ĐỒ ÁN NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ KẾT NỐI VÔ TUYẾN CỰ LY XA, CÔNG SUẤT THẤP LPWAN

Đồ án cũng đã đưa ra được những khái niệm cơ bản quan trọng nhất, các kiến trúc mạng, cách điều chế và các tính chất đặc trưng của một mạng LPWAN. Nó giúp ta hình dung rõ ràng hơn về cách một mạng LPWAN hoạt động, cũng như cách tạo ra nó như thế nào. Nội dung chương 2 của đồ án cũng giải thích được vì sao mạng LPWAN lại có thể đạt được phạm vi bao phủ rộng với công suất thấp. đồ án cũng đưa ra các phân tích về hiệu năng của LPWAN, sau đó thông qua các kết quả đo cụ thể để đưa ra các kết luận chính xác về hiệu năng của loại mạng này

- -ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ KẾT NỐI

VÔ TUYẾN CỰ LY XA, CÔNG SUẤT THẤP LPWAN

Giảng viên : TS Nguyễn Đức Thủy Sinh viên : Vũ Thị Ngọc Dung

Khóa : 2014 - 2019

Hệ đại học : Chính quy

nhiều cơ quan, tổ chức, cá nhân Với tình cảm sâu sắc, chân thành, cho phép tôi được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tất cả các cá nhân và cơ quan đã tạo điều kiện giúp đỡ trong quá trình học tập và nghiên cứu đề tài

Trước hết em xin gửi tới các thầy cô viện Điện tử viễn thông trường Học viện công nghệ Bưu Chính Viễn Thông lời chào trân trọng, lời chúc sức khỏe và lời cảm ơnsâu sắc Với sự quan tâm, dạy dỗ, chỉ bảo tận tình chu đáo của thầy cô, đến nay em đã

có thể hoàn thành luận văn, đề tài:

“Nghiên cứu công nghệ kết nối vô tuyến cự ly xa, công suất thấp LPWAN”.Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy giáo – TS Nguyễn Đức Thủy đã quan tâm giúp đỡ, hướng dẫn em hoàn thành tốt luận văn này trong thời gian qua

Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế của một học viên, luận văn này không thể tránh được những thiếu sót Em rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô để em có điều kiện bổ sung, nâng cao ý thức của mình, phục vụ tốt hơn công tác thực tế sau này

Em xin chân thành cảm ơn!

DANH MỤC HÌNH ẢNH v

DANH MỤC BẢNG vi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LPWAN 1

1.1 Tổng quan về LPWAN 1

1.1.1 Lịch sử của LPWAN 1

1.1.2 Khái niệm LPWAN 3

1.1.3 Đặc trưng của LPWAN 4

1.1.4 Phân loại LPWAN 5

1.2 Các ứng dụng của LPWAN trong IOT 6

1.2.1 Ứng dụng trong thành phố “thông minh” 6

1.2.2 Ứng dụng trong phương tiện giao thông 7

1.2.3 Ứng dụng trong nông nghiệp “thông minh” 7

1.2.4 Ứng dụng trong chăm sóc sứa khỏe 7

1.3 Tổng kết chương 1 7

CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT ĐƯỢC ỨNG DỤNG TRONG LPWAN 1

2.1 Các chuẩn và công nghệ liên quan trong LPWAN 1

2.1.1 Chuẩn IE 802.15.4 1

2.1.2 Bluetooth/LE 1

2.2 Công nghệ LoRa 2

2.2.1 Tổng quan về LoRa 3

2.2.2 Các thông số của lớp vật lý 3

2.2.3 Khuôn dạng bản tin của lớp vật lý 5

2.2.4 Mã hóa sửa sai FEC trong LoRa 5

2.3 Kỹ thuật điều chế LoRa 6

2.3.1 Định lý Shannon – Hartley 6

2.3.2 Nguyên lý trải phổ 8

2.3.3 Điều chế CSS trong LoRa 9

2.3.3.1 Các công thức tính trong CSS 9

2.3.3.2 Phân tích tính chất và tác dụng của CSS trong LPWAN 11

2.5.1 Cấu trúc mạng của LoraWan 13

2.5.2 Phân loại các lớp của LoRaWAN 17

2.5.3 Bảo mật trong LoRaWAN 18

2.6 Tổng kết chương 2 20

CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA LPWAN DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ LORA 1

3.1 Hiệu ứng Doppler trong LoRa 1

3.2 Tốc độ thiết bị đầu cuối đầu cuối 3

3.3 Phân tích khả năng bao phủ và dung lượng mạng 5

3.4 Thực nghiệm và kết quả 9

3.4.1 Vận tốc góc 12

3.4.2 Vận tốc tuyến tính 16

3.4.3 Độ bao phủ 19

3.5 So sánh ưu nhược điểm của các mạng LPWAN 22

3.5.1 Chất lượng dịch vụ 22

3.5.2 Thời lượng pin và độ trễ 22

3.5.3 Độ bao phủ 22

3.5.4 Giá thành 23

3.6 Tổng kết chương 3 23

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1

TÀI LIỆU THAM KHẢO 2

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

CRC Cyclic redundancy check Kiếm tra dư thừa chu kỳ

LoRaWAN Long Range Wide Area

Network Mạng diện rộng vùng phủ lớnLPWAN 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 nhiễuRPMA Random Phase Multiple Access Đa truy nhập pha ngẫu nhiên

Hình 1.2: Các nước triển khai LoraWan trên thế giới 2

Hình 1.3 : Vị trí của LPWAN 3

Hình 1.4: Các thông số cơ bản của một số mạng LPWAN 4

Hình 2.1: Quá trình điều chế, trải phổ 8

Hình 2.2: Quá trình giải điều chế , thu hẹp phổ tín hiệu 9

Hình 2.3: Vị trí của LoRa và LoraWAN 14

Hình 2.4: Mạng LoRa theo mô hình Star 15

Hình 2.5: Kiến trúc mạng của LoRaWAN 16

Hình 2.6: Quá trình mã hóa trong LoRaWAN 19

Hình 3.1: So sánh chu kỳ tín hiệu trong LoRa với các hệ số trải phổ khác nhau 3

Hình 3.2: Trạm ăng ten LoRa được đặt tại tháp ăng ten của đại học OULU 10

Hình 3.3: Các thiết lập cho thí nghiệm đo hiệu năng LoRa với vận tốc góc khác nhau 12

Hình 3.4: Tỉ lệ package thành công ở các vận tốc góc khác nhau 14

Hình 3.5: Bản đồ của motoway và trạm gốc trong thí nghiệm vận tốc góc tuyến tính 17 Hình 3.6: Sự phân phối các gói nhận dưới dạng bản đồ nhiệt 19

