Luận văn thạc sĩ Công nghệ thông tin: Nghiên cứu và phát triển Lora Relay

DANH MỤC TỪ VIET TATLoRa: Long Range Radio LPWAN: Low-Power Wide-Area Network LoRaWAN: Long Range Wireless Area Network TTFF: Time To First Fix - Chỉ số thời gian thiết bị định vị được k

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCMTRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

s#*œ8

Nguyễn Trần Tiến Đạt

NGHIÊN CUU VÀ PHAT TRIEN LORA RELAY

DE CUONG DE TÀI LUẬN VĂN THAC SĨ

NGANH CONG NGHE THONG TIN

Mã số: 8480201

TP HO CHÍ MINH - NĂM 2021

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCMTRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

s*Q@8

eX

Nguyễn Trần Tiến Đạt

NGHIÊN CỨU VÀ PHAT TRIEN LORA RELAY

DE CUONG DE TÀI LUẬN VĂN THAC SĨNGÀNH NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Mã số: 8480201

NGƯỜI HƯỚNG DAN KHOA HỌC:

TS Trịnh Lê Huy

TP HO CHÍ MINH - NĂM 2021

THONG TIN HỘI DONG CHAM KHÓA LUẬN TOT NGHIỆP

Hội đồng cham khóa luận tốt nghiệp, thành lập theo Quyết định số 787/QD-DHCNTT

ngày 13 tháng 12 năm 2021 của Hiệu trưởng Trường Đại học Công nghệ Thông tin.

LỜI CAM ĐOAN

“NGHIÊNCUU VÀ PHAT TRIÊN LORA RELAY” là trung thực và không có bat kỳ sự saoTôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn tốt nghiệ)

chép hay sử dụng dé bảo vệ một học vị nào Tat cả những sự giúp đỡ cho việc xâydựng cơ sở lý luận cho bài luận đều được trích dẫn đầy đủ và ghi rõ nguồn gốc TÕràng và được phép công bồ

Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 12 năm 2021

Học viên thực hiện

Nguyễn Trần Tiến Đạt

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên tôi xin cảm ơn cố vấn luận văn của tôi Tiến sĩ Trịnh Lê Huy giảng viên hướng dẫn trực tiếp của tôi Cảm ơn vì thầy đã luôn giúp đỡ, hướng dẫntận tình mỗi khi tôi gặp phải rắc rối hoặc có câu hỏi về van đề nghiên cứu của mình.Thay vẫn luôn cho phép tôi tự do bay tỏ quan điểm đồng thời đưa ra những nhậnxét, góp ý, din dat tôi di đúng hướng trong suốt thời gian nghiên cứu, thực hiện đề

-tài luận văn thạc sĩ.

Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô hỗ trợ và đào tạo sau đại học của TrườngĐại học Công Nghệ Thông Tin - Dai học quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đã

truyền đạt cho tôi những kiến thức chuyên sâu về chuyên ngành trong suốt thời gianhọc tập để tôi có được nền tảng kiến thức hỗ trợ rất lớn cho tôi trong quá trình làm

luận văn thạc sĩ.

Tôi cũng muốn bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Nguyễn Gia Tuấn Anh

với tư cách là giảng viên chủ nhiệm đã theo sát quá trình, giúp đỡ và động viên tôi trong quá trình làm luận văn này.

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè vì đã luôn hỗ trợ tôi

và khuyến khích liên tục trong suốt những năm học tập và qua quá trình nghiên cứu

và viết luận văn này Thành tựu này sẽ không thể có được nếu không có họ

Xin chân thành cảm ơn

MỤC LỤC CHƯƠNG 1 TONG QUAN DE TÀI 2 1.1 GIỚI THIEU 2

12 BÀI TOÁN ĐẶT RA 3

143 TOM TAT LUẬN VAN 7

CHUONG 2 CƠ SỞ LÝ THUYET 8

2.1 TONG QUAN CÔNG NGHỆ 8

2.1.1 Công nghệ truyền tin hiệu hiện tại 9

22 CAC NGHIÊN CUU LIÊN QUAN 22

221 A LoRa Based Wireless Relay Network for Actuator Data (Use Arduino Nano and Modtronix LoRa inair9) [2] 22 2.2.2 A LoRa Relay Based System for Detonating Explosives in Underground Mines [3] 22 2.2.3 Inereased flexibility in long-range IoT deployments with transparent and light-weight 2-hop

LoRa approach [4] 22

2.24 — Research and Design LoRa Relay, Huy Trinh Thanh, University of Information Technologies

— Ho Chi Minh Vietnam National University [13] 23

2.2.5 Bang so sánh wu nhược điểm của các dé tài nghiên cứu trên: 24

243 CÁC MODULE LIEN QUAN 24

2.3.1 | MCU STM32L476RGTx 24

2.3.2 Module LoRa E22 26

243.3 GPS L86 Quectel 27

2.3.4 SKY13408 28

24 SEVER THE THINGS NETWORK 28

25 CHUAN GIAO TIẾP SPI 29

CHƯƠNG 3 PHAN TÍCH VÀ THIET KE 31

3.1 PHAN CỨNG.

3.1.1 Mach Receiver bắt g

3.1.2 Mach Sender chuyển tiếp g

3.2 PHANMEM

3.2.1 Phân tích gói tin LoRa

3.2.2 Giải thuật truyền nhận

3.2.3 Tiết kiệm năng lượng

3.2.4 Application layer

© Device application Relay Application

© Decoder géi tin tir Device

3.2.5 Relay Manager

CHƯƠNG 4 KET QUA VA DANH GIÁ

41 CÁC THONG SO ĐÁNH GIÁ [11]

4.1.1 Signal to Noise Ratio (SNR)

4.12 Spreading Factor (SE)

4.1.3 Coding Rate (CR)

4.1.4 Signal Bandwidth (BW)

4.1.5 Chi so RSSI

4.2 KHOANG CACHGIAO TIẾP GIỮA HAI THIẾT BI LORA

4.2.1 Truyén tin hiệu LOS ( Line-Of-Sight).

4.2.2 Truyén tín hiệu NLOS (Non-Line-of-sight)

4.2.3 Spreading Factor

43, MG RONG VUNG PHU SONG

44 NANG LƯỢNG TIÊU THY

45 TAN SUÁT GUI TÔI UU

CHƯƠNG 5 KET LUẬN VÀ HƯỚNG PHAT TRIEN

39

41

42

44 48 48 48 48 48 49 49 49 50 341

sl

53 55 57 63 63 63 63 63 64

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Vùng khảo sát tín hiệu LoRaWAN

