Phân tích sự lan truyền lora trong môi trường truyền dẫn sử dụng bản đồ số

ˆ Tăng hiệu suất sử dụng phổ và năng lượng bằng việc điều khiển, tối ưu hóa nguồn tài nguyên vô tuyến ví dụ như công suất, băng tần.Với việc công nghệ 5G đang được đặt nền móng triển kha

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THÔNG VIỄN THÔNG

PHÂN TÍCH SỰ LAN TRUYỀN LORA TRONG MÔI TRƯỜNG TRUYỀN DẪN SỬ DỤNG BẢN ĐỒ SỐ

HỌC VIÊN: NGUYỄN NAM HẢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ

PHÂN TÍCH SỰ LAN TRUYỀN LORA TRONG MÔI TRƯỜNG TRUYỀN DẪN SỬ DỤNG BẢN ĐỒ SỐ

HỌC VIÊN: NGUYỄN NAM HẢI

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

MÃ SỐ: 852.0208

TS: NGUYỄN HOÀI GIANG

HÀ NỘI - 2020

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn thạc sĩ là côngtrình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của cán bộ hướng dẫn Các

số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưađược công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây Các kết quả sử dụngtham khảo đều đã được trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định

Hà Nội, Ngày 29 tháng 11 năm 2020

Tác giả

Nguyễn Nam Hải

LỜI NÓI ĐẦU

Thế giới chứng kiến sự phát triển vượt bậc của công nghệ di động tế bào vànhững công nghệ phụ trợ để tăng hiệu suất chất lượng hệ thống trong vòngvài chục năm qua Những năm 1980s, công nghệ mạng di động 2G ra đời chỉđáp ứng dịch vụ thoại và data với tốc độ thấp (Kbps) Sau đó, công nghệ 3G

đã đáp ứng tốc độ Mbps, công nghệ 4G đã đạt được tốc độ hàng trăm Mbps.Các công nghệ di động phát triển, phủ sóng, đảm bảo kết nối internet tới mọinơi trên trái đất, là tiền đề hạ tầng kết nối để tạo ra mạng kết nối vạn vậtIoT (Internet of Things) với hàng nghìn thiết bị đầu cuối được cung cấp dịch

vụ Mỗi công nghệ ra đời, các kỹ thuật mới được đưa vào sử dụng Ở mạng

di động 2G có kỹ thuật phân chia theo thời gian và tần số (TDMA, FDMA).Mạng di động 3G có kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-CDMA).Trongmạng di động 4G có kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao(OFDMA) Các kỹ thuật được đưa ra để xử lý vấn đề mà các công nghệ yêucầu (đảm bảo tốc độ, chất lượng dịch vụ, giảm nhiễu )

Trong vài năm trở lại đây, mạng di động thế hệ tiếp theo (5G) đang đượcthế giới nghiên cứu, chuẩn hóa, thử nghiệm với mục tiêu tốc độ đạt hàngGbps, độ trễ thấp, mức độ tin cậy cao để đáp ứng hạ tầng mạng cho các dịch

vụ yêu cầu thời gian thực như: Giao thông thông minh (ô tô tự lái), y tế từ

xa, điều khiển robot Vì vậy, việc chọn ra các thuật toán, kỹ thuật, chuẩnkết nối để phù hợp với mục tiêu của mạng 5G đang là yêu cầu cần thiết.Một trong các công nghệ có tiềm năng giải quyết yêu cầu mạng 5G đưa

ra đó là truyền thông khoảng cách lớn LoRa (Long Range Radio) LoRa cókhả năng đáp ứng truyền thông tầm xa với các yêu cầu khác nhau và tiêuthụ ít năng lượng Hơn nữa, để tối đa hóa hiệu suất của toàn bộ mạng, LoRatách vùng phủ sóng của nó thành một tập hợp các vùng không chồng lấn lên

nhau, mỗi vùng sẽ được chỉ định một giá trị duy nhất của chỉ số lan truyền(spreading factor) và hệ số công suất phát: cụ thể, thiết bị thu càng gần thìchỉ số lan truyền càng thấp và do đó công suất phát càng nhỏ Mục đích củaviệc phân bổ tài nguyên này không phải là chỉ để giảm nhiễu giữa các vùng

mà còn để bảo tồn tiêu thụ năng lượng của các thiết bị thu Mặc dù đã cócác cơ chế để quản lý tài nguyên vô tuyến, các thiết bị thu vẫn bị nhiễu từcác thiết bị đầu cuối khác xung quanh cổng kết nối Vấn đề này thậm chí cònnghiêm trọng hơn trong mạng viễn thông áp dụng công nghệ LoRa do thiếukiểm soát công suất khi truyền tải đường lên, hoặc bất kỳ loại các giao thứcbáo hiệu đáng tin cậy Do đó, hiệu suất của các thiết bị ở vùng biên (edgedevices) dường như trở thành điểm hạn chế trong mạng Do đó, phân tích sựlan truyền tín hiệu trong mạng LoRa để từ đó cải thiện chất lượng tín hiệuthu là vấn để cấp bách

Luận văn với nội dung “Phân tích sự lan truyền LoRa trong môi trườngtruyền dẫn sử dụng bản đồ số” với mục tiêu đưa ra phương pháp phân tíchtín hiệu truyền trong mạng LoRa sử dụng bản đồ số Luận văn trình bày cáccông nghệ tiên tiến đang sử dụng hiện nay trong mạng LoRa Sau đó, luậnvăn đề xuất mô hình hệ thống truyền dẫn sử dụng công nghệ LoRa dựa trênbản đồ số thu thập ở Việt Nam Việc phân tích độ các thành phần của bomạch, thuật toán, số lượng tham số cần sử dụng giữa các trạm thu phát đểcập cụ thể

