NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN LORA RELAY

• Tác giả: Nguyễn Trần Tiến Đạt
• Người hướng dẫn: TS. Trịnh Lê Huy
• Trường học: Đại học Quốc gia TP.HCM Trường Đại học Công nghệ Thông tin
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thông Tin
• Đề tài: Nghiên Cứu Và Phát Triển LoRa Relay
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
• 1.1. BÀI TOÁN ĐẶT RA
• 1.2. TÓM TẮT LUẬN VĂN
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ
• 2.1. Công nghệ truyền tin hiện tại
• 2.2. CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN
• 2.2.1. A LoRa Based Wireless Relay Network for Actuator Data (Use Arduino Nano and Modtronix LoRa inair9)
• 2.2.2. A LoRa Relay Based System for Detonating Explosives in Underground Mines. Increased flexibility in long-range IoT deployments with transparent and light-weight 2-hop LoRa approach. — Research and Design LoRa Relay, Huy Trinh Thanh, University of Information Technologies — Ho Chi Minh Vietnam National University
• 2.2.3. Bảng so sánh ưu nhược điểm của các đề tài nghiên cứu trên
• 2.3. CÁC MODULE LIÊN QUAN
• 2.3.1. MCU STM32L476RGTx
• 2.3.2. SEVER THE THINGS NETWORK
• 2.3.3. CHUẨN GIAO TIẾP SPI
• 3. CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ
• 3.1. Mạch Receiver bắt gói tin
• 3.2. Mạch Sender chuyển tiếp
• 3.3. Phân tích gói tin LoRa
• 3.4. Giải thuật truyền nhận
• 3.5. Tiết kiệm năng lượng
• 3.6. Application layer
• 3.6.1. Device application
• 3.6.2. Relay Application
• 3.6.3. Decoder gói tin từ Device
• 3.6.4. Relay Manager
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ
• 4.1. CÁC THÔNG SỐ ĐÁNH GIÁ
• 4.2. Signal to Noise Ratio (SNR)
• 4.3. Chỉ số RSSI
• 4.4. KHOẢNG CÁCH GIAO TIẾP GIỮA HAI THIẾT BỊ LORA
• 4.5. Truyền tin hiệu LOS (Line-Of-Sight). Truyền tín hiệu NLOS (Non-Line-of-sight)
• 4.6. Spreading Factor
• 4.7. NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ
• 4.8. TẦN SUẤT GỬI TỐI ƯU
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. KẾT LUẬN
• 5.2. Những tồn đọng của đề tài
• 5.3. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• TÓM TẮT KHÓA LUẬN

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu và Phát Triển LoRa Relay Hiện Nay

Hiện nay, IoT và công nghệ cảm biến không dây ngày càng phổ biến, đặc biệt ở các nước phát triển. Tuy nhiên, tại Việt Nam, việc ứng dụng còn hạn chế do điều kiện kỹ thuật và kinh tế. LPWAN (Low Power Wide Area Network) nổi lên như một giải pháp tiềm năng. LPWAN có đặc điểm phủ sóng rộng, băng thông thấp, kích thước gói tin nhỏ và tuổi thọ pin dài, hỗ trợ truyền thông không dây cho IoT. Semtech đã đóng góp vào sự phát triển của LPWAN, nhưng chỉ giữ độc quyền sản xuất bộ thu phát LoRa, mở đặc tả LoRaWAN cho các nhà phát triển. Các mạng LoRaWAN thường có cấu trúc hình sao, hạn chế khả năng mở rộng và tăng tầm phủ sóng. Luận án này tập trung vào nghiên cứu và phát triển một thiết bị LoRa Relay có chức năng chuyển tiếp gói tin trong mạng LoRa theo giao thức 2-hop, nhằm tăng vùng phủ sóng của các Gateway đến các thiết bị đầu cuối. Thiết bị hoạt động trong phạm vi 923MHz, có thể quản lý định tuyến truyền nhận gói tin và tiết kiệm năng lượng.

