LPWAN hoặc LPN, tên đầy đủ của Mạng diện rộng công suất thấp hoặc Mạng công suất thấp, đề cập đến mạng không dây. Mạng không dây này nhấn mạnh mức tiêu thụ điện năng thấp và khoảng cách xa, và thường được sử dụng cho mạng nút cảm biến chạy bằng pin. Do đặc điểm tiêu thụ điện năng thấp và tốc độ thấp, mạng này khác biệt với các mạng không dây khác (như WiFi, Bluetooth, v.v.) được sử dụng cho công việc và chia sẻ dữ liệu cá nhân.
Trong ứng dụng, LPWAN có thể sử dụng bộ tập trung để tạo thành mạng riêng hoặc sử dụng cổng để kết nối với mạng công cộng.
Vì LPWAN có tên tương tự với LoRaWAN, cùng với sự nổi lên gần đây của LoRaWAN trong lĩnh vực IoT, nhiều người nhầm lẫn về hai khái niệm này. Trên thực tế, LoRaWAN chỉ là một loại LPWAN và có một số công nghệ tương tự cạnh tranh với LoRaWAN.
LPWAN là gì?
Internet of Things đề cập đến một mạng lưới hàng tỷ thiết bị trên khắp thế giới được kết nối với Internet. Các thiết bị IoT phổ biến bao gồm thiết bị đeo được và thiết bị nhà thông minh. Những loại ứng dụng này về cơ bản đạt được một số tiện lợi với một số quyền riêng tư. Trong lĩnh vực công nghiệp, lợi thế của Internet of Things là vô cùng đáng kể. Nó không chỉ có thể cải thiện năng suất, giảm chi phí và giảm tiêu thụ năng lượng mà còn cho phép máy móc đọc một lượng lớn dữ liệu và thực hiện các hành động tương ứng. Bằng cách phân tích dữ liệu được tạo ra bởi tất cả các thiết bị IoT của bạn, bạn có thể tăng năng suất của mình hoặc cung cấp dịch vụ tốt hơn cho khách hàng của mình. Các loại dịch vụ mới có thể được cung cấp và mở rộng khi bạn hiểu sâu hơn về khách hàng của mình.
LPWAN là công nghệ đáp ứng cả nhu cầu về phạm vi phủ sóng và tuổi thọ pin. Nó cung cấp phạm vi dài nhất với mức tiêu thụ điện năng rất ít và tốc độ dữ liệu chỉ giảm nhẹ.
Nhiều ứng dụng thành phố thông minh và tiện ích thông minh, chẳng hạn như đèn đường thông minh, cảm biến độ ẩm, đo sáng thông minh và bãi đậu xe thông minh, không yêu cầu tốc độ dữ liệu cao, nhưng yêu cầu phạm vi phủ sóng rất rộng. Đây là lúc LPWAN có thể có ích.
Mối quan hệ giữa LoraWAN và Lora
Cũng vì tên gọi giống nhau nên nhiều người nhầm lẫn giữa hai khái niệm LoRaWAN và LoRa. Trên thực tế, LoRaWAN đề cập đến giao thức mạng của lớp MAC. Và LoRa chỉ là một giao thức lớp vật lý. Mặc dù mạng LoRaWAN hiện tại về cơ bản sử dụng LoRa làm lớp vật lý, giao thức LoRaWAN cũng liệt kê rằng GFSK cũng có thể được sử dụng làm lớp vật lý trong các dải tần số nhất định. Từ góc độ phân lớp mạng, LoRaWAN có thể sử dụng bất kỳ giao thức lớp vật lý nào và LoRa cũng có thể được sử dụng như lớp vật lý của các công nghệ mạng khác. Thực tế có một số công nghệ cạnh tranh với LoRaWAN cũng sử dụng LoRa ở lớp vật lý.
Phân lớp mạng LoraWAN (lớp vật lý sử dụng Lora, nhưng cần lưu ý rằng lớp vật lý độc lập với lớp MAC. Đối với dải tần không dây, dải tần ISM được sử dụng, nhưng theo quan điểm kỹ thuật, bất kỳ dải tần số nào khác cũng có thể được sử dụng).
Các công nghệ cạnh tranh chính của LoraWAN
Có một số công nghệ LPWAN trên thị trường cũng sử dụng LoRa làm lớp vật lý, chẳng hạn như aiCast của AISenz Inc. aiCast hỗ trợ unicast, multicast và multicast, phức tạp và hoàn thiện hơn LoRaWAN. Do đó, nhiều ứng dụng không khả thi trong LoRaWAN có thể được thực hiện.