Trong quá trình nghiên cứu tại phòng trường đại học Mở dưới sự dẫn dắtcủa TS Nguyễn Hoài Giang, em đã học hỏi được nhiều kiến thức bổ ích cũngnhư rèn luyện được những kỹ năng làm việc cần thiết Đây là những kiến thứcgiúp đỡ em nhiều trong quá trình học tập và làm việc Em xin gửi lời cảm ơnđến thầy Nguyễn Hoài Giang đã định hướng nghiên cứu, cung cấp tài liệu để

em có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình một cách tốt nhất Mặc

dù đã cố gắng hoàn thành luận văn nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏi

những sai sót Em kính mong nhận được sự cảm thông, chỉ bảo tận tình củaquý thầy cô.

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, Ngày 29 tháng 11 năm 2020

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn này xem xét một giao thức vô tuyến mới gọi là LoRa và giaothức mạng diện rộng công suất thấp đi kèm là mạng công suất thấp diện rộngLoRaWAN (low power wide area networks) Mục đích của luận văn là đánhgiá xem liệu các giao thức này có thể được sử dụng như thế nào cho mục đíchtruyền dữ liệu sử dụng bản đồ số Hơn nữa, luận văn muốn thảo luận và trìnhbày một đặc điểm kỹ thuật để mở rộng phạm vi hiệu quả của mạng

Cụ thể, giao thức truyền nhận LoRa được xây dựng, cùng với lý thuyếtđiều chế tín hiệu và khai thác mạng LoRa Giao thức lớp mạng LoRaWAN

và cấu trúc của nó được trình bày và giải thích ngắn gọn Luận văn đề cập vềcách cấu trúc này có thể được sử dụng để xây dựng hệ thống truyền nhận sửdụng trong phạm vi luận văn này Hơn nữa, chất lượng tín hiệu truyền nhậnđược kiểm tra thông qua hệ thống test-bed Sử dụng kết quả từ thử nghiệmnày, luận văn thảo luận và tạo ra một đặc điểm kỹ thuật cho việc mở rộngphạm vi hoạt động của mạng Ngoài thông số kỹ thuật, luận văn cung cấpthông tin chi tiết về vị trí phù hợp của các trạm thu phát để có mạng phủsóng tốt sử dụng công nghệ bản đồ số

A new radio protocol called LoRa along with the accompanied technologylow power wide area network protocol LoRaWAN are presented in detail inthis thesis Our goals are to evaluate and testify how these protocols can

be used for the purpose of transmitting the signals from a transmitter to areceiver utilizing the digital map Furthermore, we would like to discuss andpresent a specification to extend the effective range of the communicationnetwork with this new promising protocol

In this thesis, we first examine a LoRa protocol together with the theorybehind chirp spread spectrum modulation, for which a LoRa communicationsystem can be exploited The network layer protocol LoRaWAN and its struc-ture is further presented and explained in a short form We investigate howthe considered structure can be exploited for testing a communication proto-col and for the use case Furthermore, we analyze the system performance ofthe proposed LoRa communications with the digital map Form the resultsobtained by this testing, we formulate a specification for the network range

In addition to the specification, we provide insight into suitable placement ofthe transmitter and receiver locations for a good network coverage

Mục lục

MỤC LỤC

1.1 Định Nghĩa LoRa 11

1.2 Trải Phổ Chirp 12

1.3 Kết Luận Chương 21

Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔI TRƯỜNG TRUYỀN DẪN SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ LORA DỰA TRÊN BẢN ĐỒ SỐ 22 2.1 Mô hình hệ thống 22

2.2 Giải pháp 23

2.3 Thực Nghiệm Vẽ Bản Đồ Contour Map 24

2.3.1 Kịch Bản 24

2.3.2 Lập Trình 25

2.4 Triển Khai 26

2.5 Kết Quả Và Phân Tích 27

2.6 Kết Luận Chương 28

Chương 3 XÂY DỰNG TESTBED ĐÁNH GIÁ SỰ SUY HAO

3.1 Bo Mạch USRP 30

3.2 Các Ứng Dụng Của Bo Mạch USRP 31

3.3 Bo Mạch USRP N210 31

3.4 Module GPS Neo 6m 32

3.5 Raspberry Pi 3 Mode B 33

3.6 Hệ Thống Điều Khiển Công Suất Phát Thích Ứng Thời Gian Thực 34 3.6.1 Kịch Bản 34

3.6.2 Giới Thiệu Phần Mềm GNU-Radio Companion 35

3.7 Thiết Kế Trạm Phát Wifi Trên Bo Mạch USRP Sử Dụng GNU-Radio 36 3.7.1 Các Biến Sử Dụng Trong Mô Hình 37

3.7.2 Thiết Kế 38

3.7.3 USRP Sink 43

3.8 Kết Quả 44

3.8.1 Kết Quả Truyền Tín Hiệu 44

3.8.2 Thuật Toán Tối Ưu Công Suất Tại Bên Phát 46

3.8.3 Lập Trình Tại Bên Thu 47

3.8.4 Triển Khai Và Kết Quả 48

3.9 Kết Luận Chương 50

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

OFDM Orthogonal Frequency Duplexing Điều chế đa sóng mang

LoRaWAN Long Range Wireless Area Network Mạng không dây tầm xaSNR Signal-to-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễuRSSI Received signal strength indication Chỉ số tín hiệu thu

