เทคโนโลยี NB-IoT กับ LoRa อันไหนดีกว่ากัน? : ตอนที่ 1

แอพพลิเคชัน IoT ประกอบด้วย ต้นทุนโหนด (node cost), ต้นทุน ของเครือข่าย (network cost), ระยะเวลาการใช้งานแบตเตอรรี่ (battery lifetime), อัตราการรับส่งข้อมูล (throughput), เวลาแฝง (latency), การเคลื่อนที่ได้ง่าย (mobility), ระยะทางในการสื่อสาร (range), การครอบคลุม (coverage) และรูปแบบการนำไปใช้งาน ยังไม่มีเทคโนโลยีอันไหนที่จะสามารถแก้ปัญหาตัวประกอบทั้งหมดตามที่กล่าวมาได้ในเวลาเดียวกัน ทั้งนี้ เทคโนโลยี NB-IoT และเทคโนโลยี LoRa  มีคุณสมบัติด้านเทคนิคและด้านธุรกิจที่ต่างกันที่จะให้บริการเช่นเดียวกับ Wi-Fi กับ Bluetooth (BTLE)

 

 

บทความนี้จะสรุปความความแตกต่างด้านเทคนิค ระหว่าง NB-IoT กับ LoRa และพิจารณาว่าเทคโนโลยีไหนจะเหมาะสมกับความต้องการในแอพพลิเคชัน IoT แบบต่างๆ อย่างไร

 

สเปคตรัม, Quality of Service, และต้นทุน

LoRa ใช้ความถี่ที่ไม่ต้องมีใบอนุญาต (unlicensed) ย่านต่ำกว่า 1GHz (ประเทศไทยย่าน 920-925MHz) จึง ไม่ต้องลงทุนในส่วนนี้ ในขณะที่ NB-IoT และการสื่อสารเซลลูล่าร์ใช้ย่านความถี่ที่ต้องมีใบอนุญาต (licensed) ในย่าน ที่ต่ำกว่า 1GHz เช่นกัน แถบความถี่ที่ต่ำกว่า 1GHz ระหว่าง 500MHz-1GHz เหมาะสมสำหรับการสื่อสารระยะไกล และมีประสิทธิภาพด้านเทคนิคสายอากาศ

LoRaWANTM ใช้สเปคตรัมแบบฟรีที่ไม่ต้องขออนุญาตและใช้โปรโตคอลเป็นแบบ asynchronous ซึ่งเหมาะสมที่สุดในด้าน battery lifetime และด้านต้นทุน โปรโตคอลของ LoRa และ LoRaWAN มีคุณลักษณะที่เป็น หนึ่งเดียวและถูกออกแบบให้รองรับการใช้งานที่มีการซ้อนทับของคลื่น (interference), การทับซ้อนของเครือข่าย (overlapping network) และมีความสามารถในการเพิ่มลดได้ (scalability) ในปริมาณที่สูงมาก แต่ไม่มีการนำเสนอในเรื่องของ QoS ที่มีการกำหนดช่องเวลาในโปรโตตอลของเซลลูลาร์ (time slotted cellular protocol) การประมูลสเปคตรัมความถี่ที่ต่ำกว่า 1GHz จะมีราคามากกว่า 500 ล้านดอลลาร์ต่อ 1 MHz ในขณะที่โปรโตคอลการ ซิงโครนัสช่องเวลาของเซลลูลาร์และ NB-IoT มีความเหมาะสมที่สุดกับ QoS โดย NB-IoT ไม่มีการเสนอเกี่ยวกับ battery lifetime ที่เทียบกันได้กับ LoRa ซึ่งจะมีการกล่าวรายละเอียดหลังจากนี้ จากการที่มี QoS และมีต้นทุน สเปคตรัมที่สูง แอพพลิเคชันที่มีค่าสูงที่ต้องการรับประกันในเรื่อง QoS จึงชอบทางเลือกที่ไปทางเซลลูลาร์ ในขณะที่หากต้องการต้นทุนต่ำและเป็น high volume solution ก็จะชอบไปทาง LoRa ดังรูปที่ 2

 

 

BATTERY LIFETIME AND DOWNLINK LATENCY

ระบบสื่อสารเซลลูลาร์ถูกออกแบบมาให้ใช้กับสเปคตรัมที่เหมาะสมที่สุด ซึ่ง end-node มีการออมชอมในส่วนของต้นทุนและ battery lifetime แตกต่างกับ LoRaWAN ที่ end-node มีการทำให้ต้นทุนและ battery lifetime มีความเหมาะสมที่สุดที่ค่าใช้จ่ายของการใช้ประโยชน์สเปคตรัม  

มีสองลักษณะที่สำคัญในการพิจารณาเรื่องของ battery lifetime นั่นคือ การใช้กระแสของ end-device (สูงสุดและเฉลี่ย) และการช่วยเหลือของโปรโตคอล โดย LoRaWAN เป็นอะซิงโครนัสที่ใช้ ALOHA-based protocol ซึ่งมีวิธีการที่ end-device สามารถพัก (sleep) ในระยะเวลาสั้นหรือยาวได้ตามความต้องการแอพพลิเคชันในขณะที่ระบบที่เป็น cellular-based synchronous protocol อุปกรณ์ end-device จะต้องมีการ check-in กับเครือข่ายทุกช่วงเวลา ซึ่งโทรศัพท์มือถือปัจจุบันนี้เฉลี่ยแล้วจะมีการซิงโครนัสกับเครือข่ายทุกๆ 1.5 วินาที มิฉะนั้นจะเป็น out of use การซิงโครนัสของระบบ NB-IoT เกิดขึ้นไม่บ่อยนักแต่ก็มีเป็นประจำ ซึ่งก็ยังคงต้องใช้พลังงานจากแบตเตอรี่อยู่