Hình 1.2 Quang cảnh quanh môi trường đo đạc

Hình 1.3 Mô hình tham khảo của Relay mode

Hình 1.4 Class A khi nhận được ACK tại khung Rx2

Hình 2.1 Kiến trúc LoRaWAN

Hình 2.2 Mô hình hệ thống mạng LoRaWAN

Hình 2.3 Các lớp LoRaWAN

Hình 2.4 LoRa receive windows

Hình 2.5 Cấu trúc gói tin Unconfirmed Data uplink

Hình 3.2 Mạch Receiver bắt gói tin từ Device

Hình 3.3 Mạch Sender chuyền tiếp gói tin

Hình 3.4 LoRaWAN Relay

Hình 3.5 Hình ảnh Gateway nhận gói tin

Hình 3.6 Các thành phan của gói tin Uplink va Downlink

Hình 3.7 Giải thuật truyền nhận

Hình 3.8 Device gửi thành công packet ở wake-up channel 2

Hình 3.9 Hoạt động của Device

Hình 3.10 Giải thuật ưu tiên chon Gateway

Ai

13 14 15 17 21 25 26 27 28 29 31 32 33 34 35 36 37 39 40 41 Hình 3.11 Cac thông tin của Device được lưu tai Relay và các thông tin của Relay

Hình 3.12 Thông tin Device trên Application Server

Hình 3.13 Mã nguồn decoder

42 4 44

Hình 3.14 Thông tin gói tin Device

Hình 3.15 mô hình hoạt động LoRa Relay [5]

Hình 4.4 Kết quả đo đạc trong môi trường LOS

Hình 4.5 Kết quả đo đạc trong môi trường NLOS

Hình 4.6 Spreading Factor 9

Hình 4.7 Địa điểm lắp đặt LoRa Relay

Hình 4.8 Vùng phủ sóng được mở rộng

Hình 4.13 Otii DC Power Analyzer

Hình 4.14 Biểu đồ dòng điện tiêu thụ trong chu kì 5s

Hình 4.15 Năng lượng tiêu thụ ở các tỉ lệ gửi / chuyền tiếp khác nhau

Hình 4.16 Năng lượng tiêu tốn trong một chu kì 5s

Hình 4.17 Năng lượng tiêu tốn 2 phút chu kì 5s

Hình 4.18 Năng lượng tiêu tốn trong một chu kì 10s

Hình 4.19 Năng lượng tiêu tốn 2 phút chu kì 10s

Hình 4.20 Năng lượng tiêu tốn trong một chu kì 20s

Hình 4.21 Năng lượng tiêu tốn 2 phút chu kì 20s

Hình 4.22 Năng lượng tiêu tốn trong một chu kì 40s

Hình 4.23 Năng lượng tiêu tốn 2 phút chu kì 40s

44 46 50 51 53 54 55 56 56 58 58 59 59 60 60 61 61 62

DANH MỤC BANG

Bảng 2.1 LoRa radio physical layer

Bang 2.2 Physical Payload được cấu trúc như một thông báo LoRaWAN

Bảng 2.3 LoRaWAN MAC Header

Bảng 2.4 LoRaWAN message Types

Bảng 2.5 LoRaWAN MAC Payload

Bảng 2.6 LoRaWAN Frame Header

Bảng 2.7 LoRaWAN Frame Control

Bảng 2.8 Các nghiên cứu liên quan

Bảng 3.1 Giải thuật truyền nhận

Bảng 3.2 Gói tin wake-up

Bảng 4.1 Thông số thí nghiệm trong nhà

Bảng 4.5 Bảng đo độ nhiễu, độ nhạy tín hiệu SF9

Bảng 4.9 Thông số thí nghiệm ngoài trời

Bảng 4.10 Thông số thí nghiệm kiểm soát gói tin

16 17 17 17 18 18 18 22 33 35 44 45 47 50

DANH MỤC TỪ VIET TAT

LoRa: Long Range Radio

LPWAN: Low-Power Wide-Area Network

LoRaWAN: Long Range Wireless Area Network

TTFF: Time To First Fix

- Chỉ số thời gian thiết bị định vị được kề từ khi cấp nguồn cho GPS

LOS: Line Of Sight

- Môi trường truyền tín hiệu thuận lợi

NLOS: Non-Line-Of-Sight

- Môi trường truyén tín hiệu bị che khuất)

RSSI: Received Signal Strength Indicator

- Đặc trưng chỉ cường độ tín hiệu đã nhận)

SNR: Signal-to-noise ratio

- Ty lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR hoặc S/N) là một phép đo được sử

dụng trong khoa học và kỹ thuật để so sánh mức độ của một tín hiệu mong muốn với mức độ nhiễu

SF: Spreading Factor

- Quyết định về số lượng chirps, tín hiệu mạng dữ liệu, được gửi đi mỗi

giây Giá trị càng lớn thì càng làm tăng độ nhạy tín hiệu và khoảng

cách truyền, nhưng đồng thời cũng làm tăng thời gian truyền

TOM TAT KHÓA LUẬN

Đề tài nghiên cứu và hoàn thiện phần mềm cho thiết bị chuyên tiếp gói tin

LoRaWAN Thiết bị hoạt động như một LoRa Gateway, có thể gọi là Relay virtual

Gateway Thiết bị giải quyết được vấn đề lắp đặt khó khăn, mở rộng vùng phủ sóng,giá thành thấp và tiết kiệm năng lượng

Giải quyết các vấn đề còn tồn đọng của những nghiên cứu trước đó [1] [2] [3]

[4]như là chưa có phép đo chỉ tiết về hiệu suất hoạt động của thiết bị Ngoài ra, thiết

bị còn có thể kết nói nhiều thiết bị khác trong phạm vi hoạt động và có các cơ chế tiết

kiệm năng lượng nhờ có các giao thức mới và riêng biệt.

Đề tài đưa ra các đo đạc và đánh giá mức độ hiệu quả của thiết bị chuyền tiếpgói tin như đo đạc khoảng cách giao tiếp, vùng phủ sóng được mở rộng, tỉ lệ rớt gói

tin và năng lượng tiêu thụ.

Chương 1 Tổng quan đề tài

1.1 Giới thiệu

Hiện nay, mặc dù khái niệm IoT va công nghệ cảm biến không dây đã trở nênkhá quen thuộc và được ứng dụng khá nhiều trong các lĩnh vực của đời sống con

người, đặc biệt ở các nước phát triển có nền khoa học công nghệ tiên tiến Tuy nhiên,

những công nghệ này chưa được áp dụng một cách rộng rãi ở nước ta, do những điềukiện về kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng Song nó vẫn hứa hẹn là một đích đến tiêubiểu cho các nhà nghiên cứu, cho những mục đích phát triển đầy tiềm năng

Nỗi bật hơn cả là công nghệ truyền không dây LPWAN — Low Power Wide AreaNetwork LPWAN là các công nghệ không dây Có các đặc điểm: phủ sóng rộng,băng thông thấp, kích thước gói tin nhỏ và tudi thọ pin dai

LPWAN được thiết kế dé hỗ trợ việc truyền thông không dây cho sự phát triển

của IoT Nó cung cấp các kết nối công suất thấp với số lượng thiết bị lớn, phân bố

rộng Tập trung hiệu quả về vùng phủ sóng, năng lượng, băng thông thấp LPWAN

sử dụng cho các ứng dụng IoT với các tiêu chí đó Công nghệ LPWAN cho phép triểnkhai các cảm biến thông minh trên toàn khu vực rộng lớn

Trong số các công ty công nghệ lớn, Semtech đã tham gia vào nghiên cứu vàphát triển góp phần nâng tầm công nghệ LPWAN lên một tầm cao mới, tuy vậySemtech chỉ quyết định giữ độc quyền sản xuất bộ thu phát, khiến LoRa có sẵn chocác nhà phát triển ngay từ đầu Hơn nữa, họ quyết định mở đặc điểm kỹ thuật của

LoRaWAN, lớp MAC chạy trên LoRa.