Hình 3.7: Thiết bị đầu cuối LoRa được gắn vào mui xe và boang tàu khi đo vùng phủ sóng 20 Hình 3.8: Cường độ tín hiệu nhận được từ các địa điểm khác nhau ở Oulu, Phần Lan 21

Bảng 2: So sánh LoRa và LoRaWAN 13

Bảng 4: Dung lượng của một cell LoRaWAN 6

Bảng 6: Thông lượng tối đa trên mỗi thiết bị đầu cuối LoRaWAN trên mỗi kênh 9

Bảng 7: Các kênh tần số được sử dụng trong các thử nghiệm và các quy định tương ứng của EU 11

Bảng 8: Giá trị RPM được sử dụng trong phép đo và vận tốc góc, vận tốc tuyến tính tương ứng 13

Bảng 9: Kết quả của các phép đo tham chiếu trong thí nghiệm về vận tốc góc 14

Bảng 10: Tỉ lệ các gói thành công tại các tốc độ góc khác nhau 15

Bảng 11: Kết quả tham chiếu và sự thay đổi của Dopler với phép đo trên ô tô 18

Bảng 13: Kết quả phép đo độ bao phủ sử dụng tàu 21

Bảng 14: So sánh chi phí giá thành các mạng LPWAN 23

với khoảng cách trung bình Nó không thực sự là một vấn đề khi điện thoại hết pin và

có thể sạc lại nó trong xe hơi hoặc ở nhà Mặt khác, nhiều ứng dụng Internet như giámsát đất nông nghiệp hoặc giám sát khí hậu ở các vùng sâu vùng xa đòi hỏi các cảm biến truyền các gói thông tin nhỏ định kỳ trong nhiều năm hoặc thậm chí một thập kỷ chỉ với một lần sạc pin

Nhưng những ứng dụng IoT từ xa, dài hạn, trải rộng này phải đối mặt với một vấn đề vật lý đơn giản: nếu muốn truyền thông tin không dây qua khoảng cách dài, phải tăng cường công suất tín hiệu hoặc giảm băng thông tín hiệu Hãy xem xét điều này: nếu nước chảy qua một đường ống, và bạn muốn đẩy nó xa nguồn, bạn phải tăng

áp lực (điện) phía sau nước hoặc sử dụng một đường ống hẹp hơn (băng thông) - hoặc

cả hai

Vấn đề vật lý sau này đã truyền cảm hứng cho một số loại mạng không dây nhất định: “Mạng không dây diện rộng công suất thấp LPWAN”

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LPWAN 1.1 Tổng quan về LPWAN

1.1.1 Lịch sử của LPWAN

Vào cuối những năm 1980, đầu 1990 đã có những mô và kiến trúc tương tự LPWAN, nhưng chúng không phải là LPWAN Chúng là tiền thân của LPWAN

Hình 1.1: Lịch sử của LPWAN

ARDIS: Được xây dựng riêng cho các ứng dụng dữ liệu Nó là một mạng diện

rộng không dây được sở hữu bởi Motorola trong những năm 1980 Nó là một mạng với tốc độ tương đối thấp được sử dụng chủ yếu cho việc bán hàng tự động, theo dõi tàu thuyền, gửi e-mail và xử lý các giao dịch trực tuyến khác

AlarmNet: Có cấu trúc tương tự với mô hình LPWAN ngày nay Nó được xây

dựng bởi ADEMCO (Công ty sản xuất thiết bị báo động), một trong những nhà sản xuất lớn về hệ thống và thiết bị báo động ADEMCO đã xây dựng một mạng 900mHz

để theo dõi các thiết bị báo động Nó nằm trên dải 928 mHz, và bởi vì nó gửi một lượng dữ liệu rất nhỏ nên nó được thiết kế với tốc độ dữ liệu khá thấp AlarmNet hoạt

động ở 18 khu vực trên khắp nước Mỹ và chiếm khoảng 65% dân số đô thị Công ty này hiện đang được sở hữu bởi Honeywell.

SIGFOX : LPWAN được phát triển mạnh trong thời gian gần đây do ngày càng

nhiều thứ được kết nối internet, mọi người bắt đầu để ý đến các thiết bị có chi phí thấp với dữ liệu thấp Nó thích hợp cho nhiều ứng dụng từ cảm biến môi trường đến giám

sát dầu khí Dẫn đầu xu thế này chính là SIGFOX Được xây dựng bắt đầu từ năm

2009, là mạng LPWAN hiện đại đầu tiên ở Pháp, nó đạt được rất nhiều sự quan tâm từ ngành công nghiệp (đặc biệt ở châu Âu) trong việc sử dụng các thiết bị LPWAN SIGFOX được sinh ra trong thời điểm công nghệ vô tuyến đã trở nên rẻ hơn và các công cụ tích hợp các ứng dụng ngày càng trở nên dễ dàng hơn cho người sử dụng Khi các bộ công cụ và platform mới bắt đầu xuất hiện, nó giúp dễ dàng hơn trong việc xây dựng và tích hợp dữ liệu từ các thiết bị từ xa vào ứng dụng

Lora Alliance: Là liên minh công nghệ phát triển nhanh nhất trên thế giới Là

hiệp hội phi lợi nhuận của hơn 500 công ty trên thế giới, cam kết triển khai quy mô lớncác mạng LPWAN thông qua việc phát triển và quảng bá tiêu chuẩn của LoraWAN Các thành viên sẽ được hưởng lợi từ hệ sinh thái mạnh mẽ bao gồm các giải pháp, sản phẩm, dịch vụ, tạo cơ hội kinh doanh mới và bền vững Thông qua việc chuẩn hóa, liên minh Lora cung cấp điều kiện cần thiết cho các mạng LPWAN để mở rộng quy

mô, làm cho LoraWAN trở thành giải pháp hàng đầu cho việc triển khai LPWAN trên toàn cầu

Hình 1.2: Các nước triển khai LoraWan trên thế giới

1.1.2 Khái niệm LPWAN

Định nghĩa: Mạng diện rộng công suất thấp (Low Power Wide Area Network -

LPWAN) là một loại mạng viễn thông không dây diện rộng được thiết kế để cho phép kết nối từ khoảng cách xa với tốc độ thấp Tốc độ gửi dữ liệu của LPWAN dao động khoảng 0.3 kbit/s đến 50 kbit/s trên mỗi kênh

LPWAN có thể được sử dụng để tạo ra các mạng cảm biến không dây riêng tư,

nhưng cũng có thể là dịch vụ được cung cấp từ bên thứ ba, cho phép người sở hữu cảmbiến có thể triển khai mà không cần đầu tư vào công nghệ gateway

