ผู้เขียน หัวข้อ: IoT on LoRa Based Applications  (อ่าน 115 ครั้ง)

0 สมาชิก และ 1 บุคคลทั่วไป กำลังดูหัวข้อนี้

HS5TQA

  • Administrator
  • สมาชิกรุ่นกลาง
  • *****
  • กระทู้: 101
IoT on LoRa Based Applications
« เมื่อ: มีนาคม 25, 2018, 11:44:03 PM »
By Semtech (LoRa World Class Company and Dr.Wanarat-PSU)

เปิดมุมมอง และแสวงหาโอกาสทางธุรกิจ ด้วย Technology & Trend สำหรับ IoT ด้วย LoRa โดย Semtech เจ้าของ และผู้มีอำนาจสูงสุดสำหรับ LoRa ChipSet ของโลกในขณะนี้ ที่ให้เกียรติมาร่วมเสวนา บอกเล่าเกี่ยว Technology RoadMap ของ LoRa สำหรับผู้ประกอบการที่จะทำ Devices and Systems Solution พึงรู้ และวางกลยุทธิ์ เพื่ออนาคตกันยาวๆ นะคะ พร้อมแนวคิด และไอเดียต่างๆ สำหรับแอพลิเคชั่นทางด้าน IoT ที่ได้นำไปใช้ในที่ต่างๆ จากทั่วโลกมาแล้ว เป็นต้น

และมาร่วมเจาะลึกไปกับผู้ดำเนินรายการที่ได้ศึกษาเชิงลึก และได้ทดลอง LoRa ในมิติต่างๆ มาแล้ว ของเครือข่าย TESA โดย ดร.วรรณรัช สันติอมรทัต หัวหน้าภาควิชาวิศวกรรมคอมพิวเตอร์-PSU.

บทสรุปโดย ดร.ศุภชัย วรพรจน์พิศุทธิ์ -TU และกรรมการ TESA

บันทึกจากการฟังกิจกรรม **IoT on LoRa based Applications** ที่อาคาร NIA กระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ในวันที่ 8 กุมภาพันธ์ 2560 กิจกรรมนี้จัดโดย ICIC ที่เป็นความร่วมมือระหว่าง NIA, CAT และ TESA เพื่อผลักดันให้เกิดการเติบโตของธุรกิจ IoT กิจกรรมนี้ได้ทีมวิศวกรจากบริษัท Semtech ที่เป็นเจ้าของเทคโนโลยี LoRa และเป็น founder ขององค์กร [LoRa Alliance](https://www.lora-alliance.org/) ที่กำหนดมาตรฐานของโพรโทคอลเปิด LoRaWAN มาพูดถึงจุดเด่นต่างๆของ LoRa ตัวอย่างของแอพพลิเคชัน รวมทั้งให้ข้อมูลเปรียบเทียบกับ NB-IoT คนที่เข้าร่วมจะสามารถขอสไลด์และเอกสารทางเทคนิคได้จาก TESA จึงจะขอเขียนสรุปเป็นประเด็นที่คิดว่าน่าจะเป็นประโยชน์กับธุรกิจหรือนักพัฒนาที่จะนำ LoRa มาใช้

## เทคโนโลยี LoRa เหมาะกับ IoT อย่างไร
LoRa เป็นเทคโนโลยีสื่อสารแบบ LPWAN (low-power wide area network) ที่มีจุดเด่นในแง่ระยะสื่อสารไกล ราคาถูก และเป็นเทคโนโลยี (กึ่ง) เปิด โดยบริษัท Semtech ที่ถือสิทธิบัตรของการมอดูเลชันของ LoRa จะทั้งผลิตและให้ไลเซนส์บริษัทอื่นๆผลิตด้วย การใช้ LoRa อยู่ใน segment ของตลาดที่เป็นจุดอ่อนของ 3G/4G ที่มีรัศมีครอบคลุมกว้าง ความเร็วสูง มี QoS ระดับดี แต่มีข้อเสียเปรียบในแง่ค่าใช้จ่ายต่อเดือนที่สูงและการใช้พลังงานสูง ซึ่งเกิดจากการลงทุนที่สูงทั้งในแง่อุปกรณ์ basestation ค่าเช่าพื้นที่ และค่าไลเซนส์ของย่านความถี่ แนวทางของ LoRa จึงมาเจาะตลาด WAN ที่มีราคาถูก โดยตัวอุปกรณ์จะถูกทั้งในส่วนโหนด (< $10) และเกตเวย์ (< $1000) ไม่จำเป็นต้องลงทุนสูงในส่วนเซิร์ฟเวอร์ และใช้ย่านความถี่ ISM ที่ไม่ต้องขอไลเซนส์ โดยแลกกับอัตราข้อมูลต่ำและความน่าเชื่อถือของการสื่อสาร