Sigfox sử dụng BPSK tốc độ chậm (300bps) và có một số trường hợp ứng dụng hứa hẹn hơn.
NB-IoT (Narrow Band-IoT) là mạng IoT dựa trên công nghệ truyền thông di động hiện có trong ngành viễn thông. Nó được đặc trưng bởi việc sử dụng các băng tần và phần cứng truyền thông di động hiện có. Dù là kinh doanh viễn thông hay kinh doanh phần cứng, họ đều rất tâm huyết với công nghệ này.
- Công nghệ cốt lõi của LoRaWAN là LoRa. LoRa là công nghệ điều chế độc quyền của Semtech (được mua lại từ CycleoSAS vào năm 2012). Để tạo điều kiện thuận lợi cho độc giả chưa quen với công nghệ truyền thông số, hai công nghệ điều chế phổ biến là FSK và OOK được giới thiệu trước tiên. Hai phương pháp điều chế này được chọn vì:
Hai phương pháp này là phương pháp điều chế giao tiếp kỹ thuật số đơn giản nhất, cơ bản nhất và phổ biến nhất - Nó được hỗ trợ cùng lúc với LoRa trên chip SX127x của Semtech, đặc biệt FSK thường được dùng để so sánh hiệu năng với LoRa.
So sánh công nghệ LPWAN
Bởi vì mạng di động đắt tiền, ngốn điện và yêu cầu phần cứng và dịch vụ đắt tiền, nhiều nhà cung cấp mạng đã chuyển sang phổ không được cấp phép (chẳng hạn như LoRa, SIGFOX và Telensa) để phát triển mạng không dây của họ. Các nhà cung cấp này phát triển các trạm gốc chi phí thấp của riêng họ cho các ứng dụng như cơ sở hạ tầng quan trọng và nông nghiệp. Chúng bắt đầu với một vùng phủ sóng nhỏ, dần dần mở rộng phạm vi phủ sóng của cơ sở hạ tầng ra toàn quốc hoặc khu vực, và cuối cùng là kết nối với đám mây thông qua liên kết di động.
Mặt khác, các công nghệ LPWAN được cấp phép như 3GPP NB-IoT hoặc LTE Cat-M1 hỗ trợ cập nhật phần mềm cho cơ sở hạ tầng di động hiện có, chẳng hạn như nâng cấp các trạm gốc LTE và GSM hiện có. Bằng cách tái sử dụng phổ 3G hoặc 4G hiện có, họ có thể nhanh chóng đạt được vùng phủ sóng và triển khai trong nước và quốc tế. Những công nghệ này hỗ trợ các ứng dụng dựa trên phạm vi bao phủ rộng, chẳng hạn như theo dõi phương tiện, theo dõi vật nuôi và hậu cần. Khi công nghệ phát triển, họ tiếp tục phát triển các tiêu chuẩn mạnh mẽ hơn để mở rộng dịch vụ sang các lĩnh vực khác, chẳng hạn như truyền thông di động, chuyển vùng, bảo mật và xác thực.
Các công nghệ LPWAN được cấp phép và không được cấp phép có một số điểm chung: cả hai đều có ngân sách liên kết cao và thời lượng pin dài. Sự khác biệt chính giữa hai công nghệ này là hệ sinh thái xung quanh các công nghệ này.
SIGFOX là một hệ sinh thái gồm nhiều nhà cung cấp chip có sản phẩm sử dụng băng tần dưới GHz và Sigfox quản lý các giao thức và chứng chỉ. Công ty cung cấp các gói rất nhỏ (12 byte) và chi phí cài đặt rất thấp, và là một trong những nhà cung cấp LPWAN đầu tiên.
LoRa là một công nghệ độc quyền có chip được cung cấp bởi Semtech. LoRaWAN là một giao thức được xây dựng trên công nghệ LoRa do Liên minh LoRa phát triển và chứng nhận. LoRaWAN chủ yếu là một giao thức lớp kiểm soát truy cập phương tiện (MAC) cung cấp tính linh hoạt cao cho các ứng dụng, nhưng cũng đặt ra một thách thức lớn đối với các kỹ sư phát triển các giải pháp hoàn chỉnh.
