Tải bản đầy đủ

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

ĐỒ ÁN
NGHIỆP

TỐT

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

Giảng viên hướng dẫn: T.S Nguyễn Đức Thủy
Sinh viên thực hiện: Vũ Thị Ngọc Dung
Mã sinh viên: D14CQVT01


NỘI DUNG CHÍNH
Tổng quan về LPWAN

Các kỹ thuật được ứng dụng trong LPWAN

Đánh giá hiệu năng của LPWAN dựa trên công

nghệ LORA


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ
LPWAN
1.1.

• Khái niệm

2.2.

• Các đặc trưng

2.3.

• Phân loại


CHƯƠNG 1. TỔNG
QUAN VỀ LPWAN
1.1.

• Khái niệm

2.2.

• Các đặc trưng

2.3.

• Phân loại

“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 trong khoảng 0.3 kbit/s đến
50 kbit/s trên mỗi kênh.”




CHƯƠNG 1. TỔNG
QUAN VỀ LPWAN

Kết nối tầm xa

1.1.

• Khái niệm

Công suất thấp

2.2.

• Các đặc trưng

Chi phí triển khai và hoạt động thấp

2.3.

• Phân loại
Tin cậy và mạnh mẽ


CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN VỀ
LPWAN
1.1.

• Khái niệm

Sigfox

2.2.

• Các đặc trưng

RPMA

2.3.

• Phân loại

LORA


CHƯƠNG 2. CÁC KỸ THUẬT
ĐƯỢC
ỨNG DỤNG TRONG LPWAN
2.1.
2.2.
2.3.

• Tổng quan về LoRa
• Kỹ thuật điều chế
• Cấu trúc mạng LoRaWAN


CHƯƠNG 2. CÁC KỸ
THUẬT ĐƯỢC
ỨNG DỤNG TRONG
LPWAN

2.1.
2.2.
2.3.

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

• Tổng quan về LoRa
• Kỹ thuật điều chế
• Cấu trúc mạng LoRaWAN

Các thông số cấu hình trong LoRa:
- Băng thông
- Hệ số trải phổ
- Tốc độ mã hóa
- Công suất truyền tải


CHƯƠNG 2. CÁC KỸ
THUẬT ĐƯỢC
ỨNG DỤNG TRONG
LPWAN

2.1.
2.2.
2.3.

• Tổng quan về LoRa
• Kỹ thuật điều chế

 

Định lý Shannon: 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:

 

Giả sử mức tạp âm có S/N << 1, ta có thể biến
đổi thành:

• Cấu trúc mạng LoRaWAN
Có thể thấy rằng để truyền thông tin lỗi trên một
kênh truyền có tỷ số nhiễu trên tạp âm có định
thì chỉ băng thông tín hiệu phát cần tang lên.


CHƯƠNG 2. CÁC KỸ
THUẬT ĐƯỢC
ỨNG DỤNG TRONG
LPWAN

2.1.
2.2.
2.3.

• Tổng quan về LoRa
• Kỹ thuật điều chế
• Cấu trúc mạng LoRaWAN


CHƯƠNG 2. CÁC KỸ
THUẬT ĐƯỢC
ỨNG DỤNG TRONG
LPWAN

2.1.
2.2.
2.3.

• Tổng quan về 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.

 
Công thức tính tốc độ bit Rb:

• Kỹ thuật điều chế
• Cấu trúc mạng LoRaWAN

Đặc trưng của CSS:
- Băng thông có thể mở rộng:
- Khả năng chống đa đường / fading
- Khả năng chống lại hiệu ứng Doppler
- Cải tiến dung lượng mạng
- Phân loại/ địa phương hóa


CHƯƠNG 2. CÁC KỸ
THUẬT ĐƯỢC
ỨNG DỤNG TRONG
LPWAN

2.1.
2.2.
2.3.

• Tổng quan về LoRa
• Kỹ thuật điều chế
• Cấu trúc mạng LoRaWAN

LoRaWAN là giao thức truyền thông và kiến trúc hệ
thống của mạng trong khi LoRa là lớp vô tuyến vật lý
cho phép kết nối truyền thông tầm xa.


CHƯƠNG 2. CÁC KỸ
THUẬT ĐƯỢC
ỨNG DỤNG TRONG
LPWAN

2.1.
2.2.
2.3.

• Tổng quan về LoRa
• Kỹ thuật điều chế
• Cấu trúc mạng LoRaWAN


CHƯƠNG 2. CÁC KỸ
THUẬT ĐƯỢC
ỨNG DỤNG TRONG

• Tổng quan về LoRa

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

• Kỹ thuật điều chế

Class B: End-devices truyền nhận dữ liệu theo 2
hướng với việc tiếp nhận (receive slots) được thiết
lập theo lịch trình.

LPWAN

2.1.
2.2.
2.3.

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.

• Cấu trúc mạng LoRaWAN

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.


CHƯƠNG 3. ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA
LPWAN DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ LORA
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.

• Ảnh hưởng của Doppler
• Tốc độ thiết bị đầu cuối
• Khả năng bao phủ và dung lượng mạng
• Kết quả thực nghiệm


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

3.1.
3.2.
3.3.
3.4.

