Đang tải... (xem toàn văn)
Phân tích và đánh giá hiệu năng mạng vô tuyến công suất thấp cự ly xa LPWAN (Luận văn thạc sĩ)Phân tích và đánh giá hiệu năng mạng vô tuyến công suất thấp cự ly xa LPWAN (Luận văn thạc sĩ)Phân tích và đánh giá hiệu năng mạng vô tuyến công suất thấp cự ly xa LPWAN (Luận văn thạc sĩ)Phân tích và đánh giá hiệu năng mạng vô tuyến công suất thấp cự ly xa LPWAN (Luận văn thạc sĩ)Phân tích và đánh giá hiệu năng mạng vô tuyến công suất thấp cự ly xa LPWAN (Luận văn thạc sĩ)Phân tích và đánh giá hiệu năng mạng vô tuyến công suất thấp cự ly xa LPWAN (Luận văn thạc sĩ)Phân tích và đánh giá hiệu năng mạng vô tuyến công suất thấp cự ly xa LPWAN (Luận văn thạc sĩ)Phân tích và đánh giá hiệu năng mạng vô tuyến công suất thấp cự ly xa LPWAN (Luận văn thạc sĩ)Phân tích và đánh giá hiệu năng mạng vô tuyến công suất thấp cự ly xa LPWAN (Luận văn thạc sĩ)
i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Nội dung luận văn có tham khảo sử dụng tài liệu, thơng tin đăng tải tạp chí trang web theo danh mục tài liệu tham khảo Tất tài liệu tham khảo có xuất xứ rõ ràng trích dẫn hợp pháp Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm chịu hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan Tác giả luận văn PHÍ THỊ THU ii LỜI CẢM ƠN Trong q trình nghiên cứu hồn thành Luận văn này, nhận hướng dẫn, giúp đỡ quý báu gia đình, thầy cô, anh chị, em bạn Với lòng kính trọng biết ơn sâu sắc tơi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: Ban giám đốc Học viện, thầy cô giảng dạy làm việc Khoa Quốc tế Đào tạo sau đại học – Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông tạo điều kiện thuận lợi cho suốt q trình học tập hồn thành luận văn Tiến sĩ Nguyễn Đức Thủy, người thầy hết lòng giúp đỡ, dạy bảo, động viên tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn bố mẹ, anh chị em bên cạnh động viên, tạo điều kiện giúp đỡ suốt qua trình học tập, nghiên cứu hồn thành luận văn cao học Tác giả luận văn PHÍ THỊ THU iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT vi DANH SÁCH HÌNH VẼ vii DANH SÁCH BẢNG BIỂU viii MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ TRONG MẠNG IoT 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Tổng quan IoT 1.1.1 Tiêu chuẩn hình thành IoT 1.1.2 Tình hình phát triển IoT [8] Mơ hình IoT 1.2.1 Mơ hình mạng không dây 1.2.2 Mơ hình tham chiếu IoT gồm tầng Kỹ thuật IoT 1.3.1 Các công nghệ IoT 1.3.2 Hỗ trợ nhiểu loại kết nối Khả định danh, bảo mật IoT [6] 10 1.4.1 Khả định danh 10 1.4.2 Bảo mật IoT 11 Ứng dụng IoT [6] 11 1.5.1 Ứng dụng lĩnh vực vận tải 12 1.5.2 Ứng dụng lĩnh vực sản xuất nông nghiệp 13 1.5.3 Ứng dụng nhà thông minh 13 1.5.4 Ứng dụng quản lý hạ tầng 15 iv 1.5.5 Ứng dụng y tế 15 1.5.6 Ứng dụng lưới điện thông minh 15 Thách thức – khó khăn phát triển 17 1.6 1.6.1 Chưa có ngơn ngữ chung 17 1.6.2 Hàng rào subnetwork 17 1.6.3 Có nhiều "ngôn ngữ địa phương" 18 1.6.4 Tiền chi phí 18 Kết luận chương 19 1.7 CHƢƠNG 2: MẠNG LPWAN VÀ KỸ THUẬT LoRa 20 2.1 Giới thiệu mạng LPWAN 20 2.1.1 Phân loại LPWAN 22 2.2 2.3 2.1.2 Các ứng dụng LPWAN 