Giải pháp tiết kiệm năng lượng cho công nghệ giao tiếp không dây tầm xa
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.58 MB, 61 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------
LÊ CÔNG NGÀ
GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO CÔNG
NGHỆ GIAO TIẾP KHƠNG DÂY TẦM XA
Ngành: Khoa Học Máy Tính
Mã số: 60.48.01.01
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2019
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học:
Phó Giáo Sư, Tiến Sĩ, Trần Ngọc Thịnh
Tiến Sĩ, Phạm Quốc Cường
Cán bộ chấm nhận xét 1: Phó Giáo Sư, Tiến Sĩ, Phan Cơng Vinh
Cán bộ chấm nhận xét 2: Tiến Sĩ, Huỳnh Trọng Thưa
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG
Tp. HCM ngày 02 tháng 07 năm 2019
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ Tịch: PGS. TS. Trần Văn Hoài .....
2. Thư Ký: TS. Nguyễn Trần Hữu Nguyên
3. Phản Biện 1: PGS. TS. Phan Công Vinh
4. Phản Biện 2: TS. Huỳnh Trọng Thưa...
5. Uỷ Viên: PGS. TS. Phạm Trần Vũ .......
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
TRƯỞNG KHOA KH & KTMT
PGS. TS. TRẦN VĂN HOÀI
PGS. TS. PHẠM TRẦN VŨ
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên :
Lê Công Ngà
Ngày, tháng, năm sinh :
Chuyên ngành :
MSHV : 1670695
Nơi sinh : Hải Dương
17/03/1991
Khoa Học Máy Tính
Mã số : 60.48.01.01
I. TÊN ĐỀ TÀI :
GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO CÔNG NGHỆ GIAO TIẾP
KHÔNG DÂY TẦM XA
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :
Nghiên cứu về giải pháp tiết kiệm năng lượng cho giao tiếp tầm xa LoRa TM
với các nội dung :
-
Nghiên cứu về công nghệ LoRaTM và LoRaWANTM.
-
Nghiên cứu một số bài tốn có thể ứng dụng cơng nghệ giao tiếp tầm xa
LoRaTM, sau đó đưa ra giải pháp tối ưu hoá năng lượng.
-
Nghiên cứu và hiện thực mạch điều khiển của nút cảm biến trong mạng
cảm biến không dây để đánh giá giải pháp tiết kiệm năng lượng.
-
Triển khai một giải pháp toàn diện sử dụng công nghệ LoRaTM và giao
thức mạng LoRaWANTM bao gồm: nút cảm biến, gateway, và server.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 11/02/2019
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 02/06/2019
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS. TS. Trần Ngọc Thịnh
TS. Phạm Quốc Cường
Tp. HCM, ngày 02 tháng 07 năm 2019
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)
TRƯỞNG KHOA KH & KTMT
(Họ tên và chữ ký)
PGS. TS. TRẦN NGỌC THỊNH
PGS. TS. PHẠM TRẦN VŨ
TS. PHẠM QUỐC CƯỜNG
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến PGS.TS. Trần Ngọc Thịnh
và TS. Phạm Quốc Cường, cám ơn hai thầy đã tận tình hướng dẫn và định hướng
cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Nhờ sự hướng dẫn và giúp đỡ từ
hai thầy đã giúp tơi hồn thành luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong trường Đại Học Bách Khoa, đặc biệt là
các thầy cô trong Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính đã truyền đạt cho tơi nhiều kiến
thức hữu ích trong suốt q trình theo học tại trường.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè, gia đình cũng như đồng nghiệp, những
người đã giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho tơi trong q trình học tập và nghiên cứu.
Lê Cơng Ngà
TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Theo nghiên cứu, các mạng cảm biến khơng dây sử dụng ít năng lượng sẽ
sớm được triển khai rộng rãi, chính vì thế mà xu hướng nghiên cứu tối ưu hoá
năng lượng tiêu thụ cho mạng cảm biến không dây ngày càng được đẩy mạnh.
Đối với mạng cảm biến không dây, trở ngại lớn nhất trong việc triển khai là sự
giới hạn của năng lượng phụ thuộc vào pin [1].
Công nghệ giao tiếp không dây LoRaTM được thiết kế cho các hệ thống yêu
cầu tiêu thụ ít năng lượng và hoạt động được trong tầm xa [2]. Trong khi đó,
LoRaWANTM là một giao thức mạng được tối ưu cho các thiết bị hoạt động dựa
vào pin [4]. Công nghệ LoRaTM và giao thức LoRaWANTM được đánh giá là một
giải pháp phù hợp cho những thách thức trong các hệ thống IoT [3].
Trong luận văn, công nghệ giao tiếp không dây LoRaTM và giao thức
LoRaWANTM sẽ được nghiên cứu, đánh giá nhằm tìm ra giải pháp tối ưu hoá
năng lượng cho các nút cảm biến trong mạng cảm biến không dây. Một cải tiến
tối ưu năng lượng truyền tải trong giao thức LoRaWANTM dựa vào kỹ thuật
Adaptive Data Rate (ADR) đã được đề xuất dựa trên các nghiên cứu và thực
nghiệm.
Ngoài ra, luận văn cũng nghiên cứu và đưa ra một bộ giải pháp cho việc triển
khai một hệ thống IoT dựa trên công nghệ LoRaTM và LoRaWANTM bao gồm:
-
Một thiết bị cảm biến hoạt động bằng pin, thu thập dữ liệu môi trường
và gửi về cho LoRaTM gateway.
