Estimation of transmission range of a dual - hop lora network under interference effects
Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue 3 (04/2021), 264-276
Transport and Communications Science Journal
ESTIMATION OF TRANSMISSION RANGE OF A DUAL-HOP
LoRa NETWORK UNDER INTERFERENCE EFFECTS
Co Nhu Van, Do Viet Ha, Nguyen Thanh Hai
University of Transport and Communications, No 3 Cau Giay Street, Hanoi, Vietnam
ARTICLE INFO
TYPE: Research Article
Received: 27/11/2020
Revised: 28/01/2021
Accepted: 17/02/2021
Published online: 15/04/2021
* Corresponding author
Email: [email protected]; Tel: 0987959637
Abstract. LoRaWan (long range wide area networks) have been rapidly developed and
implemented in recent years. By providing outstanding advantages such as low cost, low power
consumption, high reliability, large number of connected devices, and wide coverage,
LoRaWan is especially suitable for IoT (Internet-of-things) applications. This paper focuses on
estimating the maximal transmission range and relay location of a dual-hop LoRa network.
Unlike other studies that only consider the path-loss and AWGN in the range estimation, this
work takes into account the effects of both co-SF (Spreading Factor) and inter-SF interference
when evaluating the system performance. The SNRs (Signal-to-Noise Ratio) and SIRs (Signal-
to-Interference Ratio) of each transmission hop are derived by using Rayleigh fading channel
model that represents the path-loss, shadowing effect, and multipath fading. The maximal
transmission range and the relay location are estimated in order to meet the SIR and SNR
threshold requirements of LoRa networks. The numerical results of this paper can be used as a
guideline for planning and designing LoRa networks.
Keywords: Dual-hop LoRa, SIR, co-SF, inter-SF.
©2021 University of Transport and Communications
264
Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 72, Số 3 (04/2021), 264-276
Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải
ƯỚC LƯỢNG CỰ LY TRUYỀN DẪN TRONG MẠNG LoRa HAI
CHẶNG DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU GIỮA CÁC THIẾT BỊ
ĐẦU CUỐI
Cồ Như Văn*, Đỗ Việt Hà, Nguyễn Thanh Hải
Trường Đại học Giao thông vận tải, Số 3 Cầu Giấy, Hà Nội, Việt Nam
THÔNG TIN BÀI BÁO
CHUYÊN MỤC: Công trình khoa học
Ngày nhận bài: 27/11/2020
Ngày nhận bài sửa: 28/01/2021
Ngày chấp nhận đăng: 17/02/2021
Ngày xuất bản Online: 15/04/2021
* Tác giả liên hệ
Email: [email protected]; Tel: 0987959637
Tóm tắt. Mạng diện rộng công suất thấp truyền cự ly dài LoRaWan (long range wide area
networks) được triển khai và phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây. Với các ưu
điểm nổi bật như giá thành thấp, tiết kiệm năng lượng, độ tin cậy cao, số lượng các thiết bị kết
nối đến mạng lớn và phạm vi mạng rộng, LoRaWan đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng IoT
(Internet-of-things). Bài báo thực hiện ước lượng khoảng cách truyền dẫn lớn nhất và vị trí đặt
trạm lặp của mạng LoRa hai chặng. Không giống như các nghiên cứu khác chỉ xét đến suy hao
và nhiễu tạp âm khi ước lượng cự ly truyền, bài báo phân tích các loại nhiễu trong mạng LoRa
gồm nhiễu giữa các thiết bị trong cùng một vùng SF (Spreading Factor) và giữa các vùng SF
khác nhau đều được tính đến khi đánh giá chất lượng hệ thống. Các chỉ tiêu kỹ thuật của mạng
gồm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR (Singal-to-Noise Ratio) và SIR (Singal-to-Interference Ratio)
được tính toán dùng mô hình kênh Rayleigh có xét đến suy hao truyền dẫn, hiệu ứng che khuất
và hiệu ứng đa đường. Dựa vào ngưỡng yêu cầu của các chỉ số này trong quy hoạch mạng
LoRa, cự ly truyền tối đa và vị trí trạm lặp được tính toán. Kết quả của bài báo có thể được áp
dụng trong quy hoạch và thiết kế mạng LoRa.