1.1. Giới Thiệu Công Nghệ Truyền Thông Không Dây LPWAN

LPWAN là một công nghệ truyền thông không dây được thiết kế đặc biệt để đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng IoT và M2M. Nó cung cấp khả năng kết nối công suất thấp với số lượng thiết bị lớn, phân bố rộng. Các ứng dụng IoT điển hình yêu cầu hiệu quả về vùng phủ sóng, năng lượng và băng thông thấp. LPWAN cho phép triển khai các cảm biến thông minh trên toàn khu vực rộng lớn.

1.2. Vấn Đề Mở Rộng Vùng Phủ Sóng Mạng LoRaWAN

Các mô hình mạng LoRaWAN thường được bố trí theo cấu trúc hình sao, điều này có nghĩa là các thiết bị đầu cuối giao tiếp trực tiếp với một hoặc nhiều Gateway. Tuy nhiên, kiến trúc này hạn chế khả năng mở rộng mạng lưới cũng như tăng tầm phủ sóng. Do đó, việc mở rộng vùng phủ sóng thường đòi hỏi phải cài đặt các Gateway mới, gây tốn kém và khó khăn, đặc biệt ở những khu vực không có hạ tầng mạng.

II. Thách Thức Giải Pháp Mở Rộng Mạng LoRaWAN với Relay

Mạng LoRaWAN thường được bố trí theo cấu trúc hình sao, trong đó các thiết bị đầu cuối giao tiếp trực tiếp với Gateway. Cấu trúc này đơn giản hóa giao thức, nhưng lại đòi hỏi phải cài đặt thêm Gateway để mở rộng vùng phủ sóng, ảnh hưởng đến khả năng mở rộng và phụ thuộc vào khoảng cách giao tiếp. Việc lắp đặt thêm Gateway tốn kém, đặc biệt ở khu vực nông thôn hoặc giữa sông biển. Khảo sát cho thấy tín hiệu LoRaWAN bị hạn chế rõ rệt trong môi trường có nhiều tòa nhà cao tầng và xe cơ giới. Giải pháp là xây dựng một thiết bị đầu cuối trung gian, LoRa Relay, đóng vai trò cầu nối truyền tiếp tín hiệu của các thiết bị đầu cuối tín hiệu kém đến Gateway. LoRa Relay có thể hoạt động như một thiết bị đầu cuối độc lập để thu thập thông tin môi trường.

2.1. Các Vấn Đề Tồn Tại Trong Cấu Trúc Mạng LoRaWAN

Trong cấu trúc liên kết hình sao của mạng LoRaWAN, các thiết bị đầu cuối chỉ cần một giao tiếp LoRa để truy cập mạng IP. Tuy nhiên, kiến trúc này đòi hỏi phải cài đặt các Gateway mới để mở rộng vùng phủ sóng, điều này ảnh hưởng đến khả năng mở rộng của hệ thống và phụ thuộc vào khoảng cách giao tiếp hoặc sự ổn định của thiết bị đầu cuối đến Gateway.

2.2. Đề Xuất Giải Pháp Sử Dụng LoRa Relay

Để giải quyết bài toán tăng khoảng cách giao tiếp, đề tài này đề xuất xây dựng một thiết bị đầu cuối trung gian đóng vai trò là cầu nối chuyển tiếp tín hiệu của các thiết bị đầu cuối tín hiệu kém đến Gateway. Thiết bị này được gọi là LoRa Relay. Ngoài ra, LoRa Relay cũng có thể hoạt động như một thiết bị đầu cuối độc lập phục vụ thu thập thông tin môi trường tại nơi lắp đặt.

2.3. Mô Hình Tham Khảo của LoRa Relay

Mô hình tham khảo của LoRa Relay trong hệ thống thể hiện ý tưởng thiết kế. Thiết bị ở vị trí trung gian giữa Device và Gateway, làm nhiệm vụ chuyển tiếp gói tin đến Gateway trong trường hợp Device không thể gửi tín hiệu đến Gateway. LoRa Relay cho phép mở rộng vùng phủ sóng mà không cần lắp đặt thêm Gateway, đồng thời, để tăng hiệu suất của các thiết bị đầu cuối ở cùng phạm vi phủ sóng.