-
Một LoRaTM gateway để nhận dữ liệu từ nút cảm biến và gửi lên cho
máy chủ LoRaWANTM.
- Một máy chủ LoRaWANTM hỗ trợ giao thức LoRaWANTM phiên bản
1.1, đóng vai trò xử lý dữ liệu và hiện thực giải pháp tối ưu hoá năng
lượng.
ABSTRACT
According to researches, the wireless sensor networks which consume low
levels of energy will soon be widely deployed, so the research trend of
optimizing power consumption for wireless sensor networks is increasing. As of
today, major problem in deploying wireless sensor networks is their dependence
on limited battery power.
LoRaTM technology is a modulation technique that enables the long-range
transfer of information with a low data rate. Besides, LoRaWANTM is a network
protocol which is optimized for battery-powered end devices. The LoRaTM and
LoRaWANTM can be considered a suitable candidate in addressing the IoT
challenges.
In the thesis, LoRaTM and LoRaWANTM will be studied and evaluated to
propose a solution for optimizing energy consumption in wireless sensor
network. The solution is based on ADR feature of LoRaWANTM to optimize
energy consumption on sensor nodes.
In addition, the thesis also demonstrates a set of solutions for deploying a
LoRaTM and LoRaWANTM based IoT system which including:
-
A battery-powered sensor node, which will collect air quality
information and send to a LoRaTM gateway.
-
A LoRaTM gateway, which will receive data from sensor node and
forward to LoRaWANTM server.
-
A LoRaWANTM server runs LoRaWANTM stack version 1.1, which will
process data and implement energy-optimized solution.
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan rằng, ngoại trừ các kết quả tham khảo từ các cơng trình khác
như đã ghi rõ trong luận văn, các cơng việc trình bày trong luận văn này là do
chính tơi thực hiện và chưa có phần nội dung nào của luận văn này được nộp để
lấy một bằng cấp ở trường này hoặc trường khác.
Ngày 02 tháng 07 năm 2019
Lê Công Ngà
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
MAC
Medium Access Control
IoT
Internet of Things
LPWAN
Low Power Wide Area Network
ADR
Adaptive Data Rate
TTN
The Things Network
TDMA
Time Division Multiple Access
ISM
Industrial Scientific Medical
OTAA
Over The Air Activation
ABP
Activation By Personalization
RSSI
Radio Signal Strength Indication
MCU
Microcontroller Unit
FRAM
Ferroelectric Random Access Memory
AC
Alternating Current
DC
Direct Current
GPS
Global Positioning System
BW
Bandwidth
SF
Spreading Factor
MỤC LỤC HÌNH
Hình 1. Cấu trúc của mạng cảm biến khơng dây [12] ................................... 5
Hình 2. Năng lượng tiêu thụ của các công nghệ giao tiếp không dây [13] ... 6
Hình 3. Xu hướng phát triển của cơng nghệ giao tiếp LPWAN [14] ............ 9
Hình 4. Các giải pháp ứng dụng cơng nghệ LoRaTM [19] ............................ 11
Hình 5. Kiến trúc của giao thức mạng LoRaWANTM [14]........................... 12
Hình 6. Các lớp trong LoRaWANTM [18] ...................................................... 13
Hình 7. Băng tần hoạt động của LoRaWANTM [20] ..................................... 14
Hình 8. Mã hố trong LoRaWANTM [18] ...................................................... 15
Hình 9. Thuật tốn ADR-NODE trên thiết bị đầu cuối [10] ....................... 16
Hình 10. Thuật tốn ADR-NET trên máy chủ LoRaWANTM [10] ............. 17
Hình 11. Tính năng ADR trong TTN [21]..................................................... 18
Hình 12. Giải thuật ADR trong TTN............................................................. 19
Hình 13. Hàm trích lọc giá trị biên (margin) từ RSSI ................................. 21
Hình 14. Thuật tốn ADR đã có thêm hàm tối ưu ....................................... 22
Hình 15. Tổng quan hệ thống ......................................................................... 24
Hình 16. Cấu trúc của thiết bị cảm biến ....................................................... 25
Hình 17. Mơ hình của S76SXB ....................................................................... 27
Hình 18. Sơ đồ hoạt động của thiết bị cảm biến ........................................... 28
Hình 19. Hình thực tế của thiết bị cảm biến ................................................. 29
Hình 20. Các thành phần của thiết bị trung tâm.......................................... 30
Hình 21. Kiến trúc phần mềm của thiết bị trung tâm ................................. 31
Hình 22. Hình thực tế của thiết bị trung tâm ............................................... 32
Hình 23. Các thành phần trong TTN [23]..................................................... 33
Hình 24. Sơ đồ hoạt động trong ứng dụng phân tích dữ liệu ...................... 35
Hình 25. Biểu đồ mẫu của ứng dụng Chronograf ........................................ 35
Hình 26. Biểu đồ kết quả thực nghiệm 1 ....................................................... 37
Hình 27. Kết quả giải thuật gốc trong thử nghiệm 1 ................................... 38
Hình 28. Kết quả giải pháp tối ưu trong thử nghiệm 1................................ 38
Hình 29. Kết quả thử nghiệm 2 ...................................................................... 39
Hình 30. Kết quả giải thuật gốc trong thử nghiệm 2 ................................... 40
Hình 31. Kết quả giải pháp tối ưu trong thử nghiệm 2................................ 40
Hình 32. Kết quả thử nghiệm 3 ...................................................................... 41
Hình 33. Khoảng cách trong thử nghiệm 3 ................................................... 42
Hình 34. Kết quả của khoảng cách 200 mét trong thử nghiệm 3 ................ 42
Hình 35. Kết quả của khoảng cách 500 mét trong thử nghiệm 3 ................ 43
