Hướng dẫn cơ bản về LoRaWAN: Tất cả những gì bạn cần biết về tiêu chuẩn IoT toàn cầu

Bạn đang muốn bắt đầu một dự án IoT tự làm nhưng không biết nên bắt đầu từ đâu? Hoặc có thể bạn vừa mới tìm hiểu về công nghệ IoT nhưng lại bị choáng ngợp bởi vô vàn các giao thức và tiêu chuẩn khác nhau? Đừng lo, mình sẽ giúp bạn điều đó! Bài viết này sẽ đề cập đến một trong những tiêu chuẩn IoT phổ biến nhất đối với cả những người đam mê lẫn chuyên gia: LoRaWAN, một tiêu chuẩn được xây dựng dựa trên công nghệ LoRa. Tại đây, bạn sẽ tìm thấy những khái niệm quan trọng nhất về chủ đề này. Mình đã cố gắng trình bày chúng theo cách dễ hiểu nhất có thể.}

{LoRaWAN hoạt động bằng cách truyền tải dữ liệu qua sóng vô tuyến tần số thấp, giúp tiết kiệm năng lượng và mở rộng khoảng cách kết nối giữa các thiết bị. Công nghệ này không chỉ phù hợp cho các ứng dụng cá nhân mà còn hỗ trợ mạnh mẽ cho việc triển khai các mạng lưới IoT quy mô lớn với khả năng tương tác linh hoạt giữa nhiều loại cảm biến khác nhau được tối ưu hóa để sử dụng với LoRaWAN. Điều này thực sự nhấn mạnh vai trò của LoRaWAN trong việc xây dựng một hệ sinh thái IoT bền vững hơn.

LoRaWAN là một tiêu chuẩn mạng LPWAN (Mạng diện rộng tiết kiệm năng lượng) được duy trì bởi Hiệp hội LoRa, một tổ chức phi lợi nhuận mở với sứ mệnh thúc đẩy tiêu chuẩn này. Theo như tổ chức này tuyên bố, LoRaWAN hiện đang là đặc tả IoT LPWAN hàng đầu. Tiêu chuẩn LoRaWAN quy định ba yếu tố chính: ngăn xếp giao thức, các tham số khu vực và kiến trúc mạng.

Ngăn xếp giao thức bao gồm lớp vật lý LoRaPHY và giao thức mạng LoRaWAN, mà thực chất bao gồm cả lớp liên kết và lớp mạng. Hệ thống này cho phép các thiết bị IoT truyền tải dữ liệu một cách hiệu quả giữa các thiết bị và cổng kết nối (gateway). Quan trọng hơn nữa, tính năng bảo mật của nó cũng rất đáng chú ý; việc mã hóa ở lớp cuối giúp đảm bảo an toàn cho thông tin trong suốt quá trình truyền tải.

Ngoài ra, công nghệ và vật liệu sử dụng trong các thiết bị LoRa cũng đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện độ bền cũng như khả năng truyền thông của chúng trong những môi trường khắc nghiệt. Điều này giúp nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống tổng thể, mang lại sự tin cậy cần thiết cho người dùng khi triển khai ứng dụng IoT trong thực tế.

Các tham số mạng xác định các biến quan trọng, bao gồm tần số kênh, băng thông kênh và thời gian truyền cho các giao tiếp LoRaWAN trên toàn cầu. Kiến trúc mạng chuẩn hóa cấu trúc tổng thể của mạng, chức năng và tên gọi của từng loại thiết bị cũng như mối quan hệ và tương tác giữa các nút trong mạng.

Mạng LoRaWAN sử dụng cấu trúc hình sao. Các mạng này bao gồm các nút cuối/các thiết bị đầu cuối, cổng kết nối (gateway), máy chủ mạng (network server) và máy chủ ứng dụng (application server). Nguyên lý hoạt động của giao thức LoRaWAN rất thú vị; nó cho phép các nút cảm biến giao tiếp với cổng thông qua sóng vô tuyến. Điều này tạo nên một nền tảng mạnh mẽ cho việc thu thập dữ liệu từ xa.

