Link Labs
ThingPark Wireless
WAVIOT

Ứng dụng mạng LPWA trong thực tế

Quản lý bãi đậu xe (Parking management)

Có rất nhiều ứng dụng trong lĩnh vực quản lý bãi đậu xe. Cảm biến ở trong hoặc gần điểm đỗ xe có thể báo cáo xem vị trí đó có bị chiếm dụng hay không. Dữ liệu sau đó có thể được sử dụng để cung cấp cho nhiều ứng dụng, bao gồm các biển báo cho biết có bao nhiêu điểm đỗ xe còn trống trên một tầng hầm đỗ xe. Hoặc trong các ứng dụng hiển thị nơi có đồng hồ đo cũng như giao diện cho biết một thành phố nơi ô tô đã đỗ quá lâu. Trong ứng dụng này, công suất thấp quan trọng hơn khoảng cách xa đối với mạng LPWAN. Không ai muốn nhận gánh nặng về chi phí thay pin trong hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn màn hình tại chỗ đỗ xe.

Theo dõi lưu lượng nước và đường ống (Water meters and pipelines)

Một đồng hồ áp suất đơn giản thông báo chỉ số hiện tại của nó có thể giúp xác định rò rỉ ngay cả trước khi nó được báo cáo. Đối với các đường ống mà trải dài trên nhiều dặm khả năng giao tiếp trên một khoảng cách dài mà không có một mạng lưới hiện có là rất quan trọng, và tuổi thọ pin cần phải được đo bằng năm. Trong một thành phố, cùng một tín hiệu cung cấp thông tin liên lạc đường dài trong môi trường nông thôn có thể cung cấp thông tin liên lạc dưới lòng đất, cho phép giám sát các đường ống được chôn bên dưới thành phố.

Pallet xếp hàng thông minh (Smart pallets)

Việc theo dõi các lô hàng thường yêu cầu hàng hóa được quét tại mọi thời điểm mà nó bị di chuyển. Giữa những thay đổi này, người ta chỉ đơn giản giả định rằng hàng hóa vẫn ở trong cùng một tòa nhà hoặc khi đang di chuyển, trong cùng một xe tải hoặc xe lửa. Với pallet thông minh, một lệnh ping có thể liên tục cập nhật không chỉ vị trí mà còn cả việc thùng hàng đã bị mở, bị rơi hay bị xử lý sai cách nào khác. LPWAN cần thiết cho cả việc liên lạc đường dài trong khi lô hàng đang di chuyển giữa các thành phố và cho thời lượng pin dài, bởi vì không ai muốn tìm và thay pin trên các pallet di chuyển thường xuyên.

Chiếu sáng đường phố và chiếu sáng đường cao tốc (Street lighting and highway lighting)

Ngoài kia có hàng vạn ngọn đèn chiếu sáng trên vỉa hè các khu phố, những ngã tư đông đúc, và những đoạn đường cao tốc vắng vẻ. Ngày nay, việc giám sát thường không bao gồm việc ai đó để ý và gọi điện thoại. Với LPWA, các đèn này có thể cho trung tâm chỉ huy trung tâm biết bóng đèn có hoạt động hay không hoặc đèn hiện đang sáng, có khả năng cho phép sử dụng năng lượng tốt hơn và tăng độ an toàn. Các ứng dụng khác bao gồm đồng hồ thông minh (gia đình và thương mại), cũng như nông nghiệp thông minh, cảm biến nhà máy và kho hàng.