LPWA là gì?
Nội dung bài viết:
1. LPWA là gì?
2. LPWA được sử dụng để làm gì?
3. Các công nghệ LPWA
4. Bảo mật trong công nghệ LPWA
5. Thực trạng sử dụng LPWA hiện tại
6. Sự phân mảnh trong công nghệ LPWA
1. LPWA là gì?
- LPWA là viết tắt của Low-Power Wide-Area, 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.
- Hơn nữa, LPWAN giao tiếp ở khoảng cách xa hơn so với các mạng công suất thấp khác sử dụng Bluetooth hoặc NFC chẳng hạn.
- LPWA còn được gọi là LPWAN, trong đó N là viết tắt của mạng (Network). LPWA tương tự như các thuật ngữ LAN hoặc WAN ở chỗ nó không có định nghĩa chính thức, cụ thể.
- Thông thường, giao tiếp trên một khoảng cách xa với công suất thấp chỉ cho phép truyền một lượng nhỏ dữ liệu tại một thời điểm. Trong khi các mạng di động hiện đại đang tiệm cận dần với tốc độ lên tới gigabit mỗi giây (Gbs) với LTE Advanced và các mạng 5G sắp tới, mạng LPWA truyền ít hơn nhiều — thường chỉ vài kilobit (Kbs) trên mỗi kênh. Mặt khác, nhiều công nghệ LPWA có thể giao tiếp trên một khoảng cách lớn hơn, đôi khi lên đến 500 dặm trở lên.
2. LPWA được sử dụng để làm gì?
- Băng thông rất hạn chế của mạng LPWA không phù hợp với hầu hết các ứng dụng thương mại và tiêu dùng như thoại, video, âm thanh hoặc thậm chí là nhắn tin văn bản. Như vậy, mạng LPWA hầu như chỉ được sử dụng bởi các thiết bị trên Internet vạn vật (IoT) và kết nối máy với máy M2M (Machine-to-Machine).
- Mặc dù các thiết bị tại nhà hoặc dành cho doanh nghiệp như tủ lạnh, bóng đèn hoặc nhiệt kế Nest đều có thể dễ dàng sử dụng kết nối WiFi tại nhà hoặc văn phòng, một số thiết bị không thể dựa vào kết nối như vậy.
- Hãy xem xét một mương thủy lợi trải dài trên dặm trong nước trang trại của Mỹ. Dọc theo chuỗi suối, mương này là hàng trăm, thậm chí hàng nghìn máy bơm và cửa cống. Phần lớn các kênh thủy lợi chảy qua đất tư nhân, giữa các khu vực trồng trọt, và qua vài dặm. Do đó, việc đi theo đường dẫn dù chỉ một lần mỗi ngày để đảm bảo rằng máy bơm chạy đúng cách là không thực tế, chưa kể đến sự hạn chế về mặt kinh tế. Nếu một máy bơm ở gần phía đầu xa nhất bị lỗi, bạn có thể phải mất hàng giờ mới đến được nó. Nếu trong ngày không có một người đến được nơi đó, bạn có thể không biết cho đến ngày hôm sau.
- Trong những trường hợp như thế này, không có mạng cục bộ để truy cập. Các mạng di động tiêu chuẩn ở vùng đồng bằng còn ít hoặc không tồn tại ở nhiều khu vực. Một kết nối vệ tinh có thể hoạt động, nhưng sẽ rất đắt và kết nối như vậy tốn rất nhiều năng lượng. Trong trường hợp này, mạng LPWA là chính xác những gì cần thiết.
- Với khoảng cách lên tới hàng chục dặm, mạng lưới các máy bơm đều có thể kết nối dễ dàng và không tốn kém. Mặc dù lượng dữ liệu truyền đi có giới hạn, nhưng thật đáng ngạc nhiên là chỉ cần một lượng nhỏ dữ liệu có thể cung cấp trạng thái của các máy bơm nước. Một dãy số duy nhất có thể truyền đạt trạng thái tổng thể của máy bơm: một số cho hoạt động bình thường, một loạt các số khác cho các điều kiện lỗi khác nhau và một số khác có thể biểu thị số gallon được bơm mỗi ngày. Hệ thống này sẽ cho phép nông dân giám sát mọi máy bơm trên mạng lưới kênh rạch từ một bảng điều khiển trung tâm. Tình trạng lỗi do quá nhiệt, cộng với việc giảm số gallon được bơm, có thể báo hiệu máy bơm bị hỏng. Những cảnh báo sớm như thế này cho phép kỹ thuật viên được thông báo trước. Tất cả từ một quá trình truyền dữ liệu nhỏ, định kỳ.
- Từ các thiết bị đặt tại các trạm thời tiết trên đỉnh núi và đèn chiếu sáng trong khu phức hợp nhà kính rộng nhiều mẫu Anh, đến đèn giao thông, tín hiệu băng qua đường tàu, v.v. đều có thể được giám sát và trong một số trường hợp, thậm chí còn được quản lý, với dữ liệu hạn chế và yêu cầu công suất thấp của LPWA .
3. Các công nghệ LPWA
- LoRa Alliance
-
LoRaWAN là từ viết tắt của Low-Power Long Range Wide Area Network, tạm dịch sang tiếng Việt là “Mạng diện rộng công suất thấp dải rộng”. LoRa Alliance là một hiệp hội phi lợi nhuận xác định và triển khai giao thức LoRaWAN Protocol. Hiện tại, không có giao thức thống trị hoặc tiêu chuẩn cho mạng LPWA và liên minh này tìm cách thay đổi điều đó. Một số tên tuổi lớn trong lĩnh vực công nghệ là thành viên của LoRa Alliance bao gồm Alibaba, Cisco, IBM, Charter Communications và SoftBank.