Ngoài ra, vật liệu và công nghệ chế tạo anten cũng đóng vai trò quan trọng vì chúng ảnh hưởng đến khả năng truyền tín hiệu và phạm vi kết nối. Máy chủ mạng giúp quản lý lưu lượng dữ liệu từ các thiết bị đầu cuối đến máy chủ ứng dụng, điều này làm tăng tính hiệu quả trong việc xử lý thông tin mà không làm giảm tốc độ truyền tải.

Sự tương tác giữa các thành phần trong hệ thống là rất phức tạp nhưng cũng đầy thú vị, giúp độc giả hiểu rõ hơn về cách mà tất cả những thứ này phối hợp để tạo ra một môi trường IoT linh hoạt và hiệu quả.

Cách thức hoạt động của các cổng (gateway) trong mạng LoRaWAN được giải thích như sau: Mỗi cổng sẽ được đăng ký với một máy chủ mạng LoRaWAN thông qua các thiết lập cấu hình. Cổng nhận tín hiệu từ các thiết bị đầu cuối và đơn giản là chuyển tiếp chúng đến máy chủ mạng. Các cổng này có thể kết nối với máy chủ mạng bằng nhiều phương thức khác nhau như 3G, 4G, 5G, WiFi, Ethernet, quang học hoặc liên kết radio 2.4 GHz.

Máy chủ mạng không chỉ quản lý toàn bộ mạng mà còn đảm bảo rằng dữ liệu được truyền tải một cách an toàn và hiệu quả. Nguyên lý hoạt động của gateway khá thú vị; nó như một cầu nối giữa các thiết bị IoT sử dụng công nghệ LoRa và máy chủ trung tâm. Qua đó, mỗi khi có dữ liệu mới từ thiết bị gửi lên, gateway sẽ nhận tín hiệu và ngay lập tức chuyển tiếp để xử lý tiếp theo.

Thêm vào đó, việc chọn lựa vật liệu hay linh kiện chất lượng cao trong sản xuất gateway cũng rất quan trọng nhằm tối ưu hóa hiệu suất làm việc của nó. Gateway đóng vai trò then chốt trong việc quản lý băng tần và bảo mật thông tin truyền tải giữa các thiết bị với máy chủ. Nhờ vậy mà người dùng có thể yên tâm hơn về tính ổn định cùng độ bảo mật của hệ thống IoT mà họ đang sử dụng.

Chúng lọc các tin nhắn trùng lặp nhận được từ nhiều cổng khác nhau, định tuyến tải ứng dụng uplink đến máy chủ ứng dụng chính xác, cung cấp xác nhận cho các tin nhắn, gửi thông điệp Adaptive Data Rate (ADR), xử lý yêu cầu tham gia và thực hiện nhiều chức năng liên quan đến bảo mật và mạng khác. Các máy chủ ứng dụng sẽ xử lý các tải trọng của lớp ứng dụng và tạo ra các tin nhắn xuống (các lệnh Medium Access Control (MAC) xuống, mà là những thông điệp kiểm soát mạng và thiết bị đầu cuối được tạo ra bởi các máy chủ mạng). **Các thiết bị đầu cuối thường bao gồm các vi điều khiển kết nối với cảm biến, bộ điều khiển hoặc cả hai.** Những thiết bị này thường sử dụng nguồn pin, có bộ điều chế LoRa và triển khai ngăn xếp giao thức LoRaWAN trong firmware. Mỗi thiết bị đầu cuối phải được đăng ký với một mạng trước khi gửi và nhận tin nhắn. Quá trình tham gia vào một mạng được gọi là "kích hoạt thiết bị đầu cuối". Một thiết bị đầu cuối có thể gán cố định với một mạng đã chọn trước bằng cách Kích hoạt Bằng Cá nhân hóa (ABP) hoặc nó có thể tìm kiếm và yêu cầu tham gia vào một mạng thông qua kích hoạt qua không khí (OTAA). Các thiết bị thuộc về một mạng với các cổng nhận biết vị trí có thể sử dụng khả năng định vị không cần GPS thông qua [kỹ thuật trilateration dựa trên dấu thời gian gửi từ mạng.]## Giao thức Mạng LoRaWAN!

