Giao th c LoRa s giúp k t nứ ẽ ế ối, trao đổ ữ liệi d u v i sensor, mã hoá d u và ớ ữ liệ truyền lên Network Server như hình 2.3.
LoRa nằm ở ớ l p v t lý c a mô hình OSI. Chậ ủ ức năng chính của nó th c hi n là ự ệ điều ch (modulation), biế ến đổi gi a tín hi u s ữ ệ ố (digital data) của thi t b (sensor) và các ế ị tín hiệu tương ứng được truy n qua kênh truy n (communication channel) ề ề
2.2.3 C u trúc gói tin ấ
2.2.3.1 C u trúc gói tin g ấ ửi đi
M t gói tin truyộ ền không dây thường có c u trúấ c được mô t ả như trong hình 2.4, v ề cơ bản thì nó thường g m có b n thành ph n chính là: preamble, header, payload và CRC. ồ ố ầ
Preamble Header Payload CRC
Hình 2.4: C u trúc m t gói tin không dây ấ ộ a) Preamble
Byte u tiên c a khung truy n là mđầ ủ ề ột dãy bit được s dử ụng để xác định m c logic 0 ứ ho c 1 c a gói tin truyặ ủ ền đi. Nếu bit đầu tiên trong địa ch là 1 thì nó được thiế ập một t l cách tự độ ng là 10101010 và nếu bit đầu tiên là 0 thì nó được thiết lập là 01010101.
Đây là địa ch c u hình cho bên phát và nhấ ận. Thông qua địa ch ta biết được gói tin có phải của mình hay không. Địa ch s d ng ử ụ ở đây được đánh t 3 đếừ n 5 bytes.
c) Payload
Đây là nơi chứa d li u c a gói tin. D li u nh nh t là 0 byte và l n nh t là 32 byte. ữ ệ ủ ữ ệ ỏ ấ ớ ấ Tùy thu c vào nhu c u cộ ầ ủa ngư i sử ụờ d ng.
d) Payload CRC.
CRC là viết tắt của Cyclic Redundancy Check là m t loộ ại hàm băm, được dùng để sinh ra giá tr ki m th , c a m t chu i bit có chiị ể ử ủ ộ ỗ ều dài ngăn và cố đị nh, c a các gói tin v n ủ ậ chuy n qua m ng hay m t kh i nh c a t p d ể ạ ộ ố ỏ ủ ệ ữ liệu. CRC là cơ chế phát hi n l i gói và ệ ỗ đượ ử ục s d ng r t ph bi n, vì nó rấ ổ ế ất đơn giản để ắp đặ l t trong các máy tính s d ng h ử ụ ệ cơ số nh phân, d ị ễ dàng phân tích đúng và r t phù h p. ấ ợ
2.2.3.2 C u trúc gói tin ACK ấ
C u trúc gói tin ack tr v t ấ ả ề ừ phía thu được mô t ả như trong hình 2.5, c u trúc c a nó ấ ủ cũng giống như của gói tin gửi đi đó là gồm 4 ph n: preamble, header, n i dung ack và ầ ộ CRC.
Preamble Header ACK CRC
Hình 2.5: C u trúc gói tin ack ấ a) Preamble
Byte đầu tiên c a khung truy n là mủ ề ột dãy bit được s dử ụng để xác định m c logic 0 ứ ho c 1 c a gói tin truyặ ủ ền đi. Nếu bit đầu tiên trong địa ch là 1 thì nó được thiế ập một t l cách tự độ ng là 10101010 và nếu bit đầu tiên là 0 thì nó được thiết l p là 01010101. ậ
b) Header
Đây là địa ch c u hình cho bên phát và nhấ ận. Thông qua địa ch ta biết được gói tin có phải của mình hay không. Địa ch s d ng ử ụ ở đây được đánh t 3 đếừ n 5 bytes.
c) ACK
Đây là nơi chứa d li u ACK c a gói tin. D li u nh nh t là 0 byte và l n nh t là 32 ữ ệ ủ ữ ệ ỏ ấ ớ ấ byte. Tùy thu c vào nhu c u cộ ầ ủa ngư i sử ụờ d ng.
