LoRa: Công nghệ kết nối không dây tầm xa cho thời đại IoT

Trong thế giới Internet of Things (IoT) đang phát triển nhanh chóng, việc kết nối các thiết bị hiệu quả là một thách thức. Điều này càng khó khăn hơn ở những khu vực xa xôi hoặc khó tiếp cận. LoRa, viết tắt của “long range” (tầm xa), nổi lên như một giải pháp đột phá. Công nghệ này cung cấp khả năng liên lạc không dây tầm xa với mức tiêu thụ điện năng thấp. Nhờ đó, LoRa đáp ứng tốt các yêu cầu cốt lõi của IoT.

Xem thêm: Zigbee: Chuẩn Giao Tiếp Không Dây Thông Minh Cho Kỷ Nguyên IoT

LoRa là gì?

LoRa là một kỹ thuật truyền thông vô tuyến độc quyền, dựa trên điều chế trải phổ (spread spectrum). Nó bắt nguồn từ công nghệ chirp spread spectrum (CSS). Kỹ thuật này được phát triển bởi Cycleo, một công ty có trụ sở tại Grenoble, Pháp, và được cấp bằng sáng chế vào năm 2014. Tháng 3 năm 2012, Cycleo được Semtech, một công ty của Mỹ, mua lại.

Bản thân LoRa tập trung vào lớp vật lý (physical layer), chịu trách nhiệm cho liên kết truyền thông tầm xa. Các lớp mạng cao hơn được định nghĩa bởi LoRaWAN (long range wide area network).

LoRaWAN: Kiến trúc mạng cho IoT

LoRaWAN là tiêu chuẩn chính thức của Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU). Mã định danh của nó là ITU-T Y.4480. LoRaWAN, cùng với LoRa, định nghĩa giao thức mạng diện rộng công suất thấp (LPWA). Giao thức này giúp kết nối không dây các thiết bị dùng pin với Internet. Mạng lưới có thể là khu vực, quốc gia hoặc toàn cầu. LoRaWAN nhắm đến các yêu cầu cốt lõi của IoT. Bao gồm giao tiếp hai chiều, bảo mật đầu cuối, di động và dịch vụ định vị.

Điểm khác biệt của LoRaWAN so với mạng WAN không dây truyền thống là ở mức tiêu thụ điện năng thấp, tốc độ bit thấp và mục đích sử dụng cho IoT, thay vì kết nối người dùng hoặc doanh nghiệp với lượng dữ liệu lớn hơn. Tốc độ dữ liệu LoRaWAN dao động từ 0.3 kbit/s đến 50 kbit/s mỗi kênh.

Các tính năng nổi bật của LoRa và LoRaWAN

Tầm xa: LoRa cho phép truyền dẫn tầm xa với mức tiêu thụ điện năng thấp. Phạm vi vật lý của một mô-đun LoRa có thể lên tới 330 km (210 dặm) trong điều kiện hoàn hảo. Con số này là khoảng 10 km (6.2 dặm) trong điều kiện thực tế. Cổng phát triển LoRa chỉ ra rằng phạm vi có thể lên đến 4.8 km (3 dặm) ở khu vực đô thị. Ở nông thôn (tầm nhìn thẳng), phạm vi có thể lên tới 16 km (10 dặm) hoặc hơn.
Tiêu thụ điện năng thấp: Đây là đặc điểm quan trọng cho các thiết bị IoT chạy bằng pin. Nó giúp chúng hoạt động trong thời gian dài mà không cần thay pin thường xuyên.
Băng tần miễn phí: LoRa sử dụng các băng tần vô tuyến sub-gigahertz không cần giấy phép. Các băng tần này bao gồm EU433 hoặc EU868 ở Châu Âu; AU915/AS923-1 ở Nam Mỹ; US915 ở Bắc Mỹ; IN865 ở Ấn Độ; và AS923 ở Châu Á.
Khả năng định vị địa lý: Các thiết bị LoRa có thể định vị địa lý. Chúng làm điều này thông qua dấu thời gian từ các cổng.
Mạng lưới linh hoạt: LoRaWAN hỗ trợ các mạng công cộng, tư nhân, lai và cộng đồng. Điều này cho phép mở rộng quy mô IoT trên toàn cầu.

