LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) là một giao thức mạng không dây hàng đầu trong lĩnh vực Internet vạn vật (IoT), đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp và thành phố thông minh. Nhờ khả năng truyền tín hiệu ở khoảng cách xa, mức tiêu thụ năng lượng thấp và khả năng xuyên qua các vật cản hiệu quả, LoRaWAN được coi là giải pháp tối ưu để triển khai các hệ thống giám sát và điều khiển từ xa với chi phí hợp lý.

1. LoRaWAN là gì?

LoRaWAN là một giao thức thuộc mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN), được thiết kế để kết nối không dây các thiết bị IoT sử dụng pin với các mạng lưới ở quy mô khu vực, quốc gia hoặc toàn cầu. LoRaWAN hoạt động trên các băng tần không cần cấp phép (ISM), ví dụ như 868 MHz ở Châu Âu hoặc 915 MHz tại Mỹ, giúp việc triển khai và mở rộng trở nên dễ dàng.

Mạng LoRaWAN bao gồm:

• Thiết bị đầu cuối (End Device): Cảm biến, công tắc, bộ điều khiển.
• Gateway: Nhận tín hiệu RF từ thiết bị, chuyển sang IP để truyền đến máy chủ.
• Máy chủ mạng (Network Server): Quản lý xác thực, loại bỏ trùng lặp, tối ưu đường truyền.
• Máy chủ ứng dụng (Application Server): Xử lý dữ liệu đầu cuối và cung cấp API.

2.6. Phạm vi tín hiệu

LoRaWAN nổi bật với khả năng truyền thông ở phạm vi xa, vượt trội so với nhiều mạng không dây truyền thống. Điều này làm cho LoRaWAN trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng triển khai trên khu vực rộng lớn, bao gồm cả nông thôn và thành thị, với khả năng phủ sóng lên đến vài km. Một ăng-ten LoRaWAN duy nhất có thể phủ sóng hiệu quả một diện tích lớn, từ 3.000 đến 5.000 mét vuông, rất phù hợp cho các tòa nhà vừa và lớn. Công nghệ này đảm bảo truyền thông tin cậy với các cảm biến đặt ở nhiều tầng khác nhau, kể cả những khu vực khó tiếp cận như tầng hầm.

3.7. Spreading Factor (Hệ số trải phổ) & Tự điều chỉnh tín hiệu

LoRaWAN có khả năng điều chỉnh hiệu quả công suất tín hiệu, giúp cải thiện phạm vi phủ sóng trong khi vẫn tối ưu hóa mức tiêu thụ năng lượng. Điều này đạt được thông qua việc điều chỉnh động Hệ số Trải phổ (Spreading Factor - SF) tùy theo điều kiện môi trường truyền dẫn. Kỹ thuật này đảm bảo việc truyền tín hiệu hiệu quả, ngay cả khi có vật cản, đồng thời kéo dài tuổi thọ pin của cảm biến. Đây là yếu tố đặc biệt hữu ích trong các dự án hiện đại hóa tòa nhà cũ, nơi việc truyền tín hiệu thường gặp nhiều thách thức.

Spreading Factor (SF) là một kỹ thuật điều chế tín hiệu cho phép LoRaWAN điều chỉnh các yếu tố sau:

• Tốc độ truyền (data rate).
• Phạm vi phủ sóng.
• Mức tiêu thụ năng lượng.

Hệ thống có thể tự động điều chỉnh SF cho phù hợp với từng thiết bị thông qua cơ chế ADR (Adaptive Data Rate – Tốc độ dữ liệu thích ứng), đảm bảo tối ưu hóa hoạt động của toàn mạng.

2.8. Tiêu thụ năng lượng

Các thiết bị LoRaWAN được thiết kế để tiêu thụ năng lượng ở mức rất thấp, cho phép pin hoạt động lên đến 10 năm. Điều này rất lý tưởng cho các ứng dụng mà việc thay pin thường xuyên là khó khăn hoặc tốn kém. Thị trường hiện nay cung cấp đa dạng các loại cảm biến LoRaWAN để giám sát nhiều thông số khác nhau trong tòa nhà như nhiệt độ, độ ẩm và mức tiêu thụ năng lượng. Hệ sinh thái LoRaWAN bao gồm ba lớp thiết bị, cân bằng giữa mức tiêu thụ năng lượng và khả năng truyền thông liên tục:

2.9. Độ trễ và truyền dữ liệu

Thông thường, độ trễ của LoRaWAN cao hơn một chút so với mạng di động, nhưng vẫn đáp ứng tốt cho nhiều ứng dụng IoT không yêu cầu truyền dữ liệu tức thời. Cần lưu ý rằng độ trễ có thể khác nhau tùy thuộc vào loại cảm biến. Với cảm biến Class C, lệnh (downlink) được gửi gần như ngay lập tức sau khi được lập trình. Ngược lại, với cảm biến Class A, lệnh chỉ được gửi khi thiết bị chủ động nhận được một gói tin từ cảm biến trước đó.

2.10. Tốc độ dữ liệu

Tốc độ truyền dữ liệu trong mạng LoRaWAN thường dao động từ 0,3 kbps đến 50 kbps. Mức này phù hợp với việc truyền các gói dữ liệu nhỏ – đặc trưng của các ứng dụng IoT – với kích thước dữ liệu tải (payload) từ 51 đến 241 byte.

3. Ưu điểm của LoRaWAN

• Tiết kiệm năng lượng & chi phí vận hành thấp: Tuổi thọ pin kéo dài giúp giảm chi phí bảo trì.
• Khoảng cách phủ sóng xa: Khả năng hoạt động tốt trong môi trường có nhiều vật cản như tường, tầng nhà.
• Đa dạng cảm biến, dễ triển khai: Hệ sinh thái thiết bị phong phú và quy trình cài đặt đơn giản.
• Hỗ trợ định vị không cần GPS: Có thể xác định vị trí thiết bị thông qua các kỹ thuật như TDoA (Time Difference of Arrival) hoặc RSSI (Received Signal Strength Indicator).
• Mạng linh hoạt: Hỗ trợ cả mô hình mạng công cộng và mạng riêng tư.
• Bảo mật cao: Sử dụng mã hóa AES 128-bit hai lớp (một lớp cho mạng và một lớp cho ứng dụng) để bảo vệ dữ liệu.

4. Nhược điểm của LoRaWAN

• Tốc độ thấp: Không phù hợp cho các ứng dụng cần truyền lượng dữ liệu lớn hoặc các tệp đa phương tiện.
• Độ trễ cao ở Class A: Không lý tưởng cho các yêu cầu điều khiển cần độ chính xác cao về thời gian thực.
• Cần quản lý kỹ luồng dữ liệu: Để tránh tình trạng trùng lặp dữ liệu hoặc quá tải tại các gateway.

5. Kết luận

LoRaWAN là một giải pháp lý tưởng cho các hệ thống IoT đòi hỏi kết nối tầm xa, chi phí thấp, tiêu thụ điện năng hiệu quả và hoạt động ổn định trong các môi trường phức tạp như tòa nhà, khu công nghiệp, nông nghiệp thông minh hay các ứng dụng đô thị thông minh. Đặc biệt, trong các dự án cải tạo tòa nhà cũ, nơi việc đi dây gặp nhiều khó khăn, LoRaWAN mang lại hiệu quả vượt trội nhờ khả năng truyền tín hiệu xuyên tầng, tự động điều chỉnh tốc độ dữ liệu và quy trình triển khai nhanh chóng.

6 Tài liệu tham khảo

[1] https://www.wattsense.com/blog/communication-protocols/what-is-lorawan/