การทำความเข้าใจขีดจำกัด ของ LoRaWAN


Posted 16 Apr 2021 16:21 | 904 views

I: LoRaWAN เครือข่ายอัจฉริยะเชื่อมต่อฉับไวสำหรับโลก IoT หากขุมพลังสำคัญสำหรับสมาร์ทโฟนคือเครือข่าย 5G ที่จะทำให้การใช้งานอินเทอร์เน็ตเร็วขึ้น-แรงขึ้น เครือข่าย LoRaWAN ก็คือขุมพลังของ IoT ที่จะช่วยให้การเชื่อมต่อแบบไร้สายของอุปกรณ์ต่างๆ มีประสิทธิภาพสูงขึ้น

          ปัจจุบันเครือข่าย LoRaWAN ครอบคลุมแล้วทั่วประเทศ นั่นหมายถึง โอกาสมหาศาลที่ทั้งภาครัฐและเอกชนจะนำเทคโนโลยีนี้ไปประยุกต์ใช้ ทั้งในแง่การบริหารจัดการจราจร การเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตในภาคการเกษตรและอุตสาหกรรม การเก็บข้อมูลการท่องเที่ยว และอื่นๆ อีกมากมาย

          ด้วยจุดเด่นในเรื่องของระยะทางการสื่อสารที่สามารถรับ-ส่งข้อมูลได้ในระยะไกล 5-15 กิโลเมตร และที่สำคัญคือใช้พลังงานต่ำจึงสามารถยืดอายุการใช้งานของอุปกรณ์ IoT ให้นานยิ่งขึ้นในอุปกรณ์ IoT ส่วนใหญ่ที่ทำงานด้วยพลังงานแบตเตอรี่ 
 


l. การทำความเข้าใจขีดจำกัด ของ LoRaWAN

            LoRa หมายถึง โปรโตคอลการเชื่อมต่อเฉพาะในส่วนของ Link 
            LoRaWAN หมายถึง การเชื่อมต่อในลักษณะของการเป็นโครงข่าย

         เครือข่าย LoRaWAN ใช้ย่านความถี่ที่ไม่ต้องมีใบอนุญาต ซึ่งแต่ละที่จะมีช่องความถี่ที่อนุญาตให้ใช้งานแตกต่างกันออกไป 

  • 169 MHz, 433 MHz, 868 MHz สำหรับยุโรป
  • 915 MHz สำหรับอเมริกาเหนือ 
  • 433 Mhz สำหรับเอเชีย

          โดยทาง กสทช. อนุญาตให้ใช้งาน LoRa ย่านคลื่นความถี่ 920-925 MHz กำลังส่งสูงสุดไม่เกิน 4 วัตต์ได้แล้ว 

  • Standard: LoRaWAN 
  • Frequency: Various
  • Range: 2-5km (urban environment), 15km (suburban environment)
  • Data Rates: 0.3-50 kbps

          เทคโนโลยี Low-Power Wide Area Networking (LPWAN) เป็นการสื่อสารระยะไกล ที่ให้บริการรูปแบบใหม่ๆ และ LoRaWAN เป็นสัญญานการเชื่อมต่อที่ได้รับการยอมรับมากที่สุด เป็นเครือข่ายการเชื่อมต่อที่แพร่หลายในแอปพลิเคชัน IoT ต่างๆ และการจัดการที่เรียบง่าย เทคโนโลยีนี้ได้รับความสนใจอย่างมากมาจากผู้ให้บริการเครือข่ายและผู้ให้บริการโซลูชัน อย่างไรก็ตามเทคโนโลยีก็มีข้อจำกัดที่ต้องเข้าใจด้วยเช่นกัน บทความนี้จะกล่าวถึง ภาพรวมที่เกี่ยวกับความสามารถและข้อจำกัดของ LoRaWAN ให้ผู้อ่านได้ทราบกัน 


ที่มารูปภาพ : http://www.telereading.it/img/page/m2m.jpg

          ผู้ให้บริการเครือข่ายเริ่มปรับใช้โซลูชัน M2M (Machine to Machine คือ เทคโนโลยีที่ทำให้อุปกรณ์ต่างๆ สามารถส่งข้อมูลระหว่างกันเองได้) ทั้งแนวนอนเพื่อให้ครอบคลุมแนวดิ่งขนาดใหญ่ โดยใช้เทคโนโลยี Low Power Wide Area Networking (LPWAN)  เช่น เมืองอัจฉริยะ การวัดแสงการควบคุมแสงบนถนน หรือด้านเกษตรกรรมที่แม่นยำ แม้ว่าประโยชน์ของเทคโนโลยีเหล่านี้จะเป็นที่รู้จักและมักถูกมองว่าเป็นตัวเปิดใช้งานหลักสำหรับบางแอปพลิเคชันแต่ก็ยังมีเรื่องที่ไม่เข้าใจข้อจำกัดของเทคโนโลยีเหล่านี้

