Ước lượng cự ly truyền dẫn trong mạng Lora hai chặng dưới ảnh hưởng của nhiễu giữa các thiết bị đầu cuối

Bài viết thực hiện ước lượng khoảng cách truyền dẫn lớn nhất và vị trí đặt trạm lặp của mạng LoRa hai chặng. Không giống như các nghiên cứu khác chỉ xét đến suy hao và nhiễu tạp âm khi ước lượng cự ly truyền, bài báo phân tích các loại nhiễu trong mạng LoRa gồm nhiễu giữa các thiết bị trong cùng một vùng SF (Spreading Factor) và giữa các vùng SF khác nhau đều được tính đến khi đánh giá chất lượng hệ thống.

Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue (04/2021), 264-276 Transport and Communications Science Journal ESTIMATION OF TRANSMISSION RANGE OF A DUAL-HOP LoRa NETWORK UNDER INTERFERENCE EFFECTS Co Nhu Van, Do Viet Ha, Nguyen Thanh Hai University of Transport and Communications, No Cau Giay Street, Hanoi, Vietnam ARTICLE INFO TYPE: Research Article Received: 27/11/2020 Revised: 28/01/2021 Accepted: 17/02/2021 Published online: 15/04/2021 https://doi.org/10.47869/tcsj.72.3.3 * Corresponding author Email: vancn@utc.edu.vn; Tel: 0987959637 Abstract LoRaWan (long range wide area networks) have been rapidly developed and implemented in recent years By providing outstanding advantages such as low cost, low power consumption, high reliability, large number of connected devices, and wide coverage, LoRaWan is especially suitable for IoT (Internet-of-things) applications This paper focuses on estimating the maximal transmission range and relay location of a dual-hop LoRa network Unlike other studies that only consider the path-loss and AWGN in the range estimation, this work takes into account the effects of both co-SF (Spreading Factor) and inter-SF interference when evaluating the system performance The SNRs (Signal-to-Noise Ratio) and SIRs (Signalto-Interference Ratio) of each transmission hop are derived by using Rayleigh fading channel model that represents the path-loss, shadowing effect, and multipath fading The maximal transmission range and the relay location are estimated in order to meet the SIR and SNR threshold requirements of LoRa networks The numerical results of this paper can be used as a guideline for planning and designing LoRa networks Keywords: Dual-hop LoRa, SIR, co-SF, inter-SF ©2021 University of Transport and Communications 264 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 72, Số (04/2021), 264-276 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải ƯỚC LƯỢNG CỰ LY TRUYỀN DẪN TRONG MẠNG LoRa HAI CHẶNG DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU GIỮA CÁC THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI Cồ Như Văn*, Đỗ Việt Hà, Nguyễn Thanh Hải Trường Đại học Giao thông vận tải, Số Cầu Giấy, Hà Nội, Việt Nam THÔNG TIN BÀI BÁO CHUN MỤC: Cơng trình khoa học Ngày nhận bài: 27/11/2020 Ngày nhận sửa: 28/01/2021 Ngày chấp nhận đăng: 17/02/2021 Ngày xuất Online: 15/04/2021 https://doi.org/10.47869/tcsj.72.3.3 * Tác giả liên hệ Email: vancn@utc.edu.vn; Tel: 0987959637 Tóm tắt Mạng diện rộng công suất thấp truyền cự