Công nghệ LoRa và Công nghệ LoRaWAN

Công nghệ LoRa là gì?

LoRa là gì? LoRa là viết tắt của long-range là một công nghệ điều chế RF cho mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN) có khả năng truyền dữ liệu lên đến 5km ở khu vực đô thị và 10-15km ở khu vực nông thôn. Đặc điểm của công nghệ Lora là yêu cầu điện năng cực thấp, cho phép tạo ra các thiết bị hoạt động bằng pin với thời gian lên tới 10 năm.

Điều chế vô tuyến trong LoRa

Sử dụng một kỹ thuật điều chế trải phổ độc quyền có nguồn gốc từ công nghệ Chirp Spread Spectrum (CSS), LoRa cung cấp sự cân bằng giữa độ nhạy thu với tốc độ dữ liệu, hoạt động trong kênh băng thông cố định 125 KHz hoặc 500 KHz (đối với kênh uplink), và 500 KHz (cho các kênh downlink). Ngoài ra, LoRa sử dụng các hệ số lan truyền trực giao, cho phép duy trì tuổi thọ pin của các nút cuối bằng cách tối ưu hóa mức công suất và tốc độ dữ liệu.

LoRa nằm hoàn toàn ở lớp vật lý trong mô hình OSI, tuy nhiên thay vì đi cáp, không khí được sử dụng như một phương tiện để vận chuyển sóng vô tuyến từ một bộ phát RF trong thiết bị IoT đến bộ thu RF trong gateway và ngược lại.

LoRa Chirp Spread Spectrum (CSS) của Semtech cung cấp giải pháp thay thế cho công nghệ điều chế truyền thống DSSS với chi phí và công suất thấp những vẫn rất mạnh mẽ. Trong điều chế LoRa, sự trải rộng phổ của tín hiệu đạt được bằng cách tạo ra một tín hiệu chirp thay đổi liên tục về tần số.

Công nghệ LoRaWAN

LoRaWAN là một giao thức mạng mở cung cấp các kết nối giữa các cổng LPWAN với các thiết bị IoT ở nút cuối được tiêu chuẩn hóa và duy trì bởi LoRa Alliance. LoRaWAN cũng chịu trách nhiệm quản lý tần số giao tiếp, tốc độ dữ liệu và năng lượng cho tất cả các thiết bị trong mạng.

Hình dưới đây cho chúng ta một ví dụ điển hình về việc triển khai mạng LoRaWan từ đầu tới cuối:

Các thành phần của mạng LoRaWAN bao gồm:

– End Devices (thiết bị cuối) hỗ trợ LoRaWAN: là một cảm biến hoặc thiết bị truyền động được kết nối không dây với mạng LoRaWAN thông qua các gateway sử dụng công nghệ điều chế LoRa. Các thiết bị này phần lớn hoạt động bằng pin và thực hiện các chức năng số hóa các thông tin vật lý hoặc môi trường như: chiếu sáng đường phố, khóa cửa, ngắt van nước, ngăn rò rỉ…

Tham khảo thêm : Giải pháp mạng không dây Hybrid Wifi Mesh

– Gateway LoRaWAN (cổng LoRaWAN) : nhận các dữ liệu RF được điều chế LoRa từ các thiết bị cuối và chuyển tiếp dữ liệu này đến máy chủ ở mạng LoRaWAN. Các cảm biến được kết nối với gateway thông qua mạng IP backbone, đặc biệt cùng một cảm biến có thể gửi dữ liệu đến nhiều gateway miễn là có kết nối giữa chúng. Điều này làm giảm đáng kể khả năng lỗi gói (vì khả năng ít nhất một gateway sẽ nhận được thông báo là rất cao) đồng thời cũng giảm chi phí pin cho các cảm biến di động có tính năng xác định vị trí.

– Network server (máy chủ mạng): quản lý toàn bộ hệ thống mạng, các thông số thích hợp để điều chỉnh hệ thống và thiết lập kết nối AES 128-bit an toàn để truyền tải và kiểm soát dữ liệu. Máy chủ mạng đảm bảo tính xác thực của mọi cảm biến trên mạng và tính toàn vẹn của các thông báo, tuy nhiên lại không thể nhìn thấy hoặc truy cập vào dữ liệu ứng dụng.

