Mạng không dây diện rộng công suất thấp LoRaWAN trong triển khai Free LoRa tại thành phố Đà Nẵng, Việt Nam

Bài viết này trình bày việc triển khai mạng LoRaWAN tại thành phố Đà Nẵng. Các bước khác nhau từ thử nghiệm sơ bộ đến triển khai mạng đầy đủ và các vấn đề liên quan đến nhiễu với mạng điện thoại di động được trình bày và thảo luận. Các phương pháp thử nghiệm với thiết bị khác nhau được sử dụng để đánh giá hiệu suất mạng cũng được đề cập đến trong bài viết.

Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) Mạng không dây diện rộng công suất thấp LoRaWAN triển khai Free LoRa thành phố Đà Nẵng, Việt Nam Trần Văn Líc, Lê Quốc Huy, Ngơ Đình Thanh Fabien Ferrero, Lê Thành Nhân Trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng Thành phố Đà Năng, Việt Nam tvlic@dut.udn.vn, ndthanh@dut.udn.vn, lqhuy@dut.udn.vn Viện công nghệ quốc tế Đà Nẵng - DNIIT Đại học Đà Nẵng, Đại học Côte d’Azur Thành phố Đà Nẵng, Việt Nam nhan.le-thanh@univ-cotedazur.fr Nguyễn Quang Thanh, Lê Sơn Phong, Trần Thanh Trúc, Phạm Thế Nhân Sở Thông tin Truyền thông Thành phố Đà Nẵng, Việt Nam thanhnq@danang.gov.vn, phongls@danang.gov.vn Tóm tắt—Giao thức mạng diện rộng cơng suất thấp (LPWAN), tiêu biểu mạng diện rộng tầm xa (LoRaWAN) giao tiếp không dây cho thiết bị Internet of Things (IoT), nghiên cứu thử nghiệm thời gian gần Bài báo trình bày việc triển khai mạng LoRaWAN thành phố Đà Nẵng Các bước khác từ thử nghiệm sơ đến triển khai mạng đầy đủ vấn đề liên quan đến nhiễu với mạng điện thoại di động trình bày thảo luận Các phương pháp thử nghiệm với thiết bị khác sử dụng để đánh giá hiệu suất mạng đề cập đến báo Từ khóa—LPWAN, LoRa, LoRaWAN, vùng phủ sóng I GIỚI THIỆU Gần đây, mạng diện rộng công suất thấp quan tâm nhiều Việt Nam nhờ khả độc đáo như: truyền liệu tầm xa ,có thể triển khai ngồi trời nhà, chi phí triển khai thấp, tiêu thụ điện thấp Những lợi khiến LPWAN, LoRaWAN, lựa chọn thiết thực cho ứng dụng IoT việc triển khai thành phố thông minh, du lịch thông minh, nông nghiệp thông minh, đại học thông minh, v.v Thành phố Đà Nẵng thành phố lớn thứ năm Việt Nam với dân số khoảng triệu người trung tâm kinh tế giáo dục miền Trung Việt Nam Thành phố đánh giá thành phố tích cực Việt Nam việc phát triển mơ hình Thành phố thông minh Một trụ cột quan trọng cho mơ hình Thành phố thơng minh thành phố Đà Nẵng sở hạ tầng cho công nghệ truyền thông ISBN 978-604-80-5958-3 169 bao gồm Internet mạng IoT khác Narrowband IoT (NB-IoT), LoRA, Sigfox Vì vậy, để triển khai hạ tầng công nghệ truyền thông LoRaWAN thành phố Đà Nẵng, việc lắp đặt thử nghiệm đánh giá điều kiện thực tế thật cần thiết Mục tiêu nhằm đánh giá mức độ phủ sóng điều kiện mơi trường thực tế khu vực, từ khu vực đông dân cư khu vực đô thị đến khu vực thưa thớt dân cư vùng ngoại ơ, ngồi việc đánh giá chất lượng phủ sóng loại Gateway ảnh hưởng can nhiễu với băng tần GSM cần thực II THIẾT KẾ TRIỂN KHAI HỆ THỐNG A Thông số kỹ thuật Theo quy định quan có thẩm quyền Việt Nam, kể từ tháng 11 năm 2020, quy hoạch tần số industrial, scientific and medical (ISM) cho mạng