Phân tích và đánh giá hiệu năng mạng vô tuyến công suất thấp cự ly xa LPWAN (Luận văn thạc sĩ)

Phân tích và đánh giá hiệu năng mạng vô tuyến công suất thấp cự ly xa LPWAN (Luận văn thạc sĩ)Phân tích và đánh giá hiệu năng mạng vô tuyến công suất thấp cự ly xa LPWAN (Luận văn thạc sĩ)Phân tích và đánh giá hiệu năng mạng vô tuyến công suất thấp cự ly xa LPWAN (Luận văn thạc sĩ)Phân tích và đánh giá hiệu năng mạng vô tuyến công suất thấp cự ly xa LPWAN (Luận văn thạc sĩ)Phân tích và đánh giá hiệu năng mạng vô tuyến công suất thấp cự ly xa LPWAN (Luận văn thạc sĩ)Phân tích và đánh giá hiệu năng mạng vô tuyến công suất thấp cự ly xa LPWAN (Luận văn thạc sĩ)Phân tích và đánh giá hiệu năng mạng vô tuyến công suất thấp cự ly xa LPWAN (Luận văn thạc sĩ)Phân tích và đánh giá hiệu năng mạng vô tuyến công suất thấp cự ly xa LPWAN (Luận văn thạc sĩ)Phân tích và đánh giá hiệu năng mạng vô tuyến công suất thấp cự ly xa LPWAN (Luận văn thạc sĩ)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi 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

Tác giả luận văn

PHÍ THỊ THU

LỜI CẢM ƠN

Trong 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, các em và các bạn Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới:

Ban giám đốc Học viện, các thầy cô giảng dạy và làm việc tại Khoa Quốc tế

và Đào tạo sau đại học – Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn

Tiến sĩ Nguyễn Đức Thủy, người thầy đã hết lòng giúp đỡ, dạy bảo, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận văn

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

Tác giả luận văn

PHÍ THỊ THU

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH SÁCH HÌNH VẼ vii

DANH SÁCH BẢNG BIỂU viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ TRONG MẠNG IoT 3

1.1 Tổng quan về IoT 3

1.1.1 Tiêu chuẩn hình thành IoT 3

1.1.2 Tình hình phát triển IoT hiện nay [8] 4

1.2 Mô hình trong IoT 5

1.2.1 Mô hình mạng không dây hiện nay 5

1.2.2 Mô hình tham chiếu IoT gồm 5 tầng 6

1.3 Kỹ thuật trong IoT 7

1.3.1 Các công nghệ trong IoT 7

1.3.2 Hỗ trợ nhiểu loại kết nối 9

1.4 Khả năng định danh, bảo mật của IoT [6] 10

1.4.1 Khả năng định danh 10

1.4.2 Bảo mật trong IoT 11

1.5 Ứng dụng trong IoT [6] 11

1.5.1 Ứng dụng trong lĩnh vực vận tải 12

1.5.2 Ứng dụng trong lĩnh vực sản xuất nông nghiệp 13

1.5.3 Ứng dụng trong nhà thông minh 13

1.5.4 Ứng dụng trong quản lý hạ tầng 15

1.5.5 Ứng dụng trong y tế 15

1.5.6 Ứng dụng trong lưới điện thông minh 15

1.6 Thách thức – khó khăn trong sự phát triển 17

1.6.1 Chưa có một ngôn ngữ chung 17

1.6.2 Hàng rào subnetwork 17

1.6.3 Có quá nhiều "ngôn ngữ địa phương" 18

1.6.4 Tiền và chi phí 18

1.7 Kết luận chương 19

CHƯƠNG 2: MẠNG LPWAN VÀ KỸ THUẬT LoRa 20

2.1 Giới thiệu mạng LPWAN 20

2.1.1 Phân loại LPWAN 22

2.1.2 Các ứng dụng của LPWAN 24

2.1.3 Bảo mật trong LPWA 25

2.1.4 Giá thành 25

2.1.5 Khả năng mở rộng 26

2.1.6 Chất lượng dịch vụ QoS 27

2.2 Tổng quan LoRaWAN 27

2.2.1 LoRa - Giải pháp cho triển khai mạng IoT 27

2.2.2 Ưu nhược điểm mạng LoRaWAN [9] 30

2.2.3 Giới hạn băng tần 31

2.2.4 Kiến trúc mạng điển hình 31

2.2.5 LoRa lớp vật lý 32

2.2.6 LoRaWAN lớp MAC 34

2.2.7 Khuôn dạng bản tin 37

2.2.8 Xác thực bản tin 38

2.3 Kết luận chương 39

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG LoRaWAN 40

3.1 Điều chế LoRa [5] 40

3.1.1 Định lý Shannon – Hartley 40

3.1.2 Nguyên lý trải phổ 42

3.1.3 Điều chế trong LoRa 44

3.1.4 Các đặc điểm chính của điều chế LoRa 46

3.2 Kỹ thuật ADR (Adaptive Data Rate) 47

3.3 Tham số hệ thống 50

3.3.1 Hệ số trải phổ (Spreading Factor – SF) 50

3.3.2 Băng thông (Bandwidth – BW) 50

3.3.3 Tốc độ mã hóa (Coding Rate – CR) 51

3.3.4 Độ nhạy máy thu 51

3.3.5 Tốc độ bít 52

3.3.6 Độ trễ 53

3.4 Phân tích hiệu năng mạng LPWAN bằng mô phỏng 53

3.4.1 Phương pháp đánh giá hiệu năng 53

3.4.2 Kết quả mô phỏng 55

3.5 Kết luận chương 60

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

CMAC Cipher – based Message

Authentication Code

Mã xác thực tin nhắn dựa trên

mật mã

CRC cyclic redundancy check Kiếm tra dư thừa chu kỳ

LoRaWAN Long Range Wide Area

Network Mạng diện rộng vùng phủ lớn

LPWAN Low Power Wide Area Network Mạng diện rộng công suất

thấp

MIC Messager Identify Code Mã toàn vẹn bản tin

SNR Signal Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1 1: Tiêu chuẩn hình thành IoT 3

Hình 1 2: Mô hình tham chiếu M2M/IoT 6

Hình 1 3: Các loại kết nối trong IoT 9

Hình 1 4: Các loại kết nối cần được hỗ trợ trong mạng IoT 10

Hình 1 5: Kiến trúc bảo mật 11

Hình 1 6: Tổng quan về ứng dụng của IoT 12

Hình 1 7: Theo dõi lộ trình đường đi của xe 13

Hình 1 8: Theo dõi tình trạng sinh trưởng của cây trồng 13

Hình 1 9: Ví dụ về nhà thông minh 14

Hình 1 10 Mô hình lưới điện thông minh 16

Hình 2.1: Phân bổ các công nghệ trong LPWAN theo tốc độ và vùng phủ 21

Hình 2.2: Các ứng dụng của LPWAN trong đời sống 24

Hình 2 3: LPWAN trong thương mại 29

Hình 2.4: Kiến trúc điển hình mạng LoRaWAN 31

Hình 2.5: Ngăn xếp giao thức LoRa 34

Hình 2.6: Cấu hình mặc định của lớp A 35

Hình 2.7: Cấu hình mặc định của lớp B 36

Hình 2.8: Cấu hình mặc định của lớp C 37

Hình 2.9: Khuôn dạng bản tin LoRa 37

Hình 2.10: Điều chế LoRa hình thác nước 38

Hình 3.1: Quá trình điều chế/ trải rộng tín hiệu 43

Hình 3.2: Quá trình giải điều chế/ giải trải phổ tín hiệu 44

Hình 3.3: Một dạng sóng chip tuyến tính (trái : dạng sóng chip lên, phải : dạng sóng chip xuống) 45