USRP Universal Software Radio Peripheral Phần mềm thiết bị ngoại vi.MIMO Multiple Input Multiple Output Đa đầu vào đa đầu ra

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

FPGA Field-Programmable Gate Array Mạch tích hợp lập trình đượcFFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

MAC Medium Access Control Kiểm soát truy cập

trung bìnhMPDU Media Access Control Protocol Kiểm soát truy cập

HDOP Horizontal Dilution Pha loãng độ chính xác

Danh sách hình vẽ

1 Tỉ lệ thuê bao trên dân số tại một số khu vực trên thế giới theo

tỷ lệ dân số tính đến Quý 2, 2020 (Nguồn – Ericsson Mobility

Report) [1] 2

2 Thống kê số lượng đầu cuối theo khu vực tính đến Quý 2, 2020 (Nguồn – Ericsson Mobility Report) [1] 2

3 Dự báo thiết bị đầu cuối đến 2025 3

4 Dự báo tổng số thiết bị đầu cuối đến 2025 – Tách riêng điện thoại thông minh (smart phone) 3

5 Dung lượng sử dụng hàng tháng của mỗi thuê bao 4

1.1 Tín hiệu gốc s(t) và tín hiệu nhận r(t) 14

1.2 Tín hiệu thu được sau khi thực hiện toán tử tích chập 15

1.3 Tín hiệu bao ch(t) và tín hiệu nhận rc(t) 18

1.4 Tín hiệu thu được g(t) sau khi thực hiện bao ch(t) và tín hiệu nhận rc(t) 19

2.1 Mô hình thực tế trạm phát truyền tín hiệu đến người dùng sử dụng công nghệ LoRa 22

2.2 Hai trạm thu phát đặt tại cùng một tòa nhà 24

2.3 Lưu đồ thuật toán của máy tính trong kịch bản thực nghiệm 25

2.4 Kịch bản thực nghiệm 27

2.5 Dữ liệu thu được sau quá trình thực nghiệm 27

2.6 Dữ liệu thu được sau quá trình thực nghiệm 28

3.1 Bo mạch khả trình USRP N210 32

3.2 Module GPS Neo 6m 33

3.3 Máy tính nhúng Raspberry Pi 3 Mode B 34

3.4 Mô hình hệ thống điều khiển công suất thích ứng theo thời gian thực.35

3.5 Ví dụ về các khối block trong GNU Radio 36

3.6 Lưu đồ hệ thống phát wifi chuẩn IEEE 802.11g xây dựng trên phần mềm GNU-Radio Companion [2] 37

3.7 Quá trình đóng gói dữ liệu tại tầng dưới cùng trong mô hình OSI theo chuẩn IEEE 802.11 38

3.8 Hai khối thực hiện giai đoạn MAC Generator 39

3.9 Cấu trúc khung MPDU 40

3.10 Khung MPDU được tạo sau giai đoạn MAC Generator 40

3.11 Các khối thực hiện giai đoạn Pre-OFDM 40

3.12 Cấu trúc khung dữ liệu PPDU 41

3.13 Các khối thực hiện giai đoạn OFDM 41

3.14 Khối OFDM Carrier Allocator 42

3.15 Khối USRP Sink 43

3.16 Mục RF option trong khối USRP Sink 44

3.17 Phổ tín hiệu đầu ra trước khi phát ra ngoài không gian qua USRP 45 3.18 Giao diện phần mềm Wireshark khi máy tính bắt được các bản tin từ phần cứng USRP 46

3.19 Lưu đồ thuật toán tối ưu công suất phát được lập trình tại máy tính.47 3.20 Lưu đồ thuật toán tại bên thu 48

3.21 Bên phát 49

3.22 Bên thu 49

3.23 Giao diện màn hình tại máy tính bên phát 50

Danh sách bảng

2.1 Bảng mô tả giá trị độ pha loãng của độ chính xác HDOP 263.1 Bảng mô tả các biến sử dụng trong hệ thống phát Wifi trên

phần mềm GNU-Radio Companion [3] 38

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC

| · | Phép lấy giá trị tuyệt đối

GIỚI THIỆU LUẬN VĂN

1 Tính cấp thiết của luận văn

Công nghệ truyền thông vô tuyến đang phát triển nhanh chóng, mạng

di động 4G đã chín muồi và đang dần không đáp ứng được nhu cầu của conngười về chất lượng truyền dẫn và các dịch vụ mới Thế giới đang hướngtới mạng di động 5G để tạo tảng hạ tầng cho mạng kết nối vạn vật IoT(Internet of Things) với hàng trăm nghìn đến hàng triệu kết nối Báo cáo

về tình hình cơ sở hạ tầng di động Quý 2năm 2020của Ericsson (EricssonMobility Report) chỉ rõ: Tổng số thuê bao di động hiện nay là khoảng 7.9

tỉ thuê bao với số lượng thuê bao đăng ký mới trong Quý 2, 2020 là 15

triệu thuê bao [1] Thế hệ mạng di động 5G với các thiết bị thương mạicũng đã được ra mắt ở hầu hết các khu vực trên thế giới Dự báo đến cuốinăm 2024 gần 12% thuê bao di động trong khu vực sẽ là 5G Ở những khuvực khác, tốc độ tăng trưởng của thuê bao 5G được dự báo nhanh nhất ởBắc Mỹ với 63% thuê bao di động sẽ chuyển sang 5G vào năm 2024, ĐôngBắc châu Á đứng thứ 2 (47%), và châu Âu xếp thứ 3 (40%) Tổng số thuêbao di động là khoảng 8 tỷ, 6.2/8 tỷ là loại mobile broad band với 61 triệuthuê bao đăng ký được thêm vào trong mỗi quý Mức độ thâm nhập thuêbao một số khu vực vượt trên 100% Trong số thiết bị đầu cuối đưa vào,52% là LTE