               LoRaWAN เป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่ประสบความสำเร็จมากที่สุดในพื้นที่ LPWAN และ LoRaWAN ยังมีอัตราข้อมูลดิบสูงสุด 27 kbps (50 kbps เมื่อใช้ FSK แทน LoRa) และกล่าวว่าเกตเวย์เดียวสามารถรวบรวมข้อมูลจากโหนดหลายพันโหนดที่ใช้งานห่างออกไปหลายกิโลเมตรได้

จุดเด่นของเทคโนโลยี LPWAN คืออะไร?

  • Low Power Consumption – ใช้พลังงานน้อย
  • Long Range Communication – เชื่อมต่อได้ในระยะไกล มากถึง 5 กิโลเมตร
  • Low-Cost Wide Area Network – ราคาถูก ต้นทุนต่ำ
  • Easy Deployment Private Network – สามารถตั้ง network ส่วนตัวได้โดยง่าย                                        

  ที่มารูปภาพ: http://blog.ibcon.com/wp-content/uploads/2020/05/Screen-Shot-2563-05-07-at-16.39.56-768x587.png
 


ll. ภาพรวมของเทคโนโลยี LPWAN และ CELLULAR สำหรับ IOT    (OVERVIEW OF LPWAN AND CELLULAR TECHNOLOGIES FOR IOT)

          
           A. Low-Power Wide-Area Alternatives แม้ว่า LoRaWAN จะเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่นำมาใช้มากที่สุดสำหรับ IoT แต่ก็มีเทคโนโลยี LPWAN มากมายในตลาดเช่น Ingenu, Weightless W, N และ P หรือ SigFox

           Ingenu พัฒนาเทคโนโลยี LPWAN ที่เป็นกรรมสิทธิ์ในย่านความถี่ 2.4 GHz โดยใช้ Random Phase Multiple Access (RPMA) เพื่อจัดหาโซลูชันอุตสาหกรรม M2M และเครือข่ายส่วนตัว

          Weightless Special Interest Group ได้พัฒนาชุดของมาตรฐานแบบเปิดสามแบบสำหรับ LPWAN: Weightless-W, Weightless-N และ Weightless-P Weightless-W และได้รับการพัฒนาเป็นโซลูชันแบบสองทิศทาง (uplink / downlink) มี Time Division Duplex ระหว่างอัปลิงค์และดาวน์ลิงค์อัตราข้อมูลอยู่ในช่วง 1 kbps ถึง 1 Mbps และอายุการใช้งานแบตเตอรี่ประมาณ 3-5 ปี Weightless-N ได้รับการออกแบบมาเพื่อขยายช่วง Weightless-W และลดการใช้พลังงาน (อายุการใช้งานแบตเตอรี่นานถึง 10 ปี) Weightless-N ต่างจาก Weightless-W บนเทคโนโลยี Ultra Narrow Band (UNB) และทำงานในย่านความถี่ UHF 800-900 MHz; ให้การสื่อสารอัปลิงค์เท่านั้น สุดท้าย Weightless-P ได้รับการเสนอให้เป็นโซลูชันการสื่อสารสองทาง ที่มีประสิทธิภาพสูงสามารถทำงานได้มากกว่า 169, 433, 470, 780, 868, 915 และ 923 MHz โดยมีอายุการใช้งานแบตเตอรี่ 3-8 ปี

          LoRaWAN SigFox เป็นหนึ่งในโซลูชั่น LPWAN ที่ได้รับการยอมรับมากที่สุด เป็นโซลูชัน UNB ที่เป็นกรรมสิทธิ์ซึ่งทำงานในย่านความถี่ 869 MHz (ยุโรป) และ 915 MHz (อเมริกาเหนือ) สัญญาณของมันคือแบนด์วิดท์ที่แคบมาก ( แบนด์วิดท์100 Hz ) และขึ้นอยู่กับ Random Frequency and TimeDivision Multiple Access (RFTDMA) และอัตราข้อมูลสูงสุดประมาณ 100 bps ในการอัปลิงค์ ขีดจำกัดเหล่านี้ทำให้ผู้ใช้ SigFox เปลี่ยนความสนใจไปที่ LoRaWAN ซึ่งถือว่ามีความยืดหยุ่นและเปิดกว้างมากขึ้น