Từ khóa: Mạng LoRa hai chặng, SIR, nhiễu nội vùng, nhiễu liên vùng.
©2021 Trường Đại học Giao thông vận tải
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong những năm gần đây, IoT (Internet-of-things) được triển khai trong nhiều lĩnh vực và
phát triển rất nhanh chóng. Các ứng dụng IoT đòi hỏi mạng có giá thành thấp, tiết kiệm năng
265
Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue 3 (04/2021), 264-276
lượng, có độ tin cậy cao, số lượng các thiết bị kết nối đến mạng và phạm vi mạng tăng lên. Hiện
nay, các công nghệ có khả năng hỗ trợ cho các ứng dụng IoT gồm Zigbee, Bluetooth và Wifi
cho cự ly ngắn, các mạng di động tế bào (3G, LTE, 5G) cho cự ly truyền dài. Để đáp ứng yêu
cầu hiệu quả công suất như các công nghệ tầm ngắn cũng như đáp ứng cự ly truyền dài như
mạng di động, công nghệ mạng diện rộng công suất thấp LPWAN (low-power wide-area
networks) đang là điểm sáng cho các ứng dụng IoT do có khả năng kết nối cự ly xa với tốc độ
không lớn [1]. Có nhiều công nghệ LPWAN được nghiên cứu như LoRa, Sigfox, NB-IoT…
nhưng LoRaWAN (truyền dẫn cự ly dài) là công nghệ được nghiên cứu và ứng dụng nhiều hơn
cả [2].
Một trong những thông số quan trọng để tối ưu chỉ tiêu chất lượng mạng trước khi triển
khai trong thực tế chính là dự đoán được phạm vi phủ sóng của mạng [2]. Các thông số quan
trọng trong tính toán cự ly truyền của mạng LoRa gồm [1]: i) suy hao đường truyền phụ thuộc
vào cự ly, dải tần và các điều kiện địa hình, môi trường truyền sóng, ii) co-SF nhiễu giữa các
kênh truyền trong cùng một vùng SF (Spreading Factor) sẽ hạn chế tầm truyền nếu mật độ đầu
cuối mạng (ED) triển khai cao dẫn đến tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu SIR giảm dưới ngưỡng cho
phép, iii) nhiễu giữa các ED trong các vùng SF khác nhau (inter-SF) do tính trực giao không
hoàn hảo giữa các SF mà đa phần các nghiên cứu bỏ qua [3, 4] trong khi nghiên cứu trong [5]
cho thấy nhiễu inter-SF ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng đường truyền, đặc biệt khi nguồn
nhiễu ở gần máy thu.
Các nghiên cứu về phạm vi phủ sóng của mạng LoRa gần đây đa phần được xét cho cấu
hình mạng một chặng, nghĩa là chỉ có 1 chặng kết nối giữa đầu cuối LoRa và Gateway [2, 6, 7,
8, 9]. Bên cạnh đó, mặc dù nhiễu co-SF và inter-SF đã được phân tích trong các nghiên cứu về
đánh giá chỉ tiêu chất lượng mạng LoRa một chặng [1] và hai chặng có trạm lặp [10] nhưng
chưa được áp dụng trong các nghiên cứu tính toán cự ly truyền dẫn. Ứng dụng ước lượng cự ly
truyền trong [6] áp dụng cho mạng LoRa một chặng với các thông số đầu vào gồm tần số sóng
mang, hệ số suy hao, hệ số SF và nhiễu nền AWGN [6]. Tuy nhiên cự ly truyền dẫn này không
được xem xét trong một mạng LoRa cấu hình cụ thể với phân bố các vùng SF khác nhau và ảnh
hưởng của các ED trong mạng. Trong [9, 11] mô hình suy hao và chỉ số SNR được xem xét để
tính toán cự ly truyền dẫn của mạng LoRa trong điều kiện truyền dẫn trong rừng khác nhau.