CRC là viết tắt của Cyclic Redundancy Check là m t loộ ại hàm băm, được dùng để sinh ra giá tr ki m th , c a m t chu i bit có chi u dài ng n và c nh, c a các gói tin v n ị ể ử ủ ộ ỗ ề ắ ố đị ủ ậ chuy n qua m ng hay m t kh i nh c a t p d ể ạ ộ ố ỏ ủ ệ ữ liệu. CRC là cơ chế phát hi n l i gói và ệ ỗ đượ ử ục s d ng r t ph bi n, vì nó rấ ổ ế ất đơn giản để ắp đặ l t trong các máy tính s d ng h ử ụ ệ cơ số nh phân, d ị ễ dàng phân tích đúng, và rất phù h p. ợ
2.2.4 Băng tần
n t i, WAN ho ng trong d i t n s c s d ng. M i cá nhân,
Hiệ ạ Lora ạt độ ả ầ ố chưa đượ ử ụ ọ
t ổ chức có th s d ng d i t n này cho mể ử ụ ả ầ ục đích nghiên cứu, phát triển, thương mại mà không ph i tr phí khai thác. Tả ả ương tự như WiFi, sử ụng băng tầ d n ISG 2,4 GHz và 5GHz, b t c ấ ứ ai cũng được phép thiết l p b nh tuy n WiFi và truy n tín hi u WiFi mà ậ ộ đị ế ề ệ không c n ầ được c p phép. ấ LoraWAN s d ng d i t n s 863-870 MHz và 433 MHz ử ụ ả ầ ố cho kho ng cách truy n xa. ả ề
Hình 2.6: Băng tần LoRa trên th gi i ế ớ
Hình 2.6 miêu tả chi tiết băng tần truyền nhận của LoRa ở các quốc gia trên thế giới. Ta có thể thấy sự khác nhau ở các khu vực, các châu lục. Điều này xảy ra là do tránh việc xung đột băng tần cũng như phụ thuộc vào ứng dụng của LoRa triển khai tại các khu vực khác nhau mà băng tần có sự khác nhau. Cụ thể như sau:
B ng 2.1ả : Băng tần s d ng LoRa ử ụ ở các quốc gia, vùng lãnh th ổ Khu vực Tần số (Mhz) Bắc Mỹ 315, 915 Châu Âu 433, 868 Nam Phi 433 Đông Á 315, 426 Nam, Tây Á 315, 433
Châu Đại Dương 433, 915
B ng 2.1 li t kê các d i t n s LoRa ả ệ ả ầ ố ở các khu v c khác nhau trên th gi i. ự ế ớ Ở Bắc Mỹ, Châu Âu, Châu Đại Dương có xu hướng s d ng t n s l n (868, 915 Mhz). Các ử ụ ầ ố ớ vùng còn lại sử ụ d ng t n s nh ầ ố ỏ hơn (315 – 433Mhz)
u Âu: WAN s d ng b n 868 MHz. 3 kênh ng
Ở châ Lora ử ụ ăng tầ Có 125 kHz thườ
đượ ử ụng cho băng tầc s d n 868 MHz (868.10, 868.30 và 868.50 MHz). T t c các thi t ấ ả ế b thu phát ị Lora ph i h ả ỗ trợ các kênh này. Chúng t o thành t p h p các kênh mà t t c ạ ậ ợ ấ ả thi t bế ị đề u có th s dể ử ụng để ế ố k t n i với mạng.
T i Hoa K , ạ ỳ LoraWAN hoạt động trong d t n s 902-928 MHz. Không gi ng ải ầ ố ố Châu Âu, các d i t n M ả ầ ở ỹ quy định Uplink và Downlink. Dải được chia thành 8 d i ph ả ụ có mỗi kênh có đường truy n lề ên đến 8x125 kHz, kênh Uplink 1x500 kHz và Downlink 1x500 kHz.