Hình 36. Kết quả của khoảng cách 650 mét trong thử nghiệm 3 ................ 43
Hình 37. Kết quả của khoảng cách 700 mét trong thử nghiệm 3 ................ 44
MỤC LỤC
Chương 1. Giới thiệu ..................................................................................... 1
1.1. Lý do chọn đề tài................................................................................. 1
1.2. Mục tiêu của đề tài ............................................................................. 1
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..................................................... 2
1.4. Cấu trúc của luận văn ........................................................................ 2
Chương 2. Kiến thức Nền tảng ..................................................................... 3
2.1. Các cơng trình liên quan .................................................................... 3
2.2. Mạng cảm biến không dây ................................................................. 4
2.2.1. Cấu trúc của mạng cảm biến không dây................................... 4
2.2.2. Cấu trúc của nút trong mạng cảm biến không dây ................. 5
2.2.3. Tối ưu hố năng lượng trong mạng cảm biến khơng dây ....... 6
2.3. Mạng giao tiếp công suất thấp diện rộng (LPWAN) ....................... 6
2.4. Công nghệ LoRaTM và giao thức mạng LoRaWANTM .................... 9
2.4.1. Công nghệ LoRaTM...................................................................... 9
2.4.2. Giao thức mạng LoRaWANTM................................................. 11
2.5. Tính năng ADR trong giao thức mạng LoRaWANTM .................. 15
Chương 3. Giải pháp tối ưu hoá năng lượng ............................................. 18
3.1. Phân tích tính năng ADR trong The Things Network .................. 18
3.2. Giải pháp tối ưu hoá năng lượng .................................................... 20
3.3. Đánh giá giải pháp ............................................................................ 22
Chương 4. Hệ thống thử nghiệm ................................................................ 24
4.1. Tổng quan hệ thống: ........................................................................ 24
4.2. Thiết bị cảm biến .............................................................................. 25
4.2.1. Thiết bị xử lý trung tâm (MCU) .............................................. 25
4.2.2. Cảm biến chất lượng không khí............................................... 26
4.2.3. Thiết bị truyền nhận LoRaTM .................................................. 26
4.2.4. Sơ đồ hoạt động của thiết bị cảm biến .................................... 27
4.2.5. Chi phí xây dựng thiết bị cảm biến.......................................... 28
4.3. Thiết bị trung tâm (gateway) ........................................................... 30
4.3.1. Thiết bị xử lý trung tâm............................................................ 31
4.3.2. Thiết bị LoRaTM gateway RAK831.......................................... 32
4.3.3. Chi phí xây dựng thiết bị trung tâm (gateway) ...................... 32
4.4. Máy chủ LoRaWANTM..................................................................... 33
4.5. Ứng dụng phân tích dữ liệu ............................................................. 34
Chương 5. Kết quả Thử nghiệm & Tổng kết............................................. 36
5.1. Thử nghiệm giải pháp ...................................................................... 36
5.1.1. Thử nghiệm số 1 ........................................................................ 36
5.1.1.1. Mô tả thử nghiệm............................................................... 36
5.1.1.2. Kết quả thử nghiệm ........................................................... 37
5.1.2. Thử nghiệm số 2 ........................................................................ 39
5.1.2.1. Mô tả thử nghiệm............................................................... 39
5.1.2.2. Kết quả thử nghiệm ........................................................... 39
5.1.3. Thử nghiệm số 3 ........................................................................ 41
5.1.3.1. Mô tả thử nghiệm............................................................... 41
5.1.3.2. Kết quả thử nghiệm ........................................................... 41
5.2.
Tổng kết ............................................................................................. 44
5.2.1. Đánh giá giải pháp .................................................................... 44
5.2.2. Hướng phát triển ....................................................................... 45
Chương 1. Giới thiệu
1.1. Lý do chọn đề tài
Theo nghiên cứu, các mạng cảm biến khơng dây sử dụng ít năng lượng sẽ
sớm được triển khai rộng rãi, chính vì thế mà xu hướng nghiên cứu tối ưu hoá
năng lượng tiêu thụ cho mạng cảm biến không dây ngày càng được đẩy mạnh.
Đối với mạng cảm biến không dây, trở ngại lớn nhất trong việc triển khai là sự
giới hạn của năng lượng phụ thuộc vào pin [1]. Chính vì giới hạn về năng lượng
mà việc nghiên cứu về tối ưu hoá năng lượng tiêu thụ ngày càng được đẩy mạnh.
Công nghệ giao tiếp không dây LoRaTM được thiết kế cho các hệ thống yêu
cầu tiêu thụ ít năng lượng và hoạt động được trong tầm xa [2]. Trong khi đó,
LoRaWANTM là một giao thức mạng được tối ưu cho các thiết bị hoạt động dựa
vào pin [4]. Công nghệ LoRaTM và giao thức LoRaWANTM được đánh giá là một
giải pháp phù hợp cho những thách thức trong các hệ thống IoT [3]. Nghiên cứu
về các thiết bị và ứng dụng IoT dựa trên công nghệ giao tiếp tầm xa LoRa được
thực hiện trong nghiên cứu [6] nhằm đưa ra một cái nhìn tổng quan về hướng
phát triển của cơng nghệ này.