24 2.1.3 Bảo mật LPWA 25 2.1.4 Giá thành 25 2.1.5 Khả mở rộng 26 2.1.6 Chất lượng dịch vụ QoS 27 Tổng quan LoRaWAN 27 2.2.1 LoRa - Giải pháp cho triển khai mạng IoT 27 2.2.2 Ưu nhược điểm mạng LoRaWAN [9] 30 2.2.3 Giới hạn băng tần 31 2.2.4 Kiến trúc mạng điển hình 31 2.2.5 LoRa lớp vật lý 32 2.2.6 LoRaWAN lớp MAC 34 2.2.7 Khuôn dạng tin 37 2.2.8 Xác thực tin 38 Kết luận chương 39 CHƢƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG LoRaWAN 40 v 3.1 Điều chế LoRa [5] 40 3.1.1 Định lý Shannon – Hartley 40 3.1.2 Nguyên lý trải phổ 42 3.1.3 Điều chế LoRa 44 3.1.4 Các đặc điểm điều chế LoRa 46 3.2 Kỹ thuật ADR (Adaptive Data Rate) 47 3.3 Tham số hệ thống 50 3.4 3.5 3.3.1 Hệ số trải phổ (Spreading Factor – SF) 50 3.3.2 Băng thông (Bandwidth – BW) 50 3.3.3 Tốc độ mã hóa (Coding Rate – CR) 51 3.3.4 Độ nhạy máy thu 51 3.3.5 Tốc độ bít 52 3.3.6 Độ trễ 53 Phân tích hiệu mạng LPWAN mơ 53 3.4.1 Phương pháp đánh giá hiệu 53 3.4.2 Kết mô 55 Kết luận chương 60 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 vi DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ADR Adaptive Data Rate Đáp ứng tốc độ liệu BER Bit Errors Ratio Tỷ lệ lỗi bít BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân Cipher – based Message Mã xác thực tin nhắn dựa Authentication Code mật mã 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 GW Gateway Cổng truy cập IoT Internet of Things Vạn vật kết nối LAN Local Area Network Mạng máy tính cục CMAC LoRaWAN Long Range Wide Area Network Mạng diện rộng vùng phủ lớn Mạng diện rộng công suất LPWAN Low Power Wide Area Network M2M Machine to Machine Máy đến máy MHDR MAC Header Tiêu đề lớp MAC MIC Messager Identify Code Mã toàn vẹn tin PHDR Physical Header Tiêu đề lớp vật lý PHY Physical Lớp vật lý QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ SF Spreading Factor Hệ số trải phổ SNR Signal Noise Ratio Tỷ số tín hiệu nhiễu thấp vii DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1: Tiêu chuẩn hình thành IoT Hình 2: Mơ hình tham chiếu M2M/IoT Hình 3: Các loại kết nối IoT Hình 4: Các loại kết nối cần hỗ trợ mạng IoT 10 Hình 5: Kiến trúc bảo mật 11 Hình 6: Tổng quan ứng dụng IoT 12 Hình 7: Theo dõi lộ trình đường xe 13 Hình 8: Theo dõi tình trạng sinh trưởng trồng 13 Hình 9: Ví dụ nhà thơng minh 14 Hình 10 Mơ hình lưới điện thơng minh 16 Hình 2.1: Phân bổ công nghệ LPWAN theo tốc độ vùng phủ 21 Hình 2.2: Các ứng dụng LPWAN đời sống 24 Hình 3: LPWAN thương mại 29 Hình 2.4: Kiến trúc điển hình mạng LoRaWAN 31 Hình 2.5: Ngăn xếp giao thức LoRa 34 Hình 2.6: Cấu hình mặc định lớp A 35 Hình 2.7: Cấu hình mặc định lớp B 36 Hình 2.8: Cấu hình mặc định lớp C 37 Hình 2.9: Khuôn dạng tin LoRa 37 Hình 2.10: Điều chế LoRa hình thác nước 38 Hình 3.1: Quá trình điều chế/ trải rộng tín hiệu 43 Hình 3.2: Quá trình giải điều chế/ giải trải phổ tín hiệu 44 Hình 3.3: Một dạng sóng chip tuyến tính (trái : dạng sóng chip lên, phải : dạng sóng chip xuống) 45 Hình 3.4: Quan hệ thời gian ký hiệu, hệ số trải phổ băng thông 45 Hình 3.5: Khoảng thời gian ký hiệu hệ số trải phổ băng thông khác 