Hình 3.4: Quan hệ giữa thời gian ký hiệu, hệ số trải phổ và băng thông 45

Hình 3.5: Khoảng thời gian ký hiệu trong mỗi hệ số trải phổ và băng thông khác nhau 46

Hình 3.6: Lưới LoRa 52Hình 3.7: BER theo các giá trị SF khác nhau 57Hình 3.8: Xác suất lỗi bít của BPSK và ký hiệu CSS với băng thông 125kHz

và hệ số trải phổ SF=10 [2] 57Hình 3.9: xác suất vùng phủ cho môi trường có suy hao đường truyền từ 2.4

đến 2.7 tương đương với các hình (a), (b), (c), (d) 58Hình 3.10: Thông lượng của BPSK và CSS theo khoảng cách ………… 59

Bảng 3.1: Bảng giá trị SNR theo hệ số trải phổ và tốc độ dữ liệu 49

Bảng 3.2: So sánh tốc độ bít, vùng phủ và thời gian phát sóng của các hệ số

SF khác nhau 50Bảng 3.3: Độ nhạy GW khác nhau cho mỗi giá trị trải phổ (đường lên) 51Bảng 3.4: Tốc độ bít theo các hệ số trải phổ 53Bảng 3.5: Độ nhạy máy thu cho các giá trị SF khác nhau (đường

xuống) 55

MỞ ĐẦU

Cách đây một vài năm người ta đang nói về Internet of Things sẽ thay đổi thế giới như thế nào Nhưng tầm nhìn về việc kết nối hàng tỷ thiết bị có những thử thách nhất định Các mạng không dây hiện tại như Bluetooth, Bluetooth Low Energy, WiFi và ZigBee hiện tại chỉ thích hợp cho những ứng dụng cự ly ngắn Mạng di động cũng không phù hợp sử dụng để truyền thông kết nối từ xa máy đến máy (M2M) vì quá tốn năng lượng Hơn nữa, các loại công nghệ nêu trên đều rất đắt đỏ về phần cứng và dịch vụ

Điểm quan trọng của ứng dụng IoT yêu cầu chỉ truyền dữ liệu tốc độ thấp, sử dụng cho thu thập dữ liệu và giám sát đối với các thiết bị đầu cuối IoT ở cự ly xa, không tập trung, hoạt động dài ngày ở những nơi không được cấp điện lưới Hệ thống mạng di động thì không phù hợp với vấn đề năng lượng pin và hiệu quả kinh

tế khi gửi ít dữ liệu đi Vì vậy, Low Power Wide Area Network (LPWAN) được đưa ra cho những ứng dụng này LPWAN thích hợp cho việc gửi một lượng nhỏ dữ liệu với khoảng cách xa, trong khi thời lượng pin dài

Tại MWC 2015, một giải pháp công nghệ mới mang tên LoRaWAN đã được giới thiệu để giải quyết vấn đề này và nó hấp dẫn tới mức mà cả một Hiệp hội đã được hình thành để hỗ trợ sự phát triển công nghệ này LoRa (Long Range) hướng tới các kết nối M2M ở khoảng cách lớn LoRaWAN được định nghĩa là một mạng diện rộng công suất thấp dành cho các thiết bị M2M Các bộ cảm biến trong LoRaWAN có thể liên lạc với nhau ở khoảng cách lên tới 100 km ở môi trường thuận lợi và ở khoảng cách 15km ở môi trường bán nông thôn (semi rural) và hơn 2km trong môi trường thành thị đông đúc

Theo yêu cầu của từng ứng dụng, LoRa cho phép sử dụng một số tiêu chuẩn

mã hoá bảo mật Ví dụ bảo mật ở mức mạng (EIUI64), bảo mật ở mức ứng dụng (EIUI64) và bảo mật ở mức thiết bị người dùng (EUI128) Ngoài ra, nó còn hướng tới mục tiêu giảm thiểu công suất tiêu thụ của các thiết bị đầu cuối để tăng tuổi thọ pin của thiết bị - một trong những thách thức hiện nay trong việc đẩy mạnh sự phát triển của M2M Các bộ cảm biến LoRaWAN có công suất hoạt động rất thấp, cho

phép hoạt động thiết bị hoạt động trong vòng 10 năm hoặc hơn nữa chỉ với một pin chuẩn AA

Việc kết nối giữa các thiết bị đầu cuối và cổng kết nối được thực hiện ở nhiều kênh tần số khác nhau ở các băng tần chưa được cấp phép (Unlienced Band)

và ở các tốc độ truyền dẫn dữ liệu khác nhau Nhờ hai yếu tố này mà khả năng nhiễu giữa các kênh là rất thấp Tốc độ dữ liệu truyền dẫn cho phép từ 0,3 kbps –

50 kbps

Từ những lý do trên, đề tài nghiên cứu của luận văn được chọn là “ Phân tích và đánh giá hiệu năng mạng vô tuyến công suất thấp cự ly xa LPWAN”

Luận văn được xây dựng với nội dung chính sau:

Chương 1: Giới thiệu các công nghệ trong mạng IoT

Chương 2: Tổng quan về mạng LPWAN và kỹ thuật LoRa

Chương 3: Phân tích và đánh giá hiệu năng mạng LoRaWAN

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ TRONG MẠNG IoT

Trong khoảng vài năm trở lại đây, chắc hẳn chúng ta đều không ít lần nghe thoáng qua về khái niệm Internet of Things, hay bắt gặp tin tức về các sản phẩm được quảng cáo là phục vụ cho nhu cầu “smart home” (nhà thông minh) Trong đó, những thiết bị gia dụng như lò nướng hay tủ lạnh có thể “nói chuyện” được với nhau Nhưng chúng kết nối với nhau như thế nào, và liệu xu hướng này có thực sự bùng nổ, đưa chúng ta đến một thế kỷ tương lai như trong game hay phim ảnh? Trong bối cảnh mà hàng ngày càng nhiều chủng loại thiết bị được gắn mác “smart”

và thi nhau “lên mây” như hiện nay, sẽ không thừa khi chúng ta trang bị cho mình các kiến thức căn bản về Internet of Things

1.1 Tổng quan về IoT

1.1.1 Tiêu chuẩn hình thành IoT

Hình 1.1: Tiêu chuẩn hình thành IoT

Dựa theo tầm nhìn tương lai về IoT theo các khái niệm chính, công nghê và tiêu chuẩn, sự xuất hiện các mô hình IoT là kết quả sự hội tụ 3 vấn đề chính:

“Things oriented” bao gồm như: thẻ Radio-Frequency Identification (RFID), điều khoản cơ bản xây dựng tạo tiền để phát triển IoT, công nghệ mạng cảm biến không dây, UID…

