LoRa và LoRaWAN là gì?
LoRalà một tiêu chuẩn truyền thông mới cho Internet of Things, thường được sử dụng để truyền dữ liệu tín hiệu nhỏ trên một khoảng cách rất dài. LoRa thường có công suất thấp, sự tiêu thụ ít điện năng, và tuổi thọ pin dài. LoRa là tên viết tắt của từ “Tầm xa”. Từ cái tên, có thể thấy tính năng chính của LoRa là khoảng cách truyền xa. Sơ đồ điều chế tín hiệu của LoRa, được phát triển bởi Semtech, cho phép lề liên kết tuyệt vời. Độ nhạy tín hiệu của LoRa rất cao, để LoRa có thể duy trì liên lạc đường dài, ngay cả trong môi trường ồn ào. Tương tự với các công nghệ LPAWAN khác như NB-IoT, LoRa thường hoạt động ở tốc độ dữ liệu thấp hơn, điều này làm tăng thêm khoảng trống liên kết. Do tốc độ dữ liệu thấp, LoRa không phù hợp với các tình huống yêu cầu độ trễ dữ liệu cao.
LoRaWAN là một tiêu chuẩn giao tiếp của giao thức LPWAN dựa trên chip LoRa, được thiết kế để kết nối IoT từ xa. LoRaWAN ban đầu được gọi là LoRaMAC, đó là một tập hợp các giao thức truyền thông và kiến trúc hệ thống dựa trên thiết kế mạng truyền thông đường dài LoRa. Theo giao thức truyền thông truyền thống, LoRaWAN là lớp MAC, và LoRa là lớp vật lý. LoRaWAN là một tiêu chuẩn mạng mở, và kiểm soát truy cập lớp liên kết dữ liệu của nó (MAC) được duy trì bởi Liên minh LoRa.
Cổng LoRaWAN và máy chủ đám mây LoRaWAN là gì
Cổng LoRaWAN là một đầu nối mạng LoRa, có thể chuyển đổi giao thức truyền thông mạng LoRa sang giao thức TCP/IP, và truyền dữ liệu của thiết bị LoRaWAN vào mạng. Điều này tương tự như thiết lập một bộ định tuyến không dây công nghiệp để kết nối các thiết bị WiFi với mạng. Cổng thường được triển khai bởi người dùng hoặc nhà cung cấp giải pháp và thường được triển khai tại các trung tâm khu vực xa xôi mà không có các loại phạm vi phủ sóng khác.
Các Máy chủ đám mây LoRaWAN là một trung tâm dịch vụ đám mây quản lý các kết nối và thông tin liên lạc của thiết bị. Máy chủ web có thể là máy chủ vật lý hoặc máy chủ đám mây. Khi máy chủ web ở trên đám mây như dịch vụ lưu trữ, cổng hoạt động trong cái gọi là “chuyển tiếp gói tin” cách thức, mà chỉ chuyển tất cả các gói dữ liệu LoRa ban đầu trong không gian tới máy chủ web và máy chủ web. Trong chế độ này, tất cả thông tin như mã hóa dữ liệu và giải mã gói tin, quản lý thiết bị và kết nối, phân tích và xử lý dữ liệu được lưu trữ trong ECS, giúp quản lý và nâng cấp máy chủ dễ dàng hơn, đồng thời dễ đọc và xử lý dữ liệu hơn.
LoRaWAN hoạt động như thế nào
Về mặt cấu trúc mạng, Giao thức không dây của LoRaWAN rất đơn giản. Cấu trúc mạng của nó là một cấu trúc liên kết hình sao, có lợi cho thiết bị đầu cuối LoRaWAN để tăng phạm vi liên lạc và giảm tiêu thụ điện năng. Sau khi trình diễn và thử nghiệm, cấu trúc hình sao này phù hợp hơn với loại kịch bản ứng dụng Internet vạn vật với mức tiêu thụ điện năng thấp và diện tích lớn hơn cấu trúc lưới.