46 viii Hình 3.6: Lưới LoRa 52 Hình 3.7: BER theo giá trị SF khác 57 Hình 3.8: Xác suất lỗi bít BPSK ký hiệu CSS với băng thông 125kHz hệ số trải phổ SF=10 [2] 57 Hình 3.9: xác suất vùng phủ cho mơi trường có suy hao đường truyền từ 2.4 đến 2.7 tương đương với hình (a), (b), (c), (d) 58 Hình 3.10: Thơng lượng BPSK CSS theo khoảng cách ………… 59 DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 2.1: So sánh vài tham số công nghệ mạng LPWAN 23 Bảng 2.2: Điểm khác LoRa LoRaWAN 29 Bảng 2.3: Các thuộc tính hệ số lan truyền 33 Bảng 3.1: Bảng giá trị SNR theo hệ số trải phổ tốc độ liệu 49 Bảng 3.2: So sánh tốc độ bít, vùng phủ thời gian phát sóng hệ số SF khác 50 Bảng 3.3: Độ nhạy GW khác cho giá trị trải phổ (đường lên) 51 Bảng 3.4: Tốc độ bít theo hệ số trải phổ 53 Bảng 3.5: Độ nhạy máy thu cho giá trị SF khác (đường xuống) 55 MỞ ĐẦU Cách vài năm người ta nói Internet of Things thay đổi giới Nhưng tầm nhìn việc kết nối hàng tỷ thiết bị có thử thách định Các mạng không dây Bluetooth, Bluetooth Low Energy, WiFi ZigBee thích hợp cho ứng dụng cự ly ngắn Mạng di động không phù hợp sử dụng để truyền thông kết nối từ xa máy đến máy (M2M) tốn lượng Hơn nữa, loại công nghệ nêu đắt đỏ phần cứng dịch vụ Điểm quan trọng ứng dụng IoT yêu cầu truyền liệu tốc độ thấp, sử dụng cho thu thập liệu giám sát thiết bị đầu cuối IoT cự ly xa, không tập trung, hoạt động dài ngày nơi không cấp điện lưới Hệ thống mạng di động khơng phù hợp với vấn đề lượng pin hiệu kinh tế gửi liệu Vì vậy, Low Power Wide Area Network (LPWAN) đưa cho ứng dụng LPWAN thích hợp cho việc gửi lượng nhỏ liệu với khoảng cách xa, thời lượng pin dài Tại MWC 2015, giải pháp công nghệ mang tên LoRaWAN giới thiệu để giải vấn đề hấp dẫn tới mức mà Hiệp hội hình thành để hỗ trợ phát triển công nghệ LoRa (Long Range) hướng tới kết nối M2M khoảng cách lớn LoRaWAN định nghĩa mạng diện rộng công suất thấp dành cho thiết bị M2M Các cảm biến LoRaWAN liên lạc với khoảng cách lên tới 100 km môi trường thuận lợi khoảng cách 15km môi trường bán nông thôn (semi rural) 2km môi trường thành thị đông đúc Theo yêu cầu ứng dụng, LoRa cho phép sử dụng số tiêu chuẩn mã hố bảo mật Ví dụ bảo mật mức mạng (EIUI64), bảo mật mức ứng dụng (EIUI64) bảo mật mức thiết bị người dùng (EUI128) Ngồi ra, hướng tới mục tiêu giảm thiểu công suất tiêu thụ thiết bị đầu cuối để tăng tuổi thọ pin thiết bị - thách thức việc đẩy mạnh phát triển M2M Các cảm biến LoRaWAN có cơng suất hoạt động thấp, cho phép hoạt động thiết bị hoạt động vòng 10 năm với pin chuẩn AA Việc kết nối thiết bị đầu cuối cổng kết nối thực nhiều kênh tần số khác băng tần chưa cấp phép (Unlienced Band) tốc độ truyền dẫn liệu khác Nhờ hai yếu tố mà khả nhiễu kênh thấp Tốc độ liệu truyền dẫn cho phép từ 0,3 kbps – 50 kbps Từ lý trên, đề tài nghiên cứu luận văn chọn “ Phân tích đánh giá hiệu mạng vơ tuyến công suất thấp cự ly xa LPWAN” Luận văn xây dựng với nội dung sau: Chương 1: Giới thiệu công nghệ mạng IoT Chương 2: Tổng quan mạng LPWAN kỹ thuật LoRa Chương 3: Phân tích đánh giá hiệu mạng LoRaWAN 48 - Tốc độ liệu công suất