ตัวอย่างของแอพพลิเคชันที่พัฒนาแล้วหรือใช้งานจริงจะมีอยู่ในหลายประเทศ
* อินเดีย
* มิเตอร์ของแก๊สและน้ำ
* การควบคุมไฟถนน
* รถห้องเย็น
* ออสเตรเลีย
* การตรวจสอบสภาพแวดล้อมทางไกล เช่น ระบบชลประทาน สถานะน้ำเค็ม
* ความชื้นในดิน
* ไต้หวัน
* การติดตามรถขนของ
* การจัดการที่จอดรถอัจฉริยะ

ในปัจจุบัน ประเทศฝรั่งเศสมีผู้ประกอบการมากที่สุดที่ลงทะเบียนเป็น adopter กับ LoRa Alliance โดยเน้นไปที่ตลาดของอุปกรณ์การเกษตร รองลงมาเป็นประเทศอินเดียและไต้หวัน

## การออกแบบอุปกรณ์ที่เป็น LoRa ควรรู้อะไรบ้าง
จุดขายในแง่ WAN ของ LoRa เกิดจากการเลือกใช้มอดูเลชันแบบ chirp spread spectrum โดยกระจายรหัสข้อมูลไปในช่องความถี่ต่างๆด้วยการปรับแต่งค่า spreading factor (SF) เช่น SF7 จะกระจายไปใน 7 ช่องความถี่ ทำให้มีความไวต่อการรับสัญญาณสูงขึ้น ทนทานต่อสัญญาณรบกวน และมีการกินพลังงานที่ต่ำ แต่การส่งข้อมูลจะช้าลงตามจำนวนช่องสัญญาณที่ใช้ ตัวชิพสื่อสารของ Semtech จะทำงานเพียงระดับ PHY (half duplex) และบางฟีเจอร์ของเลเยอร์ Data Link (ตรวจจับ preamble แล้วจับเฟรมข้อมูล) โดยจะส่งผ่านข้อมูลไปยังหน่วยประมวลผลที่จะต้องจัดการส่วนโพรโทคอลในชั้นที่เหลือเอง

ชิพสื่อสารของ Semtech จะแบ่งออกเป็น 2 ตระกูล

* ชิพ SX127x สำหรับโหนดที่จะสื่อสารด้วยช่องสัญญาณเดียว โดยแบ่งออกเป็นรุ่นย่อยตามย่านความถี่ เช่น ย่านความถี่ 868MHz และ 915MHz จะเป็นรุ่น SX1278 องค์ประกอบที่เหลือจะเป็นวงจร RC สำหรับเป็น matching network ทำให้โมดูลสื่อสารจะผลิตได้ในราคาถูก ตัวชิพเองสามารถเลือกโปรแกรมเป็น LoRa หรือ GFSK ก็ได้ โดยหากเลือกเป็น LoRa ก็จะทำให้ส่วนมอดูเลชันพิเศษที่เป็นสิทธิบัตรของ Semtech ทำงาน ตัวชิพนี้สามารถหาซื้อได้ทั่วไปทั้งจาก Semtech เองหรือจากพาร์ทเนอร์ที่ขอไลเซนส์ไปผลิต
* ชิพ SX125x ที่เป็น concentrator (RF front-end receiver) และ SX13xx ที่เป็น baseband processor สำหรับการทำงานเป็นเกตเวย์ โดยจะทำให้รองรับได้ 8 ช่องสัญญาณพร้อมกัน รุ่นถัดไปของชิพเซ็ตจะมีความสามารถ geolocation ทำให้หาตำแหน่งของโหนดด้วยความแม่นยำ 50-100 เมตรได้ ซึ่งจะมาแก้ไขปัญหาของโมดูล GPS ที่ใช้พลังงานสูงเกินไป นโยบายของ Semtech จะขายชิพเซ็ตของเกตเวย์เฉพาะพาร์ทเนอร์ที่มีความร่วมมือกันเท่านั้น เนื่องจากเป็นตลาดที่เฉพาะสำหรับผู้ให้บริการ

