TRUONG DAI HOC SU PHAM
LE DUY HUNG
UNG DUNG MO HINH LORA NETWORK CHO BAI TOAN QUAN TRAC MOI TRUONG
TAI THANH PHO BINH DUONG
Trang 2Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận văn này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của gia đình, của thầy cô, các anh chị, em và bạn bè Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới:
Ban Giám hiệu, các thầy cô giảng dạy và làm việc tại Khoa Tin học - Trường Đại học Sư phạm - Đại học Đà Nẵng đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn
Tiến sĩ Phạm Anh Phương, người thầy đã hết lòng giúp đỡ, dạy bảo, động viên
và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình hồn thành luận văn
Cơng ty Cổ phần Công nghệ và Truyền thông Việt Nam đã tạo mọi điều kiện về
trang thiết bị máy móc cho quá trình thử nghiệm
Xin chân thành cảm ơn bố mẹ, anh chị và các em đã ở bên cạnh động viên, tạo
điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt qua trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận
văn cao học
Trang 3Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Nội dung của luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin được đăng tải trên những tạp chí và các trang web theo danh mục tài liệu tham khảo Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định
cho lời cam đoan của mình
Đà Nẵng, ngày tháng năm 2022
Người thực hiện
⁄)#>-
Trang 4Tén dé tai: UNG DUNG MO HINH LORA NETWORK CHO BÀI TOÁN
QUAN TRAC MOI TRUONG TAI THANH PHO BINH DUONG
Ngành: Hệ thống Thông tin
Họ tên học viên: Lê Duy Hùng
Người hướng dẫn khoa học: TS Phạm Anh Phương
Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Đà Nẵng Tóm tắt:
Những năm gần đây, Internet of Things (IoT) là công nghệ tiềm năng nổi bật trong cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 Các ứng dụng IoT xuất hiện khắp nơi trong tất cả các lĩnh vực từ công nghiệp đến nông nghiệp, từ nhà thong minh ,trường học thông minh đến thành phó thông minh Theo dự đoán của Cisco, đến năm 2020 có đến hàng tỉ thiết bị thông minh kết nối Internet đóng góp then chốt cho nền kinh tế toàn cầu Sự bùng nồ công nghệ lơT sẽ tiếp tục tăng nhanh chóng theo hàm số mũ trong thời gian sắp đến cùng với dữ liệu lớn (Big Data) và vấn đề tiêu thụ năng lượng đối với các thiết bị IoT Ngày nay, ứng dụng IoT đòi hỏi thu thập dữ liệu ở khoảng cách xa, tiêu thụ năng lượng thấp Các thiết bị LoRa có thể hoạt động trao đổi dữ liệu trong mạng với thời gian lên đến 10 năm khi sử dụng pin
Mạng diện rộng công suất thấp Low-Power Wide Area Network (LPWANS) là công nghệ truyền thông không dây được thiết kế đề hỗ trợ triển khai đa dạng các ứng dụng IøT Những công nghệ này cho phép kết nói diện rộng và quy mô lớn cho các thiết bị công suất thấp, chỉ phí thấp và tốc độ dữ liệu thấp LoRaWAN là một trong những công nghệ thành công và phổ biến thuộc LPWANs LoRaWAN bao gồm giao thức truyền thông được định nghĩa bởi liên minh LoRa, hoạt động trên lớp vật lý LoRa và các băng tần cấp miễn phí Chính vì thế, mạng LoRaWAN nhận được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học, viện nghiên cứu trên khắp thế giới
Việc nghiên cứu tính tốn, mơ phỏng mạng LoRaWAN đã đạt được những thành tựu nhất định, khang định vị thế vai trò mạng LoRaWAN trong những ứng dụng IoT tam xa
Trong đề tài này, tác giả đã đề xuất mô hình sử dụng mạng LoRa với các gateway chuẩn công nghiệp Từ đó đánh giá tính khả thi khi triển khai thực tế mô hình mạng công nghiệp LoRaWAN cho bài toán quan trắc môi trường tự động tại Thành phố mới Bình Dương, tỉnh Bình Dương
Kết quả thử nghiệm cho thấy LoRaWAN là ứng cử viên đầy tiềm năng với khoảng cách truyền dữ liệu lên đến 8,5 km trong khu vực đô thị và tín hiệu truyền ồn định xung quanh gateway công nghiệp Mạng LoRaWAN không chỉ là giải pháp cho các ứng dụng IoT về quản lý năng lượng, giám sát chất lượng không khí mà còn các ứng dụng liên quan trong lĩnh vực nông nghiệp thông minh, chiếu sáng, giao thông thông minh, du lịch
Từ khóa - Internet vạn vật; LoRaWAN; mức độ phủ sóng; truyền thông tầm xa; truyền thông công suất thấp; quản lý năng lượng
Xác nhận của giáo viên hướng dẫn Người thực hiện đề tài
_— —— ME
Trang 5Name of thesis: DESIGNING AN INDUSTRIAL LORAWAN NETWORK FOR ENVIRONMENTAL MONITORING PROBLEM IN BINH DUONG CITY
Major: Information System
Full name of Master student: Hung Le Duy Supervisors: PhD Anh Pham Phuong
Training institution: The University of Da Nang - University of Science and Education
Abstract:
In recent years, Internet of Things (IoT) is an outstanding potential technology in the industrial revolution 4.0 IoT applications appear everywhere in all fields from industry to agriculture, smart home, smart school, smart city According to Cisco's prediction, by 2020 there will be over billions of Internet-connected smart devices making a key contribution to the global economy The explosion of IoT technology will continue to increase rapidly exponentially in the coming time along with big data (Big Data) and the problem of energy consumption for oT devices Today, many IoT applications require long-distance, low-energy data collection LoRa devices can exchange data in the network for
up to 10 years on battery power
Low-Power Wide Area Network (LPWAN) is a wireless communication technology designed to support the deployment of a variety of loT applications These technologies enable large-scale and
wide-area connectivity for low-power, low-cost, and low-data-rate devices LoORaWAN is one of the
successful and popular technologies of LPWANs LoRaWAN consists of the communication protocol defined by the LoRa alliance, operating on the LoRa physical layer and free-grade bands Therefore, the LoRaWAN network has received the attention of many scientists, research institutes around the world
The study of calculation and simulation of LoRaWAN network has achieved certain achievements, confirming the role of LORaWAN network in long-range loT applications
In this topic, the author has proposed a model of using LoRa network with industry standard gateway From there, evaluate the feasibility of implementing the LoRaWAN industrial network model for automatic environmental monitoring in Binh Duong New City, Binh Duong Province
The test results show that LORaWAN is a potential candidate with a data transmission distance of up to 8.5 km in urban areas and stable signal transmission around the industrial gateway LORaWAN is not only a solution for IoT applications in energy management, air quality monitoring but also related applications in the fields of smart agriculture, lighting, smart transportation, tourism
Key words - Internet of Things; LoRaWAN; range of coverage; long-range communication;
Low-Power communication; power management
Supervisor's confirmation Student
th Mle
Trang 6DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮTT - -«s5c-ccc ee¿ i DANH MUC CAC BANG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Chương 1 GIỚI THIỆU VẺ INTERNET OF THINGS (IOT), MẠNG LORAWAN VÀ THÀNH PHÓ THÔNG MINH
1.1 Internet of Things (ÍO'T) .- c5 5< 5< Ăn 9H 031011110110118110111 0106