phát tùy theo khu vực cho trước - ChMask cho kênh truyền Mask ênh sử dụng cho truyền dẫn đường lên - ChMaskCtrl: Giá trị sử dụng để điều khiển giải trình ChMask - NbReq: Số lượng truyền dẫn cho tất thông điệp đường lên không xác nhận LinkADRAns: Đây lệnh MAC có độ dài bít truyền trạm tin phản hồi lệnh LinkADRReq Nếu trạng thái bít lệnh sau loại bỏ thiết lập thành công Sau ta xét chế hoạt động ADR Đầu tiên thiết bị đầu cuối đặt bít ADR thành “1” tin đường lên Khi mạng phát bắt đầu thu thập SNR tối đa tín hiệu nhận giữ lại 20 tín hiệu nhận Nếu ADR trở thành “0” xóa bảng thu thập lại liệu trở thành “1” Sau 20 khung tín hiệu nhận được, tính SNRmargin cách sử dụng tốc độ liệu (DR: Data rate) tin nhận cuối SNRmargin SNRmax requireSNR margin (dB) 49 Với SNRmax max.SNR 20 tín hiệu nhận được, margin mặc định 10 giá trị requireSNR cho bảng 3.1 Bảng 1: Bảng giá trị SNR theo hệ số trải phổ tốc độ liệu SF DR5/SF12 DR4/SF11 DR3/SF10 DR2/SF9 DR1/SF8 DR0/SF7 SNR(dB) -20 -17.5 -15 -12.5 -10 -7.5 hi tính SNRmargin ta có bước thực hiện: N step round SNRm arg in / - Nếu Nstep 0 DR tăng lên bước đạt DR5 sau công suất phát giảm xuống đạt giá trị nhỏ (công suất phát nhỏ 2dBm) Và sau mạng đưa tồn thơng tin vào lệnh LinkADRReq MAC tin đường xuống yêu cầu trạm cuối thay đổi tham số truyền dẫn (Thường mạng yêu cầu tăng công suất phát không yêu cầu giảm tốc độ liệu) Tại phía trạm: Khi thiết bị đầu cuối thiếu lập giá trị ADR “1” xác nhận mạng nhận thơng điệp đường lên Bất thiết bị đầu cuối gửi khung tăng đếm khung (không cho truyền lặp lại) Bất đếm khung tăng lên tăng đếm ADR_ACK_CNT Nếu ADR_AC _CNT đạt đến ADR_ACK_CNT_LIMIT (=64 khung cho EU) đặt ADRACKReq bít “1” để hỏi mạng xem có nhận thơng điệp đường lên hay khơng Mạng 50 có nghĩa vụ phải trả lời (trong tin nhắn đường xuống nào) ADR_ACK_DELAY (=32 khung cho EU) Ngay trạm nhận thông báo đường xuống, đặt lại đếm ADR_ACK_CNT “0” Nếu thiết bị đầu cuối không nhận thông báo đường xuống khoảng thời gian ADR_ACK_DELAY giảm tốc độ liệu xuống bước 3.3 Tham số hệ thống 3.3.1 Hệ số trải phổ (Spreading Factor – SF) SF xác định số lượng tín hiệu chip mã hóa tín hiệu điều chế tần số (chipped signal) liệu Ví dụ SF=12 có nghĩa mức logic tín hiệu chip điều mã hóa 12 xung tín hiệu chip Với chipset SX1276 SemTech SF có giá trị từ đến 12 Giá trị cho SF lớn thời gian truyền liệu lâu khoảng cách truyền xa Bảng 3.2: So sánh tốc độ bít, vùng phủ thời gian phát sóng hệ số SF khác Hệ số trải Tốc độ bít Vùng phủ Thời gian phát phổ (bps) (km) sóng (ms) SF7 5470 50 SF8 3125 100 SF9 1760 200 SF10 980 400 SF11 440 10 800 SF12 290 14 1600 Thơng thường, cần truyền tín hiệu xa từ GW làm giảm tín hiệu cần tăng hệ số trải phổ lên mức cần thiêt 3.3.2 Băng thông (Bandwidth – BW) 51 LoRa sử dụng ba BW 125kHz, 250kHz 500kHz Nếu băng thơng rộng thời gian mã hóa tín hiệu ngắn, từ thời gian truyền liệu giảm xuống đổi lại khoảng cách truyền ngắn lại 3.3.3 Tốc độ mã hóa (Coding Rate – CR) CR số lượng bít tự thêm vào trọng tải gói tin LoRa LoRa chipset để mạch nhận sử dụng để phục hồi lại số bít liệu nhận sai từ phục hồi nguyên vẹn liệu tải trọng Do đó, sử dụng CR cao khả nhận liệu tăng, bù lại chip LoRa phải gửi nhiều liệu (có thể làm tăng thời gian truyền liệu khơng khí) Với chipset SX1276 có giá trị cho CR 4/5, 4/6, 4/7 4/8 Nếu CR = 4/8 bit liệu mã hóa bit , tức chipset LoRa phải gửi gấp đôi liệu cần truyền Do sử dụng CR thấp để tăng thông lượng độ nhạy khả tự phục hồi liệu chipset LoRa thấp Có thể nói SF, BW CR thông số quan trọng chipset LoRa Trong đó, SF BW ảnh hưởng thời gian khoảng cách truyền liệu, CR ảnh hưởng thời gian truyền liệu Tùy yêu cầu ứng dụng cụ thể khoảng cách, tốc độ gửi liệu, v.v… chọn giá trị hợp lý để tối ưu trình truyền nhận qua LoRa 3.3.4 Độ nhạy máy thu Giả sử độ nháy máy thu Si SF=i Độ nhạy máy thu (UL) biểu thị bảng 3.3 Mỗi giá trị bảng 3.3, cần tính đến độ khuếch đại anten thu Grc (cải tiến việc tiếp nhận nói chung) Có thể thấy SF tăng độ nhạy tốt (tăng 2.5dB tăng giá trị SF) Với truyền dẫn đường xuống (DL), độ nhạy thiết bị đầu cuối giả định độ nhạy GW cần bù thêm 3dB Bảng 3.3: Độ nhạy GW khác cho giá trị trải phổ (đƣờng lên) 52 Hệ số trải phổ 10 11 12 Độ nhạy [dBm] -130.0 -132.5 -135.0 -137.5 -140.0 -142.5 3.3.5 Tốc độ bít Giả sử ta xét cell với thiết bị LoRa (các thiết bị cấu hình sẵn) Xét giá trị SF từ đến 12 tất thiết bị, có 16 kênh truyền có độ rộng 125kHz phân bổ cho mạng LoRa Hình 3.6 cho thấy lưới kênh với cell LoRa Một giá trị SF định kênh truyền chiếm khối tài nguyên (Resource Block: RB) Số lượng thiết bị truyền dẫn trải đồng kênh truyền Xét kênh truyền đơn với N thiết bị truyền dẫn Hình 3.6: Lƣới LoRa Tốc độ bít truyền dẫn RB xác định hệ số trải phổ SF tốc độ mã hóa CR Rb ( SF , CR ) SF SF BW Các giá trị tốc bít liệt kê bảng 3.4 (3.8) 53 Bảng 3.4: Tốc độ bít theo hệ số trải phổ CR|SF 12 11 10 239 537 977 1758 3125 5469 244 448 814 1465 2604 4557 209 384 698 1256 2232 3906 183 336 610 1099 1953 3418 3.3.6 Độ trễ Độ trễ truyền dẫn để xét khoảng thời gian mà thiết bị đầu cuối chờ phục vụ Giả thiết khơng có trễ truyền dẫn, kích thước trường tiêu đề (header) tối thiểu 12 byte ta có cơng thức tính độ trễ truyền dẫn là: ( SF , CR, B) B Rb ( SF , CR) (3.9) 3.4 Phân tích hiệu mạng LPWAN mơ Mạng truyền phạm vi rộng mạng diện rộng cơng suất thấp (LPWAN) thường mạng có tốc độ liệu thấp, khoảng vài byte giây cho phép khoảng cách đến vài kilomet CSS: Công nghệ băng rộng sử dụng chirp trải phổ làm điều chế, sử dụng băng thơng mở rộng 125kHz, 250kHz 500kHz Tốc độ bít phụ thuộc vào hệ số trải phổ (cao 48kbps với SF=6 thấp 366bps với SF=12) Chirp trải phổ công nghệ biết lớp vật lý LoRaWAN Đây chuẩn sử dụng chirp trải phổ làm điều chế để truyền tín hiệu với khoảng cách xa băng 868MHz Dựa băng thông, tỷ lệ tín hiệu nhiễu (SNR) hệ số trải phổ chọn để truyền tín hiệu làm cho mạnh nhiễu Tốc độ bít dao động từ 300bps đến 37.5kbps.