Xem mẫu
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
Mạng không dây diện rộng công suất thấp
LoRaWAN trong triển khai Free LoRa tại
thành phố Đà Nẵng, Việt Nam
Trần Văn Líc, Lê Quốc Huy, Ngô Đình Thanh Fabien Ferrero, Lê Thành Nhân
Trường Đại học Bách khoa Viện công nghệ quốc tế Đà Nẵng - DNIIT
Đại học Đà Nẵng Đại học Đà Nẵng, Đại học Côte d’Azur
Thành phố Đà Năng, Việt Nam Thành phố Đà Nẵng, Việt Nam
tvlic@dut.udn.vn, ndthanh@dut.udn.vn, lqhuy@dut.udn.vn nhan.le-thanh@univ-cotedazur.fr
Nguyễn Quang Thanh, Lê Sơn Phong, Trần Thanh Trúc, Phạm Thế Nhân
Sở Thông tin và Truyền thông
Thành phố Đà Nẵng, Việt Nam
thanhnq@danang.gov.vn, phongls@danang.gov.vn
Tóm tắt—Giao thức mạng diện rộng công suất thấp (LP- bao gồm Internet và mạng IoT khác như Narrowband
WAN), tiêu biểu như mạng diện rộng tầm xa (LoRaWAN) IoT (NB-IoT), LoRA, Sigfox.
trong giao tiếp không dây cho các thiết bị Internet of Vì vậy, để triển khai hạ tầng công nghệ truyền thông
Things (IoT), đang được nghiên cứu và thử nghiệm trong
thời gian gần đây. Bài báo này trình bày việc triển khai
LoRaWAN tại thành phố Đà Nẵng, việc lắp đặt thử
mạng LoRaWAN tại thành phố Đà Nẵng. Các bước khác nghiệm và đánh giá trong điều kiện thực tế là thật sự
nhau từ thử nghiệm sơ bộ đến triển khai mạng đầy đủ cần thiết. Mục tiêu nhằm đánh giá được mức độ phủ
và các vấn đề liên quan đến nhiễu với mạng điện thoại di sóng trong điều kiện môi trường thực tế trong các khu
động được trình bày và thảo luận. Các phương pháp thử vực, từ các khu vực đông dân cư như khu vực đô thị
nghiệm với thiết bị khác nhau được sử dụng để đánh giá đến các khu vực thưa thớt dân cư như vùng ngoại ô,
hiệu suất mạng cũng được đề cập đến trong bài báo.
Từ khóa—LPWAN, LoRa, LoRaWAN, vùng phủ sóng
ngoài ra việc đánh giá chất lượng phủ sóng của các loại
Gateway và ảnh hưởng can nhiễu với băng tần GSM
cũng cần được thực hiện.
I. GIỚI THIỆU
Gần đây, mạng diện rộng công suất thấp đã được quan II. THIẾT KẾ TRIỂN KHAI HỆ THỐNG
tâm nhiều ở Việt Nam nhờ các khả năng độc đáo của nó
như: truyền dữ liệu tầm xa ,có thể triển khai cả ngoài trời A. Thông số kỹ thuật
và trong nhà, chi phí triển khai thấp, tiêu thụ điện năng Theo quy định mới nhất của cơ quan có thẩm quyền
thấp. Những lợi thế này khiến LPWAN, như LoRaWAN, của Việt Nam, kể từ tháng 11 năm 2020, quy hoạch tần
là một lựa chọn thiết thực cho các ứng dụng IoT trong số industrial, scientific and medical (ISM) cho mạng
việc triển khai thành phố thông minh, du lịch thông LPWAN là từ 920 đến 923 MHz (Quy chuẩn kỹ thuật
minh, nông nghiệp thông minh, đại học thông minh, quốc gia Việt Nam, số 1122: 2020/ BTTTT, về thiết bị
v.v. vô tuyến trong mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN)
Thành phố Đà Nẵng là thành phố lớn thứ năm ở Việt hoạt động trong dải tần từ 920 MHz đến 923 MHz) [1].
