Công nghệ lorawan BTL PTIT Internet và giao thức

Với tốc độ phát triển nhanh chóng của mô hình Internet of Things (IoT), một công nghệ quan trọng khác xuất hiện trong lĩnh vực nghiên cứu này, giúp ta tạo ra một giao tiếp không dây với hiệu suất cao giữa các thiết bị, nó được gọi là Low Power Wide Area Network (LPWAN). Trong công nghệ LPWAN, có hai loại: Long Range (LoRa) và Narrowband (NBIoT). LoRa được hiểu như là một mạng tầm xa; nó cũng cho phép truyền thông tin với tốc độ truyền tải thấp và tiêu thụ điện năng thấp. Ngoài ra, mạng khu vực không dây LoRa (LoRaWAN) là một công nghệ đầy hứa hẹn được phát triển để vượt qua các thách thức ứng dụng IoT. Kết luận: Trong những năm gần đây, đã có nhiều nghiên cứu về sự phát triển của IoT, dẫn đến sự cải tiến của nó. Với sự gia tăng nhanh chóng của các thiết bị và ứng dụng IoT như lưới điện thông minh, eLearning, Thành phố thông minh, Chăm sóc sức khỏe và bảo vệ môi trường, cuộc cách mạng của công nghệ LoRaWAN là một giải pháp mạnh mẽ giúp giải quyết các thách thức và trở ngại của IoT. Chi tiết về các đặc điểm của LoRaWAN đã được minh họa và chúng tôi kết luận rằng công nghệ mạng LoRaWAN có một dấu ấn mạnh mẽ trong việc cải thiện các thiết bị và mạng IoT trong tương lai gần, do đó nó có một số đặc điểm tuyệt vời như, QoS cao, Linh hoạt, Triển khai, Khả năng mở rộng, Thông lượng và Bảo mật. Chúng ta có thể coi LoRaWAN là một cuộc cách mạng được tạo ra cho thế giới IoTs.

Edge computing Lab

BÁO CÁO

Công nghệ LoraWan

2.4.1 Cấu trúc liên kết sao LoRaWAN với đa dạng nhận là chìa khóa để mở

2.5 Khả năng mở rộng và dung lượng mạng LoRaWAN 15

Hình 2-6 Hành vi Mesh so với LoraWan với mức độ tiếng ông tăng lên 15Hình 3-1 Tổ chức thành phần trong hệ thống máy chủ LoraWan 16Hình 3-2 Xác thực lẫn nhau và mã hóa đầu cuối được cung cấp bởi bảo mật LoraWan

17

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

LPWAN Low Power Wide Area Network Mạng diện rộng công suất

thấp

điện

AI artificial intelligence Trí tuệ nhân tạo

phương tiệnOSI open system interconnection hệ thống mở kết nối

CTR counter-mode encryption mã hóa chế độ ngược

CMAC cipher-based message

authentication code

mã xác thực tin nhắn dựa trên mật mã

LỜI NÓI ĐẦU

Với tốc độ phát triển nhanh chóng của mô hình Internet of Things (IoT), một côngnghệ quan trọng khác xuất hiện trong lĩnh vực nghiên cứu này, giúp ta tạo ra một giaotiếp không dây với hiệu suất cao giữa các thiết bị, nó được gọi là Low Power WideArea Network (LPWAN) Trong công nghệ LPWAN, có hai loại: Long Range (LoRa)

và Narrowband (NB-IoT) LoRa được hiểu như là một mạng tầm xa; nó cũng cho phéptruyền thông tin với tốc độ truyền tải thấp và tiêu thụ điện năng thấp Ngoài ra, mạngkhu vực không dây LoRa (LoRaWAN) là một công nghệ đầy hứa hẹn được phát triển

để vượt qua các thách thức ứng dụng IoT

Kết luận: Trong những năm gần đây, đã có nhiều nghiên cứu về sự phát triển của IoT,

dẫn đến sự cải tiến của nó Với sự gia tăng nhanh chóng của các thiết bị và ứng dụngIoT như lưới điện thông minh, e-Learning, Thành phố thông minh, Chăm sóc sức khỏe

và bảo vệ môi trường, cuộc cách mạng của công nghệ LoRaWAN là một giải phápmạnh mẽ giúp giải quyết các thách thức và trở ngại của IoT Chi tiết về các đặc điểmcủa LoRaWAN đã được minh họa và chúng tôi kết luận rằng công nghệ mạngLoRaWAN có một dấu ấn mạnh mẽ trong việc cải thiện các thiết bị và mạng IoT trongtương lai gần, do đó nó có một số đặc điểm tuyệt vời như, QoS cao, Linh hoạt, Triểnkhai, Khả năng mở rộng, Thông lượng và Bảo mật Chúng ta có thể coi LoRaWAN làmột cuộc cách mạng được tạo ra cho thế giới IoTs