Hình 1.3 : Vị trí của LPWAN

LPWANs cho phép các nhà cung cấp giải pháp thiết kế hệ thống IoT đối với trường hợp sử dụng đòi hỏi phải có thiết bị để gửi một lượng nhỏ dữ liệu theo định kỳ qua mạng thường và trong khoảng cách nhiều dặm và sử dụng các thiết bị chạy bằng pin mà cần phải kéo dài trong nhiều năm

LPWAN đạt được kỳ tích đó bằng cách thiết bị IoT của họ chỉ gửi các gói thông tin nhỏ định kỳ hoặc thậm chí không thường xuyên để cập nhật trạng thái, báo cáo, v.v khi thức dậy từ bộ kích hoạt bên ngoài hoặc tại khoảng thời gian được lập trình sẵn Tuy nhiên, với sự ra đời của LPWAN di động, bây giờ có sự linh hoạt hơn trong định nghĩa “năng lượng thấp” và “diện tích rộng”, như biểu đồ dưới đây thể hiện.

Hình 1.4: Các thông số cơ bản của một số mạng LPWAN

LPWAN phổ biến vì chúng có chi phí thấp, thời lượng pin dài và chúng hoạt động ở phạm vi dài Đó là một sự kết hợp tuyệt vời cho nhiều trường hợp sử

dụng.LPWAN là giải pháp tuyệt vời cho một số trường hợp sử dụng nhất định yêu cầu truyền dữ liệu định kỳ hoặc không nhất quán trong khoảng cách dài và trong một khoảng thời gian đáng kể Hãy suy nghĩ đồng hồ xử lý rác thải thông minh, đồng hồ đỗ

xe thông minh, hoặc cảm biến chất lượng đất và nước Do phạm vi và độ đơn giản tương đối của các gói dữ liệu LPWAN, các cảm biến thậm chí có thể báo cáo từ dưới lòng đất, ở vùng khí hậu khó khăn, và cách xa các cổng hoặc tháp Nhiều LPWAN cũng có kiến trúc đơn giản và các giao thức đã được thiết lập và hơn thế nữa, làm cho chúng tương đối dễ dàng, rẻ, đáng tin cậy và hiệu quả để triển khai ở quy mô lớn

1.1.3 Đặc trưng của LPWAN

- Kết nối tầm xa: Ngược lại với mạng cảm biến không dây tầm ngắn truyền

thống, mục tiêu thiết kế của LPWAN là để phủ sóng diện rộng ở mức công suất thấp

và chi phí thấp Hầu hết các mạng LPWAN đều đạt được phạm vi kết nối rất xa tạo tạothành cấu trúc hình sao với các thiết bị liên lạc trực tiếp với các trạm gốc (BS) Ngoại trừ RPMA (2.4 GHz), hầu hết các mạng LPWAN không phải mạng di động đều cung cấp phạm vi kết nối rất rộng Từ vài km trong khu vực đô thị đến hàng chục km ở nông thôn

- Công suất thấp : Các thiết bị IT được mong đợi sẽ hoạt động trong một thời

gian rất dài (vài năm) mà không cần phải thay Pin LPWAN đã làm được điều này bằng cách sử dụng một số phương pháp tiếp cận Đầu tiên chúng thường hình thành cấu trúc liên kết hình sao, loại bỏ năng lượng tiêu thụ thông qua định tuyến gói trong mạng Multihop Thứ hai là họ duy trì thiết kế đơn giản ở các node bằng cách chuyển các thành phần phức tạp vào Base Station hoặc Gateway Thứ ba họ sử dụng các kênh hẹp, giảm noise và mở rộng phạm vi truyền dẫn

- Chi phí triển khai và chi phí hoạt động thấp : Một trong các yếu tố chính

góp phần vào sự phát triển mạnh mẽ của LPWAN là do nó có chi phí thấp LPWAN không di động không yêu cầu cơ sở hạ tầng và hoạt động trên dài phổ không có giấy phép bản quyền, nó cung cấp một sự thay thế tuyệt vời cho mạng di động Ngoài ra, những tiến bộ trong phần cứng thiết kế và sự đơn giản của các thiết bị đầu cuối của LPWAN làm cho nó càng rẻ hơn

- Tin cậy và mạnh mẽ: LPWAN được thiết kế để cung cấp thông tin liên lạc

đáng tin cận và mạnh mẽ Hầu hết các mạng LPWAN đều áp dụng các kỹ thuật điều chế mạnh mẽ và kỹ thuật phổ rộng để tăng khả năng chống tín hiệu can thiệp và cung cấp một mức độ bảo mật cao Trong dài phổ rộng, tín hiệu hẹp được lan truyền trong miền tần số với cũng một công suất dẫn đến băng thông rộng hơn

1.1.4 Phân loại LPWAN

LPWAN không phải là một công nghệ duy nhất mà là một nhóm các công nghệ mạng diện rộng công suất thấp LPWAN có thể sử dụng dải tần số được cấp phép hoặckhông cần cấp phép và bao gồm các tùy chọn theo chuẩn hoặc độc quyền

Một số loại mạng LPWAN phổ biến hiện nay đó là:

- Sigfox không cần cấp phép là một trong các công nghệ LPWAN được triển khai

rộng rãi nhất hiện này Nó chạy trên mạng công cộng tại dải 868 MHz hoặc dải 902 MHz, công nghệ siêu băng hẹp chỉ cho phép một nhà 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, và lên tới 1000km trong các ứng dụng trực tuyến, nhưng kích thước gói tin được giới hạn ở 150 bản tin của 12 byte mỗi ngày.Các gói dữ liệu downlink còn bé hơn, giới hạn 4 bản tin của 8 byte mỗi ngày Việc gửi

dữ liệu trở lại điểm cuối cũng có thể dễ bị nhiễu

- RPMA (Random phase multiple access) là một mạng LPWAN độc quyền của

Ingenu Inc Mặc dù nó có phạm vi ngắn hơn (phạm vi lên tới 50km với LOS và 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 sóng Wifi và Bluetooth

5-Nó tiêu thụ năng lượng cao hơn các mạng LPWAN khác

- LORA là mạng không cần cấp phép, được chuẩn hóa và đứng sau bơi liên minh

LoRa Alliance, nó hoạt động ở một số tần số dưới 1 GHz khiến nó ít bị nhiễu hơn LoRa sử dụng điều chế chirp trải phổ (CSS) cho phép người dùng xác định nghĩa kích thước gói tin Mặc dù là mã nguồn mở nhưng các chip thu phát cơ bản dùng để triển khai LoRa chỉ được cung cấp từ công ty Semtech Corporation, công ty tạo ra LoRa

LoraWan là giao thức của lớp điều khiển truy cập phương tiện MAC, quản lý giao tiếp giữa các thiết bị LPWAN với các cổng.