– Application servers (máy chủ ứng dụng): chịu trách nhiệm xử lý, quản lý và diễn giải dữ liệu nhận được từ các cảm biến một cách an toàn, đồng thời tạo ra một downlink payloads tới các thiết bị đầu cuối.

– Join Server: quản lý quá trình kích hoạt cho các end devices được thêm vào mạng. Join Serve chứa thông tin cần thiết để xử lý các yêu cầu tham gia vào mạng, báo hiệu cho network server và application servers nào sẽ được kết nối với thiết bị đầu cuối và thực hiện mã hóa các phiên ứng dụng, mạng.

Ưu điểm và nhược điểm của LoRaWAN

Ưu điểm của LoRaWAN

• Cảm biến công suất thấp và vùng phủ sóng rộng được đo bằng km
• Hoạt động trên tần số miễn phí (không có license), không có chi phí cấp phép trả trước để sử dụng công nghệ
• Công suất thấp có nghĩa là tuổi thọ pin dài cho các thiết bị. Pin cảm biến có thể tồn tại trong 2 năm5 năm (Lớp A và Lớp B)
• Thiết bị gateway LoRa đơn được thiết kế để chăm sóc hàng ngàn thiết bị đầu cuối hoặc node
• Nó dễ dàng để triển khai do kiến ​​trúc đơn giản của nó
• Nó được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng M2M / IoT
• Kích thước tải trọng tốt hơn (100 byte), so với SigFox là 12 byte
• Mở: một liên minh mở và một tiêu chuẩn mở. Công nghệ mở so với đối thủ SigFox
• Không giới hạn số lượng tin nhắn hàng ngày tối đa (so với giới hạn SigFox là 140 / ngày)
• LoRaWAN có lợi ích là liên minh với cách tiếp cận mở thay vì độc quyền (SigFox).
• Tầm xa cho phép các giải pháp như ứng dụng thành phố thông minh.
• Băng thông thấp làm cho nó lý tưởng cho việc triển khai IoT thực tế với ít dữ liệu hơn và / hoặc với việc truyền dữ liệu không đổi.
• Chi phí kết nối thấp.
• Không dây, dễ cài đặt và triển khai nhanh.
• Bảo mật: một lớp bảo mật cho mạng và một lớp cho ứng dụng có mã hóa AES.
• Giao tiếp hai chiều đầy đủ.
• Được hỗ trợ bởi những người như CISCO, IBM và 500 công ty thành viên khác của Liên minh LoRa.

Nhược điểm của LoRaWAN

• Không dành cho tải trọng dữ liệu lớn, tải trọng giới hạn ở 100 byte.
• Không cho giám sát liên tục (trừ các thiết bị Class C).
• Không phải là ứng cử viên lý tưởng cho các ứng dụng thời gian thực đòi hỏi độ trễ thấp hơn và yêu cầu thiết bị ràng buộc.
• Tăng cường mạng lưới LoRaWAN: Sự phát triển của các công nghệ LPWAN, và đặc biệt là LoRaWAN, đặt ra những thách thức cùng tồn tại khi việc triển khai các gateway vào khu vực đô thị.
• Nhược điểm của tần số mở là bạn có thể bị nhiễu tần số đó và tốc độ dữ liệu có thể thấp. (Đối với GSM hoặc tần số được cấp phép, bạn có thể truyền trên tần số đó mà không bị nhiễu. Các nhà khai thác GSM sử dụng tần số nhất định phải trả phí cấp phép lớn cho chính phủ để sử dụng các tần số đó. LoRa hoạt động trên các tần số mở và không cần trạng thái license.)

The LoRa Alliance

Với hơn 500 công ty thành viên, Liên minh LoRa (LoRa Alliance) là một trong những liên minh công nghệ phát triển nhanh nhất. LoRa Alliance cam kết tiêu chuẩn hóa các mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN), cung cấp thông số kỹ thuật cho các mạng LoRaWAN miễn phí được chứng nhận.

LoRa Alliance cũng cung cấp công cụ kiểm tra chứng nhận, để giúp các nhà sản xuất đảm bảo rằng thiết bị của họ hoàn toàn tương thích với LoRaWAN.