อนึ่ง การใช้ชิพ SX127x มาทดแทนเกตเวย์สามารถทำได้ด้วยการปรับแต่งซอฟต์แวร์ให้รองรับโพรโทคอลตามที่ต้องการ แต่จะมีผลกระทบในแง่ของ network capacity เนื่องจากรองรับแค่ช่องสัญญาณเดียว จึงอาจเกิดดีเลย์ได้มากหากมีอุปกรณ์จำนวนเยอะอยู่ในบริเวณนั้น

## LoRa กับ LoRaWAN เกี่ยวข้องกันอย่างไร
ทาง Semtech ได้ร่วมก่อตั้ง LoRa Alliance ที่กำหนดโพรโทคอลมาตรฐาน LoRaWAN ขึ้นมา เพื่อให้สามารถเชื่อมโยงข้อมูลจาก LoRa เข้าสู่เครือข่ายอินเตอร์เน็ตได้ จุดขายของ LoRaWAN แบ่งเป็น 6 ประเด็นคือ bi-direction / standard protocol / secure end-to-end / easy commissioning / mobility / scale การสื่อสารในแบบ LoRaWAN จะเป็นแบบ star topology โดยมีรัศมีที่ครอบคลุมประมาณ 3-5 กิโลเมตร/เกตเวย์ การสื่อสารภายใน LoRaWAN จะเป็นแบบ time slot ที่ควบคุม duty cycle ด้วยซอฟต์แวร์ของหน่วยประมวลผล

สถาปัตยกรรม LoRaWAN แบ่งองค์ประกอบออกเป็น 4 ส่วน คือ

1. โหนดคือ อุปกรณ์ที่จะส่งข้อมูลของเซ็นเซอร์หรือรับคำสั่งจากเครือข่าย โดยแบ่งออกเป็น 3 คลาสย่อย
  • คลาส A จะส่งข้อมูลแล้วรอ 2 RX slot ซึ่งทางเกตเวย์จะส่งข้อมูลกลับมาได้เฉพาะใน RX slot หรือต้องรอรอบหน้าที่ตัวโหนดจะติดต่อมาใหม่ การทำงานในคลาส A มีข้อดีที่ใช้พลังงานต่ำสุด
  • คลาส B จะมีการปล่อย beacon frame แล้วรอด้วย RX slot ที่กำหนดจำนวนด้วยซอฟต์แวร์
  • คลาส C จะรอข้อมูลจากเกตเวย์อย่างต่อเนื่อง ทำให้ใช้พลังงานมากที่สุด
2. เกตเวย์ จะเป็นอุปกรณ์ที่รองรับได้หลายช่องสัญญาณซึ่งจะรอ preamble แล้วส่งต่อแพ็คเก็ตข้อมูลไปประมวลผลบนเซิร์ฟเวอร์ผ่านช่องสื่อสาร LAN หรือ 3G/4G ทั้งนี้การไม่ประมวลผลในเกตเวย์ทำให้อาจมีเกตเวย์มากกว่า 1 ตัวที่ตรวจจับเฟรมข้อมูลเดียวกันได้ ซึ่งการคัดแยกในส่วนนี้จะอาศัยกลไก activation บนเซิร์ฟเวอร์ตามที่ระบุในมาตรฐาน LoRaWAN
3. เซิร์ฟเวอร์ จะรับข้อมูลจากเกตเวย์มาประมวลผล โดยจะเริ่มจากการ authenticate ตัวแพคเก็ตด้วย key จากการลงทะเบียน มาตรฐาน LoRaWAN กำหนดว่าการยืนยันแพ็คเก็ตแบ่งออกเป็น 2 รูปแบบคือ
  • Over-The-Air Activation (OTAA) จะเริ่มจากทางโหนดส่ง DEV EUI (ไม่ซ้ำ), APP EUI, APPK KEY ที่ฝังไว้ในแต่ละโหนดไปให้เซิร์ฟเวอร์ยืนยัน จากนั้นทางเซิร์ฟเวอร์จะส่ง network address มาให้ทางโหนด การทำแบบนี้จะมี delay ในช่วงแรกของการ join เครือข่ายก่อนจะได้ AppSKey และ NwSKey
  • Activation by Personalization (ABP) จะมีการลงทะเบียนสำหรับแต่ละโหนดโดยผู้ใช้ตั้งแต่แรก ทำให้ทั้งสองฝั่งมีการตกลงเกี่ยวกับ AppSKey, NwSKey, Device address ก่อนการเชื่อมต่อเครือข่าย
4. บริการ คือส่วนของ application server ที่จะดึงข้อมูลจากเซิร์ฟเวอร์มาประมวลผลจนเป็นบริการต่อไป