[2] 3.4.1 Phương pháp đánh giá hiệu 3.4.1.1 Đánh giá tỷ lệ lỗi bít 54 Trước ước lượng vùng phủ cho CSS dựa mạng, cần tìm phương trình cho mạng tỷ lệ lỗi bít (BER) ký hiệu CSS với hệ số lan truyền khác Trong phần sử dụng 12500 ký hiệu tạo cho SNR giải mã Chúng ta sử dụng MATLAB cho mô đường cong BER Ta có cơng thức xác suất lỗi bít (BER) biểu diễn qua giá trị Eb / N0 (SNR) lượng bít đến tỷ lệ mật độ phổ công suất nhiễu hàm Q(x) [1] log ( SF ) Eb Pe,CSS Q 12 N0 E Pe,BPSK Q b N0 3.4.1.2 (3.10) (3.11) Đánh giá vùng phủ [3] Sử dụng kỹ thuật từ nghiên cứu Orestis Usman tính tốn phép tính xấp xỉ cho hiệu mạng LoRa cách giả định tín hiệu chíp s(t) có dạng: t t Es s (t ) cos 2 f ct u Ts Ts Ts (3.11) Giả sử s(t) truyền qua kênh pha đinh phẳng h(t) mô tả biến ngẫu nhiên phức Gauss độc lập Các tính chất h(t) dùng để tính xác suất theo suy hao đường truyền, bóng râm (shawdoing) pha đinh (phản xạ) Suy hao đường truyền g(d) hàm phục thuộc vào khoảng cách d(m) định nghĩa (theo công thức truyền dẫn Fris): (dB) g (d ) log10 4 d 4 d (3.12) λ độ dài sóng mang η số mũ suy hao đường truyền Nó giả định hai anten thu phát đẳng hướng (có độ lợi 1) Ảnh hưởng bóng râm thêm vào kênh AWGN gây suy hao đường truyền dẫn tới phương sai nhiễu là: 55 174 10.log10 ( BW) NF dBm (3.13) Với BW băng thơng tín hiệu s(t) -174 (dBm) nhiễu nhiệt Hertz băng thông Hệ số tạp âm máy thu NF coi có giá trị 6dB Để tính xác suất vùng phủ kênh Rayleigh pha đinh, yếu tố tác động đến SNR từ suy hao đường truyền bóng râm Ta có xác suất vùng phủ xác định xác suất SNR nhận lớn giá trị ngưỡng qSF P SNR qSF (3.14) Cho công suất phát P (W) | h |2 : exp(1) , từ cơng thức (3.14) viết lại thành (sử dụng công thức 3.11 3.12) qSF qSF P | h |2 exp P g (d ) P g (d ) (3.15) Từ công thức (3.15) ta tính xác suất SNR s(t) định nghĩa (3.10) Giá trị qSF phụ thuộc vào độ nhạy máy thu Bảng 3.5: Độ nhạy máy thu cho giá trị SF khác (đƣờng xuống) Hệ số trải phổ Độ nhạy [dBm] -123 -126 -129 10 -132 11 -134.5 12 -137 qSF [dBm] -6 -9 -12 -15 -17.5 -20 3.4.2 Kết mô Phần kết qủa mô hình mơ xác suất lỗi bít, vùng phủ dung lượng mạng Mô thực công cụ MATLAB với tham số đầu vào bảng 3.6 56 Bảng 3.6: Tham số đầu vào Băng thông BW 125kHz Độ dài mào đầu preamble_len byte Tần số lấy mẫu Fs 125kHz Độ dài đồng sync_len byte Tổng số bít truyền total_bits 27720 tin LoRa 3.4.2.1 Tỷ kệ lỗi bít Ta có kết mơ xác suất lỗi bít cho điều chế CSS theo giá trị SF = {7, 8, 9, 10, 11, 12} khoảng SNR [-40:-5] thể hình 3.7 Hình 3.7 cho hệ số trải phổ cao đường cong BER dốc Đối với hệ thống mạng không dây thơng thường đòi hỏi BER phải nhỏ 10-3 Tại SNR=-20dBm, ta thấy xác suất lỗi bít BER hệ số trải phổ tăng dần từ SF12 đạt giá trị nhỏ (khoảng 10-5.5) SF7 có BER lớn (xấp xỉ 1) Do vậy, hệ thống LoRaWAN, giá trị SF cao cho xác suất lỗi bít thấp Tuy nhiên, từ bảng 3.2, với hệ số trải phổ cao, thời gian on-air lớn tốc độ bít thấp vùng phủ lại xa Vì mà hệ số trải phổ SF12 thường dùng cho thiết bị xa GW bị che tường tòa nhà SF7 thường sử dụng cho thiết bị gần GW 57 Hình 3.7: BER theo giá trị SF khác Ta tiếp tục so sánh mạng LoRaWAN với mạng Sigfox hai mạng thuộc LPWAN thông qua hai phương pháp điều chế CSS BPSK có giá trị SNR [-5:15] Hình 3.8: Xác suất lỗi bít BPSK ký hiệu CSS với băng thông 125kHz hệ số trải phổ SF=10 [1] Kết hình 3.8 cho thấy giá trị SNR thấp điều