PHẦN 1 GIỚI THIỆU

Với sự xuất hiện của Internet vạn vật (IoT) và truyền thông giữa máy với máy(M2M), dự kiến sẽ sớm có sự phát triển vượt bậc trong việc triển khai nút cảm biến.Khoảng 29 tỷ thiết bị sẽ được kết nối với Internet vào năm 2022 Các thiết bị IoT đượckết nối này bao gồm ô tô được kết nối, máy móc, đồng hồ đo, cảm biến, thiết bị đầucuối tại điểm bán hàng, sản phẩm điện tử tiêu dùng, thiết bị đeo được, và những ngườikhác Trong tương lai số lượng thiết bị IoT được kết nối sẽ có thể tăng lên 125 tỷ vàonăm 2030 Tốc độ tăng trưởng theo cấp số nhân trong IoT đang ảnh hưởng hầu như tất

cả các giai đoạn của ngành và gần như tất cả các khu vực thị trường Nó đang xác địnhlại các cách thiết kế, quản lý và duy trì mạng, dữ liệu, đám mây và kết nối Với nhữngphát triển được mong đợi cao trong các lĩnh vực trí tuệ nhân tạo, học máy, phân tích dữliệu và công nghệ blockchain, có tiềm năng to lớn để phát triển theo cấp số nhân việctriển khai và các ứng dụng của nó trong hầu hết các lĩnh vực xã hội, nghề nghiệp vàcông nghiệp Quá trình phát triển như vậy cho phép bất kỳ thứ gì như cảm biến, xe cộ,

rô bốt, máy móc hoặc bất kỳ đối tượng nào như vậy kết nối với Internet Nó cho phép

họ gửi dữ liệu cảm biến và các thông số đến thiết bị hoặc máy chủ tập trung từ xa,cung cấp thông tin thông minh để đưa ra quyết định hoặc hành động kích hoạt thíchhợp Nói chung, các ứng dụng IoT yêu cầu các nút tiết kiệm năng lượng và độ phứctạp thấp cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau được triển khai trên các mạng có thể

mở rộng Hiện tại, các công nghệ không dây như mạng cục bộ không dây IEEE 802.11(WLAN), IEEE 802.15.1 Bluetooth, IEEE 802.15.3 ZigBee, mạng khu vực cá nhânkhông dây tốc độ thấp (LR-WPAN) và các công nghệ khác đang được sử dụng để pháthiện các ứng dụng trong môi trường tầm ngắn Ngược lại, các công nghệ di độngkhông dây như 2G, 3G, 4G và 5G có thể được mở rộng cho các ứng dụng tầm xa Về

cơ bản, WLAN và Bluetooth được thiết kế cho giao tiếp dữ liệu tốc độ cao, trong khiZigBee và LR-WPAN được thiết kế cho các ứng dụng cảm biến không dây trong môitrường cục bộ và được sử dụng cho các ứng dụng tốc độ dữ liệu thấp cho khoảng cáchgiao tiếp từ vài mét đến vài trăm mét, tùy thuộc vào đường ngắm, chướng ngại vật trênđường đi, nhiễu, công suất truyền, v.v Các mạng di động không dây như 2G, 3G và4G được thiết kế cho giao tiếp thoại và dữ liệu, không chủ yếu cho các ứng dụng cảm

biến không dây Mặc dù các công nghệ này được sử dụng để cảm biến theo một hoặccác cách khác trong một số ứng dụng, nhưng hiệu suất của chúng về số liệu hiệu suấtđược sử dụng trong mạng cảm biến không dây có thể không được chấp nhận Do đó,

để hỗ trợ các yêu cầu như vậy, một mô hình mới của IoT, được gọi là mạng rộng rãinăng lượng thấp (LPWAN) đã được phát triển LPWAN là một lớp các giải pháp vàtiêu chuẩn truyền thông IoT không dây với các đặc điểm như vùng phủ sóng lớn, tốc

độ truyền dữ liệu thấp với kích thước dữ liệu gói nhỏ và thời lượng pin hoạt động lâu.Các công nghệ LPWAN đang được triển khai và đã cho thấy tiềm năng to lớn cho mộtloạt các ứng dụng trong IoT và M2M, đặc biệt là trong các môi trường hạn chế