1.2 Thành phố thông minh . vs evveeretrtttrrrrrttietieiiiiee 3 1.3 Giới thiệu về LoRa và LoRaWAN -cceeserreieeiiieiiiiiiiiiiiiieiiirie
13:1: Định:nghĩsssiseisessnnseaindlB011110015161011.121 1110100111 00.1011000406 1.3.2 So sánh LoRa với các công nghệ truyền dẫn khác
1.4 Các ứng dụng của LoRaWAN ch 0101000110101011956 8
1.5 Các thành phố thông minh trên thế giới c 5ccsveeseterririrserrirree 13
1.6 Các nghiên cứu và triển khai mạng LoRaWAN tại Việt Nam
1.7 Kết luận chương - 5< 5° ©seEEExeerxeerrtrt1101110110011011001101171 0001110 16
Chương 2 PHÂN TÍCH CƠNG NGHỆ LORA -ecccccccs««cccereeceee 17 5:1 Kĩ THUẬT oixaainisstdi0 G0118 0011088880081611188/46gD10.00320180600080016110.001000000101000 010000010
PIN: anh
2.1.2 LoRaWAN mô tả theo ngăn xếp MAC
2.1.3 LoRa trong mơ hình OSÌ ¿5-2 + 2,1,4 Cấu trúc gồÏ tỉn ccceskeieerieriieisl G0888 008011108140 Sg0118H0G8H 2.1.5 Băng tần 2.1.6 Trải phổ tín hiệu (SF)
2.1.7 RSSI và SNR s- 22c 2211221111201 Hư hưng 31 2.1.8 Kỹ thuật ADR (ADR) 55cc 2tr re 5:1.ð Tham số hệ thÕngg cccnirei2200018 ERNEST
2.1.10 Độ nhạy của LoRa và FSK .cccceehehhhHHHHrrrrrerreie 2.2 Mô hình chung cho ứng dụng sử dụng LoRaWAN eeeierie 2.3 Kết luận chương -s < stsetserxeerkrtere.1011111001011011 011.1001100
Chương 3 ỨNG DỤNG MƠ HÌNH LORA NETWORK CHO BÀI TOÁN QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG TẠI THÀNH PHÓ BÌNH DƯƠNG . 40
Trang 73.4 Ứng dụng mô hình LoRaWAN vào bài tốn quan trắc mơi trường tự động tại BÌNH DIEOUTÏDirosrztrseoaritrtiixst1G1110001S115G1G41838308130ã0011548018ESEISGEQESISRSEESKSNNSSSA301454g9ã.g834 43 3.4.1 Quy trình xây dựng hệ thống ứng dụng mạng LoRa cho bài toán quan trắc
ôi trường tự động tại Bình,DƯơn@ - -csscses311201244035608v67138p6503a8g0 43 3.4.2 Thông tin về LoRaWAN gateway công nghiệp -ccccscccrtseirseee 46
3.4.3 Thông tin thiết bị cảm biến LPWAN 2552222222222 2221 2c
3.5 Thực nghiệm và đánh giá hiệu năng . -5ccsssxessssssssesssree 3.5.1 Kiểm tra khoảng cách truyền nhận gói tin
3.5.2 Kiém tra mat gOi tit nh ốc 3.5.3 Kiểm tra d6 tré ctha 26: tit occcccccsccsssesssessssessseessecssecsssesssecsseessecssseesseesseessies 54
3.5.4, Kiém tra gOi tin ACK occcccccssccssssssssesssessssesssesssecssscsssssssssssecaseesseesseesstesseeesies
Trang 8
Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
ADR Adaptive Data Rate Đáp ứng tốc độ dữ liệu
BER Bit Errors Ratio Tỷ lệ lỗi bít
BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân CMAC Cipher ~ based Message Mã xác thực an nhắn dựa
Authentication Code trên mã bảo mật
CR Code Rate Tốc độ mã hóa
CRC Cyclic redundancy check Kiếm tra dư thừa chu kỳ CSS chirp spread spectrum Chirp trai phố
FHDR Frame Header Tiéu dé khung
FRMPayload | Frame Payload Tai trong khung FSK Frequency Shift Keying Khéa dich tan
GW Gateway Cổng truy cập
IoT Internet of Things Vạn vật kết nối
LAN Local Area Network Mạng máy tính cục bộ
LoRaWAN LỮNG ERHRBI Wises Mạng diện rộng vùng phủ lớn Network
LPWAN _ | Low Power Wide Area Network thie điền rộng cổng suối
M2M Machine to Machine Máy đến máy
MHDR | MAC Header Tiêu đề lớp MAC
MIC Messager Identify Code Mã toàn vẹn ban tin
PHDR Physical Header Tiêu đề lớp vật lý
OSI Open Systems Interconnection Mô hình tham chiếu kết nối Reference Model các hệ thông mở
PHY Physical Lớp vật lý
SF Spreading Factor Hệ số trải phố
SNR Signal Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
Trang 9DANH MUC CAC BANG
ee, Tén bang Trang
1.1 Mức độ phổ biến các công nghệ dùng trong IOT lý
1.2 So sánh công nghệ LoRa với các công nghệ truyền dữ liệu khác 8
2.1 | Các tổ hợp Khóa - Khối - Vong 18
2.2 Bảng cấu trúc tiêu đề lớp MAC 24
2.3 | Các loại khung của tiêu đề lop MAC 25
2.4 | Cấu trúc tiêu đề khung lớp MAC 25
2.5 Cấu trúc mã toàn vẹn bản tin 25
2.6 Tần số LoRa quy định tại một số nước Châu Á 26 2.7 Cấu trúc lệnh MAC truyền qua tram 33
2.8 | Cấu trúc lệnh MAC trong bản tin phản hồi 33
2.9 Bảng giá trị SNR theo SF và tốc độ dữ liệu 34 2.10 So sánh tốc độ bít, vùng phủ và thời gian phát sóng của các hệ |_ 35
sô SF
3¿l Bảng thông số thu thập cho báo cáo quan trắc môi trường tại | 42 Bình Dương
3.2 Kế hoạch thời gian thu thập thông tin môi trường Bình Dương 43 3.3 Thông số kĩ thuật gateway Kerlink Wirnet iStation 47 3.4 Thông số kỹ thuật đồng hồ nước LoRa Baylan VK-4 RF 51 3.5 Minh họa bảng thu thập thông tin tín hiệu LoRa (Xem thém tai | 54 Phụ lục 1)
Trang 10DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ae Tén hinh vé Trang
1.1 | Mô hình thành phế thông minh 4
1.2 Cấu trúc mạng LoRaWAN theo OSI 5
1.3 | Mô hình hoạt động của một hệ thống LoRaWAN 6 1.4 | Biểu đồ so sánh các công nghệ truyền dẫn IoT 7
1:5 Các ứng dụng của LoRaWAN trong thành phố thông minh 9
1.6 M6 hinh hé théng smart home 9
17 Mô hình hệ thống thùng rác thông minh 10 1.8 Mô hình hệ thống bãi giữ xe thông minh 11
1.9 | Mô hình hệ thống chiếu sáng thông minh 12
1.10 | Thành phố New York (Mỹ) 13
1.11 Giải pháp chiếu sáng thông minh của Pelab - ĐH Bách khoa TPỊ_ 15
HCM
2.1 Mô hình bảo mật trong LoRaWAN 19
2:2 Ngăn xếp giao thức LoRa 20
2.3 | Cấu hình mặc định cia lop A 20
2.4 | Cấu hình mặc định của lớp B 21
2.5 | Cấu hình mặc định của lớp C 22
2.6 | Mô hình OSI 22
2.7 M6 hinh backend LoRaWAN 23
2.8 | Cau tric goi tin LoRa 24
2.9 Băng tần LoRa trén thé gidi 26
2.10 | Quá trình điều chế/ trải rộng tín hiệu 28
2.11 | Quá trình giải điều chế/ thu hẹp phê tín hiệu 28
2.12 | Minh họa về RSSI 32
2.13 Minh họa mức tín hiệu và nền nhiễu 32
2.14 | Quang phố Chirp của LoRa 36
2.15 | Tần số LoRa so với tần số FSK 37
Trang 112.17 | Mô hình ứng dụng LoRaWAN dạng mạng dịch vụ 38
3.1 | Danh sách TOP thành phố thông minh trên thế giới năm 2022 4I 3.2 | Bản đồ vị trí các điểm thu thập thông tin môi trường tỉnh Bình |_ 42
Dương
3.4 Quy trình xây dựng hệ thống quan trắc môi trường tự động 44 3.) Mô hình đề xuất cho việc quan trắc môi trường tự động tại Bình | 44
Dương
3.6 _ | Quy trình kết nối hệ thống 45
3.7 Gateway ngoài trời Kerlink Wirnet Station 923 47
3.8 Cấu trúc gateway Wirnet Station 923 47
3.9 Gateway trong nha Kerlink Wirnet iFemtoCell 923 49
3.10 | Cấu tric gateway Wirnet iFemtoCell 923 49
3.11 | Thiét bi quan trắc chất lượng không khí Dragino LAQ4 50
3.12 | Thiết bị đồng hồ nước LoRa - Baylan VK4-RF 51 3.13 |Kết quả kiểm tra khoảng cách của LoRa M2B - dự án| 52
AirSENSE (ĐH Bách khoa Hà Nội)
3.14 | Kết quả kết nối truyền dẫn LoRa của tác giả 53 3.15 | Minh họa thực nghiệm đánh giá mắt gói tin 53 3.16 _ | Độ trễ tín hiệu từ thiết bị đến gateway 55
3.17 | Ví dụ minh họa các vị trí thử nghiệm 55 3.18 | Biểu đồ kết quả truyền nhận gói tin 56 3.19 | Biểu đồ so sánh kết quả thử nghiệm truyền nhận gói tin 56
3.20 | Biểu đồ kết quả RSSI 57
3.21 | Biểu đồ kết qua SNR 57
Trang 121 Ly do chon dé tai
Tại Bình Dương, để án Thành phố Thông minh Bình Dương giai đoạn 2016-2021
với mục tiêu đây mạnh thử nghiệm các công nghệ mới phục vụ cho công tác quản lý Thành phố thông minh Tổng công ty đầu tư Becamex IDC - nhà đầu tư chính của thành phố mới Bình Dương, được Tỉnh Bình Dương giao nhiệm vụ chủ trì và tiếp tục
thực hiện đề án
Với vai trò nhà cung cấp dịch vụ công nghiệp kết hợp đô thị đã tạo điều kiện thuận
