Trong những năm gần đây, mạng không dây đã phát triển đến mức cần có các giao thức truyền thông cho phép kết nối các thiết bị ở khoảng cách rất xa với mức tiêu thụ điện năng thấp. Mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN) là cơ sở hạ tầng cần thiết để kết nối các đối tượng phân tán với lưới điện, đảm bảo hiệu quả năng lượng và vùng phủ sóng rộng.

Kết nối không dây là yếu tố thiết yếu đối với IIoT.

Internet vạn vật công nghiệp (IIoT) là một công nghệ dựa trên các thiết bị được kết nối để trao đổi lượng lớn dữ liệu với máy móc và thiết bị quy mô công nghiệp. Nhiều ưu điểm của công nghệ này khiến nó trở thành một công cụ có giá trị để tạo ra một thế giới thông minh hơn và bền vững hơn.

Cốt lõi của IIoT là kết nối không dây, không chỉ là phương pháp truyền dữ liệu mà còn là một yếu tố kiến trúc ảnh hưởng đến toàn bộ vòng đời hệ thống. Các ứng dụng công nghiệp thường có những yêu cầu nghiêm ngặt về chất lượng dịch vụ liên quan đến độ bền, độ tin cậy, độ trễ, hiệu quả năng lượng và bảo mật.

Do đó, việc lựa chọn cẩn thận các tiêu chuẩn mạng phù hợp nhất là điều cần thiết để đáp ứng các yêu cầu và cung cấp các giải pháp IIoT hiệu quả. Việc tích hợp các thiết bị như cảm biến, bộ truyền động và đồng hồ đo thông minh vào các nhà máy sản xuất, mạng lưới phân phối điện, cơ sở hạ tầng cấp nước hoặc hệ thống hậu cần tiên tiến đòi hỏi các giải pháp có thể đảm bảo độ tin cậy, khả năng mở rộng và tính bền vững về kinh tế trong mười năm trở lên.

Việc lựa chọn công nghệ không dây phù hợp cho kết nối có thể khá khó khăn. Trước khi thảo luận về các tiêu chuẩn khác nhau, hãy cùng tìm hiểu các yếu tố chính cần phân tích khi lựa chọn kết nối không dây cho IIoT. Các yếu tố này bao gồm băng tần hoặc phổ tần khả dụng, độ phức tạp và chi phí lắp đặt, tốc độ truyền dữ liệu, vùng phủ sóng mạng, cấu trúc mạng, lượng dữ liệu được truyền tải và số lượng thiết bị tối đa có thể kết nối đồng thời.

Đối với các ứng dụng yêu cầu vùng phủ sóng nhỏ, các tiêu chuẩn Bluetooth Low Energy (LE) và Zigbee, được phân loại là mạng khu vực cá nhân (PAN), được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, đối với các ứng dụng yêu cầu vùng phủ sóng lớn, LPWAN có thể kết nối nhiều thiết bị phân bố trên khoảng cách vài kilômét, với những yêu cầu nghiêm ngặt về thời lượng pin và vùng phủ sóng vô tuyến.

Ưu điểm chính của LPWAN là cho phép hàng nghìn, hoặc đôi khi hàng triệu, thiết bị giao tiếp hai chiều với cổng, là điểm kết nối của mạng, sử dụng rất ít năng lượng và giảm chi phí cơ sở hạ tầng.

Tuy nhiên, khi chuyển từ lý thuyết sang thiết kế thực tiễn các hệ thống công nghiệp phức tạp, những khác biệt đáng kể giữa các công nghệ hiện có sẽ xuất hiện. LoRaWAN (Long Range Wide Area Network), được định nghĩa và tiêu chuẩn hóa bởi Liên minh LoRa, và tiêu chuẩn mạng di động Internet vạn vật băng hẹp (NB-IoT), được định nghĩa bởi Dự án Đối tác Thế hệ thứ 3 (3GPP), hiện đại diện cho hai cách tiếp cận riêng biệt nhưng bổ sung cho nhau. Những tác động kỹ thuật của mỗi lựa chọn ảnh hưởng đến hiệu suất tần số vô tuyến, kiến trúc phần mềm, bảo mật dữ liệu và chiến lược công nghiệp tổng thể của dự án.

Kiến trúc mạng và mô hình sử dụng

Một trong những khía cạnh quan trọng nhất khi so sánh LoRaWAN và NB-IoT là kiến trúc mạng và các trường hợp sử dụng công nghiệp phù hợp. LoRaWAN sử dụng cấu trúc liên kết hình sao, trong đó các thiết bị đầu cuối giao tiếp với một cổng kết nối qua sóng vô tuyến, và cổng này sau đó chuyển tiếp dữ liệu qua mạng IP đến một máy chủ trung tâm.

Cổng kết nối chuyển tiếp các gói dữ liệu đến máy chủ mạng, nơi quản lý các phiên, xác thực và định tuyến dữ liệu đến các ứng dụng. Việc tách biệt cơ sở hạ tầng vô tuyến và logic mạng cho phép triển khai mạng riêng do công ty kiểm soát, đặc biệt có lợi trong môi trường công nghiệp với các chính sách bảo mật và yêu cầu tích hợp với hệ thống cũ. LoRaWAN có tiềm năng lớn cho các ứng dụng đo lường thông minh và giám sát thời gian thực các thông số môi trường, độ rung và mức tiêu thụ điện năng trong các nhà máy công nghiệp, nơi khả năng triển khai mạng riêng cho phép thu thập dữ liệu trong phạm vi mạng của công ty.

Ngược lại, NB-IoT tương thích với các mạng di động hiện có và tận dụng các thành phần mạng lõi của LTE để truyền tín hiệu và quản lý lưu lượng. Thiết bị hoạt động như một thiết bị đầu cuối di động đơn giản, xác thực thông qua thẻ SIM hoặc eSIM và được quản lý bởi nhà mạng di động.

NB-IoT phù hợp với các ứng dụng yêu cầu chất lượng dịch vụ và mang lại lợi thế về khả năng chuyển vùng, phân bổ tài nguyên và quản lý tập trung. Tuy nhiên, nó phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng của nhà cung cấp dịch vụ và không nhất thiết đảm bảo thời lượng pin tương đương với LoRaWAN.

NB-IoT thường được sử dụng trong các ứng dụng phân tán quy mô lớn như đo lường từ xa và giám sát tài sản dọc theo đường ống hoặc mạng lưới phân phối điện, tận dụng lợi thế về vùng phủ sóng được cung cấp bởi các nhà mạng di động.

Hiệu năng và độ trễ của sóng vô tuyến

Về mặt vật lý, LoRaWAN sử dụng điều chế trải phổ chirp (Chirp Spread Spectrum), cho phép truyền tín hiệu trên một dải tần tương đối rộng đồng thời tăng cường khả năng chống nhiễu và nhiễu nền. Cơ chế hệ số trải phổ cho phép điều chỉnh tốc độ dữ liệu và độ nhạy của bộ thu, tạo ra sự cân bằng linh hoạt giữa tốc độ và phạm vi phủ sóng. Trong môi trường công nghiệp đặc trưng bởi các cấu trúc kim loại, máy móc lớn và chướng ngại vật, khả năng thích ứng này rất quan trọng để đảm bảo tính liên tục của dịch vụ mà không cần tăng công suất phát quá mức.

NB-IoT, dựa trên công nghệ LTE, sử dụng băng thông 180 kHz và các cơ chế lặp lại tín hiệu để cải thiện vùng phủ sóng trong môi trường khắc nghiệt. So với LoRaWAN, NB-IoT thường cung cấp độ trễ ổn định hơn và tốc độ truyền dữ liệu cao hơn trong khi vẫn thuộc nhóm tốc độ dữ liệu thấp. Đối với các ứng dụng yêu cầu cập nhật phần mềm qua mạng (OTA) hoặc truyền các nhật ký chẩn đoán lớn, khả năng này có thể ảnh hưởng đến lựa chọn kiến trúc.

Tuy nhiên, sự phức tạp cao hơn của kiến trúc NB-IoT đồng nghĩa với việc thời gian thiết lập kết nối và quá trình truyền dữ liệu có thể ảnh hưởng đến mức tiêu thụ điện năng và độ trễ ban đầu. Do đó, việc đánh giá hiệu năng không thể chỉ giới hạn ở thông lượng được chỉ định mà phải xem xét toàn bộ chu trình giao tiếp, bao gồm cả xác thực và xử lý lỗi.