Bố cục mạng của cấu trúc liên kết hình sao là chế độ xử lý dữ liệu trung tâm. Mỗi thiết bị đầu cuối LoRaWAN truyền dữ liệu đến nhiều cổng LoRaWAN, và sau đó cổng LoRaWAN truyền dữ liệu đến máy chủ trung tâm. Máy chủ trung tâm quản lý tập trung và xử lý dữ liệu thu thập được, và máy chủ sẽ hoàn thành việc lập lịch tin nhắn, điều tra an ninh, và phát hiện dư thừa của dữ liệu. Máy chủ trung tâm cung cấp lại một số thông tin của thiết bị đầu cuối LoRaWAN theo dữ liệu để LoRaWAN có thể thực hiện một phản hồi nhất định.
Hai ưu điểm rõ ràng của giao thức LoRaWAN
- Theo dõi thuận tiện hơn: các cổng không cần giao tiếp với nhau. Thông tin của nút đầu cuối được phát. Tín hiệu của một nút đầu cuối có thể được nhận bởi nhiều cổng. Hướng và vị trí của nút đầu cuối có thể được xác định sơ bộ theo chênh lệch thời gian giữa thông tin nhận được bởi cổng kết nối. Logic và thuật toán này tương đối đơn giản.
- Liên kết thông tin đơn giản hơn: cổng chỉ được sử dụng như một cầu nối để thực hiện việc truyền thông tin giữa thiết bị đầu cuối nút và máy chủ. Không có giao tiếp lẫn nhau giữa cổng vào và cổng vào, và liên kết thông tin mới và đơn giản.
Các loại thiết bị LoRaWAN: Hạng A, Lớp B và Lớp C
Lớp A là một hoạt động không đồng bộ. Đặc điểm của hoạt động không đồng bộ là không cần xếp hàng như hoạt động đồng bộ. Khi nào nút đầu cuối cần truyền dữ liệu, nó sẽ kết nối với cổng, thay vì đợi một thời gian cụ thể hoặc xếp hàng đợi để hoàn thành các tác vụ luồng. Nút đầu cuối ở trạng thái ngủ trước khi truyền dữ liệu. Sau khi nút hoàn tất quá trình truyền, nó sẽ ngay lập tức đi vào trạng thái ngủ. Khi một nút hoàn tất quá trình truyền, cái kia có thể bắt đầu truyền ngay lập tức. Không có khoảng cách trong giao tiếp. Vì lớp A là truyền không đồng bộ, va chạm là không thể tránh khỏi. Dung lượng lý thuyết tối đa của một mạng Aloha thuần túy là khoảng 18.4% của mức tối đa. Nếu hai nút thức dậy cùng một lúc và quyết định truyền trên cùng một kênh bằng cách sử dụng cùng một cài đặt radio, họ sẽ va chạm và va chạm.
Lớp B cho phép thông tin được gửi đến nút đầu cuối. Cổng LoRaWAN gửi một báo hiệu mỗi 128 giây. Tất cả các trạm gốc LoRaWAN cũng gửi tin nhắn báo hiệu. Đồng hồ bên trong của chúng là đồng bộ và thuộc về một xung trên giây (1PPS). Vệ tinh đồng bộ hóa trên quỹ đạo sẽ truyền một thông điệp vào đầu mỗi giây, có thể đồng bộ hóa thời gian trên khắp thế giới. Trạm cơ sở Lora Wan cũng phụ thuộc vào thời gian đồng bộ hóa này. Mỗi báo hiệu được gửi bởi cổng phân bổ khoảng cách thời gian là 128 giây để cho nút biết khi nào nhận được tín hiệu.
Lớp C cho phép nút tiếp tục nghe trong một thời gian dài mà không bị ngủ và có thể gửi thông báo đường xuống bất cứ lúc nào. Lớp C ở trạng thái đánh thức trong một thời gian dài và cần tiêu tốn năng lượng để duy trì trạng thái đánh thức của nút để giám sát tín hiệu nhận được trong thời gian thực. Tất cả lớp C tiêu thụ rất nhiều năng lượng và không thích hợp để cung cấp năng lượng cho pin. Nó chủ yếu được sử dụng trong các tình huống mà nguồn điện có thể ổn định.
