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.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của Internet vạn vật (IoT), công nghệ truyền thông không dây công suất thấp và vùng phủ rộng (LPWAN) đã trở thành nền tảng quan trọng để kết nối hàng tỷ thiết bị thông minh. Theo ước tính, các ứng dụng IoT ngày càng gia tăng, đòi hỏi các giải pháp truyền thông có khả năng mở rộng vùng phủ sóng, tiết kiệm năng lượng và chi phí thấp. LoRaWAN, một giao thức LPWAN phổ biến, được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu này với khả năng truyền tín hiệu xa, tiêu thụ điện năng thấp và hỗ trợ kết nối hai chiều.

Tuy nhiên, mô hình mạng LoRaWAN truyền thống theo cấu trúc hình sao có hạn chế về vùng phủ sóng và khả năng mở rộng, do các thiết bị đầu cuối phải giao tiếp trực tiếp với Gateway. Việc mở rộng vùng phủ sóng bằng cách tăng số lượng Gateway thường gây tốn kém chi phí và khó khăn trong lắp đặt, đặc biệt ở các khu vực địa hình phức tạp hoặc vùng sâu vùng xa. Nghiên cứu này tập trung phát triển thiết bị LoRa Relay hoạt động như một Gateway ảo, có chức năng chuyển tiếp gói tin theo giao thức 2-hop, nhằm mở rộng vùng phủ sóng mà không cần tăng số lượng Gateway vật lý.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là thiết kế, phát triển và đánh giá hiệu suất của thiết bị LoRa Relay trong băng tần 923 MHz, với các cơ chế quản lý ưu tiên định tuyến và tiết kiệm năng lượng. Phạm vi nghiên cứu tập trung tại khu vực thành phố Hồ Chí Minh trong năm 2021, với các phép đo thực nghiệm trong môi trường có nhiều tòa nhà cao tầng và vật cản. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả triển khai mạng LoRaWAN, giảm chi phí đầu tư hạ tầng và tăng độ tin cậy truyền thông trong các ứng dụng IoT.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Công nghệ LPWAN và LoRaWAN: LoRaWAN là giao thức mạng không dây công suất thấp, vùng phủ rộng, sử dụng điều chế trải phổ chirp giúp tăng độ nhạy và khả năng chống nhiễu. LoRaWAN hoạt động theo mô hình hình sao, với các lớp hoạt động Class A, B, C, trong đó Class A được triển khai bắt buộc cho thiết bị đầu cuối. Các khái niệm chính bao gồm MAC Header, MAC Payload, MIC, các lệnh MAC và cơ chế kích hoạt thiết bị (OTA và cá nhân hóa).

• Mô hình Relay 2-hop trong mạng LoRa: Thiết bị LoRa Relay hoạt động như một Gateway ảo trung gian, nhận và chuyển tiếp gói tin từ thiết bị đầu cuối đến Gateway chính, giúp mở rộng vùng phủ sóng mà không cần tăng số lượng Gateway vật lý. Mô hình này giải quyết hạn chế về khoảng cách giao tiếp và vùng phủ sóng trong môi trường có nhiều vật cản.

• Tiết kiệm năng lượng trong mạng IoT: Sử dụng các giải thuật đồng bộ thời gian wake-up giữa thiết bị đầu cuối và Relay, áp dụng các cơ chế sleep mode để giảm tiêu thụ năng lượng, đảm bảo tuổi thọ pin lâu dài cho các thiết bị.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Thu thập dữ liệu thực nghiệm tại khu vực thành phố Hồ Chí Minh, trong môi trường có nhiều tòa nhà cao tầng và vật cản, sử dụng thiết bị LoRa Relay phát triển trong đề tài và các thiết bị đầu cuối LoRaWAN tiêu chuẩn.

• Phương pháp phân tích: Đo đạc các thông số kỹ thuật như khoảng cách giao tiếp, tỷ lệ rớt gói tin, chỉ số RSSI, SNR, mức tiêu thụ năng lượng trong các chu kỳ hoạt động khác nhau. Phân tích so sánh hiệu suất truyền thông trong môi trường LOS (Line-of-Sight) và NLOS (Non-Line-of-Sight).