lợi cho Becamex IDC thực hiện các vai trò và nhiệm vụ được giao Bên cạnh những thuận lợi, do việc phát triển nhanh chóng các Khu công nghiệp — đô thị thì thách thức
đặt ra về vấn đề quản lý môi trường là không nhỏ Ví dụ làm sao theo dõi được tình trang ô nhiễm nước thải, ô nhiễm không khí, tại các Khu công nghiệp, đô thị mà
Becamex đang quản lý Đồng thời, vấn để quan trắc môi trường tự động tại tỉnh Bình Dương do Sở tài nguyên môi trường cũng được triển khai dẫn đến tình trạng báo cáo
hay cảnh báo tình trạng ô nhiễm nước, không khí ngay lập tức rất khó thực hiện Việc
tìm kiếm triển khai hệ thống quan trắc môi trường tự động là hết sức cần thiết
Từ thực tế nêu trên, với vai trò là đơn vị tư vấn, xây dựng giải pháp cho Tổng công
ty Becamex IDC, tác giả đề xuất thực hiện đề tài "ỨNG DỤNG MƠ HÌNH LORA NETWORK CHO BÀI TỐN QUAN TRẮC MƠI TRƯỜNG TẠI THÀNH PHÓ
BÌNH DƯƠNG" nhằm “ứng dụng và thử nghiệm mô hình hệ thống quản lý IoT Platform dựa trên LoRa network” - một nền tảng hoàn chỉnh, tối ưu, đúng tiêu chuẩn Việt Nam phục vụ việc quản lý quan trắc môi trường tự động cho Becamex IDC nói riêng và Tỉnh Bình Dương nói chung
2 Mục tiêu và nhiệm vụ đề tài
2.1 Mục tiêu
e Nghiên cứu, phân tích đánh giá các giải pháp công nghệ truyền dẫn trong loT e Nghiên cứu các mô hình quản lý hạ tang IoT dựa trên LoRaWAN
e Ứng dụng mô hình quản lý IøT Network sử dụng LoRaWAN phục vụ yêu cầu quản lý quan trắc môi trường cho Bình Dương
2.2 Nhiém vu
e Với mục tiêu nghiên cứu, phân tích đánh giá các giải pháp công nghệ truyền dẫn trong loT hiện có: luận văn cần nghiên cứu các công nghệ truyền dẫn như LoRa, Zigbee, NB-IoT, 4G phân tích các ưu nhược điểm của từng giải pháp các ứng dụng có thể triển khai,
Trang 13dựng và thử nghiệm việc quản lý thích hợp với địa phương, tận dụng tối ưu và
cho phép doanh nghiệp, viện trường cùng tham gia sử dụng 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1 Đối tượng nghiên cứu
e Công nghệ LoRa và mạng LoRaWAN, chính sách quản lý hạ tầng truyền dẫn của Bộ Thông tin và Truyền thông, hiện trạng hạ tầng truyền dẫn IoT tại Thành
phố mới Bình Dương, Quy trình quan trắc môi trường tại Bình Dương
e Các dự án sử dụng LoRa tại Việt Nam 3.2 Phạm vi nghiên cứu
e Công nghệ LoRa ở các nước trên thế giới
e_ Số liệu môi trường, thông tin địa lý, hành chính của Bình Dương
4 Phương pháp nghiên cứu
e Nghiên cứu lý thuyết và cài đặt thực nghiệm
4.1 Nghién cứu lý thuyết
Thu thập, chọn lọc, phân loại, ghi chú và nghiên cứu tài liệu tổng hợp, phân tích
các phương pháp sfate-of-the-art hiện nay vé IoT platform 4.2 Cai đặt thực nghiệm
Bài toán thực nghiệm bao gồm việc xây dựng và thử nghiệm hiệu xuất truyền
đữ liệu, lưu trữ, quản lý và biểu diễn dữ liệu môi trường thu thập được
Trang 14MANG LORAWAN VA THANH PHO THONG MINH
Internet of Things là xu hướng và là một phần không thể thiếu trong nền Công
nghiệp 4.0 loT giúp tất cả các thiết bị có thể kết nối với nhau và kết nối với con
người, từ đó có thể theo dõi, đánh giá và điều khiển để đáp ứng nhu cầu của con người
trong mọi lĩnh vực như môi trường, năng lượng, giao thông,v.v Chương này, tác giả sẽ giới thiéu vé Internet of Things (IoT), Thanh phố thông minh và mạng LoRaWAN 1.1 Internet of Things (IoT)
Internet of Things hay mạng vạn vật kết nối (IoT) là một liên kết mạng, nơi mọi
thiết bị có thể kết nối nhờ được tích hợp các linh kiện điện tử, phần mềm, cảm
biến,v.v giúp chúng có khả năng kết nối với mạng máy tính (internet) để truyền dữ liệu [1]
Năm 2012, tổ chức Global Standards Initiative on Internet of Things IOT-GSD
định nghĩa IOT là “hạ tầng cơ sở toàn cầu phục vụ cho xã hội thông tin, hỗ trợ các dịch vụ chuyên sâu thông qua các vật thể (cả thực và ảo) được kết nối với nhau nhờ vào công nghệ thông tin và truyền thông hiện hữu được tích hợp” Hệ thống IOT cho phép
vật được cảm nhận hoặc được điều khiển từ xa thông qua hạ tầng mạng hiện hữu, tạo
cơ hội cho thế giới thực được tích hợp trực tiếp hơn vào hệ thống điện toán, hệ quả là hiệu năng, độ tin cậy và lợi ích kinh tế được tăng cường bên cạnh việc giảm thiểu sự
can dự của con người
Hiểu một cách đơn giản, là tất cả các thiết bị từ điện thoại di động, tai nghe, tủ
lạnh, tỉ vi đến bóng đèn đơn giản cũng có thể kết nối với nhau thông qua các giao thức kết nôi
1.2 Thành phố thông minh
Thành phố thông minh được định nghịa là thành phố được Xây dựng trên nền tảng công nghệ thông tin IoT giúp kết nối và tạo nên một hệ thống tổng thể được kết nối từ nhiều hệ thống thành phần với hệ thống trí tuệ nhân tạo (AI)
Trang 15
Ug oe oe
Hình 1.1: Mô hình thành phó thông mình
(Nguôn: LoRa Alliance)
Hình ảnh về một thành phố thông minh khi mà tắt cả mọi thứ đều trở nên thông minh va kết nối với nhau được thể hiện trên Hình 1.1 Có thể kế đến như hệ thống đèn
đường được quản lý từ xa giúp tiết kiệm năng lượng, các ngôi nhà thông minh điều khiển tự động hay bằng giọng nói, bãi đỗ xe tự thông báo chỗ còn trống và hướng dẫn
đến 6 dé, thùng rác tự thông bao tinh trang day rác và ô nhiễm không khí bên trong dé
hệ thống tự lên kế hoạch đường đi và thông báo để xe gom rác, cảnh báo tắc đường tự
động để người lái xe nắm và tìm được đường đi tối ưu
1.3 Giới thiệu về LoRa và LoRaWAN 1.3.1 Định nghĩa
1.3.1.1 LoRa
LoRa là từ viết tắt của Long Range Radio là một công nghệ truyền dữ liệu sử dụng phương pháp điều chế FSK, GESK, OOK cho mạng diện rộng với khả năng tiêu thụ năng lượng thấp, tuôi thọ của thiết bị cao lên đến 10 năm với môi trường lý tưởng
l2] x 2 x
Khả năng truyền dữ liệu trong không gian không có vật cản có thé lén den 10- 15km (ví dụ: cánh đồng, bờ đê, ) Trong môi trường đô thị với nhiều nhà cao tầng, thì khả năng truyền nhận khoảng 2-5km
1.3.1.2 LoRaWAN
Trang 16dùng, nhà phát triển, doanh nghiệp triển khai IOT [3]
Application
LoRa LoRa® Modulation
'à
sẽ Eet EU 868 Ï EU433 | US915 | A5430 | —- |
Hình 1.2: Cấu trúc mạng LoRaWAN theo OSI (Nguon: Semtech LoRa Developer Portal)
Nó được thực hiện trên điều chế LoRa hoặc FSK trong các băng tần vô tuyến công nghiệp, khoa học và y tế (ISM) Các giao thức LoRaWAN được định nghĩa và phát triển bởi tổ chức LoRa Alliance Cấu trúc mạng LoRa theo OSI được mô tả trên Hình 1.2
LoRa Alliance là một tổ chức phi lợi nhuận, được thành lập để để nghiên cứu và định nghĩa các chuẩn giao tiếp LPWAN network dựa trên nền tảng LoRa Hiện tại,
LoRa Alliance dang phát triển chuẩn giao tiếp LoRaWAN để kết nối hàng triệu thiết bị
IoT trong các ứng dụng Smart City, Smart Meters [4]
Kiến trúc mạng LoRaWAN thường được bố trí trong Topo hình sao, trong đó
các cổng nối là cây cầu trong suốt chuyển tiếp các thông điệp giữa các thiết bị đầu cuối
và máy chủ mạng trung tâm trong phần phụ trợ Cổng kết nối với máy chủ mạng thông qua kết nối IP tiêu chuẩn trong khi các thiết bị đầu cuối sử dụng giao tiếp không dây
một chiều tới một hoặc nhiều cổng kết nối Tắt cả giao tiếp điểm cuối nói chung là hai
hướng, nhưng cũng hỗ trợ các hoạt động như nâng cấp phần mềm hoặc các thông điệp
phân phối khác để giảm thời gian liên lạc không dây Truyền thông giữa các thiết bị
đầu cuối và Gateway được trải ra trên các kênh tần số khác nhau và tốc độ dữ liệu