Nam với dân số khoảng 1 triệu người và là trung tâm Gói tần số này thực sự là dải tần số tự do giữa các
kinh tế và giáo dục của miền Trung Việt Nam. Thành kênh giới hạn đường lên - uplink (915 MHz) và kênh
phố được đánh giá là một trong những thành phố tích cực giới hạn đường xuống - downlink (925 MHz) của các
nhất tại Việt Nam trong việc phát triển mô hình Thành mạng di động trên nền GSM ở Việt Nam như được trình
phố thông minh. Một trong những trụ cột quan trọng bày trong Hình 1. Sử dụng gói tần số 920-923 MHz
nhất cho mô hình Thành phố thông minh của thành phố này, chúng tôi đã cấu hình và triển khai các Gateway
Đà Nẵng là cơ sở hạ tầng cho công nghệ truyền thông LoRaWAN (từ các nhà sản xuất khác nhau như Kerlink,
ISBN 978-604-80-5958-3 169
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
Rak) với các kênh gần nhất có thể với gói tần số AS923- C. Vị trí của các Gateway
2 do liên minh LoRA - LoRA Alliance (công bố phiên
bản RP002-1.0 .1, phát hành vào ngày 20 tháng 2 năm
2020: https://lora-alliance.org/resourceh ub/rp2 − 101 −
lorawan − regional − parameters − 2/).
Hình 1. Gói tần số cho LPWAN ở Việt Nam và dải tần của mạng di
động dựa trên GSM
B. Cấu hình của Gateway và các kênh tần số
Hai loại LoRaWAN Gateway là Rak7240 và Kerlink
iBTS, cùng là loại Gateway sử dụng ngoài trời (outdoor)
với khả năng sử dụng 8 kênh tần số trong băng tần 920-
923Mhz và đều hỗ trợ kết nối 4G [2], [3]. Hai loại
Gatewy này sử dụng trong thử nghiệm với các kênh tần
số như được mô tả trong Bảng I. Radio 0 và Radio 1 Hình 3. Thử nghiệm độ phủ sóng của các Gateway
trong Bảng I lần lượt là 921,8 MHz và 922,7 MHz.
Gateway được kết nối với Internet thông qua cổng Để tăng cường và đảm bảo độ phủ sóng của Gateway
Ethernet và được cấp nguồn qua cổng Power over ở các vị trí ưu tiên cần phủ sóng theo yêu cầu phát triển
Ethernet (PoE). Dữ liệu truyền tới Gateway được cấu ứng dụng IoT của thành phố Đà Nẵng, việc bố trí các
hình để chuyển tiếp đến Network Server The Things Gateway cần được xem xét dựa trên các yếu tố sau:
Network (TTN), đây là một server LoRaWAN miễn phí
1) Chọn vị trí lắp đặt trên đỉnh của các tòa nhà cao
dùng để thử nghiệm. Sau đó, phần mềm TTN Mapper
hoặc trên núi
được sử dụng để đưa lên thông tin như vị trí, cường độ
2) Tuân thủ kỹ thuật trong quá trình lắp đặt cổng kết
tín hiệu Received Signal Strength Indicator (RSSI) và
nối và tránh lắp đặt ăng-ten gần các vật có từ tính
tỷ số tín hiệu trên nhiễu Signal-to-Noise Ratio (SNR).
và đảm bảo khoảng cách tối thiểu giữa các ăng-ten
Mục đích của TTN Mapper là cung cấp bản đồ về phạm
là 2m.
vi phủ sóng thực tế của LoRaWAN Gateway. Sơ đồ của
3) Kết cấu cơ khí để giảm ảnh hưởng của gió, bão
hệ thống thử nghiệm LoRaWAN được mô tả trong Hình
và lắp đặt hệ thống chống sét.
2.
Trong giai đoạn đầu thực hiện dự án Free LoRa,với
thời gian thử nghiệm 6 tháng chạy liên tục Gateway và
kiểm tra vùng phủ sóng tại các thời điểm khác nhau
mỗi tháng, 2 loại Gateway của các nhà sản xuất khác
nhau đã được lắp đặt để tiến hành quá trình đánh giá
độ phủ và tối ưu hóa các vị trí lắp đặt thông qua thử
nghiệm thực tế tại các vị trí lắp đặt khác nhau. Vị trí
và chiều cao của các Gateway được mô tả trong bảng
II. Việc thử nghiệm vùng phủ sóng khác nhau đã được
thực hiện trong khu vực Đà Nẵng kết nối ổn định lên
đến 15km như trong Hình. 3.