Từ những lí do đã nêu ở trên và dự báo về việc các mạng cảm biến không
dây sẽ được ứng dụng ngày càng rộng rãi [2] mà nghiên cứu về “Giải pháp tiết
kiệm năng lượng cho công nghệ giao tiếp tầm xa” đã được chọn. Nghiên cứu
này đưa ra giải pháp để tối ưu hoá năng lượng tiêu thụ trong công nghệ giao tiếp
không dây tầm xa LoRaTM trong một số bài toán cụ thể và mạng cảm biến khơng
dây là một trong số đó.
1.2. Mục tiêu của đề tài
Nghiên cứu về giải pháp tiết kiệm năng lượng cho giao tiếp tầm xa LoRaTM
với các nội dung :
-
Nghiên cứu về công nghệ LoRaTM và LoRaWANTM.
-
Nghiên cứu một số bài tốn có thể ứng dụng cơng nghệ giao tiếp tầm xa
LoRaTM, sau đó đưa ra giải pháp tối ưu hoá năng lượng.
-
Nghiên cứu và hiện thực mạch điều khiển của nút cảm biến trong mạng
cảm biến không dây để đánh giá giải pháp tiết kiệm năng lượng.
1
-
Triển khai một giải pháp tồn diện sử dụng cơng nghệ LoRaTM và
LoRaWANTM bao gồm: nút cảm biến, thiết bị trung tâm (gateway), và
máy chủ LoRaWANTM.
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Để đưa ra giải pháp tối ưu hoá năng lượng tiêu thụ cho công nghệ giao tiếp
tầm xa LoRaTM, nghiên cứu cần tập trung vào:
-
Công nghệ LoRaTM và LoRaWANTM.
-
Các hệ thống IoT ứng dụng công nghệ giao tiếp tầm xa LoRaTM.
-
Các yếu tố ảnh hưởng đến tiêu thụ năng lượng trong cơng nghệ LoRaTM
và tính năng ADR trong giao thức LoRaWANTM.
-
Các phần cứng liên quan đến công nghệ giao tiếp tầm xa LoRaTM.
-
Cách hiện thực mạch điều khiển cho nút cảm biến sử dụng công nghệ
LoRaTM.
Nghiên cứu chỉ tập trung vào việc đưa ra giải pháp tối ưu hố năng lượng
tiêu thụ trong mạng cảm biến khơng dây sử dụng cơng nghệ LoRaTM dựa vào
tính năng ADR của giao thức LoRaWANTM nên sẽ không thể ứng dụng cho các
hệ thống IoT khơng sử dụng tính năng này.
Giải pháp mà nghiên cứu đưa ra chỉ có thể triển khai được trong các mạng
cảm biến không dây sử dụng công nghệ LoRaTM có phần cứng theo chuẩn của
giao thức LoRaWANTM phiên bản 1.1, khơng có khả năng áp dụng rộng rãi cho
những hệ thống sử dụng công nghệ LoRaTM nhưng không theo chuẩn này.
1.4. Cấu trúc của luận văn
Tiếp theo phần giới thiệu, nội dung của luận văn sẽ được tổ chức theo trình
tự như sau:
-
Chương II, Trình bày các kiến thức nền tảng liên quan đến đề tài như:
mạng cảm biến không dây, mạng giao tiếp công suất thấp diện rộng
(LPWAN), LoRaTM và LoRaWANTM, tính năng ADR.
-
Chương III, Đưa ra giải pháp tối ưu hoá năng lượng tiêu thụ dựa vào
tính năng ADR trong giao thức mạng LoRaWANTM.
-
Chương IV, Mô tả các thiết bị đã được hiện thực và triển khai.
-
Chương V, Tổng kết, đánh giá giải pháp của luận văn và đề xuất hướng
phát triển.
2
Chương 2. Kiến thức Nền tảng
2.1. Các cơng trình liên quan
Nghiên cứu [6] đánh giá giải pháp sử dụng công nghệ giao tiếp tầm xa
LoRaTM cho hệ thống mạng cảm biến không dây. Trong nghiên cứu này đã đưa
ra và đánh giá các mơ hình sử dụng LoRaTM và LoRaWANTM, nêu ra hạn chế và
giải pháp sử dụng nhiều thiết bị trung tâm (gateway) để đạt được tầm bao phủ
tối ưu. Nhưng chưa đưa ra giải pháp để áp dụng cơng nghệ giao tiếp tầm xa
LoRaTM vào một bài tốn cụ thể nào.
Việc ứng dụng công nghệ giao tiếp không dây tầm xa LoRaTM trong mạng
cảm biến không dây công nghiệp đã được thực hiện trong nghiên cứu [7]. Nghiên
cứu đã chỉ ra sự khác biệt trong một mạng cảm biến không dây công nghiệp so
với mạng cảm biến không dây truyền thống, từ đó đưa ra giải pháp khả thi cho
việc ứng dụng công nghệ giao tiếp tầm xa LoRaTM vào mạng cảm biến công
nghiệp. Nghiên cứu này đã phân tích các yếu tố cần thiết cho việc triển khai
nhưng chưa nghiên cứu về khía cạnh tối ưu hố năng lượng tiêu thụ.
Trong nghiên cứu [8], giải pháp tối ưu hố năng lượng được đưa ra là kết
hợp cơng nghệ giao tiếp tầm xa LoRaTM và công nghệ giao tiếp tầm gần Wakeup Radio để tối ưu hoá năng lượng tiêu thụ. Giải pháp này đem lại hiệu quả tiết
kiệm năng lượng cao nhưng chỉ hoạt động trong phạm vi hẹp không phát huy
sức mạnh của công nghệ giao tiếp tầm xa LoRaTM.