Việc chọn tỷ lệ dữ liệu là sự cân bằng giữa khoảng cách truyền dẫn và thời lượng thông điệp Do công nghệ phổ lan rộng, truyền thông với tốc độ dữ liệu khác nhau không can thiệp lẫn nhau và tạo ra một tập hợp các kênh "ảo" làm tăng khả năng của
Gateway Tốc độ dữ liệu LoraWAN dao động từ 0.3 kbps đến 50 kbps
Trang 17End Nodes Concentrator/ Network Server Application Server Gateway 3 @) ens 36/ Alaray Ethernet Backhaul <9 s{ WS J ae Pr y x oO >) m
toRa RF TCP/IP SSL TCP/IP SSL o LoRaWAN LoRaWAN Secure Payload
» ° 4
=
AES Secured Payload
Hình 1.3: Mô hình hoại động của một hệ thống LoRaWAN
(Nguon: The Things Industries)
Hoạt động của một hệ thống LoRaWAN được mô tả như Hình 1.3 Trong đó
-_ Thiết bị đầu cuối (End Nodes): là các cảm biến hoặc thiết bị giám sát tại các vị
trí chỉ định để làm nhiệm vụ theo dõi giám sát theo yêu cầu
- Cổng kết nối (Gateway) là các thiết bị trung gian làm nhiệm vụ thu thập và
truyền dữ liệu về hạ tầng mạng kết nối hoặc điện toán đám mây Mỗi thiết bi gateway sẽ được cung cấp nguồn điện và có kết nối internet để gửi dữ liệu
-_ Lớp lưu trữ và xử lý - Network Server: là trung tâm lưu trữ và xử lý dữ liệu trong hệ thống giúp kết nối các thành phần trong mạng, có thể triển khai trên cloud hoặc máy chủ cục bộ (local server)
- Lớp server ứng dụng - Application Server: giúp người dùng có thể quan sát, theo dõi các thông tin gửi về và ra lệnh bật tắt các thiết bị, phố biến nhất là một ứng
dụng web hoặc mobile
Tại một số quốc gia như Anh, Mỹ, Pháp, Nhật Bản, LoRaWAN đã được sử dụng khá phổ biến
1.3.2 So sánh LoRa với các công nghệ truyền dẫn khác
Hiện tại có rất nhiều công nghệ truyền dẫn khác nhau được sử dụng trong IoT Tùy thuộc vào mục đích và chỉ phí, người ta thường chia ra làm 3 mô hình như sau:
Trang 18cao hơn các thiết bị có sử dụng pin
- Mang LPWAN (Sigfox, LoRa, NB-IoT) cho phép thiết bị sử dụng pin và truyền đữ liệu với khoảng cách xa nhưng tốn rất ít năng lượng Đây là mô hình phát triển sau
nên tối ưu hơn và được sử dụng rộng rãi trong tương lai
Bảng 1.1: Mức độ phổ biến các công nghệ ding trong IOT
Các phương LAN LPWAN GSM hoặc LTE
pháp Phạm vi truyền ngắn loT Truyén théng
Uu diém Tiéu chuan thiét lap Tiêu thụ ít năng Phủ sóng rộng
tốt lượng khắp
Triển khai nhanh trong Chỉ phí thấp Tốc độ truyền dữ tòa nhà Khoảng cách xa liệu cao Nhược điểm Tuổi thọ pin thấp Tốc độ truyền dữ Tất cả phải phụ
Phải duy trì chỉ phí liệu thấp thuộc nhà mạng
mạng và phụ thuộc nhà | Mới, chưa phổ biến
mạng
Tỷ lệ sử dụng 45% 40% 15%
Ví dụ các Bluetooth,, Zipbee, LoRa, NB-IoT, GSM, 3G, 4G
công nghệ Wifi Sigox
Bang 1.1 thé hiện tỉ lệ sử dụng các công nghệ truyền dữ liệu dùng trong IOT Trong đó LoRa đang được sử dụng phổ biến nhất (45%), theo sau đó là mạng khu vực địa phương (40%) và mạng di động (15%) [5]
Data rate & ‘ "i
Trang 19
1.2 mô tả phương diện kỹ thuật của các phương thức truyền dẫn không dây hiện có Bảng 1.2: So sánh công nghệ LoRa với các công nghệ truyền dữ liệu khác
lap”
Technology 2G 3G LAN ZigBee gi”? hú
Range NIA NA oO 300m 0 90m Same an
c (l=indoor, O=Outdoort) ở 1 30m 1 30m suaa
< Ty GOON 200-500mA 500-1000mA 100-300mA 18mA 18mA
E consumption
s Standby current 2 3mA 3 5mA NC 0003mA 0001mA
S Energy harvesting 2o s be: >
_ (solar, olor) No No No Possibie Possible
x2
Q Battery 4-8 24 950 60 120)
if 2000mAh hours(com) hours(com) hours(com) ees fystFS(0012
(LRG battery) 36 days{idie) X hours(dle) X hours(tdle} 10) wena pelted
Module Revenue 5 i
Annually 123 20% A$ + 3$
Autonomy GSM with 2000mAh
— Eanniple lọt energy tmeter
Autonomy LP WAN with 2000m4h
CMM MMMZUz tana wi MmuY A Yu
1 year 5 years 10 years %
(Nguon: LoRaWan vs NBIoT: How Tata Comm & SenRa driving India's loT space as telcos wait and watch - [Š])
Bang 1.2 so sanh cho thấy LoRa là ưu điểm nhất: công suất tiêu thụ nhỏ, tuổi thọ pin dài Theo tính toán với viên pin 20000mAh, các công nghệ khác chỉ có thể hoạt động tối đa liên tục 60h và 36 ngày trong chế độ chờ Trong khi đó LoRa có thể hoạt
động trong 120h liên tục và 10 năm ở chế độ chờ
1.4 Các ứng dụng của LoRaWAN
Trang 202G Wd €3 Theo dồi tai sản công nghiệp Theo đồi co sé ha tang quan trong Nông nghiệp 4 }- ld “= 0 ee 7 me dish Lt cnn) Giữ an toàn cho nhà tự động Vận chuyển hàng hóa Theo đối và giảm sát động vật hoang đã Liam : § web „ 2 Wy (@!ÙÈ SS a atte 2 Ỹ ÿj SE ty Jy
Hinh 1.5: Cac ting dung cia LoRaWAN trong thành phố thông mình
Hệ thống giám sát, theo đõi nhà thông minh
Hệ thống sẽ giúp con người theo dõi tự động các đữ liệu của ngôi nhà như chỉ số điện, nước,v.v Dụng cụ đo thông mỉnh sẽ giúp giảm thiểu chỉ phí phát sinh từ việc
đọc thủ công và cảnh báo cho người sử dụng biết được hạn mức một cách liên tục
Giúp người dùng nắm bắt ngay tức thì từ đó thay đổi cách thức sử dụng giảm thiểu chỉ phí Cloud ” )) LoRa vary Gateway Sensor data access | Intelligent monitors Improve efficiency | Residence safety Asset tracking © - Humidity sensor GP? - Gas sensor = Dust sensor - Temp sensor - Noise sensor - Solar sensor Hình 1.6: Mô hình hệ thống smart home Thùng rác thông minh
Thùng rác trong thành phố không được xây dựng theo nhu cầu, và đa số thời gian lịch trình các xe thu gom đều cố định và không tối ưu để thu gom rác Thùng rác thông minh có thể báo hiệu đến đại lý quản lý chất thải khi một thùng rác đầy cần được thu gom, lộ trình thu gom tốt nhất sẽ được tính toán và gửi đến người thu gom Dữ liệu thu thập lịch sử có thể cung cấp các tuyến đường được tối ưu hóa và xác định số lượng thùng rác cần thu gom Phí cho dịch vụ này có thể được tính theo phí hàng tháng hoặc
Trang 21Tiện tích của hệ thống:
- Giảm chỉ phí hoạt động bằng cách tổ chức hợp lý quá trình thu gom chất thải qua
việc sử dụng sensor gắn với công nghệ LoRa
- Giữ chỉ phí bảo trì và vận hành ở mức thấp, do mạng không dây, các sensor pin năng lượng thấp có thể được thay thế trên các thùng rác Pin có thể có hoạt động đến 20 năm mà không cần thay thế
- Giữ thành phố sạch sẽ bằng việc ngăn thùng rác không bị quá đầy Cách thức hoạt động Hình 1.7: Mô hình hệ thống thùng rắc thông mình Cách thức hoạt động của hệ thống thu gom rác thông minh được thể hiện trên Hình 1.11 Trong đó:
- Cae sensor gắn với công nghệ LoRa được đặt ở các thùng rác - Cac sensor thông báo dịnh kỳ tỷ lệ đầy của thùng rác
- Gateway gửi thông tin đến mạng ở đó dữ liệu được phân tích bởi ứng dụng server
- Ung dung server tao mét tuyén duéng thu gom rac t6i uu chi ra nhitng thing rác cần được thu gom
-_ Tuyến đường tối ưu được gửi đến người lái xe qua máy tính hoặc điện thoại di động nên họ chỉ cần thu gom những thùng rác đây
Bãi đỗ xe thông minh
Trang 22
thông minh cung cấp đầy đủ thông tin của bãi đỗ (số lượng ô trống, hướng dẫn đến ô
trống, thông báo vị trí của bãi đỗ, ) giúp cho người dân dé dàng tìm được chỗ đỗ xe,
giải quyết nhanh chóng vấn đề đỗ xe không đúng quy định
Trong hệ thống này, các sensor sẽ được đặt phía dưới các ô bãi đỗ và kết nối
voi server Cac sensor này sẽ thông báo về tình trạng ô đỗ, vị trí ô đỗ về hệ thống, từ
đó biết được số lượng còn lại của bãi đỗ xe Kết hợp các thiết bị loT khác như bảng đèn LED, camera, barier tự động sẽ trở thành một giải pháp toàn diện cho vấn đề đỗ xe thông minh Với một ứng dụng di động, người dẫn có thể biết được ngay lập tức tình trạng của bãi đỗ xe để lựa chọn bãi đỗ phù hợp