Thông thường các mô hình mạng LoRaWAN được bó trí theo cầu trúc hình sao,

do đó bị hạn chế về khả năng mở rộng mạng lưới cũng như tăng tầm phủ sóng

Mục tiêu của luận án này là tiếp bước nghiên cứu và phát triển một thiết bị LoRaRelay có chức năng chuyền tiếp gói tin trong mạng LoRa theo giao thức 2-hop, nhằmtăng vùng phủ sóng của các Gateway đến các thiết bị đầu cuối, mở rộng được vùng.phủ sóng mà không cần nhiều gateway Thiết bị hoạt động trong phạm vi 923MHz

Bên cạnh đó, có thể quản lý ưu tiên định tuyến truyền nhận gói tin cũng như các giải

pháp tiết kiệm năng lượng

1.2 Bài toán đặt ra

Mạng LoRaWAN thường được bố trí theo cấu trúc liên kết hình sao, trong đó

các thiết bị đầu cuối giao tiếp trực tiếp với một hoặc nhiều Gateway Do đó thôngthường đầu cuối chỉ cần một giao tiếp LoRa đề truy cập mạng IP Kiến trúc này đơn

giản hóa đáng ké giao thức, loại bỏ sự cần thiết của các cơ chế định tuyến, nhưng

mặt khác, nó đòi hỏi phải cài đặt các Gateway mới đê mở rộng vùng phủ sóng của

mạng.

Điều này ảnh hưởng đến khả năng mở rộng của hệ thống và phụ thuộc vào

khoảng cách giao tiếp hoặc sự ôn định của thiết bị đầu cuối đến Gateway Việc lắp

đặt thêm các Gateway như cách thông thường gây tốn kém do chỉ phí xây dựng

Gateway thường đắt đỏ Hon thé nữa, một số trường hợp thực tế cần lắp đặt

Gateway ở những nơi khó khăn ví dụ như khu vực nông thôn không có vùng phủ

sóng di động hoặc ở giữa sông, biển có thé là một yêu cầu bat khả thi

Qua quá trình khảo sát dữ liệu mẫu tại vị trí 10.798657659400558,

106.7517402070796, ta có thê thấy được vùng tín hiệu trong môi trường có nhiềutòa nhà cao tang, xe cơ giới và cây chắn, khoảng cách giao tiếp của công nghệ

LoRaWAN bị hạn chế rõ rệt

Trên hình khảo sát, vùng màu đỏ là vùng có tín hiệu dữ liệu mạnh, các ving

màu vàng là vùng có tín hiệu yếu, và vùng màu xanh là vùng có tín hiệu dữ liệu

thấp, gần như không có tín hiệu Mũi tên màu vàng thê hiện vị trí đặt Gateway

Để giải quyết bài toán tăng khoảng cách giao tiếp, ta có thé thực biện lắp đặtthêm nhiều gateway nhằm mục đích tăng vùng phủ sóng Tuy nhiên, giải pháp này

có vẻ như rất tốn kém Thứ nhất, gateway là một thiết bị đắt đỏ, có chỉ phí cao, thứhai gateway tiêu tốn nhiều năng lượng và cuối cùng là gateway cần một nơi có

mang internet dé có thé giao tiếp Điều này đôi khi không cần thiết và tốn tài

nguyên.

Hình 1.2 Quang cảnh quanh môi trường đo đạcMột vi dụ cho bài toán là giao tiếp bị cản trở bởi các toà nhà cao tần, các xe có

trọng tải lớn như trên hình Hình 1.2 Quang cảnh quanh môi trường đo đạc, giao tiếpLoRa bị hạn chế đáng kể

Một giải pháp khác mà được đưa ra trong đề tài này là xây dựng một thiết bị

đầu cuối trung gian đóng vai trò là cầu nối chuyền tiếp tín hiệu của các thiết bị đầu

cuối tín hiệu kém đến Gateway, ta gọi thiết bị này là LoRa Relay Ngoài ra LoRaRelay cũng có thể hoạt động như một thiết bị đầu cuối độc lập phục vụ thu thập

thông tin môi trường tại noi lắp đặt

Hình trên Hình 1.3 Mô hình tham khảo của Relay mode thé hiện ý tưởng thiết

kế của LoRa Relay trong hệ thống Thiết bị ở vị trí trung gian ở giữa Device vàGateway, làm nhiệm vụ chuyển tiếp gói tin đến Gateway trong trường hợp Devicekhông thé gửi tín hiệu đến Gateway LoRa Relay cho phép mở rộng vùng phủ song

mà không cần lắp đặt thêm Gateway, đồng thời, đề tăng hiệu suất của các thiết bị đầu

cuối ở cùng phạm vi phủ sóng

Thiết kế cần tuân thủ các nguyên tắc sau:

Hạn chế can thiệp vào hệ thống LoRaWAN có sẵn

Thiết bi đầu cuối (sau gọi là Device) đến công chuyền tiếp IP (Gateway)

sẽ xa hơn từ Relay đến Gateway

Gói tin gửi nhận (packets) phải theo cấu trúc mạng LoRaWAN được đềxuất mới Semtech

Bắt đầu LW uplinks bằng một chuỗi wake-up được truyền trên một

trong hai kênh wake-up.

Relay có thê decode và xem được đặc tính của gói tin (không thể xem

được nội dung gói tin) được gửi từ Device, được phép đóng gói và

chuyển tiếp gói tin [5] cũng như từ chối hoặc chấp nhận chuyền tiếpgói tin từ một số Devices (Blacklist/Whitelist)

Sleep timer được sử dụng trong trình tự wake-up ban đầu được thiết lập

sẵn Có thé tăng thời gian sau khi được đồng bộ và tùy thuộc vào tốc

độ dữ liệu được sử dụng.