“Internet oriented” định hướng về kết nối: để phù hợp với việc chạy thiết bị giao tiếp nhỏ gọn, hoạt động dựa trên pin các thiết bị nhúng Chẳng hạn kết hợp IEEE 802.15.4 vào kiển trúc IP, truyền dữ liệu qua 6LowPAN

“Semantic oriented” định hướng ngữ nghĩa: trong bối cảnh mà rất nhiều các thiết bị đại diện cho lưu trữ, kết nối, tìm kiếm tổ chức thông tin được tạo ra sẽ rất khó quản lý Như vậy cần hình thành môi trường ngữ nghĩ phù hợp với phát triển cơ

sở hạ tầng và thông tin liên lạc trong IoT

1.1.2 Tình hình phát triển IoT hiện nay [8]

- IoT – Xu hướng của thế giới

Theo báo cáo Ericsson Mobility Report, tới năm 2021, dự kiến sẽ có 28 tỉ thiết bị kết nối trong đó có 15 tỉ thiết bị kết nối IoT bao gồm thiết bị M2M (machine-to-machine) như đồng hồ đo thông minh, cảm biến trên đường, địa điểm bán lẻ, các thiết bị điện tử tiêu dùng như ti vi, đầu DVR, thiết bị đeo 13 tỉ còn lại là điện thoại di động, máy tính xách tay PC, máy tính bảng

IDC dự kiến năm 2019, tòan cầu sẽ chi 1.300 tỉ đô la Mỹ cho IoT Tới năm

2020, theo dự đoán của Gartner thì giá trị gia tăng do IoT mang lại sẽ là 1.900 tỉ đô

la Mỹ Và theo McKinsey, tới năm 2025 IoT sẽ đóng góp vào nền kinh tế toàn cầu

là 11.000 tỉ đô la Mỹ

Tới năm 2021, dự kiến số thuê bao sẽ lên tới 9,1 tỉ Số thuê bao này cao hơn

số dân bởi mỗi người có thể sở hữu nhiều thiết bị Trong các kết nối IoT như vậy, sẽ

có bao gồm cả những có đăng ký thuê bao SIM/eSIM được gắn ngay trong thiết bị

và cả những thiết bị như điện tử tiêu dùng không cần dùng SIM (Non-SIM)

IoT đang diễn ra một cách mạnh mẽ 50% doanh nghiệp đã bắt đầu triển khai những dự án về IoT IoT mang lại một cơ hội doanh thu cho rất nhiều ngành và những giải pháp đó bắt đầu thương mại hóa với tốc độ rất nhanh Ngành dịch vụ tiện ích, giao thông, tòa nhà thông minh và các ngành bán lẻ là những ngành đi đầu trong việc ứng dụng IoT

- IoT tại Việt Nam

Việt Nam đang bước vào cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 và IoT là chìa khóa đầu tiên để mở ra cánh cửa đó Các doanh nghiệp Việt Nam sẽ là những đối tượng hàng đầu áp dụng giải pháp IoT Họ nhận ra có 3 cách mà IoT giúp họ cải thiện kinh doanh Thứ nhất là IoT giúp giảm chi phí vận hành, thứ hai tăng năng suất và thứ 3 là mở rộng sang các thị trường mới hoặc phát triển sản phẩm mới

Bộ Thông tin và Truyền thông là đơn vị khởi xướng, đi đầu, là lượng lượng nòng cốt tạo tiền đề cho cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 mà Chính phủ đã đề ra

Bộ Thông tin và Truyền thông, các cơ quan báo chí, bản thân các tập đoàn, tổng công ty phải làm tốt công tác truyền thông, tăng cường nhận thức về Cách mạng công nghiệp 4.0, “để toàn xã hội, từng người dân, mọi doanh nghiệp, mọi cơ quan, các tổ chức đều hiểu về thời cơ, thách thức của Cách mạng công nghiệp 4.0”

Ngành thông tin và Truyền thông xác định ngành viễn thông sẽ là ngành khởi động cho cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 này Ngành viễn thông là xương sống cho CM4.0 khi là trung gian kết nối với các IoT Ngành viễn thông sẽ phát triển mạnh về chiều rộng ở cấu trúc và khả năng kết nối, vùng phủ, băng thông, khả năng đáp ứng Liên quan đến nội dung này, những doanh nghiệp viễn thông thuộc

Bộ Thông tin và Truyền thông như VNPT, MobiFone đã triển khai nghiên cứu, ứng dụng IoT vào hoạt động sản xuất kinh doanh

Với MobiFone, ngoài việc đồng hành cùng các chương trình truyền thông, nâng cao nhận thức, cung cấp kinh nghiệm cho cộng đồng doanh nghiệp về Cách mạng 4.0, IoT, MobiFone còn triển khai cung cấp nhiều dịch vụ IoT như: Truyền hình MobítV trên nền tảng 4G, Internet siêu tốc độ, xem video 4 …Trong đó, đặc biệt là 2 sản phẩm IoT độc lập đồng hồ thông minh Tio id và Mobitrack đáng chú

ý và một loạt sản phẩm khác sẽ được cung cấp trong tương lai

1.2 Mô hình trong IoT

1.2.1 Mô hình mạng không dây hiện nay

Có thể nói hiện tại chúng ta có 3 mô hình mạng không dây như sau:

Cellular network (GSM hoặc LTE network): là mô hình truyền dữ liệu sử

dụng trên điện thoại mà chúng ta vẫn sử dụng hằng ngày Các mạng cellular có tốc

độ truyền dữ liệu cao nhưng cũng yêu cầu năng lượng tiêu thụ cao

LAN network (Wifi, Bluetooth, Zigbee hoặc Z-wave): được sử dụng rộng rãi

trong các mạng LAN (Local Area Network hoặc Personal Area Network) Điểm yếu của các thiết bị này là công suất tiêu thụ vẫn cao cho các thiết bị sử dụng pin

LPWAN network (SigFox, LoRa, NB-Fi, RPMA): là mô hình được phát triển

sau 2 mô hình network ở trên để cho phép các thiết bị dùng pin có thể truyền dữ liệu với khoảng cách xa mà không tốn nhiều năng lượng Đây là mô hình sẽ được ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng IoT trong tương lai

1.2.2 Mô hình tham chiếu IoT gồm 5 tầng

Hình 1.2: Mô hình tham chiếu M2M/IoT

- Trên cùng là tầng định hướng ứng dụng

- Sau đó tầng 2 sẽ chia thành các ứng dụng cụ thể như quản lý sự kiện, quản lý việc làm, quản lý dữ liệu thu về, API … việc chia này chưa thực hiện việc xử lý quản lý mà thực chất chỉ là lớp cơ bản mô tả cấu trúc và các công việc quản lý

- Tầng 3 sẽ đi vào việc xử lý trực tiếp các quản lý đã phân cở tầng 2

- Tầng 4 – tầng kết nối mọi hành động xác thực, giao vận, kết nối trung gian giữa thiết bị và hệ thống sẽ qua tâng này

- Tầng 5 – Things đây là tầng của các thiết bị khác nhau, các cảm biến môi trường

Kết hợp mô hình tham chiếu IoT vào mạng M2M có thể phân thành mô hình khối chứa các chức năng cụ thể và xuyên suốt trong hạ tầng mạng IoT Để đảm bảo tính xuyên suốt thì trong cả 5 tầng đều phải được thiết kế di động kết nối liền mạch giữa các tầng, mỗi tầng đều có quản lý và định danh rõ ràng