           B. Cellular solutions for IoT (โซลูชันเซลลูลาร์สำหรับ IoT)


  ที่มารูปภาพ: https://miro.medium.com/max/800/0*tD9weUCnBMfEyjTh.png

               โครงการความร่วมมือรุ่นที่ 3 (3GPP) เป็นโครงการความร่วมมือที่มุ่งพัฒนาข้อกำหนดที่เป็นที่ยอมรับทั่วโลกสำหรับระบบมือถือรุ่นที่สาม (3G) 3GPP มีเป้าหมายหลักในเครือข่ายโทรคมนาคมส่วนใหญ่ในโลก 3GPP จัดการตลาด IoT จากแนวทางเลือกสามทาง โดยการกำหนดมาตรฐานของ Machine Type Communications (eMTC), Narrow Band IoT (NB-IoT) และ EC-GSM-IoT


  ที่มารูปภาพ: https://www.matichon.co.th/wp-content/uploads/2018/08/AIS-eMTC-Infographic3.jpg

               eMTC เป็นการพัฒนางานที่สามารถเข้าถึงได้ถึง 1 Mbps ในการอัปลิงค์และดาวน์ลิงค์และทำงานในย่านความถี่ LTE ด้วยแบนด์วิดท์ 1.08 MHz NBIoT สุดท้าย EC-GSM-IoT คือวิวัฒนาการของ EGPRS ไปสู่ ​​IoT โดยมีอัตราข้อมูลระหว่าง 70 ถึง 240 kbps แม้ว่าแนวทางที่เสนอโดย 3GPP จะช่วยลดการใช้พลังงานและค่าใช้จ่ายของอุปกรณ์ แต่ก็ยังไม่พบคู่ค้าที่ไม่ใช่ 3GPP


lll. ภาพรวม ของ LoRaWAN

         
          LoRaWAN คือ MAC (media access control) protocol สำหรับการเชื่อมต่อเครือข่ายในวงกว้าง (WAN - wide area networks) ซึ่งดีไซน์มาเพื่ออนุญาติให้อุปกรณ์แบบกินพลังงานต่ำ ( low-powered) สื่อสารกับแอปพลิเคชันที่เชื่อมต่อกับอินเทอร์เน็ต แบบไร้สายในระยะไกล (long-range)

          LoRa เป็นเลเยอร์ทางกายภาพที่ใช้ใน LoRaWAN มีการใช้พลังงานต่ำ (อายุการใช้งานแบตเตอรี่ประมาณ 10 ปี) อัตราการส่งข้อมูลต่ำ (27 kbps พร้อมช่องสัญญาณ7 และ 500 kHz หรือ 50 kbps พร้อม FSK) และช่วงการสื่อสารที่ยาว (2-5 กม. ในเขตเมือง และ 15 กม. พื้นที่ชานเมือง)


 
 

          ตามข้อกำหนดของ LoRaWAN ได้กำหนดประเภทของอุปกรณ์ (Device) ไว้ 3 ประเภท โดยอุปกรณ์ (Device) ทั้งหมดต้องดำเนินการอยู่บน Class A เป็นพื้นฐาน ในขณะที่ Class B และ Class C เป็นส่วนขยายสำหรับข้อกำหนดของอุปกรณ์ Class A     

          Class A (all) ตัวอุปกรณ์จะรองรับการสื่อสารแบบสองทิศทางระหว่างอุปกรณ์กับ Gateway. การส่งข้อความจาก Device ไปที่ Server สามารถทำได้ตลอดเวลา (แบบสุ่ม) โดยตัว Device จะทำการเปิด 2 หน้าต่างรับข้อมูลในเวลาที่กำหนด (1 วินาที และ 2 วินาที) หลังจากส่งข้อความไปแล้ว

ถ้า Server ไม่มีการตอบสนองต่อหน้าต่างรับข้อมูลทั้งสองของ Device โอกาสต่อไปที่ Server จะทำการ Downlink message ลงมาได้คือเมื่อเสร็จสิ้นการส่งข้อความจาก Device ไปที่ Server ครั้งต่อไป