ly dài LoRaWan (long range wide area networks) triển khai phát triển nhanh chóng năm gần Với ưu điểm bật giá thành thấp, tiết kiệm lượng, độ tin cậy cao, số lượng thiết bị kết nối đến mạng lớn phạm vi mạng rộng, LoRaWan đặc biệt phù hợp cho ứng dụng IoT (Internet-of-things) Bài báo thực ước lượng khoảng cách truyền dẫn lớn vị trí đặt trạm lặp mạng LoRa hai chặng Không giống nghiên cứu khác xét đến suy hao nhiễu tạp âm ước lượng cự ly truyền, báo phân tích loại nhiễu mạng LoRa gồm nhiễu thiết bị vùng SF (Spreading Factor) vùng SF khác tính đến đánh giá chất lượng hệ thống Các tiêu kỹ thuật mạng gồm tỷ lệ tín hiệu nhiễu SNR (Singal-to-Noise Ratio) SIR (Singal-to-Interference Ratio) tính tốn dùng mơ hình kênh Rayleigh có xét đến suy hao truyền dẫn, hiệu ứng che khuất hiệu ứng đa đường Dựa vào ngưỡng yêu cầu số quy hoạch mạng LoRa, cự ly truyền tối đa vị trí trạm lặp tính tốn Kết báo áp dụng quy hoạch thiết kế mạng LoRa Từ khóa: Mạng LoRa hai chặng, SIR, nhiễu nội vùng, nhiễu liên vùng ©2021 Trường Đại học Giao thơng vận tải ĐẶT VẤN ĐỀ Trong năm gần đây, IoT (Internet-of-things) triển khai nhiều lĩnh vực phát triển nhanh chóng Các ứng dụng IoT địi hỏi mạng có giá thành thấp, tiết kiệm 265 Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue (04/2021), 264-276 lượng, có độ tin cậy cao, số lượng thiết bị kết nối đến mạng phạm vi mạng tăng lên Hiện nay, cơng nghệ có khả hỗ trợ cho ứng dụng IoT gồm Zigbee, Bluetooth Wifi cho cự ly ngắn, mạng di động tế bào (3G, LTE, 5G) cho cự ly truyền dài Để đáp ứng yêu cầu hiệu công suất công nghệ tầm ngắn đáp ứng cự ly truyền dài mạng di động, công nghệ mạng diện rộng công suất thấp LPWAN (low-power wide-area networks) điểm sáng cho ứng dụng IoT có khả kết nối cự ly xa với tốc độ không lớn [1] Có nhiều cơng nghệ LPWAN nghiên cứu LoRa, Sigfox, NB-IoT… LoRaWAN (truyền dẫn cự ly dài) công nghệ nghiên cứu ứng dụng nhiều [2] Một thông số quan trọng để tối ưu tiêu chất lượng mạng trước triển khai thực tế dự đốn phạm vi phủ sóng mạng [2] Các thơng số quan trọng tính tốn cự ly truyền mạng LoRa gồm [1]: i) suy hao đường truyền phụ thuộc vào cự ly, dải tần điều kiện địa hình, mơi trường truyền sóng, ii) co-SF nhiễu kênh truyền vùng SF (Spreading Factor) hạn chế tầm truyền mật độ đầu cuối mạng (ED) triển khai cao dẫn đến tỷ lệ tín hiệu nhiễu SIR giảm ngưỡng cho phép, iii) nhiễu ED vùng SF khác (inter-SF) tính trực giao khơng hồn hảo SF mà đa phần nghiên cứu bỏ qua [3, 4] nghiên cứu [5] cho thấy nhiễu inter-SF ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng đường truyền, đặc biệt nguồn nhiễu gần máy thu Các nghiên cứu phạm vi phủ sóng mạng LoRa gần đa phần xét cho cấu hình mạng chặng, nghĩa có chặng kết nối đầu cuối LoRa Gateway [2, 6, 7, 8, 9] Bên cạnh đó, nhiễu co-SF inter-SF phân tích nghiên cứu đánh giá tiêu chất lượng mạng LoRa chặng [1] hai chặng có trạm lặp [10] chưa áp dụng nghiên cứu tính tốn cự ly truyền dẫn Ứng dụng ước lượng cự ly truyền [6] áp dụng cho mạng LoRa chặng với thơng số đầu vào gồm tần số sóng mang, hệ số suy hao, hệ số SF nhiễu AWGN [6] Tuy nhiên cự ly truyền dẫn không xem xét mạng LoRa cấu hình cụ thể với phân bố vùng SF khác ảnh hưởng ED mạng Trong [9, 11] mô hình suy hao số SNR xem xét để tính tốn cự ly truyền dẫn mạng LoRa điều kiện truyền dẫn rừng khác Suy hao mơ hình hóa đo đạc xác nhận tham số cho môi trường truyền dẫn khác để tính tốn quỹ cơng suất cự ly truyền mạng LoRa [2, 8] Như số SIR nhiễu nhiễu co- SF inter-SF khơng tính đến nghiên cứu tính tốn cự ly truyền Bài báo tập trung giải toán ước lượng cự ly truyền tối đa vị trí trạm lặp cho mạng LoRa với nhiều thiết bị đầu cuối Nhiễu ED SF SF xem xét đầy đủ phân tích tính tốn tiêu chất lượng hệ thống Mơ hình kênh pha đinh Rayleigh dùng để tính tham số mạng gồm SNR SIR Từ điều kiện ngưỡng SNR SIR ED mạng LoRa, cự ly truyền ED xa mạng tới Gateway tính tốn với cấu hình mạng LoRa hai chặng có sử dụng trạm lặp Các kết khảo sát cho thấy xét đến nhiễu co-SF inter-SF nghĩa dùng tham số ngưỡng SIR để 266 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 72, Số (04/2021), 264-276 tính tốn cự ly truyền ảnh hưởng đáng kể đến cự ly truyền mạng Cấu trúc phần cịn lại báo gồm: Mơ hình hệ thống mạng LoRa hai chặng khảo sát từ đưa cơng thức tính số SIR SNR chặng trình bày phần Phần đề xuất thuật tốn tính toán cự ly truyền dẫn tối đa mạng có khơng có trạm lặp Phần kết đánh giá Kết luận trình bày phần MƠ HÌNH HỆ THỐNG 2.1 Kiến trúc mạng Xét mạng LoRa đường lên lên Hình [10], S thiết bị đầu cuối xa kết nối đến Gatway G thông qua trặm lặp R Trong mạng LoRa, tùy thuộc vào khoảng cách từ thiết bị đầu cuối đến Gateway mà chọn thông số hệ số SF, công suất phát đế đảm bảo kết nối ED vị trí khác Xét mạng LoRa chia thành vùng khơng trùng lặp có phạm vi SFk với k  7, ,12 Mỗi vùng ấn định công suất phát hệ số SF theo quy luật vùng gần Gateway SF công suất phát nhỏ (VX, VY) SF12 SF11 Intended link Direct link SF9 SF10 SF8 SF7 Interference link Interference Hình Mạng LoRa đường lên Ngồi thành phần S, R G, mạng gồm N thiết bị đầu cuối ( N =  k =7 Nk ) 12 với Nk số lượng đầu cuối đóng vai trị nhiễu vùng SFk Giả thiết vị trí trạm lặp R VR = ( vx , v y ) đặt vị trí SFo với o  7, ,12 thay đổi Giả thiết G cố định S điểm xa kết nối đến G với cự ly R có hệ số SF12 Hình 2.2 Tín hiệu kênh truyền Để ước lượng cự ly truyền đảm bảo tiêu kỹ thuật mạng LoRa, ta phân tích tín 267 Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue (04/2021), 264-276 hiệu từ thiết bị đầu cuối xa S đến Gateway tác động nhiễu bên SF (gọi co-SF) nhiễu vùng SF (inter-SF) Tín hiệu từ S đến G phân làm hai chặng, chặng tứ tín hiệu từ S đến R, tín hiệu thu R tính theo cơng thức [1, 10]: 12 Nk yR = PS l ( d s , R ) hS , R xS +  ik, R Pk l ( di , R ) hik, R xik, R + nR (1) k = i =1 hS , R , hik, R hệ số fading nhanh không bao gồm suy hao theo khoảng cách từ S từ nhiễu ED miền SFk đến trạm lặp R tuân theo phân bố Rayleigh, nghĩa   h  =   Hàm suy hao theo khoảng cách l ( d s , R ) , l ( d i , R ) với d X ,Y khoảng cách Euclidean từ X đến Y Theo [1], suy hao l (d X ,Y ) =   max ( d X ,Y , dC )  − với  hệ số mũ suy hao đường truyền, dc  khoảng cách tối thiểu để tránh trường hợp l (d X ,Y ) tiến tới vô (nghĩa d X ,Y → ),  = ( c / 4 ) với c bước sóng sóng mang xS , xik, R tín hiệu điều chế CSS (chirp spread spectrum) S nguồn nhiễu i vùng SFk giả thiết có công suất 2 đơn vị, nghĩa   xS  =   xik, R  = Hàm kích hoạt  ik, R = 0,1 nguồn nhiễu ED thứ     i miền SFk tuân theo phân bố Bernoulli với xác suất Lpac p Ak = k ; Rbk = SFk CR.BW / (2 SFk ) tốc độ bít ED vùng SFk Bảng I Các Rb Tin ký hiệu Lpac , Tin , CR BW chiều dài gói liệu, thời gian trung bình gói đến, tỷ lệ mã hóa băng thông truyền dẫn PS , Pk công suất phát S ED vùng SFk tuân theo Bảng I Ký hiệu nR nhiễu trạm lặp 12 Cần ý công thức (1), số hạng Nk   k = i =1 k i,R Pk l ( di , R ) hik, R xik, R thể nhiễu SF (co-SF) SF khác (inter-SF) Bảng Đặc tính mạng LoRa BW= 250 kHz CR=4.5 SF Tốc độ bít [kbps] qo [dBm] Ptx [dBm] Vùng cự ly (Network Zone) 10.9 -6 0→R/6 6.25 -9 R / → 2R / 3.52 -12 2R / → 3R / 10 1.96 -15 11 3R / → 4R / 11 1.1 -17.7 14 R / → 5R / 268 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 72, Số (04/2021), 264-276 12 0.6 -20 5R / → R / 17 Chặng thứ tín hiệu truyền từ trạm lặp R đến G, tín hiệu thu Gateway tính sau: 12 Nk yG = PR l ( d R ,G ) hR ,G xR +  ik,G Pk l ( di ,G ) hik,G xik,G + nG (2) k =7 i =0 với PR = Po , o  7, ,12 công suất phát trạm lặp R, giá trị Po cho bảng 1; hR ,G , hik,G hệ số fading nhanh từ R từ nguồn nhiễu thứ i SFk đến Gateway; xR , xik,G tín hiệu giải điều chế S R tín hiệu ED thứ i miền SFk; nG nhiễu AWGN G;  ik,G hàm kích hoạt Từ phân tích tín hiệu mạng LoRa ta tính số SNR tín hiệu truyền từ X đến Y theo công thức SNR X Y = PX l ( d X ,Y ) hX ,Y  Y2 (3) PX cơng suất phát nút X;  Y2 nhiễu máy thu Y, l ( d X ,Y ) suy hao hX ,Y độ lợi kênh truyền từ X đến Y Hệ số SIR gói gửi từ nút X vùng SFo, o  7, ,12 đến nút Y chịu ảnh hưởng nhiễu từ SFk, o  7, ,12 tính sau: SIR X Y = PX l ( d X ,Y ) hX ,Y N%k  P l (d ) h i =1 k i ,Y (4) i ,Y với N%k =  p Ak N k  số lượng ED kích hoạt vùng SFk; Pk , l ( di ,Y ) , hi ,Y công suất phát, hệ số suy hao độ lợi kênh truyền nguồn nhiễu ED thứ i từ SFk đến máy thu Y Trong phần 3, khoảng cách truyền dẫn từ S đến G vị trí trạm lặp tính tốn dựa điều kiện ngưỡng số SNR SIR TÍNH CỰ LY TRUYỀN VÀ VỊ TRÍ TRẠM LẶP Trong mạng LoRa, gói hoạt động vùng SFo, o  7, ,12 xem giải mã xác thỏa mãn đồng thời hai điều kiện sau: i) SNR lớn giá trị ngưỡng qo với qo cho bảng ii) SIR gói khác từ SF từ SF khác phải lớn giá trị ngưỡng ∆𝑜,𝑘 (dB) với 𝑜, 𝑘 ∈ {7, … ,12} [12] Giá trị ∆𝑜,𝑘 phần tử thuộc hàng o cột k 269 Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue (04/2021), 264-276 lấy ma trận sau: SF SF 1  −11 SF9 −15 = SF  −19 10  SF11 −22  SF12  −25 SF7 SF8  dB  SF SF 10 SF 11 −8 −9 −9 −9 −11 −12 −13 −13 −13 −18 −17 −13 −14 −22 −21 −20 −17 −25 −25 −24 −23 SF 12   −15  −18  −20   −9 (5) 3.1 Tính cự ly truyền tối đa có trạm lặp Để tính cự ly truyền tối đa có trạm lặp vị trí trạm lặp, S G phải thỏa mãn điều kiện sau: • Điều kiện đảm bảo SNR ngưỡng SNR S , R  