Chương 1. Tổng quan mạng cảm biến không dây và IoT 1. Khái niệm Wireless Sensor Network (WSN) là một mạng tập hợp các thiết bị giao tiếp thông tin thu thập được từ hiện trường được giám sát thông qua các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại, quang học) và phân tán với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào. Mạng cảm biến không dây bao gồm các trạm gốc và các nút, mạng cảm biến không dây có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua một điểm thu phát và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh.
Lợi thế chủ yếu của mạng cảm biến không dây là khả năng xử lý tốc độ cao, triển khai hầu như trong bất kì loại hình địa lý nào kể cả các môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống. Mạng cảm biến không có thể sử dụng chuẩn truyền thông không dây 2.4GHz để giao tiếp các nút được gắn trên các điểm đo khác nhau. Dùng trong trường hợp để tăng tính chính xác khi xác định trạng thái bằng cách sử dụng nhiều các cảm biến khác nhau.4GHz còn đảm bảo được tính tiết kiệm do chỉ cần yêu cầu truyền thông giao tiếp với nhau trong khoảng cách rất nhỏ, chỉ trong nội bộ các điểm đo. Với 125 kênh truyền khác nhau, khi tận dụng lại tần số thì khoảng cách giữa hai điểm đo để liên lạc giữa các nút với nhau là không đáng kể so với khoảng cách giữa hai điểm đo sử dụng chung một tần số.
Khoảng cách giữa hai nút sử dụng mạng 2.4GHz là khá gần nên có thể tận dụng lại tần số đã cấp phát trước đó cho điểm đo thứ 126 sau khi đã sử dụng hết 125 kênh truyền. Mặt khác có thể sử dụng mạng cảm biến không dây LoRa. Ưu điểm lớn nhất của LoRa đó là khoảng cách giao tiếp rất rộng và xa. Theo Semtech, tín hiệu của mạng LoRaWAN có thể liên lạc giữa hai gateway với nhau khoảng cách lên đến khoảng 30km trong điều kiện lý tưởng.
Với khoảng cách giao tiếp lớn như vậy 2 giúp hạn chế tối đa việc các nút trong mạng hoạt động hết công suất để giữ liên lạc, truyền dữ liệu nối tiếp, tăng tuổi thọ thiết bị. Cũng theo Semtech, năng lượng sử dụng chotruyền thông LoRa là rất rất ít, trong điều kiện thử nghiệm, nguồn năng lượng đến từ pin có thể cho thời gian sử dụng lên đến 10 năm và mỗi gateway của truyền thông LoRa có thể đảm nhiệm việc giữ liên lạc cũng như có khả năng giao tiếp khoảng 1000 thiết bị LoRa đầu cuối. Mạng không dây Lora LoRa là viết tắt của “Long Range” có nghĩa là khoảng cách lớn, cũng là nêu ra lợi thế chính của công nghệ không dây này. Nhiều hệ thống không dây cũ sử dụng điều chế khoá dịch chuyển tần số (FSK) làm lớp vật lý vì đây là một điều chế rất hiệu quả để đạt được mức công suất thấp làm giảm điện năng tiêu thụ.
LoRa dựa trên điều chế trải phổ, duy trì các đặc tính công suất thấp giống như điều chế FSK nhưng làm tăng đáng kể khả năng phạm vi có thể giao tiếp, truyền thông với nhau. Trải phổ đã được sử dụng trong giao tiếp quân sự và không gian trong nhiều thập kỷ do khoảng cách liên lạc lớn mà nó có thể đạt được. LoRa là một điều chế vô tuyến phổ biến được phát triển bởi Cycleo, Pháp và được Semtech mua lại vào năm 2012. Nhờ thiết kế độc đáo, các liên kết không dây có thể đạt được độ nhạy lên - 148dBm.
