3.3.1.1. Lora
Chắc hẳn chúng ta đã ít nhất một lần được nghe đến công nghệ Lora hay cụm từ Lora. Đây là khái niệm công nghệ mới. Lora là từ viết tắt của Long Range Radio, và sau thương vụ với Cycleo kể từ năm 2012 thì công nghệ này đã thuộc sở hữu của công ty Semtech.
Lora được sinh ra nhằm mục đích hỗ trợ truyền tải dữ liệu ở khoảng cách lên đến hàng Km với lượng điện năng tiêu thụ ít nhất có thể mà không cần khuếch đại công suất lên. Lora được sử dụng để kết nối không dây giữa các thiết bị với nhau. Các thiết bị đó là cảm biến đo lường, sinh trắc học, con người, … với dữ liệu nền tảng đám mây.
Hình 3. 13: Khoảng cách sử dụng của Lora [14]
Lora có thể hỗ trợ liên lạc ở khoảng cách lên tới 15-20Km (xem Hình 3.12), với hàng triệu node mạng. Nó có thể hoạt động trên băng tần không phải cấp phép, với tốc độ thấp từ 3.0kbps đến khoảng 30kbps. Với đặc tính này, mạng Lora phù hợp với các thiết bị thông minh trao đổi dữ liệu ở mức độ thấp nhưng duy trì trong một thời gian dài. Thực tế các thiết bị Lora có thể duy trì kết nối và chia sẻ dữ liệu trong thời gian lên đến 10 năm chỉ với năng lượng pin.
Một mạng Lora có thể cung cấp vùng phủ sóng tương tự như của một mạng di động. Trong một số trường hợp, các ăng-ten Lora có thể được kết hợp với ăng-ten di
động khi các tần số đó là gần nhau, do đó giúp tiết kiệm đáng kể chi phí. Công nghệ không dây Lora được đánh giá là lý tưởng để sử dụng trong một loạt các ứng dụng, bao gồm: định lượng thông minh, theo dõi hàng tồn kho, ngành công nghiệp ô tô, các ứng dụng tiện ích và trong bất cứ lĩnh vực nào mà cần báo và kiểm soát dữ liệu.
LoRaWAN hoạt động trong dải ISM được cấp miễn phí. Chuẩn băng tần ISM được dành cho bằng tần vô tuyến ngành công nghiệp, khoa học và y tế. Tại Mỹ sử dụng băng 902-928MHz, Châu Âu là 868 MHz, Châu Á là 430MHz, Trung Quốc là 780MHz. Với những ưu điểm cùng với vượt trội LoRa mang lại, thế giới đã ứng dụng chuẩn không dây LoRa nhằm thay thế cho các chuẩn không dây cũ vào rất nhiều ứng dụng như Smart Campus, Smart Home, Smart Parking, Air City, ... [14]
Khảo sát một số nghiên cứu gần đây cho thấy, đã có các bài báo nghiên cứu và đánh giá về LoRa và LoRaWAN cho mạng cảm biến không dây bằng việc thực hiện những phân tích, mô phỏng và cho ra được kết quả khả quan về việc sử dụng mạng LoRa cho các ứng dụng tầm xa.
3.3.1.2. Nguyên lý hoạt động của Lora
Lora sử dụng kỹ thuật điều chế gọi là Chirp Spread Spectrum. Có thể hiểu nôm na nguyên lý này là dữ liệu sẽ được băm bằng các xung cao tần để tạo ra tín hiệu có dãy tần số cao hơn tần số của dữ liệu gốc (cái này gọi là chipped); sau đó tín hiệu cao tần này tiếp tục được mã hoá theo các chuỗi chirp signal (là các tín hiệu hình sin có tần số thay đổi theo thời gian; có 2 loại chirp signal là up-chirp có tần số tăng theo thời gian và down-chirp có tần số giảm theo thời gian; và việc mã hoá theo nguyên tắc bit 1 sẽ sử dụng up-chirp, và bit 0 sẽ sử dụng down-chirp) trước khi truyền ra anten để gửi đi.
Theo Semtech công bố thì nguyên lý này giúp giảm độ phức tạp và độ chính xác cần thiết của mạch nhận để có thể giải mã và điều chế lại dữ liệu; hơn nữa LoRa không cần công suất phát lớn mà vẫn có thể truyền xa vì tín hiệu Lora có thể được nhận ở khoảng cách xa ngay cả độ mạnh tín hiệu thấp hơn cả nhiễu môi trường xung quanh.
Nhờ sử dụng chirp signal mà các tín hiệu LoRa với các chirp rate khác nhau có thể hoạt động trong cùng 1 khu vực mà không gây nhiễu cho nhau. Điều này cho phép nhiều thiết bị LoRa có thể trao đổi dữ liệu trên nhiều kênh đồng thời (mỗi kênh cho 1 chirprate).
• Preamble: Là chuỗi binary để bộ nhận phát hiện được tín hiệu của LoRa packet trong không khí.
• Header: chứa thông tin về kích thước của Payload cũng như có PayloadCRC hay không. Giá trị của Header cũng được check CRC kèm theo. • Payload: là dữ liệu ứng dụng truyền qua LoRa.
• Payload: giá trị CRC của Payload. Nếu có PayloadCRC, LoRa chip sẽ tự kiểm tra dữ liệu trong Payload và báo lên nếu CRC OK hay không.
Hình 3. 14: Radio Packet của Lora [15]
3.3.1.3. Ưu và nhược điểm của Lora
• Ưu điểm:
− Dễ dàng phổ biến
Công nghệ LoRa hiện nay có thể được sử dụng một cách rộng rãi và miễn phí (không có bản quyền). Quá trình lắp đặt các thiết bị cảm biến có giá cả phải chăng, đồng thời kiến trúc cũng đơn giản. Hiện nay công nghệ LoRa đã được ứng dụng nhiều trong IoT/M2M, đồng thời có cả liên minh các nhà sản xuất sử dụng công nghệ này.
− Hoạt động ở tầm xa với lượng điện năng tiêu thụ thấp
Như đã đề cập, lợi thế lớn nhất của công nghệ LoRa đó là việc điện năng tiêu thụ thấp, nhưng vẫn có thể dẫn truyền dữ liệu ở tầm xa được. Ngoài ra, công suất hoạt động không vì thế mà bị giảm sút, và công nghệ LoRa có thể hỗ trợ hàng triệu tin nhắn từ trạm gốc.
− Độ bảo mật cao
Các tín hiệu này sẽ được mã hoá 2 lớp, bao gồm 1 lớp dành cho ứng dụng có mã hoá AES và 1 lớp dành cho bảo mật mạng.
• Nhược điểm:
− Tải trọng và tốc độ thấp hơn
Đây có lẽ là nhược điểm lớn nhất của công nghệ LoRa, bởi việc phát ra sóng ở tần số đó sẽ làm giảm tốc độ truyền tải, đồng thời tải trọng của công nghệ cũng sẽ đạt đến mức 100 byte. Cũng vì vậy mà độ trễ của công nghệ LoRa sẽ cao hơn so với các phương pháp khác.
− Hạn chế trong việc lắp đặt Gateway
Việc khó lặp đặt cá gateway trong nội thành cũng là cản trở trong việc phổ biến công nghệ LoRa trong khu đông dân cư.
3.3.1.4. Mạng 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 3.15 dưới đây cho chúng ta một ví dụ điển hình về việc triển khai mạng LoRaWan từ đầu tới cuối.
Hình 3. 15: LoraWAN 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...
- 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. [16]
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. [16]