• Ảnh hưởng của Doppler
• Tốc độ thiết bị đầu cuối
• Khả năng bao phủ và dung lượng mạng
• Kết quả thực nghiệm


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

3.1.
3.2.
3.3.
3.4.

• Ảnh hưởng của Doppler
• Tốc độ thiết bị đầu cuối
• Khả năng bao phủ và dung lượng mạng
• Kết quả thực nghiệm

 
TLoRa=Tpreamble + Tpacket
=

Loại
điều
chế

Hệ
số
trải
ph

SF

Băng
thông
(kHz)

Kích thước
tối đa của
MACpayload
(bytes)

Kích
thước tối
đa của
FRMpayload
(bytes)

LoRa
LoRa
LoRa
LoRa
LoRa
LoRa
LoRa
GFSK

12
11
10
9
8
7
7
-

125
125
125
125
125
125
250
150

59
59
59
123
250
250
250
250

51
51
51
115
242
242
242
242

Thời
lượng
khung
ngắn nhất
của
downlink
(giây)
0.991
0.578
0.289
0.144
0.072
0.041
0.021
0.0032

Thời
lượng
khung dài
nhất của
downlink
(giây)
2.793
1.479
0.698
0.677
0.697
0.394
0.197
0.0421

Thời
lượng
khung
ngắn
nhất của
uplink
(giây)
1.155
0.578
0.289
0.144
0.082
0.041
0.021
0.0035

Thời
lượng
khung
ngắn
nhất của
uplink
(giây)
2.793
1.561
0.698
0.677
0.707
0.400
0.200
0.0424


CHƯƠNG 3. ĐÁNH
GIÁ HIỆU NĂNG CỦA

Dung lượng của một cell LoRaWAN
Loại cảm biến
 

LPWAN DỰA TRÊN
CÔNG NGHỆ LORA

Biển báo

Cảm biến giao
thông

3.1.
3.2.
3.3.
3.4.

Thời gian
trung bình
gửi bản tin

30 giây

60 giây

Kích thước
trung bình
bản tin (byte)

1

1

• Ảnh hưởng của Doppler
Cảm biến cho
ng cao tuổi

60 giây

127a

• Tốc độ thiết bị đầu cuối
Vật dụng trong
nhà

• Khả năng bao phủ và dung lượng mạng
• Kết quả thực nghiệm

Máy credit ở
các shop

Thiết bị an
ninh tại gia

Công tơ thông
minh

1 ngày

30 phút

10 phút

2.5 giờ

8

24

20

2017a

Cài đặt mạng

Số các thiết bị cuối trên mỗi cell

Số các kênh
Lora 125 kHz

Số các kênh
LoRa 250 kHz

Số các kênh GFSK

Số lượng tối đa với
điều kiện đồng bộ
hoàn hảo

Số lượng tối ưu với
truy cập ALOHA

3

0

0

4017

739

6

0

0

8034

1478

6

1

1

15,928

2930

3

0

0

8187

1506

6

0

0

16,374

3012

6

1

1

34,715

6385

3

0

0

1419

261

3

0

0

3024

556

3

0

0

6027

1109

3

0

0

9,722,253

1,788,309

6

0

0

19,444,506

3,576,617

6

1

1

39,778,804

7,316,902

3

0

0

142,167

26,150

6

0

0

284,334

52,300

6

1

1

568,140

104,504

3

0

0

52,569

9670

6

6

6

105,138

19,339

6

1

1

208,775

38,402

3

0

0

16,440

3024

6

0

0

434,592

79,939

6

1

1

889,697

163,651


CHƯƠNG 3. ĐÁNH
GIÁ HIỆU NĂNG CỦA

Mật độ mạng
Loại thiết bị
cuối

LPWAN DỰA TRÊN
CÔNG NGHỆ LORA

3.1.
3.2.

• Ảnh hưởng của Doppler

Biển báo

Cảm biến giao
thông

Cảm biến cho
ng cao tuổi

• Tốc độ thiết bị đầu cuối
Vật dụng trong
nhà

3.3.
3.4.

• Khả năng bao phủ và dung lượng mạng
• Kết quả thực nghiệm

Máy credit ở
các shop

Thiết bị an
ninh tại gia

Công tơ thông
minh

Cấu hình mạng

Mật độ trung bình của thiết bị

Bán kính của mỗi Cell dịch vụ
(km)b

Số các kênh
LoRa 125 kHz

Số các kênh
LoRa 250 kHz

Số các kênh
GFSK

Mật độ ở
thành trị
(Thiết bị/kmb)

Mật độ ở ngoại
ô
(Thiết bị/kmb)