ทาง LoRa Alliance ได้เผยแพร่เอกสาร LoRaWAN ที่สามารถดาวน์โหลดได้จาก[เว็บไซต์](https://www.lora-alliance.org/For-Develop…/LoRaWANDevelopers)หลังจากกรอกแบบฟอร์มยืนยันตัว (ฟรี) ทำให้มีการพัฒนาซอฟต์แวร์ในส่วนต่างๆออกมาในหลายรูปแบบ รวมทั้งมีการเปิดบริการที่ให้ทดลองใช้พรี เช่น [The Things Network](https://www.thethingsnetwork.org/) ที่รองรับทั้ง OTAA และ ABP

จุดพิเศษของ LoRaWAN คือ การจัดการแพ็คเก็ตข้อมูลบนเซิร์ฟเวอร์โดยเกตเวย์หลังจากเช็ค preamble จะส่งผ่านมาให้เลย จึงอาจเป็นไปได้ที่จะมีเกตเวย์มากกว่า 1 ตัวที่ได้รับแพ็กเก็ตเดียวกันและส่งต่อมาที่เซิร์ฟเวอร์ ทั้งนี้ ส่วน payload ของแพ็คเก็ตจะถูกเข้ารหัส AES 128บิต จึงมีเฉพาะเซิร์ฟเวอร์ที่เกี่ยวข้องจะถอดรหัสได้ (สมมุติฐานว่าไม่มีการดักฟัง) การจัดการโหนดที่อยู่ในพื้นที่จึงเป็นไปได้ ทำให้ผู้ให้บริการเครือข่ายในหลายประเทศได้เริ่มออกโมเดลของการคิดค่าใช้จ่ายมาแล้ว

นอกจากนี้ การทำ roaming ก็เป็นไปได้ด้วยการเชื่อมต่อระหว่างเซิร์ฟเวอร์ ซึ่งเมื่อพิจารณาถึงประเด็นที่ LoRaWAN ได้กำหนดช่องสัญญาณบังคับสำหรับแต่ละประเทศเอาไว้ ทำให้อุปกรณ์ที่ติดตั้งในพาหนะที่ต้องเดินทางข้ามพรมแดน อาจจะสลับจากช่องสัญญาณของประเทศหนึ่งไปสู่อีกประเทศหนึ่งได้ ขอเพียงย่านความถี่ของทั้ง 2 ประเทศมีความสอดคล้องกัน

