NB-IOT VÀ LORA, SIGFOX: LỰA CHỌN NÀO CHO BẠN

Phạm Minh Tân, Nguyễn Minh Thi, Phan Mạnh Hùng – Viettel Innovation Lab

 

1.      Xu hướng triển khai công nghệ LPWAN trên thế giới

1.1. Công nghệ LPWAN

Công nghệ LPWA - Low Power WAN phù hợp với các kết nối Small things (chủ yếu là sensor) với yêu cầu truyền gói tín nhỏ, tiết kiệm pin, độ trễ cao, chi phí thấp, vùng phủ rộng. LPWAN bao gồm: NB-IoT, LTE-M (được chuẩn hóa bởi 3GPP) và Lora, Sigfox (không được chuẩn hóa bởi 3GPP). Ngoài ra còn có một số công nghệ khác như WI-SUN, MIOTY nhưng thị phần không đáng kể.
Công nghệ NB-IoT được 3GPP (The 3rd Generation Partnership Project) chuẩn hóa từ Release 13 (năm 2016). Trạm NB-IoT (NB-IoT base station) được phát triển từ trạm LTE có sẵn (bằng cách nâng cấp phần mềm). NB-IoT sử dụng phổ tần được cấp phép của mạng LTE
   
  
Công nghệ Lora là một tiêu chuẩn mở được đưa ra bởi tổ chức LoRa Alliance (được thành lập năm 2015) nhằm đảm bảo khả năng tương tác giữa các thiết bị IoT. Chip LoRa cơ bản cần thiết để triển khai mạng LoRaWAN là độc quyền của nhà sản xuất chất bán dẫn SemTech. Trạm Lora phát triển độc lập, kết nối với mạng lõi (network server) bằng mạng 3G/4G/Wifi hoặc cáp mạng LAN. LoRa sử dụng phổ tần số Sub-GHz (868 MHz ở Châu Âu, 915 MHz ở Châu Mỹ và 433 MHz ở Châu Á).

Công nghệ Sigfox được sinh ra ở Pháp vào năm 2009 và triển khai mạng đầu tiên vào năm 2012. Giống như Lora,  trạm Sigfox phát triển độc lập, kết nối với mạng lõi bằng mạng 3G/4G/Wifi hoặc cáp mạng LAN. Sigfox sử dụng băng tần Sub-GHz (Châu Âu và ở Mỹ lần lượt các băng tần 868 MHz và 902 MHz). Sigfox xây dựng một mạng IoT toàn cầu do Sigfox chủ trì độc quyền về mạng lõi (Cloud); Base Station ở lớp truy nhập cũng do Sigfox độc quyền cung cấp. Tương ứng mỗi quốc gia là 01 đối tác triển khai mạng Access (Base Station) và kinh doanh dịch vụ IoT. Mỗi quốc gia có nhiều đối tác hợp tác bán dịch vụ IoT tới khách hàng

1.2. Xu hướng triển khai

Theo thống kê của GSMA năm 2021, có 108 mạng NB-IoT, 156 mạng Lora và 82 mạng Sigfox trên thế giới.
Theo thống kê của IoT Analytics Research năm 2021, tổng số lượng kết nối đạt 12,3 tỷ, trong đó có 400 triệu kết nối LPWA. Cũng theo IoT Analytics Research, trong số 400 triệu kết nối LPWA, NB-IoT (41%) và Lora (37%) chiếm thế chủ đạo, kế tiếp là LTE-M (10%) và Sigfox (5%). So sánh với thống kế năm 2020, số kết nối NB-IoT tăng mạnh, trong khi số kết nối Lora, Sigfox tăng không đáng kể. Đây cũng chính là xu hướng chung của công nghệ LPWA.  
   