Hình 1: Tỉ lệ thuê bao trên dân số tại một số khu vực trên thế giới theo tỷ lệ dân

số tính đến Quý 2, 2020 (Nguồn – Ericsson Mobility Report) [1].

Hình 2: Thống kê số lượng đầu cuối theo khu vực tính đến Quý 2, 2020 (Nguồn –

Ericsson Mobility Report) [1].

Dự báo tương lai sẽ giảm dần các thiết bị đầu cuối 2G, 3G mà chuyểndịch sang các đầu cuối hỗ trợ 4G, 5G

Hình 3: Dự báo thiết bị đầu cuối đến 2025

Nếu tách riêng smart phone, thuê bao sử dụng mạng 4G, 5G là chủ yếu

Hình 4: Dự báo tổng số thiết bị đầu cuối đến 2025 – Tách riêng điện thoại thông

minh (smart phone).

Dung lượng dữ liệu mỗi tháng trên mỗi máy smartphone sẽ tăng từ 3.6

GB lên tới 17 GB trong giai đoạn 2020-2025 với tỷ lệ tăng trưởng 29% tạiĐông Nam Á và châu Đại Dương Nguyên nhân dẫn đến sự tăng trưởngnày là do số lượng thuê bao 4G LTE đang tăng mạnh, người dùng trẻ tuổithích xem video trên di động

Hình 5: Dung lượng sử dụng hàng tháng của mỗi thuê bao

Thuê bao tiêu dùng nhiều lưu lượng data, chủ yếu lưu lượng phát sinh

từ video Lưu lượng video di động đang góp phần đáng kể làm tăng trưởng

dữ liệu vì người dùng ngày càng dành nhiều thời gian hơn để phát và chia

sẻ trực tuyến các nội dung video Điều này dự báo tiếp tục tăng bởi xu thếvideo đang được nhúng trong mọi định dạng của nội dung trực tuyến

Từ thực tế đó, các nhà nghiên cứu đã đề xuất ra 3 hướng giải phápchính để tăng dung lượng dữ liệu cho hệ thống thông tin di động tế bào:

ˆ Tăng mật độ các tế bào (cell) trong vùng phủ sóng (sử dụng các tếbào nhỏ hơn) để làm tăng khả năng tiếp cận của người dùng đến trạmgốc

ˆ Sử dụng thêm các phổ tần chưa được ứng dụng trong hệ thống di độnghiện nay, ví dụ như mmWave (dải tần trên 28 GHz)

ˆ Tăng hiệu suất sử dụng phổ và năng lượng bằng việc điều khiển, tối

ưu hóa nguồn tài nguyên vô tuyến ví dụ như công suất, băng tần.Với việc công nghệ 5G đang được đặt nền móng triển khai thực tế, bàitoán luận văn này đặt ra cũng mang tính cấp thiết như những bài toántrên thế giới, bao gồm:

ˆ Tăng hiệu quả sử dụng phổ cũng như tăng tổng thông lượng của một

hệ thống viễn thông.

ˆ Hạn chế phân tập thông tin trong hệ thống truyền dẫn đa đường

ˆ Tiết kiệm công suất truyền dẫn để đạt được cùng một chất lượng dịch

vụ viễn thông mong muốn

ˆ Nâng cao hiệu năng của nhóm người dùng ở xa trạm phát (cải thiệnchất lượng truyền dẫn xa)

Những bài toán nêu trên đều là những vấn đề đang thịnh hành trongnghiên cứu của lĩnh vực viễn thông và sẽ đều được đề cập và xử lý trongnhững phần sau của luận văn

2 Động lực nghiên cứu của luận văn

Số lượng và lưu lượng sử dụng của người dùng đang tăng cực nhanh,điều này yêu cầu các nhà mạng cần xử lý lượng dữ liệu thông tin cực lớn.Bên cạnh đó, việc liên kết các nhà mạng, quản lý thông tin giao tiếp ngườidùng giữa các tế bào trong hệ thống mạng sẽ ảnh hướng lớn tới hiệu suấtcủa hệ thống Hơn thế nữa, số lượng lớn các thiết bị kết nối trong mạngcùng lúc sẽ tiêu tốn rất nhiều công suất Để có thể thực hiện điều này trong

hệ thống mạng tương lai với mức tiêu thụ công suất hợp lý, LoRa đượcxem xét như là một công nghệ được sử dụng cho mạng viễn thông thế hệ5G cũng như các thế hệ tiếp theo trong việc cải thiện đồng thời cả hiệusuất phổ và hiệu suất sử dụng năng lượng Ý tưởng chủ đạo của một hệthống LoRa là cho phép một trạm phát sử dụng các phương pháp tích hợp

để phục vụ một hoặc đồng thời nhiều người dùng với cùng một khoảng thờigian và một dải tần số, trong khi chỉ tiêu thụ công suất thấp Khả năng cảithiện hiệu suất sử dụng phổ cũng như sử dụng năng lượng mà công nghệLoRa mang lại là một công nghệ chủ chốt mà các mạng viễn thông tế bào5G đang hướng tới Nghiên cứu về hiệu suất của hệ thống LoRa với cácđiều kiện ràng buộc khác nhau đã được thực hiện trong những năm gần

đây cho cả hệ thống đơn tế bào và đa tế bào [4, 5] Tuy nhiên, các nghiêncứu này giả sử công suất cấp phát cho mỗi người dùng là cố định, hoặc bất

kỳ Cụ thể hơn, các công trình nghiên cứu trong bài báo [6, 7, 8, 9] thựchiện tối ưu hiệu năng của toàn hệ thống thông qua việc cấp phát cho mỗingười dùng một công suất cố định xuyên suốt quá trình thực hiện Tuynhiên trên thực tế quỹ công suất cấp phát có giới hạn nên giải pháp nàykhông khả thi với những mô hình có rất nhiều người dùng trong tương lai

Để đạt được tất cả các tiện ích mà một hệ thống LoRa mang lại và đảmbảo chất lượng dịch vụ cho từng người dùng trong mạng, điều khiển côngsuất là điều cần thiết Luận văn này sẽ thực hiện việc điều khiển công suấtdựa vào vị trí của người dùng bằng cách sử dụng bản đồ số trong hệ thốngtruyền dẫn thông tin với công nghệ LoRa

Trong những nghiên cứu [10, 11, 12, 13, 14] chỉ tập trung vào thống kê

và so sánh hiệu năng của những phương pháp beamforming tuyến tính màkhông xét đến việc làm cách nào để thực thi bài toán tối ưu hệ thống xemxét đến lượng thông tin cần trao đổi trong toàn mạng cũng như địa hìnhcủa mạng Trong giới hạn của luận văn, vấn đề này sẽ được đề xuất Cụthể, một thuật toán dùng để giải bài toán cấp phát công suất với giới hạncông suất ở trạm phát trong khi đảm bảo chất lượng dịch vụ của ngườidùng được đề xuất Luận văn dựa vào các tính năng của bản đồ số để xácđịnh phổ công suất (đường contour công suất) từ trạm phát theo địa hìnhtruyền dẫn

3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Trong mục này, tình hình ghiên cứu trong và ngoài nước về các hệ thốngLoRa được đề cập, tạo tiền đề cho mục tiêu của luận văn

Tình hình nghiên cứu trong nước

Sự đầu tư cho nghiên cứu khoa học trong nước ta ngày càng phát triển,với sự xuất hiện của thế hệ công nghệ mới 4.0 Việc đầu tư vào phát triển

thế hệ mạng mới 5G được quan tâm rất nhiều từ các nhà khoa học đếndoanh nghiệp như Viettel, Vinsmart và VNPT Đặc biệt trong đó, Viettelđang dẫn đầu trong việc triển khai hệ thống mạng 5G ở nước ta hiện nay.Ngày 17 tháng 01 năm 2020, cuộc gọi thử nghiệm sử dụng công nghệ 5Gđầu tiên đã được thử nghiệm dưới sự chứng kiến của Bộ trưởng Bộ Thôngtin và Truyền thông Nguyễn Mạnh Hùng và Bộ trưởng Bộ Khoa học vàCông nghệ Chu Ngọc Anh Đây là bước đánh dấu quan trọng trong việcnghiên cứu và phát triển thế hệ mạng mới của Việt Nam mà không phụthuộc vào công nghệ nước ngoài Đi đôi với sự đầu tư của các doanh nghiệp.Các nhà khoa học từ các trường đại học hàng đầu cũng đang đầu tư thờigian nghiên cứu những kỹ thuật và ứng dụng cho thế hệ mạng mới, phùhợp với các điều kiện thực tế của nước ta Hàng loạt các công trình nghiêncứu đã được đăng tải trên các tạp chí nổi tiếng Đặc biệt, các tác giả [15]xem xét hiệu suất sử dụng phổ cho một hệ thống dùng công nghệ 5G đườnglên nhằm nhằm đảm bảo tất cả người dùng trong mạng có cùng chất lượngdịch vụ Bằng cách thiết lập một giao thức truyền dẫn giữa các tòa nhàvới cùng một giá trị công suất tới từng người dùng, các tác giả [16] nghiêncứu hiệu suất sử dụng phổ của một hệ thống LoRa dưới sự thay đổi kênhtruyền ở đường lên và đường xuống bằng cách sử dụng dữ liệu đo Cáctác giả trong [17] trình bày xác suất phủ sóng của hệ thống LoRa sử dụngcác mô hình kênh khác nhau Bên cạnh đó, nhóm tác giá [18] đã thiết kế

hệ thống ăng-ten và được một testbed phục vụ cho việc thực nghiệm côngnghệ LoRa

Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Các công trình nghiên cứu gần đây trên thế giới tập trung vào côngnghệ LoRa với các giao thức truyền dẫn khác nhau dựa vào hệ thống thựcnghiệm Trong đường lên của một hệ thống LoRa với hai lớp xử lý tín hiệuthu, các tác giả [19] đã nghiên cứu bài toán thực thi điều chế dữ liệu nhằm

giảm dữ liệu cần trao đổi trong khi giải bài toán tối ưu để đảm bảo chấtlượng cho các người dùng đạt được chất lượng dịch vụ như nhau dựa trênmột hàm ước lượng nhiễu thỏa mãn các điều kiện nghiêm ngặt Bằng việc