Giao thức Mạng LoRaWAN là giao thức lớp liên kết và lớp mạng của ngăn xếp giao thức LoRaWAN. Các khung lớp liên kết là tải trọng của các gói radio vật lý LoRaPHY được mô tả ở Phần 2.1.2. Một số loại khung chỉ được sử dụng trong quá trình tham gia của các thiết bị đầu cuối mới. Tuy nhiên, loại tin nhắn chính trong lớp liên kết, như đã thấy trong Hình 2.5, chứa ba trường: tiêu đề, tải trọng và mã toàn vẹn thông điệp (MIC). Tiêu đề khung lớp liên kết bao gồm một số thông tin về loại tin nhắn. Các loại tin nhắn bao gồm dữ liệu đã xác nhận và chưa xác nhận, yêu cầu tham gia và tái tham gia, lệnh MAC cũng như thậm chí là những loại tin nhắn tùy chỉnh dùng để thực hiện những loại không chuẩn khác. Tải trọng chứa các gói dữ liệu của lớp mạng. MIC phục vụ mục đích khác với các trường CRC trong giao thức tầng vật lý; trong khi các trường CRC được dùng để phát hiện lỗi và sửa chữa lỗi thì MIC lại dùng cho mục đích bảo mật, cho phép người nhận xác định xem thông điệp có bị thay đổi hay không.

Tải trọng của lớp liên kết có thể coi như gói dữ liệu của lớp mạng theo quy chuẩn LoRaWAN.

Tài liệu chính thức gọi các gói dữ liệu ở lớp mạng này là "MACPayload", bởi vì định nghĩa về các lớp liên kết và mạng của mô hình ISO/IEC 7498–1 không hoàn toàn phù hợp với các mạng LoRaWAN. Các gói này bao gồm một tiêu đề khung, một trường cổng tùy chọn và một phần tải tùy chọn. Tiêu đề chứa địa chỉ thiết bị đầu cuối, bộ đếm khung, trường điều chỉnh tốc độ dữ liệu và nhiều trường tùy chọn khác. Trường cổng cho phép thử nghiệm giao thức cũng như mở rộng ứng dụng tiêu chuẩn trong tương lai. Phần tải chứa dữ liệu ứng dụng đã được mã hóa để bảo mật thông tin.

Giao thức LoRaWAN hỗ trợ ba loại thiết bị: lớp A (từ "Tất cả các thiết bị đầu cuối"), lớp B (từ "Beacon") và lớp C (từ "Nghe liên tục"). Các lớp thiết bị này hoàn toàn tương thích với nhau, có nghĩa là những thiết bị thuộc lớp C cũng tương thích với lớp A và lớp B, trong khi đó, các thiết bị thuộc lớp B chỉ tương thích với lớp A mà không tương thích với lớp C. Sự khác biệt chính giữa các loại này chủ yếu nằm ở cửa sổ tiếp nhận và truyền tín hiệu.

Để tăng cường hiểu biết về giao thức này, chúng ta có thể khám phá thêm một số nguyên lý hoạt động của LoRaWAN, như việc sử dụng phương pháp điều chế chirp spread spectrum để cải thiện khả năng chống nhiễu. Ngoài ra, chất liệu của thiết bị cũng rất quan trọng; ví dụ như anten đơn cực hay đa cực có thể ảnh hưởng lớn đến hiệu suất truyền tải tín hiệu.

Bên cạnh đó, việc tùy chỉnh các tham số như tốc độ bit, tần số hoạt động và khoảng cách giữa các nút mạng sẽ giúp tối ưu hóa khả năng kết nối của toàn bộ hệ thống. Những thông tin bổ sung này sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về chức năng và ứng dụng thực tiễn của giao thức LoRaWAN trong cuộc sống hàng ngày.