III. Hướng Dẫn Thiết Kế và Triển Khai LoRa Relay Hiệu Quả Nhất

Thiết kế LoRa Relay cần tuân thủ các nguyên tắc: hạn chế can thiệp vào hệ thống LoRaWAN có sẵn; đường truyền từ thiết bị đầu cuối đến cổng chuyển tiếp IP xa hơn từ Relay đến Gateway; gói tin gửi nhận theo cấu trúc mạng LoRaWAN được đề xuất bởi Semtech. Các LoRaWAN uplinks bắt đầu bằng một chuỗi wake-up trên một trong hai kênh wake-up. Relay có thể giải mã và xem đặc tính của gói tin, được phép đóng gói và chuyển tiếp gói tin, cũng như từ chối hoặc chấp nhận chuyển tiếp gói tin từ một số Devices (Blacklist/Whitelist). Sleep timer được sử dụng trong trình tự wake-up ban đầu được thiết lập sẵn. Tần số sử dụng là 923 MHz, Class sử dụng là Class A.

3.1. Các Nguyên Tắc Thiết Kế LoRa Relay Cần Lưu Ý

Để thiết kế một LoRa Relay hiệu quả, cần tuân thủ các nguyên tắc sau: Hạn chế tối đa sự can thiệp vào hệ thống LoRaWAN hiện có. Đảm bảo rằng đường truyền từ thiết bị đầu cuối (Device) đến cổng chuyển tiếp IP (Gateway) sẽ xa hơn so với đường truyền từ Relay đến Gateway. Tuân thủ cấu trúc mạng LoRaWAN được Semtech đề xuất cho các gói tin gửi và nhận.

3.2. Quản Lý Gói Tin và Quyền Truy Cập trong LoRa Relay

LoRa Relay có khả năng giải mã và xem được đặc tính của gói tin (không thể xem được nội dung gói tin) được gửi từ Device. Thiết bị được phép đóng gói và chuyển tiếp gói tin đến Gateway, đồng thời cũng có thể từ chối hoặc chấp nhận chuyển tiếp gói tin từ một số Devices nhất định thông qua cơ chế Blacklist/Whitelist.

3.3. Tiết Kiệm Năng Lượng trong Thiết Kế LoRa Relay

Sleep timer được sử dụng trong trình tự wake-up ban đầu của LoRa Relay được thiết lập sẵn. Thời gian này có thể được tăng lên sau khi được đồng bộ và tùy thuộc vào tốc độ dữ liệu được sử dụng. Việc sử dụng sleep timer giúp LoRa Relay tiết kiệm năng lượng đáng kể, đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng IoT chạy bằng pin.

IV. Phương Pháp Phân Tích Thiết Kế Phần Mềm LoRa Relay

Chương trình sẽ trình bày về các phân tích thiết kế của LoRa Relay, bao gồm cả phần cứng lẫn phần mềm. Bên cạnh đó còn có các thành phần liên quan như các ứng dụng được nạp lên board mạch và trình quản lý các relay, các thuật toán cho các thành phần này. Thiết kế phần mềm bao gồm Device application, Relay Application, Decoder gói tin từ Device và Relay Manager.

4.1. Cấu Trúc Phần Mềm cho Thiết Bị LoRa Relay

Phần mềm của LoRa Relay bao gồm các thành phần chính sau: Device application (ứng dụng trên thiết bị), Relay Application (ứng dụng trên Relay), Decoder gói tin từ Device (bộ giải mã gói tin từ thiết bị) và Relay Manager (trình quản lý Relay).

4.2. Thiết Kế Giải Thuật Truyền Nhận Gói Tin

Giải thuật truyền nhận gói tin trong LoRa Relay đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo dữ liệu được truyền đi một cách chính xác và hiệu quả. Cần thiết kế giải thuật sao cho Relay có thể nhận, xử lý và chuyển tiếp gói tin một cách nhanh chóng và tin cậy.

