Công nghệ IoT phát triển đồng nghĩa với việc tiêu thụ điện năng thấp cho các sản phẩm và thiết bị điện tử trở nên vô cùng cần thiết. LPWAN là lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng đòi hỏi kết nối mạng lớn, ổn định và tiết kiệm năng lượng. Vậy cụ thể LPWAN là gì? Ứng dụng của LPWAN ra sao? Cùng tôi tìm hiểu về công nghệ này thông qua bài viết bên dưới.
Công nghệ LPWAN là gì?
LPWAN (Low Power Wide Area Network) là tập hợp các công nghệ không dây phù hợp với nhu cầu của M2M (Machine-to-Machine) cũng như các thiết bị IoT. Các đặc điểm nổi bật của LPWAN có thể kể đến như độ phủ sóng lớn, băng thông thấp, kích thước gói tin nhỏ và pin hoạt động lâu dài.

Công nghệ LPWAN được thiết kế để kết nối với các thiết bị IoT (Internet of Thing), cung cấp khả năng truyền thông không dây với độ phủ sóng lớn nhưng vẫn ổn định và tiêu thụ ít năng lượng. Các thiết bị IoT được kết nối với công nghệ này phổ biến như đồng hồ điện, đồng hồ nước, các cảm biến,… Tùy vào điều kiện môi trường mà LPWAN có thể truyền tải xa đến hàng chục km.
Sơ lược về lịch sử LPWAN
Vào những năm 1980-1990 công nghệ LPWAN đã bắt đầu xuất hiện, tuy nhiên thời điểm này LPWAN chưa được quan tâm phát triển vì lúc đó có còn nhiều công nghệ khác hiệu quả hơn cùng ra đời. Mãi cho đến những năm gần đây LPWAN mới được phát triển mạnh hơn và cạnh tranh với mạng di động.
Năm 2013, Low Power Wide Area Network “Diện rộng năng lượng thấp” đã được công bố. Đây là một loại công nghệ không dây được thiết kế để liên lạc giữa máy với máy (Machine -Machine-M2M). Đến năm 2015, khi 3GPP (3rd Generation Partnership Project) đã quyết định tiêu chuẩn hóa một số công nghệ không dây để sử dụng các ứng dụng theo xu hướng IoT, LPWAN được xác nhận là công nghệ không dây cho lựa chọn Internet of Things đang phát triển mạnh mẽ.
Đối với cơ sở hạ tầng mạng di động, 3GPP có một số tiêu chuẩn như: NarrowBand IoT (NB-IoT), eMTC (LTE-M, LTE-M1 và LTE-MTC), EC-GSM (Extended Coverage GSM). Tất cả các mạng này đều sử dụng tần số truyền tải được cấp phép và đề cập trong tài liệu mạng 5G. Bên cạnh đó, LPWAN còn được đề xuất sử dụng các băng tần miễn cấp phép như LoRaWAN, Sigfox,… Chính vì thế, đối với LPWAN các kỹ sư công nghệ thông tin sẽ có nhiều tùy chọn trong việc thiết kế cách hoạt động của IoT.
Tiêu chuẩn LPWAN được chia thành 2 loại: Mạng di động (hay mạng tế bào) sử dụng tần số truyền tải được cấp phép với mạng di động, mạng không di động sử dụng các dải tần số vô tuyến mà không cần cấp phép ISM.

Ngoài ra, bạn có thể tham khảo một số công nghệ không dây khác để tăng hiệu quả sử dụng mạng qua các bài viết sau:
Ưu điểm của công nghệ LPWAN
LPWAN có những ưu điểm đặc biệt dưới đây để có thể là công nghệ kết nối với các thiết bị IoT.
- Khoảng cách truyền tải của LPWAN xa hơn so với các công nghệ truyền phát không dây khác, hoàn toàn có thể đáp ứng được nhu cầu của các hệ thống IoT có quy mô lớn như Smart Home, Smart City,…
- Tiêu thụ điện năng thấp tại các thiết bị đầu cuối.
- Phạm vi phủ sóng rộng.
- Không yêu cầu nhiều trạm thu phát để phủ sóng tại một vùng nhất định. Với điều kiện địa hình bằng phẳng thì một trạm thu phát LPWAN có thể phủ sóng lên tới 100km2, cung cấp được cho hàng ngàn thiết bị.
- Công suất tín hiệu vô tuyến cao ở khu vực đô thị nhờ sử dụng tần số sub-GHz.
- Chi phí đầu tư, xây dựng, bảo trì LPWAN thấp hơn so với mạng di động.