Trong cơng nghệ LoRaTM có rất nhiều nhân tố ảnh hưởng đến tiêu hao năng
lượng, và trong đó thơng số truyền tải dữ liệu là một trong những nhân tố quan
trọng nhất. Các thơng số này có thể được thiết lập cố định ban đầu hoặc sử dụng
tính năng ADR của giao thức LoRaWANTM. Xu hướng nghiên cứu về tối ưu các
thông số truyền tải trong công nghệ LoRaTM ngày càng được đẩy mạnh. Trong
đó, nghiên cứu [9] tập trung vào tính năng ADR của LoRaWANTM được hiện
thực trong hai dự án mã nguồn mở là LoRa Server và The Things Network
(TTN), cũng như đưa ra giải pháp hạn chế lỗi và mở rộng tầm hoạt động trong
mạng . Dù vậy, yếu tố tiết kiệm năng lượng chưa được nghiên cứu này xem xét
và tối ưu.
Trong nghiên cứu [10], tác giả đã phân tích rõ hơn tính năng ADR bao gồm
hai thành phần là ADR-NODE (thiết bị đầu cuối) và ADR-NET (máy chủ
3
LoRAWANTM). Trong nghiên cứu này dự án mã nguồn mở TTN tiếp tục được
sử dụng để đánh giá tính năng ADR. Một giải pháp tối ưu hoá cho ADR-NET
cũng được tác giả giới thiệu, nhưng kết quả của nghiên cứu dựa trên mơ hình giả
lập chưa có kiểm thử trực tiếp trên thiết bị phần cứng.
Các thông số truyền tải dữ liệu trong cơng nghệ LoRaTM được phân tích rõ
hơn trong nghiên cứu [11], tác giả đã phân tích sâu hơn các thông số tryền tải và
chỉ ra sự hạn chế của tính năng ADR trong LoRaWAN TM đó là không cho thay
đổi tất cả thông số mà chỉ tập trung vào spreading factor (hệ số lan rộng) và
transmission power (năng lượng truyền tải). Tác giả cũng đưa ra giải pháp hỗ trợ
trong việc lựa chọn thơng số thích hợp cho từng bài toán, nhưng giải pháp được
đưa ra yêu cầu phải được kiểm thử trên thiết bị để tìm ra thơng số thích hợp,
khơng có khả năng tự động thích nghi trong mạng LoRaWANTM. Giải pháp được
đưa ra chỉ ở mức mơ hình và được đánh giá dựa trên tính tốn của tác giả chứ
chưa hề được hiện thực và kiểm định trên phần cứng cụ thể.
2.2. Mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây là đối tượng cũng như bài toán được sử dụng để
nghiên cứu và đánh giá giải pháp đề ra trong luận văn. Chính vì thế, mạng cảm
biến khơng dây sẽ được mơ tả chi tiết thông qua các tham khảo từ nhiều nghiên
cứu tiếp sau.
Theo tác giả trong nghiên cứu [12], các hiện thực của mạng cảm biến không
dây được biết đến thông qua hai sự kiện trong lịch sử như sau:
-
Đầu tiên là các thiết bị cảm biến quân sự được Mỹ sử dụng trong chiến
tranh Việt Nam năm 1967.
-
Tiếp sau đó là sự giới thiệu về một khái niệm mới được phát triển bởi
trường đại học University of California, Berkeley vào năm 2013, dưới
cái tên là Smart Dust. Một cấu trúc hệ thống mới được giới thiệu bao
gồm các thành phần: các cảm biến, xử lý tín hiệu và giao tiếp không
dây.
2.2.1. Cấu trúc của mạng cảm biến không dây
Một mạng cảm biến khơng dây sẽ có cấu trúc bao gồm kết nối giữa nhiều
thiết bị (các thiết bị này sẽ được trang bị thêm các cảm biến) đóng vai trị như
các nút trong mạng, số lượng lượng nút trong từng mạng có thể nhiều hoặc ít dựa
4
trên thiết kế riêng của từng mạng. Mỗi nút trong mạng phải có khả năng gửi
thơng tin được thu thập từ các cảm biến tới một điểm thu dữ liệu. Việc truyền tải
thơng tin trong mạng cảm biến có thể là trực tiếp (direct transmission) hoặc gián
tiếp qua các trung gian (transmission by relays). Trong một mạng cũng có thể
tồn tại các nút có nhiệm vụ tập hợp dữ liệu để giảm thiểu sự truyền tải trong
mạng, chính vì điều này mà các nút trong một mạng cảm biến không nhất thiết
phải giống nhau hồn tồn.
Hình 1. Cấu trúc của mạng cảm biến không dây [12]
2.2.2. Cấu trúc của nút trong mạng cảm biến không dây
Một nút trong mạng cảm biến khơng dây sẽ có cấu trúc bao gồm ít nhất các
thành phần như sau:
-
Một thiết bị cảm biến.
-
Một thiết bị có chức năng xử lý tín hiệu đầu ra của cảm biến, và xử lý
tín hiệu kỹ thuật số từ tín hiệu khơng dây.
-
Một thiết bị truyền tải thơng tin khơng dây.
-
Một nguồn năng lượng (thường là pin).
Ngồi ra, các nút cảm biến này cũng thường được trang bị thêm các thiết bị
như sau:
-
Thiết bị thu nhận tín hiệu không dây.
-
Một thiết bị truyền động.
5
-
Một thiết bị định vị chuyên dụng (giống như GPS).