Suy hao được mô hình hóa và đo đạc xác nhận tham số cho các môi trường truyền dẫn khác
nhau để tính toán quỹ công suất và cự ly truyền của mạng LoRa [2, 8]. Như vậy chỉ số SIR và
nhiễu nhiễu co- SF và inter-SF không được tính đến trong các nghiên cứu này khi tính toán cự
ly truyền.
Bài báo tập trung giải quyết bài toán ước lượng cự ly truyền tối đa và vị trí trạm lặp cho
mạng LoRa với nhiều thiết bị đầu cuối. Nhiễu giữa các ED trong cùng SF và giữa các SF được
xem xét đầy đủ trong phân tích tính toán các chỉ tiêu chất lượng hệ thống. Mô hình kênh pha
đinh Rayleigh được dùng để tính các tham số của mạng gồm SNR và SIR. Từ các điều kiện
ngưỡng SNR và SIR của các ED trong mạng LoRa, cự ly truyền giữa ED xa mạng nhất tới
Gateway được tính toán với cấu hình mạng LoRa hai chặng có sử dụng trạm lặp. Các kết quả
khảo sát cho thấy nếu xét đến nhiễu co-SF và inter-SF nghĩa là dùng tham số ngưỡng SIR để
266
Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 72, Số 3 (04/2021), 264-276
tính toán cự ly truyền sẽ ảnh hưởng đáng kể đến cự ly truyền của mạng.
Cấu trúc phần còn lại của bài báo gồm: Mô hình hệ thống mạng LoRa hai chặng được khảo
sát từ đó đưa ra công thức tính các chỉ số SIR và SNR của mỗi chặng được trình bày trong phần
2. Phần 3 đề xuất các thuật toán tính toán cự ly truyền dẫn tối đa của mạng khi có và không có
trạm lặp. Phần 4 là các kết quả và đánh giá. Kết luận của bài được trình bày trong phần 5.
2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG
2.1. Kiến trúc mạng
nối đến Gatway G thông qua trặm lặp R. Trong mạng LoRa, tùy thuộc vào khoảng cách từ thiết
bị đầu cuối đến Gateway mà chọn các thông số như hệ số SF, công suất phát đế đảm bảo kết
nối giữa các ED ở các vị trí khác nhau. Xét mạng LoRa được chia thành 6 vùng không trùng
k 7,...,12
lặp có phạm vi như nhau SFk với
. Mỗi vùng được ấn định công suất phát và hệ
số SF theo quy luật vùng càng gần Gateway thì SF và công suất phát càng nhỏ.
(VX, VY)
SF9
SF8
SF12
SF11
SF10
SF7
Intended link
Interference link
Interference
Direct link
Hình 1. Mạng LoRa đường lên.
Ngoài các thành phần S, R và G, mạng còn gồm N các thiết bị đầu cuối ( N =
12
Nk
)
k=7
với Nk là số lượng các đầu cuối đóng vai trò nhiễu trong vùng SFk. Giả thiết vị trí của trạm
o 7,...,12
lặp R V = v ,v đặt tại vị trí SFo với
và có thể thay đổi. Giả thiết G được cố
R
x
y
2.2. Tín hiệu và kênh truyền
Để ước lượng cự ly truyền đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật của mạng LoRa, ta phân tích tín
267
Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue 3 (04/2021), 264-276
hiệu từ thiết bị đầu cuối xa nhất S đến Gateway dưới tác động của cả nhiễu bên trong chính SF
(gọi là co-SF) và nhiễu giữa các vùng SF (inter-SF). Tín hiệu từ S đến G được phân làm hai
chặng, chặng tứ nhất là tín hiệu từ S đến R, tín hiệu thu được tại R được tính theo công thức [1,
10]:
Nk
12
y = P l d h x +
k P l d hk xk + n
(1)
(
)
(
)
R
S
s,R
S,R
S
i,R
k
i,R
i,R i,R
R
k=7 i=1
hik,R
trong đó hS,R
,
là hệ số fading nhanh không bao gồm suy hao theo khoảng cách từ S và
2
từ nhiễu của ED trong miền SFk đến trạm lặp R tuân theo phân bố Rayleigh, nghĩa là h =1
. Hàm suy hao theo khoảng cách l d
,
l d với dX ,Y là khoảng cách Euclidean từ X đến Y.