Đánh đổi việc đó là tốc độ truyền dữ liệu chỉ đạt được vài kilobit trên giây. Tuy tốc độ chậm để có thể truyền dẫn những thứ nặng như hình ảnh hay video nhưng khả năng ứng dụng của nó lại không hề nhỏ, rất phù hợp cho các ứng dụng Internet vạn vật và các ứng dụng M2M, làm giảm lượng năng lượng tiêu thụ. LoRa có thể sử dụng dải rộng từ 137MHz đến 1020 MHz, bao gồm cả các băng tần ISM miễn phí như 169MHz, 433MHz, 868Mhz và 925MHz. Đây là một yếu tố quyết định đến khả năng tương tác chi phí thấp ở trên thế giới.
3 LoRa là giải pháp được dán nhãn CDMA, sử dụng các yếu đố truyền dẫn khác nhau và tốc độ mã hoá thành tín hiệu ghép kênh trên một tần số duy nhất, làm tăng dung lượng mạng, điều chỉnh động tốc độ dữ liệu của thiết bị. LoRaWAN LoRaWAN được định nghĩa là một giao thức truyền thông và kiến trúc hệ thống cho mạng trong khi lớp vậy lý LoRa bật liên kết truyền thông khoảng cách rộng. Giao thức mà kiến trúc mạng có ảnh hưởng lớn đến việc định tuổi thọ pin của các nút, dung lượng mạng, chất lượng dịch vụ, bảo mật và sự đa dạng của các ứng đụng được cung cấp bởi mạng. LoRaWAN là một giao thức MAC có phạm vi rộng, năng lượng thấp, dung lượng cao, mạng Internet vạn vật của các nút mạng LoRa.
Là một tiêu chuẩn LPWAN mở, được duy trì bởi LoRa Alliance. Tận dụng các tính năng của LoRa để tối ưu hoá thời lượng pin, nâng cao chất lượng cho các nút LoRa. Đây là một giao thức hai chiều,cho phép gửi tin nhắn, gói tin tin cậy (xác thực) gồm các định nghĩa mã hoá thiết bị đầu cuối để bảo mật dữ liệu, OTA của các nút đầu cuối và khả năng phát đa hướng. Nhờ vào mô hình ăng-ten phân tán và các cổng hỗ trợ GPS, mạng có thể xác định được vị trí của các nút đầu cuối, ngay cả chúng là các thiết bị di động.
Tiêu chuẩn đảm bảo khả năng tương tác của các mạng LoRaWAN khác nhau trên toàn thế giới. Trong mô hình OSI, LoRaWAN sẽ tương ứng với lớp MAC. Các tầng mạng của mạng không dây Lora. 4 Trong một nút mạng LoRaWAN không được liên kết với một cổng cụ thể.
Thay vào đó, dữ liệu được truyền bởi một nút thường được nhận bởi nhiều cổng. Mỗi cổng sẽ chuyển tiếp gói tin nhận được từ nút cuối cùng đến máy chủ thông qua một số loại kết nối như mạng di động hay là mạng wi-fi, vệ tinh. Sự linh hoạt và phức tạp được chuyển đến máy chủ của mạng, nơi quản lý mạng và lọc các gói nhận được, thực hiện kiểm tra bảo mật, lập lịch thông qua cổng tối ưu và thực hiện tốc độ dữ liệu thích ứng. Nếu một nút là di dộng thì không cần chuyển giao từ cổng này sang cổng khác, đây là một tính năng quan trọng để giúp theo dõi, một trong những mục tiêu chính của Internet vạn vật.
Kiến trúc mạng Các tin nhắn được chuyển tiếp đến một máy chủ trung tâm thông qua các cổng. Mỗi nút cuối truyền dữ liệu đến nhiều cổng. Sau đó, cổng sẽ chuyển tiếp dữ liệu đến máy chủ mạng nơi phát hiện dự phòng, kiểm tra bảo mật và lập lịch tin nhắn được thực hiện. Kiến trúc mạng dạng hình sao.
