2 LỜI NÓI ĐẦU Với tốc độ phát triển nhanh chóng của mô hình Internet of Things (IoT), một công nghệ quan trọng khác xuất hiện trong lĩnh vực nghiên cứu này, giúp ta tạo ra một giao tiếp không dây với[.]
LỜI NĨI ĐẦU Với tốc độ phát triển nhanh chóng mơ hình Internet of Things (IoT), cơng nghệ quan trọng khác xuất lĩnh vực nghiên cứu này, giúp ta tạo giao tiếp không dây với hiệu suất cao thiết bị, gọi Low Power Wide Area Network (LPWAN) Trong công nghệ LPWAN, có hai loại: Long Range (LoRa) Narrowband (NB-IoT) LoRa hiểu mạng tầm xa; cho phép truyền thơng tin với tốc độ truyền tải thấp tiêu thụ điện thấp Ngoài ra, mạng khu vực không dây LoRa (LoRaWAN) công nghệ đầy hứa hẹn phát triển để vượt qua thách thức ứng dụng IoT Mục đích tiểu luận cung cấp nhìn tổng quan kỹ thuật giới thiệu LoRaWAN Dự kiến mạng công suất thấp, mạng diện rộng (LPWAN)để hỗ trợ phần số hàng tỷ thiết bị dự báo cho Internet Vạn vật (IoT) LoRaWAN thiết kế từ lên để tối ưu hóa LPWAN tuổi thọ, dung lượng, phạm vi chi phí pin Bản tóm tắt LoRaWAN đặc điểm kỹ thuật cho khu vực khác đưa so sánh cấp cao công nghệ khác cạnh tranh không gian LPWAN MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Danh Mục Hình Vẽ I.Giới thiệu 1.1 Giới thiệu chung lịch sử phát triển 1.2 Các ứng dụng dịch vụ thông minh 1.3 Các yếu tố quan trọng LPWAN II Kiến trúc hệ thống LoRaWAN 11 2.1 Kiến trúc 11 2.2 Mơ hình lớp mạng LoRaWAN 13 2.3 Lớp liên kết LoRaWAN 14 2.4 Chia tỷ lệ mạng LoRaWAN 17 2.4.1 Cấu trúc liên kết LoRaWAN với đa dạng nhận chìa khóa để mở rộng phổ không cấp phép 17 2.5 Khả mở rộng dung lượng mạng LoRaWAN 19 2.6 Ưu nhược điểm LoRaWan 19 III LoRaWAN riêng tư bảo mật 21 3.1 LoRaWAN riêng tư 21 3.2 Bảo mật 21 IV Xu hướng phát triển 24 KẾT LUẬN 26 Tài liệu tham khảo Error! Bookmark not defined THUẬT NGỮ VIẾT TẮT IoT Internet of Things Internet Vạn Vật LPWAN Low Power Wide Area Network Mạng diện rộng công suất thấp LoRa NB Long Range Narrowband Tầm xa Băng hẹp M2M MSachine-to-machine Máy với máy RF FSK Radio Frequency Frequency Shift Keying Artificial Intelligence Internet Protocol Long-Term Evolution Quality Of Service Media Access Control Open System Interconnection Network Server Adaptive Data Rate Listen Before Talk Advanced Encryption Standard Counter-mode Encryption Sóng siêu âm vơ tuyến điện Tần số tín hiệu Trí tuệ nhân tạo Giao thực internet Sự tiến hóa dài hạn Chất lượng dịch vụ Kiểm soát truy cập phương tiện hệ thống mở kết nối Máy chủ mạng Tốc dộ liệu thích ứng Nghe trước phát Chuẩn mã hóa liệu Mã hóa chế độ ngược AI IP LTE QoS MAC OSI NS ADR LBT AES CTR Danh Mục Hình Vẽ Hình 2.1: Kiến trúc hệ thống LoRaWAN Hình 2.2: Mơ hình lớp mạng LoRaWAN 11 Hình 2.3: Lớp liên kết LoraWan 12 Hình 2.4: Lớp thiết bị 13 Hình 2.5 Q trình gói bước nhảy 15 Hình 2.6: LoRaWan thử nghiệm Liên bang Nga 17 Hình 3.1: Tổng quan bảo mật LoRaWAN 20 I.Giới thiệu 1.1 Giới thiệu chung lịch sử phát triển Trong năm gần đây, Internet Vạn Vật (Internet of Things – IoT) hay IoT công nghiệp (Industry IoT – IIoT) từ khóa bật ứng dụng công nghệ thông tin-viễn thông Các công nghệ không dây chiếm tỉ lệ lớn truyền tải liệu IoT lên Internet Điểm đáng ý triển khai ứng dụng IoT khả tiết kiệm lượng, tốc độ truyền tải, độ bao phủ Các công nghệ không dây phát triển để phù hợp với nhóm ứng dụng IoT khác LPWAN (Low-Power Wide Area Network) - Mạng diện rộng lượng thấp xu hướng tất yếu thiếu ứng dụng IoT tương lai Các công nghệ LPWAN triển khai cho thấy tiềm to lớn cho loạt ứng dụng IoT M2M, đặc biệt môi trường hạn chế ● LPWAN LPWAN công nghệ không dây với đặc điểm phủ sóng lớn, băng thơng thấp, kích thước gói tin nhỏ thời gian sử dụng pin lâu dài Mạng LPWAN có chi phí thấp mạng di động có phạm vi rộng mạng khơng dây tầm ngắn LPWAN cung cấp khả kết nối cho thiết bị ứng dụng có tính di động thấp mức độ truyền liệu thấp - Ví dụ cảm biến, đồng hồ thơng minh (đồng hồ nước, đồng hộ điện) phần Internet vạn vật Chính thế, LPWAN mang tới lựa chọn cho truyền tải liệu IoT, phát triển nhằm đáp ứng mục đích tiêu thụ lượng thấp, kéo dài thời gian hoạt động thiết bị đầu cuối, khả truyền tải với khoảng cách xa tới hàng chục Km ● LoRaWAN LoRaWAN tiêu chuẩn mở đưa tổ chức LoRa Alliance nhằm đảm bảo khả tương tác thiết bị IoT Chip LoRa cần thiết để triển khai mạng LoRaWAN độc quyền nhà sản xuất chất bán dẫn SemTech Được thành lập vào tháng năm 2015 để phát triển giao thức LoRaWAN, LoRa Alliance hiệp hội phi lợi nhuận mở với 500 thành viên toàn cầu từ cơng ty viễn thơng, nhà tích hợp hệ thống, nhà khởi nghiệp nhà sản xuất Đến đầu năm 2018 có 62 nhà khai thác mạng công cộng đưa vào sử dụng 350 thử nghiệm diễn triển khai 100 quốc gia LoRa sử dụng phổ tần số Sub-GHz (868 MHz Châu Âu, 915 MHz Châu Mỹ 433 MHz Châu Á) Công nghệ sử dụng kỹ thuật trải phổ để truyền liệu kênh tần số khác tốc độ khác để Gateway thích ứng với điều kiện thay đổi tối ưu hóa cách thức trao đổi liệu với thiết bị Tốc độ liệu nằm khoảng từ 300bps đến 50kbps tùy thuộc vào hệ số trải phổ (SF - Spreading Factor) băng thông (BW-Bandwidth) kênh, độ dài tin nhắn tối đa 243byte cung cấp chức truyền thông hai chiều hiệu Mỗi tin nhắn nhận tất trạm thu phát phạm vi để đảm bảo tỷ lệ truyền thành cơng với u cầu nhiều trạm thu phát làm tăng chi phí triển khai mạng ● Sơ lược lịch sử LPWAN LPWAN xuất vào năm 1980-1990 Tuy nhiên, mạng nhường chỗ cho công nghệ hiệu Cho tới năm gần đây, LPWAN đại cạnh tranh với mạng di động Thuật ngữ “Diện rộng lượng thấp” đưa vào năm 2013 cho loại công nghệ không dây thiết kế để liên lạc máy với máy (Machine-Machine M2M) xác nhận công nghệ không dây lựa chọn cho Internet of Things vào năm 2015, 3GPP (3rd Generation Partnership Project) định tiêu chuẩn hóa số công nghệ không dây sử dụng cho ứng dụng IoT Một số tiêu chuẩn 3GPP đề xuất dựa sở hạ tầng mạng di động NarrowBand IoT (NB-IoT, gọi NB CIoT LTE-M2), eMTC (còn gọi LTEM, LTE-M1 LTE-MTC) EC-GSM (Extended Coverage GSM) Tất mạng sử dụng tần số cấp phép đề cập tài liệu mạng 5G Ngoài ra, mạng LPWAN đề xuất sử dụng băng tần miễn cấp phép, ví dụ cơng nghệ mạng nổi: LoRaWAN, Sigfox, Ingenu mạng khác Như vậy, với tiêu chuẩn LPWAN cạnh tranh, kỹ sư có nhiều tùy chọn thiết kế mạng cho Internet of Things Các tiêu chuẩn LPWAN nhìn chung chia thành hai loại: Mạng di động hay mạng tế bào, sử dụng tần số cấp phép mạng di động Mạng không di động, sử dụng dải tần số vô tuyến công nghiệp, khoa học y tế mà không cần cấp phép (ISM) ● LPWAN Những công nghệ mạng LPWAN tạo để truyền liệu từ xa từ thiết bị