sử dụng lý thuyết trò chơi hợp tác, các tác giả trong công trình nghiêncứu [20] thực thi phân tán cho bài toán tối ưu năng lượng đảm bảo giátrị tối ưu công suất hội tụ về điểm cân bằng Nash cho mạng kết nối vạnvật (Internet of Things) Về phía truyền nhận dữ liệu đường xuống, nghiêncứu [21] đã sử dụng sự đối ngẫu của đường lên và đường xuống trong một

hệ thống viễn thông để thực hiện cấp phát công suất nhằm đảm bảo chấtlượng dịch vụ cho mỗi người dùng, đồng thời thiết kế các véc-tơ tiền mãhóa như là một hàm của pha-đinh diện hẹp Mặc dù giá trị tối ưu củavéc-tơ tiền mã hóa cung cấp độ lợi tốt hơn một phương pháp tiền mã hóatuyến tính, sự phụ thuộc vào pha-đinh diện hẹp làm cho bài toán tối ưucấp phát công suất khó đưa vào thực tế bởi vì pha-đinh diện hẹp thaynhanh đổi cả trong miền thời gian và tần số Thêm vào đó, các công trìnhnghiên cứu trước đó đều giả sử rằng các hệ thống viễn thông có khả năngtruy cập tất cả dữ liệu trong toàn mạng, điều đó dẫn đến một lượng dữliệu lớn cần được trao đổi trong backhaul bởi vì thực tế biến động ngườidùng tạo kết nối mới, ngắt kết nối cũ Theo như tìm hiểu, chưa có côngtrình nghiên cứu nào xác định đặc tính của công suất và tín hiệu truyềndẫn dựa vào bản đồ số cho hệ thống LoRa

4 Những đóng góp chính của luận văn

Sau khi cân nhắc những bài toán, vấn đề đã được đề cập ở phía trên,trong luận văn này xem xét phương pháp điều khiển công suất và tín hiệutruyền nhận của một hệ thống LoRa dựa vào việc xây dựng testbed và hệthống bản đồ số Thông qua điều kiện tín hiệu thu nhằm đảo bảo chấtlượng dịch vụ cho mỗi người, luận văn nghiên cứu khả năng thực thi của

hệ thống LoRa theo địa hình So sánh với các công trình nghiên cứu trươc

đó, luận văn giải quyết bài boán cấp phát công suất dựa vào khoảng cách

từ người dùng đến trạm phát Những đóng góp chính của luận văn nàynhư sau:

1) Xây dựng mô hình hệ thống truyền dẫn sử dụng sóng Wifi để điềukhiển công suất giữa trạm phát và người dùng sử dụng công nghệLoRa dựa vào địa hình thực nghiệm ở Việt Nam

2) Xây dựng hệ thống testbed để thực hiện vẽ đường đặc tính công suấtcủa trạm phát phụ thuộc vào địa hình Để làm được điều này, luậnvăn có sử dụng ứng dụng bản đồ số

3) Thu thập, phân tích kết quả của tín hiệu truyền nhận, vẽ đường đồngmức (contour map) của phổ công suất theo địa hình

5 Bố cục luận văn

Luận văn tốt nghiệp gồm 4 chương, được sắp xếp theo thứ tự sau đây:

ˆ Giới thiệu luận văn

ˆ Chương 1: Tổng quan lý thuyết về LoRa

ˆ Chương 2: Xây dựng mô hình môi trường truyền dẫn sử dụng côngnghệ LoRa dựa trên bản đồ số

ˆ Chương 3: Xây dựng testbed đánh giá sự suy hao của kênh truyền

ˆ Kết luận và hướng phát triển

6 Kết luận chương

Tóm lại, trong bối cảnh nhu cầu về dung lượng,tốc độ ngày càng lớnnhư hiện nay trong khi công suất của các thiết bị vô tuyến có giới hạn,tầm quan trọng của việc việc quản lý dữ liệu và cấp phát tài nguyên trong

hệ thống mạng viễn thông ngày càng quan trọng và thiết thực nhằm mụcđích nâng cao dung lượng kênh trong các hệ thống thống truyền tin Những

phương án như mở rộng băng tần cũng là phương án khả thi tuy nhiênđang dần trở nên bão hòa khi phổ tần ngày càng khan hiếm và đắt đỏtrong khi mật độ mạng tế bào trong các hệ thống viễn thông ở thời điểmhiện tại vốn đã rất dày đặc và cần được khai thác cũng như quản lý chặtchẽ Như vậy việc tối ưu hệ thống mạng với số lượng tế bào lớn và trao đổi

dữ liệu qua lại sẽ giúp các nhà mạng đạt được dung lượng dữ liệu cao cho

hệ thống 5G

Một phương pháp có khả năng nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng

đó là sử dụng hệ thống kết hợp công nghệ LoRa với việc quản lý khả năngcấp phát năng lượng của các thiết bị Phương pháp này sẽ có chi phí thấp,

xử lý đơn giản và tiết kiệm năng lượng mà vẫn đạt được hiệu quả hệ thốngcao thông qua việc thực hiện các nhiệm vụ về thực thi phân tán, giải quyếtbài toán tối ưu về cấp phát tài nguyên, lựa chọn dữ liệu trao đổi trong hệthống mạng