Hiệu quả năng lượng

Một trở ngại lớn đối với các thiết bị không dây được kết nối để thu thập và trao đổi dữ liệu là thời lượng pin. Khả năng tự chủ vận hành là một chỉ số quan trọng đối với sự thành công của các dự án IIoT trong nhiều môi trường công nghiệp. Cảm biến thường được lắp đặt ở những vị trí khó tiếp cận và việc thay pin gây ra chi phí vận hành cao.

Nhờ giao thức đơn giản và khả năng cấu hình các chế độ hoạt động khác nhau, LoRaWAN cho phép các thiết bị duy trì trạng thái ngủ trong thời gian dài, chỉ hoạt động trong những khoảng thời gian ngắn để truyền dữ liệu. Điều này mang lại lợi thế về chi phí và tuổi thọ pin. Ngay cả với lưu lượng dữ liệu gián đoạn, thiết bị vẫn có tiềm năng hoạt động hơn một thập kỷ nếu dung lượng pin đủ lớn. Xét về tính đơn giản trong triển khai, so với chi phí cao hơn của NB-IoT, LoRaWAN có thể dễ dàng được triển khai với các vi điều khiển giá rẻ trên thị trường.

NB-IoT tích hợp các cơ chế tiên tiến như chế độ tiết kiệm năng lượng (PSM) và chế độ thu không liên tục mở rộng (eDRX), được thiết kế để giảm mức tiêu thụ điện năng khi thiết bị không tích cực giao tiếp. Tuy nhiên, quá trình đăng ký mạng và quản lý kết nối có thể dẫn đến mức tiêu thụ điện năng cao hơn so với LoRaWAN. Do đó, cần chú trọng đến thiết kế phần cứng, tối ưu hóa phần mềm và cấu hình các tham số mạng để đạt được thời gian hoạt động tương đương.

Trong các ứng dụng công nghiệp, việc phân tích mức tiêu thụ điện năng dựa trên các mô hình truyền dữ liệu thực tế thường được yêu cầu, có tính đến các giai đoạn truyền, nhận, chờ và khởi động. Các mô phỏng lý thuyết phải được kiểm chứng thông qua thử nghiệm thực địa, vì điều kiện môi trường, nhiệt độ và chất lượng tín hiệu đều có thể ảnh hưởng đến mức tiêu thụ điện năng tổng thể.

Tóm lại, đối với các yêu cầu giao tiếp thường xuyên, độ trễ rất thấp hoặc lượng dữ liệu lớn, NB-IoT có thể phù hợp hơn, trong khi LoRaWAN phù hợp hơn khi cần thời lượng pin dài và chi phí thấp.

An toàn, quản lý và tích hợp

Bảo mật dữ liệu và quản lý vòng đời thiết bị rất quan trọng trong IIoT, một lĩnh vực mà các lỗ hổng có thể dẫn đến rủi ro về vận hành hoặc kinh tế. Do đó, thông số kỹ thuật của LoRaWAN tích hợp các cơ chế xác thực và mã hóa ở nhiều cấp độ — thiết bị, mạng và ứng dụng — để đảm bảo tính toàn vẹn và bảo mật của thông tin liên lạc.

LoRaWAN sử dụng mã hóa AES-128 với các khóa riêng biệt cho lớp mạng và lớp ứng dụng, giúp phân tách rõ ràng việc quản lý cơ sở hạ tầng vô tuyến và việc kiểm soát dữ liệu ứng dụng.

Ngược lại, NB-IoT kế thừa cơ sở hạ tầng xác thực tập trung từ hệ thống thông tin di động, sử dụng thẻ SIM và các thuật toán được tiêu chuẩn hóa bởi 3GPP. Tiêu chuẩn này phù hợp với việc đọc cảm biến, giám sát và quản lý các nhóm thiết bị. Hơn nữa, việc quản lý thiết bị tập trung trên nhiều nền tảng và nhà mạng cho phép cung cấp thiết bị từ xa, cập nhật thông tin nhận dạng và giám sát liên tục trạng thái thiết bị. Đối với các dự án quy mô lớn với hàng nghìn thiết bị phân bố trên diện rộng, cơ sở hạ tầng này có thể đơn giản hóa đáng kể sự phức tạp trong vận hành.