s,R
i,R
−
Theo [1], suy hao l(dX ,Y ) = max dX ,Y ,dC
với là hệ số mũ suy hao đường truyền,
dc 0 là khoảng cách tối thiểu để tránh trường hợp l(dX ,Y
) tiến tới vô cùng (nghĩa là dX ,Y → 0
), = / 4 2 với c là bước sóng của sóng mang. xS
,
xk
i,R là các tín hiệu được điều chế CSS
(
)
c
(chirp spread spectrum) của S và các nguồn nhiễu i của vùng SFk được giả thiết có công suất
2
2
ik,R = 0,1
k
đơn vị, nghĩa là
. Hàm kích hoạt
của nguồn nhiễu ED thứ
xS = xi,R =1
i
trong miền SFk và tuân theo phân bố Bernoulli với xác suất
Lpac
pAk =
;Rk = SF .CR.BW / (2SFk )
là tốc độ bít của ED trong vùng SFk như trong Bảng I. Các
b
k
RbkT
in
ký hiệu Lpac
,
T ,CR và BW lần lượt là chiều dài gói dữ liệu, thời gian trung bình giữa 2 gói
in
đến, tỷ lệ mã hóa và băng thông truyền dẫn. P ,P là công suất phát của S và của các ED trong
S
k
vùng SFk tuân theo Bảng I. Ký hiệu
n
R là nhiễu tại trạm lặp.
Nk
12
k P l d hk xk
Cần chú ý rằng trong công thức (1), số hạng
thể hiện cả nhiễu
i,R i,R
(
)
i,R
k
i,R
k=7 i=1
trong cùng một SF (co-SF) và giữa các SF khác nhau (inter-SF).
Bảng 1. Đặc tính mạng LoRa ở BW= 250 kHz và CR=4.5.
SF
Tốc độ bít
[kbps]
Vùng cự ly
(Network Zone)
qo[dBm] P [dBm]
tx
7
8
10.9
6.25
3.52
1.96
1.1
-6
-9
2
5
0 → R / 6
R / 6 → 2R / 6
2R / 6 →3R / 6
3R / 6 → 4R / 6
4R / 6 →5R / 6
9
-12
-15
-17.7
8
10
11
11
14
268
Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 72, Số 3 (04/2021), 264-276
12 0.6 -20 17
5R / 6 →6R / 6
Chặng thứ 2 là tín hiệu truyền từ trạm lặp R đến G, tín hiệu thu được tại Gateway được tính
như sau:
Nk
12
k P l d hk xk + n
(2)
y = P l d
h x +
(
)
(
)
G
R
R,G
R,G
R
i,G
k
i,G
i,G i,G
G
k=7 i=0
P = P ,o 7,...,12
với
là công suất phát của trạm lặp R, giá trị của P được cho trong
o
R
o
hk
bảng 1; hR,G
,
là hệ số fading nhanh từ R và từ nguồn nhiễu thứ i của SFk đến Gateway;
i,G
xk
xR , i,G là tín hiệu giải điều chế của S tại R và tín hiệu của ED thứ i trong miền SFk; nG là nhiễu
ik,G
AWGN tại G;
là hàm kích hoạt.
