Công nghệ LoRa và LoRaWAN

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.

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 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...

- 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.

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.