1.1 Các ứng dụng và dịch vụ thông minh

Sự phổ biến ngày càng tăng của các trường hợp sử dụng IoT trong các lĩnh vực dựa vào kết nối trải dài các khu vực rộng lớn và có thể xử lý một số lượng lớn các kết nối đang thúc đẩy nhu cầu về công nghệ IoT lớn Với sự tiến bộ tronglĩnh vực điện tử thu nhỏ, công nghệ truyền thông, máy tính, cảm biến, chuyền động vàpin, có thể thiết kế các công nghệ mạng tầm xa, tiêu thụ điện năng thấp với tuổi thọ pinlâu năm và phạm vi phủ sóng hàng chục km Các công nghệ này phải tương thích vớiInternet để có thể thực hiện quản lý dữ liệu, thiết bị và mạng thông qua các nền tảngdựa trên đám mây Các yêu cầu quan trọng nhất của thiết bị IoT / M2M không dây làtiêu thụ điện năng thấp với phạm vi truyền dẫn mở rộng, hỗ trợ số lượng lớn thiết bị,khả năng xử lý nhiễu RF, chi phí thấp, triển khai dễ dàng và bảo mật mạnh mẽ cho cảhai, ứng dụng và cấp độ mạng Các công nghệ LPWAN đầy hứa hẹn và có thể đượctriển khai cho một loạt các ứng dụng thông minh , bao gồm giám sát môi trường, thànhphố thông minh, tiện ích thông minh, nông nghiệp, chăm sóc sức khỏe, tự động hóacông nghiệp, theo dõi tài sản, hậu cần và vận tải

Hình STYLEREF 1 \s 1 SEQ Hình \* ARABIC \s 1

1.2 Các yếu tố quan trọng nhất trong LPWAN

▪ Cấu trúc mạng

▪ Phạm vi giao tiếp

▪ Tuổi thọ của pin và công suất

▪ Khả năng chống nhiễu

▪ Số nút tối đa trong một mạng

▪ An ninh mạng, bảo mật thông tin

▪ Giao tiếp 1 chiều, 2 chiều

▪ Nhiều phần mềm hỗ trợ

LoRa và LoraWAN thuộc về loại giao thức và trình phát mạng truyền thôngkhông dây LPWAN phi di động (non-cellular), hoạt động trong phổ tần số không cógiấy phép Các công nghệ khác hoạt động trong các dải tần số không có giấy phép baogồm Sigfox, Ingenu và một số công nghệ khác

LoRa là lớp vật lý hoặc bộ điều chế không dây được sử dụng để tạo liên kếttruyền thông tầm xa Nhiều hệ thống không dây cũ sử dụng điều chế số theo tần số tínhiệu (FSK) như là lớp vật lý vì nó là một quá trình điều chế rất hiệu quả để đạt đượccông suất thấp

Lora sử dụng kỹ thuật điều chế gọi là Chirp Spread Spectrum, và Lora vẫn duytrì được các đặc tính công suất thấp giống như điều chế FSK ngoài ra còn tăng đáng kểphạm vi truyền thông Chirp Spread Spectrum đã được sử dụng trong lĩnh vực quân sự

và vũ trụ trong nhiều thập kỷ do khoảng cách giao tiếp tầm xa có thể đạt được và khảnăng can thiệp mạnh mẽ, và LoRa cũng là ứng dụng với mức chi phí thấp đầu tiênđược sử dụng cho mục đích thương mại

Long Range (LoRa) Lợi thế nhất của LoRa là ở khả năng tầm xa của công nghệ.Một gateway hoặc một trạm gốc có thể bao phủ toàn bộ thành phố hoặc hàng trăm kmvuông Phạm vi phụ thuộc nhiều vào môi trường hoặc vật cản tại một vị trí nhất định,nhưng LoRa và LoRaWAN có tầm liên kết (Link Budget) rộng hơn so với bất kỳ côngnghệ truyền thông tiêu chuẩn nào khác Tầm liên kết, thường được tính bằng decibel(dB), là yếu tố chính để xác định phạm vi liên kết trong một môi trường nhất định

LoRaWAN được định nghĩa là một kiến trúc hệ thống và giao thức truyền thôngtrong mạng, trong khi đó LoRa là lớp vật lý (physical layer) cho phép thiết lập các kếtnối truyền thông tầm xa Giao thức và kiến trúc mạng có ảnh hưởng lớn nhất đến việcxác định thời lượng pin của một nút, dung lượng mạng, chất lượng dịch vụ, bảo mật vànhiều loại ứng dụng được phục vụ bởi mạng.