-
Giao thức LoRaWAN Protocol là một tiêu chuẩn mở, mặc dù hiện tại chỉ có một công ty sản xuất chip sử dụng giao thức này. Nó được thiết kế để sử dụng cấu trúc liên kết hình sao (star-of-stars topology). Các thiết bị kết nối với các cổng kết nối và các cổng kết nối theo cách truyền thống hơn qua các mạng IP được kết nối thường xuyên.
-
Giao thức này xác định ba loại lớp. Lớp A sử dụng công suất thấp nhất và phải được hỗ trợ trên tất cả các thiết bị LoRaWAN. Thiết bị loại A là không đồng bộ (asynchronous) và liên kết luôn bắt nguồn từ thiết bị cuối (End device). Sau khi gửi liên kết lên (uplink), một cửa sổ ngắn sẽ mở ra, trong đó có thể gửi trả lời, tạo ra khả năng liên lạc hai chiều. Ngoài các kết nối do điểm cuối khởi tạo, thiết bị Loại B đồng bộ hóa (sync) với các tín hiệu hoặc báo hiệu định kỳ. Các đồng bộ này tạo ra các cửa sổ lắng nghe (Listening windows) trong đó thiết bị có thể nhận tín hiệu hoặc lệnh, tạo ra giao tiếp hai chiều thực sự. Lớp C tiến tới việc luôn mở máy thu trên thiết bị cuối. Điều này cung cấp một kênh giao tiếp hai chiều, có độ trễ thấp. Tuy nhiên, điều này làm tăng đáng kể mức sử dụng điện năng, do đó loại này chỉ phù hợp khi có nguồn điện liên tục.
- Sigfox
-
Sigfox, một mạng LPWA độc quyền do một công ty Pháp cung cấp, hiện là một trong những mạng LPWA lớn hơn. Nó sử dụng tần số không được cấp phép trong các băng tần 868 MHz hoặc 902 MHz. Có đặc điểm là truyền dẫn vô tuyến băng thông cực hẹp, nó cung cấp phạm vi phủ sóng khoảng cách xa, nhưng với tốc độ truyền dữ liệu thấp. Mỗi thông báo có độ rộng 100 Hz với tốc độ truyền 100 hoặc 600 bit mỗi giây tùy thuộc vào khu vực. Giao tiếp với thiết bị bị hạn chế, khiến nó trở thành một lựa chọn tồi cho các ứng dụng yêu cầu giao tiếp hai chiều. Mỗi tin nhắn đường lên có độ dài tối đa là 12 byte.
-
Tại các khu vực nông thôn, công nghệ này về mặt lý thuyết có thể giao tiếp khoảng cách lên đến hơn 30 dặm khi sử dụng một cấu trúc liên kết theo kiểu mạng ngôi sao (Star Network), trong phạm vi này bất kỳ điểm phát song (Broadcast) có thể đều được nhận được thông tin bởi bất kỳ trạm gốc (Base Station). 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
4. Bảo mật trong công nghệ LPWA
-
Các vấn đề bảo mật IoT đã trở thành tiêu đề đáng chú ý thời gian gần đây. Ví dụ, cuộc tấn công Mirai để giành quyền truy cập vào các thiết bị cuối. Các cuộc tấn công như vậy có thể ít diễn ra trên các thiết bị IoT sử dụng LPWA do băng thông thấp hơn và thực tế là các thiết bị được kết nối có thể không đủ “thông minh” để hữu ích đối với tin tặc. Tuy nhiên, các cuộc tấn công dạng “man-in-the-middle” có thể xảy ra trên nhiều mạng LPWA. Theo dõi đối thủ cạnh tranh bằng cách nhận báo cáo thiết bị của họ là một khả năng và không giống như tin tặc truyền thống, vì những tín hiệu này được phát ra ngoài trời nên sẽ không có bất kỳ cách nào để biết thông tin liên lạc đã bị xâm phạm.
-
Một vấn đề là bản thân các thiết bị đầu cuối thường không có khả năng cung cấp mã hóa của riêng chúng. Hàm băm (HASH) được chia sẻ có thể là một giải pháp tốt, ngoại trừ việc nhiều mạng yêu cầu kích thước gói quá nhỏ để triển khai một hàm băm đủ dài để bảo mật liên tục. Ví dụ, công nghệ Sigfox LPWA chỉ cung cấp chữ ký điện tử 16 bit, thấp hơn nhiều so với tiêu chuẩn ngành 128 bit. Tuy nhiên, LoRaWAN cung cấp mã hóa và xác thực AES 128-bit.
-
Các công nghệ dựa trên mạng di động, như LTE-M, NB-IOT, cũng như EC-GSM-IoT dựa trên công nghệ xác thực của mạng hiện có.
5. Thực trạng sử dụng LPWA hiện tại
- Mặc dù có nhiều khả năng ứng dụng cho mạng LPWA, nhưng một số ứng dụng dưới đây được đề cập nhiều hơn gồm:
-
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 LPWA. 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. LPWA 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.
6. Sự phân mảnh trong công nghệ LPWA
- Thị trường mạng LPWA cung cấp một số lựa chọn. Một số coi đây là sự phân mảnh, trong khi những người khác coi đây là thị trường nơi các dịch vụ có thể được lựa chọn dựa trên những gì tốt nhất cho từng dự án cụ thể. Hiện tại, trong khi nhu cầu LPWA đang tăng lên, không có giải pháp chung cho tất cả.