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2021, bao gồm các giai đoạn thiết kế phần cứng và phần mềm, triển khai thử nghiệm thực tế, thu thập và phân tích dữ liệu, đánh giá kết quả và đề xuất giải pháp.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Sử dụng một hệ thống gồm hai board mạch chính (Receiver và Sender) kết nối với các thiết bị đầu cuối trong phạm vi khảo sát, lựa chọn các vị trí đo đạc đại diện cho môi trường đô thị phức tạp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Mở rộng vùng phủ sóng: Thiết bị LoRa Relay đã mở rộng vùng phủ sóng lên đến 3 km trong môi trường LOS và khoảng 2 km trong môi trường NLOS, tăng đáng kể so với mô hình hình sao truyền thống. Khoảng cách giao tiếp giữa thiết bị đầu cuối và Gateway được cải thiện rõ rệt nhờ Relay trung gian.

2. Tỷ lệ rớt gói tin thấp: Ở khoảng cách 500 mét từ Gateway, tỷ lệ gói tin được nhận chính xác đạt tới 97% với tải trọng 10 byte ở hệ số trải rộng SF9, cho thấy hiệu suất truyền thông ổn định và đáng tin cậy.

3. Tiết kiệm năng lượng hiệu quả: Các giải thuật đồng bộ wake-up giữa thiết bị đầu cuối và Relay giúp giảm tiêu thụ năng lượng đáng kể. Đo đạc cho thấy mức tiêu thụ dòng điện trong chu kỳ 5 giây dao động từ vài trăm microampe, đảm bảo tuổi thọ pin lâu dài cho thiết bị.

4. Quản lý ưu tiên định tuyến: Thiết bị Relay có khả năng quản lý whitelist/blacklist các thiết bị đầu cuối, giúp kiểm soát luồng dữ liệu và giảm thiểu xung đột gói tin trong mạng.

Thảo luận kết quả

Kết quả đo đạc và phân tích cho thấy thiết bị LoRa Relay phát triển trong nghiên cứu đã giải quyết hiệu quả các hạn chế của mạng LoRaWAN truyền thống về vùng phủ sóng và chi phí hạ tầng. Việc mở rộng vùng phủ sóng lên đến 3 km trong môi trường thuận lợi giúp giảm số lượng Gateway cần thiết, từ đó tiết kiệm chi phí đầu tư và vận hành.

Tỷ lệ rớt gói tin thấp và độ tin cậy cao được duy trì nhờ cơ chế đồng bộ wake-up và giải thuật truyền nhận tối ưu, phù hợp với các ứng dụng IoT yêu cầu truyền dữ liệu ổn định. So với các nghiên cứu trước đó, thiết bị này có thêm các phép đo chi tiết về hiệu suất hoạt động và giải pháp tiết kiệm năng lượng, khắc phục các nhược điểm như độ trễ truyền tin và xung đột gói tin.

Các biểu đồ phân tích chỉ số RSSI, SNR và mức tiêu thụ năng lượng trong các chu kỳ hoạt động được trình bày rõ ràng, minh họa sự cải thiện hiệu quả của thiết bị Relay. Kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc triển khai mạng LoRaWAN tại các khu vực đô thị phức tạp và vùng sâu vùng xa, nơi việc lắp đặt Gateway vật lý gặp nhiều khó khăn.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai rộng rãi thiết bị LoRa Relay: Khuyến nghị các nhà mạng và doanh nghiệp IoT áp dụng thiết bị Relay để mở rộng vùng phủ sóng, giảm chi phí đầu tư Gateway mới, đặc biệt tại các khu vực có địa hình phức tạp hoặc vùng sâu vùng xa. Thời gian thực hiện trong vòng 12 tháng.

2. Tối ưu hóa giải thuật đồng bộ wake-up: Nghiên cứu và phát triển thêm các giải thuật đồng bộ thời gian wake-up giữa thiết bị đầu cuối và Relay nhằm nâng cao tỷ lệ truyền nhận thành công và tiết kiệm năng lượng hơn nữa. Chủ thể thực hiện là các nhóm nghiên cứu công nghệ IoT trong 6-9 tháng tiếp theo.

3. Phát triển phần mềm quản lý Relay nâng cao: Xây dựng phần mềm quản lý ưu tiên định tuyến, whitelist/blacklist thiết bị đầu cuối để kiểm soát luồng dữ liệu, giảm thiểu xung đột và tăng hiệu quả mạng. Thời gian triển khai 6 tháng, do các nhà phát triển phần mềm IoT đảm nhiệm.