Các nút cảm biến này cần phải đáp ứng được yêu cầu hoạt động trong thời
gian dài, vì thế mà năng lượng tiêu thụ phải được hạn chế ở mức đối đa nhưng
các chức năng thì vẫn phải được đảm bảo.
Để triển khai mạng cảm biến không dây, phương pháp tối ưu năng lượng
tiêu thụ truyền thống thường được sử dụng là thiết kế các mạch điều khiển của
nút cảm biến sao cho chỉ tiêu thụ năng lượng phần lớn trong việc khởi động, và
truyền tải dữ liệu, hạn chế tối đa tiêu thụ năng lượng trong trạng thái chờ.
2.2.3. Tối ưu hố năng lượng trong mạng cảm biến khơng dây
Tác giả trong nghiên cứu [13] đã tập hợp và đánh giá các công nghệ đang
được ứng dụng để tối ưu hố năng lượng tiêu thụ trong mạng cảm biến khơng
dây nói chung, và mạng cảm biến khơng dây trong ngành nơng nghiệp chính xác
nói riêng.
Cơng nghệ giao tiếp khơng dây ngày càng được nghiên cứu và ứng dụng
rộng rãi trong mạng cảm biến không dây, trong nghiên cứu trên tác giả đã khảo
sát và đánh giá những công nghệ giao tiếp không dây phổ biến bao gồm:
Bluetooth BLE, ZigBee, LoRaTM, SigFox, Bluetooth Classic, LTE, GPRS, và
Wi-Fi. Ngoài ra, tác giả cũng đưa ra một biểu đồ so sánh mức tiêu thụ năng lượng
trong việc truyền tải dữ liệu của từng cơng nghệ như sau:
Hình 2. Năng lượng tiêu thụ của các công nghệ giao tiếp không dây [13]
2.3. Mạng giao tiếp công suất thấp diện rộng (LPWAN)
6
Công nghệ giao tiếp công suất thấp diện rộng (LPWAN) được SigFox phổ
biến vào năm 2000 [14], như một giải pháp giao tiếp tầm xa hiệu quả với yêu
cầu tiết kiệm năng lượng và chi phí bản quyền của mạng di động. Có rất nhiều
cơng nghệ được đưa ra theo tiêu chuẩn của LPWAN như: NB – IoT, Sigfox, EC
- GSM, LoRaTM,… Trong đó, LoRaTM được xem là cơng nghệ phổ biến nhất.
Theo thông tin từ Semtech, công ty thiết kế ra công nghệ LoRaTM 40% thiết bị
sử dụng LPWAN sẽ hoạt động dựa trên công nghệ này vào năm 2019.
Theo như trong đặc tả [15], mạng giao tiếp công suất thấp diện rộng
(LPWAN) có các đặc tính như: tầm hoạt động rộng, băng thơng thấp, các gói dữ
liệu được truyền tải có kích thước nhỏ, và hoạt động được trong một thời gian
dài dựa vào nguồn năng lượng là pin. Hiện nay, LPWAN đang được đẩy mạnh
nghiên cứu nhờ việc đem lại khả năng kết nối cho các thiết bị phân tán ở diện
rộng với mức yêu cầu năng lượng thấp.
Trong nghiên cứu [16], tác giả đã phân tích rõ hơn về mục tiêu thiết kế, cũng
như các kỹ thuật được sử dụng để đạt được hiệu quả giao tiếp tầm xa với mức
tiêu thụ năng lượng thấp trong công nghệ giao tiếp này. Công nghệ LPWAN tập
trung vào việc đạt được tầm hoạt động xa với mức năng lượng thấp cùng với chi
phí thấp.
Để đạt được khả năng hoạt động trong phạm vi rộng, LPWAN đã sử dụng
các yếu tố như:
-
Sử dụng băng tần sóng dưới 1GHz (Sub-1GHz), nhằm đem lại khả năng
truyền tải dữ liệu tin cậy và mạnh mẽ với mức tiêu hao năng lượng thấp.
-
Các kỹ thuật điều chế sóng riêng biệt. Các cơng nghệ theo chuẩn của
LPWAN đang sử dụng hai kỹ thuật điều chế sóng chính là băng thơng
hẹp (narrowband) và trải phổ (spread spectrum).
Mức tiêu thụ năng lượng thấp là một đặc trưng quan trọng của công nghệ
LPWAN, và để đạt được khả năng này, các tối ưu về giao thức truyền tải và quản
lý mạng đã được sử dụng bao gồm:
-
Các thành phần trong mạng được liên kết với nhau theo cấu trúc hình
sao, thay vì cấu trúc mạng lưới như các công nghệ giao tiếp không dây
khác. Cấu trúc mạng hình sao sẽ loại bỏ năng lượng tiêu thụ cho các nút
trung gian nhằm tiết kiệm tối đa năng lượng trên các nút đầu cuối.
7
-
Chu trình hoạt động (Duty Cycle) trong LPWAN được thiết kế nhằm
tối ưu thời gian sử dụng năng lượng trên các nút mạng. Các thiết bị đầu
cuối thường sẽ ở trạng thái chờ và thiết bị truyền tải dữ liệu chỉ được
bật khi cần giao tiếp ngoài ra sẽ được tắt trong suốt thời gian hoạt động
của thiết bị.
-
Sử dụng giao thức MAC đơn giản, nhằm hạn chế xử lý dẫn đến tiêu hao
năng lượng, nên LPWAN đã sử dụng các giao thức MAC đơn giản như
ALOHA (trong giao thức SIXFOG, LoRaWANTM), hay TDMA (trong
giao thức NB – IoT).