đồng hồ đo, cảm biến thiết bị khác khoảng cách dài Sự xuất LPWAN phần lớn yêu cầu cần thiết thiết bị M2M Dựa theo thực tế, mạng LPWAN sử dụng để truyền tải lượng nhỏ liệu khoảng cách xa (thường tới 1MB tháng) từ thiết bị có khả hoạt động nhiều năm từ pin AA Do đó, chi phí bảo dưỡng các thiết bị mạng LPWAN giảm thiểu Các băng tần miễn cấp phép thường dùng mạng LPWAN như: 868/915 MHz, 433 MHz, 169 MHz Ở Châu Á, băng tần 433 MHz đề nghị sử dụng 1.2 Các ứng dụng dịch vụ thông minh ● Smart City (Thành phố thông minh): LoRaWAN công nghệ tất yếu ứng dụng thành phố thông minh tương lai với Internet of Things như: o Chiếu sáng thông minh o Giám sát chất lượng không khí nhiễm o Quản lý phương tiện bãi đậu xe thông minh o Cơ sở vật chất quản lý sở hạ tầng o Phát quản lý cháy o Quản lý chất thải ● Industrial Applications (Ứng dụng công nghiệp): LoRaWAN phù hợp với nhiều ứng dụng công nghiệp o Phát xạ rị rỉ o Cơng nghệ cảm biến thơng minh o Vị trí mặt hàng theo dõi o Vận chuyển vận chuyển ● Smart home applications (Ứng dụng nhà thông minh): Trong tương lai, hàng tỷ thiết bị thông minh thiết bị gia dụng kết nối internet o Tăng cường an ninh gia đình o Tự động hóa nhà cho IoT cho phép thiết bị thơng minh ● Healthcare (Chăm sóc sức khỏe): LoRa giải pháp tốt để kết nối thiết bị chăm sóc sức khỏe cách hiệu o Quản lý thiết bị theo dõi sức khỏe o Công nghệ may mặc ● Agriculture (Nơng nghiệp): Cơng nghệ LoRa sử dụng nông nghiệp thông minh ứng dụng canh tác o Quản lý chăn nuôi trồng trọt thông minh o Theo dõi nhiệt độ độ ẩm o Cảm biến mực nước kiểm soát tưới tiêu 1.3 Các yếu tố quan trọng LPWAN ● ● ● ● ● ● ● ● Kiến trúc mạng Phạm vi giao tiếp Tuổi thọ pin nguồn điện thấp Khả chống nhiễu Dung lượng mạng (số lượng nút tối đa mạng) An ninh mạng Giao tiếp chiều so với hai chiều Nhiều ứng dụng phục vụ Kiến trúc mạng: Nhiều mạng triển khai sử dụng kiến trúc mạng lưới Trong mạng lưới, nút cuối riêng lẻ chuyển tiếp thông tin nút khác để tăng phạm vi truyền thông kích thước mạng Trong điều làm tăng phạm vi, làm tăng thêm độ phức tạp, giảm dung lượng mạng giảm thời lượng pin nút nhận chuyển tiếp thông tin từ nút khác khơng liên quan đến chúng Kiến trúc hình tầm xa có ý nghĩa việc trì tuổi thọ pin đạt kết nối tầm xa.Trong mạng LoRaWAN, nút mạng không liên kết với cổng cụ thể Thay vào đó, liệu truyền nút thường nhận nhiều cổng Mỗi cổng chuyển tiếp gói nhận từ nút cuối đến máy chủ mạng dựa đám mây thông qua số hoạt động hỗ trợ (di động, Ethernet, vệ tinh Wi-Fi) Sự thông minh phức tạp đẩy đến máy chủ mạng, máy chủ quản lý mạng lọc gói nhận dư thừa, thực kiểm tra bảo mật, lập lịch báo nhận thông qua cổng tối ưu thực tốc độ liệu thích ứng, v.v Nếu nút di động di chuyển khơng cần bàn giao từ cổng đến cổng, tính quan trọng để kích hoạt ứng dụng theo dõi tài sản – ngành dọc ứng dụng mục tiêu cho IoT Tuổi thọ pin: Các nút mạng LoRaWAN không đồng giao tiếp chúng có liệu sẵn sàng để gửi dù theo hướng kiện hay theo lịch trình Loại giao thức thường gọi phương pháp Aloha Trong mạng lưới với mạng đồng bộ, chẳng hạn mạng di động, nút thường phải 'đánh thức' để đồng hóa với mạng kiểm tra thơng báo Việc đồng hóa tiêu tốn lượng đáng kể nguyên nhân số làm giảm tuổi thọ pin Trong nghiên cứu so sánh gần GSMA