Thành thị

Ngoại ô

3

0

0

316

943

0.86

0.50

6

0

0

316

943

1.2

0.71

6

1

1

316

943

1.8

1.0

3

0

0

38,500

14,800

5.6

2.0

6

0

0

38,500

14,800

8.0

2.9

6

1

1

38,500

14,800

11.6

4.2

3

0

0

209

23.1

3.8

19.6

3

0

0

209

23.1

5.4

27.7

6

1

1

209

23.1

7.8

Over

3

0

0

3850

1480

6.3

19.0

6

0

0

3850

1480

8.9

26.8

6

1

1

3850

1480

12.6

Over

3

0

0

385

148

0.89

1.4

6

0

0

385

148

1.3

2.0

6

1

1

385

148

1.8

2.9

3

0

0

11,500

4440

0.46

0.24

6

0

0

11,500

4440

0.68

0.35

6

1

1

11,500

4440

0.96

0.49

3

0

0

316

943

0.29

0.81

6

0

0

316

943

1.5

4.1

6

1

1

316

943

2.1

5.9


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

Kết quả của các phép đo tham chiếu trong thí nghiệm về vận tốc góc
Góc (độ)

Số các gói được Số các gói được Tỉ lệ thành công
truyền đi
nhận
386
376
97.4
322
316
98.1
377
367
97.4
325
316
97.2
1410
1375
97.5

0
90
180
270
Tổng số

Tín hiệu trung
bình nhận được
- 87.6
- 81.6
- 78.7
- 81.2
- 84.9

Tỉ lệ các gói thành công tại các tốc độ góc khác nhau

3.1.
3.2.
3.3.
3.4.

Ngày 1

• Ảnh hưởng của Doppler
• Tốc độ thiết bị đầu cuối
• Khả năng bao phủ và dung lượng mạng
• Kết quả thực nghiệm

Số
các
gói
đượ
c
gửi

Số
các
gói
đượ
c
nhậ
n

Tỉ lệ
thành
công
(%)

500

297

254

750

311

Ngày 2
RSSI
trung
bình
(dBm)

Số
các
gói
đượ
c
gửi

Số
các
gói
đượ
c
nhậ
n

Tỉ lệ
thành
công
(%)

85.5

- 86.9

300

257

85.7

112

36.0

- 89.0

303

216

71.3

1000 301

116

38.5

- 91.5

303

59

19.5

1250 310

123

39.7

- 90.4

301

71

23.6

1500 310

151

48.7

- 90.3

312

49

15.7

RPM

Ngày 3
RSSI
trung
bình
(dBm
)

86.2
87.4
91.4
91.4
91.4

Số
các
gói
đượ
c
gửi

Số
các
gói
đượ
c
nhậ
n

Tỉ lệ
thành
công
(%)

RSSI
trung
bình
(dBm)

299

240

80.3

- 85.5

276

127

46.0

- 89.1

300

86

28.7

- 89.5

304

119

39.1

- 90.1

296

72

24.3

- 96.4


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

3.1.
3.2.
3.3.
3.4.

• Ảnh hưởng của Doppler
• Tốc độ thiết bị đầu cuối
• Khả năng bao phủ và dung lượng mạng
• Kết quả thực nghiệm

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

Khoảng cách
giữa thiết bị
cuối và
gateway (km)
1.7 (Tương
ứng điểm 1)
0.95 (Tương
ứng với điểm
2)
1.5 (Tương
ứng với điểm
3)
2.2 (Tương
ứng với điểm
4)
0.93-2.4

Vận tốc góc
của xe hơi
(km/h)

 
Vận tốc
tương đối
(km/h)

 
Số các gói tin
được gửi đi

 
 
Số các gói tin
nhận được

Tỉ lệ thành
công (%)

0

0

812

788

97.0

0

0

691

682

 
98.7

0

0

732

724

98.9

0

0

784

763

97.3

100

0-82.9

928

260

28


CHƯƠNG 3. ĐÁNH
GIÁ HIỆU NĂNG CỦA

3.1.

Kết quả phép đo độ bao phủ sử dụng ô tô

LPWAN DỰA TRÊN

Khoảng cách
(km)

Số các gói được
truyền đi

Số các gói nhận
được

Tỉ lệ thành công

CÔNG NGHỆ LORA

0-2

894

788

88

2–5

1215

1030

85

5–10

3898

2625

67

10–15

932

238

26

Tổng số

6813

4506

66

• Ảnh hưởng của Doppler

Kết quả phép đo độ bao phủ sử dụng tàu

3.2.
3.3.
3.4.

• Tốc độ thiết bị đầu cuối
• Khả năng bao phủ và dung lượng mạng
• Kết quả thực nghiệm

Khoảng cách
(km)

Số các gói được
truyền đi

Số các gói nhận
được

Tỉ lệ thành công

5–15

2998

2076

69

15–30

690

430

62

Tổng số

3688

2506

68


KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Công nghệ LPWAN đóng góp một phần không nhỏ
trong công cuộc thay đổi thế giới
Thông qua đồ án, có thể hiểu thêm về tầm quan trọng
của các mạng LPWAN trong lĩnh vực IoT
Để hiểu sâu thêm về mạng này ta có thể tìm hiểu kỹ
hơn về mã hóa và giải mã trong LPWAN, mô phỏng
mạng bằng Matlab, và nhiều hướng nghiên cứu khác


CẢM ƠN SỰ CHÚ Ý LẮNG
NGHE CỦA THẦY CÔ



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×