  2.      So sánh công nghệ NB-IoT, Lora, Sigfox

2.1. Đặc trưng công nghệ

Specification	NB-IoT	Lora WAN	Sigfox
Range (MCL)	164 dB	157 dB	160 dB
Bandwidth	200 kHz	250 kHz và 125 kHz	100 Hz
Max Data rate	200 kbps	50 kbps	100 bps
Spectrum	Licensed	Unlicensed	Unlicensed
Network	Dedicated	Dedicated	Shared
Modulation	QPSK	CSS	BPSK
Mode	Half duplex	Half duplex	Half duplex
Coding	LTE encryption	AES 128b	No support
Max message per day	No limit	No limit	140 (UL), 4 (DL)
Max message size	1600 bytes	243 bytes	12 bytes UL, 8 bytes DL

2.2. Mô hình triển khai

Công nghệ NB-IoT được 3GPP (The 3rd Generation Partnership Project) chuẩn hóa từ Release 13 (năm 2016). Trạm NB-IoT (NB-IoT base station) được phát triển từ trạm LTE có sẵn (bằng cách nâng cấp phần mềm).
Công nghệ Lora là một tiêu chuẩn mở được đưa ra bởi tổ chức LoRa Alliance (được thành lập năm 2015) nhằm đảm bảo khả năng tương tác giữa các thiết bị IoT. Chip LoRa cơ bản cần thiết để triển khai mạng LoRaWAN là độc quyền của nhà sản xuất chất bán dẫn SemTech. Trạm Lora phát triển độc lập, kết nối với mạng lõi (network server) bằng mạng 3G/4G/Wifi hoặc cáp mạng LAN. LoRa sử dụng phổ tần số Sub-GHz (868 MHz ở Châu Âu, 915 MHz ở Châu Mỹ và 433 MHz ở Châu Á). Công nghệ Lora chủ yếu triển khai Public Network, trong đó nhà mạng triển khai hạ tầng mạng lưới (gateway, server) và các đơn vị phát triển ứng dụng trả phí để sử dụng. Trong khi đó, một số đơn vị tự triển khai hạ tầng (gateway, server) để phát triển ứng dụng, hình thành các mạng Private Network. Ở Việt Nam, các đơn vị tự triển khai Private Network để phát triển ứng dụng.
Sigfox xây dựng một mạng IoT toàn cầu do Sigfox chủ trì độc quyền về mạng lõi (Cloud). Base Station ở lớp truy nhập cũng do Sigfox độc quyền cung cấp. Tương ứng mỗi quốc gia là 01 đối tác triển khai mạng Access (Base Station) và kinh doanh dịch vụ IoT. Mỗi quốc gia có nhiều đối tác hợp tác bán dịch vụ IoT tới khách hàng.
-        01 Network: một mạng IoT toàn cầu do Sigfox chủ trì độc quyền về mạng lõi (Cloud); Base Station ở lớp truy nhập cũng do Sigfox độc quyền cung cấp.
-        100 Sigfox Network Operator (SNO): tương ứng mỗi quốc gia là 01 đối tác triển khai mạng Access (Base Station) và kinh doanh dịch vụ IoT. Giả sử Viettel là SNO tại Việt Nam, Viettel sẽ chịu trách nhiệm triển khai Base Stations, vận hành khai thác, Marketing, bán hàng và chăm sóc đối tác kênh (Channel Partners).
-        1000 Channel Partner: là các đối tác hợp tác bán dịch vụ IoT tới khách hàng. Mỗi quốc gia có thể có nhiều đối tác dạng này (có thể là Công ty tích hợp hệ thống, nhà mạng di động, đơn vị cung cấp giải pháp, hãng chế tạo thiết bị đầu cuối, công ty bán lẻ…). Ví dụ: CMC, Gtel, FPT, BKAV, Thegioididong, VinGroup, Microsoft đều có thể là Channel Partner của Sigfox và Viettel tại Việt Nam. Các Channel Partner có nhiệm vụ duy nhất là bán hàng.
-        10000 Customers: được xác định là các doanh nghiệp sử dụng dịch vụ IoT Sigfox (mua sỉ). Ví dụ: EVN, Sawaco (nước sạch), các tỉnh thành phối (Smart city),… Mỗi KHDN này có thể sử dụng hàng nghìn thậm chí hàng trăm nghìn kết nối IoT Sigfox.
-        10000 Objects (thiết bị đầu cuối IoT): là các Device thuộc mạng Sigfox (có thể lên tới hàng tỷ), đây có thể là các End-customer của Customers.
SigFox sử dụng mô hình Cloud-based theo đó tất cả dữ liệu người dùng được truyền giữa Back-end (Sigfox Cloud hiện ở Pháp) và Customer Portal; người dùng sẽ lấy dữ liệu xuống Server ứng dụng thuộc quyền quản lý qua các cơ chế API/Web/Callbacks. Do vậy việc triển khai mạng NB-IoT đơn giản và nhanh nhất. Tuy nhiên tại những nơi không có sẵn trạm LTE (nông thôn), việc triển khai trạm Lora nhanh và khả thi hơn.

