Tải bản đầy đủ

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

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
KHOA VIỄN THÔNG 1
----------

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

Lớp

: D14CQVT01

Khóa

: 2014 - 2019

Hệ đại học : Chính quy


Hà Nội - 2018


LỜI CẢM ƠN
Để luận văn này đạt kết quả tốt đẹp, em đã nhận được sự hỗ trợ, giúp đỡ của
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 ơn
sâu 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!

Vũ Thị Ngọc Dung - D14VT1

1


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT...............................................iv
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
Vũ Thị Ngọc Dung - D14VT1

2


2.4. Kỹ thuật ADR..................................................................................................12
2.5. Mạng LoRaWAN.............................................................................................12
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

Vũ Thị Ngọc Dung - D14VT1

3


DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

ADR

Adaptive Data Rate

Đáp ứng tốc độ dữ liệu

CR

Code Rate

Tốc độ mã hóa

CRC

Cyclic redundancy check

Kiếm tra dư thừa chu kỳ

CSS

Chirp spread spectrum

Chirp trải phổ

FHDR

Frame Header

Tiêu đề khung

FRMPayload

Frame Payload

Tải trọng khung

FSK

Frequency Shift Keying

Khóa dịch tần

IoT

Internet of Things

Vạn vật kết nối

LAN

Local Area Network

Mạng máy tính cục bộ

LoRaWAN

Long Range Wide Area
Network

Mạng diện rộng vùng phủ lớn

LPWAN

Low Power Wide Area Network

Mạng diện rộng công suất thấp

MHDR

MAC Header

Tiêu đề lớp MAC

MIC

Messager Identify Code

Mã toàn vẹn bản tin

PHDR

Physical Header

Tiêu đề lớp vật lý

PHY

Physical

Lớp vật lý

SF

Spreading Factor

Hệ số trải phổ

SNR

Signal Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

RPMA

Random Phase Multiple Access

Đa truy nhập pha ngẫu nhiên

Vũ Thị Ngọc Dung - D14VT1

4


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Lịch sử của LPWAN......................................................................................1
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

Vũ Thị Ngọc Dung - D14VT1

5


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1: Các thông số cài đặt của LoRa và ảnh hưởng của nó........................................3
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

Vũ Thị Ngọc Dung - D14VT1

6


LỜI MỞ ĐẦU
Điện thoại thông minh sử dụng rất nhiều năng lượng để gửi nhiều dữ liệu hơn so
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 giám
sát 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”.

Vũ Thị Ngọc Dung - D14VT1

7


Chương 1: Tổng quan về LPWAN

Đồ án tốt nghiệp Đại học

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

Vũ Thị Ngọc Dung - D14VT1

1


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về LPWAN

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 lớn
các 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.

Vũ Thị Ngọc Dung - D14VT1

2


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về LPWAN

Hình 1.2: Các nước triển khai LoraWan trên thế giới

Vũ Thị Ngọc Dung - D14VT1

3


Chương 1: Tổng quan về LPWAN

Đồ án tốt nghiệp Đại học

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 cảm
biến 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.
Vũ Thị Ngọc Dung - D14VT1

4


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về LPWAN

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

Các đặc trưng của LPWAN bao gồm:
Vũ Thị Ngọc Dung - D14VT1

5


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về 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 tạo
thành 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.

Vũ Thị Ngọc Dung - D14VT1

6


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về LPWAN

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 hoặc
không 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 510km 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.
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.

Vũ Thị Ngọc Dung - D14VT1

7


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về LPWAN

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 tốn
kém do chi phí dịch vụ hoạt động (ví dụ: xe tải, nhiên liệu…) và các khu vực lưu trữ bị
giới 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 nguồn
đến 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
Vũ Thị Ngọc Dung - D14VT1

8


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về LPWAN

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.
1.3. Tổng kết chương 1
Từ những nội dung đã trình bày ở trên, có thể tóm tắt lại các nội dung chính của
chương 1 như sau:
 Tổng quan về LPWAN: Lịch sử phát triển của LPWAN, định nghĩa khái
quát ,đặc trưng của LPWAN,phân loại LPWWAN như Sigfox ,RPMA, Lora.
 Các ứng dụng của LPWAN trong Iot như trong lĩnh vực nông nghiệp, y tế,
giao thông.
Mục đích chính của chương 1 tổng quát những kiến thức cơ bản về LPWAN.