Hoạt động của LoRa

LoRa sử dụng điều chế trải phổ độc quyền tương tự như CSS. Mỗi ký hiệu được biểu diễn bằng một chirp dịch vòng tròn trên băng thông tập trung xung quanh tần số cơ sở.

Hệ số trải phổ (SF) là một tham số vô tuyến có thể lựa chọn từ 5 đến 12. SF xác định số bit được gửi trên mỗi ký hiệu và mức độ thông tin được trải rộng theo thời gian. SF thấp hơn cho phép tốc độ dữ liệu cao hơn nhưng độ nhạy kém hơn, trong khi SF cao hơn mang lại độ nhạy tốt hơn nhưng tốc độ dữ liệu thấp hơn. Điều này cho phép LoRa đánh đổi tốc độ dữ liệu để lấy độ nhạy.

Xem thêm: RS-485: Tiêu Chuẩn Vàng cho Truyền Thông Công Nghiệp

LoRaWAN và kiến trúc mạng

Hình 2. LoRaWAN và kiến trúc mạng

Trong kiến trúc mạng LoRaWAN, các thiết bị cuối hoạt động không đồng bộ và truyền dữ liệu khi có sẵn. Dữ liệu từ một thiết bị cuối được nhiều cổng nhận. Các cổng này có bộ thu đa kênh, trong khi các thiết bị cuối có thể nhảy giữa các kênh bằng bộ thu phát đơn kênh. Các cổng chuyển tiếp gói dữ liệu đến một máy chủ mạng tập trung mà không cần xử lý thêm. Từ đó, dữ liệu được chuyển tiếp đến một máy chủ ứng dụng liên kết. Giao diện backend đám mây sử dụng JSON làm định dạng dữ liệu và chỉ định các giao thức tham gia an toàn cho các thiết bị cuối cũng như khả năng chuyển vùng giữa các cổng. Payload dữ liệu ứng dụng được mã hóa giữa thiết bị cuối và ứng dụng đám mây.

Để cải thiện hiệu quả phổ và tránh va chạm trong truyền thông không dây, LoRa Alliance đã giới thiệu CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) trong Khuyến nghị kỹ thuật TR013 của họ. Điều này khắc phục những hạn chế của việc chỉ dựa vào ALOHA làm giao thức lớp MAC trước đây.

LoRa Alliance

LoRa Alliance là một hiệp hội mở, phi lợi nhuận, với sứ mệnh hỗ trợ và thúc đẩy việc áp dụng tiêu chuẩn LoRaWAN trên toàn cầu cho các triển khai IoT quy mô lớn, cũng như các triển khai ở những vị trí xa xôi hoặc khó tiếp cận. Các thành viên hợp tác trong một hệ sinh thái sôi động gồm các nhà sản xuất thiết bị, nhà cung cấp giải pháp, nhà tích hợp hệ thống và nhà khai thác mạng để cung cấp khả năng tương tác cần thiết nhằm mở rộng IoT trên toàn cầu. Các lĩnh vực trọng tâm chính của Liên minh bao gồm nông nghiệp thông minh, tòa nhà thông minh, thành phố thông minh, công nghiệp thông minh, hậu cần thông minh và tiện ích thông minh.

Vào năm 2018, LoRa Alliance có hơn 100 nhà khai thác mạng LoRaWAN ở hơn 100 quốc gia. Đến năm 2023, con số này đã tăng lên gần 200, cung cấp phạm vi phủ sóng ở gần như mọi quốc gia trên thế giới. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng Cisco đã công bố ngừng hoạt động trong không gian LoRaWAN vào ngày 1 tháng 10 năm 2024.

Kết luận

LoRa và LoRaWAN đại diện cho một bước tiến quan trọng trong công nghệ kết nối IoT. Với khả năng tầm xa, tiêu thụ điện năng thấp và kiến trúc mạng linh hoạt, chúng cung cấp một giải pháp mạnh mẽ cho việc kết nối hàng tỷ thiết bị trên khắp thế giới, mở ra cánh cửa cho vô số ứng dụng và đổi mới trong tương lai.

Xem thêm: Tìm Hiểu Về Chuẩn Truyền Thông RS-232