Tại sao sử dụng LoRaWAN thay vì WiFi, Bluetooth, Zigbee, và hơn thế nữa
LoRaWAN có các kịch bản ứng dụng riêng với WiFi, Bluetooth, ZigBee, điện thoại di động, Vân vân. trong truyền dẫn đường dài, LoRaWAN có lợi thế rõ ràng so với những lo khác. Wifi, ZigBee và Bluetooth sử dụng phổ tần 2.4GHz. Ưu điểm của quang phổ này là nó có thể mang một lượng lớn thông tin và tốc độ nhanh, nhưng nó không phải là một lựa chọn tốt cho cảm biến không dây.
- Phổ 2.4GHz suy yếu nhanh chóng trong không khí. Cảm biến mạng của giao thức truyền thông này thường có phạm vi kết nối rất ngắn, và khả năng thâm nhập vật lý của phổ tần 2.4GHz rất kém. Hầu hết các tín hiệu không thể xuyên qua các rào cản khác, chẳng hạn như các bức tường xây dựng. Trong đời sống hằng ngày, trong góc hoặc khu vực khép kín như tầng hầm hoặc nhà vệ sinh, tín hiệu WiFi trong hội trường sẽ rất yếu hoặc về cơ bản không có. Các hệ thống tự động hóa gia đình sử dụng các giao thức như Zigbee thường thấy rằng chúng không thể kết nối với phòng bên cạnh. Mặt khác, Thiết bị LoRa có thể đạt khoảng cách vài dặm trong môi trường ngoài trời và có thể hoạt động tốt khi vượt qua các chướng ngại vật như tòa nhà hoặc thiết bị.
- phổ tần 2.4GHz rất “ồn ào”, có nghĩa là có các thiết bị 2.4GHz xung quanh chúng ta đang cạnh tranh về thời gian phát sóng, điều này ảnh hưởng đến chất lượng của liên kết. Tần số hoạt động của LoRa ở Hoa Kỳ là 915MHz, vì vậy nó sẽ không ảnh hưởng đến WiFi cục bộ và hầu hết các thiết bị không dây khác.
- Wifi, một giao thức truyền thông mạng, rất kém trong quản lý khóa và phòng ngừa và kiểm soát an ninh mạng, và nó rất bất tiện khi sử dụng trong nhiều trường hợp. Ví dụ, nếu một bộ định tuyến WiFi được kết nối với nhiều thiết bị muốn thay đổi mật khẩu kết nối, bạn cần thay đổi mật khẩu kết nối của tất cả các thiết bị đầu cuối WiFi được kết nối. Tuy nhiên, nếu thiết bị đầu cuối WiFi là một thiết bị điện tử chạy bằng pin nhỏ không đáp ứng được người dùng, rất khó kết nối với máy chủ WiFi đã thay đổi mật khẩu. Trong cuộc sống, WiFi thường được sử dụng trên điện thoại thông minh, TV thông minh, máy tính xách tay và các thiết bị khác. Các thiết bị này có màn hình hiển thị và thư viện để dễ dàng thay đổi mật khẩu. Nhưng việc kết nối lại bộ định tuyến WiFi là rất khó đối với các cảm biến đơn giản chạy bằng pin.. Mặt khác, LoRaWAN định cấu hình và bảo vệ thiết bị theo nhiều cách khác nhau. Khóa không phải là một mật khẩu duy nhất được xác định trên máy chủ web, nhưng có nguồn gốc từ chính cảm biến và có một giá trị duy nhất có thể được cung cấp trên máy chủ web (thường trên đám mây). Tất cả các cảm biến cầu vô tuyến đều có một cặp khóa / ID duy nhất, cho phép cấu hình và quản lý bảo mật hiệu quả.