2.3. Vùng phủ

MCL (maximum coupling loss) của NB-IoT (164dB) nhỉnh hơn Sigfox (160dB) và Lora (157dB) một chút. Nếu sử dụng cùng tần số, vùng phủ của NB-IoT sẽ lớn hơn Lora và Sigfox. Tuy nhiên NB-IoT sử dụng tần số có sẵn của LTE (đa phần là 1800Mhz), trong khi Lora, Sigfox dùng tần số thấp hơn (900Mhz hoặc 433 Mhz) làm vùng phủ của Sigfox lớn nhất, tiếp đến là Lora và NB-IoT (chênh lệch là không đáng kể).

2.4.Chất lượng dịch vụ

NB-IoT sử dụng tần số được cấp phép của LTE nên không bị can nhiễu từ các thiết bị tự do (hoạt động trên tần số không cấp phép). Sigfox và Lora dùng tần số không cấp phép nên có nhiều thiết bị tự do cùng hoạt động (RFID, máy bộ đàm,.. ) làm ra tăng đáng kể nhiễu nền, làm giảm chất lượng dịch vụ. Tại Việt Nam, các đơn vị cung cấp dịch vụ tự triển khai mạng lưới Lora (Private Network). Do vậy tại một khu vực có thể có nhiều trạm Lora của các nhà cung cấp dịch vụ khác nhau, làm tăng can nhiễu và giảm chất lượng dịch vụ.
Sigfox sử dụng công nghệ UNB (Ultra Narrow-Band) với điều chiếu BPSK (uplink) và GFSK (downlink) khá nhạy cảm với nhiễu và hiệu ứng fading. Do việc giải điều chế tương quan D-BPSK, phía thu sẽ nhạy cảm với dịch pha, để giải điều chế thành công, mức dịch pha trong một chu kỳ của bit không quá ʎ/4 (trong thời gian 10ms) do hiệu ứng Doppler, tương ứng việc Sigfox chỉ phù hợp với các ứng dụng đứng yên hoặc di chuyển rất chậm. Sigfox sử dụng cơ chế truyền 3 lần/bản tin (uplink) làm tăng tỷ lệ gửi tin thành công.
Lora sử dụng một mã trải phổ trực giao, kết hợp với kỹ thuật nhảy tần (Frequency Hopping Spread Spectrum) nên giúp giảm thiểu can nhiễu tốt hơn Sigfox. Lora cũng dùng cơ chế truyền lại tối đa 3 lần/bản tin
NB-IoT sử dụng một mã trải phổ trực giao, kết hợp với kỹ thuật nhảy tần (Frequency Hopping Spread Spectrum), đồng thời sử dụng kỹ thuật điều chế QPSK, mã hóa kênh có độ phức tạp cao hơn Lora, Sigfox (CSS, BPSK) đảm bảo chất lượng dịch vụ tốt nhất. NB-IoT rất linh hoạt về khả năng truyền lại bản tin nhằm cân đối giữ chất lượng và khả năng tiết kiệm pin. Tại vùng sóng kém, bản tin có thể truyền lại tối đa 2048 lần, đảm bảo tỷ lệ gửi tin thành công cao nhất.

2.5. Độ trễ

Tại vùng tín hiệu tốt, NB-IoT và Lora không cần sử dụng truyền lại, tốc độ tín hiệu cao, dẫn đến độ trễ thấp. Tại vùng biên, tín hiệu kém, NB-IoT và Lora truyền lại bản tin để đảm bảo tỉ lệ truyền thành công, đổi lại tốc độ thấp và độ trễ truyền cao.
Tốc độ tối đa của công nghệ NB-IoT, Lora, Sigfox lần lượt là 200kbps, 50kbps, 100bps. Do vậy với cùng 1 bản tin, độ trễ truyền của NB-IoT nhỏ nhất.