Tần số được sử dụng là 923 MHz, Class được sử dụng trong để tài là

Class A của LoRaWAN Ở lớp này các khung thời gian Rx1 và Rx2 sẽ

được mở sau một khoảng thời gian định sẵn sau khi gửi gói tin, khung

Rx2 sẽ được mở sau RxI 1 giây (xem Các lớp LoRaWAN)

Chương | sẽ trình bày về các vấn dé hiện có của một hệ thống LoRaWAN, đặt

bài toán cũng như đề xuất hướng giải quyết

Chương 2 sẽ trình bày về các công nghệ và và các nghiên cứu liên quan đến đề

tai, so sánh ưu và nhược điểm, đưa ra hướng giải quyết Đồng thời ở chương nay cũng

sẽ giới thiệu về các cơ sở lý thuyết liên quan như các công nghệ truyền tin và cácmodules được sử dụng trong đề tài

Chương 3 sẽ đi vào các phân tích thiết kế của LoRa Relay, bao gồm cả phần

cứng lẫn phần mềm Bên cạnh đó còn có các thành phần liên quan như các ứng dụng

được nạp lên board mạnh và trình quản lý các relay, các giải thuật cho các thành phần

này.

Chương 4 sẽ tập trung về các đánh giá đo đạc khả năng hoạt động của Relaycũng như mức tiêu hao năng lượng, khoảng cách giao tiếp, tỉ lệ rớt gói tin và vùnggiao tiếp tối ưu Các đo đạc này được kế thừa từ một đề tài liên quan Với các kết quả

và nhận xét của đề tài

Chương 5 sẽ đưa ra các kết luận và đánh giá, cũng như các khó khăn và những

tồn động trong quá trình làm đề tài Bên cạnh đó là hướng phát triển cho các nghiêncứu tiếp theo

Chương2 Cơ sở lý thuyết

2.1 Tong quan công nghệInternet of Things là một mô hình giao tiếp mới xuất hiện gần đây trong bối cảnhcủa mạng máy tính Nó bao gồm mở rộng kết nói Internet tới các thiết bị vật lý, xe

cộ, tòa nhà và các vật dụng khác, cho phép chúng thu thập và trao đổi dữ liệu Cónhiều tính năng phân biệt IoT với các kiến trúc mạng trước đây [6]

* Mô hình Machine-to-Machine: không giống như các ứng dụng internet truyềnthống, chẳng hạn như email hoặc web, trong IoT, các thiết bị có thé giao tiếp màkhông cần sự tương tác của con người Ví dụ, một số cảm biến có thé thu thập dữ liệu

và gửi chúng đến một bộ điều khién, bộ điều khiển này chịu trách nhiệm quản lý một

số bộ truyền động Trong trường hợp này, tất cả các liên lạc được kích hoạt bởi cácthiết bị mà không có sự tương tác của con người

+ Truyền thông không dây: Các ứng dụng mới được kích hoạt bởi IoT thường

yêu cầu phạm vi phủ sóng lớn, đặc biệt là xem xét các thành phó thông minh Do đó,kết hợp với mật độ ngày càng tăng của các thiết bị thông minh, dẫn đến nhu cầu chỉ

có truyền thông không dây trong IoT

+ Khả năng kết nối: Với việc IoT phát triển với tốc độ nhanh chóng, việc kết nóirất nhiều thiết bị sẽ là một thách thức lớn đối với tương lai của IoT Các mô hình vàcấu trúc mạng hiện tại sẽ không xử lý được nhiều thiết bị cùng một lúc Để các thiết

bị được kết nối tiếp tục tồn tại, sẽ có sự thay đổi từ mô hình tập trung hiện tại của mô

hình Máy chủ-Máy khách sang mô hình Peer-to-Peer phi tập trung Ngoài ra, các mô hình điện toán sương mù của các mạng di động sẽ đưa các chức năng của chúng lên

một tầm cao [7]

+ Low power consumption: Trong IoT, các thiết bị thường chạy bằng pin, vì

vậy một trong những mục tiêu của các giao thức được thiết kế đặc biệt cho IoT làgiảm thiểu mức tiêu thụ điện năng;

* Place and Play: Dé đạt được phạm vi phủ sóng rộng rãi, các thiết bị IoT phải

chạy sẵn sang, không yêu cầu bat kỳ cấu hình nào;

‘At cả phần cứng được sử dụng cho IoT phải đơn giản dé có thé+ Chi phí thấp:

sản xuất hàng loạt với chỉ phí thấp

Vi vậy, dé Internet of Things nhanh chóng lan rộng, cần phải tim ra một công

nghệ truyền thông được thiết kế ngay từ đầu đề đáp ứng yêu cầu này Với mục đíchnay, trong các trang sau, các công nghệ truyền thông chính được mô tả và phân tích

nhanh chóng.

2.1.1 Công nghệ truyền tín hiệu hiện tại

Trước khi khám phá các tính năng của LoRa và các LPWAN khác, một cuộc

khảo sát nhỏ về các công nghệ có sẵn hiện tại cho phép các ứng dụng IoT sẽ được

trình bày, nêu bật các phẩm chất và nhược điểm của từng công nghệ

e IEEE802.15.4

Họ công nghệ dựa trên IEEE 802.15.4 [8] bao gồm nhiều tiêu chuẩn, chẳng hạn

như ZigBee và 6LoWPAN, và hiện tại được sử dụng bởi phần lớn những thứ đượckết nói [9] Nhìn chung, các giải pháp IEEE 802.15.4 có chi phí rất thấp và tiêu thụnăng lượng thấp, tuy nhiên phạm vi phủ sóng ngắn làm tăng nhu cầu của các kiếntrúc đa bước phức tạp, có thé khó phát trién và triển khai

e Wifi

Wi-Fi, là tên thương mại của họ chuẩn truyền thông IEEE 802.11, là một trongnhững công nghệ không day phé biến nhất trên thé giới, có mặt trên thị trường từ năm

1997 Ngay cả khi Wifi đại diện cho hiện đại của Không dây Mạng LAN, được thiết

kế ngay từ đầu, nó không phải là giải pháp lý tưởng cho IoT vì tiêu thụ điện năng cao

và phạm vi phủ sóng nhỏ Trên thực tế, Wifi chỉ được sử dụng cho IoT khi các giớihạn nói trên không liên quan, chẳng hạn như trong một số ứng dụng nhà thông minh

và tòa nhà thông minh.