PHẦN 2 KIẾN TRÚC HỆ THỐNG LORAWAN

2.1 Kiến trúc

● Lora End Devices: là các thiết bị cuối có kết nối Lora giúp thu thập dữ liệu và

điều khiển hệ thống, nói chuyện trực tiếp với các gateway thông qua kết nốiLora

● Lora Gateways: Do các thiết bị Lora không có kết nối Internet nên các

gateway sẽ làm nhiệm vụ là trung gian tiếp nhận các dữ liệu gửi đến từ các LoraSensors và đẩy lên server qua kết nối Internet như Wifi hay 3G/4G và ngược lại

sẽ nhận lệnh từ server và gửi đến các Lora Sensors thông qua kết nối Lora

● Server: là trung tâm lưu trữ và xử lý dữ liệu trong hệ thống giúp kết nối các

thành phần trong mạng, có thể triển khai trên cloud hoặc máy chủ cục bộ (localserver)

● User app: giúp người dùng có thể quan sát, theo dõi các thông tin gửi về và ra

lệnh bật tắt các thiết bị, phổ biến nhất là một ứng dụng web hoặc mobile

Mỗi công nghệ LPWAN thu thập dữ liệu từ các thiết bị và nút nằm trong khu vựcphủ sóng của chúng Các cơ sở hoặc trạm truy cập tương ứng được triển khai phù hợpvới khu vực phủ sóng của họ Cổng hoặc nút LPWAN có thể truyền dữ liệu lưu lượngngười dùng đến công việc mạng cốt lõi và đám mây Trong kiến trúc hỗn hợp như vậy,máy chủ mạng liên quan hoặc các thực thể làm việc mạng cốt lõi thực hiện các chứcnăng quản lý thiết bị như đăng ký, xác thực, phân bổ tài nguyên và quản lý lưu lượng

dữ liệu cho các thiết bị được kết nối với mạng của họ

Các mạng dân cư đa công nghệ như vậy đặc biệt phù hợp với các ứng dụng phứctạp đòi hỏi các công nghệ LPWAN khác nhau Mỗi công nghệ LPWAN thu thập dữliệu từ các thiết bị và nút nằm trong khu vực phủ sóng của chúng

Các cơ sở hoặc trạm truy cập tương ứng được triển khai phù hợp với khu vựcphủ sóng của họ Cổng hoặc nút LPWAN có thể truyền dữ liệu lưu lượng người dùngđến công việc mạng cốt lõi và đám mây Trong kiến trúc hỗn hợp như vậy, máy chủ

mạng liên quan hoặc các thực thể làm việc mạng cốt lõi thực hiện các chức năng quản

lý thiết bị như đăng ký, xác thực, phân bổ tài nguyên và quản lý lưu lượng dữ liệu chocác thiết bị được kết nối với mạng của họ

Các phương pháp tiếp cận và kiến trúc mới dựa trên trí tuệ nhân tạo (AI) để tạo

ra các giải pháp nhận thức-LPWAN cũng đang được nghiên cứu Những cách tiếp cậnnày đã dẫn đến khả năng điện toán cog-nitive mạnh mẽ để hỗ trợ giao tiếp tiên tiến, xử

lý các ứng dụng IoT không đồng nhất và cho phép kết nối mạng do phần mềm xácđịnh LPWANs nhận thức hỗ trợ cùng tồn tại và làm việc xen kẽ với nhiều công nghệLPWA khác nhau và cung cấp cho người dùng các dịch vụ thông minh hiệu quả vàthuận tiện hơn Nó có một số ứng dụng bao gồm thành phố thông minh, IoT xanh,mạng không đồng nhất nói chung, cũng như các ứng dụng AI như nhà thông minh,giám sát sức khỏe, lái xe tự động và tương tác cảm xúc

2.2 Mô hình lớp mạng LoraWan

Giống như chồng giao thức điều khiển truyền / giao thức IP, lớp dưới cùng gọi làlớp nhận dạng và cảm biến, là lớp vật lý chịu trách nhiệm chính trong việc tích hợpphần cứng như cảm biến, đối tượng, thiết bị truyền động, v.v.(Lớp này được gọi là lớpnhận thức IoT) Các thiết bị IoT bao gồm các nút cảm biến từ xa, thiết bị thu thậpthông tin, đồng hồ thông minh, thiết bị thông minh và thiết bị điện tử thông minh Lớpnày thu thập thông tin từ các thiết bị IoT và truyền dữ liệu thu thập được đến một lớp