Trong bối cảnh tích hợp với các hệ thống công nghiệp hiện có như SCADA và nền tảng điện toán biên, việc thiết kế cẩn thận giao diện giữa mạng LPWAN và lớp ứng dụng là rất quan trọng. Ở giai đoạn này, việc lựa chọn giữa LoRaWAN và NB-IoT phải xem xét khả năng tương thích với kiến trúc CNTT và OT của tổ chức.

Mô-đun LPWAN

Giám sát và điều khiển từ xa theo thời gian thực các máy móc công nghiệp có thể cải thiện hiệu quả và ngăn ngừa thời gian ngừng hoạt động để bảo trì. Một lần nữa, việc lựa chọn giao thức phụ thuộc vào loại ứng dụng. Đối với các ứng dụng yêu cầu giao tiếp thường xuyên và chất lượng dịch vụ cao, NB-IoT có thể phù hợp hơn LoRaWAN. Ngược lại, khi cần các cảm biến tiết kiệm chi phí với thời lượng pin dài để giám sát thiết bị, LoRaWAN có thể phù hợp hơn. Nhìn chung, do nhu cầu đa dạng trong lĩnh vực này, cả NB-IoT và LoRaWAN đều có thể được sử dụng.

Hãy cùng xem xét một số mô-đun thương mại dành cho truyền thông cấp công nghiệp sử dụng công nghệ LoRaWAN và NB-IoT.

✦ Mô-đun NB-IoT từ u-blox

Các mô-đun dòng LEXI-R520 của Trasna (ban đầu được phát triển bởi u-blox) là các mô-đun siêu nhỏ gọn (16 × 16 mm) hỗ trợ các tiêu chuẩn di động 3GPP cho LTE-M và NB-IoT tại nhiều khu vực. Chúng cung cấp mức tiêu thụ điện năng thấp ở chế độ PSM/eDRX và tích hợp khả năng định vị GPS hỗ trợ SpotNow cho các ứng dụng IoT yêu cầu không gian hạn chế và phạm vi hoạt động xa. Các mô-đun này hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu lên đến khoảng 1,2 Mbps và phù hợp với các trường hợp sử dụng như đo khoảng cách công nghiệp, theo dõi tài sản và đo lường thông minh. [Trasna đã mua lại mảng kinh doanh mô-đun IoT di động của u-blox vào năm 2025.]

Dòng mô-đun Trasna SARA-R5, sử dụng chipset UBX-R5 độc quyền của công ty, tích hợp modem di động và GNSS với các tính năng bảo mật nâng cao, hỗ trợ đám mây và tối ưu hóa năng lượng. Các mô-đun này phù hợp với các ứng dụng công nghiệp tầm xa sử dụng truyền thông NB-IoT.

✦ Mô-đun LPWA Quectel

Quectel cung cấp một loạt mô-đun NB-IoT và LTE-M hỗ trợ nhiều cấu hình mạng, giao diện tiêu chuẩn (UART, GPIO và ADC) và các chức năng như DFOTA (nâng cấp firmware qua mạng). Các mô-đun trong danh mục này (ví dụ: BG95, BG77, BC92 và BG600L-M3) được thiết kế cho các ứng dụng công nghiệp yêu cầu hiệu quả năng lượng, khả năng tương thích băng tần và dễ dàng tích hợp phần cứng/phần mềm.

✦ Mô-đun LoRaWAN của Murata

Công ty TNHH Sản xuất Murata cung cấp nhiều loại mô-đun LoRaWAN, bao gồm các mẫu dựa trên bộ thu phát SX127x của Semtech Corp., được chứng nhận trước cho các băng tần dưới 1 GHz (ISM) và được tối ưu hóa cho mức tiêu thụ điện năng thấp và phạm vi liên lạc xa, những đặc điểm điển hình của mạng LoRa. Các tính năng chính bao gồm độ nhạy thu cao, các băng tần hoạt động theo khu vực và tốc độ truyền dữ liệu vài kilobit mỗi giây, làm cho chúng phù hợp với các cảm biến phân tán và các nút IoT.

Tác động về mặt pháp lý

Có một số dải tần điện từ có thể được sử dụng mà không cần cấp phép riêng. Chúng bao gồm các dải tần Công nghiệp, Khoa học và Y tế (ISM), được dành riêng trên toàn thế giới cho các ứng dụng công nghiệp, khoa học và y tế. Các dải tần ISM được sử dụng rộng rãi hiện nay bao gồm khoảng 433 MHz, 868 MHz, 915 MHz, 2,4 GHz và 5 GHz. Việc lựa chọn tần số vô tuyến có tác động đáng kể đến độ tin cậy, chi phí và độ phức tạp của thiết kế.

Công nghệ LoRaWAN thường hoạt động trong các dải tần không cần cấp phép, chẳng hạn như 868 MHz ở châu Âu hoặc 915 MHz ở Bắc Mỹ. Việc tiếp cận phổ tần không cần cấp phép cho phép các tổ chức và nhà tích hợp hệ thống triển khai mạng mà không cần xin giấy phép sử dụng phổ tần, giúp giảm chi phí ban đầu và đẩy nhanh thời gian đưa sản phẩm ra thị trường.

Đồng thời, việc sử dụng chung tần số dẫn đến những hạn chế về mặt pháp lý, chẳng hạn như giới hạn chu kỳ hoạt động và nguy cơ nhiễu từ các thiết bị khác hoạt động trong cùng dải tần. Trong môi trường không dây công nghiệp có mật độ thiết bị cao, việc lập kế hoạch hệ thống vô tuyến và bố trí cổng kết nối hợp lý là rất quan trọng để tránh tắc nghẽn và mất gói dữ liệu.

NB-IoT sử dụng phổ tần được cấp phép, thường nằm trong các băng tần LTE hiện có, ở chế độ độc lập, trong băng hoặc dưới dạng triển khai trong băng bảo vệ. Việc truy cập vào phổ tần được cấp phép này cho phép các nhà cung cấp dịch vụ kiểm soát tốt hơn hiện tượng nhiễu và đảm bảo chất lượng dịch vụ ổn định. Trong các ứng dụng quan trọng như giám sát nhà máy điện hoặc cơ sở hóa chất, hiệu suất ổn định là một yêu cầu không thể thiếu.

Phạm vi phủ sóng NB-IoT phụ thuộc vào kế hoạch triển khai của nhà cung cấp dịch vụ và có thể không đồng đều ở các khu công nghiệp vùng sâu vùng xa hoặc trong các môi trường trong nhà được che chắn nghiêm ngặt. Trong những trường hợp này, khả năng thiết kế mạng LoRaWAN chuyên dụng là một lợi thế đáng kể.

Tương lai của kết nối

Việc lựa chọn giữa LoRaWAN, được Liên minh LoRa thúc đẩy, và NB-IoT, một tiêu chuẩn của 3GPP, ảnh hưởng đáng kể đến chi phí triển khai, bảo mật, độ tin cậy về nguồn điện và quản trị mạng. Mỗi ứng dụng đều có những yêu cầu riêng biệt, dẫn đến những lựa chọn công nghệ khác nhau.

Kiến trúc lai kết hợp LoRaWAN cho kết nối cục bộ chi phí thấp và NB-IoT cho các thiết bị từ xa yêu cầu chất lượng dịch vụ cao có thể tạo ra sự cân bằng giữa khả năng điều khiển, vùng phủ sóng và chi phí triển khai. Sự phát triển lên 5G cũng cho thấy NB-IoT sẽ tiếp tục được tích hợp vào các hệ thống di động thế hệ tiếp theo, trong khi LoRaWAN sẽ tiếp tục phát triển, cải thiện khả năng chuyển vùng, bảo mật và khả năng tương tác.

Các quyết định kỹ thuật cuối cùng không thể chỉ dựa vào các thông số thiết kế. Cần có một phân tích tổng thể kỹ lưỡng, bao gồm phạm vi phủ sóng dài hạn, mức tiêu thụ năng lượng, yêu cầu ứng dụng, mô hình kinh doanh của ngành, tính bền vững về kinh tế, chi phí cơ sở hạ tầng và năng lực nội bộ.