Dé khắc phục những van dé này, liên minh Wi-Fi đã phát triển một bản sửa đổi

mới của tiêu chuẩn, IEEE 802.1 lah, giải quyết một phần các van dé và cho phép giaotiếp trong các băng tần sub-GHZ, với các hiệu suất lý thuyết phù hợp với nhu cầu

IoT.

e Mang di động

Mang di động, với phạm vi truyền thông xa và phạm vi phủ sóng gần như phổbiến, là công nghệ có lẽ là công nghệ gần nhất với nhu cầu IoT Trên thực tế, nó hiệnđang được sử dụng trong bối cảnh mà bat kỳ đối thủ nào khác có thé dat được hiệusuất của nó Tuy nhiên, việc sử dụng các tần số được cấp phép liên quan đến chỉ phívận hành không đáng kể Hơn nữa, tốc độ dữ liệu cao được cung cấp cho các thiết bị

đầu cuối được kết nối dẫn đến tiêu thụ điện năng đáng kẻ, có thể trở thành một vấn

đề lớn đối với các thiết bị sử dụng pin

Để giải quyết những vấn dé nay, một bản sửa đổi mới của công nghệ di động

hiện đại, LTE-M, dự kiến sẽ được phát hành trong tương lai gần

2.1.2 Một số công nghệ LPWAN

Công nghệ WAN công suất thấp (LPWAN) được thiết kế cho môi trường mạnggiữa máy với máy (M2M) Với yêu cầu điện năng giảm, phạm vi xa hơn và chỉ phíthấp hơn mạng di động, LPWAN được cho là có thé cho phép nhiều ứng dụng M2M

và Internet of Things, vốn bị hạn chế bởi ngân sách và vấn đề điện năng Tốc độ

truyền đữ liệu LPWAN rất thấp, cũng như mức tiêu thụ điện năng của các thiết bị

được kết nối LPWAN cho phép kết nối với các mạng thiết bị yêu cau ít băng thonghơn những gì thiết bị gia đình tiêu chuẩn cung cấp Hơn nữa, LPWAN có thé hoạt

động với chi phí thấp hơn, với hiệu qua sử dụng điện năng cao hơn Các mạng cũng

có thể hỗ trợ nhiều thiết bị hơn trên một vùng phủ sóng lớn hơn so với công nghệ diđộng của người tiêu dùng và có tính hai chiều tốt hơn

Nhu cầu về một công nghệ như LPWAN ngày càng tăng trong các ứng dụng IoTcông nghiệp, dân dụng và thương mại Trong những môi trường này, số lượng thiết

10

bị được kết nối khổng lề chỉ có thé được hỗ trợ nếu liên lạc hiệu quả và chi phí điện

năng thấp

Trong vài năm qua, một số công nghệ LPWAN đã được phát triển và trong các

đoạn sau, những công nghệ hứa hẹn nhất sẽ được trình bày

®e SIGFOX

SIGFOX, công nghệ LPWAN dau tiên được dé xuất trên thị trường IoT, đượcthành lập vào năm 2009 và đã phát triển rất nhanh kê từ đó Lớp vật lý SIGFOX sử

dụng điều chế không đây Băng tần cực hẹp (UNB), trong khi các giao thức lớp mạng

là “secret sauce” của mạng SIGFOX va do đó, về cơ bản không tổn tại tai liệu công

khai Thật vậy, mô hình kinh doanh của SIGFOX là mô hình kinh doanh của một nhà

điều hành cho các dịch vụ IoT, do đó không cần mở thông số kỹ thuật của các

mô-đun bên trong của nó.

Các bản phát hành đầu tiên của công nghệ này chỉ hỗ trợ giao tiếp uplink đơnhướng, tức là từ thiết bộ tổng hợp; tuy nhiên giao tiếp hai chiều hiện đã được

hỗ trợ SIGFOX tuyên bồ rằng mỗi Gateway có thé xử lý tới một triệu đối tượng đượckết nối, với vùng phủ sóng 30-50km ở các vùng nông thôn và 3—10km ở các khu vực

thành thị [2].

e Ingenu

Một ngôi sao mới nồi trong bối cảnh LPWAN là Ingenu, thương hiệu của On

Ramp Wireless, một công ty có trụ sở chính tại San Diego (Hoa Kỳ) Công ty đã phát

triển và sở hữu bản quyền của công nghệ được cấp bằng sáng chế có tên RandomPhase Multiple Access (RPMA), được triển khai trong các mạng khác nhau Ngược

lại với các giải pháp LPWAN khác, công nghệ này hoạt động ở băng tần 2.4 GHz

nhưng nhờ thiết kế lớp vật lý mạnh mẽ, vẫn có thé hoạt động trên các liên kết khôngdây tầm xa và trong môi trường RF khó khăn nhất [2]

e LoRaWAN

LoRaWAN là giao thức mạng năng lượng thấp, điện rộng (LPWA) được phát

triển ban đầu bởi Semtech [1], và bây giờ nằm dưới sự kiểm soát của Liên minh LoRa

11

Kết nối không day “hoạt động' với internet trong các mạng khu vực, quốc gia hoặc

toàn cầu, nhằm mục tiêu các yêu cầu chính của Internet of Things (IoT) như thôngtin liên lạc hai chiều, dich vụ bảo mật đầu cuối, di động và nội địa hóa [10]

Không giống như các công nghệ LPWAN khác, LoRa dựa trên điều chế trải phổchirp, giúp nó có kha năng chống lại hiện tượng phai màu đa đường và hiệu ứngDoppler, đồng thời cải thiện độ nhạy của máy thu Có thé đạt được phạm vi liên lạc

rất xa với LoRa nhờ vào các băng tần vô tuyến dưới GHz và tốc độ dữ liệu rất thấp.

Tốc độ chip bằng với băng thông được lập trình (chip-per-second-per-Hertz) và có

thể nhận các giá trị 125, 250 hoặc 500 kHz Hơn nữa, hệ số lan truyền (SF) cho một

liên kết LoRa có thể thay đổi tùy thuộc vào khoảng cách truyền thông và thời gian

hoạt động mong muốn Vì các mã trải rộng cho các SF khác nhau là trực giao nên có

thể truyền đồng thời trong cùng một kênh tần số sử dụng các SF khác nhau

LoRaWAN sử dụng phô không được cấp phép trong các đải ISM đề xác định

giao thức truyền thông và kiến trúc hệ thống cho mạng trong khi lớp vật lý LoRatạo ra các liên kết giao tiếp tầm xa giữa các cảm biến từ xa và các cổng kết nói với

mạng Giao thức này giúp thiết lập nhanh chóng các mạng IoT công cộng hoặc

riêng tư ở bat cứ đâu bằng phần cứng và phần mềm Kiến trúc LoRaWAN được théhiện trong Hình 2.1 Kiến trúc LoRaWAN

12

MAC MAC options

Modulation

L1 E3 Lá] E3 a màn

được đặt trên chip đề cho phép kết nối mạng

Mạng LoRaWAN thường được bé trí theo cấu trúc liên kết hình sao như trong

Hình 2.2 Mô hình hệ thống mạng LoRaWAN, trong đó các Gateway chuyền tiếpthông báo giữa thiết bị đầu cuối và máy chủ mạng trung tâm ở phần phụ trợ CácGateway được kết nối với máy chủ mạng thông qua các kết nói IP tiêu chuẩn trongkhi thiết bị đầu cuối sử dụng giao tiếp LoRa hoặc FSK với một hoặc nhiều Gateway

Tất cả giao tiếp nói chung là hai chiều, mặc dù giao tiếp uplink từ thiết bị đầu cuối