Ứng dụng của công nghệ LPWAN
LPWAN hỗ trợ ứng dụng cho M2M và IoT vì có chi phí thấp hơn mạng di động và độ phủ sóng ở phạm vi rộng. Tuy nhiên việc lựa chọn LPWAN còn phụ thuộc vào việc ứng dụng đó là gì cũng như tốc độ mong muốn, lưu lượng dữ liệu và vùng phủ sóng… LPWAN thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi yêu cầu giao thông tin lên không thường xuyên của các tin nhắn nhỏ. Đồng thời các công nghệ của LPWAN cũng có khả năng giao thông tin xuống.
Công nghệ này được ứng dụng cụ thể như trong các dụng cụ đo đạc thông minh, đèn giao thông, đèn chiếu sáng thông minh, hệ thống giám sát, theo dõi tài sản, thành phố thông minh, giám sát chăn nuôi, nông nghiệp thông minh,… được triển khai IoT công nghiệp. Với những ưu điểm như trên thì LPWAN hiện là một công nghệ lý tưởng được ứng dụng trong hầu khắp các lĩnh vực.

Các công nghệ LPWAN phổ biến hiện nay
LoRa – Long Range Radio
LoRa – Long Range Radio là công nghệ lớp vật lý được nhà sản xuất chất bán dẫn SemTech độc quyền phát triển. Công nghệ LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế trải phổ (Spread Spectrum) là một biến thể của Chip Spread Spectrum (CSS) tích hợp với công nghệ sửa lỗi Forward Error Correction(FEC).
LoRa sử dụng phổ tần số Sub-GHz và mỗi quốc gia sử dụng tần số khác nhau (châu Âu 868 MHz, Châu Mỹ 915 MHz, Châu Á 433 MHz). Công nghệ lớp vật lý này sử dụng kỹ thuật trải phổ để chuyển dữ liệu cùng lúc lên nhiều tần số khác nhau với tốc độ khác nhau, để các thiết bị Gateway có thể đáp ứng các điều kiện thay đổi và tối ưu cách thức trao đổi dữ liệu với các IoT.
Tốc độ truyền tải dữ liệu của LoRa từ 300bps đến 50kbps phụ thuộc vào hệ số trải phổ (Spreading Factor) và băng thông (Bandwidth), độ dài tin nhắn tối đa là 243 byte truyền thông hai chiều hiệu quả. Mỗi tin nhắn sẽ được các trạm thu phát trong phạm vi nhận và đảm bảo tỷ lệ truyền tin thành công.
NB-IoT
NB-IoT là công nghệ IoT với mục đích chuẩn hóa để làm giảm tiêu thụ năng lượng và cải thiện hiệu suất phổ tần. NB-IoT được phát triển dựa trên các mạng di động hiện có, do đó nó có thể sử dụng tất cả các dải tần trong băng tần thấp tương tự trong mạng 2G, 3G,4G gồm B20 (800 MHz), B8 (900 MHz), B3 (1800 MHz).
Đặc điểm của NB-IoT là có thể sử dụng 10 năm liên tục mà không cần sạc pin nhờ hai công nghệ tiết kiệm năng lượng là PSM và eDRX. PSM (Power Saving Mode) có chế độ ngủ 12 ngày nhưng vẫn giữ kết nối. Song đó, eDRX (expanded Discontinued Reception) chu kỳ ở chế độ ngủ không tải được kéo dài tối đa 40 phút, cho phép các thiết bị tắt một phần mạch điện để tiết kiệm năng lượng. Ngoài ra NB-IoT còn hỗ trợ bảo mật thông tin cho người dùng thông qua tính năng bảo mật hiện có của các mạng di động.
Trong công nghệ LPWAN, NB-IoT chủ yếu tập trung vào các thiết bị M2M, phạm vi phủ sóng không nhỏ hơn 23dB. Việc triển khai NB-IoT phụ thuộc vào các trạm 4G/LTE vì thế không phù hợp với các khu vực hạn chế về sóng 4G/LTE.