2.6. Khả năng bảo mật

Công nghệ NB-IoT cung cấp các tính năng bảo mật tương tự như các mạng di động LTE, bao gồm hỗ trợ bảo mật danh tính người dùng, xác thực thực thể, bảo vệ tính toàn vẹn dữ liệu và nhận dạng thiết bị di động.
Do sử dụng băng tần không cần giấy phép và thiết bị đầu cuối phát quảng bá chứ không kết nối đến 1 trạm gốc nhất định, khả năng bảo mật của Lora và Sigfox phụ thuộc hoàn toàn vào thiết bị đầu cuối và dễ bị tấn công, nghe trộm hơn so với NB-IoT. Lora sử dụng mã hóa AES 128b, trong khi Sigfox không sử dụng mã hóa.

2.7. Số lượng bản tin

Công nghệ NB-IoT cho phép truyền bản tin với kích thước lớn nhất (1600bytes), tiếp đến là Lora (243 bytes) và Sigfox (12 bytes UL, 8 bytes DL). NB-IoT và Lora không giới hạn số bản tin truyền/ngày/device. LoRa gồm 03 class và đều hỗ trợ cơ chế liên lạc 2 chiều. Cụ thể:
-        Class A: sau khi gửi bản tin đi sẽ mở 02 slot cho việc nhận tin.
-        Class B: có nhiều hơn 02 slot cho việc nhận tin.
-        Class C: liên tục nhận tin mỗi khi không phát. Class C hỗ trợ các ứng dụng cần thời gian thực nhưng Class A giúp tiết kiệm pin nhất. Sigfox hỗ trợ truyền tối đa 140 bản tin/ngày/device (do hạn chế về Duty Cycle ≤ 10% đối với thiết bị trên băng Unlicensed). Do vậy số Data Plan cho thuê bao ít, phổ biến là:
-        Platinum : 101 tới 140 UL messages + 4 DL message (chủ yếu để ACK cho UL message).
-        Gold : 51 tới 100 UL messages + 2 DL message (chủ yếu để ACK).
-        Silver : 03 tới 50 UL messages + 1 DL message (chủ yếu để ACK).
-        One : 1 tới 2 UL messages + 0 DL message.
Sigfox chủ yếu hỗ trợ truyền thông tin bất đối xứng (Async). Các bản tin mang thông tin chủ yếu gửi theo hướng Uplink (từ Device về Base Station). Các bản tin Downlink chỉ dùng cho mục đích ACK (sau khi nhận được bản tin Uplink thành công từ Device) mà không thể khởi tạo từ phía Network (No Paging).

2.8. Thời gian sử dụng Pin

NB-IoT, Lora, Sigfox đều có cơ chế cho phép thiết bị đầu cuối vào chế độ “ngủ” để tiêt kiệm Pin. Do vậy cho phép thiết bị NB-IoT, Lora, Sigfox có thể hoạt động đến 10 năm (dĩ nhiên là tùy theo tần suất gửi bản tin). NB-IoT hoạt động đồng bộ, sử dụng công nghệ OFDM/ FDMA và yêu cầu chất lượng cao (QoS) nên tiêu tốn năng lượng cao nhất, kế đến là Lora và thấp nhất nhất là Sigfox.

Chế độ	NB-IoT	Lora	Sigfox
TX - mode	172mA	32mA	49mA
RX -mode	45mA	11mA	10mA
Standby	16.4mA	11mA	0.5mA
Sleep mode	0,67mA	1mA	1,3mA
Deep sleep mode	3,9mA	1mA	0,1mA