đến máy chủ mạng được mong đợi là lưu lượng chủ yếu

13

End Nodes Concentrator/ Network Server Application Server

LoRa RF TCP/IP SSL TCP/IP SSL

LoRaWAN LoRaWAN Secure Payload

AES Secured Payload

Hình 2.2 Mô hình hệ thống mang LoRaWANGiao tiếp giữa thiết bị đầu cuối và Gateway kết nói được trải rộng trên các

kênh tần số và tốc độ dữ liệu khác nhau Việc lựa chọn tốc độ dữ liệu là sự cân bằnggiữa phạm vi truyền thông và thời lượng tin nhắn, các thông tin liên lạc với tốc độ

đữ liệu khác nhau không ảnh hưởng lẫn nhau Tốc độ dữ liệu LoRa nằm trong

khoảng từ 0,3 kbps đến 50 kbps Đề tối đa hóa cả tuổi thọ pin của thiết bị đầu cuối

va dung lượng mạng tông thé, cơ sở hạ tang mạng LoRa có thé quản lý tốc độ dữliệu và đầu ra RF cho từng thiết bị đầu cuối riêng lẻ bằng phương pháp tốc độ dữ

liệu thích ứng (ADR) [11]

14

2.1.3 Các lớp LoRaWAN [1]

EU868| |US915 | |CN470} |KR920 | | IN865 oa

PHY (LoRa Modulation, FSK)

Hình 2.3 Các lớp LoRaWAN

Hình 2.3 Các lớp LoRaWAN thể hiện các lớp trong hệ thống LoRaWAN,

LoRaWAN xác định ba lớp hoạt động, trong đó chỉ Lớp A phải được triển khai bắt

buộc trên tat cả các thiết bị tương thích với LoRaWAN Nhờ chính sách này, ching

ta có một bộ tính năng cơ bản có mặt trên tất cả các thiết bị đầu cuối của LoRaWAN,

giữ cho cả độ phức tạp về kiến trúc và chỉ phí sản xuất ở mức thấp nhất có thẻ

Ngoài lớp cơ bản, hai phương thức hoạt động phức tạp hơn đã được xác định

với mục đích tách các đường truyền xuôi dòng khỏi các đường truyền thượng nguồn

Do hai chế độ nâng cao này có thé tốn kém hơn đề thiết kế, sản xuất và bảo trì, nênchỉ những thiết bị đầu cuối yêu cầu mạnh mẽ các tính năng này mới được thực hiện

Class A: bi-directional end-devices ( thiết bị đầu cuối hai chiều)

Trong giao tiếp Lớp A, mỗi lần truyền uplink của thiết bị đầu cuối được theo sau

bởi hai cửa số nhận downlink ngắn Mỗi thiết bị đầu cuối lên lịch cho các khe truyền

tùy thuộc vào nhu cầu riêng của nó, như trong giao thức kiều ALOHA

15

Ưu điểm chính của sơ đồ truyền thông này là tiêu thụ điện năng rất thấp, trong

khi nhược điểm lớn nhất là lớp hoạt động này chỉ thích hợp cho các ứng dụng chỉ chophép nhận đữ liệu sau khi thiết bị đầu cuối đã gửi một đường truyền lên Trên thực

tế, các thông tin liên lạc downlink từ máy chủ vào bat kỳ thời điểm nao khác sẽ phảiđợi cho đến uplink theo lịch trình tiếp theo

Class B: bi-directional end-devices with scheduled receive slots ( thiét biđầu cuối hai chiều với các khe nhận theo lich trình)

Dé khắc phục van đề về độ trễ không xác định trên truyền thông downlink, Lớp

B tăng số lượng cửa số nhận được mở bởi thiết bị đầu cuối Các cửa sổ nhận bồ sungnày được đồng bộ hóa với máy chủ bằng một đèn hiệu đánh dấu thời gian, được phát

bởi Gateway

Class C: bi-directional end-devices with maximal receive slots (thiết bị đầucuối hai chiều với khe nhận tối đa)

Để cung cấp độ trễ thấp nhất có thê cho máy chủ đề giao tiếp downlink, thiết bị

đầu cuối Lớp C có cửa sô nhận liên tục mở, cửa số này chỉ đóng khi truyền dữ liệu.

Hiệu suất tốt hon này được cung cấp với chi phí tiêu thụ điện năng cao hơn Class A

và B.

Class A receive windows

Sau mỗi lần truyền uplink, thiết bị đầu cuối sẽ mở ra hai cửa sé nhận ngắn Cửa

số nhận bắt đầu chính xác sau một khoảng thời gian được xác định trước kể từ khitruyền bit uplink cuối cùng [1]

16

Hình 2.4 LoRa receive windows thé hiện các cửa Rx trong lớp A Cụ thé cửa số

nhận đầu tiên (RXI) được mở sau khi RECEIVE DELAY] mili giây, theo mặc địnhđược đặt thành 1 giây Nó sử dụng cùng tần số với truyền dẫn uplink trước đó và nói

chung cũng có cùng tốc độ dữ liệu (ở một số vùng có thể là một hàm của tốc độ dữ

liệu uplink).

Cửa số nhận thứ hai (RX2) được mở sau RECEIVE DELAY2 mili giây, được

định nghĩa là RECEIVE DELAY] + 1 giây Tan số và tốc độ dữ liệu được có địnhcho tat cả các đường truyền, có nghĩa là chúng không phụ thuộc vào giao tiếp uplink

trước đó và chúng có thé cấu hình thông qua lệnh MAC

Mỗi cửa số nhận được giữ mở ít nhất trong khoảng thời gian cần thiết để phát

hiện phần mở đầu của quá trình truyền downlink LoRa, theo thứ tự micro giây Nếu

một khung được nhận chính xác trong cửa số nhận đầu tiên, thiết bị đầu cuối sẽ không

mở khung thứ hai Thiết bị đầu cuối không được truyền một bản tin uplink khác trước

khi nhận được bản tin downlink hoặc cửa sỏ RX2 hết hạn

Message format

LoRaWAN cung cấp giao thức mạng ngăn xếp day đủ, có các tính năng của liên kết

dữ liệu, mạng và lớp truyền tải, đồng thời hỗ trợ mã hóa, xác thực và truyền lại góitin qua mạng giao tiếp đáng tin cậy

Radio physical layer

17

Mỗi gói LoRa mang một trọng tải vật lý (PHYPayload) chứa các bản tin

LoRaWAN Khi một gói LoRa chứa một thông báo LoRaWAN, trường CRC, được

tính trên PHY Payload, chỉ hiện diện trong truyền dẫn liên kết lên, vì nó bị vô hiệuhóa đối với truyền dẫn downlink

Preamble Physical Head PHDR-CRC PHY Payload CRC*

Bang 2.1 LoRa radio physical layer Physical payload

Physical payload chứa ba trường chính:

* MAC Header: chỉ định Message Type và phiên bản của LoRaWAN;

* MAC Payload: chứa LoRaWAN Frame;

* MIC: Message Integrity Code, nó được tính toán như quy định trong RFC 4493 và

nó xác thực từng thông báo tới Máy chủ mạng LoRa.