T i Úc s dạ ử ụng băng tần 915-928 MHz. Băng tần này có đặc điểm khá giống như băng tần 902-928 MHz c a M , ch khác là t n s Uplink củ ỹ ầ ố ủa nó cao hơn.
T i Trung Quạ ốc, nước này s dử ụng hai băng tần khác nhau: Băng tần 779-787 MHz hoạt động tương tự như các dải châu Âu, cũng có ba kênh thông thường 125 kHz (779,5, 779,7 và 779,9 MHz). Băng tần 470-510 MHz c a Trung Qu c hoủ ố ạt động tương tự như các băng tần c a Mỹ. Có 96 kênh Uplink và 48 kênh Downlink. ủ
Tại Châu Á, băng tần LoRa được s d ng theo tiêu chu n CN470-510, AS920-ử ụ ẩ 923, AS923-925, c ụ thể như bảng 2.2 :
B ng 2.2: T n s s d ng LoRa tả ầ ố ử ụ ại mộ ố nướt s c Châu Á
Tiêu chu n ẩ Tần số (Mhz) Quốc gia
CN470-510 486.3 487.7 – Trung Quốc
AS920-923 923.2 921.8 – Nhật Bản, Malaysia,
Singapore
AS923-925 923.2 924.8 – Brunei, Campuchia, H ng ồ
Kông, Indonesia, Lào, Đài Loan, Thái Lan và Việt
Nam 2.2.5 Trải phổ tín hi u ệ 2.2.5.1 Lý thuyết trải phổ Hartley: Định lý Shannon –
Trong lý thuyết thông tin, định lý Shannon – Hartley xác định tốc độ tối đa mà thông tin có thể truyền được qua kênh truyền có một băng thông xác định. Định lý xác định công suất kênh Shannon cho một liên kết truy ền thông và xác định tốc độ dữ liệu tối đa (thông tin) có thể truyền đi trong một băng thông quy định với sự xuất hiện của nhiễu.[12] 2 *log (1 S) C B N = + (2.1) Trong đó:
C = dung lượng kênh truyền (bit/s) B = băng thông kênh truyền (Hz)
S = công suất trung bình tín hiệu truyền đi (Watts) N = công suất trung bình của nhiễu (Watts)
S/N = t số tín hiệu trên nhiễu (SNR) thể hiện dưới dạng t số công suất tuyến tính Bằng cách sắp xếp lại phương trình ( 1), chuyển log cơ số 2 sang log cơ số e: ln = log2. e
1.433*
C S
B= N (2.2)
Đối với các ứng dụng trải phổ, t lệ nhiễu tín hiệu rất nhỏ, vì công suất tín hiệu thường dưới mức nhiễu sàn. Giả sử t số nhiễu S/N << 1, phương trình ( 2) có thể được viết lại 2. như sau:
C S B N hay
N B
S C (2.3)
Từ phương trình ( 3) có thể thấy rằng để truyền sai lệch thông tin tự do trong một kênh 2. có t lệ nhiễu tín hiệu cố định, ta ch cần tăng băng thông truyền tín hiệu.
Nguyên tắc trải phổ:
Như đã đề cập ở trên, bằng các tăng băng thông của tín hiệu chúng ta có thể bù đắp cho sự suy thoái của tỷ số tín hiệu trên nhiễu của một kênh vô tuyến.