qS , R SNR RG  qo (6) S ln vị trí xa mạng nên qS , R q12 , vị trí R xét thay đổi vùng SF đặt nên qo thay đổi • Điều kiện đảm bảo ngưỡng SIR ✓ Ngưỡng SIR nhiễu SF co-SF − SF − SF − SF − SF SIR co   co   co SIR co S ,R S ,R R ,G R ,G (7) SIR chặng phải lớn ngưỡng, giá trị  coX ,−YSF , X  S , R , Y   R, G tùy thuộc vào vùng gói liệu gửi đi;  coX ,−YSF thành phần đường chéo ma trận co − SF  Ví dụ gói gửi từ S vùng SF12  S , R = 12,12 , tương tự với chặng thứ hai có − SF  co =  o ,o với o  7,K ,12 R ,G ✓ Ngưỡng SIR nhiễu từ SF khác inter-SF − SF − SF − SF − SF SIR inter   inter   inter SIR inter S ,R S ,R R ,G R ,G (8) − SF giá trị  iXnter tùy thuộc vào SF gói muốn nhận gói nhiễu, ta có ,Y − SF − SF  iSnter = 12,k , k  7, ,11  iRnter =  o ,k , k  o; o, k  7, ,12 ,R ,G ✓ Ngưỡng SIR nhiễu co-SF khác inter-SF both SIR both S ,R   S ,R both SIR both R ,G   R ,G (9) giá trị SIR cần đảm bảo ngưỡng co-SF inter-SF từ S đến R từ R đến G, giá i nter − SF =  o ,k , k  7, ,12 trị ngưỡng  both S , R = 12, k , k  7, ,12  R ,G Chương trình findDmaxWithRelay thực tìm cự ly truyền tối đa DSG (max) S G vị trí trạm lặp tương ứng xR _ k (max) mô tả theo đoạn mã giả với tham số 270 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 72, Số (04/2021), 264-276 mô tả Bảng Bảng Tham số chương trình findDmaxWithRelay Ký hiệu tham số Ý nghĩa xR _ k Vị trí trạm lặp với k chạy để xR _ k   d c , xR (max)  d c ,  xR  DSG Lần lượt vị trí ngắn nhất, bước tăng xR DSG vòng for DSG ,k (max) Cự ly truyền tối đa vị trí trạm lặp xR _ k DSG (max) Cự ly truyền lớn DSG ,k (max) vị trí trạm lặp tương ứng xR _ k (max) PROCEDURE findDmaxWithRelay Begin xR = dc;  xR = 200m ;  DSG = 200m ; DSG ( xR )max = 10 xR ; DSG =[]; % ma trận rỗng for xR_k = dc to xR (max) DSG ,k =   ; % ma trận rỗng for DSG ( xR _ k ) _ m = dc to DSG ( xR )max both both both if ( SNR S , R  qS , R and SNR RG  qo and SIR both S , R   S , R and SIR R ,G   R ,G ) DSG _ k ,m = DSG ( xR _ k ) _ m ; else if DSG _ k ,m = 0; endif DSG ,k =  DSG ,k , DSG ,k ,m  ; % ghép ma trận endfor DSG ,k (max) = max ( DSG _ k ); % cự ly lớn với vị trí trạm lặp xR _ k DSG =  DSG , DSG ,k (max)  ; % ghép ma trận endfor DSG (max) = max( DSG ) ; end 3.2 Tính vị trí trạm lặp để đảm bảo cự ly truyền định Để quy hoạch mạng thuận tiện hơn, báo xây dựng chương trình findRelayLocation thực vị trí đặt trạm lặp với cự ly truyền xác định DSG, tập kết trả vị trí trạm lặp xR thỏa mãn điều kiện SNR SIR công thức (7) (9) Thuật toán sau: PROCEDURE findRelayLocation Begin  xR = 200m ; xR (max) = DSG – dc xR = []; % ma trận rỗng 271 Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue (04/2021), 264-276 for xR_k = dc to xR (max) both both both if ( SNR S , R  qS , R and SNR RG  qo and SIR both S , R   S , R and SIR R ,G   R ,G ) xR = [ xR , xR _ k ]; % ghép ma trận endif endfor End 3.3 Tính cự ly truyền tối đa khơng có trạm lặp Để so sánh hiệu việc sử dụng trạm lặp việc mở rộng phạm vi truyền mạng LoRa phần tính cự lý truyền tối đa không dùng trạm lặp Cự ly truyền tối đa khơng có trạm