2.9. Chi phí

Thiết bị đầu cuối của người dùng: Chi phí cho Hardware và Software của Device Nb-IoT, Lora, Sigfox được giảm thiểu qua việc sử dụng kiến trúc và giao thức đơn giản. Chipset LoRa do Semtech sở hữu trí tuệ (tương tự Qualcomm với công nghệ CDMA) nên phát sinh chi phí về IP (Intellectual Property). Lora và Sigfox phát triển trước, có ưu thế về hệ sinh thái, các nhà cung cấp nên giá module Lora, Sigfox lúc đầu rẻ hơn NB-IoT khá nhiều. Thời gian gần đây, các nhà cung cấp module NB-IoT ngày càng nhiều, khiến giá module NB-IoT giảm dần, tiệm cận với giá của module Lora, Sigfox (khoảng 5 USD, theo thông tin từ nhà cung cấp Simcom, nhà mạng ZTE).
Chi phí trạm gốc: Các công ty triển khai ứng dụng Lora, Sigfox sẽ phải triển khai trạm gốc Lora, Sigfox với giá khoảng 3000 USD/trạm (Việt Nam triển khai Lora Private Network). NB-IoT được triển khai cùng với nhà mạng, do vậy các công ty triển khai ứng dụng NB-IoT hoàn toàn không mất chi phí này. Khi triển khai ứng dụng Lora, chi phí triển khai trạm sẽ được tính vào đơn giá của ứng dụng. Trong gian đoạn đầu, số lượng ứng dụng Lora/trạm chưa nhiều, chi phí này là rất đáng kể (nếu mỗi trạm Lora có 300 ứng dụng, chi phí/ứng dụng ~ 10USD).
Chi phí thuê bao: Lora, Sigfox không bị mất chi phí thuê bao (Việt Nam triển khai Lora Private Network). Với NB-IoT, người sử dụng mất thêm chi phí gói cước NB-IoT của nhà mạng. Tại Việt Nam, Viettel lấy chi phí thuê bao là 100.000 VNĐ/thuê bao/năm. Chi phí này cao hơn  tại Trung Quốc {nhà mạng China Mobile tính chi phí theo lượng data sử dụng hàng năm: 3USD~69.000VNĐ/thuê bao/năm (50MB/năm); 6USD~138.000VNĐ/thuê bao/ năm (300MB/năm)}.

3.      Lựa chọn công nghệ tại Việt Nam

Như vậy, Lora và Sigfox phù hợp với các ứng dụng chỉ cần tốc độ thấp, độ trễ thấp, chất lượng dịch vụ không cao, kích thước bản tin nhỏ, nhưng cần vùng phủ rộng (rừng cao su, đầm tôm, đồng ruộng…) hoặc giá thành rẻ, số lượng thiết bị lớn (ví dụ hệ thống theo dõi hàng hóa). Ngược lại NB-IoT cho thấy tính ưu việt trong các ứng dụng cần tốc độ cao, độ trễ thấp, chất lượng dịch vụ cao, kích thước bản tin lớn, giá thành sản phẩm chấp nhận được. Đặc biệt, NB-IoT có thể triển khai ngay lập tức mà không cần đầu tư, lắp đặt phần cứng.

3.1. Viettel

Tại Việt Nam, Viettel đã triển khai mạng NB-IoT tại Tp Hà Nội, Hồ Chí Minh và Đà Nẵng. Với hạ tầng mạng 4G phủ khắp Việt Nam, Viettel rất dễ dàng triển khai NB-IoT tại các tỉnh khác (chỉ cần bổ sung thêm phần mềm). Khi có nhu cầu từ thị trường, Viettel sẽ nhanh chóng triển khai NB-IoT trên toàn lãnh thổ Việt Nam.

3.2. Các đơn vị phát triển ứng dụng

Việc lựa chọn công nghệ tùy thuộc vào ứng dụng, tính sẵn sàng của mạng lưới và chi phí đầu tư. Do mô hình phát triển mạng lưới đặc biệt của Sigfox, các nhà phát triển ứng dụng có 2 sự lựa chọn là NB-IoT hoặc Lora.
Tại Việt Nam, Viettel đã triển khai mạng NB-IoT nên sẽ rất thuận lợi để triển khai ứng dụng NB-IoT. Với sự vượt trội về chất lượng dịch vụ, độ trễ thấp, tính sẵn sàng của mạng lưới, NB-IoT đang có lợi thế lớn trong sự lựa chọn của các đơn vị phát triển ứng dụng. Nhược điểm của NB-IoT là chi phí thuê bao cao, đẩy giá thành dịch vụ. Nếu nút thắt chi phí thuê bao được nhà mạng gỡ bỏ, không nhà phát triển dịch vụ nào thoát khỏi sức hấp dẫn của công nghệ NB-IoT.