Từ phân tích tín hiệu trong mạng LoRa ta tính được các chỉ số SNR của tín hiệu truyền từ
X đến Y theo công thức
2
P l d
h
X ,Y
(
)
X
X ,Y
SNRX Y
=
(3)
Y2
2
trong đó PX là công suất phát của nút X; Y2 là nhiễu tại máy thu Y, l d
là suy hao và hX ,Y
X ,Y
là độ lợi kênh truyền từ X đến Y.
o 7,...,12
Hệ số SIR của các gói gửi từ nút X của vùng SFo,
đến nút Y chịu ảnh hưởng
o 7,...,12
các nhiễu từ SFk,
được tính như sau:
2
P l d
Nk
h
X ,Y
(
)
X
X ,Y
SIRX Y
=
(4)
%
2
P l d
h
(
)
k
i,Y
i,Y
i=1
với Nk = pA Nk là số lượng ED kích hoạt trong vùng SFk; P ,l d , h 2 lần lượt là công
k
%
k
i,Y
i,Y
suất phát, hệ số suy hao và độ lợi kênh truyền của nguồn nhiễu ED thứ i từ SFk đến máy thu Y.
Trong phần 3, khoảng cách truyền dẫn từ S đến G và vị trí trạm lặp sẽ được tính toán dựa
trên điều kiện ngưỡng của các chỉ số SNR và SIR.
3. TÍNH CỰ LY TRUYỀN VÀ VỊ TRÍ TRẠM LẶP
o 7,...,12
Trong mạng LoRa, một gói hoạt động trong vùng SFo,
được xem là giải mã
chính xác nếu thỏa mãn đồng thời hai điều kiện sau:
i) SNR lớn hơn giá trị ngưỡng qo với qo cho trên bảng 1.
ii) SIR của các gói khác nhau từ cùng một SF hoặc từ các SF khác phải lớn hơn giá trị
{
}
ngưỡng ∆표,푘 (dB) với 표, 푘 ∈ 7, … ,12 [12]. Giá trị ∆표,푘 là phần tử thuộc hàng o và cột k được
269
Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue 3 (04/2021), 264-276
lấy trong ma trận sau:
SF
SF
SF
SF
10
SF
11
SF
12
7
8
9
SF
1
−8 −9 −9 −9 −9
7
SF
−11
1
−11 −12 −13 −13
8
SF
−15
−15
−18
−20
−13
1
−13 −14
9
(5)
dB
=
SF
10
−19 −18 −17
1
−17
−22
−25
−22 −21 −20
1
SF
11
−25 −25 −24 −23
1
SF
12
3.1. Tính cự ly truyền tối đa khi có trạm lặp
Để tính cự ly truyền tối đa khi có trạm lặp thì vị trí trạm lặp, S và G phải thỏa mãn các
điều kiện sau:
• Điều kiện đảm bảo SNR ngưỡng
SNRS,R qS,R và SNRRG qo
(6)
do S luôn ở vị trí xa nhất của mạng nên qS,R luôn là
q
12 , vị trí R đang xét có thể thay đổi
q
ở một trong các vùng SF đặt nên o thay đổi.
• Điều kiện đảm bảo ngưỡng SIR
✓ Ngưỡng SIR do nhiễu trong cùng SF co-SF
co−SF
S,R
co−SF
S,R
co−SF
R,G
co−SF
R,G
SIR
SIR
và
(7)
co−SF X S, R Y R,G
SIR của 2 chặng đều phải lớn hơn ngưỡng, giá trị
,
,
tùy thuộc
X ,Y
co−SF
vào vùng gói dữ liệu được gửi đi; hơn nữa
cũng là thành phần đường chéo trong ma trận
X ,Y
co−SF
S,R
=
12,12 , tương tự với chặng thứ hai có
. Ví dụ nếu gói gửi từ S ở vùng SF12 thì
co−SF
R,G
=
o 7,K ,12
.