1.3 Kỹ thuật trong IoT

1.3.1 Các công nghệ trong IoT

Ngay bây giờ, có một loạt các lựa chọn kết nối với các hệ khung IoT (IoT Framework), mỗi một lựa chọn này đều quy định cụ thể một phạm vi truyền tải, tốc

độ dữ liệu, mức tiêu thụ năng lượng và mức độ bảo mật Một số trong số chúng được liệt kê như sau:

Bluetooth

Bluetooth là lý tưởng cho việc truyền dữ liệu tầm ngắn giữa các thiết bị hỗ trợ Bluetooth như điện thoại thông minh và máy tính xách tay Nó hoạt động trong băng tần 2.4GHz của phổ radio Phạm vi từ 1 đến 100 mét Tốc độ dữ liệu điển hình

là 1 Mbps và tốc độ này có thể khác nhau tùy thuộc vào phiên bản Bluetooth được

sử dụng Với chuẩn Bluetooth năng lượng thấp (BLE), điện năng tiêu thụ giảm đáng

kể Ngày càng có nhiều khách sạn và nhà ở sử dụng ổ khóa thông minh (smart lock)

để đóng/mở cửa khi đọc được tín hiệu từ điện thoại thông minh có hỗ trợ BLE của người dùng

ZigBee và Z-Wave

Cả ZigBee và Z-Wave đều lý tưởng cho việc truyền dữ liệu với tốc độ thấp,

và khả năng kết nối kiểu mạng lưới (mesh network) của chúng có thể mở rộng khoảng cách truyền nếu cần thiết Cả hai giao thức đều lý tưởng cho các mạng sử dụng trong gia đình, đang ngày càng trở nên phổ biến ở Hoa Kỳ

ZigBee hoạt động ở dải 2.4GHz Tổ chứ ZigBee (Zigbee Alliance) đã phát triển các công nghệ khác nhau, ví dụ như ZigBee PRO, ZigBee RF4CE và ZigBee

IP và gần đây đã kết hợp tất cả hồ sơ ứng dụng vào một giải pháp gọi là ZigBee 3.0 Z-Wave sử dụng phần tần số 900MHz Các thiết bị bao gồm: cảm biến chuyển động, cảm biến cửa/cửa sổ và khóa cửa

Wifi

Wi-Fi đã trở thành một công nghệ truyền dẫn không dây thống trị thị trường Tiêu chuẩn phổ biến nhất được sử dụng trong nhà ở và doanh nghiệp hiện nay là 802.11n, hoạt động trong dải tần 2.4GHz và 5GHz của phổ radio Tầm truyền dữ liệu khoảng 50 mét, và tốc độ dữ liệu thường là 150 đến 200 Mbps Mặc dù các tính năng này làm cho Wi-Fi thích hợp để chuyển các tập tin lớn nhưng chúng cũng tạo

ra các sự cố khác, ví dụ nhiễu và tiêu thụ điện năng lớn

ULE

ULE, hoặc Ultra Low Energy, là một tiêu chuẩn truyền thông không dây cho phép các thiết bị ULE – cảm biến, điều khiển từ xa, bộ truyền động và đồng hồ đo thông minh – hoạt động bằng pin trong một khoảng thời gian dài Các ứng dụng chính bao gồm tự động hóa nhà ở, an ninh gia đình và kiểm soát khí hậu

EnOcean

EnOcean xác định rằng các thiết bị không dùng pin và hoạt động trên “thu hoạch năng lượng”, dựa trên chuyển động cơ học và các tiềm năng khác từ môi trường, chẳng hạn như ánh sáng trong nhà và nhiệt độ khác nhau Nhưng cũng vì điều này, dữ liệu được truyền bởi các thiết bị là rất nhỏ, thường chỉ là 14 byte

Sigfox, Neul, và LoRaWAN

Đây là những công nghệ tầm xa, thấp hơn về chi phí và điện năng tiêu thụ so với Wi-Fi và sóng di động 3G/4G Sigfox có phạm vi từ 3 đến 50 km với tốc độ truyền dữ liệu từ 10 đến 1.000 bít/s Các mạng Sigfox hiện đang được triển khai tại các thành phố lớn trên khắp châu Âu, bao gồm 10 thành phố ở Anh Neul có phạm vi

10 km với tốc độ dữ liệu từ vài bít mỗi giây đến 100 kbps LoRaWAN truyền dữ liệu từ 0,3 đến 50 kbps trên một khoảng cách lên đến 40 km

1.3.2 Hỗ trợ nhiểu loại kết nối

IoT hỗ trợ rất nhiều loại kết nối như trong hình 1.3 đó là: Bluetooth, Wifi, ZigBee, 6LowPAN, RFID, LPWAN, 3GPP Với mỗi chuẩn đều có những đặc điểm khác nhau về bảo mật, độ trễ, tính di động, khoảng cách truyền, năng lượng tiêu thụ, tuổi tho pin, tốc độ dữ liệu tối đa là rất khác nhau

Hình 1.3: Các loại kết nối trong IoT

Như vậy vấn đề kỹ thuật đặt ra là dữ liệu được cập nhật khác nhau từ hàng giây, hàng giờ, hàng ngày, hàng tháng Kết nối những dữ liệu khác nhau chẳng hạn ứng dụng về sức khỏe, nông nghiệp, lưới thông minh

Hình 1.4: Các loại kết nối cần đƣợc hỗ trợ trong mạng IoT 1.4 Khả năng định danh, bảo mật của IoT [6]

1.4.1 Khả năng định danh

Điểm quan trọng của IoT đó là các đối tượng phải có thể được nhận biết và định dạng (identifiable) Nếu mọi đội tượng, kể cả con người, được "đánh dấu" để phân biệt bản thân đối tượng đó với những thứ xung quanh thì chúng ta có thể hoàn toàn quản lí được nó thông qua máy tính Việc đánh dấu (tagging) có thể được thực hiện thông qua nhiều công nghệ, chẳng hạn như RFID, NFC, mã vạch, mã QR, watermark kỹ thuật số Việc kết nối thì có thể thực hiện qua Wi-Fi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại

Ngoài những kỹ thuật nói trên, nếu nhìn từ thế giới web, chúng ta có thể sử dụng các địa chỉ độc nhất để xác định từng vật, chẳng hạn như địa chỉ IP Mỗi thiết

bị sẽ có một IP riêng biệt không nhầm lẫn Sự xuất hiện của IPv6 với không gian địa chỉ cực kì rộng lớn sẽ giúp mọi thứ có thể dễ dàng kết nối vào Internet cũng như kết nối với nhau

1.4.2 Bảo mật trong IoT

Đối với mục đích của mô hình tham chiếu IoT, các biện phát bảo mật cần phải:

- Bảo mật cho mỗi thiết bị hoặc hệ thống

- Cung cấp bảo mật cho tất cả các tiến trình ở mỗi lớp

- Bảo mật di chuyên và truyền thông giữa mỗi lớp

Hình 1.5: Kiến trúc bảo mật

Như vậy hệ thống sẽ tồn tại những thách thức về bảo mật như sau:

- Cơ chế bảo mật RFID: hàm vật lý, cơ chế code

- Công nghệ cảm biến và bảo mật mạng: bảo mật framework, mã hóa và giải

mã, quản lý khóa, bảo mật định tuyến, cơ chế bảo mật xâm nhập,

- Bảo mật IoT Gateway: xử lý tiến trình dữ liệu, xác thực đăng nhập, kiểm soát

dữ liệu truy cập, kênh mã hóa

- Thông tin truyền trên IoT: lỗ hổng an ninh, giao thức bảo mật, IPv6

- Bảo mật việc xử lý thông tin: Ứng dụng, service, clould, privacy

1.5 Ứng dụng trong IoT [6]

Với những hiệu quả thông minh rất thiết thực mà IoT đem đến cho con người, IoT đã và đang được tích hợp trên khắp mọi thứ, mọi nơi xung quanh thế

giới mà con người đang sống Từ chiếc vòng đeo tay, những đồ gia dụng trong nhà, những mảnh vườn đang ươm hạt giống, cho đến những sinh vật sống như động vật hay con người…đều có sử dụng giải pháp IoT

Hình 1.6: Tổng quan về ứng dụng của IoT

1.5.1 Ứng dụng trong lĩnh vực vận tải

Ứng dụng điển hình nhất trong lĩnh vực này là gắn chip lấy tọa độ GPS lên

xe chở hàng, nhằm kiểm soát lộ trình, tốc độ, thời gian đi đến của các xe chở hàng Ứng dụng này giúp quản lý tốt khâu vận chuyển, có những xử lý kịp thời khi xe đi không đúng lộ trình hoạt bị hỏng hóc trên những lộ trình mà ở đó mạng di động không phủ sóng tới được, kiểm soát được lượng nhiên liệu tiêu hao ứng với lộ trình

đã được vạch trước…

Hình 1.7: Theo dõi lộ trình đường đi của xe

1.5.2 Ứng dụng trong lĩnh vực sản xuất nông nghiệp

Hình 1.8: Theo dõi tình trạng sinh trưởng của cây trồng

Quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng trải qua nhiều giai đoạn từ hạt nảy mầm đến ra hoa kết trái Ở mỗi giai đoạn cần có sự chăm sóc khác nhau về chất dinh dưỡng cũng như chế độ tưới tiêu phù hợp Những yêu cầu này đòi hỏi sự bền bỉ và siêng năng của người nông dân từ ngày này sang ngày khác làm cho họ phải vất vả Nhưng nhờ vào ứng dụng khoa học kỹ thuật, sử dụng cảm biến để lấy thông số nhiệt độ, độ ẩm, độ pH của đất trồng, cùng với bảng dữ liệu về quy trình sinh trưởng của loại cây đó, hệ thống sẽ tự động tưới tiêu bón lót cho cây trồng phù hợp với từng giai đoạn phát triển của cây trồng Người nông dân bây giờ chỉ kiểm tra, quan sát sự vận hành của hệ thống chăm sóc cây trồng trên một màn hình máy tính có nối mạng

Sản phẩm của mỗi loại nông sản sẽ được gắn mã ID, nếu tủ lạnh nhà chúng

ta sắp hết một loại nông sản nào đó thì ngay lập tức nó sẽ tự động gửi thông báo cần mua đến cơ sở dữ liệu của trang trại có trồng loại nông sản đó, và chỉ sau một thời gian nông sản mà bạn cần sẽ được nhân viên đem đến tận nhà

1.5.3 Ứng dụng trong nhà thông minh

Vài năm trở lại đây, khi thế giới đang dần tiến vào kỷ nguyên Internet of Things, kết nối mọi vật qua Internet, nhà thông minh trở thành một xu hướng công nghệ tất yếu, là tiêu chuẩn của nhà ở hiện đại Trong căn hộ thông minh, tất cả các thiết bị từ rèm cửa, điều hoà, dàn âm thanh, hệ thống ánh sáng, hệ thống an ninh, thiết bị nhà tắm… được kết nối với nhau và hoạt động hoàn toàn tự động theo kịch bản lập trình sẵn, đáp ứng đúng nhu cầu sử dụng của khách hàng

Hình 1.9: Ví dụ về nhà thông minh

Ví dụ, vào buổi sáng, đèn tắt, rèm cửa tự động chuyển tới vị trí thích hợp để giảm bớt những tác động náo nhiệt từ đường phố và nhường không gian cho ánh sáng tự nhiên Tối đến, hệ thống đèn bật sáng, các rèm cửa kéo lên người dùng có thể thưởng ngoạn từ trên cao bức tranh thành phố rực rỡ ánh đèn, đồng thời âm nhạc cũng nhẹ nhàng cất lên các giai điệu yêu thích của gia đình

Nếu có việc cả nhà phải đi vắng, chế độ "Ra khỏi nhà" sẽ được kích hoạt, toàn bộ thiết bị điện tử gia dụng sẽ tự động tắt hoặc đóng lại và khi chủ nhân về, chúng cũng sẽ khôi phục lại trạng thái trước đó Thậm chí, nước nóng cũng đã sẵn sàng từ vài phút trước khi gia chủ về đến cửa Riêng hệ thống an ninh luôn hoạt

động 24/24 và sẽ thông báo đến chủ nhà mọi thay đổi "đáng ngờ" trong ngôi nhà, dù đang ở bất cứ đâu

lý sự cố và phối hợp ứng phó khẩn cấp, và chất lượng dịch vụ, tăng lần và giảm chi phí hoạt động trong tất cả các lĩnh vực cơ sở hạ tầng liên quan Ngay cả các lĩnh vực như quản lý chất thải đứng được hưởng lợi từ tự động hóa và tối ưu hóa có thể được đưa vào bởi IoT

1.5.6 Ứng dụng trong lưới điện thông minh

Hệ thống điện thông minh là hệ thống điện có sử dụng các công nghệ thông tin và truyền thông để tối ưu việc truyền dẫn, phân phối điện năng giữa nhà sản xuất

và hộ tiêu thụ, hợp nhất cơ sở hạ tầng điện với cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc Có thể coi hệ thống điện thông minh gồm có hai lớp: lớp 1 là hệ thống điện thông thường và bên trên nó là lớp 2, hệ thống thông tin, truyền thông, đo lường

Hình 1.10: Mô hình lưới điện thông minh

Lưới điện thông minh là dạng lưới điện mà mục tiêu đặt ra là tiên đoán và phản ứng một cách thông minh với cách ứng xử và hành động của tất cả các đơn vị được kết nối điện với lưới điện, bao gồm các đơn vị cung cấp điện, các hộ tiêu thụ điện và các đơn vị đồng thời cung cấp và tiêu thụ điện, nhằm cung cấp một cách hiệu quả các dịch vụ điện tin cậy, kinh tế và bền vững Lưới điện thông minh phát triển trên 4 khâu:

- Phát điện: Smart Generation

- Truyền tải: Smart Transmission

- Phân phối: Smart Distribution

- Tiêu thụ: Smart Power Consumers

Lưới điện thông minh là một trường hợp đặc biệt của IoT Một lưới điện thông minh trong tương lai hứa hẹn mạng nâng cao hiệu quả, độ tin cậy và kinh tế

của việc sử dụng điện dựa trên hành vi của người sử dụng điện và nhà cung cấp điện