การนำ LoRaWAN มาเป็นจุดขาย
ทาง LoRa Alliance ได้กำหนดผู้เกี่ยวข้องออกเป็นหลายระดับตามสิทธิที่จะเกี่ยวข้องกับมาตรฐาน LoRaWAN ได้แก่ sponser ($50k/ปี) contributor ($20k/ปี) adopter ($3k/ปี) สถาบันการศึกษา/หน่วยงานไม่หวังผลกำไร (ไม่มีค่าใช้จ่าย) และบุคคลทั่วไปที่สามารถดาวน์โหลดเอกสารได้ ธุรกิจที่ต้องการเข้ารับการ certification ว่าทำงานได้ตาม LoRaWAN และรับสิทธิในการพิมพ์โลโก้ LoRa Alliance อย่างน้อยต้องอยู่ในระดับ adopter ซึ่งหน่วยงานที่รับ certification ในเอเชียจะอยู่ที่ไต้หวัน

การเลือกระหว่าง LoRa หรือ NB-IoT
เทคโนโลยี LoRa (อิงตามข้อกำหนด LoRaWAN) และ NB-IoT เลือกที่จะใช้แนวทางต่างกันในการให้บริการ LPWAN
| ประเด็น | LoRaWAN | NB-IoT |
| ย่านความถี่ | ISM band | LTE subband |
| จุดขาย | ราคาถูก มาตรฐานเปิด | QoS |
| จุดอ่อน | รับรอง QoS ยาก | ต้นทุน ยังไม่มีของจนกว่า Q2/Q3 2017 |

ความคิดเห็นส่วนตัวเกี่ยวกับ NB-IoT ที่อาจเกิดได้ยากในประเทศไทย น่าจะเป็นค่าใช้จ่ายของอุปกรณ์/ซอฟต์แวร์ที่จะต้องเพิ่มเข้าไปใน LTE basestation ซึ่งหากไม่มีธุรกิจขานรับจำนวนมากพอ ทางผู้ให้บริการทั้ง 3 ค่ายน่าจะไม่ขยายฐานการติดตั้งให้ครอบคลุมพื้นที่ต่างๆ โดยอาจจะมีแค่บางพื้นที่สำหรับทำเป็น demo site

ในขณะที่ LoRa ได้เปรียบในแง่ที่มีอุปกรณ์ขายทั่วไปอยู่แล้ว รวมทั้งต้นทุนเครือข่ายก็ต่ำมาก เช่น อาจทำให้ครอบคลุมแค่วงรัศมี 2-3 กิโลเมตรแล้วใช้การทำข้อตกลงระหว่างผู้ให้บริการรายย่อยอื่นๆในการทำ roaming ให้ครอบคลุมพื้นที่ ดังนั้นค่าใช้จ่ายของ air time/data plan ที่เก็บน่าจะต่ำมาก หรืออาจแฝงค่าบริการลงไปในส่วนของอุปกรณ์แทนได้

## คิดว่า LoRa จะเกิดขึ้นไหมในประเทศไทย
ความคิดเห็นส่วนตัวคือ **เกิดได้ค่อนข้างแน่นอน ถึงแม้ กสทช.จะทำตัวเป็นเต่าขวางทางอยู่** เพราะการที่เราจะสามารถสร้าง LPWAN สำหรับหมู่บ้าน สำหรับตำบล สำหรับเมืองได้ในทุกระดับ จะทำให้ business model ใหม่ๆขยายตัวได้เหมือนระเบิดเลยทีเดียว

หากเปรียบเทียบง่ายๆคือ LoRa เป็นแพลตฟอร์มที่เปิดให้ทุกคนสร้าง LPWAN ได้ ไม่แตกต่างไปจาก Youtube ที่เปิดให้ทุกคนสร้างช่องทางสื่อของตัวเองได้ ในขณะที่ระบบสัมปทานของย่านความถี่แบบเดิมๆคงเปรียบได้เหมือนกับการประมูลโทรทัศน์ดิจิตอลในตอนนี้ แค่ยังโชคดีกว่าตรงที่มีแค่ 3 ค่ายในตลาด

อ้างอิงจาก: http://www.tesa.or.th/mood5/mod/forum/discuss.php?d=2188