Thời lượng pin Các nút trong mạng không đồng bộ và liên lạc với nhau khi chúng có dữ liệu khả dụng để sẵn sàng gửi đi theo sự kiện xảy ra hay theo lịch trình được lập trước đó.Loại giao thức này gọi là phương pháp Aloha. Trong một mạng mesh hoặc mạng đồng bộ, cũng như mạng di động, các nút thường hay được đánh thức để 5 đồng bộ với mạng và kiểm tra tin nhắn. Việc đồng bộ hoá này lại tiêu thụ đáng kể một lượng năng lượng và là nguyên nhân lớn cho việc giảm tuổi thọ của pin. Trong một nghiên cứ gần đây được thực hiện bởi GSMA về các công nghệ khác nhau thì LoRaWAN cho thấy lợi thế gấp 3-5 lần so với công nghệ khác về tính tiết kiệm năng lượng.
Dung lượng mạng Để làm cho một mạng sao khả thi, các cổng phải có khả năng nhận được một tin nhắn từ khối lượng nút rất cao. Dung lượng mạng cao trong mạng LoRaWAN đạt được bằng cách sử dụng tốc độ dữ liệu thích ứng và bằng cách sử dụng bộ thu phát đa kênh trong cổng để có thể nhận được tin nhắn đồng thời trên nhiều kênh. Các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến dung lượng là số lượng kênh được sử dụng đồng thời, tốc độ dữ liệu, và tần suất gửi dữ liệu các nút truyền. Do LoRa là một điều chế dựa trên phổ dải rộng, các tín hiệu thực tế trực giao với nhau khi các yếu tố lan truyền khác nhau được sử dụng.
Khi yếu tố lan truyền thay đổi, hiệu quả của tốc độ dữ liệu cũng thay đổi. Gateway tận dụng điều này bằng cách có thể nhận được nhiều tốc độ dữ liệu khác nhau cùng lúc trên cùng một kênh. Bằng cách thay đổi tốc độ dữ liệu cao hơn, thời gian truyền dữ liệu trong không khí được rút ngắn, mở ra nhiều không gian cho các nút khác để truyền. Tốc độ dữ liệu thích ứng cũng giúp tiết kiệm năng lượng hơn của một nút.
Để tốc độ dữ liệu thích ứng hoạt động, liên kết lên xuống đối xứng và liên kết xuống được yêu cầu với đủ dung lượng đường xuống. Tính năng này cho phép mạng LoRaWAN có dung lượng mạng rất cao và giúp mạng có thể mở rất rộng so với Bluetooth hay Zigbee. Một mạng có thể triển khai với số lượng cơ sở hạ tầng tối thiểu, và khi cần thêm dung lượng mạng, có thể thêm nhiều cổng, tăng tốc độ dữ liệu, giảm lượng nghe lén sang các cổng khác có thể làm tăng dung lượng lên 6-8 lần. Các lớp thiết bị 6 Các thiết bị đầu cuối phục vụ các ứng dụng khác nhau và có các yêu cầu khác nhau.
Để tối ưu hoá, LoRaWAN sử dụng các lớp thiết bị khác nhau. Các lớp thiết bị đánh đổi độ trễ truyền thông đường xuống mạng so với tuổi thọ pin. Trong một ứng dụng điều khiển hoặc bộ truyền động, độ trễ truyền thông là rất quan trọng. Các lớp thiết bị trong mạng truyền thống Lora.
Thiết bị đầu cuối hai chiều (lớp A): thiết bị đầu cuối của loại A cho phép liên lạc hai chiều, theo đó mỗi truyền dẫn đường lên của thiết bị đầu cuối được theo sau bởi hai cửa sổ nhận đường xuống ngắn. Khe truyền được lập lịch bởi thiết bị đầu cuối dựa trên nhu cầu giao tiếp của chính nó với một biến thể nhỏ dựa trên cơ sở thời gian ngẫu nhiên (loại giao thức ALOHA). Hoạt động lớp A này là hệ thống thiết bị đầu cuối có công suất thấp nhất cho các ứng dụng chỉ yêu cầu giao tiếp đường xuống từ máy chủ ngay sau khi thiết bị cuối đã gửi đường truyền đường 7 lên. Truyền thông đường xuống từ máy chủ bất cứ lúc nào sẽ phải đợi cho đến khi đường lên theo lịch trình tiếp theo.