I. Giới thiệu về LoRaWAN
LoRaWAN là một đặc tả kỹ thuật được phát triển bởi LoRa Alliance, nhằm chuẩn hóa mô hình các hệ thống IoT sử dụng công nghệ LoRa. Mạng không dây này được thiết kế để kết nối các thiết bị chạy pin vào internet với phạm vi rộng, từ khu vực đến toàn cầu. Đặc điểm nổi bật của LoRaWAN là cấu trúc hình sao, cho phép các nodes gửi dữ liệu đến gateway với độ trễ thấp, đồng thời hỗ trợ giao tiếp hai chiều. Tuy nhiên, trong một số tình huống, do hạn chế về hạ tầng, không thể bố trí đủ gateways để bao phủ tất cả các nodes. Điều này dẫn đến nhu cầu cải thiện khả năng gửi dữ liệu từ các nodes ra ngoài tầm phủ sóng của gateway. Do đó, việc nghiên cứu và cải tiến giao thức định tuyến là cần thiết.
1.1. Cấu trúc mạng LoRaWAN
Cấu trúc của mạng LoRaWAN được mô tả như một mạng hình sao của các hình sao, trong đó các gateways đóng vai trò chuyển tiếp dữ liệu giữa các thiết bị đầu cuối và máy chủ mạng. Các thiết bị này có thể kết nối với một hoặc nhiều gateways, nhờ vào khả năng truyền xa của công nghệ LoRa. Điều này cho phép tối ưu hóa việc sử dụng băng tần và giảm thiểu độ trễ trong quá trình truyền tải dữ liệu. Tuy nhiên, trong một số tình huống, việc sử dụng kỹ thuật flooding có thể dẫn đến các vấn đề như dư thừa dữ liệu và tiêu hao năng lượng cao. Do đó, cần có các giải pháp định tuyến hiệu quả hơn để nâng cao hiệu suất mạng.
II. Giao thức định tuyến HEAT
Giao thức định tuyến HEAT (Heat-based Routing Protocol) được phát triển nhằm cải thiện khả năng truyền tải dữ liệu trong mạng LoRaWAN. Giao thức này sử dụng một khái niệm mới, gọi là giá trị ‘heat’, để đánh giá chất lượng kết nối giữa các nodes. Thay vì chỉ dựa vào khoảng cách, HEAT xem xét các yếu tố như độ tin cậy và băng thông của từng node, từ đó xác định lộ trình tối ưu cho việc truyền dữ liệu. Việc áp dụng HEAT trong mạng IoT không chỉ giúp cải thiện tỉ lệ gửi gói thành công mà còn giảm thiểu năng lượng tiêu thụ, điều này rất quan trọng trong các ứng dụng sử dụng pin.
2.1. Khái niệm heat trong định tuyến
Khái niệm ‘heat’ trong giao thức HEAT là một yếu tố quan trọng để xác định chất lượng của các lộ trình trong mạng. Giá trị ‘heat’ được tính toán dựa trên các thông số như độ trễ, tỉ lệ mất gói và năng lượng tiêu thụ của các nodes. Khi một node có giá trị ‘heat’ cao, điều đó có nghĩa là node đó có khả năng truyền tải dữ liệu tốt hơn, từ đó giúp cải thiện hiệu suất tổng thể của mạng. Việc so sánh giá trị ‘heat’ giữa các node sẽ giúp hệ thống xác định được lộ trình tối ưu cho việc gửi dữ liệu đến gateway, giảm thiểu độ trễ và tăng cường khả năng truyền thông.
III. Thực nghiệm và đánh giá
Luận văn thực hiện các mô phỏng trên phần mềm OMNeT++ để đánh giá hiệu quả của giao thức HEAT trong mạng LoRaWAN. Các chỉ số như tỉ lệ gửi gói thành công, thông năng, độ trễ và năng lượng tiêu thụ được đo lường và phân tích. Kết quả cho thấy, giao thức HEAT không chỉ cải thiện tỉ lệ gửi gói thành công mà còn giảm thiểu đáng kể năng lượng tiêu thụ so với các phương pháp truyền thống. Điều này chứng tỏ giá trị thực tiễn của nghiên cứu, đặc biệt trong bối cảnh các ứng dụng IoT ngày càng phát triển và yêu cầu hiệu suất cao.
3.1. Kết quả mô phỏng
Kết quả từ các mô phỏng cho thấy, khi áp dụng giao thức HEAT, tỉ lệ gửi gói thành công tăng lên đáng kể. Cụ thể, trong mô hình mạng với 10 nodes và 1 gateway, tỉ lệ này đạt khoảng 90%, trong khi với kỹ thuật flooding, tỉ lệ này chỉ đạt khoảng 70%. Bên cạnh đó, độ trễ trung bình cũng giảm xuống, cho thấy khả năng truyền tải dữ liệu được cải thiện. Các chỉ số năng lượng tiêu thụ cũng cho thấy sự tiết kiệm khi sử dụng HEAT, điều này rất quan trọng trong các ứng dụng IoT, nơi mà nguồn năng lượng thường hạn chế.