thực công nghệ khác giải không gian LPWAN, LoRaWAN cho thấy lợi gấp đến lần so với tất công nghệ khác lựa chọn công nghệ Dung lượng mạng: Để làm cho mạng tầm xa tồn được, cổng vào phải có dung lượng cao khả nhận thông điệp từ lượng lớn nút Dung lượng mạng cao mạng LoRaWAN đạt cách sử dụng tốc độ liệu thích ứng cách sử dụng thu phát đa modem đa kênh cổng để nhận thông báo đồng thời nhiều kênh Các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến dung lượng số lượng kênh đồng thời, tốc độ liệu (thời gian phát trực tuyến), độ dài tải trọng tần suất nút truyền Vì LoRa điều chế trải phổ, tín hiệu thực tế trực giao với hệ số trải rộng khác sử dụng Khi hệ số lan truyền thay đổi, tốc độ liệu hiệu thay đổi Cổng kết nối tận dụng đặc tính cách nhận nhiều tốc độ liệu khác kênh lúc Nếu nút có liên kết tốt gần với cổng, khơng có lý để ln sử dụng tốc độ liệu thấp lấp đầy phổ khả dụng lâu mức cần thiết Bằng cách thay đổi tốc độ liệu cao hơn, thời gian trực tuyến rút ngắn, mở nhiều không gian tiềm cho nút khác để truyền tải Tốc độ liệu thích ứng tối ưu hóa thời lượng pin nút Để làm cho tốc độ liệu thích ứng hoạt động, cần có liên kết lên liên kết xuống đối xứng với đủ dung lượng đường xuống Các tính cho phép mạng LoRaWAN có dung lượng cao làm cho mạng có khả mở rộng Một mạng triển khai với số lượng sở hạ tầng tối thiểu cần dung lượng, nhiều cổng thêm vào, tăng tốc độ liệu, giảm số lượng nghe cho cổng khác mở rộng dung lượng lên 6-8 lần Các lựa chọn thay LPWAN khác khả mở rộng LoRaWAN đánh đổi công nghệ, làm hạn chế dung lượng đường xuống làm cho phạm vi đường xuống không đối xứng với phạm vi đường lên An ninh mạng: Điều quan trọng LPWAN kết hợp bảo mật LoRaWAN sử dụng hai lớp bảo mật: cho mạng cho ứng dụng Bảo mật mạng đảm bảo tính xác thực nút mạng lớp bảo mật ứng dụng đảm bảo nhà điều hành mạng khơng có quyền truy cập vào liệu ứng dụng người dùng cuối Mã hóa AES sử dụng với trao đổi khóa cách sử dụng số nhận dạng IEEE EUI64 Có đánh đổi lựa chọn cơng nghệ LoRaWAN có tính kiến trúc mạng, lớp thiết bị, bảo mật, khả mở rộng dung lượng tối ưu hóa cho tính di động giải nhiều loại ứng dụng IoT tiềm 10 II Kiến trúc hệ thống LoRaWAN 2.1 Kiến trúc LoRaWAN giao thức kiểm soát truy cập phương tiện (MAC) cho mạng diện rộng Nó thiết kế phép thiết bị cung cấp thấp liên lạc với ứng dụng kết nối Internet kết nối không dây tầm xa LoRaWAN ánh xạ đến lớp thứ hai thứ ba mơ hình OSI Nó thực đầu điều chế LoRa FSK ban nhạc vô tuyến công nghiệp, khoa học y tế (ISM) Các giao thức LoRaWAN xác định Liên minh LoRa thức đặc tả LoRaWAN tải xuống trang web LoRa Alliance Hình 2.1: Kiến trúc hệ thống LoRaWAN ● End Devices: Một thiết bị kết thúc LoRaWAN cảm biến, truyền động hai Chúng thường vận hành pin Các thiết bị cuối kết nối không dây với mạng LoRaWAN thông qua cổng cách sử dụng điều chế LoRa RF Hình cho thấy thiết bị kết thúc LoRaWAN ví dụ - đồng hồ nước 11 ● Join Server: Các quy trình tham gia máy chủ tham gia tin nhắn yêu cầu gửi thiết bị cuối Nó lưu trữ phím root, tạo phím phiên chuyển phím phiên sang máy chủ mạng máy chủ ứng dụng Máy chủ THAM GIA giới thiệu LoRaWAN 1.1 1.0.4 Bạn tìm hiểu cách máy chủ tham gia xử lý thông báo tham gia q trình kích hoạt thiết bị kết thúc chương 2.2 Mơ hình lớp mạng LoRaWAN Giống chồng giao thức điều khiển truyền / giao thức IP, lớp gọi lớp nhận dạng cảm biến, lớp vật lý chịu trách nhiệm việc tích hợp phần cứng cảm biến, đối tượng, thiết bị truyền động, v.v.