-
Giảm tải sự phức tạp ở các thiết bị đầu cuối trong mạng, LPWAN sẽ tập
trung các tác vụ phức tạp ở một thiết bị trung tâm (base station /
gateway), trong khi các thiết bị ở nút mạng chỉ tập trung vào việc truyền
tải dữ liệu.
Một đặc điểm khác cũng rất quan trọng giúp cho công nghệ LPWAN ngày
càng phổ biến và được triển khai trong rất nhiều hệ thống IoT là chi phí thấp.
Các cơng nghệ LPWAN sử dụng trong thương mại hiện nay đang giới hạn chi
phí phần cứng dưới 5$ và chi phí sử dụng kết nối là dưới 1$/tháng, để mang đến
khả năng như trên thì cơng nghệ này có các đặc điểm như sau:
-
Giảm thiểu sự phức tạp của phần cứng, so với các công nghệ giao tiếp
tầm gần thì thiết bị truyền nhận trong LPWAN xử lý tín hiệu đơn giản
hơn. Chính vì thế mà giảm thiểu được kích thước phần mêm, chi phí xử
lý tín hiệu, kích thước bộ nhớ dẫn đến phần cứng đơn giản hơn và chi
phí thấp hơn.
-
Tối thiểu cơ sở hạ tầng, các công nghệ giao tiếp truyền thống giới hạn
trong phạm vi nhất định, dẫn đến việc mở rộng sẽ yêu cầu mở rộng cơ
sở hạ tầng (cần thêm các thiết bị như relay, gateway). Trong khi đó với
cơng nghệ LPWAN, một thiết bị trung tâm (base station/gateway) có
thể phục vụ cho số lượng lên đến hàng chục ngàn thiết bị đầu cuối trong
phạm vi vài ki lô mét.
-
Sử dụng các băng tần đã được cấp phép hoặc miễn phí giấy phép, các
công nghệ LPWAN chủ yếu được triển khai trên các băng tần được miễn
giấy phép như băng tần công nghiệp, khoa học và y tế (ISM band).
8
Đặc tính cuối cùng của cơng nghệ LPWAN muốn đem lại chính là khả năng
mở rộng, và hỗ trợ được số lượng lớn các thiết bị đầu cuối. Một số kỹ thuật đã
được sử dụng để đạt được khả năng này là:
-
Áp dụng nhiều kỹ thuật, để có thể phục vụ tối đa số thiết bị thì các thơng
số ảnh hưởng đến khả năng truyền tải như kênh, thời gian, không gian,
và phần cứng sẽ cần được khai thác hiệu quả. Trong LPWAN, các kỹ
thuật như giao giếp đa kênh, nhiều ăng ten và truyền tải song song đã
được áp dụng vào các thành phần mạnh mẽ như thiết bị trung tâm (base
station/gateway) và máy chủ (backend).
-
Khả năng lựa chọn kênh và tốc độ dữ liệu, không chỉ riêng các thành
phần hệ thống trong cơng nghệ LPWAN tối đa hố số thiết bị kết nối
mà các thiết bị đầu cuối cũng được tối ưu nhằm đem khả năng kết nối
tin cậy và tiết kiệm năng lượng.
Ngày nay các nhà mạng ngày càng tập trung và nghiên cứu nhằm đưa ra các
dịch vụ mạng có hỗ trợ cơng nghệ LPWA như LTE - Cat M1, NB – IoT, và sắp
tới là 5G. Các xu hướng phát triển của công nghệ LPWAN được mơ tả rõ hơn
theo hình sau:
Hình 3. Xu hướng phát triển của công nghệ giao tiếp LPWAN [14]
2.4. Công nghệ LoRaTM và giao thức mạng LoRaWANTM
2.4.1. Công nghệ LoRaTM
9
Trong nghiên cứu [17], LoRaTM là công nghệ giao tiếp không dây tầm xa với
mức tiêu thụ năng lượng thấp. Chính vì hai đặc tính trên mà cơng nghệ LoRaTM
rất phù hợp ứng dụng trong các mạng cảm biến không dây.
Cơng nghệ điều chế sóng trong LoRaTM được sở hữu bởi công ty Semtech.
Trong công nghệ này, khoảng cách truyền dẫn, mức năng lượng tiêu thụ và tốc
độ dữ liệu đều phụ thuộc vào các thông số như: công suất truyền tải (power
transmission), tần số truyền tải (carrier frequency), băng thông (bandwith), hệ số
lan rộng (spreading factor), và tỉ lệ mã hố (coding rate). Các thơng số trên sẽ
được phối hợp với nhau để đem lại hiệu suất truyền tải tối ưu cho từng ứng dụng
khác nhau.
Công suất truyền tải (power transmission) thì phụ thuộc trực tiếp vào phần
cứng của thiết bị truyền nhận. Một phần cứng điển hình là chipset SX1272 của
Semtech có khả năng thay đổi cơng suất truyền tải từ -2 dBm đến 20 dBm. Tăng
công suất truyền tải sẽ tăng mức năng lượng tiêu thụ nhưng mở rộng phạm vi
truyền tải.
Tần số truyền tải (carrier frequency), trong cơng nghệ LoRaTM tần số dùng
để truyền tải có thể thiết lập trong khoảng từ 137 Mhz đến 1020 MHz với bước
nhảy là 61 MHz.
Băng thông (bandwith), ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ truyền tải của dữ
liệu. Các giá trị có thể dùng để thiết lập cho băng thông là 125kHz, 250 kHz, và
500 kHz. Việc tăng băng thông sẽ giảm độ nhạy của thiết bị nhận nhưng tăng tốc
độ dữ liệu, với tốc độ dữ liệu cao thì sẽ tiết kiệm năng lượng cũng như thời gian
truyền tải dữ liệu.