Trong các hệ thống DSSS (trải phổ chuỗi trực tiếp) truyền thống, sóng mang thay đổi theo một chuỗi mã. Quá trình này thường đạt được bằng cách nhân tín hiệu dữ liệu với một mã lan truyền, được gọi là chuỗi chip. Chuỗi chip xảy ra ở một tốc độ nhanh hơn nhiều so với tín hiệu dữ liệu và do đó trải rộng băng thông tín hiệu vượt ra ngoài băng thông gốc chiếm bởi tín hiệu gốc ban đầu. Thuật ngữ chip được sử dụng để phân biệt các bit ngắn được mã hoá từ các bit dài không được mã hoá của tín hiệu thông tin. 2.2.5.2 Trải phổ LoRa
u ch nh m t i nh ng v n h ng DSSS
Việc điề ế Lora ắ ớ ữ ấn đề liên quan đế ệ thố để đưa
ra một gi i pháp thay th sao cho giá thành th p, tiêu th ả ế ấ ụ ít năng lượng và tuy nhiên v n ẫ m nh m so v i các k ạ ẽ ớ ỹ thuật giao ti p thông tin trế ải phổ truy n th ng. [13] ề ố
Trong điều ch Lora, s i ph ế ự trả ổ được th c hi n nh vi c t o ra m t tín hi u chirp ự ệ ờ ệ ạ ộ ệ biến đổi liên t c v t n s . M t th m nh c a vi c th c hiụ ề ầ ố ộ ế ạ ủ ệ ự ện phương pháp trên là offset thời gian và t n s bên phát và bên nhầ ố ận là tương đương nhau, giả thiểu đáng kể độ phức t p trong thiạ ết kế ủ c a khối thu. Băng thông của tín hiệu chirp đó là tương đương với tín hi u c n thu. ệ ầ
D u c n g i s ữ liệ ầ ử ẽ được làm v nhi u m nh t i m t tỡ ề ả ạ ộ ốc độ ữ liệu cao hơn rồi d được đi u ch trên tín hi u chirp. ề ế ệ
M i quan h gi a tố ệ ữ ốc độ bit d u mong mu n, tữ liệ ố ốc độ ký hi u (symbol rate) và ệ tốc độ phá v ỡ (chip rate) cho điều ch Lora có th ế ể được mô t ả như sau:
1 / sec 2 W b SF R SF bit B = (2.4) Trong đó: Rb: tốc đ ộ bit điều ch ế
SF: y u t ế ố trải phổ BW: băng thông (Hz)
Tiếp theo, ra định nghĩa chu kì ký hiện là Ts, được tính theo công th c: ứ 2 sec W SF s T s B = (2.5) Vì thế ốc độ, t ký hi u ệ Rslà nghịch đ o c a ả ủ Ts: 1 W / sec 2 s SF s B R symbols T = = (2.6)
Cuối cùng ta có th ể định nghĩa tốc độ phá v là ỡ Rc dưới dạng: 2SF / sec
c s
R =R chips (2.7)
Như có thể thấy, công th c trên cung c p m t mô t ứ ấ ộ ả rõ ràng là: “ ỗm i m t mảnh được gửi ộ m i giây mỗ ỗi Hz của băng thông”
2SF / sec c s R =R chips (2.8) W 2 / sec 2 SF c SF B R = chips (2.9)
Điều ch ế Lora cũng bao gồm m t n n t ng hi u ch nh l i biộ ề ả ệ ỗ ến đổi giúp c i thiả ện được tính vững ch c c a tín hiắ ủ ệu được truy n. ề
Vì vậy ta có th ể định nghĩ tốc đ ộ bit quy định c a tín hiệủ u d liữ ệu như sau: 4 4 R 2 W b SF C R SF B + = (2.10)
Trong đó SF: nhân t ố trải phổ
CR: ốc đột mã hóa (code rate) BW: băng thông
Nếu ta định nghĩa Rate Code là 4 4+CR Thì ta có thể ế vi t lại công th c tốứ c đ bit là: ộ eCod / sec 2 W b SF Rat e R SF bits B = (2.11) 2.2.6 Điều ch và tế ốc độ truyền dữ liệ u
Trong h u hầ ết các trường h p, ợ LoraWAN s dử ụng phương thức điều ch Lora. ế Điều ch ếLora dựa trên công ngh Chirp Spread Spectrum (CSS), làm cho nó ho t đ ng ệ ạ ộ tốt với nhiễu kênh, hi u ệ ứng fading đa đường và hi u ng Doppler, dù hoệ ứ ạ ột đ ng mở ức năng lượng th p. [14] ấ
Tốc độ truy n d u ph ề ữ liệ ụ thuộc vào băng thông và hệ ố s truy n lan (Spreading ề Factor). LoraWAN có th s dể ử ụng các kênh có băng thông từ 125 kHz, 250 kHz hoặc 500 kHz, tùy thu c vào khu v c. H s lan truyộ ự ệ ố ền được ch n b i thi t b u cu i vọ ở ế ị đầ ố à ảnh hưởng đến th i gian c n thi t đ truy n khung. ờ ầ ế ể ề
Các đặc tính chính của điều ch LoRa ế
- Băng thông có thể ở ộ m r ng: điều ch LoRa có th m r ng c ế ể ở ộ ả băng thông lẫ ần t n s . Nó có th s d ng c trong d i t n s h p và d i t n s r ng. Không giố ể ử ụ ả ả ầ ố ẹ ả ầ ố ộ ống như việc đ ềi u ch d i h p và d i rế ả ẹ ả ộng đã có, LoRa có th d ể ễ dàng điều ch nh ch n mọ ột trong hai phương thức trên ch v i vài thao tác ớ thay đổi đăng kí cấu hình.