D. Giảm thiểu nhiễu và lọc nhiễu
Hình 2. Sơ đồ hệ thống thử nghiệm LoRaWAN Xem xét về độ gần của tần số quy hoạch-frequency
plan của mạng LPWAN với tần số trên dải tần GSM
ISBN 978-604-80-5958-3 170
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
Bảng I
KÊNH TẦN SỐ
Kênh 0 1 2 3 4 5 6 7 LoRastd FSK
Tần số(MHz) 921.4 921.6 921.8 922 922.2 922.4 922.6 922.8 922.7 923
Radio 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1
Băng thông 125kHz 125kHz 125kHz 125kHz 125kHz 125kHz 125kHz 125kHz 125kHz 125kHz
Bảng II
VỊ TRÍ CÁCGATEWAYS
Vị trí Kinh độ Vĩ độ Độ cao(m) Chiều cao anten(m)
Tòa nhà DSP 108.2230598 16.07553058 90 2
Tòa nhà SPT 108.2290901 16.0786091 40 2
Tòa nhà DRT 108.231547 16.057383 45 2
Bán đảo Sơn Trà 108.273661 16.1184 812 2
và công suất bức xạ giới hạn ở mức thấp của mạng vực ngoại ô. Có thể thấy rằng mức công suất nhận được
LPWAN, chỉ 25 mW, thì nhiễu có thể là một vấn đề trên Gateway RAK với bộ lọc bổ sung thấp hơn so với
tiềm ẩn với mạng LPWAN. Gateway Kerlink. Tuy nhiên, khoảng cách phủ sóng tối
Ở Hình. 4, với các phép đo thử nghiệm cho các đa là tương tự, có nghĩa là chúng ta có tỷ lệ tín hiệu
Gateway LoRA từ các nhà sản xuất khác nhau (Kerlink trên nhiễu tương tự trên các cấu hình khác nhau.
và Rak) đã cho thấy sự giảm đột ngột của khoảng cách
phủ sóng và tỷ số tín hiệu trên nhiễu của tín hiệu nhận
được với Gateway không có bộ lọc hiệu quả (RAK
without filter) và có thể thấy Gateway Kerlink là gateway
có phạm vi phủ sóng lớn hơn nhiều. Gateway Rak chỉ
nhận được phạm vi phủ sóng hạn chế với việc giảm
đáng kể số lượng gó tin nhận được.
Sau khi xem xét phần cứng giữa các nhà cung cấp
gateway khác nhau, chúng tôi nhận thấy rằng, một bộ
lọc khoang (cavity filter) được sử dụng trong gateway
Kerlink đã hoạt động hiệu quả, giảm đáng kể ảnh hưởng
từ các băng tần GSM đường xuống (downlink). Hầu hết
các nhà cung cấp Gateway LoRaWAN không cung cấp
khả năng lọc cụ thể cho thị trường Việt Nam và đang Hình 4. So sánh vùng phủ giữa cổng Rak không có bộ lọc và cổng
Kerlink
sử dụng bộ lọc băng tần rộng từ 900 đến 930MHz. Để
lọc băng tần GSM đường xuống (downlink) bắt đầu từ
925MHz, hai chiến lược chính đã được thử nghiệm. Đầu
tiên, một bộ lọc băng thông khoang (cavity filter) đặt
bên ngoài nằm trong khoảng từ 920 đến 923MHz với
mức suy hao 50dB ở 925MHz được kết nối giữa ăng-ten
và Gateway. Thứ hai, Rak gateway được thêm vào bộ lọc
(SAW filter) trong dải tần 909,22MHz 922,64MHz.
Để đánh giá hiệu quả vùng phủ sóng, ba cấu hình
Gateway khác nhau đã được thử nghiệm từ cùng một vị
trí: Gateway Kerlink, Rak với bộ lọc SAW mới và Rak
với bộ lọc khoang-cavity filter bên ngoài. Kết quả cuối
cùng được trình bày trong Hình.4 và Hình. 5.
Kết quả thử nghiệm cho thấy khoảng cách phủ sóng
trung bình ước tính của Gateway có bộ lọc hiệu quả là Hình 5. So sánh vùng phủ sóng giữa hai cổng Rak với a cavity filter
and SAW filter
khoảng 2 đến 3 km ở khu vực đô thị đông đúc (tức
là trung tâm thành phố) và khoảng 10 km đối với khu
ISBN 978-604-80-5958-3 171
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
E. Thiết bị End-node để kiểm tra vùng phủ sóng và ứng
dụng
Bất kỳ mạng LPWAN nào cũng yêu cầu một số thiết
bị đầu cuối End-node để đánh giá hiệu suất và độ phủ
của giải pháp. Kể từ năm 2017, hiệu quả của việc quảng
bá hệ thống LoRaWan tại Đà Nẵng đã được nâng lên
bằng cách sử dụng board UCA (Université Côte d’Azur),
board phát triển bởi Đại học Côte d’Azur, là bảng mạch
phát triển mã nguồn mở, với phần cứng là đại diện cho
IoT trong thế giới thực [8], giúp cho việc thử nghiệm Hình 7. Bản đồ thành phố Đà Nẵng
mạng LoRaWAN một cách đơn giản và dễ dàng. Ăng
ten phân cực tuyến tính trên bo mạch được mô tả trong
[9]. Một máy đo Standing Wave Ratio (VSWR) dựa trên ở Việt Nam với mật độ dân số khoảng 883 người/km2,
một bộ ghép định hướng thu nhỏ và hai bộ chỉnh lưu sử dụng gói tần số mới 920 MHz đến 923 MHz. Trong
được sử dụng để đánh giá hệ số phản xạ ăng ten trong đó, sử dụng thêm bộ lọc để các Gateaway có thể hoạt
trường hợp vị trí đặt bo mạch UCA bị sai. Phiên bản động trong dải tần này rất gần với dải tần của băng tần
2021 của bo mạch bao gồm thêm một số cảm biến môi GSM900. Kết quả thử nghiệm cho thấy khoảng cách phủ
trường để cung cấp thông tin trong quá trình thử nghiệm sóng của các Gateawy có thêm bộ lọc hiệu quả hơn, với
các ứng dụng khác nhau (như gia tốc kế để định hướng, khoảng cách từ 2 đến 3 km đối với khu vực đô thị và
cảm biến áp suất cho độ cao, v.v.). khoảng 10 km đối với khu vực ngoại ô. Khoảng cách
phủ sóng này cao đáng kể so với khoảng cách phủ sóng
dưới 1 km của các Gateway không có bộ lọc hiệu quả.