ในส่วนของการมอดูเลชั่นที่ระบบเซลลูลาร์ใช้นั้น มีประสิทธิภาพที่สุดต่อการใช้สเปคตรัม แต่ไม่มีประสิทธิภาพในมุมมองจาก end-device โดยการมอดูเลชันในระบบเซลลูลาร์ที่เป็น OFDM หรือ FDMA ต้องการเครื่องส่งแบบ linear ในการสร้างมอดูเลชัน ซึ่งเครื่องส่งแบบ linear ต้องการขนาดของกระแสสูงสุดมากกว่าการมอดูเลชันแบบ non-linear ที่ LoRa ใช้ กระแสสูงสุดดังกล่าวนี้ไหลออกจากแบตเตอรี่เร็วกว่าและต้องสิ้นเปลืองแบบเตอรี่ที่ต้องมาสนับสนุน

ลักษณะการซิงโครนัสของเครือข่ายเซลลูลาร์สร้างข้อได้เปรียบบางอย่างสำหรับแอพพลิเคชันที่ต้องการเวลา แฝงของ downlink ที่สั้น (short downlink latency) NB-IoT สามารถเสนออัตราข้อมูลที่เร็วกว่าในการสนับสนุนแอพพลิเคชันที่ต้องการ data throughput ที่สูง ส่วน LaRaWAN สนับสนุน class B ที่ถูกออกแบบให้ลด downlink communication latency ด้วยการให้ end-device มีการ wake-up ตามช่วงเวลาที่โปรแกรมไว้ในการตรวจสอบ downlink message

สำหรับแอพพลิเคชันที่ต้องการการสื่อสารที่ถี่มากและต้องการ latency ที่ต่ำมากหรือต้องการจานวนมากของ ข้อมูลนั้น เทคโนโลยี NB-IoT เป็นทางเลือกที่ดีที่สุด แต่แอพพลิเคชั่นที่ต้องการให้ได้ battery lifetime ที่นานมากๆ เพื่อความคุ้มทุนแต่ไม่ต้องการสื่อสารบ่อย LoRa เป็นทางเลือกที่ดีกว่า

“เราจะใช้หลายระบบสำหรับบริการหลายๆ แอพพลิเคชั่น IoT เท่าที่เป็นไปได้” คำกล่าวของ Bertrand Waels, head of Alternative Technologies at Orange “เรามองคุณค่าที่แข็งแกร่งของ LoRa สำหรับบางแอพพลิเคชันที่เทคโนโลยีอื่นไม่สามารถทำได้

 

 

 

การครอบคลุมของเครือข่ายและเวลาที่ใช้ในการเตรียมการ

ความต้องการที่จำเป็นสำหรับการเตรียมการในส่วนของ end-node ก็คือสภาพพร้อมใช้งานของเครือข่าย (network availability) ข้อได้เปรียบเชิงสนับสนุนอันหนึ่งของ NB-IoT ก็คือโครงสร้างพื้นฐานที่มีอยู่แล้วสามารถที่จะอัพเกรดสำหรับการให้บริการได้ แต่การอัพเกรดนี้ก็มีข้อจำกัดต่อ 4G/LTE base station อยู่บ้างและก็มีราคาแพง วิธีการดังกล่าวสามารถจะเติบโตได้ สำหรับสภาพแวดล้อมที่เป็นเมืองหนาแน่น ซึ่งเป็นพื้นที่เป้าหมายที่มีการเสนอ สาหรับ NB-IoT แต่มันไม่ดีสำหรับพื้นที่ชนบทหรือชานเมืองที่ไม่มีระบบ 4G ครอบคลุม ข้อกำหนดของ NB-IoT ได้ ออกมาในเดือนมิถุนายน 2016 โดยในเชิงพานิชย์นั้นจะต้องใช้เวลาบ้างสำหรับการสร้างระบบนิเวศ (ecosystem) และเคลื่อนไปสู่การผลิตจำนวนมาก นอกจากนั้นต้องมีการเปิดตัวใหม่ของพื้นที่ครอบคลุมเครือข่าย NT-IoT ซึ่งการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวนี้จะใช้เวลานานขนาดไหนขึ้นอยู่กับแพลลิเคชั่นหรือโอกาส

คอมโพเน้นท์ของ LoRa และ LoRaWAN ecosystem นั้นเติบโตเต็มที่แล้วและการผลิตพร้อมแล้ว แต่การใช้ งานแบบกว้างขวาง (nationwide) นั้นคงยังอยู่ในเฟสที่เริ่มนำบริการมานำเสนอคุณลักษณะที่สำคัญอันหนึ่งของ LoRaWAN ecosystem คือ ความสามารถในการทำงานได้ทั้งในรูปแบบที่เป็น private model หรือ enterprise model (เหมือนกับ public network model) ของคอมโพเน้นท์ ซึ่งหลาย enterprise ขนาดใหญ่มีการวางแผนที่จะใช้ hybrid model นั่นคือใช้เครือข่ายหนึ่งในโรงงานหรือสิ่งก่อสร้าง (facility) และใช้ public network สำหรับพื้นที่นอกโรงงานหรือสิ่งก่อสร้าง ซึ่ง NB-IoT จะมีข้อจำกัดเพราะ cellular base station จะเป็น public model อย่างเดียว

ติดตามอ่านต่อ...ในตอนที่ 2 และข้อสรุป

 

บทความโดย : อดิศร ขาวสังข์ แปลจาก A White Paper by Hardy Schmidbauer prepared for the LoRaAlliance, September 2016

Share this Article: