Ở bài chia sẻ trước, Mình đã giới thiệu đến các bạn về các giao thức hay các công nghệ truyền thông sử dụng trong Internet of Things như Zigbee, Z-wave, LoRa hay Wifi,… Nếu chưa đọc các bạn có thể tìm đọc ở bài viết sau: https://tapit.vn/mot-chuan-giao-tiep-trong-iot-internet-things/. Tuy nhiên để lựa chọn đúng công nghệ phù hợp cho các ứng dụng Internet of Things không phải là điều đơn giản nếu chưa nắm rõ được điểm khác biệt của từng loại, trong bài viết này mình sẽ đưa ra một vài so sánh cơ bản giữa hai công nghệ được sử dụng rất phổ biến hiện nay là LoRa và Zigbee.
1. Khái niệm
LoRa™ (Long Range) là một kỹ thuật điều chế (modulation) dựa trên kỹ thuật Spread-Spectrum là một biến thể của Chirp Spread Spectrum (CSS) duy trì các đặc tính công suất thấp giống như điều chế FSK nhưng làm tăng đáng kể phạm vi truyền thông, giúp truyền khoảng cách xa hơn đáng kể so với các kỹ thuật khác. Kỹ thuật không dây LoRa được phát triển bởi Cycleo SAS và sau này được mua lại bởi Semtech.
Zigbee là công nghệ được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn 802.15.4 của tổ chức IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), định nghĩa hai tầng PHY và MAC. Tiêu chuẩn Zigbee được bảo trợ bởi nhóm liên minh Zigbee định nghĩa hai tầng Application và Network & Security.
2. Băng tần, khoảng cách truyền
Băng tần làm việc của LoRa từ 430 MHz đến 915 MHz cho từng khu vực khác nhau trên thế giới:
– 430MHz cho châu Á
– 780MHz cho Trung Quốc
– 433MHz hoặc 866MHz cho châu Âu
– 915MHz cho USA
Các gói tin LoRa có thể truyền xa đến 5 Km trong khu vực thành thị và đến 15 Km ở khu vực ngoại ô với tốc độ dữ liệu khoảng 0,3 đến 22 Kbps (điều chế LoRa) hoặc 100 Kbps (điều chế GFSK). Do đó thường sử dụng ở môi trường ngoài trời như các nông trường, trang trại,…
Còn đối với Zigbee, có kiến trúc nhiều tầng như chuẩn 802.15.4 hoạt động ở 1 trong 3 dải tần sau:
– 915MHz cho khu vực Bắc Mỹ.
– 868 MHzcho Châu Âu, Nhật
– 2.4GHz cho các nước khác.
Các gói tin ZigBee có thể truyền xa khoảng 10 – 100 m tính từ trạm phát với tốc độ dữ liệu lên đến 20 Kbps (băng tần 868 MHz), 40 Kbps (băng tần 915 MHz) và 250 Kbps (băng tần 2.4 GHz). Vì vậy thường được sử dụng trong các dự án nhà thông minh, hay trong các nhà máy.
3. Kỹ thuật điều chế
Các module LoRa hiện nay có thể sử dụng kỹ thuật điều chế LoRa, là kỹ thuật dựa trên điều chế Chirp Spread Spectrum (CSS), sử dụng tần số chirp với một biến đổi tuyến tính của tần số theo thời gian để mã hóa thông tin, kỹ thuật này giúp cho độ lệch về tần số giữa bộ phát và bộ thu dễ dàng được loại bỏ trong bộ giải mã và còn giúp miễn dịch với hiệu ứng Doppler. Độ lệch tần số giữa bộ phát và bộ thu có thể lên đến 20% băng thông mà không ảnh hưởng đến hiệu suất giải mã. Ngoài ra, các module có thể chuyển sang sử dụng kỹ thuật điều chế FSK hoặc GFSK tùy nhu cầu. Các tham số dùng để tùy biến điều chế LoRa là: băng thông (Bandwidth – BW), yếu tố lan truyền (Spreading Factor – SF) và tỉ lệ mã hóa (Code Rate – CR).
Minh họa biến thiên tần số theo thời gian phát ra bởi bộ phát LoRa
Đối với công nghệ Zigbee, mọi thông tin truyền đi đều phải được điều chế. Để cải thiện hệ số SNR (signal to noise) của tín hiệu nhận được tại bộ thu, Zigbee sử dụng công nghệ trải phổ DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) kết hợp các kỹ thuật điều chế BPSK và O-QPSK.
Minh họa sơ đồ điều chế O-QOSK
4. Kiến trúc mạng
Cấu trúc mạng điển hình thường được sử dụng với công nghệ LoRa đó là kiến trúc hình sao (Star topology). Để hiểu thêm, thông thường kiến trúc của một mạng LoRaWAN được tổ chức như sau: các thiết bị cuối (end-device) giao tiếp với gateway sử dụng kỹ thuật LoRa và giao thức LoRaWAN, gateway sẽ chuyển tiếp gói tin từ thiết bị đến server thông qua Ethernet hoặc Wifi và server sẽ gửi gói tin đến các end-device theo luồng ngược lại.
Mạng LoRa theo mô hình Star
Zigbee có 3 dạng mô hình mạng có thể sử dụng: hình sao (Star topology), hình lưới (Mesh topology), và hình cây (Cluster Tree topology). Mỗi dạng hình đều có những ưu điểm riêng và được ứng dụng trong các trường hợp khác nhau. Trong đó mạng hình lưới thường được sử dụng với ưu điểm là có tính tin cậy cao, mỗi nút trong mạng lưới đều có khả năng kết nối với nút khác, nó cho phép truyền thông liên tục giữa các điểm nút với nhau và rất bền vững. Nhưng dù ở mạng nào, một mạng Zigbee thường bao gồm các thành phần: coordinator, router và end device.
Các mô hình mạng Zigbee
5. Tập giao thức (Protocol stack)
Tập giao thức của LoRa bao gồm các lớp sau:
– LoRa Application Layer
– LoRa MAC Layer
– LoRa PHY Layer
– LoRa RF Layer
Tập giao thức mạng LoRa
Tập giao thức của Zigbee bao gồm 4 lớp: PHY, MAC, Network và Application. Trong đó, lớp PHY và MAC được định nghĩa theo tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 và hai lớp còn lại được định nghĩa bởi tổ chức liên minh ZigBee.
Tập giao thức của mạng Zigbee
Kết luận: Trên đây là một vài thông số so sánh giữa hai công nghệ được sử dụng phổ biến nay trong các ứng dụng Internet of Things là LoRa và Zigbee. Mỗi công nghệ đều có những ưu, nhược điểm riêng về băng tần, khoảng cách truyền, tốc độ truyền,… và thích hợp với những ứng dụng cụ thể mà mình đã giới ở trên. Qua đó hy vọng các bạn sẽ hiểu rõ hơn về hai công nghệ này và dễ dàng hơn trong việc lựa chọn những công nghệ phù hợp cho những ứng dụng thực tế.
Các tiêu chuẩn so sánh khác về năng lượng tiêu thụ, giá thành, cấu trúc gói tin, bảo mật sẽ được tiếp tục chia sẻ vào các bài viết tiếp theo.
Lê Công Vĩnh Khải