lặp DSG(max) cự ly lớn mà thỏa mãn điều kiện sau: • Điều kiện đảm bảo SNR ngưỡng: SNR S ,G  qS ,G (10) S ln vị trí xa mạng nên qS ,G ln q12 • Điều kiện đảm bảo ngưỡng SIR cho nhiễu co-SF inter-SF: both SIR both S ,G   S ,G với  both S ,G (11) = 12,k , k  7, ,12 Chương trình findDmaxWithoutRelay thực tìm DSG(max) mơ tả theo đoạn mã giả với d c cự lý tối thiểu xét,  SG bước tăng dần DSG thỏa mãn điều kiện SNR SIR, cờ flag=0 điều kiện SNR SIR khơng cịn thỏa mãn cự ly đạt tối đa PROCEDURE findDmaxWithoutRelay Begin DSG = dc ; flag =1; SG = 200m ; while (flag) both if ( SNR S ,G  qS ,G and SIR both S ,G   S ,G ) then DSG = DSG +  SG ; else DSG (max) = DSG ; flag =0; end if end while End KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Phần đưa kết mơ tính tốn cự ly truyền tối đa vị trí trạm lặp cho mạng LoRa với mơ hình mạng hình kịch có trạm lặp khơng có trạm lặp thơng qua mơ Monte Carlo Các thông số mô thực với BW = 250 KHz,  = 3, fc = 868 MHz, Lpac = 10 byte, Tin = 60s , ED=103 CR = / Hình thể kết khảo sát SNR S G không sử dụng trạm lặp Căn vào kết ta thấy không xét đến nhiễu SIR mà xét đến điều kiện SNR cự ly tối đa 272 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 72, Số (04/2021), 264-276 đạt S G 9.8 km Để xét ảnh hưởng SIR lên cự ly truyền tối đa, chạy chương trình findDmaxWithoutRelay đề xuất phần 3.3 cho kết cự ly truyền tối đa đạt 8.2 km Để minh họa cho kết quả, hình 3(a) trình bày kết SIRSG cự ly truyền 8.2 km, ta nhận thấy SIRSG đảm bảo điều kiện ngưỡng SIR thể ma trận công thức (5) Với cự ly truyền 8.4 km vượt cự ly truyền tối đa đạt được, điều kiện ngưỡng SIR không đảm bảo thể vùng (zone) có SIRSG = -10 dB < dB theo giá trị ngưỡng kết thể hình (b) Nếu xét đến điều kiện SIR cự ly tối đa đạt 8.2 km, thấp đáng kể so với xét tiêu SNR Như tăng cự ly vượt 8.2 km, điều kiện ngưỡng SIR công thức (11) không đảm bảo Kết Hình (b) SIR cho thấy tăng cự ly lên both 8.4 km dẫn đến điều kiện ngưỡng SIR SIR both S ,G  12,12 = 1dB miền SF12 (nghĩa vùng cự ly 5R/6 → R xa Gateway nhất) không đảm bảo Lý suy hao truyền dẫn tăng tăng cự ly truyền dẫn đến cơng suất tín hiệu nhận G giảm, làm giảm tỷ lệ SIR công thức (4) 20 15 SNRSG (dB) 10 -5 -10 -15 -20 10 D (km) Hình SNR S G theo cự ly truyền 25 30 25 20 15 SG (dB) 15 10 SIR SIRSG (dB) 20 10 5 -5 Network Zone -10 (a) Network zone (b) Hình (a) Kết SIR cự ly truyền tối đa 8.2 km (b) Kết SIR cự ly 8.4km (xa cư ly truyền tối đa) Hình kết tính cự ly truyền dẫn tối đa với vị trí trạm lặp đặt để thỏa mãn điều kiện SIR SNR trông công thức (6) (9) Theo kết cự ly truyền tối đa đạt trạm lặp 8.2 km vị trí trạm lặp khơng thể đặt xa 8.2 km Dó đó, hình khảo sát với vị trí trạm lặp nhỏ 8.2km Thuật toán phần 3.1 tìm tất cự ly truyền tối đa ứng với vị trí trạm lặp khoảng 8.2 km Từ kết cho thấy 273 Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue (04/2021), 264-276 cự ly tối đa mạng LoRa đạt 12.72 km ví trí trạm lặp xR = 6.6 km Kết tăng lên đáng kể so với cự ly 8.2 km không dùng trạm lặp Tại vị trí xR = km, ta khảo sát đến DSG > 