- Đường bao hằng / Năng lượng thấp: Tương tự như FSK, LoRa sử ụng điề d u ch ế đường bao h ngằ , có nghĩa là cùng m t chi phí thộ ấp và giai đoạn PA có công su t ấ s dử ụng năng lượng th p có th ấ ể được s d ng l i mà không cử ụ ạ ần thay đổi. Ngoài ra, nh vi c x lý k t h p c a LoRa, công suờ ệ ử ế ợ ủ ất đầu ra c a máy phát có th ủ ể được gi m so v i m t liên kả ớ ộ ết FSK thông thường trong khi duy trì được mức năng lượng sẵn có tương tự ậm chí hơn. th
- Độ ữ v ng ch c cao: Do BT > 1 và b n chắ ả ất không đồng b c a nó nên tín hiộ ủ ệu Lora r t b n v i các tín hi u nhi u c trong và ngoài d i. Vì chu k ký hi u Lora ấ ề ớ ệ ễ ả ả ỳ ệ có th ể dài hơn so vớ ụi c m th i gian ng n c a h ờ ắ ủ ệ thống FHSS, nó cung c p mấ ột h ệ miễn d ch tuy t v i vị ệ ờ ới những cơ chế nhi u AM. ễ
- Đa đường d n/ ch ng Fading: Tín hi u chirp có dẫ ố ệ ải sóng tương đối r ng nên Lora ộ có th ể miễn nhi m v i các hiễ ớ ện tượng đa đường và fading, khi n Lora tr nên lý ế ở tưởng khi s d ng trong thành ph và vùng ngoử ụ ố ại ô, nơi mà chủ ế y u x y ra các ả hiện tượng trên.
- S kháng l i Doppler: s d ch chuy n Doppler gây ra s ự ạ ự ị ể ự thay đổi t n s nh ầ ố ỏ trong xung LoRa. D ch chuy n Doopler t o ra m t khe t n s nh ị ể ạ ộ ầ ố ỏ ở xung c a Lora, mủ ột khe không đáng ể k trên tr c th i gian c a tín hiụ ờ ủ ện băng thông cơ sở. Lora là lý tưởng cho những đường truy n giao ti p d ề ế ữ liệu di động như hệ ố th ng không dây giám sát áp su t l p xe, hay nhấ ố ững máy đọc nhãn nh g n và thông d ng, h ỏ ọ ụ ệ thống giao ti p cho h tế ạ ầng đường s ắt.
- Khả năng dả ội r ng: V i mớ ột năng lượng đầu ra và thông lượng đã được c nh, ố đị năng lượng s n có c a Lora trẵ ủ ội hơn so với phương thức truy n th ng FSK. Khi ề ố hoạt động có nhi u và fading d a trên s v ng chễ ự ự ữ ắc đã được ch ng minh, s cứ ự ải thiện v ề năng lượng s n có có th ẵ ể tăng dải hoạt động c a nó lên 4 l n hoủ ầ ặc hơn thế.
- Dung lượng mạng tăng: Điều ch Lora Semtech dùng các h s i ph ế ệ ố trả ổ trực giao