(Lớp gọi lớp nhận thức IoT) Hình 2.2: Mơ hình lớp mạng LoRaWAN • Lớp thiết bị Lớp bao gồm cảm biến, thiết bị chấp hành điều khiển vi xử lý/vi điều khiển, PLC, FPGA đến máy tính nhúng Lớp thiết bị thực đo lường thu thập liệu đại lượng vật lý thông qua cảm biến, điều khiển thiết bị chấp hành truyền nhận liệu từ thiết bị khác qua mạng • Lớp mạng Chức lớp mạng xác định giao thức truyền thông khác sử 13 dụng cho việc kết nối mạng thực điện toán biên Lớp mạng bao gồm thiết bị liên kết mạng Hub, Switch, Router; thiết bị chuyển đổi giao thức mạng Gateways; đến thiết bị có khả lưu trữ, xử lý cục trước gửi liệu lên Server trung tâm Các “Things” lớp thiết bị kết nối với thiết bị Gateway lớp mạng thông qua mạng cục Wifi, Zigbee, Bluetooth, LoRaWAN … đến mạng có dây CAN, Modbus, Profibus, RS485, Ethernet, Sau đó, thiết bị lớp mạng thực xử lý gửi lên trung tâm liệu qua mạng tồn cầu Internet, 3G/4G/LTE, GSM • Lớp ứng dụng Đây trung tâm lưu trữ liệu hay đám mây điện tử Lớp thực thu nhận liệu từ lớp mạng, lưu trữ, xử lý liệu định dựa thuật toán AI/ML cơng cụ phân tích liệu đại 2.3 Lớp liên kết LoRaWAN Mạng LoRaWAN bố trí theo cấu trúc liên kết hình sao, cổng chuyển tiếp gói thiết bị máy chủ mạng trung tâm (NS) Đến lượt nó, NS định tuyến gói nhận cổng mạng tới máy chủ ứng dụng liên kết ngược lại Giao tiếp nói chung hai chiều, giao tiếp đường lên từ thiết bị đến mạng máy chủ ứng dụng mong đợi lưu lượng chủ yếu Hơn nữa, liên kết lên nhận nhiều cổng, tức khơng có liên kết cố định thiết bị cổng 14 Hình 2.3: Lớp liên kết LoraWan Giao tiếp thiết bị cổng sử dụng truyền dẫn vơ tuyến LoRa bước khóa dịch tần (FSK), truyền dẫn LoRa phân phối kênh tần số tốc độ liệu khác Việc chọn tốc độ liệu, khoảng từ 0,3 đến 50 kbps, cân phạm vi truyền thơng thời lượng truyền gói Tốc độ liệu thấp có phạm vi dài tiêu thụ nhiều thời gian phát sóng Các liên lạc với tốc độ liệu khác không gây nhiễu lẫn Để tối đa hóa tuổi thọ pin thiết bị dung lượng mạng tổng thể, sở hạ tầng mạng LoRaWAN quản lý tốc độ liệu công suất đầu tần số vô tuyến (RF) cho thiết bị riêng lẻ sơ đồ tốc độ liệu thích ứng (ADR) minh họa Hình 2.3 Tùy thuộc vào phân phối cổng, ADR cho phép mạng ảnh hưởng đến số lượng cổng nhận liên kết lên từ thiết bị mức độ kết nối (nhận dự phịng) Chu kỳ nhiệm vụ truyền tối đa thời gian dừng băng xác định theo khu vực cụ thể xác định thông số kỹ thuật Tham số khu vực LoRaWAN với yêu cầu quy định khác lắng nghe trước nói chuyện (LBT) có Để truyền vơ tuyến an tồn, giao thức LoRaWAN dựa mật mã đối xứng cách sử dụng khóa phiên lấy từ khóa gốc thiết bị cụ thể Trong phần phụ trợ, khóa gốc thiết bị hoạt động dẫn xuất khóa liên quan máy chủ tham gia (JS) lưu trữ quy trình kích hoạt qua mạng Ngồi ra, khóa phiên dành riêng cho thiết bị sử dụng trực tiếp vào thiết bị, gọi kích hoạt cách cá nhân hóa Thiết bị End-Devices phục vụ ứng dụng khác có yêu cầu khác Để tối ưu hóa nhiều loại cấu hình thiết bị end-node, LoRaWAN sử dụng lớp thiết bị khác Các lớp thiết bị đánh đổi tốc độ xử lý downlink mạng so với thời lượng pin