1.6 Thách thức – khó khăn trong sự phát triển

1.6.1 Chưa có một ngôn ngữ chung

Ở mức cơ bản nhất, Internet là một mạng dùng để nối thiết bị này với thiết bị khác Nếu chỉ riêng có kết nối không thôi thì không có gì đảm bảo rằng các thiết bị biết cách nói chuyện nói nhau Ví dụ, chúng ta có thể đi từ Việt Nam đến Mỹ, nhưng không đảm bảo rằng chúng ta có thể nói chuyện tới với người Mỹ Để các thiết bị có thể giao tiếp với nhau, chúng sẽ cần một hoặc nhiều giao thức (protocols), có thể xem là một thứ ngôn ngữ chuyên biệt để giải quyết một tác vụ nào đó Chắc chắn chúng ta đã ít nhiều sử dụng một trong những giao thức phổ biến nhất thế giới, đó là HyperText Transfer Protocol (HTTP) để tải web Ngoài ra chúng

ta còn có SMTP, POP, IMAP dành cho email, FTP dùng để trao đổi file, Những giao thức như thế này hoạt động ổn bởi các máy chủ web, mail và FTP thường không phải nói với nhau nhiều, khi cần, một phần mềm phiên dịch đơn giản sẽ đứng

ra làm trung gian để hai bên hiểu nhau Còn với các thiết bị IoT, chúng phải đảm đương rất nhiều thứ, phải nói chuyện với nhiều loại máy móc thiết bị khác nhau Đáng tiếc rằng hiện người ta chưa có nhiều sự đồng thuận về các giao thức để IoT trao đổi dữ liệu Nói cách khác, tình huống này gọi là "giao tiếp thất bại", một bên nói nhưng bên kia không thèm (và không thể) nghe

1.6.2 Hàng rào subnetwork

Như đã nói ở trên, thay vì giao tiếp trực tiếp với nhau, các thiết bị IoT hiện nay chủ yếu kết nối đến một máy chủ trung tâm do hãng sản xuất một nhà phát triển nào đó quản lý Cách này cũng vẫn ổn thôi, những thiết bị vẫn hoàn toàn nói được với nhau thông qua chức năng phiên dịch của máy chủ rồi Thế nhưng mọi chuyện không đơn giản như thế, cứ mỗi một mạng lưới như thế tạo thành một subnetwork riêng, và buồn thay các máy móc nằm trong subnetwork này không thể giao tiếp tốt với subnetwork khác Lấy ví dụ như xe ô tô chẳng hạn Một chiếc Ford Focus có thể giao tiếp cực kì tốt đến các dịch vụ và trung tâm dữ liệu của Ford khi gửi dữ liệu lên

mạng Nếu một bộ phận nào đó cần thay thế, hệ thống trên xe sẽ thông báo về Ford,

từ đó hang tiếp tục thông báo đến người dùng Nhưng trong trường hợp chúng ta muốn tạo ra một hệ thống cảnh báo kẹt xe thì mọi chuyện rắc rối hơn nhiều bởi xe Ford được thiết lập chỉ để nói chuyện với server của Ford, không phải với server của Honda, Audi, Mercedes hay BMW Lý do cho việc giao tiếp thất bại? Chúng ta thiếu đi một ngôn ngữ chung Và để thiết lập cho các hệ thống này nói chuyện được với nhau thì rất tốn kém, đắt tiền

Một số trong những vấn đề nói trên chỉ đơn giản là vấn đề về kiến trúc mạng,

về kết nối mà các thiết bị sẽ liên lạc với nhau (Wifi, Bluetooth, NFC, ) Những thứ này thì tương đối dễ khắc phục với công nghệ không dây ngày nay Còn với các vấn

đề về giao thức thì phức tạp hơn rất nhiều, nó chính là vật cản lớn và trực tiếp trên còn đường phát triển của Internet of Things

1.6.3 Có quá nhiều "ngôn ngữ địa phương"

Bây giờ giả sử như các nhà sản xuất xe ô tô nhận thấy rằng họ cần một giao thức chung để xe của nhiều hãng có thể trao đổi dữ liệu cho nhau và họ đã phát triển thành công giao thức đó Thế nhưng vấn đề vẫn chưa được giải quyết Nếu các trạm thu phí đường bộ, các trạm bơm xăng muốn giao tiếp với xe thì sao? Mỗi một loại thiết bị lại sử dụng một "ngôn ngữ địa phương" riêng thì mục đích của IoT vẫn chưa đạt được đến mức tối đa Đồng ý rằng chúng ta vẫn có thể có một trạm kiểm soát trung tâm, thế nhưng các thiết bị vẫn chưa thật sự nói được với nhau

1.6.4 Tiền và chi phí

Cách duy nhất để các thiết bị IoT có thể thật sự giao tiếp đó là khi có một động lực kinh tế đủ mạnh khiến các nhà sản xuất đồng ý chia sẻ quyền điều khiển cũng như dữ liệu mà các thiết bị của họ thu thập được Hiện tại, các động lực này không nhiều Có thể xét đến ví dụ sau: một công ty thu gom rác muốn kiểm tra xem các thùng rác có đầy hay chưa hi đó, họ phải gặp nhà sản xuất thùng rác, đảm bảo rằng họ có thể truy cập vào hệ thống quản lý của từng thùng một Điều đó khiến chi phí bị đội lên, và công ty thu gom rác có thể đơn giản chọn giải pháp cho một người chạy xe kiểm tra từng thùng một

mẽ Vạn vật xung quanh chúng ta không còn là những vật dụng vô tri vô giác mà phần nào sẽ trở thành người bạn đồng hành và giúp ích cho chúng ta trong cuộc sống hiện tại cũng như trong tương lai Bởi cuộc sống là sự sáng tạo và phát triển không ngừng

CHƯƠNG 2: MẠNG LPWAN VÀ KỸ THUẬT LoRa

Mạng truyền thông công suất thấp cự ly xa (LPWAN) đang thu hút rất nhiều

sự chú ý chủ yếu bởi khả năng cung cấp kết nối với các thiết bị có công suất thấp phân bổ trên các khu vực địa lý rộng lớn Trong việc thực hiện tầm nhìn của Internet of Things, các công nghệ LPWAN bổ sung và đôi khi còn thay thế cho các công nghệ không dây thông thường hay các mạng tổ ong trong các thành phố thông minh và các ứng dụng từ máy đến máy (M2M) Nội dung trong chương 2 tập trung vào giới thiệu tổng quan mạng LPWAN cũng như có so sánh đánh giá về các công nghệ LPWAN hiện nay Ngoài ra chương 2 cũng đề cập đến công nghệ LoRa (Long Range) – công nghệ chính được xét đến trong bài luận văn này

2.1 Giới thiệu mạng LPWAN

LPWAN (Low Power Wide Access Network) là mạng diện rộng không dây, chuyên để kết nối các thiết bị với kết nối băng thông thấp, tập trung vào hiệu quả về vùng phủ và điện năng

Sự thành công của công nghệ LPWAN nằm ở việc cung cấp các kết nối công suất thấp với số lượng thiết bị lớn phân bổ trên khu vực rộng với chi phí thấp