Tiện ích này còn giúp giảm số lượng nhân viên vận hành vì toàn bộ hệ thống được vận hành một cách tự động Ứng dụng này rất phù hợp để áp dụng trong các khu vực chung cư cao tầng, nơi nhu cầu đỗ xe của người dân sống trong chung cư là rất
cao
Cách thức hoạt động: —
Hình 1.6: Mô hình hệ thông bãi giữ xe thông mình
Mô hình hệ thống bãi giữ xe thông minh được thể hiện trên Hình 1.12 Trong đó:
-_ Với các sensor và thiết bị đo đã được cài đặt, các dữ liệu thu thập được sau đó
được gửi đến gateway dựa trên LoRa Dữ liệu được thu thập trong trung tâm ứng dụng Cloud và có sẵn với tất cả những người sử dụng thông qua web
- Người sử dụng bây giờ có thể sử dụng hệ thống đỗ xe thông minh bằng giao dịch qua thẻ một cách an toàn và đáng tin cậy, và tăng mức tổng thanh toán cho dịch vụ đỗ xe Công nghệ LoRa đảm bảo an toàn và có thể áp dụng với mạng không di động
-_ Dữ liệu thu thập từ các sensor trong khu vực được sử dụng để theo dõi chỗ đỗ
Trang 236 Application server kiêm soát chiêu sáng
7 Server gửi thông báo bảo dưỡng khi đèn cháy bóng hoặc các vấn đề khác 1.5 Các thành phố thông minh trên thế giới Thành phố New York (Mỹ) [7] hung Hình 1.10: Thành phố New York (Mỹ) (Nguon: Internet)
Thành phố New York đang sử dụng các phần mềm thông minh để giải quyết những vấn đề liên quan đến chất lượng và bảo tồn nước, an toàn công cộng và quản lý chất thải Văn phòng công nghệ và đổi mới của Thành phố đang hợp tác với công ty tư nhân trong việc áp dụng các công nghệ như đồng hồ nước tự động, thùng rác thông minh và đèn đường thông minh Các dự án như LinkNYC, City Bike, HunchLab, Bigbclly đã giúp cải thiện chất lượng cuộc sống của cư dân thành phố
Trong đó, một số dự án công nghệ đột phá và quan trọng nhất của New York phải
kể đến là:
~ Dự án LinkNYC với hơn 7.500 điểm kết nối thong minh goi 1a “Links” cho phép người sử dụng truy cập wi-fi 24/7, mién phi cuộc gọi khắp nơi trong nước Mỹ
— Dự án HunchLab sử dụng dữ liệu lịch sử và mô hình địa điểm để dự đoán sự cố xảy ra Giải pháp có thể xác định các điểm nóng về tội phạm, giúp gia tăng sự an tồn nơi cơng cộng
~ Dự án tiết kiệm năng lượng, nâng cấp toàn bộ đèn LED chiếu sáng sử dụng công nghệ thông minh có khả năng lên lịch hoạt động
~ Dự án Bigbelly - thùng rác thông minh được lắp đặt trên toàn Thành phố có thể
giám sát mức độ rác và gửi cảnh báo, tránh tràn rác và tôi ưu hóa lịch trình lấy rác
Trang 24Amsterdam là một trong những thành phố châu Âu đầu tiên triển khai chương trình thành phố thông mỉnh từ năm 2009 Các thành tựu nỗi bật của Amsterdam là:
— iBeacon Living Lab đầu tiên trên thế giới và mạng LoRaWAN (mạng không dây
tầm xa) công cộng có kết nối toàn Thành phố hoạt
— IBeacon Mile được dự định rõ ràng là phòng thí nghiệm sống, nơi tất cả các bên quan tâm (công dân, công ty và trường đại học) có thể thử nghiệm và phát triển ứng
dụng Trên thực tế, đó là một cơ sở thử nghiệm Internet vạn vật — Internet of Things
(IoT) lớn, công khai và mở, để thúc đây sự phát triển của nền kinh tế IoT dang phat triển nhanh chóng trên các ngành công cộng và tư nhân
— Hé théng Amsterdam Open Beacon với 300 cảm biến đèn hiệu được trải khắp
thành phố, nằm gần các trung tâm giao thông công cộng
~ Ứng dụng quản lý giao thông gọi là Smart Flow để quản lý và đọc tín hiệu các cảm biến nhằm điều khiển giao thông và tìm các điểm đỗ xe còn trống Ứng dụng này giúp tài xế nhanh chóng tìm được điểm đỗ xe, qua đó góp phần làm giảm tình trạng tắc đường, tiếng ồn và tiêu hao nhiên liệu gây ô nhiễm môi trường
Dữ liệu mở là một trong những chìa khóa dé thực hiện thành phố thông minh thành công Amsterdam đã có dữ liệu thành phố mở từ năm 2012, bao gồm dữ liệu điều tra dân số, tăng trưởng khu vực lân cận, sử dụng điện và công trường Khi dữ liệu và nền tảng Amsterdam được mở, điều đó có nghĩa là các nhà phát triển có thể sử dụng dữ liệu để phát triển các ứng dụng và khái niệm mới
Thành phố London (Anh)
Để giải quyết áp lực lên giao thông, năng lượng, chăm sóc sức khỏe và quản lý ô nhiễm do dân số tăng, London đã đưa ra một loạt sáng kiến với dự án được gọi là Smarter London Together nhằm biến London thành đô thị thông minh nhất thế giới
— Chương trình Connected London — phủ sóng kết nối 5G hoàn toàn bằng cáp quang trong toàn Thành phó — người dân và du khách có thể truy cập vào các điểm wi- fi công cộng và trên đường phó
— Các địa điểm có tính chất biểu tượng của London được lắp đặt hệ thống thiết bị thông minh với các cảm biến đo chất lượng không khí, camera và các điểm sạc xe điện
~ Dự án Heathrow pods — hệ thống xe điện không người lái, tự động vận chuyển hành khách giúp loại bỏ được nhu cầu đi lại bằng xe bus từng lên tới 70.000 chuyến mỗi năm, tương đương với 100 tấn khí thải carbon dioxide phat ra trong thời gian đó
Trang 251.6 Các nghiên cứu và triển khai mạng LoRaWAN tại Việt Nam
Công nghệ LoRa còn khá mới mẻ ở Việt Nam Các công nghệ truyền dẫn không dây khác như WiFi, 3G, 4G vẫn còn sử dụng phố biến Tuy nhiên việc nghiên cứu tính tốn, mơ phỏng mạng LolRaWAN đã được những thành tựu nhất định, khẳng định vị thế vai trò mạng LoRaWAN trong những ứng dụng IoT trong tương lai
Trong bài báo [8] tác giả có đề xuất mạng LoRa với các gateway trong nhà nên khoảng cách truyền dữ liệu hạn chế trong bán kính phủ sóng LoRa khoảng Ikm Tuy
nhiên, để đánh giá tính khả thi khi triển khai thực tế mô hình mạng công nghiệp LoRaWAN cần có phân tích đánh giá trong điều kiện địa lý cụ thể cũng như những
yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách truyền dữ liệu trong mạng LoRaWAN
Trên thực tế đã có vài dự án đã được thử nghiệm tại Việt Nam Đơn cử dự án thử
nghiệm hệ thống Quản lý đèn đường thông mình triển khai tại Khu công nghệ cao TP
Thủ Đức do Khoa Điện - Điện tử Trưởng Đại học Bách Khoa — Đại học quốc gia TP
Hồ Chí Minh [9] Dự án được triển khai thử nghiệm trên toàn hệ thông đèn đường của
Khu công nghệ cao TP Thủ Đức với khoảng 1000 bóng đèn Hệ thống sử dụng LoRaWAN với tần số 868 Mhz và được đánh giá cao về khả năng hoạt động và hiệu quả quản lý
Hình 1.11: Giải pháp chiếu sáng thông mình của Pelab - ĐH Bách khoa TP HCM (Nguồn: Pelab.vn)
Tuy việc sử dụng tần số LoRa đã được Bộ Thông tin và truyền thông quy định
nhưng để triển khai thực tế còn nhiều vấn đề pháp lý khác Do đây là công nghệ mới
nên để sử dụng công nghệ này cũng cần phải cân nhắc đến việc nhiễu sóng và ảnh hướng dé các vấn đề an ninh, quốc phòng khác
Hay dự án thử nghiệm mạng công nghiệp LoRaWAN cho thành phố Đà Nẵng của nhóm nghiên cứu trường Đại học Đà Nẵng do Viện Công nghệ quốc tế DNIIT tài trợ cũng đạt nhiều kết quả khả quan Tuy nhiên vẫn chưa có dự án thực tế triển khai
Trang 26Tai Binh Duong, sau khi khao sat tai dia phuong, vẫn chưa có dự án thực tế triển khai nào liên quan đến mạng LoRa
1.7 Kết luận chương
Qua chương l, tác giả đã trình bày khái quát về Internet of Things như khái niệm, cấu trúc cơ bản của hệ thống loT hoàn chỉnh cũng như các ứng dụng IoT Tác
giả trình bày chung về thành phố thông minh, công nghệ truyền dẫn không dây mới hiện nay là LoRa, mạng lưới LoRaWAN kết nối với nhau, các ứng dụng IoT sử dụng LoRaWAN và các thành phố thông minh đã sử dụng trên thế giới Tình hình nghiên