10 km điều kiện ngưỡng (cho chặng RG, lúc có dRG > km) không thỏa mãn nên cự ly truyền lớn DSG 10 km Cần lưu ý khoảng cách mơ hình mạng tuân theo hình 1, nên kết khơng xét đến cự ly mà cịn xét đến vị trí trạm lặp thuộc SF ứng với cự ly bảng Vị trí trạm lặp gần G cơng suất phát thấp mức ngưỡng qo cao Phân tích cụ thể kết Hình ta nhận thấy, tăng vị trí đặt trạm lặp xa S ( nghĩa xR > 6.6 km) suy hao truyền dẫn từ S đến R lớn làm giảm cơng suất tín hiệu hiệu có ích dẫn đến ảnh hưởng co-SF inter-SF nghiêm trọng nên giảm cự ly truyền tối đa đạt được, xR > 7.8 km điều kiện ngưỡng SIR khơng cịn thỏa mãn Để làm rõ ảnh hưởng nhiễu co-SF inter-SF, Hình kết cự ly truyền tối đa xét điều kiện SNR công thức (6), nghĩa không xét đến nhiễu co-SF inter-SF Kết cho thấy nhiễu co-SF inter-SF không gây ảnh hưởng nhiều đến cự ly truyền tối đa ảnh hưởng đến vị trí đặt trạm lặp tăng vị trí đặt trạm lặp xa S suy hao truyền dẫn từ S đến R lớn làm giảm công suất thu R dẫn đến ảnh hưởng coSF inter-SF nghiêm trọng Nếu xét đến điều kiện ngưỡng SNR, đặt vị trí trạm lặp lên tới 9.8 km so với 7.8 km xét đến ảnh hưởng nhiễu co-SF inter-SF Hình Cự ly truyền dẫn tối đa với vị trí đặt trạm lặp khác xét điều kiện SIR SNR 274 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 72, Số (04/2021), 264-276 Hình Cự ly truyền dẫn tối đa với vị trí đặt trạm lặp khác xét điều kiện ngưỡng SNR Hình Kết SNR với vị trí đặt trạm lặp khác cự ly truyền 10 km Hình kết SNR với vị trí đặt trạm lặp khác cự ly truyền 10 km Để đảm bảo điều kiện ngưỡng SNR (6) vị trí trạm lặp đặt khoảng từ km đến 9.8km Tuy nhiên, xét đến điều kiện SIR cơng thức (6) vị trí trạm lặp đặt khoảng từ km đến 6.17 km so với S Tương tự, áp dụng với cự ly truyền 12 km vị trí trạm lặp đặt vị trí từ km đến km so với S KẾT LUẬN Bài báo sử dụng cấu hình mạng LoRa gồm vùng SFk mơ hình kênh truyền Rayleigh để phân tích tín hiệu tính tốn số chất lượng hệ thống gồm SNR, SIR Căn vào điều kiện ngưỡng SNR SIR mạng LoRa xét vùng SF (co-SF) vùng SF (inter-SF), cự ly truyền dẫn tối đa vị trí trạm lặp tính tốn Các kết cho thấy việc đặt thêm trạm lặp vị trí phù hợp mở rộng phạm vi truyền mạng LoRa Các kết thuật toán đề xuất báo áp dụng q trình quy hoạch thiết kế mạng LoRa ban đầu trước triển khai thực tế LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Trường đại học Giao thông vận tải đề tài mã số T2020-DT-004 Tác giả xin chân thành cảm ơn Công ty cổ phần thiết bị quan trắc địa kỹ thuật môi trường Việt Nam hỗ trợ trình thực nghiên cứu thực nghiệm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A Mahmood et al., Scalability Analysis of a LoRa Network Under Imperfect Orthogonality, IEEE Transactions on Industrial Informatics, 15 (2019) 1425-1436 https://doi.org/10.1109/TII.2018.2864681 [2] R El Chall, S Lahoud, M El Helou, LoRaWAN Network: Radio Propagation Models and Performance Evaluation in Various Environments in Lebanon, IEEE Internet of Things Journal, (2019) 2366-2378 https://doi.org/10.1109/JIOT.2019.2906838 [3] Orestis Georgiou, Usman Raza, Low Power Wide