Lớp A chủ yếu tập trung vào việc tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng ở mức cực thấp, điều này có thể khiến cho thiết bị ít sẵn có hơn. Các thiết bị trong lớp này thường ở trạng thái tiết kiệm năng lượng, như chế độ ngủ nhẹ hoặc thậm chí là ngừng hoạt động hoàn toàn. Về cơ bản, các nút cuối lớp A chỉ thức dậy để phát tín hiệu và sẽ có hai khoảng thời gian tiếp nhận sau khi kết thúc quá trình truyền tải. Thời gian giữa cửa sổ truyền và các cửa sổ tiếp nhận được quy định trong thông số kỹ thuật của các tham số khu vực theo tiêu chuẩn LoRaWAN. Mặc dù có hai khoảng thời gian tiếp nhận mở sau khi truyền tải, nhưng thực tế chỉ một trong số đó được dùng cho các tin nhắn xuống (downlink), nghĩa là nếu một tin nhắn được nhận trong cửa sổ tiếp nhận đầu tiên thì cửa sổ thứ hai sẽ không còn khả dụng nữa. Điều này tạo ra sự cân bằng giữa việc tiết kiệm năng lượng và khả năng kết nối của thiết bị, rất phù hợp cho những ứng dụng cần hiệu suất cao mà vẫn giữ mức tiêu thụ điện thấp nhất có thể.

Các thiết bị lớp A rất hiếm khi nhận được lệnh từ mạng. Hầu hết các nút cuối lớp A thường chỉ hoạt động một chiều hoặc hướng đến việc thu thập dữ liệu, chúng truyền tải thông tin mà không chấp nhận hoặc chỉ chấp nhận rất ít lệnh điều khiển. Những thiết bị này bao gồm các loại đồng hồ đo như nước, nhiệt độ, tiếng ồn, dòng điện, điện áp và cảm biến ánh sáng hay các thiết bị giám sát như cảm biến đỗ xe, khoảng cách và chuyển động. Các thiết bị lớp A thường được sử dụng cho những ứng dụng không nhạy cảm về thời gian và có thể chịu mất mát thông tin.

Ngược lại với lớp A là lớp C. Lớp C tập trung vào khả năng sẵn sàng của thiết bị mà không chú trọng đến tiết kiệm năng lượng. Khác với hầu hết các nút cuối lớp A, những thiết bị thuộc lớp này thường được kết nối trực tiếp với nguồn điện và không phải chạy bằng pin. Chúng luôn sẵn sàng để nhận tín hiệu ngoại trừ trong thời gian truyền tải dữ liệu.

Các nút cuối lớp C thường cần nhận một lượng lớn dữ liệu hoặc nhiều lệnh từ các tin nhắn hạ nguồn và được triển khai trong những ứng dụng đòi hỏi thời gian phản hồi nhạy cảm hơn. Các thiết bị thuộc lớp B là một loại trung gian nhằm đạt được mức tiêu thụ năng lượng thấp trong khi vẫn cung cấp các cửa sổ tiếp nhận thường xuyên nhưng không liên tục, gọi là "ping slots". Những thiết bị này cần tìm kiếm và nhận tín hiệu mạng để đồng bộ hóa với hệ thống mạng, tránh sự lệch pha giữa đồng hồ nội bộ của thiết bị và thời gian của mạng. Trong trường hợp không thể nhận được tín hiệu do nằm ngoài vùng phủ sóng của cổng kết nối, mạng gặp sự cố hoặc có nhiễu sóng, các thiết bị lớp B sẽ dần mở rộng các cửa sổ tiếp nhận để điều chỉnh cho sự lệch pha có thể xảy ra của đồng hồ nội bộ nhằm khôi phục lại tín hiệu mạng. Lớp B nên hoạt động mà không có tín hiệu ít nhất là hai giờ trước khi chuyển xuống chế độ lớp A, đặt lại hoặc tắt nguồn.