4. Mở rộng thử nghiệm trong các môi trường đa dạng: Tiến hành các thử nghiệm thực tế tại nhiều địa điểm khác nhau như nông thôn, khu công nghiệp, vùng biển để đánh giá hiệu quả thiết bị trong các điều kiện môi trường khác nhau. Thời gian thực hiện 12-18 tháng, phối hợp giữa các viện nghiên cứu và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Thông tin, Viễn thông: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về công nghệ LoRaWAN, thiết kế phần cứng và phần mềm cho thiết bị Relay, giúp mở rộng hiểu biết và phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

2. Doanh nghiệp phát triển giải pháp IoT và mạng không dây: Các công ty có nhu cầu triển khai mạng LoRaWAN có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để tối ưu hóa vùng phủ sóng, giảm chi phí hạ tầng và nâng cao hiệu quả truyền thông.

3. Nhà quản lý và hoạch định chính sách công nghệ: Thông tin về hiệu quả và tiềm năng của thiết bị LoRa Relay hỗ trợ việc xây dựng các chính sách phát triển hạ tầng IoT, thúc đẩy ứng dụng công nghệ trong các lĩnh vực đô thị thông minh, nông nghiệp công nghệ cao.

4. Các kỹ sư và chuyên gia phát triển phần cứng, phần mềm IoT: Luận văn trình bày chi tiết về thiết kế mạch, giao thức truyền thông, giải thuật tiết kiệm năng lượng, giúp các kỹ sư nâng cao kỹ năng và áp dụng vào thực tế sản xuất, phát triển sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

1. LoRa Relay là gì và có vai trò gì trong mạng LoRaWAN?
   LoRa Relay là thiết bị trung gian chuyển tiếp gói tin giữa thiết bị đầu cuối và Gateway, giúp mở rộng vùng phủ sóng mạng LoRaWAN mà không cần tăng số lượng Gateway vật lý. Ví dụ, trong môi trường đô thị nhiều vật cản, Relay giúp thiết bị đầu cuối xa Gateway vẫn có thể truyền dữ liệu ổn định.

2. Thiết bị LoRa Relay có tiết kiệm năng lượng không?
   Có. Thiết bị sử dụng các giải thuật đồng bộ wake-up với thiết bị đầu cuối, cho phép cả hai cùng vào chế độ ngủ khi không truyền dữ liệu, giảm tiêu thụ năng lượng đáng kể, kéo dài tuổi thọ pin cho các thiết bị IoT.

3. Khoảng cách truyền tín hiệu của LoRa Relay đạt được là bao nhiêu?
   Trong môi trường thuận lợi (LOS), vùng phủ sóng có thể mở rộng đến 3 km; trong môi trường có vật cản (NLOS), khoảng cách đạt khoảng 2 km. Đây là cải tiến đáng kể so với mô hình truyền thống chỉ đạt vài trăm mét.

4. LoRa Relay có ảnh hưởng đến độ trễ truyền dữ liệu không?
   Thiết bị được thiết kế để tối thiểu hóa độ trễ bằng giải thuật truyền nhận hiệu quả và quản lý ưu tiên định tuyến. Kết quả thực nghiệm cho thấy độ trễ không gây ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất truyền thông.

5. Có thể áp dụng LoRa Relay trong các ứng dụng IoT nào?
   LoRa Relay phù hợp với các ứng dụng yêu cầu vùng phủ rộng và tiết kiệm năng lượng như giám sát môi trường, nông nghiệp thông minh, quản lý tài sản, thành phố thông minh, đặc biệt ở các khu vực khó lắp đặt Gateway.

Kết luận

• Thiết bị LoRa Relay phát triển trong nghiên cứu đã mở rộng vùng phủ sóng mạng LoRaWAN lên đến 3 km trong môi trường LOS và 2 km trong môi trường NLOS, nâng cao hiệu quả truyền thông.
• Tỷ lệ nhận gói tin chính xác đạt tới 97% ở khoảng cách 500 mét, đảm bảo độ tin cậy cao cho các ứng dụng IoT.
• Giải thuật đồng bộ wake-up và cơ chế sleep mode giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể, kéo dài tuổi thọ pin cho thiết bị.
• Thiết bị có khả năng quản lý ưu tiên định tuyến, kiểm soát whitelist/blacklist, giảm thiểu xung đột gói tin trong mạng.
• Nghiên cứu đề xuất các giải pháp triển khai, tối ưu và mở rộng thử nghiệm, góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ LoRa Relay trong thực tế.

Next steps: Triển khai thử nghiệm mở rộng, phát triển phần mềm quản lý nâng cao, tối ưu giải thuật tiết kiệm năng lượng và phối hợp với doanh nghiệp ứng dụng thực tế.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và nhà quản lý công nghệ được khuyến khích áp dụng và phát triển thiết bị LoRa Relay để nâng cao hiệu quả mạng IoT, góp phần xây dựng hạ tầng thông minh, bền vững.