cứu và triển khai LoRaWAN tại Việt Nam
Trang 27Chương 2 PHÂN TÍCH CƠNG NGHỆ LORA
Mạng LPWAN là một công nghệ hứa hẹn sẽ kết nối hàng ngàn bộ cảm biến với internet vạn vật kết nối trong tương lai Hiện nay IoT dang cé hai trường phái nổi lên
là: các tiêu chuẩn trải phổ dựa trên truyền thông băng rộng và tiêu chuẩn dựa trên
truyền thông năng hẹp, cả hai đều hứa hẹn cho việc kết nối tầm xa với công suất thấp Trong chương này, tác giả chỉ tập trung vào công nghệ LoRa - công nghệ đang có những ưu điểm nỗi trội so với các công nghệ còn lại trong mạng LPWAN
2.1 Kĩ thuật
Chirp Spread Spectrum (CSS) là kỹ thuật trải phổ sử dụng các xung chirp được
điều chế tần số tuyến tính băng rộng để mã hóa thông tin Chirp là một tín hiệu hình
sin vé tan số tăng hoặc giảm theo thời gian (thường có biểu thức đa thức cho mối quan
hệ giữa thời gian và tần số)
LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế Chirp Spread Spectrum Cũng như các phương pháp trải phổ khác, Chirp Spread Spectrum str dung toàn bộ băng thông được phân bổ
của nó để phát tín hiệu, làm cho tín hiệu trở nên mạnh mẽ đối với nhiễu kênh Hơn
nữa, bởi vì các chirp sử dụng dải rộng của phổ, nên Chirp Spread Spectrum cũng có khả năng chống lại đa đường dẫn tới suy giảm cường độ và xoay pha tín hiệu (multi- path fading) ngay cả khi hoạt động ở công suất rất thấp Tuy nhiên, nó không giống
như trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) hoặc trải phổ nhảy tần (FHSS) ở chỗ nó không
thêm bất kỳ phần tử giả ngẫu nhiên nào vào tín hiệu để giúp phân biệt nó với nhiễu trên kênh, thay vào đó dựa vào bản chất tuyến tính của xung chirp Ngoài ra, Chirp Spread Spectrum co khả năng chống lại hiệu ứng Doppler, đặc trưng trong các ứng dụng radio di động [9]
2.1.1 Bảo mật 2.1.1.1 Mã hóa AES
Advanced Encryption Standard (AES, hay Tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến) là một thuật toán mã hóa khối được chính phủ Hoa kỳ áp dụng làm tiêu chuẩn mã hóa Giống như tiêu chuẩn tiền nhiệm DES, AES được kỳ vọng áp dụng trên phạm vi thế giới và đã được nghiên cứu rất kỹ lưỡng AES được chấp thuận làm tiêu chuẩn liên bang bởi Viện tiêu chuẩn và công nghệ quốc gia Hoa kỳ (NIST) sau một quá trình tiêu chuẩn hóa kéo dài 5 năm Thuật toán được thiết kế bởi hai nhà mật mã học người Bỉ: loan Daemen và Vincent Rijmen
AES là một thuật toán mã hóa khối đối xứng với độ dài khóa là 128 bít (một
chữ số nhị phân có giá trị 0 hoặc 1), 192 bít và 256 bít tương ứng gọi là AES-128,
AES-192 va AES-256 AES-128 sir dung 10 vong (round), AES-192 str dung 12 vong
Trang 28Quy định thuat toan [10]
Đối với thuật toán AES, độ dài của khối đầu vào, khối dau ra va Trạng thái đều là 128 bít Như vậy Nb = 4 là số lượng các từ 32 bít (số cột) của Trạng thái
Trong thuật toán AES, độ dài Khóa mã K có thể là 128, 192 hoặc 256 bít Độ
dài khóa được biểu diễn bằng một sé Nk = 4, 6, hoặc 8 thé hiện số lượng các từ 32 bít
(số cột) của Khóa mã
Đối với thuật toán AES, số vòng được thay đổi trong quá trình thực thi thuật toán phụ thuộc vào kích cỡ khóa Số vòng này được ký hiệu là /\, trong AES, Nr = 10
khi Wk =4, Nr = 12 khi Wk = 6 và Nr = 14 khi Nk = 8
Các tổ hợp Khóa-Khối-Vòng phù hợp đối với tiêu chuẩn này cho bởi Hình 4 Việc thực thi cụ thể thuật toán có liên quan đến độ dài khóa, kích cỡ khối và số
vòng nên xem thêm điều 6.3 Bảng 2.1: Các tổ hợp Khóa - Khối - Vòng Độ dài khóa | Độ dài khối | Số vòng (Nk tiv) (Nb tw) (Nr) AES-128 4 4 10 AES-192 6 4 12 AES-256 8 4 14
Đối với Phép mã hóa và Phép giải mã, thuật toán AES sử dụng một hàm vòng gồm bốn phép biến đổi byte: 1) phép thay thế byte sử dụng một bảng thay thế (Hộp-S), 2) phép dịch chuyển hàng của mảng Trạng thái theo các offset khác nhau, 3) phép trộn dữ liệu trong mỗi cột của mảng Trạng thái, 4) phép cộng Khóa vòng vào Trạng thái 2.1.1.2 Mã hóa AES trong mô hình LoRaWAN
Bảo mật LoRaWAN được thiết kế để phù hợp với tiêu chí: tiêu thụ điện năng
thấp, độ phức tạp thấp, chỉ phí thấp và khả năng mở rộng cao Mô hình mạng LoRaWAN tuân thủ các nguyên tắc: sử dụng các thuật toán tiêu chuân AES-128, được kiểm tra kỹ lưỡng và bảo mật đầu cuối Sau đó, các thuộc tính cơ bản được hỗ trợ trong bảo mật LoRaWAN khác như: xác thực lẫn nhau, bảo vệ tính toàn vẹn và tính bao mat [11]
Bảo mật LoRaWAN sử dụng mật mã AES kết hợp với một số chế độ hoạt động: CMAC2 để bảo vệ tính toàn vẹn và CTR3 để mã hóa Mỗi thiết bị LoRaWAN
được cá nhân hóa bằng khóa AES 128bit duy nhất (được gọi là AppKey) và số nhận dạng duy nhất (DevEUI dựa trên EUI-64), cả hai đều được sử dụng trong quá trình xác
thực thiết bị
Việc phân bổ số nhận dạng EUI-64 yêu cầu người phải có Số nhận dạng duy
Trang 29được xác định bằng mã định danh duy nhất toàn cầu 24 bit do LoRa Alliance TM chỉ định
Khi một thiết bị tham gia vào mạng, AppKey sẽ tạo ra 2 khoá phiên ứng dụng AppSkey và khoá phiên mạng NwkSkey Mã NwkSkey được chia sẻ với mạng, trong khi đó Appkey được giữ bí mật Các khóa này sẽ được sử dụng trong suốt thời gian của phiên làm việc LoRaWAN™ 2 SECURITY %% i) £ Application Security si] Bị Bí
Hình 2.1: Mô hình bảo mật trong LoRaWAN (Nguon: LoRa Alliance)
Hình 2.1 cho thấy cách mà các khóa này được sử dụng Các Appkey được sử dụng để mã hóa đầu cuối (end-to-end) của khung truyền tải
2.1.2 LoRaWAN mô tá theo ngăn xếp MAC
LoRa định nghĩa lớp giao thức lớp MAC và kiến trúc hệ thống cho mạng trong
khi lớp vật lý LoRa cho phép liên kết truyền dẫn có vùng phủ xa Giao thức và kiến
Trang 30Application LoRalAN' TT Tế TT n0 MÀU DHHNNS 207 1170) 516-] LoRa LoRa® Modulation s
and race EU 868 | EU 433 J US915 | AS430
Hinh 2.2: Ngan xếp giao thức LoRa (Nguồn: Semtech LoRa Developer Portal)
Ngắn xếp giao thức LoRa được thể hiện trên Hình 2.2, ngăn sếp bao gồm một
lớp trên cùng là lớp ứng dụng, tiếp theo là lớp MAC và dưới cuối là lớp vật lý Dữ liệu từ lớp ứng dụng và lớp lệnh MAC cần thiết lập kết nối giữa thiết bị đầu cuối và
gateway để mang thông tin như tải trọng MAC, sau đó lớp MAC xây dựng khung bản
tin MAC bằng cách sử dụng tải trọng MAC Cuối cùng lớp vật lý sử dụng khung MAC
làm tải trọng PHY và xây dụng khung PHY sau khi chèn vào đầu, trường tiêu đề PHY, CRC và toàn bộ khung CRC Khung cuối cùng này được truyền vào không gian yêu
cầu mang sóng RF Các tham số RF bao gồm tan số, băng tần, mức công suất, điều chế và giao thức RF cơ bản đều được đóng gói trong các thuộc tính của RF LoRa hoặc thuộc tính lớp vật lý Đây là những tham số quan trọng với bat ky mang LPWAN dé kết hợp với bảo mật LoRaWAN sử dụng hai lớp bảo mật: một cho mạng và một cho ứng dụng
Các thiết bị truyền dẫn qua LoRaWAN có ba lớp hoạt động: lớp A, B và C cho
đường xuống Với truyền dẫn đường lên sử dụng giao thức ALOHA
Lớp A: là lớp mặc định sử dụng cho các ứng dụng LoRaWAN (để đảm bảo tuổi
Trang 31Các thiết bị lớp A thực hiện cấu hình truyền thông hai chiều, theo đó mỗi thiết bị truyền dẫn đường lên được theo sau bởi hai cửa số đường xuống ngăn Khoảng cách truyền dẫn được lập lịch theo thiết bị đầu cuối dựa trên như cầu truyền dẫn cần thiết với một biến thể nhỏ dựa trên cơ sở thời gian ngẫu nhiên Hoạt động của lớp A sử dụng công suất thấp nhất cho các ứng dụng chí cần truyền thông đường xuống từ máy chủ ngay sau khi thiết bị đầu cuối gửi một đương truyền lên