1.2 Các ứng dụng của LPWAN trong IOT

1.2.1 Ứng dụng trong thành phố “thông minh”

Mục tiêu của thành phố “thông minh” là sử dụng hiệu quả các tài nguyên sẵn có, nâng cao chất lượng cuộc sống, và giảm chi phí quản lý Nhiều thành phố trên thế giới

đã bắt đầu các ứng dụng LPWAN giúp thành phố “thông minh” hơn

Ví dụ: Ứng dụng về quản lý chất thải

Ở hầu hết các thành phố trên thế giới, quản lý chất thải là cực kỳ khó khăn và tốnkém do chi phí dịch vụ hoạt động (ví dụ: xe tải, nhiên liệu…) và các khu vực lưu trữ bịgiới hạn Những thành phố “thông minh” sử dụng các thùng chứa chất thải “thông minh”, phát hiện mức độ rác bên trong và gửi thông tin đến trung tâm kiểm soát, sau

đó tối ưu hóa tuyến đường xe tải thu gom, với mục đích giảm chi phí hoạt động

Một ứng dụng khác là thắp sáng “thông minh” Thắp sáng “thông minh” làm giảm đáng kể chi phí bằng cách thay đổi cường độ ánh sáng theo môi trường

1.2.2 Ứng dụng trong phương tiện giao thông

Ngày nay, hàng triệu cảm biến và thẻ RFID đã được triển khai trong các phương tiện, xe tải và máy bay cho phép chủ sở hữu theo dõi chuyển động của vật thể từ nguồnđến đích Hầu hết các loại xe mới có các cảm biến, khả năng kết nối mạng và bộ vi xử

lý IoT có thể sử dụng chúng để cải thiện việc lái xe theo nhiều cách như báo cáo tai nạn và phát hiện đỗ xe

1.2.3 Ứng dụng trong nông nghiệp “thông minh”

Ngành nông nghiệp là một ngành đi tiên phong trong thời đại của IoT Để ứng dụng được IOT vào trang trại điều cần thiết đầu tiên là xây dụng một mạng kết nối các

thiết bị trong trang trại IoT có thể giúp nông dân đo lường mọi thứ tốt hơn như chất dinh dưỡng đất, phân bón được sử dụng, hạt giống trồng, nước đất và nhiệt độ của sản phẩm được lưu trữ thông qua việc triển khai cảm biến dày đặc, do đó tăng gấp đôi năng suất Các công ty như Microsoft (dự án FarmBeats), Monsanto đang thúc đẩy IoT nông nghiệp.

1.2.4 Ứng dụng trong chăm sóc sứa khỏe

Các ứng dụng IoT cho chăm sóc sức khỏe bao gồm giám sát sức khỏe từ xa, chăm sóc người già, bệnh mãn tính … Hiện nay, các công nghệ không dây tầm ngắn như ZigBee,WiFi, các công nghệ di động như LTE được áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe Tuy nhiên, với sự gia tăng số lượng cảm biến, các công nghệ này sẽ không mở rộng do nhiễu Những hạn chế trong công nghệ không dây tầm ngắn

và chi phí cao của công nghệ di động đã khiến sự chú ý của LPWAN trở thành giải pháp truyền thông thay thế cho các ứng dụng chăm sóc sức khỏe

CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT ĐƯỢC ỨNG DỤNG TRONG LPWAN 2.1 Các chuẩn và công nghệ liên quan trong LPWAN

Có nhiều loại công nghệ truyền thông khác nhau nhắm vào năng lượng thấp, các mạng không dây IoT đã được đề xuất và triển khai Các mạng này được chia làm hai loại phổ biến:

- Mạng cục bộ công suất thấp với phạm vi dưới 1000m Loại này bao gồm các chuẩn IEEE 802.15.1, IEEE P802.1ah, bluetooth/LE , etc …Loại mạng này được áp dụng trực tiếp trong phạm vi hẹp, được tổ chức mạng theo cấu trúc hình lưới

- Mạng diện rộng công suất thấp với phạm vi lớn hơn 1000m, về cơ bản nó là phiên bản năng lượng thấp của mạng di động, mỗi một đơn vị trên mạng bao gồm hàng ngàn thiết bị đầu cuối Loại này bao gồm LoRaWAN hay các giao thức như Sigfox, DASH7, … Phần này cung cấp một góc nhìn đến LoRaWAN bằng cách đưa ramột cái nhìn tổng quát ngắn gọn về các mạng IoT liên quan

2.1.1 Chuẩn IE 802.15.4

Chuẩn IEEE 802.15.4 là thành viên của gia đình chuẩn IEEE 802, nhưng không

có nghĩa tất cả các tính năng của các chuẩn IEEE 802 khác được tích hợp Nhiệm vụ của chuẩn này là làm cho các thiết bị đơn giản với công nghệ không dây mạnh mẽ và đáng tin cậy có thể chạy trong nhiều năm mà không cần sạc lại pin Nó hỗ trợ ba băng tần không cần cấp phép là 868 MHz ở châu Âu, 928 Mhz ở Bắc Mỹ và 2.4 Ghz trên toàn thế giới IEEE 804 có thể cung cấp tốc độ dữ liệu lên đến 250 kbit/s Tầm hoạt động có thể lên đên 1000m phụ thuộc vào môi trường Tuy nhiên trong hầu hết các trường hợp phạm vi truyền đo được chỉ trong khoảng 10m ZigBee là đại diện lớn của chuẩn này, được xây dựng dựa trên các liên kết vật lý và dữ liệu

2.1.2 Bluetooth/LE

Được phát hành vào năm 1999 bởi liên minh Ericsson, Nokia và Intel, Bluetooth v1.0 ban đầu được thiết kế để thay thế cap kết nối giữa các thiết bị như điện thoại di động, máy tính, tai nghe, bàn phím, cung cấp tốc độ dữ liệu thấp (tốc độ dữ liệu thô tối

đa khoảng 1 Mbps) và trong một phạm vi tương đối ngắn (trên lý thuyết vào khoảng 100m với công suất tối đa, trên thực tế chỉ khoảng 5-10m) trong khi tiêu thụ điện năng thấp Một số phiên bản bluetooth sau đó như Bluetooth 4.0 được ra mắt vào năm 2010