Mục tiêu chính của công nghệ LPWAN là đạt được tầm phủ xa với mức tiêu hao năng lượng và chi phí thấp mà không giống như các công nghệ khác yêu cầu tốc độ dữ liệu cao, độ trễ thấp và phải có độ tin cậy cao Tốc độ dữ liệu thấp, thấp hơn 5000 bít trên một giây Thường chỉ 20-256 bytes trên một bản tin được gửi đi một vài lần trong một ngày Công suất tiêu thụ cũng phải thấp để kéo dài thời gian sống của pin, thường là từ 5 đến 10 năm

Công nghệ LPWAN được thiết kế cho một mạng có phạm vi rộng và truyền tín hiệu ổn định đến các ví trị khó tiếp cận trong nhà hay các tòa nhà như tầng hầm, cho phép các thiết bị đầu cuối có thể kết nối với trạm gốc ở một khoảng cách từ một vài km cho đến vài chục km tùy thuộc vào môi trường triển khai (nông thôn, đô thị,

…)

Hình 2.1: Phân bổ các công nghệ trong LPWAN theo tốc độ và vùng phủ

Vùng phủ là một trong những yếu tốc mà tất cả các công nghệ đều quan tâm,

và nó cũng được coi là một trong số những thông số quan trọng của hệ thống IoT, đặc biệt là trong điều kiện đầy thách thức như môi trường đô thị dày đặc Các công nghệ LPWAN hoạt động ở băng tần con GHz không cần cấp phép Khoảng cách được xác định bởi luồng tín hiệu, quỹ liên kết, kích thước anten, chất lượng, vị trí địa lý, tốc độ dữ liệu và công suất truyền dẫn Khoảng cách thông thường của LPWAN trong môi trường đô thị là 2km Các vùng nông thông thưa dân cư độ rộng vùng phủ có thể lên đến 10km

Các đặc tính chính trong mạng LPWAN là:

- Hỗ trợ các yêu cầu về công suất/ năng lượng thấp

- Tuổi thọ pin của thiết bị được duy trì dài (5-10 năm)

- ích thước bản tin ngắn (thường là khoảng chục bytes)

- Truyền dẫn không thường xuyên (dưới 100 bản tin trên một ngày)

- Thâm nhập tốt vào các tòa nhà

- Độ rộng vùng phủ giữa các trạm gốc lớn

- Giá thành thấp cho mỗi bít dữ liệu được truyền tải

- Giá thành của phần cứng rẻ (mục tiêu là dưới 10$) để triển khai trên diện rộng khả thi

2.1.1 Phân loại LPWAN

LPWAN không phải là một công nghệ duy nhất mà là một nhóm các công nghệ mạng công suất thấp, vùng phủ lớn LPWAN có thể dùng tại tần số được cấp phép và không cần cấp phép bao gồm các tùy chọn theo chuẩn hoặc độc quyền

Sigfox là một công nghệ không cần cấp phép được triển khai rộng rãi nhất

hiện nay Nó hoạt động trong dải tần 868MHz hoặc 902MHz, công nghệ siêu băng hẹp cho phép một nhà khai thác mạng duy nhất trên mỗi quốc gia Mặc dù có thể truyền bản tin với khoảng cách 30 – 50km trong môi trường nông thông và 3-10km trong môi trường thành thị nhưng kích thước gói tin bị giới hạn 150 tin nhắn của 12byte trong mỗi ngày Các gói dữ liệu đường xuống còn nhỏ hơn, giới hạn là 4 bản tin có 8 byte trong một ngày

Truy cập đa pha ngẫu nhiên hay RPMA là một dạng LPWAN độc quyền

từ Ingenu Inc Mặc dù vùng phủ ngắn hơn (lên tới 50km với LOS, và 5-10km với NLOS) nhưng nó có khả năng truyền dẫn hai chiều tốt hơn Sigfox Tuy nhiên do nó hoạt động ở băng tần 2.4GHz nên dễ bị nhiễu với WIFI, Bluetooth Nó thường tiêu thụ công suất cao hơn các mạng LPWAN khác

LoRaWAN là một dạng LPWAN không cần cấp phép theo tiêu chuẩn của

LoRa Alliance, truyền dẫn ở một vài băng tần con GHz giúp ít bị nhiễu LoRa sử dụng điều chế chirp trải phổ (CSS) cho phép người dùng định nghĩa các gói tin Mặc dù là mã nguồn mở, nhưng chirp thu phát chỉ có sẵn từ công ty Semtech LoRaWAN là giao thức lớp MAC – lớp quản lý truyền dẫn giữa thiết bị LPWAN và

GW

Weightless SIG là một bộ chuẩn công nghệ không dây mở LPWAN để trao

đổi dữ liệu giữa một trạm cơ sở và hàng ngàn thiết bị xung quanh nó Hiện tại có ba tiêu chuẩn kết nối Weightless công cộng là Weightless-P, Weightless-N và Weightless-W Weightless -N chỉ là một đường lên, công nghệ băng tần cực hẹp hoạt động trong dải tần không cần cấp phép 1GHz trong băng tần ISM Tại châu

Âu, nó hoạt động dải tần số 868 MHz, ở Bắc Mỹ 915MHz Weightless-W là mạng diện rộng công suất thấp được thiết kế để vận hành trong khoảng trắng TV

Weightless -P là trọng tâm chính của Weightless SIG vì nó là một công nghệ hai băng tần hẹp, có thể hoạt động ở cả tần số giấy phép và không có giấy phép Weightless –N và Weightless –P thường được sử dụng phổ biến hơn Weightless-W

do tuổi thọ pin của Weightless-W ngắn hơn

IoT băng hẹp (Narrowband-IoT: NB-IoT) và LTE-M là các tiêu chuẩn

của 3GPP hoạt động trên dải tần được cấp phép NB-IoT hoạt động trên cơ sở hạ tầng của LTE hiện có và GSM Nó cung cấp tốc độ đường lên và đường xuống khoảng 200Kbps và chỉ sử dụng băng thông có sẵn là 200kHz LTE-M cung cấp băng thông cao hơn NB-IoT và có băng thông cao nhất trong các công nghệ của LPWAN

Các công nghệ LPWAN khác:

- GreenOFDM từ GreenWaves Technologies

- DASH7 từ Haystack Technologies Inc

- Symphony Link từ Link Labs Inc

- ThingPark Wireless từ Actility

- WAVIoT

Bảng 2.1: So sánh một vài tham số các công nghệ trong mạng LPWAN

2.1.2 Các ứng dụng của LPWAN

Hình 2.2: Các ứng dụng của LPWAN trong đời sống

Với yêu cầu về công suất giảm, vùng phủ rộng và giá thành thấp hơn các mạng di động truyền thống, LPWN thích hợp nhất cho các ứng dụng có yêu cầu gửi

tin nhắn đường lên không thường xuyên và có kích thước nhỏ, ví dụ như trong các thiết bị đo sang thông minh, theo dõi tài nguyên, sử dụng trong các thành phố thông minh, giám sát gia súc, nông nghiệp, quản lý năng lượng, …