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ LORA

Cùng sự quan tâm ngày càng tăng đối với các thiết bị kết nối IoT, cácyêu cầu về một tiêu chuẩn giao tiếp mới phù hợp với nhu cầu của các thiết

bị này đã phát sinh trong những năm gần đây Yêu cầu chính đối với cácgiao thức này là tính đơn giản và ít tốn năng lượng, vì các thiết bị thựchiện các giao thức này phải có chi phí thấp và có thể hoạt động trong thờigian dài bằng pin Một số giao thức truyền thông mới và phần cứng tươngứng đã được phát triển để đáp ứng các tiêu chí này Một trong những giaothức này là LoRa, được phát triển bởi Semtech và LoRa-Alliance [22] Cóthể nói LoRa bao gồm hai phần là LoRaWAN và điều chế LoRa Chi tiếthơn, LoRaWAN là kiến trúc mạng và điều chế LoRa là giao thức cho lớpvật lý trong mô hình OSI (Open Systems Interconnection Reference) [23]

1.1 Định Nghĩa LoRa

LoRa là giao thức lớp vật lý thường được sử dụng cùng với giao thứcLoRaWAN định nghĩa ở lớp MAC Trong khi giao thức LoRaWAN là mãnguồn mở, giao thức LoRa là một giao thức độc quyền được phát triển bởiSemtech Do LoRa là một giao thức độc quyền, thông tin về thiết kế vàtriển khai không có sẵn từ Semtech Tuy nhiên, một số thông tin về giaothức này đã được Semtech công bố và sau đó, giao thức đã được thiết kếngược trở lại trong nghiên cứu mà việc triển khai giao thức sau đó đượchiểu rõ LoRa cung cấp các đặc điểm nổi bật sau đây (theo báo cáo củaSemtech):

ˆ Có khả năng mở rộng băng thông (bandwidth scalable): Các phươngpháp điều chế sử dụng trong LoRa có thể dễ dàng được điều chỉnh cho

cả ứng dụng nhảy tần băng hẹp (narrow band frequency hopping) vàứng dụng cho băng rộng (wideband applications) vì nó có khả năng

mở rộng cả băng thông và tần số

ˆ Đường bao tín hiệu cố định/công suất thấp (constant envelope/lowpower): Điều chế sử dụng trong LoRa là một cơ chế điều chế có đườngbao không thay đổi Do đó hệ thống có thể sử dụng các tầng khuếchđại công suất giá rẻ, công suất thấp, và đạt được hiệu quả cao Điềunày giảm chi phí phần cứng

ˆ Độ bền cao (hight robustness): LoRa có khả năng chống nhiễu cao đốivới cả nhiễu trong băng và ngoài băng do sản phẩm có thời gian băngthông cao (> 1) và tính chất không đồng bộ

ˆ Chống lại được hiệu ứng đa đường và fading (multipath and fadingresistant): Bởi vì hệ thống truyền dữ liệu sử dụng công nghệ LoRa cóbăng thông tương đối rộng cho các xung chirp, điều chế dùng trongLoRa có khả năng chống lại hiệu ứng đa đường và kênh truyền fading.Các đặc tính này phù hợp với môi trường đô thị và cận đô thị nơi hiệuứng đa đường và fading chiếm ưu thế

ˆ Khả năng truyền dẫn dài (long range capacity): Nếu so sánh phươngpháp điều chế trong LoRa với điều chế số theo tần số tín hiệu FSK(frequency shift keying), với cùng công suất và tốc độ dữ liệu đầu ra

cố định, chất lượng đường truyền LoRa được cải thiện đáng kể Điềunày kết hợp với các thuộc tính khác của LoRa để có thể chuyển thànhnhững cải tiến đáng kể về phạm vi truyền dẫn

1.2 Trải Phổ Chirp

LoRa sử dụng một kỹ thuật trải phổ được gọi là Chirp Spread Spectrum(CSS) ban đầu được phát triển cho các ứng dụng truyền phát tín hiệu ra-

đa vào những năm 1940 [24] Trong LoRa, sự trải rộng phổ đạt được bằngcách tạo ra một tín hiệu chirp liên tục thay đổi về tần số Những tiếng kêunày thường được gọi là tiếng kêu lên, nếu chúng liên tục tăng tần số, hoặctiếng kêu trầm nếu chúng liên tục giảm tần số.

Như đã đề cập ở trên, ý tưởng thiết yếu đằng sau CSS bắt nguồn các kỹthuật xử lý tín hiệu tăng cường của ra-đa Một trong những vấn đề cơ bản

mà tất cả các hệ thống ra-đa gặp phải là sự đánh đổi giữa phạm vi truyềndẫn (định nghĩa bằng công suất truyền) và độ phân giải của tín hiệu (địnhnghĩa thời lượng tín hiệu) Nếu xem xét xung hình sin s(t), với biên độ cơbản là 1, tần số sóng mang f0, và khoảng thời gian truyền xung Tc nhưsau:

của tín hiệu gốc s(t) trong công thức (1.1) như sau

h(t) = s∗(−t). (1.3)

Tín hiệu nhận được được thực hiện tích chập với bộ lọc tương thích như

Hình 1.2: Tín hiệu thu được sau khi thực hiện toán tử tích chập.

khoảng cách trở nên nhỏ hơnTc, các phản xạ sẽ không thể phân biệt đượcnữa Sự phụ thuộc vào độ rộng xung này để giải quyết thành công tín hiệunhận được gọi là độ phân giải phạm vi của hệ thống ra-đa Với vận tốc lantruyền của sóng điện từ là c, cùng với tổng khoảng cách lan truyền thực

tế được xác định trong một chu kỳ xung Tc gấp đôi khoảng cách của mụctiêu phản xạ, độ phân giải phạm vi, kí hiệu là D, có thể được xác địnhnhư sau