Sigfox
Công nghệ Sigfox xuất hiện lần đầu tại Pháp vào năm 2009 sau đó được đưa vào hoạt động ở phạm vi rộng năm 2012. Tương tự như LoRaWAN, Sigfox cũng sử dụng phổ tần số Sub-GHz và công nghệ UNB băng tần hẹp, giúp sử dụng băng thông hiệu quả với tỉ số tín hiệu nhiễu thấp và độ phủ sóng xa có thể lên đến 10km tại khu vực thành thị và 50km tại khu vực nông thôn.
Đối với công nghệ Sigfox, toàn bộ thành phố có thể được bao phủ bởi một trạm thu phát. Tốc độ truyền tải dữ liệu sẽ thấp và có giới hạn 150 gói tin 12 byte uplink và 4 gói tin 8 byte downlink trong 1 ngày. Các trạm thu phát có thể nhận tin đồng thời ở tất cả các kênh có sẵn.
LTE-M
LTE-M – Long Term Evolution for Machines sử dụng băng tần cấp phép và một băng tần bình thường như LTE. Các thiết bị LTE-M kết nối không dây trực tiếp với mạng 4G-LTE có thể hoạt động được ở bất kỳ băng tần nào của LTE do đó làm giảm chi phí đầu tư thiết bị hạ tầng hiệu quả.
LTE-M sử dụng kỹ thuật điều chế SC-FDMA cho đường lên. Đây là kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng, với khoảng cách băng tần 15KHz, sử dụng phương pháp điều chế 16-QAM. Kỹ thuật OFDMA cho đường xuống cũng với khoảng cách băng tần 15KHz, sử dụng phương pháp điều chế 16-QAM.

Câu hỏi thường gặp
Đối với các ứng dụng IoT điển hình như đo đạc nông nghiệp, giám sát môi trường, LPWAN có những ưu nhược điểm gì so với các giải pháp mạng di động truyền thống?
So với giải pháp mạng di động truyền thống thì ứng dụng IoT để đo đạc nông nghiệp, giám sát môi trường có ưu, nhược điểm là:
– Tiêu thụ năng lượng thấp giúp các thiết bị IoT có thể hoạt động lâu dài mà không cần sạc pin.
– Độ phủ sóng rộng lớn giúp kết nối các thiết bị ở các khu vực xa, khó tiếp cận.
– Chi phí tiến hành rẻ hơn so với mạng thông thường khi triển khai ở quy mô lớn.
– Mặc khác, LPWAN lại có giới hạn về băng thông làm cho tốc độ dữ liệu chậm và có thể bị giới hạn về gói tin có thể gửi trong khoảng thời gian quy định.
Làm thế nào để tối ưu hóa tuổi thọ pin của thiết bị IoT sử dụng công nghệ LPWAN? Có những kỹ thuật nào có thể áp dụng?
Việc tối ưu tuổi thọ pin cho các thiết bị IoT cần có sự kết hợp giữa nhiều yếu tố khác nhau. Cụ thể một số kỹ thuật có thể áp dụng như:
– Tối ưu phần cứng: Bằng cách lắp đặt các cảm biến, vi điều khiển có mức tiêu thụ điện năng thấp nhất.
– Tối ưu phần mềm và thuật toán: Giảm kích thước gói tin được truyền để tiết kiệm năng lượng, giảm tần suất truyền dữ liệu, sử dụng các công nghệ LPWAN.
– Kỹ thuật tối ưu nguồn năng lượng: Giữ thiết bị ở nhiệt độ ổn định để hạn chế mức tiêu thụ năng lượng.
Lời kết
Bên trên là những giải đáp về công nghệ LPWAN là gì và những ứng dụng của công nghệ này trong thực tế. Như vậy LPWAN là một giải pháp hiệu quả để thực hiện kết nối cũng như quản lý các thiết bị IoT. Trong tương lai LPWAN không những kết nối các thiết bị IoT để hỗ trợ mọi khía cạnh đời sống mà còn giúp tối ưu hiệu suất cho các ứng dụng thông minh. Cảm ơn bạn đã theo dõi bài viết!