LỜI CẢM ƠN
Công trình này được thực hiện trong khuôn khổ dự
án DaNang FreeLoRa của Thành phố Đà Nẵng, Đại học
Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng, Đại học C^ote d’Azur,
Viện Công nghệ Quốc tế Đà Nẵng (DNIIT). Chúng tôi
xin chân thành cảm ơn Sở Thông tin và truyền thông, Tp
Đà Nẵng đã hỗ trợ trong việc triển khai và thử nghiệm
mạng
Hình 6. Bo phát triển UCA LoRaWAN phiên bản 2021
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] "Quyết định 1122/QĐ-BTTTT", Bộ thông tin và truyền thông,
2020.
[2] [Online]https://www.kerlink.com/product/wirnet-ibts/,
III. KẾ HOẠCH TRIỂN KHAI TRONG TƯƠNG LAI
[Accessed:03-Nov-2021]
Từ việc ước tính thử nghiệm khoảng cách phủ sóng [3] [Online]https://www.rakwireless.com/en-us/products/lpwan-
gateways-and-concentrators/rak7240, [Accessed:03-Nov-2021]
của các Gateway, với mục tiêu phủ sóng toàn thành phố [4] "LoRa Technology Real World Solutions: Smart Cities", Semtech
Đà Nẵng với mạng LPWAN - LoRAWAN, trong giai White paper, 2018.
đoạn tiếp theo, chúng tôi dự kiến triển khai tổng cộng [5] LoRa Alliance, White Paper, « LoRaWAN, What is it ?», Novem-
ber 2015.
từ 15 đến 20 Gateway được trang bị bộ lọc tối ưu hóa [6] L.H Trinh, Tran Quang Khai Nguyen, D.D. Phan, V.Q. Tran, V.X.
tần số. dải tần 920-923 MHz. Các thử nghiệm khác đang Bui, N.V. Truong, Fabien Ferrero, “Miniature Antenna for IoT De-
được tiến hành để khảo sát các tác động khác đối với vices Using LoRa Technology,” 2017 International Conference on
Advanced Technologies for Communications (ATC), 18/10/2017,
việc truyền dữ liệu trong điều kiện thực tế: thời tiết Quy Nhon, VN, pp.170-173.
khắc nghiệt (mưa lớn, bão nhiệt đới), kết hợp nhiều loại [7] Trinh, L.H.; Truong, N.V.; Ferrero, F. Low Cost Circularly Po-
Gateway để bao phủ một khu đô thị lớn, phạm vi phủ larized Antenna for IoT Space Applications. Electronics 2020, 9,
1564.
sóng trong nhà, định vị ngoài trời dựa trên tín hiệu LoRa. [8] https://github.com/FabienFerrero/UCA21
[9] L.H Trinh, Tran Quang Khai Nguyen, D.D. Phan, V.Q. Tran, V.X.
IV. KẾT LUẬN Bui, N.V. Truong, Fabien Ferrero, Miniature Antenna for IoT De-
vices Using LoRa Technology, 2017 International Conference on
Chúng tôi đã chứng minh việc triển khai mạng Advanced Technologies for Communications (ATC), 18/10/2017,
LoRaWAN cho thành phố Đà Nẵng, quy mô vừa phải Quy Nhon, VN, pp.170-173.
ISBN 978-604-80-5958-3 172
nguon tai.lieu . vn