o,o với
✓ Ngưỡng SIR do nhiễu từ các SF khác inter-SF
inter−SF và
(8)
inter−SF
inter−SF
R,G
inter−SF
R,G
SIR
S,R
SIR
S,R
các giá trị inter−SF tùy thuộc vào SF của gói muốn nhận và gói nhiễu, ta có
X ,Y
inter−SF
S,R
= 12,k ,k 7,...,11
inter−SF = ,k o;o,k 7,...,12
và
R,G
o,k
✓ Ngưỡng SIR do cả nhiễu co-SF khác inter-SF
both
both
both
R,G
both
R,G
SIR
SIR
và
(9)
S,R
S,R
các giá trị SIR cần đảm bảo cả ngưỡng co-SF và inter-SF từ S đến R và từ R đến G, các giá
both
S,R
= 12,k ,k 7,...,12
inter−SF = ,k 7,...,12
trị ngưỡng
và
R,G
o,k
Chương trình findDmaxWithRelay thực hiện tìm cự ly truyền tối đa DSG(max) giữa S và G
và vị trí trạm lặp tương ứng xR_ k(max) được mô tả theo đoạn mã giả dưới đây với các tham số
270
Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 72, Số 3 (04/2021), 264-276
Bảng 2. Tham số trong chương trình findDmaxWithRelay.
Ký hiệu
tham số
Ý nghĩa
xR_ k
dc
xR _ k d , x
Vị trí trạm lặp với k chạy để
c
R(max)
,
x và D
Lần lượt là vị trí ngắn nhất, bước tăng của
x
R và
trong vòng for
DSG
R
SG
DSG,k(max)
DSG(max)
Cự ly truyền tối đa tại vị trí trạm lặp xR_ k
Cự ly truyền lớn nhất trong các DSG,k(max) và vị trí trạm lặp tương ứng xR_ k(max)
PROCEDURE findDmaxWithRelay
Begin
xR = dc; x = 200m
;
D = 200m
;
DSG(x )max =10xR;
R
SG
R
DSG =[]; % ma trận rỗng
for xR_k = dc to xR (max)
DSG,k
=
; % ma trận rỗng
for
D
= dc to D
SG(xR )max
SG(xR _k)_m
SIRboth both
SIRboth both
)
if (SNRS,R qS,R and SNRRG qo and
and
S,R
S,R
R,G
R,G
DSG _ k,m
=
DSG(x
;
R _k)_m
else if
DSG _ k,m
=
0;
endif
DSG,k = DSG,k , DSG,k,m
; % ghép ma trận
endfor
DSG,k(max) = max (DSG_k );
% cự ly lớn nhất với vị trí trạm lặp
x
R _ k
; % ghép ma trận
DSG = DSG , DSG,k(max)
endfor
DSG(max) = max(DSG )
;
end
3.2. Tính vị trí trạm lặp để đảm bảo cự ly truyền nhất định
Để quy hoạch mạng thuận tiện hơn, bài báo xây dựng chương trình findRelayLocation thực
hiện các vị trí đặt trạm lặp với một cự ly truyền xác định DSG, tập kết quả trả về là các vị trí
trạm lặp xR thỏa mãn các điều kiện về SNR và SIR như trong công thức (7) và (9). Thuật toán
như sau:
PROCEDURE findRelayLocation
Begin
x = 200m ; xR (max) = DSG – dc
R
xR = []; % ma trận rỗng
271
Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue 3 (04/2021), 264-276
for xR_k = dc to xR (max)
if (SNRS,R qS,R and SNRRG qo and
xR =[xR , xR_k ];% ghép ma trận
SIRboth both
SIRboth both
)
and
S,R
S,R
R,G
R,G
endif
endfor
End
3.3. Tính cự ly truyền tối đa khi không có trạm lặp
Để so sánh hiệu quả của việc sử dụng trạm lặp trong việc mở rộng phạm vi truyền của
mạng LoRa phần này sẽ tính cự lý truyền tối đa khi không dùng trạm lặp. Cự ly truyền tối đa
khi không có trạm lặp DSG(max) là cự ly lớn nhất mà tại đó thỏa mãn các điều kiện sau:
• Điều kiện đảm bảo SNR ngưỡng:
SNRS,G qS,G
(10)
do S luôn ở vị trí xa nhất của mạng nên qS,G luôn là q12
.