MIC = aes128-mac (NetSessionKey, B0 | msg) [0 3]

Size (bytes) 1 7 N

PHY Payload MAC Header MAC Payload MIC

Bang 2.2 Physical Payload được cau trúc như một thông báo LoRaWAN

MAC Header

MAC Header chỉ định Message Type và phiên ban của LoRaWAN Trong bang

2.1, tất cả các loại thông báo LoRaWAN có thể được báo cáo

Bit# 78 4 2 1 0

Fields Message Type RFU Major Version

Bảng 2.3 LoRaWAN MAC Header

MAC Payload chứa các trường Tiêu đề khung bắt buộc và tùy chọn Frame Port

and Frame Payload.

Size (bytes) | B22 | 0 1 | 0 M

MAC Payload | Frame Header | Frame Port | Frame Payload

Bảng 2.5 LoRaWAN MAC Payload Frame Header

Frame Header chứa Device Address 32bit, trường Frame Control, Frame

Counter và trường Frame Options, được sử dụng để thu thập các lệnh MAC trên lưu

lượng dit liệu của người dùng.

Size (bytes) 4 | 1 | 2 | 0 1

Frame Header Device Addr Frame Control | Frame Counter | Frame Options

Bảng 2.6 LoRaWAN Frame Header

Trong Frame Control có một số cờ quan trọng: cờ ADR báo hiệu rằng tốc độ dữ

liệu được kiểm soát bởi mạng; ADRACKReq được thiết bị đặt để kiểm tra xemGateway có thể nhận lưu lượng truy cập của nó hay không; cờ ACK được đặt để xác

nhận gói đã nhận trước đó.

Bit # 0

Fields | ADR ADRACKReq | ACK | RFU FOptsLen

Bang 2.7 LoRaWAN Frame Control Frame Port and Frame Payload

19

Theo mặc định, LoRaWAN mã hóa mọi Frame Payload bằng Application

Session Key Nếu Frame Payload mang lệnh MAC, thì Frame Port được đặt thành 0

và nó được mã hóa bằng Network Session Key Nếu mã hóa được thực hiện phía trênlớp LoRaWAN, ta có thể vô hiệu hóa tính năng này thông qua lệnh MAC, nhưng nóchỉ được phép nếu tải trọng khung không mang lệnh MAC

2.1.4 MAC Commands

MAC Commands là một tập hợp các thông điệp được trao đổi riêng giữa lớp

MAC của thiết bị đầu cuối và network server Thông báo này có thể chứa thông tin

hữu ích cho mục đích quản trị mạng, chẳng hạn như kiểm tra trạng thái của thiết bịhoặc thay đổi một số thông số giao tiếp và chúng sẽ không bao giờ hiển thị với máychủ ứng dụng đang chạy trên đám mây hoặc ứng dụng đang chạy trên thiết bị đầucuối MAC commands có thể được gửi dưới dạng Frame Payload, đặt Frame Port

thành 0 và thực hiện mã hóa bằng NetworkSessionKey Các lệnh MAC cũng có thể

được đặt trong trường FOpts, và trong trường hợp này, chúng không được vượt quá

15 octet và chúng được gửi luôn rõ ràng.

Lệnh MAC bao gồm một mã định danh lệnh (CID) của 1 octet, theo sau là mộtchuỗi các octet có thé trồng theo lệnh cụ thé Các CID trong khoảng từ 0x00 đến 0x7F

được dành riêng, trong khi các CID bắt đầu từ 0x80 đến 0xFF có sẵn cho các phần

mở rộng mạng độc quyên

2.1.5 End-device activation [12]

Để tham gia vào mang LoRa, thiết bị đầu cuối phải có ba thông tin:

DevAddress LoRa địa chỉ 32 bit;

NetSessionKey 128 bit AES key, được sử dung để xác thực;

AppSessionKey 128 bit AES key , được sử dụng dé mã hóa

Với mục đích này tồn tại hai thủ tục tham gia có thể có: Kích hoạt qua mạng

(OTA), trong đó mỗi thiết bị đầu cuối phải thực hiện thủ tục tham gia liên quan đếnviệc trao đổi một số thông báo với cơ sở hạ tang máy chủ và Kích hoạt bằng cá nhân

20

hóa, trong đó thiết bị đầu cuối đã biết địa chỉ và khóa, vì vậy chúng có thể bỏ qua quy

trình kết hợp

Mặc dù việc kích hoạt theo từng cá nhân hóa có thể được thực hiện một cáchnhẹ nhàng bằng cách chỉ tải địa chỉ và khóa phiên trên tất cả các thiết bị đầu cuối,tham gia OTA yêu cầu cả một giao thức dé lấy thông tin từ máy chủ và một thuậttoán để tạo khóa phiên

Thủ tục tham gia bao gồm hai messages:

1 Yêu cầu tham gia, được thiết bị đầu cuối gửi đến máy chủ và chứa

AppEUI, DevEUI và DevNonce;

2 Tham gia Chap nhận, được gửi bởi máy chủ đến thiết bị cuối và chứa

DevAddress, NetID và AppNonce, tất cả đều được mã hóa bằng AppKey dai hạn

được chia sẻ Nếu quy trình này hoàn tat thành công, cả thiết bị đầu cuối và máy chủđều có thé chạy thuật toán tạo khóa dé tính khóa phiên như được mô tả trong [1]

21

2.2 Các nghiên cứu liên quan 2.2.1 A LoRa Based Wireless Relay Network for Actuator Data (Use Arduino Nano and Modtronix LoRa inair9) [2]

Thí nghiệm sử dụng inair9 hoạt động ở mức 915MHz và thư viện Radiohead,

hệ số trải rộng (SF) là 7 và băng thông (BW) là 125kHz Trong môi trường truyền

tín hiệu LOS (Line-of-sight), khoảng cách giao tiếp có thé lên đến hơn 170m trongđường hầm Mặt khác, trong môi trường truyền tín hiệu NLOS (Non Line Of Sight)

khoảng cách giao tiếp sẽ ngăn hơn Khoảng cách giữa các hop có thé đến km Độ

trễ tương đối thấp và không có tồn thất tin nhắn

2.2.2 A LoRa Relay Based System for Detonating Explosives in

Underground Mines [3]

Hé thống được triên khai bằng cách sử dụng LoRa Modtronix inair4 hoạt

động với băng tần 415MHz và một vi điều khién ATmega328p Hệ thống nay đãđược thử nghiệm dưới lòng đất trong mỏ Newcrest, Cadia, New South Wales Thử

nghiệm đó sử dụng hai Relay thực hiện các phép đo cường độ tín hiệu (RSSI)

chứng minh rằng ở môi trường truyền tín hiệu LOS, khoảng cách giao tiếp lên đến170m, kéo đài hơn toàn bộ chiều dài của đường hầm Trong trường hợp NLOS,

cường độ tín hiệu giảm nhanh.