2.1.3 Bảo mật trong LPWA

Các công nghệ LPWAN khác nhau cung cấp các mức độ khác nhau Hầu hết đều bao gồm việc xác thực thiết bị hoặc thuê bao, xác thực mạng, bảo vệ danh tính,

mã hóa tiêu chuẩn tiên tiến (AES), bảo mật tin nhắn

2.1.4 Giá thành

Thành công trong thương mại của mạng LPWAN gắn liền với việc kết nối số lượng lớn các thiết bị đầu cuối trong khi vẫn giữ được giá thành của các phần cứng dưới 5USD và các thuê bao kết nối trên mỗi đơn vị chỉ là 1$ Điều này cho phép công nghệ LPWAN không chỉ giải quyết được nhiều ứng dụng mà còn cạnh tranh tốt trong các lĩnh vực mà công nghệ không dây tầm xa và mạng di động đã thiết lập

LPWAN sử dụng các kết nối hình sao (thay hình lưới), các giao thức MAC đơn giản và các kỹ thuật giảm độ phức tạp cho thiết bị đầu cuối giúp các nhà sản xuất thiết kế các thiết bị đơn giản và chi phí thấp Một số kỹ thuật đó là:

- Giảm phức tạp phần cứng: So với công nghệ di động và công nghệ không dây tầm ngắn, các máy thu phát LPWAN cần xử lý dạng sóng

ít phức tạp, tốc độ dữ liệu và kích thước nhỏ, giảm thiểu sự phức tạp

về phần cứng, do đó giảm được chi phí sản xuất

- Cơ sở hạ tầng nhỏ: các công nghệ truyền thông không dây và có dây truyền thống bị giới hạn vùng phủ, yêu cầu phải có mật độ cao do đó triển khai cơ sở hạ tần tốn kém (GW, đường điện, các nút chuyển tiếp, ) Tuy nhiên, một trạm LPWAN kết nối hàng chục ngàn thiết bị đầu cuối phân bổ đến một vài km, giảm đáng kể chi phí cho các nhà khai thác mạng

- Sử dụng băng tần miễn phí hoặc thuộc quyền sở hữu: hầu hết các công nghệ LPWAN đều được triển khai trong các băng tần được cấp phép bao gồm băng tần ISM, khoảng trắng TV, NB-IoT, chuẩn

LPWAN từ 3GPP, có thể chia sẻ băng tần di động đã thuộc sở hữu của MNOs để tránh chi phí cấp phép thêm

2.1.5 Khả năng mở rộng

Hỗ trợ lớn thiết bị truyền tải với lưu lượng thấp là một trong những yêu cầu chính đối với công nghệ LPWAN LPWAN hoạt động tốt với số lượng và mật độ thiết bị kết nối ngày càng tăng Một số kỹ thuật được đề xuất để tăng khả năng mở rộng mạng là:

Kỹ thuật phân tập: Để có thể hỗ trợ được càng nhiều thiết bị kết nối càng tốt

đã khai thác hiệu quả sự phân tập trong kênh truyền, thời gian, không gian và phần cứng là rất quan trọng Công nghệ LPWAN sử dụng truyền thông đa kênh và đa anten để truyền thông song song hai đường kết nối với thiết bị đầu cuối

Dùng nhiều trạm gốc: Để giải quyết vấn đề mật độ ngày càng gia tăng của

các thiết bị đầu cuối ở một khu vực, các mạng LPWAN cũng giống như các mạng

di động truyền thống sẽ sử dụng các trạm gốc với mật độ dày hơn Tuy nhiên, vấn

đề là làm như vậy mà vẫn đảm bảo không gây nhiễu quá nhiều giữa các thiết bị đầu cuối khi phát triển thêm các trạm gốc còn là bài toán cần được nghiên cứu thêm bởi

vì các kỹ thuật của mạng di động hiện tại dựa vào quản lý tài nguyên vô tuyến phối hợp tốt, một giả thuyết không đúng cho hầu hết các mạng LPWAN

Lựa chọn kênh truyền và tốc độ dữ liệu thích hợp: Không chỉ các hệ thống

LPWAN phải mở rộng đến số lượng thiết bị kết nối mà còn cần được tối ưu hóa các liên kết để đảm bảo truyền thông có hiệu quả Việc chọn lựa kênh truyền hiệu quả giúp đáp ứng được khoảng cách truyền dẫn tin cậy và điều khiển công suất truyền dẫn thích hợn giúp giám sát chất lượng truyền dẫn tốt hơn và đảm bảo sự phối hợp giữa các thiết bị đầu cuối và mạng Việc chọn kênh tần số và điều chế còn phụ thuộc vào từ công nghệ LPWAN Các yếu tố khác nhau như tính không đối xứng liên kết và chu kỳ nhiệm vụ truyền dẫn tối đa cho phép có thể giới hạn khả năng lựa chọn kênh cho mạng Trong trường hợp trạm gốc không thể đưa phản hồi về chất lượng truyền dẫn đường lên hoặc thông báo cho các thiết bị đầu cuối biết thì các thiết bị đầu cuối này sẽ sử dụng cơ chế rất đơn giản mà hiệu quả là truyền tải cùng

một gói tin nhiều lần trên nhiều kênh được lựa chọn ngẫu nhiên với hy vọng là ít nhất một bản sao có thể được truyền đến trạm gốc Các cơ chế như vậy có thể tăng

độ tin cậy cho truyền dẫn đường lên, đồng thời duy trì được sự phức tạp và chi phí cho các thiết bị đầu cuối vẫn thấp Trong trường hợp một số truyền dẫn đường xuống có thể cho phép đáp ứng các tham số, trạm gốc hoặc hệ thống đầu cuối có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc lựa chọn các thông số tối ưu như kênh truyền hoặc tốc độ dữ liệu tối ưu để nâng cao độ tin cậy và hiệu suất truyền dẫn

2.1.6 Chất lượng dịch vụ QoS

Do là một công nghệ khá mới, LPWAN đang ngày càng thay đổi để đáp ứng được các yêu cầu cần thiết Tuy nhiên tính đến thời điểm hiện tại, LPWAN vẫn đang bị giới hạn về QoS

2.2.1 LoRa - Giải pháp cho triển khai mạng IoT

Một trong những thách thức lớn đối với truyền thông máy - máy (M2M) sử dụng cho các ứng dụng như IoT đó là khả năng truyền tải trên phạm vi lớn với các mức công suất rất thấp Để giải quyết vấn đề này một giải pháp được đưa ra là LoRa

LoRa là một công nghệ không dây được phát triển để cho phép truyền tốc độ

dữ liệu thấp trên một khoảng cách lớn bởi các cảm biến và bộ truyền động cho M2M và IoT cũng như các ứng dụng IoT LoRa hướng tới các kết nối M2M ở khoảng cách lớn Nó có thể hỗ trợ liên lạc ở khoảng cách lên tới 15 – 20km, với hàng triệu node mạng Nó có thể hoạt động trên băng tần không phải cấp phép, với tốc độ thấp từ 0,3kbps đến 50kbps Với đặc tính này, mạng LoRa phù hợp với các thiết bị thông minh trao đổi dữ liệu ở mức thấp nhưng duy trì trong một thời gian dài Thực tế các thiết bị LoRa có thể duy trì kết nối và chia sẻ dữ liệu trong thời gian lên đến 10 năm chỉ với năng lượng pin

Một mạng LoRa có thể cung cấp vùng phù sóng tương tự như của một mạng

di động Thực tế, nhiều nhà khai thác LoRa là các nhà khai thác mạng di động, và

có thể sử dụng các trạm hiện có để gắn anten LoRa Trong một số trường hợp, các