LPWAN từ 920 đến 923 MHz (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia Việt Nam, số 1122: 2020/ BTTTT, thiết bị vô tuyến mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN) hoạt động dải tần từ 920 MHz đến 923 MHz) [1] Gói tần số thực dải tần số tự kênh giới hạn đường lên - uplink (915 MHz) kênh giới hạn đường xuống - downlink (925 MHz) mạng di động GSM Việt Nam trình bày Hình Sử dụng gói tần số 920-923 MHz này, chúng tơi cấu hình triển khai Gateway LoRaWAN (từ nhà sản xuất khác Kerlink, Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) Rak) với kênh gần với gói tần số AS9232 liên minh LoRA - LoRA Alliance (công bố phiên RP002-1.0 1, phát hành vào ngày 20 tháng năm 2020: https://lora-alliance.org/resourceh ub/rp2 − 101 − lorawan − regional − parameters − 2/) C Vị trí Gateway Hình Gói tần số cho LPWAN Việt Nam dải tần mạng di động dựa GSM B Cấu hình Gateway kênh tần số Hai loại LoRaWAN Gateway Rak7240 Kerlink iBTS, loại Gateway sử dụng trời (outdoor) với khả sử dụng kênh tần số băng tần 920923Mhz hỗ trợ kết nối 4G [2], [3] Hai loại Gatewy sử dụng thử nghiệm với kênh tần số mô tả Bảng I Radio Radio Bảng I 921,8 MHz 922,7 MHz Gateway kết nối với Internet thông qua cổng Ethernet cấp nguồn qua cổng Power over Ethernet (PoE) Dữ liệu truyền tới Gateway cấu hình để chuyển tiếp đến Network Server The Things Network (TTN), server LoRaWAN miễn phí dùng để thử nghiệm Sau đó, phần mềm TTN Mapper sử dụng để đưa lên thơng tin vị trí, cường độ tín hiệu Received Signal Strength Indicator (RSSI) tỷ số tín hiệu nhiễu Signal-to-Noise Ratio (SNR) Mục đích TTN Mapper cung cấp đồ phạm vi phủ sóng thực tế LoRaWAN Gateway Sơ đồ hệ thống thử nghiệm LoRaWAN mơ tả Hình Hình Thử nghiệm độ phủ sóng Gateway Để tăng cường đảm bảo độ phủ sóng Gateway vị trí ưu tiên cần phủ sóng theo yêu cầu phát triển ứng dụng IoT thành phố Đà Nẵng, việc bố trí Gateway cần xem xét dựa yếu tố sau: 1) Chọn vị trí lắp đặt đỉnh tịa nhà cao núi 2) Tuân thủ kỹ thuật trình lắp đặt cổng kết nối tránh lắp đặt ăng-ten gần vật có từ tính đảm bảo khoảng cách tối thiểu ăng-ten 2m 3) Kết cấu khí để giảm ảnh hưởng gió, bão lắp đặt hệ thống chống sét Trong giai đoạn đầu thực dự án Free LoRa,với thời gian thử nghiệm tháng chạy liên tục Gateway kiểm tra vùng phủ sóng thời điểm khác tháng, loại Gateway nhà sản xuất khác lắp đặt để tiến hành trình đánh giá độ phủ tối ưu hóa vị trí lắp đặt thơng qua thử nghiệm thực tế vị trí lắp đặt khác Vị trí chiều cao Gateway mô tả bảng II Việc thử nghiệm vùng phủ sóng khác thực khu vực Đà Nẵng kết nối ổn định lên đến 15km Hình D Giảm thiểu nhiễu lọc nhiễu Xem xét độ gần tần số quy hoạch-frequency plan mạng LPWAN với tần số dải tần GSM Hình Sơ đồ hệ thống thử nghiệm LoRaWAN ISBN 978-604-80-5958-3 170 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) Bảng I KÊNH TẦN Kênh Tần số(MHz) Radio Băng thông 921.4 125kHz 921.6 125kHz 921.8 125kHz 922 125kHz VỊ Vị trí Tịa nhà DSP Tòa nhà SPT Tòa nhà DRT Bán đảo Sơn Trà Kinh độ 108.2230598 108.2290901 108.231547 108.273661 922.4 125kHz 922.6 125kHz 922.8 125kHz