Trong ứng dụng kiểu điều khiển cấu chấp hành, tốc độ xử lý downlink yếu tố quan trọng Các thiết bị LoRaWAN thường tuân theo kiểu giao tiếp kiểu ALOHA, thiết bị hoạt động ba lớp sau thể hình 15 Hình 2.4: Lớp thiết bị • Lớp A (Cảm biến pin-powered) Truyền nhận liệu hai hướng: Các thiết bị thuộc Loại A cho phép truyền nhận theo hai hướng, theo lần truyền uplink end-device theo sau hai đường nhận downlink Tiến trình truyền nhận thiết lập enddevices dựa nhu cầu giao tiếp riêng thơng qua biến thiên thời gian (dựa cấu trúc giao thức ALOHA) Lớp A hoạt động với hệ thống enddevice tiêu thụ công suất thấp, phù hợp cho ứng dụng yêu cầu giao tiếp downlink từ server sau end-device thiết lập đường truyền uplink Giao tiếp downlink từ máy chủ vào thời điểm khác phải đợi uplink theo lịch trình • Lớp B (Bộ truyền động chạy pin) End-devices truyền nhận liệu theo hướng với việc tiếp nhận (receive slots) thiết lập theo lịch trình End-devices theo lớp B mở cửa sổ nhận theo thời gian thiết lập, nhận tín hiệu báo đồng từ Gateway Điều cho phép Server biết end-device lắng nghe • Lớp C (Bộ truyền đơng cung cấp lượng chính) End-devices truyền nhận liệu theo hướng với tiến trình “nhận” (receive slots) tối đa, mang lại độ trễ nhỏ End-devices thuộc Class C liên tục mở luồng nhận đóng thực việc truyền liệu 16 *Lưu ý thiết bị chuyển từ chế độ hoạt động Loại A sang Loại B ngược lại cần 2.4 Chia tỷ lệ mạng LoRaWAN Các thiết bị IoT dự đoán nhiều thiết bị lấy người làm trung tâm điện thoại di động từ 10 đến 100 lần vào năm 2025 Để đáp ứng xu hướng này, lực quy mô triển khai LoRaWAN chủ đề điều tra giới học thuật công nghiệp Để cung cấp nhận thức định lượng hoạt động mạng LoRaWAN quy mô sử dụng mạng mạng tăng cường 2.4.1 Cấu trúc liên kết LoRaWAN với đa dạng nhận chìa khóa để mở rộng phổ không cấp phép Việc triển khai LoRaWAN sử dụng cấu trúc liên kết hình với hệ số tái sử dụng tần số Điều giúp đơn giản hóa việc triển khai mạng mật độ liên tục khơng cần lập kế hoạch mẫu tần số cấu trúc lại nhiều cổng thêm vào sở hạ tầng Nó tạo điều kiện cho hợp tác liền mạch mạng công cộng riêng tư So với công nghệ lưới, sở hạ tầng single-hop-to-network giảm thiểu tiêu thụ điện nút khơng phải chuyển tiếp thông tin liên lạc từ nút khác Một ưu điểm khác triển khai mạng ban đầu chế độ thưa thớt với mật độ nút thấp, so với mạng lưới yêu cầu mật độ nút tối thiểu Tuy nhiên, tính thiết kế quan trọng LoRaWAN tính đa dạng nhận Khi việc sử dụng phổ không cấp phép ngày tăng, tiếng ồn vô tuyến gọi "tầng nhiễu" ngày gia tăng Một số chuyên gia dự đốn mạng khơng cấp phép chắn phải đối mặt với tình trạng gói ngày tăng khơng thể đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) dài hạn Nhưng thực tế điều tránh khỏi Mạng LoRaWAN thích ứng với tiếng ồn cách tận dụng nhiều cổng tiếp nhận hoạt động đồng thời cho thiết bị đầu cuối Mạng LoRaWAN thơng báo đường lên nhận cổng (phân tập macro RX) Phân tập vĩ mô đường lên cải thiện đáng kể dung lượng mạng QoS khả xảy nhiễu triệt tiêu đồng thời tất anten Kết là, mạng LoRaWAN kỳ vọng đối phó với gia tăng nhiễu tốt nhiều so với mạng lưới trước đó, nút quản lý thu 17 next-hop thời điểm ngược lại, bị suy giảm nghiêm trọng tích lũy ảnh hưởng việc tăng gói bước nhảy, Hình 2.5 Hình 2.5 