Truyền thông đường xuống từ máy chủ tại bất kỳ thời gian nào đều phải chờ cho đến lịch trình truyền của đường lên kế tiếp Lớp A là chế độ sử dụng hiệu quả công suất nhất của LoRa
Lớp B: Trong lớp B các thiết bị sẽ mở một của số nhận dữ liệu tại các thời gian
nhất định ngoài hai khe thời gian sau khi gửi một khung dữ liệu Các thiết bị lớp B
thực hiện truyền thông khi có yêu cầu đảm bảo độ trễ thấp cho truyền dẫn đường
xuống (độ trễ sẽ được xét trong chương 3) trong khi vẫn giữ mức tiêu thụ công suất thấp Lớp B mô phỏng một thiết bị nhận được tín hiệu liên tục bằng cách mở của số
nhận được tại các khoảng thời gian cố định, mục đích kích hoạt các bản tin đường xuống của máy chủ Tùy chọn LoraWAN lớp B có bổ sung một cửa số tiếp nhận đồng bộ trên thiết bị điều khiển từ xa Lớp B được thực hiện bằng cách cho phép gateway gửi một báo hiệu thường xuyển để đồng hộ hóa toàn bộ điểm cuối trong mạng Nó cho phép các thiết bị mở mộ của số tiếp nhận ngoài ngắn (gọi là khe ping) tại một khoảng thời gian định kỳ Lớp B hiện vẫn đang trong trạng thái thử nghiệm, nhưng hầu hết các trường hợp sử dụng có thể kết hợp sử dụng giữa lớp A và C Ví dụ các thiết bị yêu cầu điểm hẹn định kỳ để nhận cấu hình dữ liệu (ví dụ đặt trong phòng) có thể yêu cầu định kỳ thời gian từ mạng LPWAN sau đó đồng bộ nội bộ bên trong và mở cửa số hẹn giờ định kỳ cho việc gửi tin nhắn đường xuống > À iu cuối Khe Rx: 3 đến {† ` 8 160ms dành cho SF 5 T 128 seconds g li 4 & I : sẽ Trạm gốc
Dam may MAC
Trang 32A >
Đầu cuối ta
14dBm, 2 5 đấy Âb sổ sả S# ên đến - 274B
cung tan so va SF cũng tân số vả SE NT ăn
: Ỷ I Le
Tram goc
Hình 2.5: Cấu hình mặc định của lớp C
Lớp C thực hiện hai cửa sô nhận được như ở lớp A chỉ khác là nó không đóng cửa số tiếp nhận thứ hai cho đến khi gói tiếp theo cần được gửi Một cửa số ngắn được mở ra giữa điểm cuối của truyền dẫn và điểm bắt đầu của khe tiếp nhận 1 Gateway có
thể giao tiếp với các thiết bị bất cứ lúc nao
2.1.3 LoRa (trong mô hình OSI
2.1.3.1 Mô hình OSI
Mô hình OSI (Open Systems Interconnection Reference Model, viết ngắn là (%7 Model hoac OST Reference Model) - tam dich là Mô hình tham chiếu kết nối các hệ thống mở - là một thiết kế dựa vào nguyên lý tầng cấp, lý giải một cách trừu tượng kỹ thuật kết nối truyền thông giữa các máy vi tính và thiết kế giao thức mạng giữa chúng
[13] Mô hình này được phát triển thành một phần trong kế hoạch Kết nối các hệ thống
m6 (Open Systems Interconnection) do ISO va 1UT-T khởi xướng Nó còn được gọi là
Mô hình bảy tầng của OSI như Hình 2.6 dưới đây:
DATA LAYER LAYER DATA
HOST
LAYERS
Data Unk LoRa Date Link
[SE 002111 Physical Addressing MEDIA LAYERS Physical DI 1n, -_— Hình2.6: Mô hình OSI
(Nguôn: Semtech LoRa Developer Portal)
Trang 33Tang 1: Tang vat ly (Physical Layer) dinh nghia tất cả các đặc tả về điện và vật lý cho các thiết bị Trong đó bao gồm bố trí của các chân cắm (pin), các hiệu điện thế, và các đặc tả về cáp nói (cable)
Tầng 2: Tầng liên kết dữ liệu (Data-Link Layer) cung cấp các phương tiện có tính chức năng và quy trình để truyền đữ liệu giữa các thực thể mạng (truy cập đường truyền, đưa dữ liệu vào mạng), phát hiện và có thê sửa chữa các lỗi trong tầng vật lý nếu có
Tang 3: Tang mang (Network Layer) cung cấp các chức năng và quy trình cho việc truyền các chuỗi đữ liệu có độ đài đa dạng, từ một nguồn tới một đích, thông qua một hoặc nhiều mạng, trong khi vẫn duy trì chất luong dich vu (quality of service) ma tang giao van yéu cau
Tang 4: Tang giao van (Transport Layer) cung cấp dịch vụ chuyên dụng chuyển dữ liệu giữa các người dùng tại đầu cuối, nhờ đó các tầng trên không phải quan tâm đến việc cung cấp dịch vụ truyền dữ liệu đáng tin cậy và hiệu qua
Tâng 5: Tầng phiên (Session Layer) kiểm soát các (phiên) hội thoại giữa các máy tính Tầng này thiết lập, quản lý và kết thúc các kết nối giữa trình ứng dụng địa phương và trình ứng dụng ở xa
Tang 6: Tầng trình diễn (Presentation Layer) hoạt động như tầng đữ liệu trên mạng lớp này trên máy tính truyền đữ liệu làm nhiệm vụ dịch đữ liệu được gửi từ tầng Application sang dạng Fomat chung
Tâng 7: Tầng ứng dụng (Application Layer) là tầng gần với người sử dụng nhất Nó cung cấp phương tiện cho người dùng truy nhập các thông tin và dữ liệu trên mạng thông qua chương trình ứng dụng
2.1.3.2 LoRa trong mô hình backend { 1 i ' 1 ị | Applicaton Customer ` ! Encrypted nerypte - Customer h3 Ị 1 1 s be Th ' : } 1 : O}1 H i ' Bi
i LoRaWAN rT ——mm Encrypted mmr | LORAWAN 1
' Slave Of cues pencenmnnoccnancnern 1 ' Master O | | MCR | ' Oy | vie OL! ' ' ' i ' : 3 ØỊ 1 i 1 1 (oo | tt ot | R : | te f =O | 1 ce ! 10 i ' ' Oo iD ¡ Ì 1 ' 2 ® t | ÿ Ey Elhornot 36, & 5 ' lồ LoRa™ FSK WiFi | 2h!
lowe “a §6 Dewees ee secure Mo!
Trang 34Giao thức LoRa sẽ giúp kết nói, trao đổi đữ liệu với sensor, mã hoá dữ liệu và truyền lên Network Server như Hình 2.7
LoRa năm ở lớp vật lý của mô hình OSI Chức năng chính của nó thực hiện là điều chế (modulation), biến đổi giữa tín hiệu số (digital đata) của thiết bị (sensor) và các tín hiệu tương ứng được truyền qua kênh truyền (communication channel)
2.1.4 Cấu trúc gói tin
Gói tin truyền không dây LoRa phân biệt rõ ràng 2 dạng: gói tin gửi (uplink) và
gói tin nhận (downlink) Gói tin gửi (uplink) là các gói tin gửi đến máy chủ từ nhiều
thiết bị đầu cuối được chuyển tiếp từ nhiều gateway Gói tin nhận (downlink) là gói tin
được gửi từ máy chủ mạng tới Ì thiết bị duy nhất được chuyển tiếp từ 1 hoặc nhiều
gateway [14]
Tất cả các gói tin lên và xuống của LoRaWAN đều chứa I Khối dữ liệu PHY (PHY Payload) Mỗi Khối dữ liệu PHY thường bắt dau bang 1 Ma tiéu dé MAC, 1 Khối dữ liệu MAC (MAC Payload) và kết thúc bằng Mã toàn vẹn (MIC) Cấu trúc gói
truyền tin LoRa được thể hiện trên Hình 2.8 PHYPayload: or MIC or PHYPayload structure MACPayload: FRMPayload MACPay load structure FHDR: Frame header structure
Hình 2.8: Cấu trúc gói tin LoRa
Độ dài tối đa của MAC Payload phụ thuộc và từng khu vực và tốc độ truyền dữ liệu 2.1.4.1 Tiêu đề lớp MAC - MAC Header (MHDR)
Cấu trúc tiêu đề lớp MAC được thể hiện trên Bang 2.2 Theo đó, Tiêu dé MAC
được định nghĩa bằng Loại khung (Ftype) và các định dạng khung (Major) cho đặc tả theo các lớp LoRaWAN đã được mã hóa
Trang 35LoRaWAN phân biệt 6 loại khung khác nhau: Yêu cầu tham gia (Join-Request), Yêu cầu chấp nhận (Join-Accept), các dữ liệu lên/xuống được xác nhận và các dữ liệu lên/xuống không được xác nhận Bảng 2.3 mô tả chỉ tiết các loại khung tiêu đề
Bảng 2.3: Các loại khung của tiểu đề lớp MAC Ftype Mô tả 000 | Yêu cầu tham gia 001 | Yêu cầu chấp nhận
010 | Dữ liệu gửi không được xác nhận 011 | Dữ liệu nhận không được xác nhận
100 | Dữ liệu gửi được xác nhận 101 | Dữ liệu nhận được xác nhận 110 |REU
111 | Mã đánh dấu Quyên sở hữu
2.1.4.2 Khối dữ liệu lớp MAC (MAC Payload)
Khối dữ liệu MAC thường chứa tiêu đề khung (FHDR), đồng thời có các lựa