Nó hoàn toàn tương thích với Bluetooth 1.0, phiên bản này hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao hơn (tốc độ thô khoảng 24 Mbps dựa trên Wifi) và bao gồm một phần mở rộng có hỗ trợ mức năng lượng thấp được gọi là Bluetooth LE So với phiên bản thường,

bluetooth LE cung cấp các chức năng thiết lập liên kết nhanh, ghép nối đơn giản hơn

và tiếp tục giảm tốc độ dữ liệu (chỉ khoảng 200 kbps) để tiêu thụ năng lượng thấp hơn với mục tiêu để chạy cảm biến không dây trong ít nhất một năm trên 1 cell pin

(khoảng 200 mAh)

2.2 Công nghệ LoRa

LoRa là một kỹ thuật điều chế phổ lan truyền có nguồn gốc từ điều chế trải phổ rộng CSS LoRa được nghiên cứu và phát triển bởi Cycleo và sau này được mua lại bởi công ty Semtech vào năm 2012 Với công nghệ này, chúng ta có thể truyền dữ liệu với khoảng cách lên đến hàng km mà không cần mạch khuếch đại công suất, từ đó giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ khi truyền và nhận dữ liệu Do đó, LoRa có thể được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng thu thập dữ liệu như sensor network, trong

đó các sensor node có thể gửi giá trị đo đạc về trung tâm cách xa hàng km và có thể hoạt động trong một thời gian dài trước khi cần thay pin LoRa giúp cho các ứng dụng IoT thông minh giải quyết một số thách thức to lớn đối với hành tinh như: quản lý năng lượng, giảm tài nguyên thiên nhiên, kiểm soát ô nhiễm, tăng chất lượng cơ sở hạ tầng, phòng chống thiên tai và hơn thế nữa Công nghệ LoRa của Semtech đã có hơn

600 ứng dụng trong thành phố thông minh, nhà thông minh, nông nghiệp thông minh,

đo lường thông minh, công nghệ vận chuyển… Với hơn 50 triệu thiết bị kết nối tới

mạng lưới tại 95 quốc gia, công nghệ LoRa đang trở thành DNA của IoT, góp phần kiến tạo một hành tinh thông minh hơn.

Băng tần làm việc của LoRa từ 430MHz đến 915MHz cho từng khu vực khác nhau trên thế giới:

- 430MHz cho châu Á

- 780MHz cho Trung Quốc

- 433MHz hoặc 866MHz cho châu Âu

- 915MHz cho USA

Nhờ sử dụng chirp signal mà các tín hiệu LoRa với các chirp rate khác nhau có thể hoạt động trong cùng 1 khu vực mà không gây nhiễu cho nhau Điều này cho phép nhiều thiết bị LoRa có thể trao đổi dữ liệu trên nhiều kênh đồng thời (mỗi kênh cho 1 chirprate)

2.2.1 Tổng quan về LoRa

Lora sử dụng tần số chirp tuyến tính theo thời gian để mã hóa thông tin Bởi vì

sự tuyến tính này, độ chênh lệch tần số giữa bộ thu và bộ phát tương đương với sự chênh lệch về thời gian, dễ dàng loại bỏ trong bộ giải mã Điều này cũng giúp cho việc điều chế này chống lại hiệu ứng Doppler Độ lệch tần số giữa máy phát và máynhận có thể đạt 20% của băng thông mà không ảnh hưởng đến hiệu năng của việc giải mã Chúng ta có thể hạ giá thành sản xuất của các máy phát LoRa do các tinh thể được nhúng trong các máy phát không cần thiết phải được sản xuất với độ chínhxác cao Bộ thu LoRa có thể khóa tần số chíp nhận được, cung cấp độ nhạy

-130dBm Trong máy thu LoRa, tỉ suất tối đa giữa bộ giao thoa của các dải lân cận với tín hiệu LoRa là 90dB, tỉ suất tối đa giữa bộ giao thoa trong cùng kênh và tín

hiệu LoRa là 20dB Điều này vượt trội hơn nhiều so với các phương pháp điều chế truyền thống như FSK (Frequency Shift Keying), và giúp cho LoRa cực kỳ phù hợpvới công suất thấp và truyền dẫn tầm xa.

độ nhạy

Hệ số trải phổ 26,… 212 Tăng hệ số trải phổ giúp phạm vi kết nối rộng

hơn, sóng vô tuyến nhạy hơn Tuy nhiên việc này cũng làm tăng lượng năng lượng tiêu thụ

Tốc độ mã hóa 4/5, … 4/8 Tốc độ mã hóa lớn hơn tăng khả năng bảo vệ,

chống lại các lỗi giải mã và các tác vụ gây nhiễusóng tại các gói tin dài Tuy nhiên cũng tiêu thụ điện năng nhiều hơn

Công suất

truyền tải

-4, …, 20 dBm Tăng công suất truyền tải giúp tăng tỉ lệ tín hiệu

trên tạp âm, và cũng tiêu thụ nhiều năng lượng hơn

Định nghĩa các thông số trong LoRa

Tần số sóng mang (Carrier Frequency) : CF là đại diện cho tần số truyền trung

tâm trong một băng tầnNó có thể từ 137 MHz đến 1020 MHz, với mỗi bước là 61 Hz

Hệ số trải phổ (Spreading factor): SF là tỷ số giữa tốc độ của ký hiệuvà tốc độ của chip Nó có thể được đặt giá trị từ 6 đến 12 trong LoRa Trên mỗi SF, có 2SF chip trên mỗi ký hiệu SF có ảnh hưởng đáng kể đến tiêu thụ năng lượng hơn là tăng công suất truyền dẫn để tăng phạm vi truyền thông Do đó việc sửa đổi SF hiệu quả hơn trong việc giảm năng lượng tiêu thụ trong khi vẫn duy trì phạm vi truyền thông SF lớngiúp tăng độ nhạy sóng và tốc độ dữ liệu, giảm thời gian phát sóng

Băng thông (Bandwidth) : Là dải tần số có sẵn để truyền tải dữ liệu Một băng

thông lớn hơn cho phép tốc độ truyền tải dữ liệu cao hơn nhưng thời gian phát sóng ngắn hơn và độ nhạy thấp hơn Ngược lại, BW thấp hơn cho độ nhạy cao hơn nhưng tốc độ dữ liệu thấp hơn

Tốc độ mã hóa (Coding rate): Có thể chống nhiễu bằng cách cấu hình CR = 4/5,

4/6, 4/7 Trong LoRa, muốn bảo vệ chống nhiễu mạnh hơn thì cần CR cao hơn Tuy nhiên nó lại làm tăng thời gian phát sóng

Công suất truyền tải (Tranmission power): Trong LoRa, công suất cần thiết để truyền dẫn một gói dữ liệu có thể được điều chỉnh thích hợp Mối quan hệ giữ SF và tốc độ truyền data được định nghĩa như sau:

(2.1)

2.2.3 Khuôn dạng bản tin của lớp vật lý

Trong LoRa, khuôn dạng bản tin giữa đường lên và đường xuống là khác nhau

Bản tin Uplink: được gửi bới thiết bị cuối tới máy chủ mạng bằng một hoặc

nhiều cổng Khuôn dạng bản tin của Uplink như sau:

Bản tin Downlink: Mỗi bản tin downlink được gửi bởi máy chủ mạng tới mỗi

thiết bị cuối và được chuyển tiếp bởi một cổng đơn Khuôn dạng bản tin của Downlinknhư sau:

Các thông số mang ý nghĩa như sau:

- Preamble: Là chuỗi binary để bộ nhận detect được tín hiệu của LoRa packet

trong không khí

- Header: chứa thông tin về size của Payload cũng như có PayloadCRC hay

không Giá trị của Header cũng được check CRC kèm theo

- Payload: là dữ liệu ứng dụng truyền qua LoRa

- Payload: giá trị CRC của Payload Nếu có PayloadCRC, LoRa chip sẽ tự kiểm

tra dữ liệu trong Payload và báo lên nếu CRC OK hay không

2.2.4 Mã hóa sửa sai FEC trong LoRa

Sửa lỗi chuyển tiếp FEC cho phép các bit bị hỏng trong quá trình truyền tin được phục hồi và sửa chữa LoRa sử dụng mã Hamming để sửa lỗi chuyển tiếp Đây là một thuật toán mã hóa khối tuyến tính rất dễ thực hiện Độ dài của dữ liệu được đặt cố định

4 bit và độ dài của một mã thay đổi là một tham số có thể điều chỉnh trong phạm vi từ

5 đến 8 bit Mã Hamming truyền thống có dạng như sau:

Hamming(# bit dữ liệu + #bit hỗ trợ + #bit dữ liệu)

LoRa cung cấp tốc độ mã hóa là 4/5, 4/6 4/7 và 4/8, khả năng sửa lỗi và phát hiện lỗi được thể hiện trong bảng sau:

Tốc độ mã hóa Số bit bị lỗi được sửa Số bit bị lỗi xác định được

2.3 Kỹ thuật điều chế LoRa

2.3.1 Định lý Shannon – Hartley

Vào năm 1948 nhà toán học Shannon, người được xem là cha đẻ của kỷ nguyên thông tin, đã trình bày công thức về thông lượng kênh (channel capacity), được gọi là Định luật Shannon Đây là một định luật cơ bản mà mọi kỹ sư viễn thông đều phải biết Định lý này thiết lập dung lượng kênh truyền Shannon cho một liên kết

truyền dẫn và xác định tốc độ dữ liệu tối đa (thông tin) có thể truyền được trong mộtbăng thông xác định khi có nhiễu tạp âm:

C (2.2)

Với C là dung lượng kênh truyền (bít/s), B là băng thông kênh truyền (Hz), S

là công suất tín hiệu thu trung bình (W), N trung bình nhiễu hay công suất nhiễu (W) và S/N là tỷ số nhiễu tín hiệu trên nhiễu (SNR) thể hiện dưới dạng tỷ số công suất tuyến tính

Nếu nhiễu là nhiễu trắng một chiều, thì tổng công suất nhiễu N trong một băng

thông là B.No

C (2.3)Biến đổi biểu thức (2.3) ta được

C= (2.5)

Ta có thể áp dụng định nghĩa số e theo phương trình (3.4) bởi vì B rất lớn kHz

Từ công thức (2.7) ta có thể thấy tốc độ truyền dữ liệu tối đa cho một hệ thống có côngsuất cho trước nhưng không giới hạn băng thông Để đạt được giới hạn này băng thôngtín hiệu phát cần tăng lên Đặc tính này là nguyên tắc cơ bản của trải phổ sẽ được đề

cập trong phần tiếp theo

Đối với các ứng dụng trải phổ, tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm là nhỏ vì công suất tín hiệu thường thấp dưới mức nhiễu nền Giả sử mức tạp âm có S/N << 1, công thức (2.3) được biểu diễn thành

(2.8)

Từ công thức (2.8) có thể thấy rằng để truyền thông tin lỗi trên một kênhtruyền có tỷ số nhiễu trên tạp âm có định thì chỉ băng thông tín hiệu phát cần tănglên

2.3.2 Nguyên lý trải phổ

Bằng cách tăng băng thông của tín hiệu chúng ta có thể bù lại cho phần suy giảm

tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu trên kênh vô tuyến Trong các hệ thống trải phổ trực tiếp

(DSSS) truyền thống, pha mang của máy phát thay đổi tùy theo trình tự mã code Qua trình này đặt được bằng cách nhân tín hiệu mong muốn với mã code, hay còn được gọi

là chuỗi chip Dãy chip này 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

Điều chế trải phổ

Hình 2.1: Quá trình điều chế, trải phổ

Tại máy thu, tín hiệu dữ liệu mong muốn được phục hồi bằng cách nhân lại với bản sao cục bộ của quá trình trải phổ Quá trình nhân trong máy thu nhằm nén tín hiệu

đã được trải phổ về băng thông ban đầu của nó Cần lưu ý rằng chip trình tự hoặc mã

sử dụng trong máy thu phải giống trong máy phát để có thể phục hồi chính xác thông tin

Hình 2.2: Quá trình giải điều chế , thu hẹp phổ tín hiệu

Tín hiệu dải gốc

Tx

Mã trình tự

Dữ liệu đầu vào

Dữ liệu được khôi

phục

Tín hiệu băng gốc

RX

Mã trình tự

2.3.3 Điều chế CSS trong LoRa

Phương pháp điều chế mà LoRa sử dụng là một loại điều chế DSSS (Direct Spread Spectrum) được gọi là CSS (Chirp trải phổ) Mỗi bit được trải phổ bằng một hệ

số chip Số chip trên mỗi bit được gọi là hệ số trải phổ

Hệ số trải phổ càng lớn thì tốc độ dữ liệu truyền tải càng chậm Tốc độ dữ liệu càng chậm, độ nhạy của máy thu càng tốt và độ bao phủ tín hiệu càng rộng

Mối quan hệ giữa tốc độ bit dữ liệu, tốc độ ký hiệu và tốc độ chip trong điều chế LoRa có thể được định nghĩa như sau:

Ta có thể định nghĩa tốc độ bit điều chế Rb như sau:

Trong đó : SF là hệ số trải phổ,BW là băng thông điều chế (Hz)

Bây giờ ta định nghĩa khoảng thời gian ký hiệu Ts như sau:

Do đó ta có tốc độ ký hiệu Rs tỷ lệ nghịch với Ts :

(2.11)Cuối cùng ta có thể định nghĩa tốc độ chip Rc như sau:

(2.15)

Với SF: là hệ số trải phổ

CR: là tốc độ ký hiệu

BW: là băng thông điều chế

Nếu chúng ta có thể định nghĩa tốc độ ký hiệu ví dụ như sau

 Băng thông có thể mở rộng: Trong CSS cả băng thông và tần số đều có thể

mở rộng Nó có thể sử dụng cho cả hai loại nhảy tần băng hẹp và các ứng dụng băng rộng Không giống như các loại điều chế băng rộng và băng hẹp hiện nay, CSS có thể

dễ dàng điều chỉnh cho một trong hai chế độ hoạt động chỉ với một vài thay đổi cấu hình đơn giản

 Khả năng chống đa đường / fading: Các xung chip tương đối rộng và do đó

LoRa cung cấp cơ chế chống đa đường và Fading giúp LoRa có thể sử dụng trong cả môi trường đô thị và ngoại ô

 Khả năng chống lại hiệu ứng Doppler: Các tín hiệu từ điều chế CSS cũng có

khả năng chống lại hiệu ứng Doppler mạnh mẽ do sự thay đổi tần số tần số trong CSS rất nhỏ và sự dịch chuyển thời gian không đáng kể trong tín hiệu của băng gốc

 Cải tiến dung lượng mạng: Điều chế LoRa sử dụng các hệ số trải phổ trực

giao cho phép nhiều tín hiệu được truyền đi cùng một lúc và trên cùng một kênh mà không làm giảm độ nhạy RX.47 Tín hiệu được điều chế tại các hệ số trải phổ khác nhau xuất hiện dưới dạng nhiễu tới các máy thu đích

 Phân loại/ địa phương hóa: Một tính chất vốn có của LoRa là khả năng phân

biệt tuyến tính giữa tần số và lỗi thời gian LoRa là điều chế lý tưởng cho các ứng

Phân tích ảnh hưởng của CSS đối với mạng LPWAN

Có thể nói CSS chính là một trong các nhân tố quan trọng nhất của mạng

LPWAN, CSS chính là nguyên nhân giúp cho các sóng của mạng LPWAN có thể đạt được độ bao phủ rộng và công suất thấp Ta có thể giải thích điều này dựa vào các tính chất đã trình bày ở trên của điều chế CSS

CSS giúp LoRa truyền đi xa: Theo các tính chất trên, tín hiệu từ điều chế CSS

có khả năng chống nhiễu tốt, khả năng chống hiệu ứng doppler tốt, miễn nhiễm với hiện tượng đa đường cũng như fading Điều này giúp tín hiệu có thể lan truyền tốt hơn

và ít bị cản hơn, giúp nó có thể truyền đi một vùng xa hơn Trên thực tế, CSS cung cấpphạm vi bao phủ gấp 4 lần so với điều chế FSK

CSS giúp LoRa hoạt động với công suất thấp: Tương tự như FSK, CSS là sơ

đồ điều chế với đường bao không đổi, có nghĩa là với cùng chi phí thấp và công suất thấp, các giai đoạn PA có thể được sử dụng lại mà không cần sửa đổi Ngoài ra do LoRa có khả năng xử lý cao hơn, công suất đầu ra của máy phát có thể giảm hơn so với điều chế FSK thông thường trong khi vẫn duy trì lượng ngân sách bằng hoặc tốt hơn Ngoài ra với việc có thể cải tiến dung lượng mạng bằng cách truyền nhiều tín hiệu cùng một lúc trên cùng một kênh cũng giúp CSS đạt được hiệu suất tốt hơn, giúp gửi được nhiều thông tin hơn với cùng một công suất CSS cho phép người thiết kế triển khai như mạng analog, nó giúp tiêu thụ ít năng lượng hơn CSS không cần đồng

bộ, có thể thiết lập một mạng không dây rất nhanh chóng

2.4 Kỹ thuật ADR

Kỹ thuật ADR là một cơ chế tối ưu hóa tốc độ dữ liệu, thời gian phát sóng và năng lượng tiêu thụ trong mạng Nên bật ADR bất cứ khi nào thiết bị đầu cuối có RF

ổn định Điều này có nghĩa là nó thường được kích hoạt cho các thiết bị tĩnh Nếu thiết

bị đầu cuối tĩnh nhưng có RF không ổn định (ví dụ khi ô tô đỗ trên đầu cảm biến đỗ xe), ADR sẽ tạm thời bị vô hiệu hóa Đối với các thiết bị đầu cuối là thiết bị di động

thiết bị đầu cuối quyết định có kích hoạt ADR hay không chứ không phải các ứng dụng hay mạng.

Để xác định tốc độ dữ liệu tối ưu, mạng cần thực hiện một số phép đo (tin nhắn uplink) Các phép đo này chứa bộ đếm khung, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (signal to noise) SNR và số lượng gateway nhận được mỗi uplink Khi một thiết bị tắt ADR (do

nó di chuyển hoặc RF không ổn định) các phép đo trước đó sẽ bị loại bỏ Ngay khi ADR được kích hoạt lại, mạng sẽ bắt đầu đo lại

Với mỗi phép đo, ta lấy SNR của gateway tốt nhất và tính “margin” bằng cách lấy SNR được đo trừ đi SNR cần thiết để giải điều chế thông điệp “Margin” này được sử dụng để xác định chúng ta có thể tăng hay giảm công suất phát

Sự khác nhau giữa LoRa và LoRaWAN được thể hiện trong bảng sau:

LoRaWAN là mạng không dây được sử dụng như WAN (Wide Area Network) do khả năng phủ sóng rộng

Ứng dụng

Là phương pháp điều chế mạnh

mẽ trong hệ thống LoRaWan

Nó giúp đặt được các tốc độ dữliệu khác nhau

Được sử dụng như một mạng không dây tầm xa có công suất thấp và tốc độ dữ liệu thấp, nó phổ biến trong các hệ thống IOT/M2M

Tầng hoạt

động

Là một chức năng của tầng vật lý

Nó có 4 tầng: RF, Vật Lý , MAC và tầng ứng dụng

2.5.1. Cấu trúc mạng của LoraWan

LoRaWan là giao thức mạng đa điểm sử dụng điều chế LoRa của SemTech Nó không chỉ là sóng radio, nó còn định nghĩa cách các sóng radio giao tiếp với các cổng của LoRaWan để thực hiện mã hóa và nhận dạng Nó cũng bao gồm một số thành phầnCloud, cổng kết nối…