Vũ Thị Ngọc Dung - D14VT1

9


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 2: Các kỹ thuật được ứng dụng trong LPWAN

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 ra
một 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.

Vũ Thị Ngọc Dung - D14VT1

10


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 2: Các kỹ thuật được ứng dụng trong LPWAN

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

Vũ Thị Ngọc Dung - D14VT1

11


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 2: Các kỹ thuật được ứng dụng trong LPWAN

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 máy
nhận 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 chính
xác 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
Vũ Thị Ngọc Dung - D14VT1

12


Chương 2: Các kỹ thuật được ứng dụng trong LPWAN

Đồ án tốt nghiệp Đại học

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 hợp
với công suất thấp và truyền dẫn tầm xa.
2.2.2. Các thông số của lớp vật lý
Các thông số dùng để tùy chỉnh điều chế LoRa bao gồm: Băng thông (BW), hệ
số trải phổ (SF) và tốc độ mã hóa (CR).
Bảng 1: Các thông số cài đặt của LoRa và ảnh hưởng của nó

Thông số cài

Giá trị

đặt
Băng thông

Ảnh hưởng

125, …, 500

Cần có băng thông cao hơn để truyền dữ liệu ở

kHz

tốc độ cao (1 kHz = 1 kcps). Tuy nhiên, việc
tăng tham số này làm giảm phạm vi kết nối và
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 nhiễu
sóng tại các gói tin dài. Tuy nhiên cũng tiêu thụ
điện năng nhiều hơn.

Công suất

-4, …, 20 dBm

truyền tải

Tăng công suất truyền tải giúp tăng tỉ lệ tín hiệu
trên tạp âm, và cũng tiêu thụ nhiều năng lượng
hơn.

Vũ Thị Ngọc Dung - D14VT1

13


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 2: Các kỹ thuật được ứng dụng trong LPWAN

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 tần Nó 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 hiệu và tốc độ
của chip. Nó có thể được đặt giá trị từ 6 đến 12 trong LoRa. Trên mỗi SF, có 2 SF 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 lớn
giúp 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.

Vũ Thị Ngọc Dung - D14VT1

14


Chương 2: Các kỹ thuật được ứng dụng trong LPWAN

Đồ án tốt nghiệp Đại học

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:

Preamble

PHDR

PHDR_CRC

PHYPayload

CRC

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 Downlink
như sau:

Preamble

PHDR

PHDR_CRC

PHYPayload

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

Vũ Thị Ngọc Dung - D14VT1

15


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 2: Các kỹ thuật được ứng dụng trong LPWAN

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

4/5

0

0

4/6

0

1

4/7

1

2

4/8

1

3

Theo bảng trên ta thấy FEC chỉ hiệu quả đối với tốc độ 4/7. Với tốc độ 4/8 chỉ cải
thiện khả năng phát hiện lỗi chứ không cải thiện được khả năng sửa lỗi. Tốc độ 4/5
không có lợi ích gì so với việc không dùng FEC, tốc độ 4/6 cũng chỉ tăng khả năng
phát hiện sai chứ không tăng khả năng sửa lỗi. Do đó để tăng khả năng sửa lỗi thực tế,
tốc độ mã hóa ít nhất phải là 4/7. Tuy nhiên với mã hóa sử FEC với tốc độ 4/7 làm
tăng 75% độ dài payload so với không mã hóa.

Vũ Thị Ngọc Dung - D14VT1

16


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 2: Các kỹ thuật được ứng dụng trong LPWAN

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 một
băng 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=

(2.4)
C=

(2.5)

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

Vũ Thị Ngọc Dung - D14VT1

17


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×