D = cTc

Lưu ý rằng, để đạt được độ phân giải lớn (giá trị của D nhỏ), hệ thốngcần phải tối ưu hóa giá trị độ rộng thời gian của xung Tc Với cùng mộtlượng công suất truyền dẫn, giảm độ rộng thời gian của xung Tc có mộtnhược điểm lớn, năng lượng của xung nhận được, kí hiệu là Er, cũng sẽ bịgiảm xuống Từ phương trình (1.2), năng lượng của thành phần tín hiệutrong r(t) được tính bởi:

(signal-to-noise ratio) cho tín hiệu nhận r(t) được tính như sau

Trong phần này, luận văn đề xuất phương án giải quyết sự cân bằng nóitrên (giữa độ rộng thời gian của xung và độ phân giải của xung) mà khôngcần đặt quá nhiều năng lượng vào một xung truyền đi Một giải pháp nhưvậy sẽ xem xét mối quan hệ giữa cách biểu diễn của tín hiệu trong cả miềnthời gian và tần số của một tín hiệu x(t) dựa vào mối quan hệ Parceval[25] được thể hiện bởi

x(at) ↔ 1

|a| X

j2π a



Công thức (1.10) chỉ ra rằng khi tăng biên độ của tín hiệu trong miền thời

gian, sẽ tương ứng với một sự giảm tín hiệu trong miền tần số Do đó, kếthợp các phương trình (1.9) và (1.10), hệ thống LoRa có thể tìm ra mộtgiải pháp khả thi cho vấn đề cân bằng giữa độ phân giải phạm vi và độrộng thời gian của xung Bằng cách mở rộng một xung trong miền tần số,một tỷ lệ nén trong miền thời gian (về mặt lý thuyết) đạt được mà không

bị mất năng lượng của tín hiệu

Một cách đơn giản để tăng hay giảm biên độ của tín hiệu trong miềntần số của một xung là quét tín hiệu thông qua một dải tần số, Bw, trongkhoảng độ rộng thời gian của tín hiệu Phương pháp tần số tuyến tínhdùng để điều chế tín hiệu thường được gọi là chirping (như trong trải phổChirp) Tên này có thể do sự tương đồng giữa tín hiệu được điều chế và

âm thanh do chim và một số côn trùng tạo ra Một cách thông thường đểđịnh nghĩa một xung chirped được ký hiệu là ch(t), đó là:

với Bw là băng thông sử dụng cho việc quét tín hiệu trong hệ thống LoRa

Bộ lọc tương thích sử dụng cho tín hiệu nhận được định nghĩa như sau

Hình 1.3: Tín hiệu bao ch(t) và tín hiệu nhận rc(t).

hiệu chirp giảm (DOWN-CHIRP) Do đó, bộ lọc tương thích của một tínhiệu đang tăng (up-chirped signal) được xây dựng như là một phiên bảnđược điều chỉnh (down-chirped) của tín hiệu Hình 1.3 mô phỏng tín hiệubao ch(t) và tín hiệu nhận về rc(t) Để đơn giản hóa vấn đề, trong hìnhnày tần số sóng mang được lựa chọn là 0

Khi thực hiện toán tử tích chập các tín hiệu được mô tả trong phươngtrình (1.11) và (1.13), có thể chỉ ra rằng đầu ra của bộ lọc được miêu tảnhư sau

g(t) = (h~rc)(t), (1.14)trong đó rc(t) là phiên tín hiệu nhận và bị trễ của tín hiệu phát đi ch(t)

được xác định trong phương trình (1.11), có dạng

g(t) = p4µ cos (2πf0t) sin (πµt(Tc − |t|))

2πµt , −Tc ≤ t ≤ Tc. (1.15)Lưu ý rằng tín hiệu g(t) có dạng rất giống hàm sinc (cardinal sine) vớimức biên độ đỉnh √

TcBw Vùng năng lượng chủ yếu của tín hiệu này nằm

Hình 1.4: Tín hiệu thu được g(t) sau khi thực hiện bao ch(t) và tín hiệu nhận rc(t).

Bằng cách tăng độ rộng thời gian của xung Tc, trong khi giữ nguyêncông suất đỉnh và băng thông Bw của tín hiệu, cho phép hệ thống truyềndẫn tăng năng lượng tín hiệu mà không ảnh hưởng đến khả thực hiện phân

tích kênh đa đường Với tốc độ chirp µ được định nghĩa là

µ = BwTc, (1.17)

tương ứng với việc nâng cao hệ số trải năng lượng Công suất thu được từquá trình trải năng lượng này có thể được hiểu là độ lợi xử lý (processinggain) và nó cho phép hệ thống sử dụng công suất đỉnh thấp Do đó, điềunày giúp bộ khuếch đại công suất của mạch truyền dẫn hoạt động trongvùng tuyến tính hiệu quả cao Đối với các thiết bị hạn chế năng lượng (chủyếu chạy bằng pin), hoạt động trên tốc độ dữ liệu thấp (do đó có thể cungcấp băng thông cần thiết) trong các kênh fading Chính điều này làm chocác kỹ thuật sử dụng nén xung (tức là CSS) là lựa chọn thay thế trong cácmạng tiêu tốn công suất thấp