Hệ số lan rộng (spreading factor), là nhân tố dùng để đều chế tín hiệu, tốc
độ của dữ liệu sẽ được quyết định bởi yếu tố này cùng với băng thơng và tỉ lệ mã
hố theo cơng thức sau:
𝑹𝒃 = 𝑺𝑭 ×
𝑩𝑾
𝟐𝑺𝑭
× 𝑪𝑹
-
Rb: tốc độ dữ liệu (data rate)
-
SF: hệ số lan rộng (speading factor)
-
BW: băng thông (bandwith)
-
CR: tỉ lệ mã hoá (coding rate)
10
[17]
Tỉ lệ mã hố (coding rate), trong cơng nghệ LoRaTM có sẵn khả năng sửa lỗi
chuyển tiếp (forward error correction) ở lớp vật lý. Tỉ lệ mã hố chính là số lượng
sửa lỗi chuyến tiếp được áp dụng vào dữ liệu, tỉ lệ này có thể là các giá trị như
4/5, 4/6, 4/7, hoặc 4/8. Tỉ lệ mã hoá cao sẽ giúp chống nhiễu trong dữ liệu nhưng
lại tăng kích thước của dữ liệu dẫn đến tăng thời gian truyền tải và năng lượng
tiêu thụ.
Năng lượng tiêu thụ trong công nghệ LoRaTM được dựa trên hai thông số là
năng lượng truyền tải và thời gian truyền tải. Trong đó thời gian truyền tải lại
dựa vào nhiều yếu tố khác nhau như: băng thông, hệ số lan rộng, và tỉ lệ mã hố.
Các hệ thống IoT có thể ứng dụng cơng nghệ LoRaTM được thể hiện trong hình
dưới đây:
Hình 4. Các giải pháp ứng dụng công nghệ LoRaTM [19]
2.4.2. Giao thức mạng LoRaWANTM
11
Theo các nghiên cứu [10] và [11], LoRaWANTM là một giao thức MAC
được phát triển dựa trên giao thức ALOHA và dành riêng cho công nghệ LoRaTM,
giao thức này hoạt động dựa trên cấu trúc mạng hình sao đơn giản.
LoRaWANTM là giao thức mạng theo chuẩn mở được xây dựng và phát triển
bởi hiệp hội LoRaTM, ngoài ra hiệp hội này cũng cung cấp một chương trình cấp
chứng chỉ nhằm đảm bảo sự tương thích tối đa giữa các thiết bị sử dụng chung
giao thức này.
Trong giao thức LoRaWANTM, các thiết bị sẽ truyền tải dữ liệu đến một
hoặc nhiều thiết bị trung tâm (gateway), sau đó các thiết bị này sẽ chuyển tiếp
dữ liệu nhận được lên các máy chủ LoRaWANTM (network server) dựa trên kiến
trúc mạng internet. Các máy chủ sẽ loại bỏ các dữ liệu bị lặp (dữ liệu từ một thiết
bị được nhận từ nhiều gateway) sau đó tiếp tục chuyển tiếp đến máy chủ ứng
dụng (application server).
Mơ hình của giao thức LoRaWANTM được mơ tả như hình sau:
Hình 5. Kiến trúc của giao thức mạng LoRaWANTM [14]
Theo thơng tin từ bài báo [14], các tính năng cốt lõi của giao thức mạng
LoRaWANTM là:
12
-
Tầm hoạt động xa (5km trong nội thành, 10km với vùng ngoại thành,
và lên đến 80km nếu khơng có vật cản).
-
Tuổi thọ pin lâu dài (có thể lên đến 10 năm).
-
Chi phí thấp (dưới 5$ cho một thiết bị).
-
Tốc độ dữ liệu thấp (0.3bps – 50kbps, khoảng 50kB/ngày).
-
Hỗ trợ địa phương hoá.
-
Truyền tải dữ liệu hai chiều.
-
Bảo mật.
-
Hoạt động trên các băng tần không yêu cầu giấy phép.
LoRaWANTM định nghĩa ba loại thiết bị khác nhau được chia thành các lớp
là A, B, và C. Các lớp này được mô tả theo như hình sau:
Hình 6. Các lớp trong LoRaWANTM [18]
Trong giao thức mạng LoRaWANTM chỉ có lớp A là bắt buộc phải có trên
mọi thiết bị, sự khác biệt của thiết bị trong từng lớp sẽ được mô tả như sau:
-
Thiết bị thuộc lớp A, ngẫu nhiên gửi dữ liệu đến các thiết bị trung tâm
(gateway) sau đó kích hoạt chế độ lắng nghe dữ liệu trong một khoảng
thời gian ngắn.
-
Thiết bị thuộc lớp B sẽ có đặc tính giống như lớp A, nhưng có thêm một
lịch trình cố định để kích hoạt chế độ lắng nghe dữ liệu.
-
Thiết bị thuộc lớp C có thể gửi dữ liệu bất cứ lúc nào và cũng ln ở
trạng thái kích hoạt chế độ lắng nghe dữ liệu.
Băng tần hoạt động của giao thức LoRaWANTM được định nghĩa và đặc tả
bởi hiệp hội LoRaTM. Các vùng khác nhau sẽ sử dụng các băng tần khác nhau,
hiện tại LoRaWANTM đang được chia thành các vùng như: châu âu, bắc mỹ,
13