NB-IoT, LTE Cat-M1 và EC-GPRS là tất cả các tiêu chuẩn IoT di động sử dụng hệ sinh thái chip hoặc thiết bị đa nhà cung cấp từ nhiều nhà sản xuất. Giống như các định dạng di động khác, chứng nhận của nó được quản lý bởi GCF/ PTCRB. Bạn có thể hỗ trợ các công nghệ mới này bằng cách chỉ cần nâng cấp phần mềm được sử dụng bởi cơ sở hạ tầng di động hiện có của bạn. Mặc dù chúng ra đời muộn hơn một vài năm so với các công nghệ không có giấy phép, nhưng chúng đã được các doanh nghiệp trong nước và quốc tế áp dụng rộng rãi kể từ khi phát hành để hỗ trợ các ứng dụng yêu cầu độ phủ lớn, chẳng hạn như theo dõi phương tiện, hậu cần và theo dõi tài sản.
LTE Cat-M1 là bản sửa đổi của công nghệ LTE do 3GPP phát hành và là phiên bản đơn giản hóa của công nghệ hiện có. Nó sử dụng chipset đơn giản hơn, rẻ hơn và có thể cung cấp tốc độ dữ liệu nhanh hơn so với các công nghệ LPWAN khác. LTE Cat-M1 cũng được hỗ trợ thông qua các bản cập nhật phần mềm cho cơ sở hạ tầng LTE hiện có. Cat-M1 ban đầu được triển khai tại Hoa Kỳ.
NB-IoT là công nghệ mới do 3GPP phát hành có thể được hỗ trợ thông qua bản cập nhật phần mềm lên LTE hoặc cơ sở hạ tầng RAN hiện có. So với các công nghệ khác, ưu điểm là chi phí thiết bị tương đối thấp và ngân sách liên kết tốt. NB-IoT ban đầu được triển khai chủ yếu ở Châu Á hoặc Châu Âu.
EC-GPRS là phiên bản cải tiến của GPRS có thể được hỗ trợ với bản cập nhật phần mềm cho cơ sở hạ tầng GSM hiện có. Thông qua chuyển tiếp tín hiệu hoặc truyền lại, nó có thể đạt được ngân sách liên kết tốt hơn GPRS.
Các định dạng LPWAN khác bao gồm Telensa, Ingenu và Weightless. Telensa là thiết bị do một nhà cung cấp sử dụng chip từ nhiều nhà sản xuất và hoạt động ở băng tần phụ GHz. Nhà sản xuất tích hợp theo chiều dọc chủ yếu tập trung vào kinh doanh đèn đường thông minh và đang bắt đầu bước vào không gian cảm biến đỗ xe. Telensa đã được triển khai rộng rãi trong các ứng dụng chiếu sáng đường phố ở Anh, Mỹ và Châu Á. Ingenu dựa trên công nghệ RPMA độc quyền của mình và hoạt động ở dải tần 2,4 GHz không được cấp phép. Weightless có ba thiết kế không dây khác nhau và được quản lý bởi Weightless Special Interest Group (SIG).
Yêu cầu và thách thức của LPWAN
Các công nghệ LPWAN có đủ hình dạng và kích cỡ, nhưng chúng đều có chung một số đặc điểm để đáp ứng các yêu cầu của các ứng dụng IoT.
- Độ tin cậy: Cung cấp 10 năm hoạt động trở lên mà không cần sự can thiệp của con người, tự phục hồi sau khi gián đoạn dịch vụ IoT
- Mật độ cao: hỗ trợ một số lượng lớn các thiết bị được kết nối
- Chi phí thấp: các mô-đun có giá dưới $ 5 mỗi mô-đun
- Tuổi thọ pin tuyệt vời: Tuổi thọ hơn 10 năm, thường là vài tin nhắn mỗi ngày, mỗi tin nhắn chứa hàng chục byte để kéo dài tuổi thọ pin
- Mức độ phủ sóng tối đa: Bao phủ các khu vực khó tiếp cận hoặc vùng sâu vùng xa
Đáp ứng những yêu cầu này là một thách thức đối với các nhà cung cấp thiết bị IoT.
Các tính năng của LPWAN:
- Giao tiếp hai chiều, có phản hồi
- Cấu trúc liên kết hình sao (nói chung, cả bộ lặp và mạng Mesh đều không được sử dụng để đơn giản hóa)
- Tốc độ dữ liệu thấp
- Chi phí thấp
- Tuổi thọ pin rất dài
- Khoảng cách liên lạc dài
Các ứng dụng thích hợp cho LPWAN:
- IoT, M2M
- Tự động hóa công nghiệp
- Ứng dụng tiêu thụ điện năng thấp
- Cảm biến chạy bằng pin
- Thành phố thông minh, Nông nghiệp thông minh, Đọc đồng hồ, Điều khiển đèn đường, v.v.