LoRastd 922.7 125kHz FSK 923 125kHz Bảng II GATEWAYS TRÍ CÁC Vĩ độ 16.07553058 16.0786091 16.057383 16.1184 công suất xạ giới hạn mức thấp mạng LPWAN, 25 mW, nhiễu vấn đề tiềm ẩn với mạng LPWAN Ở Hình 4, với phép đo thử nghiệm cho Gateway LoRA từ nhà sản xuất khác (Kerlink Rak) cho thấy giảm đột ngột khoảng cách phủ sóng tỷ số tín hiệu nhiễu tín hiệu nhận với Gateway khơng có lọc hiệu (RAK without filter) thấy Gateway Kerlink gateway có phạm vi phủ sóng lớn nhiều Gateway Rak nhận phạm vi phủ sóng hạn chế với việc giảm đáng kể số lượng gó tin nhận Sau xem xét phần cứng nhà cung cấp gateway khác nhau, nhận thấy rằng, lọc khoang (cavity filter) sử dụng gateway Kerlink hoạt động hiệu quả, giảm đáng kể ảnh hưởng từ băng tần GSM đường xuống (downlink) Hầu hết nhà cung cấp Gateway LoRaWAN không cung cấp khả lọc cụ thể cho thị trường Việt Nam sử dụng lọc băng tần rộng từ 900 đến 930MHz Để lọc băng tần GSM đường xuống (downlink) 925MHz, hai chiến lược thử nghiệm Đầu tiên, lọc băng thơng khoang (cavity filter) đặt bên ngồi nằm khoảng từ 920 đến 923MHz với mức suy hao 50dB 925MHz kết nối ăng-ten Gateway Thứ hai, Rak gateway thêm vào lọc (SAW filter) dải tần 909,22MHz 922,64MHz Để đánh giá hiệu vùng phủ sóng, ba cấu hình Gateway khác thử nghiệm từ vị trí: Gateway Kerlink, Rak với lọc SAW Rak với lọc khoang-cavity filter bên Kết cuối trình bày Hình.4 Hình Kết thử nghiệm cho thấy khoảng cách phủ sóng trung bình ước tính Gateway có lọc hiệu khoảng đến km khu vực đô thị đông đúc (tức trung tâm thành phố) khoảng 10 km khu ISBN 978-604-80-5958-3 SỐ 922.2 125kHz 171 Độ cao(m) 90 40 45 812 Chiều cao anten(m) 2 2 vực ngoại Có thể thấy mức công suất nhận Gateway RAK với lọc bổ sung thấp so với Gateway Kerlink Tuy nhiên, khoảng cách phủ sóng tối đa tương tự, có nghĩa có tỷ lệ tín hiệu nhiễu tương tự cấu hình khác Hình So sánh vùng phủ cổng Rak khơng có lọc cổng Kerlink Hình So sánh vùng phủ sóng hai cổng Rak với a cavity filter and SAW filter Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) E Thiết bị End-node để kiểm tra vùng phủ sóng ứng dụng Bất kỳ mạng LPWAN yêu cầu số thiết bị đầu cuối End-node để đánh giá hiệu suất độ phủ giải pháp Kể từ năm 2017, hiệu việc quảng bá hệ thống LoRaWan Đà Nẵng nâng lên cách sử dụng board UCA (Université Côte d’Azur), board phát triển Đại học Côte d’Azur, bảng mạch phát triển mã nguồn mở, với phần cứng đại diện cho IoT giới thực [8], giúp cho việc thử nghiệm mạng LoRaWAN cách đơn giản dễ dàng Ăng ten phân cực tuyến tính bo mạch mơ tả [9] Một máy đo Standing Wave Ratio (VSWR) dựa ghép định hướng thu nhỏ hai chỉnh lưu sử dụng để đánh giá hệ số phản xạ ăng ten trường hợp vị trí đặt bo mạch UCA bị sai Phiên 2021 bo mạch bao gồm thêm số cảm biến môi trường để cung cấp thơng tin q trình thử nghiệm ứng dụng khác (như gia tốc kế để định hướng, cảm biến áp suất cho độ cao, v.v.) Hình Bản đồ thành phố Đà Nẵng Việt Nam với mật độ dân số khoảng 883 người/km2, sử dụng gói tần số 920 MHz đến 923 MHz Trong đó, sử dụng thêm lọc để Gateaway hoạt động dải tần gần với dải tần băng tần GSM900 Kết