Q trình gói bước nhảy 2.4.2 Vai trò tốc độ liệu thích ứng LoRaWAN hỗ trợ ADR, cho phép NS thay đổi động thông số thiết bị đầu cuối công suất phát, danh sách tần số, hệ số trải rộng tốc độ lặp lại đường lên Điều chỉnh cẩn thận công suất truyền cần thiết không để đảm bảo thiết bị sử dụng công suất thấp cần thiết để giao tiếp với cổng vào, mà để giảm thiểu nhiễu không cần thiết cho ô vô tuyến lân cận, ngăn thiết bị gần có ảnh hưởng đến thiết bị nằm rìa Đây gọi hiệu ứng xa gần Hệ số trải rộng xác định mối quan hệ tốc độ ký hiệu tốc độ chip Hệ số lan truyền cao làm tăng độ nhạy phạm vi, kéo dài thời gian phát sóng gói tin làm tăng nguy va chạm LoRaWAN sử dụng sáu hệ số trải rộng trực giao khác đánh số 7-12 Để giảm thiểu mức tiêu thụ lượng thiết bị thời gian phát sóng, NS cố gắng tối đa hóa tốc độ liệu cho ngân sách liên kết định thiết bị ăngten tốt nhất, trì mức độ đa dạng vĩ mơ tối thiểu, chẳng hạn mạng cung cấp dịch vụ định vị địa lý Việc truyền tin định lặp lại thay đổi kênh (tần số sóng mang) lần truyền để cung cấp phân tập tần số Việc lặp lại khơng kéo dài thời gian phát sóng mà cịn làm cho việc tiếp nhận mạnh mẽ nhiều có trở ngại nhiễu kênh va chạm Việc tìm kết hợp tốt lặp lại, tốc độ liệu công suất truyền q trình tối ưu hóa phức tạp, động lực chúng tơi để xây dựng mơ hình mơ Hình STYLEREF \s SEQ Hình \* ARABIC \s Hành vi Mesh so với LoraWan18 với mức độ tiếng ông tăng lên 2.5 Khả mở rộng dung lượng mạng LoRaWAN Nó có hiệu lực triển khai mà trạm gốc lắp đặt vị trí cao ngồi trời so với chiều cao tòa nhà xung quanh Các thiết bị giả định có ăng-ten dBi, đặc trưng cho thiết bị nhỏ Mô chúng tơi sử dụng 16 kênh tarcó tỷ lệ lỗi gói 10% Nó cho thấy cơng ty mở rộng quy mô dễ dàng theo mật độ cổng mạng Hình 2.6: LoRaWan thử nghiệm Liên bang Nga Những kết cho thấy tương lai mạng LoRaWAN, đặc biệt môi trường đô thị, nơi mức ồn dự kiến tăng lên lưu lượng truy cập tăng lên, hướng tới mạng vi tế bào, chẳng hạn, với thu tích hợp modem ba phát Đa dạng vĩ mô không cung cấp công suất cao hơn, mà cịn có khả phục hồi cao khác biệt tiêu thụ điện thấp cho thiết bị cuối LoRaWAN cung cấp giải pháp kết nối ngang để giải nhu cầu rộng rãi ứng dụng IoT cho việc triển khai LPWAN Tuy nhiên, lợi ích thực với thuật tốn NS thông minh độc quyền nhà cung cấp giải pháp mạng 2.6 Ưu nhược điểm LoRaWan 19 Ưu điểm • Các cảm biến dùng với cơng suất thấp vùng phủ sóng tầm diện rộng • Hoạt động tần số miễn phí (khơng có giấy phép), khơng cần chi phí cấp phép trả trước để sử dụng cơng nghệ • Nguồn điện cấp thấp nên đồng nghĩa với thời lượng pin lâu dài cho thiết bị Pin dùng cho cảm biến kéo dài từ 2–5 năm (Loại A Loại B) • Các cổng Gateway thiết kế để tiếp nhận hàng nghìn thiết bị Enddevice nút • Dễ dàng triển khai kiến trúc mạng đơn giản • Nó sử dụng rộng rãi cho ứng dụng M2M / IoT • Dung lượng đường truyền lên đến (100 byte), so với SigFox 12 byte • Tính “Mở”: công nghệ mở tiêu chuẩn mở so với đối thủ cạnh tranh SigFox • Khơng hạn chế số lượng thông điệp tối đa ngày (so với giới hạn SigFox 140 / ngày) • LoRaWAN có lợi ích với cách tiếp cận Mở thay độc quyền (SigFox) • Tầm xa cho phép giải ứng dụng phạm vi rộng thành phố • Băng tần thấp khiến LoRaWAN trở nên lý tưởng cho ứng dụng IoT thực tế với