- Mức tiêu thụ pin của các thiết bị đầu cuối như WiFi, Bluetooth, ZigBee và các thiết bị di động tương đối cao. Các thiết bị này gửi một lượng lớn thông tin tín hiệu, và quang phổ suy yếu nhanh chóng, và công suất truyền tương đối cao, để đảm bảo một phạm vi bảo hiểm nhất định. Các thiết bị này phải duy trì liên lạc thường xuyên với cổng hoặc trạm gốc để duy trì trạng thái kết nối. Mặt khác, Thiết bị LoRaWAN có thể chuyển sang chế độ ngủ sâu và chỉ thức dậy khi cần thiết để gửi để cung cấp các sự kiện mới. Trong hầu hết các ứng dụng, điều này cho phép tuổi thọ pin dài hơn 5 đến 10 năm.
LoRa là công nghệ điều chế vô tuyến được sử dụng cho mạng LAN không dây trong danh mục công nghệ mạng LPWA. LoRaWAN là một mạng (giao thức) sử dụng LoRa.
Nhìn vào tương lai của LoRaWAN
Công suất thấp Internet vạn vật được sử dụng rộng rãi hơn trong xây dựng thành phố thông minh. Với việc xây dựng thành phố thông minh ngày càng sâu rộng, ứng dụng tri giác đô thị sẽ ngày càng được chú ý hơn. Loại ứng dụng Internet of things này có những điểm đặc biệt: kết nối lớn, tần số giao tiếp thấp, sự tiêu thụ ít điện năng, môi trường phủ sóng phức tạp và độ nhạy chi phí cao. Vì vậy, Internet vạn vật công suất thấp phù hợp hơn với nhận thức đô thị Hệ thống ứng dụng Internet vạn vật.
Tại sao công nghệ LoRa thu hút sự chú ý của ngành? Công nghệ LoRa có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực với hiệu suất tuyệt vời và hình thức kết nối mạng linh hoạt. Ngoài ra, kiến trúc triển khai của truyền dẫn đường dài LoRa, ba chế độ hành vi của LoRaWAN, và kiến trúc và ứng dụng tiêu biểu của LoRa. Ngoài các hệ thống giám sát khói, hệ thống giám sát môi trường điện, hệ thống giám sát tiết kiệm năng lượng điều hòa không khí và hệ thống giám sát chăm sóc thông minh, sự phổ biến của Internet vạn vật nên dựa trên định hướng vào con người. An toàn cuộc sống, vận chuyển và điều trị y tế, ô nhiễm môi trường, vấn đề lương thực và nguồn nhân lực là tất cả các lĩnh vực ứng dụng dọc của Internet vạn vật đã được quan tâm rộng rãi trong một thời gian dài, LoRa có nhiều lợi thế hơn các công nghệ truyền thông khác trong các tình huống này.
Kỷ nguyên kết nối vạn vật cũng là kỷ nguyên dữ làm vua.. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, nếu các đối tượng thông minh không có thông tin vị trí tương ứng, nó có nghĩa là dữ liệu “hỗn loạn” và giá trị có sẵn sẽ bị giảm đáng kể. Với sự phát triển mạnh mẽ của ngành Internet vạn vật trong hai năm qua, nhu cầu về công nghệ định vị trong các kịch bản ứng dụng Internet of things khác nhau cũng đã tăng lên rất nhiều. Hiện tại, có hàng chục hoặc thậm chí hàng trăm loại công nghệ định vị, và mỗi công nghệ định vị có những ưu nhược điểm riêng và các kịch bản ứng dụng phù hợp.
LoRa được áp dụng cho các khu vực địa phương có mật độ cao hơn và có đặc điểm tương đối độc lập, tín hiệu mạnh hơn và chi phí thấp hơn. Vì vậy, LoRa phải có một vị trí trong thị trường đại dương xanh rộng lớn trong tương lai của Internet vạn vật. Về triển vọng phát triển trong tương lai của LoRa, nó vẫn phụ thuộc vào sự thúc đẩy chung của những người trong ngành.