thử nghiệm cho thấy khoảng cách phủ sóng Gateawy có thêm lọc hiệu hơn, với khoảng cách từ đến km khu vực đô thị khoảng 10 km khu vực ngoại ô Khoảng cách phủ sóng cao đáng kể so với khoảng cách phủ sóng km Gateway khơng có lọc hiệu LỜI CẢM ƠN Cơng trình thực khuôn khổ dự án DaNang FreeLoRa Thành phố Đà Nẵng, Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng, Đại học C^ote d’Azur, Viện Công nghệ Quốc tế Đà Nẵng (DNIIT) Chúng xin chân thành cảm ơn Sở Thông tin truyền thông, Tp Đà Nẵng hỗ trợ việc triển khai thử nghiệm mạng TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình Bo phát triển UCA LoRaWAN phiên 2021 III KẾ HOẠCH TRIỂN KHAI TRONG TƯƠNG LAI Từ việc ước tính thử nghiệm khoảng cách phủ sóng Gateway, với mục tiêu phủ sóng tồn thành phố Đà Nẵng với mạng LPWAN - LoRAWAN, giai đoạn tiếp theo, dự kiến triển khai tổng cộng từ 15 đến 20 Gateway trang bị lọc tối ưu hóa tần số dải tần 920-923 MHz Các thử nghiệm khác tiến hành để khảo sát tác động khác việc truyền liệu điều kiện thực tế: thời tiết khắc nghiệt (mưa lớn, bão nhiệt đới), kết hợp nhiều loại Gateway để bao phủ khu thị lớn, phạm vi phủ sóng nhà, định vị ngồi trời dựa tín hiệu LoRa IV KẾT LUẬN Chúng chứng minh việc triển khai mạng LoRaWAN cho thành phố Đà Nẵng, quy mô vừa phải ISBN 978-604-80-5958-3 172 [1] "Quyết định 1122/QĐ-BTTTT", Bộ thông tin truyền thông, 2020 [2] [Online]https://www.kerlink.com/product/wirnet-ibts/, [Accessed:03-Nov-2021] [3] [Online]https://www.rakwireless.com/en-us/products/lpwangateways-and-concentrators/rak7240, [Accessed:03-Nov-2021] [4] "LoRa Technology Real World Solutions: Smart Cities", Semtech White paper, 2018 [5] LoRa Alliance, White Paper, « LoRaWAN, What is it ?», November 2015 [6] L.H Trinh, Tran Quang Khai Nguyen, D.D Phan, V.Q Tran, V.X Bui, N.V Truong, Fabien Ferrero, “Miniature Antenna for IoT Devices Using LoRa Technology,” 2017 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC), 18/10/2017, Quy Nhon, VN, pp.170-173 [7] Trinh, L.H.; Truong, N.V.; Ferrero, F Low Cost Circularly Polarized Antenna for IoT Space Applications Electronics 2020, 9, 1564 [8] https://github.com/FabienFerrero/UCA21 [9] L.H Trinh, Tran Quang Khai Nguyen, D.D Phan, V.Q Tran, V.X Bui, N.V Truong, Fabien Ferrero, Miniature Antenna for IoT Devices Using LoRa Technology, 2017 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC), 18/10/2017, Quy Nhon, VN, pp.170-173  ... DaNang FreeLoRa Thành phố Đà Nẵng, Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng, Đại học C^ote d’Azur, Viện Công nghệ Quốc tế Đà Nẵng (DNIIT) Chúng xin chân thành cảm ơn Sở Thông tin truyền thông, Tp Đà Nẵng... lớn, phạm vi phủ sóng nhà, định vị ngồi trời dựa tín hiệu LoRa IV KẾT LUẬN Chúng chứng minh việc triển khai mạng LoRaWAN cho thành phố Đà Nẵng, quy mô vừa phải ISBN 978-604-80-5958-3 172 [1] "Quyết... tin truyền thông, Tp Đà Nẵng hỗ trợ việc triển khai thử nghiệm mạng TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình Bo phát triển UCA LoRaWAN phiên 2021 III KẾ HOẠCH TRIỂN KHAI TRONG TƯƠNG LAI Từ việc ước tính thử nghiệm