Area Network Analysis: Can LoRa Scale?, IEEE Wireless Communications Letters, (2017) 162-165 https://doi.org/10.1109/LWC.2016.2647247 275 Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue (04/2021), 264-276 [4] D Bankov, E Khorov, A Lyakhov, Mathematical model of LoRaWAN channel access with capture effect, 2017 IEEE 28th Annual International Symposium on Personal, Indoor, and Mobile Radio Communications (PIMRC), 2017, pp 1-5 https://doi.org/10.1109/PIMRC.2017.8292748 [5] D Croce et al., Impact of LoRa Imperfect Orthogonality: Analysis of Link-Level Performance, IEEE Communications Letters, 22 (2018) 796-799 https://doi.org/10.1109/LCOMM.2018.2797057 [6] Lain-Chyr Hwang et al., A bridge between the smart grid and the Internet of Things: Theoretical and practical roles of LoRa, International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 113 (2019) 971-981 https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2019.06.001 [7] H Lee, K Ke, Monitoring of Large-Area IoT Sensors Using a LoRa Wireless Mesh Network System: Design and Evaluation, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 67 (2018) 2177-2187 https://doi.org/10.1109/TIM.2018.2814082 [8] J Petajajarvi et al., On the coverage of LPWANs: range evaluation and channel attenuation model for LoRa technology, 14th International Conference on ITS Telecommunications (ITST), 2015, pp 5559 https://doi.org/10.1109/ITST.2015.7377400 [9] P A Campos et al., Evaluation of LoRaWAN Transmission Range for Wireless Sensor Networks in Riparian Forests, 22nd International ACM Conference on Modeling, 2019, pp 199-206 https://doi.org/10.1145/3345768.3355934 [10] T H Nguyen et al., Performance Analysis and Optimization of the Coverage Probability in Dual Hop LoRa Networks With Different Fading Channels, IEEE Access, (2020) 107087-107102 https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.3000600 [11] L Parri et al., Offshore LoRaWAN Networking: Transmission Performances Analysis Under Different Environmental Conditions, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement Early Access, 2020, pp 1-1 https://doi.org/10.1109/TIM.2020.3031193 [12] A Hoeller et al., Analysis and Performance Optimization of LoRa Networks With Time and Antenna Diversity, IEEE Access, (2018) 32820-32829 https://doi.org/ 10.1109/ACCESS.2018.2839064 276 ... (04/2021), 264-276 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải ƯỚC LƯỢNG CỰ LY TRUYỀN DẪN TRONG MẠNG LoRa HAI CHẶNG DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU GIỮA CÁC THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI Cồ Như Văn*, Đỗ Việt Hà, Nguyễn Thanh Hải... tốn cự ly truyền dẫn Ứng dụng ước lượng cự ly truyền [6] áp dụng cho mạng LoRa chặng với thơng số đầu vào gồm tần số sóng mang, hệ số suy hao, hệ số SF nhiễu AWGN [6] Tuy nhiên cự ly truyền dẫn. .. trí đặt trạm lặp mạng LoRa hai chặng Không giống nghiên cứu khác xét đến suy hao nhiễu tạp âm ước lượng cự ly truyền, báo phân tích loại nhiễu mạng LoRa gồm nhiễu thiết bị vùng SF (Spreading