2.2.3 Increased flexibility in long-range IoT deployments with

transparent and light-weight 2-hop LoRa approach [4]

Hệ thống được triển khai bằng cách sử dụng Arduino Pro Mini và LoRa

RFM95W Thông số LoRa của thí nghiệm như sau: hệ số trải rộng (SF) là 12, băngthông (BW) là 125kHz, coding rate of 4/5 Thí nghiệm trình bày một cách tiếp cậnLoRa 2 Hop đề tăng độ tin cậy trong triển khai thế giới thực Sử dụng thiết bị Relaycông suất thấp thêm vào một mạng LoRa hiện có giữa thiết bị đầu cuối bị cô lập vàGateway Thí nghiệm cho thấy tính hiệu quả và xác nhận khả năng đồng bộ hóa của

thiết bị Relay để đồng bộ hóa theo cách tự động

22

2.2.4 Research and Design LoRa Rel Huy Trinh Thanh, University

of Information Technologies - Ho Chi Minh Vietnam National University [13]

Luận văn thiết kế và thực hiện mạch phan cứng cho LoRa Relay Phân tíchkết quả cho thay ở 500 mét tính từ gateway, có thé đạt được tới 97% các gói

được nhận chính xác ở tải trọng 10 byte ở SF 9 Hơn nữa, giải pháp relay cho

phép đặt các thiết bị cuối xa hơn so với liên kết hình sao tiêu chuẩn của

LoRaWan Có thể mở rộng vùng phủ sóng của thiết bị lên đến 3km trong môitrường LOS, 2km trong môi trường NLOS thông qua thí nghiệm Thiết kế củaluận văn cải thiện đáng kể độ tin cậy của liên lạc, bảo toàn các tính năng của

LoRaWAN về mặt hiệu quả năng lượng Hơn nữa, nhờ phần mở rộng này, có

thể mở rộng một cách hiệu quả vùng phủ sóng của mạng LoRaWAN mà khôngcần lắp đặt các công kết nói đắt tiền mới

2.2.5 Bảng so sánh ưu nhược điểm của các đề tài nghiên cứu trên:

A LoRa Based Wireless Relay

Network for Actuator Data

= Mô tả được ky thuật đơn giản dé xây dựng một LoRa Relay Network.

- Network có thé truyền message qua nhiều Relay với độ trễ có định.

~ Chưa thực hiện được các phép đo chỉ tiết về hiệu suất của thiết bị.

~ Thêm Relay mới làm tăng

độ trễ.

A LoRa Relay Based System for

Detonating Explosives in

Underground Mines

Sử dung LoRa làm công nghệ liên

kết trong multihop relay network,

dễ triển trai và độ trễ xác định

Trinh bày được một số

trong việc truyền tín hiệu LoRa trong đường ham lòng đá

- Trong môi trường NLOS (Non Line Of Sight) cường

độ tín hiệu giảm nhanh.

Inereased flexibility in long-range

IoT deployments with transparent

and light-weight 2-hop LoRa

approach

Phin cứng chỉ phí thấp End-device và gateway đều không

thay đổi và có thể hoạt động có

hoặc không có Relay-device.

-Ở một số quốc gia,

transmitter có thé bị hạn chế bởi duty-cycle.

~ Có thể xây ra các xung đột

gói tin,

Research and Design LoRa Relay,

Huy Trinh Thanh, University of

Information Technologies ~ Ho Chi

Minh Vietnam National University

Hoàn thiện mach tự thiết kế.

Bảng 2.8 Các nghiên cứu liên quan

Những nghiên cứu trên vẫn còn tồn động những vấn đề sau: Chưa thực hiệnđược các phép đo chỉ tiết về hiệu suất hoạt động của thiết bị, việc thêm Relay mới sẽ

tạo độ trễ cho việc chuyền tiếp gói tin, cường độ tín hiệu giảm nhanh trong môi trường

NLOS, transmitter bị hạn chế bởi duty-cycle, các gói tin có thể xảy ra xung đột với

nhau.

Vi thé dé tai đề xuất được thực hiện phát triển chế tạo thiết bị chuyển tiếp tínhiệu LoRa Relay đề giải quyết được một trong những van đề trên: thực hiện được cácphép do chỉ tiết về hiệu suất của thiết bị,tối thiêu độ trễ việc chuyển tiếp gói tin, giảiquyết van đề xung đột gói tin

2.3 Các module liên quan 2.3.1 MCU STM32L476RGTx

24

- Program Memory Size: IMB

- Data Bus Width: 32bit

- ADC Resolution: 12bit

- Maximum Clock Frequency:80Mhz

- Data RAM Size: 128kB

- Supply Voltage - Max: 3.6V

- Supply Voltage - Min: 1.71V

25

2.3.2 Module LoRa E22

nhiễu và khoảng cách liên lạc xa hơn so với module của các thế hệ trước, năng lượng

- Khoảng cách : 6.9km (Trong không khí thoáng và rõ ràng, với công suất tối

đa, độ lợi antenna 5dBi, chiều cao 2m)

- Giao diện : SPI

- Cân nặng: 1,5+0,1g

-_ Tốc độ dữ liệu không khí 0,018k ~ 300kbps

- Nguồn cấp: min 1,8V max 3.7V

26

2.3.3 GPS L86 Quectel

Hinh 2.8 GPS L86 Quectel L86 là mô-đun GNSS POT (Patch on Top) siêu nhỏ gọn với antenna patch

18,4mm x 18,4mm x 4,0mm nhúng va sử dung chipset GNSS thé hệ mới của

MediaTek MT3333 đề đạt được hiệu suất hoàn hảo [14] Được thiết kế đề tương

thích với mô-đun Quectel GPS L80 ở dạng nhỏ gọn và thống nhất, nó cung cấp mộtnền tảng linh hoạt và có thê mở rộng đề chuyển từ GPS sang GNSS [15] Thiết kế

tiết kiệm không gian này làm cho L86 trở thành một mô-đun hoàn hảo cho các thiết

SKY 13408-465LF là bộ chuyền mạch công suất cao GaAs pHEMT Single-Pole,

Triple-Throw (SP3T) với đầu ra kết thúc 50 Q Hiệu suất tuyến tính cao và suy hao

chèn thấp mà SKY 13408-465LF đạt được khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng chocác ứng dụng 802.11a /c, WiMAX và WLAN công suất cao hơn như điểm truy cập

- Off Isolation - Type: 24 dB

- High Control Voltage: 2.5 V to 5 V

24 Sever The Things NetWork

The Things Network cung cấp một bộ công cụ mở và mang mở toàn cầu dé xâydựng ứng dụng IoT với chỉ phí thấp, có tính năng bảo mật tối đa và sẵn sàng mở rộng

quy mô.

28