chế BPSK có xác suất lỗi bít thấp hơn, SNR cao điều chế CSS tốt 3.4.2.2 Vùng phủ Với giá trị từ bảng 3.5 tính xác suất phương trình (3.16), phạm vi so với xác suất vùng phủ sóng cho truyền dẫn LoRa khác với hệ 58 số trải phổ khác Nhớ lại phương trình truyền sóng Friss công thức (3.12) phụ thuộc vào số mũ suy hao đường truyền giá trị thường đặt khoảng 2.4 đến 2.7 Ta có xác suất vùng phủ cho giá trị SF khác điều kiện suy hao đường truyền khác hình 3.9 Hình 3.9: Xác suất vùng phủ cho mơi trƣờng có suy hao đƣờng truyền từ 2.4 đến 2.7 tƣơng đƣơng với hình (a), (b), (c), (d) Hình 3.9 cho thấy khoảng cách cho trước từ GW, hệ số trải phổ tăng vùng phủ tăng lên Ví dụ hình 3.9 (a), yêu cầu xác suất vùng phủ 0.9 SF7 phủ khoảng 11km SF9 phủ sóng lên đến 20km Do hệ số trải phổ cao thường dùng trường hợp yêu cầu cự ly truyền dẫn cao mà khơng đòi hỏi tốc độ 59 So sánh hình (a), (b), (c), (d) ta thấy, mơi trường có mức suy hao đường truyền cao mơi trường thị đơng đúc vùng phủ giảm dần theo khoảng cách Khoảng cách phủ sóng giảm gần nửa mơi trường suy hao tăng dần với điều kiện xác suất vùng phủ Vì vậy, khu vực thị, khoảng cách phủ sóng thường khơng rộng có nhiều nhà cao tầng che chắn mật độ đơng đúc làm tăng mức suy hao đường truyền Để khắc phục điều giải pháp tốt lắp đặt thêm GW Khi so sánh với BPSK (kỹ thuật điều chế mạng Sigfox) thơng lượng mạng cho kết hình (3.10) [1] Hình 3.10: Thơng lƣợng BPSK CSS theo khoảng cách Hình 3.10 mạng Sigfox sử dụng kỹ thuật điều chế UNB (Ultra narrowband) sử dụng điều chế BPSK cho khoảng cách xa so với LoRaWAN sử dụng kỹ thuật CSS Tuy nhiên thông lượng CSS lại lớn BPSK so sánh vị trí (lớn gần gấp đơi) Vì mạng LoRaWAN thường sử dụng môi trường đô thị yêu cầu cao thông lượng mà không yêu cầu vùng phủ GW 3.4.2.3 Dung lượng mạng Nếu giả sử trường hợp có 12 kênh FS băng hẹp truyền với tốc độ bít tương đương 1.2kbps, sau ta tính tốn dung lượng kênh truyền theo lý thuyết là: 60 CFSK 12*1.2kpbs 14.4kbps (3.16) Nếu ta xét dải có sẵn triển khai dạng kênh LoRa đơn 125kHz coi hệ số lan truyền trực giao, ta có dung lương kênh truyền là: CLoRa 1*( SF12 SF11 SF10 SF SF SF SF 6) CLoRa 1*(293 537 977 1758 3125 5469 9375) 21.534kbps (3.17) Do thấy việc triển khai điều chế LoRa cung cấp tổng cộng dung lượng kênh truyền 21.5kbps Đây gia tăng dung lượng kênh lên gần 50% so với FSK 3.5 Kết luận chƣơng Chương giới thiệu kỹ thuật mạng LoRa kỹ thuật điều chế chip trải phổ CSS kỹ thuật ADR tối ưu tốc độ liệu thời gian mạng Các thông số hiệu mạng đưa để đánh giá bao gồm xác suất lỗi bít, vùng phủ dung lượng mạng băng việc so sánh với kỹ thuật có mạng LPWAN Từ kết có được, ta thấy LoRa kỹ thuật có nhiều ưu điểm hẳn so với mạng di động wifi việc cung cấp kết nối M2M khoảng cách lớn LoRaWAN sử dụng điều chế CSS cho xác suất thấp mơi trường có nhiễu tạp âm cao, có thơng lượng dung lượng mạng cao so với mạng LPWAN Từ kết ta đưa khuyến nghị để đưa vào triển khai mạng LoRaWAN theo đặc điểm cho vùng địa lý khác 61 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Luận văn nghiên cứu tổng quan vấn đề công nghệ Internet of Things, xu hướng phát triển Việt Nam giới, đưa khái niệm, mơ hình, kiến trúc, ứng dụng thách thức môi trường IoT Như Internet of Things hiểu đơn giản mạng lưới vật thể gắn cảm biến hệ thống điện tử đặc biệt cho phép chúng kết nối với để thu thập trao đổi liệu IoT đòi hỏi phát triển mạng vơ hình, thơng minh điều khiển lập trình Các thiết bị sử dụng mạng sử dụng cơng nghệ lập trình nhúng Trong luận văn đưa khái niệm, cơng nghệ có mạng LPWAN đặc biệt công nghệ LoRa nghiên cứu thử nghiệm vài năm gần Công nghệ phát triển để hứa hẹn mamg lại nhiều hiệu hiệu so với mạng LPWAN trước Trong chương luận văn có đề cập đến tham số hiệu mạng LoRaWAN xác suất lỗi bít, vùng phủ dung lượng mạng Có thể thấy với việc sử dụng kỹ thuật điều chế chirp trải phổ CSS giúp trải rộng tín hiệu giúp tránh nhiễu với kênh truyền vô tuyến khác, kỹ thuật ADR giúp điều khiển công suất tối ưu để đảm bảo đầu vào công suất thấp truyền với khoảng cách xa Tuy nhiên, LoRa mạng mới, nên yêu cầu bảo mật QoS chưa hồn thiện Đây chủ đề cấp bách cần nghiên cứu để triển khai rộng rãi Hiện LoRaWAN bảo mật lớp bảo mật khác là: - Network key riêng để đảm bảo độ bảo mật lớp network - Application key riêng để đảm bảo đầu của lớp ứng dụng - ey đặt biệt thiết bị 62 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Brecht Reynders, Wannes Meert, Sofie Pollin, (2016), “Range and Coexistence Analysis of Long Range Unlicensed Communication”, Heverlee, B-3001 Belgium [2] Davide Magrin, Marco Centenaro, and Lorenzo Vangelista, (2017), “Performance Evaluation of LoRa Networks in a Smart City Scenario”, Lorenzo Vangelista, Via Venezia 59/8, 35131 Padova, Italy [3] Kristoffer Olsson & Sveinn Finnsson, “Chip To Gateway Test” in Exploring LoRa and LoRaWAN, Chalmers University of Technology,” in Telecommunications (ICT), 2017, pp 23–26 [4] M Hata, “Empirical formula for propagation loss in land mobile radio services,” Vehicular Technology, IEEE Transactions on, vol 29, no 3, pp 317–325, Aug 1980 [5] Semetech Corporation, (2015), LoRa™ Modulation Basics, 26 pages [6] http://www.athlsolutions.com/web/ho-tro/kien-thuc-co-ban/internet-ofthings-la-gi-tim-hieu-ve-internet-of-things [7] http://www.sghoslya.com/p/matlab-codes-for-lora-decoding.html [8] http://dantri.com.vn/suc-manh-so/viet-nam-se-la-nuoc-dan-dau-lan-songiot-tai-sao-khong-20170508145320611.htm [9] http://www.senetco.com/low-power-wide-area-network-standardsadvantages-and-use-cases/ ... nhiễu kênh thấp Tốc độ liệu truyền dẫn cho phép từ 0,3 kbps – 50 kbps Từ lý trên, đề tài nghiên cứu luận văn chọn “ Phân tích đánh giá hiệu mạng vô tuyến công suất thấp cự ly xa LPWAN Luận văn xây... 1: Giới thiệu công nghệ mạng IoT Chương 2: Tổng quan mạng LPWAN kỹ thuật LoRa Chương 3: Phân tích đánh giá hiệu mạng LoRaWAN CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ TRONG MẠNG IoT Trong khoảng vài năm... 20 CHƢƠNG 2: MẠNG LPWAN VÀ KỸ THUẬT LoRa Mạng truyền thông công suất thấp cự ly xa (LPWAN) thu hút nhiều ý chủ yếu khả cung cấp kết nối với thiết bị có cơng suất thấp phân bổ khu vực địa lý rộng