Cấu trúc mạng cơ bản của một thiết bị hỗ trợ LoRaWAN như sau:

Hình 2.3: Vị trí của LoRa và LoraWAN

Trong cấu trúc này thì LoRaWan bao gồm LoRa Mac (Class A, Class B, Class C)còn lớp vật lý là chip LoRa Ở mỗi khu vực khác nhau trên thế giới thì thiết bị

LoRaWan phải được cấu hình cho chip Lora hoạt động ở dải băng tần cho phép như ví

Giao thức truyền thông LoRaWAn được định nghĩa bới tổ chức LoRa Alliance, một tổ chức phi lợi nhuận của hơn 500 công ty thành viên, cam kết cho phép triển khai các mạng LPWAN quy mô lớn thông qua quảng bá, phát triển tiêu chuẩn mở

LoRaWAN

Rất nhiều mô hình mạng hiện nay được triển khai dựa trên kiến trúc mạng

“mesh” Ở trong mạng “mesh”, các “end-node” riêng biệt sẽ chuyển tiếp thông tin đến các “node” khác để gia tăng phạm vi truyền thông, tăng mức độ bao phủ của mạng.Tuynhiên, điều này lại làm tăng thêm độ phức tạp, giảm dung lượng mạng, và đặc biệt, làm giảm tuổi thọ của pin khi các “node” nhận và gửi thông tin từ các “node” khác có khả năng không liên quan đến chúng Trong khi đó, kiến trúc mạng “Star” giúp duy trì tuổi thọ của pin, đồng thời vẫn cho phép đạt được những kết nốt truyền thông tầm xa

Kiến trúc của mạng LoRaWAN được triển khai theo cấu trúc hình sao, các mạng LoRaWAN được đặt trong một cấu trúc liên kết sao - trong - sao có các trạm cơ sở để chuyển tiếp dữ liệu giữa các node cảm biến và máy chủ mạng Thông thường kiến trúccủa một mạng LoRaWAN được tổ chức như sau: các thiết bị cuối (end-device) giao tiếp với gateway sử dụng kỹ thuật LoRa và giao thức LoRaWAN, gateway sẽ chuyển tiếp gói tin từ thiết bị đến server thông qua Ethernet hoặc Wifi và server sẽ gửi gói tin đến các end-device theo luồng ngược lại

Hình 2.4: Mạng LoRa theo mô hình Star

Trong một mạng LoRaWAN, các “node” không cần phải gắn kết với một

gateway cụ thể Thay vào đó, dữ liệu được truyền bởi một “node” thông thường sẽ được nhận bởi nhiều “gateway” để thể hiện sự linh hoạt trong việc kết nối Mỗi

gateway sẽ chuyển tiếp gói tin đã nhận từ các “end-node” đến “cloud server” thông qua các kết nối như Cellular, Ethernet, Wifi, hoặc thậm chí thông qua cả đường truyền

vệ tinh nữa

Kiến trúc tổng quan của một mạng LoRaWan được thể hiện bởi hình sau:

Hình 2.5: Kiến trúc mạng của LoRaWAN

Các thành phần trong kiến trúc mạng trên bao gồm:

 End-Devices (End-nodes): là các thiết bị cảm biến, thiết bị giám sát, chấp

hành được lắp đặt ở các vị trí làm việc ở xa để thu thập và gửi dữ liệu về các thiết bị trung tâm Có 3 loại end-devices đó là: Class A, Class B và Class C

 Cổng (Gateway): thiết bị trung tâm sẽ thu thập dữ liệu từ các end-devices và

gửi lên 1 server để tiến hành xử lý dữ liệu Các cảm biến LoRa gửi dữ liệu đến

Gateways Các LoRa Gateways kết nối tới internet thông qua giao thức IP và chuyển

dữ liệu nhận được từ các cảm biến tới internet, mạng, server hoặc các đám mây Các thiết bị Gateways luôn luôn được kết nối với nguồn điện

 Máy chủ mạng (Network Servers): Các network server là các giải pháp nền

tảng dự trên điện toán đám mấy như The Things Network (TTN) hay LoRIOT Máy chủ mạng kết nối với các cổng và nhận dữ liệu sau đó định tuyến nó tới các ứng dụng

có liên quan Các máy chủ mạng có thể được sử dụng cho cả Up link (cảm biến đến ứng dụng) và Down link (ứng dụng đến cảm biến)

 Máy chủ ứng dụng : Là ứng dụng có thể được build trên nền tảng IoT như

AWS IoT sử dụng Lambda, DynamoDB hay S3 services

2.5.2 Phân loại các lớp của LoRaWAN

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

Class A: End-devices truyền nhận dữ liệu theo 2 hướng (Bi–directional) với đặc

trưng cho khả năng tiêu thụ công suất thấp nhất.Đây là class mặc định phải được hỗ trợ trên các end-devices sử dụng LoRaWAN Truyền thông với class A luôn được khởi tạo bởi các “end-devices” và theo cấu trúc hoàn toàn không đồng bộ Mỗi một đường truyền dẫn “uplink” sẽ được theo sau bởi hai đường nhận “downlink” ngắn.Tiến trình truyền nhận được thiết lập bởi “end-devices” dựa trên nhu cầu giao tiếp của riêng nó thông qua sự biến thiên thời gian (dựa trên cấu trúc giao thức ALOHA).Class A hoạt động với các hệ thống end-device tiêu thụ công suất thấp, phù hợp cho các ứng dụng chỉ yêu cầu giao tiếp “downlink” từ server sau khi “end-device” đã thiết lập đường truyền “uplink”

Class B: End-devices truyền nhận dữ liệu theo 2 hướng với việc tiếp nhận

(receive slots) được thiết lập theo lịch trình End-devices theo Class B sẽ mở cửa sổ (windows) nhận theo thời gian đã được thiết lập, nó sẽ nhận được một tín hiệu báo đồng bộ từ Gateway Điều này cho phép Server biết được khi nào end-device đang lắng nghe (listening)

Class C – End-devices truyền nhận dữ liệu theo 2 hướng với tiến trình “nhận”

(receive slots) tối đa, mang lại độ trễ nhỏ nhất End-devices thuộc Class C sẽ liên tục

mở luồng nhận và chỉ đóng khi thực hiện việc truyền dữ liệu Dựa trên điều này, Server có thể khởi tạo đường truyền “downlink” bất cứ lúc nào trên giả định là bộ thu

dữ liệu (receiver) của các end-device đang mở, do đó độ trễ được tối ưu xuống thấp nhất Nhưng bù lại, bộ thu cũng tiêu hao một lượng điện năng (lên đến ~ 50mW) Cho