Hình STYLEREF 1 \s 2 SEQ Hình \* ARABIC \s 1 1

cơ sở hạ tầng mạng Nó cũng có khả năng kết nối với các trạm truy cập khác nhau vàcác thực thể cốt lõi của mạng Nó thực hiện modula-tion / giải điều chế, điều khiểncông suất, truyền và nhận tín hiệu Đối với mạng LPWAN, một số công nghệ có lớpvật lý độc quyền, ví dụ, LoRa và Sigfox Bên trên lớp vật lý, có lớp cơ sở hạ tầngmạng để cung cấp hỗ trợ mạng và truyền dữ liệu qua mạng có dây và không dây Cóthể có một hoặc hai lớp như vậy, ví dụ, liên kết dữ liệu và mạng, tùy thuộc vào loạimạng Đối với phương pháp lưu trữ cấu trúc liên kết hình sao, lớp liên kết dữ liệu baogồm MAC và các lớp con điều khiển liên kết logic (LLC) là đủ

Tuy nhiên, bất cứ khi nào dữ liệu được gửi đến một máy chủ trên đám mây, lớpmạng có khả năng định tuyến các gói tin trên Internet được yêu cầu dựa trên IP Đốivới công nghệ LPWAN, MAC / LLC của gener-ally được xác định cho các mạng đơnbước dựa trên cấu trúc liên kết hình sao Đối với giao tiếp trên Internet, có rất nhiềucách triển khai Một số hệ thống có thể sử dụng tất cả các lớp của mô hình tham chiếukết nối hệ thống mở (OSI) của mô hình hệ thống— giao vận, phiên, trình diễn và ứngdụng trong khi những hệ thống khác có thể sử dụng các lớp được chọn, chẳng hạn nhưtruyền dẫn và ứng dụng

Đối với các ứng dụng IoT, lớp mạng có thể có dây hoặc không dây Tùy thuộcvào loại thiết bị IoT mà sử dụng mạng truyền thông thích hợp Ví dụ, ZigBee được sửdụng bởi các nút cảm biến để truyền dữ liệu thu thập được không dây trong khoảngcách rất ngắn Lớp mạng truyền thông từ xa cũng có thể có dây hoặc không dây Đối

Hình STYLEREF 1 \s 2 SEQ Hình \* ARABIC \s 1 2 Mô hình bốn lớp IoT

với các đầu nối có dây, có thể sử dụng mạng quang Đối với kết nối không dây, việc sửdụng có thể được thực hiện bằng 2G, 3G, sự phát triển lâu dài (LTE) hoặc LPWAN Lớp tiếp theo phía trên lớp cơ sở hạ tầng mạng được định nghĩa là lớp xử lýthông tin hoặc dịch vụ Nó chịu trách nhiệm quản lý các dịch vụ theo nhu cầu củakhách hàng Các trách nhiệm chính bao gồm phân tích thông tin, kiểm soát an ninh,

mô hình hóa quy trình và kiểm soát thiết bị

Lớp ứng dụng có các ứng dụng tích hợp và cung cấp các phương thức tương táccho người dùng và ứng dụng Trong một số trường hợp, các lớp con hỗ trợ được thêmvào cho các nhu cầu đặc biệt như điện toán biên / sương mù và điện toán đám mây.Các lớp tương tự có thể được thêm vào và sử dụng trên cổng LPWAN và phía máychủ

2.3 Lớp liên kết LoRaWAN

Mạng LoRaWAN được bố trí theo cấu trúc liên kết hình sao, trong đó các cổngchuyển tiếp các gói giữa các thiết bị và máy chủ mạng trung tâm (NS) (xem Hình 2-3).Đến lượt nó, NS định tuyến các gói nhận được bởi các cổng mạng tới một máy chủứng dụng được liên kết và ngược lại Giao tiếp nói chung là hai chiều, mặc dù giaotiếp đường lên từ thiết bị đến mạng và máy chủ ứng dụng được mong đợi là lưu lượngchủ yếu Hơn nữa, các liên kết lên có thể được nhận bởi nhiều cổng, tức là không có sựliên kết cố định giữa các thiết bị và cổng

Hình 2-3 Mạng LoraWan

Giao tiếp giữa các thiết bị và cổng sử dụng truyền dẫn vô tuyến LoRa một bướchoặc khóa dịch tần (FSK), trong khi truyền dẫn LoRa được phân phối trên các kênh