liệu với việc truyền liệu khơng liên tục • Chi phí kết nối thấp • Khơng dây, dễ cài đặt triển khai nhanh chóng • Bảo mật: lớp bảo mật cho mạng lớp cho ứng dụng với Nhược điểm • Khơng dành cho ứng dụng truyền liệu lớn, giới hạn tầm 100 byte • Khơng dùng để giám sát liên tục (trừ thiết bị loại C) • Khơng phù hợp cho ứng dụng thời gian thực yêu cầu độ trễ thấp yêu cầu rung giật giới hạn • Mật độ mạng LoRaWAN: Sự gia tăng công nghệ LPWAN, đặc biệt LoRaWAN, đặt thách thức tồn việc triển khai gateway vào khu vực thị • Bất lợi tần số mở bạn bị nhiễu tần số tốc độ liệu thấp (Đối với GSM tần số cấp phép, bạn truyền tần số mà khơng bị nhiễu Các nhà khai thác GSM sử dụng tần số định mà phải trả khoản phí cấp phép lớn cho phủ để sử dụng tần số LoRa hoạt động tần số mở không cần trạng thái Giấy phép (Hãy nhớ tần số mở khác quốc gia) 20 mã hóa AES • Hồn tồn giao tiếp hai chiều • Được hỗ trợ CISCO, IBM 500 công ty thành viên khác LoRa Alliance III LoRaWAN riêng tư bảo mật 3.1 LoRaWAN riêng tư LoRaWAN riêng tư ( Private LoRaWAN Networks Your LPWAN Network Your Way) LoRaWAN không gian công nghệ truyền thông không dây Mạng diện rộng lượng thấp (LPWAN) Ở chỗ có nhiều mơ hình triển khai kinh doanh để giải vô số nhu cầu trường hợp sử dụng ứng dụng IoT toàn cầu Các tùy chọn triển khai bao gồm mạng Pubic, Private Hybrid Mạng LoRaWAN riêng có nghĩa khách hàng triển khai cổng riêng họ, cung cấp backhaul riêng họ triển khai cảm biến phạm vi cổng Điều trái ngược với Mạng cơng cộng, nơi khách hàng trả tiền cho nhà điều hành mạng để kết nối cảm biến họ mà không cần triển khai cổng kết nối với backhaul Mạng kết hợp cho phép bạn di chuyển mạng công cộng mạng riêng Mạng công cộng LoRaWAN giải pháp tuyệt vời cho nhiều trường hợp sử dụng LPWAN IoT phục vụ thị trường IoT toàn cầu nhiều năm tiếp tục nhiều năm Khách hàng không cần phải mua cổng cung cấp dịch vụ hỗ trợ để sử dụng mạng công cộng, yêu cầu tồn mạng công cộng khu vực mà họ muốn hoạt động LoRaWAN Mạng riêng giải pháp tuyệt vời cho trường hợp sử dụng IoT có nhóm nhu cầu chung bao gồm, khơng giới hạn ở: o Vị trí mạng xác nơi bạn muốn o Mạng xây dựng hoạt động xác bạn cần o Mạng đơn - không yêu cầu chia sẻ với mạng khác kiểm soát hồn tồn lưu lượng o Nâng cao tính linh hoạt ứng dụng - không bị ràng buộc giới hạn nhà khai thác mạng, ví dụ ứng dụng sử dụng số lượng lớn liên kết xuống o Với Mạng riêng LoRaWAN, bạn có “Mạng LPWAN theo cách bạn” nơi bạn muốn 3.2 Bảo mật Đảm bảo triển khai Internet of Things (IoT) giữ cho an tồn bảo mật khơng vấn đề lựa chọn giao thức phù hợp, mà cịn phụ thuộc vào q trình triển khai áp dụng phương pháp hay tiêu chuẩn ngành 21 ... GSMA thực công nghệ khác giải không gian LPWAN, LoRaWAN cho thấy lợi gấp đến lần so với tất công nghệ khác lựa chọn công nghệ Dung lượng mạng: Để làm cho mạng tầm xa tồn được, cổng vào phải có... lượng thấp” đưa vào năm 2013 cho loại công nghệ không dây thiết kế để liên lạc máy với máy (Machine-Machine M2M) xác nhận công nghệ không dây lựa chọn cho Internet of Things vào năm 2015, 3GPP... xa LoRaWAN ánh xạ đến lớp thứ hai thứ ba mơ hình OSI Nó thực đầu điều chế LoRa FSK ban nhạc vô tuyến công nghiệp, khoa học y tế (ISM) Các giao thức LoRaWAN xác định Liên minh LoRa thức đặc tả LoRaWAN