chọn không bắt buộc như trường Port (FPort) và trường dữ liệu khung (FRMPayload) Một tiêu đề khung (FHDR) sẽ chứa địa chỉ thiết bị (DevAddr), một khung điều khiển (FCtrl), một khung đếm (FCnt) và các khung tùy chọn dé truyén đữ liệu lệnh điều khiển MAC Cấu trúc theo dạng octet của một khung tiêu đề được mô tả trong Bảng 2.4 Bảng 2.4: Cấu trúc tiêu đề khung lóp MAC Size (octets) 4 4 2 0.15
FHDR DevAddr tGt71 Font FOpts
2.1.4.3 Mã toàn vẹn bản tin (MIC)
Mã toàn vẹn tin nhắn nhằm đảm bảo các gói tin được gửi đi/đến được đảm bảo toàn vẹn đữ liệu Mã toàn vẹn được tính toán trên tất cả các trường trong khung
msg = MHDR | FHDR | FPort | FRMPayload
Trang 362.1.5 Băng tần
Tương tự như WiFi, LoraWAN sử dụng dải tần số RF cho khoảng cách truyền xa Bất cứ ai cũng được phép sử dụng thiết lập bộ định tuyến LoRa và truyền tín hiệu LoRa mà không cần cấp phép oF Bs các) Europe: North America: 868 MHz 915 MHz Asia: “af 434 MHz 867 MHz India: South America: 915 MHz
Hinh 2.9: Bang tan LoRa trên thể giới (Nguon: Anh Internet)
Chỉ tiết băng tần truyền nhận của LoRa ở một số quốc gia trên thế giới miêu tả
trên Hình 2.9 Ta có thể thấy sự khác nhau ở các khu vực, các châu lục Điều này xảy ra là do tránh việc xung đột băng tần cũng như phụ thuộc vào ứng dụng của LoRa triển khai tại các khu vực khác nhau mà băng tần có sự khác nhau
Tại Châu Á, băng tần LoRa được sử dụng theo tiêu chuẩn CN470-510, AS920- 923, AS923-925, cụ thể như Bảng 2.6: Bang 2.6: T ân số LoRa quy định tại một số nước Châu A Tiêu chuẩn | Tần số (Mhz) Quốc gia CN470-510 | 486.3—487.7 | Trung Quốc AS920-923 | 923.2—921.8 | Nhật Bản, Malaysia,Singapore
Brunei, Campuchia, Hồng Kông, AS923-925 923.2 —924.8 | Indonesia, Lao, Dai Loan, Thai
Lan và Việt Nam
2.1.6 Trải phố tín hiệu (SF) 2.1.6.1 Lý thuyết trải phố
Định lý Shannon — Hartley
Trang 37tối da (thông tin) có thể truyền di trong một băng thông quy định với sự xuất hiện của
nhiễu [15]
C= B «logs (1 +3) (2.1)
Trong đó:
C = dung lượng kênh truyền (bit⁄s) B = băng thông kênh truyền (Hz)
Š = công suất trung bình tín hiệu truyền di (Watts)
N = công suất trung bình của nhiễu (Watts)
S/N =tisé tín hiệu trên nhiễu (SNR) thể hiện dưới dạng tỉ số công suất tuyến tính
Bằng cách sắp xếp lại phương trình (2.1), chuyển log cơ số 2 sang log cơ số e: In = loge chúng ta có thể chuyển sang phương trình sau:
Ss (2.2)
c 1.433 —=1 §:—
B N
Đối với các ứng dụng trải phổ, tỉ lệ nhiễu tín hiệu rất nhỏ, vì công suất tín hiệu
thường dưới mức nhiễu sàn Giả sử tý số nhiễu S / W << 1, phương trình (2.2) có thể
được viết lại như sau:
Cc US N B (2.3)
Baw SMe
Tu phuong trinh (2.3) cd thé thay rang dé truyén sai [éch thong tin tu do trong
một kênh có tỉ lệ nhiễu tin hiệu cố định, ta chỉ cần tăng băng thông truyền tín hiệu
Nguyên lý trải phổ:
Như đã đề cập ở trên, bằng các tăng băng thông của tín hiệu chúng ta có thể bù đắp cho sự suy thoái của tỷ số tín hiệu trên nhiễu của một kênh vô tuyến
Điều chế LoRa giải quyết tất cả các vấn đề liên quan đến hệ thống DSSS (trải phổ chuỗi trực tiếp) để cung cấp chỉ phí thấp, công suất thấp và trên tất cả là thay thế được cho các kỹ thuật truyền thông trải phổ truyền thống Trong hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp truyền thống, pha mang thông tin cia may phát sẽ thay đổi theo trình tự phát Quá trình này đạt được bằng cách nhân tín hiệu mong muốn với chuỗi trải rộng, còn được gọi là một day chirp Day chip nay có tốc độ nhanh hơn nhiều so với tín hiệu dữ liệu do đó làm rộng băng thông tín hiệu vượt quá băng thông ban đầu Các kỹ thuật trải phổ là phương pháp một tín hiệu được tạo ra với một băng thông cụ thể được trải ra trong miền tần số để được một tín hiệu có băng thông lớn hơn
Trang 38quang phổ của tín hiệu Tín hiệu dữ liệu mong muốn được cắt nhỏ ở tốc độ dữ liệu cao và điêu chê lên tín hiệu chip
Điều chế/ Trải pho A Dữ liệu đầu vào Mã trình tự Tine a 1l Tín hiệu 4 bang goc t - “ — Tx af mm —= { € Re Hình 2.10: Quá trình điều chế/ trải rộng tín hiệu
Trang 39Số lượng trải rộng đối với chuỗi trực tiếp phụ thuộc vào ty số chip trên bít — tỷ số chuỗi chip với tốc độ mong muốn, được gọi là quá trình khuếch đại, thường được
biểu diễn như sau:
R 2.4
Gy = 10* lotso (7) (dB) (2.4) V6i R, la téc dO chip (chip/s) va Ry la téc d6 bit (bit/s)
Cơ chế này giúp tăng quá trình khuếch đại cho việc truyền tải mong muốn (cho phép máy thu khôi phục lại tín hiệu mong muốn một cách chính xác ngay cả khi SNR của kênh là một giá trị âm), các tín hiệu nhiễu cũng giảm bớt bởi quá trình khuếch đại của máy thu
2.1.6.2 Điều chế trong LoRa
Việc điều chế Lora nhắm tới những vấn đề liên quan dén hé thong DSSS dé đưa ra một giải pháp thay thế sao cho giá thành thấp, tiêu thụ ít năng lượng và tuy nhiên vẫn mạnh mẽ so với các kỹ thuật giao tiếp thông tin trai phổ truyền thống [16]
Trong điều chế Lora, sự trải phổ được thực hiện nhờ việc tạo ra một tín hiệu chirp biến đổi liên tục về tần số Một thế mạnh của việc thực hiện phương pháp trên là offset thoi gian và tần số bên phát và bên nhận là tương đương nhau, giả thiểu đáng kê độ phức tạp trong thiết kế của khối thu Băng thông của tín hiệu chirp đó là tương đương với tín hiệu cần thu Dữ liệu cần gửi sẽ được làm vỡ nhiều mảnh tại một tốc độ
dữ liệu cao hơn rồi được điều chế trên tín hiệu chirp
Mối quan hệ giữa tốc độ bit đữ liệu mong muốn, tốc độ ký hiệu (symbol rate) và tốc độ phá vỡ (chip rate) cho điều chế ¬ có thể được mô tả như sau: (2.5) Ry, = SF * =a bit/sec P Trong đó: R, : toc độ bit điều chế SF: yếu tố trải phổ BW: bang thong (Hz) Tiếp theo, ra định nghĩa chu ki ký hién 1a 7; , duge tinh theo công thức: ee 25F (2.6) s = py secs Vi thé, toc dé ky hiéu R; la nghich đảo của Ts : 1 BW 2.7
R, = T = 2sr =er symbols/sec Mô Cuối cùng ta có thể định nghĩa tốc độ phá vỡ là Re dưới dạng:
Trang 40Như có thể thấy, công thức trên mô tả rõ ràng rằng “mỗi một gói được gửi mỗi giây mỗi Hz của băng thông”
R, = R,* 2°" chips /sec (2.9)
BW
Re = oF * 2°" chips /sec 2.10)
Điều chế Lora cũng bao gồm một nền tảng hiệu chỉnh lỗi biến đổi giúp cải thiện
được tính vững chắc của tín hiệu được truyền
Vì vậy ta có thể định nghĩ tốc độ bit “ n của tín hiệu dữ liệu như sau:
ni (2.11)
_lzzel ee)
Trong d6 SF: nhân tố trải phổ
CR: tốc độ mã hóa (code rate) BW: băng thông
Nếu ta định nghĩa Rate Code là: a Thì ta có thể viết lại công thức tốc độ bit là:
RateCode 2.12
Ry = SF * TF bits/sec G12)
5|
Điều chế Lora dựa trên công nghệ Chirp Spread Spectrum (CSS), làm cho nó hoạt động tốt với nhiễu kênh, hiệu ứng fading đa đường và hiệu ứng Doppler, dù hoạt động ở mức năng lượng thấp
Tốc độ truyền đữ liệu phụ thuộc vào băng thông và hệ số truyền lan (Spreading Factor) LoraWAN có thể sử dụng các kênh có băng thông từ 125 kHz, 250 kHz hoặc 500 kHz, tùy thuộc vào khu vực Hệ số lan truyền được chọn bởi thiết bị đầu cuối và ảnh hưởng đến thời gian cần thiết để truyền khung
Cúc đặc tính chính của điều chế LoRa:
- Băng thông có thể mở rộng: điều chế LoRa có thể mở rộng cả băng thông lẫn tần số Nó có thể sử dụng cả trong dải tần số hẹp và dải tần số rộng Không giống như việc điều chế dải hep và dải rộng đã có, LoRa có thể đễ dàng điều chỉnh chọn một trong hai phương thức trên chỉ với vài thao tác thay đổi đăng kí cấu hình [17]