          Class B (beacon) อุปกรณ์ของ Class B จะขยายเพิ่มเติมจาก Class A ตรงจะมีหน้าต่างรับข้อมูลที่ถูกกำหนดไว้แล้วเพิ่มขึ้นมา เพื่อรับข้อความจาก Server มีรูปแบบการส่งแบบ beacons ซึ่งให้จังหวะเวลาทั้งสองทางที่ติดต่อกัน (time-synchronized) จาก Gateway และ ตัว Device จะทำการเปิดหน้าต่างรับข้อมูลเป็นระยะๆ

          Class C (continuous) จะเพิ่มเติมจาก Class A ตรงที่หน้าต่างรับข้อมูลจะเปิดค้างไว้จนกว่าตัว Device จะทำการส่งข้อมูลอีกครั้ง ซึ่งช่วยทำให้การสื่อสารมีความหน่วงต่ำ แต่จะใช้พลังงานมากกว่าอุปกรณ์ Class A

          PHY พื้นฐานของทั้งสามคลาสนั้นเหมือนกันที่การสื่อสารระหว่างอุปกรณ์ปลายทางและเกตเวย์เริ่มต้น ด้วยขั้นตอนการเข้าร่วมที่สามารถเกิดขึ้นได้ในหลายช่องความถี่ (เช่น ใน EU863-870 ISM Band จะมี 3 ช่องสัญญาณ 125 kHz ที่อุปกรณ์ปลายทางทั้งหมดต้องรองรับและอีก 3 ช่องสัญญาณ 125 kHz) โดยแต่ละเฟรมจะถูกส่งด้วย Spreading Factor (SF) เฉพาะซึ่งกำหนดเป็น SF = log2 (Rc/Rs) โดยที่ Rs คือ อัตราสัญลักษณ์ และ Rc คือ อัตราชิป ดังนั้นจึงมีการแลกเปลี่ยนระหว่าง SF และช่วงการสื่อสารยิ่ง SF สูง (การส่งช้าลง) ระยะการสื่อสารก็จะยิ่งยาวขึ้น

          LoRa ใช้การมอดูเลต Chirp Spread Spectrum (CSS) ซึ่งเป็นเทคนิคสเปกตรัมการแพร่กระจายที่สัญญาณจะถูกมอดูเลต โดยพัลส์ chirp (พัลส์ไซน์ไซน์ที่แตกต่างกันความถี่) จึงช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นและความทนทานต่อสัญญาณรบกวนเอฟเฟกต์ Doppler และมัลติพาธแพ็คประกอบด้วย คำนำหน้า (โดยทั่วไปมี 8 สัญลักษณ์) ส่วนหัว (โหมดบังคับ) น้ำหนักบรรทุก (มีขนาดสูงสุดระหว่าง 51 ไบต์ถึง 222 ไบต์ขึ้นอยู่กับ SF) และฟิลด์ Cyclic Redundancy Check (CRC) (พร้อมการกำหนดค่าที่ให้อัตราการเข้ารหัสตั้งแต่ 4/5 ถึง 4/8)


แบนด์วิดท์ คือ ความเร็วในการส่งผ่านข้อมูล

          ค่าแบนด์วิดท์ทั่วไป (BW) คือ 125, 250 และ 500 kHz ในย่านความถี่ HF ISM 868 และ 915 MHz ขณะที่ค่าคือ 7.8, 10.4, 15.6, 20.8, 31.2,41.7 และ 62.5 kHz ในย่านความถี่ LF 160 และ 480 MHz อัตราข้อมูลดิบที่แตกต่างกันไปตามที่เอสเอฟและแบนด์วิดธ์และช่วงระหว่างวันที่ 22 bps (BW = 7.8 เฮิร์ทซ์และเอสเอฟ = 12) ไป 27 กิโลบิตต่อวินาที (BW = 500 เฮิร์ทซ์และเอสเอฟ = 7)

การกระจายความถี่จะถูกใช้ในการส่งแต่ละครั้ง
เพื่อลดการรบกวนจากภายนอก
   


 

lV. ขีดจำกัด ความจุ และขนาดเครือข่าย LoRaWAN

    Next Part >>>

 

แหล่งที่มาบทความ

 

  • สื่อตีพิมพ์จาก IEEE Communications Magazine ในเดือนมกราคม 2017 
  • https://thestandard.co/iot-lorawan/