4.3. Tiết Kiệm Năng Lượng Trong Quá Trình Truyền Nhận

Việc tiết kiệm năng lượng trong quá trình truyền nhận là yếu tố then chốt để kéo dài tuổi thọ pin của LoRa Relay. Các kỹ thuật tiết kiệm năng lượng cần được áp dụng trong cả phần cứng lẫn phần mềm, bao gồm việc sử dụng các chế độ ngủ và tối ưu hóa thời gian hoạt động.

V. Kết Quả Nghiên Cứu Đánh Giá Hiệu Năng LoRa Relay Thực Tế

Đề tài đưa ra các đo đạc và đánh giá mức độ hiệu quả của thiết bị chuyển tiếp gói tin như đo đạc khoảng cách giao tiếp, vùng phủ sóng được mở rộng, tỉ lệ rớt gói tin và năng lượng tiêu thụ. Chương trình sẽ tập trung về các đánh giá đo đạc khả năng hoạt động của Relay cũng như mức tiêu hao năng lượng, khoảng cách giao tiếp, tỉ lệ rớt gói tin và vùng giao tiếp tối ưu.

5.1. Phương Pháp Đánh Giá Hiệu Năng Hoạt Động LoRa Relay

Để đánh giá hiệu quả hoạt động của LoRa Relay, cần thực hiện các đo đạc và phân tích về các thông số quan trọng như: khoảng cách giao tiếp, vùng phủ sóng được mở rộng, tỉ lệ rớt gói tin và mức tiêu thụ năng lượng.

5.2. Phân Tích Khoảng Cách Giao Tiếp và Vùng Phủ Sóng

Việc đo đạc khoảng cách giao tiếp và vùng phủ sóng giúp xác định khả năng mở rộng mạng LoRaWAN của LoRa Relay. Cần thực hiện các thử nghiệm trong nhiều môi trường khác nhau để đánh giá chính xác hiệu quả của thiết bị.

5.3. Đánh Giá Mức Tiêu Hao Năng Lượng của LoRa Relay

Mức tiêu hao năng lượng là một yếu tố quan trọng cần được đánh giá để đảm bảo LoRa Relay có thể hoạt động trong thời gian dài mà không cần thay pin thường xuyên. Cần thực hiện các đo đạc và phân tích chi tiết về mức tiêu thụ năng lượng của thiết bị trong các chế độ hoạt động khác nhau.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Nghiên Cứu LoRa Relay Tương Lai

Chương này sẽ đưa ra các kết luận và đánh giá, cũng như các khó khăn và những tồn đọng trong quá trình làm đề tài. Bên cạnh đó là hướng phát triển cho các nghiên cứu tiếp theo. Bài báo cho thấy các vấn đề còn tồn đọng của đề tài, các hướng phát triển trong tương lai.

6.1. Tổng Kết Các Kết Quả Đạt Được Trong Nghiên Cứu

Chương này tóm tắt các kết quả đạt được trong quá trình nghiên cứu và phát triển LoRa Relay, bao gồm các ưu điểm và hạn chế của thiết bị, cũng như các ứng dụng tiềm năng trong thực tế.

6.2. Những Tồn Đọng Cần Giải Quyết Trong Tương Lai

Mặc dù đã đạt được những kết quả nhất định, vẫn còn một số vấn đề tồn đọng cần được giải quyết trong tương lai, bao gồm việc tối ưu hóa hiệu năng, tăng cường tính bảo mật và giảm chi phí sản xuất.

6.3. Hướng Phát Triển Tiềm Năng của Công Nghệ LoRa Relay

Công nghệ LoRa Relay có tiềm năng phát triển rất lớn trong tương lai, đặc biệt trong các lĩnh vực như nông nghiệp thông minh, thành phố thông minh và công nghiệp 4.0. Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển để khai thác tối đa tiềm năng của công nghệ này.