• Điều kiện đảm bảo ngưỡng SIR cho cả nhiễu co-SF và inter-SF:
both
S,G
both
S,G
SIR
(11)
both
S,G
= 12,k ,k 7,...,12
với
Chương trình findDmaxWithoutRelay thực hiện tìm DSG(max) được mô tả theo đoạn mã giả
dưới đây với c là cự lý tối thiểu xét, SG là bước tăng dần DSG khi thỏa mãn các điều kiện về
d
SNR và SIR, cờ flag=0 khi các điều kiện SNR và SIR không còn thỏa mãn và cự ly đã đạt tối
đa.
PROCEDURE findDmaxWithoutRelay
Begin
DSG = dc ; flag =1; SG = 200m
while (flag)
;
SIRboth
both
S,G
if (SNRS,G qS,G and
) then
S,G
DSG = DSG + SG
;
else
DSG (max) = DSG ; flag =0;
end if
end while
End
4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Phần này đưa ra các kết quả mô phỏng tính toán cự ly truyền tối đa và vị trí trạm lặp cho
mạng LoRa với mô hình mạng như hình 1 và kịch bản có trạm lặp và không có trạm lặp thông
qua mô phỏng Monte Carlo. Các thông số mô phỏng được thực hiện với
BW = 250 KHz,
fc =868 MHz, Lpac =10 byte, T = 60s, ED=103 vàCR = 4/ 5.
= 3,
in
kết quả trên ta thấy nếu không xét đến nhiễu SIR mà chỉ xét đến điều kiện SNR thì cự ly tối đa
272
Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 72, Số 3 (04/2021), 264-276
đạt được giữa S và G là 9.8 km. Để xét ảnh hưởng của SIR lên cự ly truyền tối đa, chạy chương
trình findDmaxWithoutRelay đề xuất trong phần 3.3 cho kết quả cự ly truyền tối đa đạt được là
8.2 km. Để minh họa cho kết quả, hình 3(a) trình bày kết quả SIRSG khi cự ly truyền là 8.2 km,
ta nhận thấy SIRSG đảm bảo điều kiện ngưỡng SIR như thể hiện trong ma trận công thức (5).
Với cự ly truyền 8.4 km vượt quá cự ly truyền tối đa đạt được, điều kiện ngưỡng SIR này không
được đảm bảo thể hiện ở vùng (zone) 6 có SIRSG = -10 dB < 1 dB theo giá trị ngưỡng như kết
quả thể hiện trên hình 3 (b).
Nếu xét đến điều kiện SIR thì cự ly tối đa đạt được là 8.2 km, thấp hơn đáng kể so với chỉ
xét chỉ tiêu SNR. Như vậy khi tăng cự ly vượt quá 8.2 km, điều kiện về ngưỡng SIR trong công
both
S,G
both
12,12
SIR
=1dB
trong miền SF12 (nghĩa là
8.4 km sẽ dẫn đến điều kiện về ngưỡng SIR
vùng cự ly 5R/6 → R xa Gateway nhất) không được đảm bảo. Lý do là do suy hao truyền dẫn
tăng khi tăng cự ly truyền dẫn đến công suất tín hiệu nhận được tại G giảm, làm giảm tỷ lệ SIR
như công thức (4).
20
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
2
4
6
8
10
D (km)
Hình 2. SNR giữa S và G theo cự ly truyền.
25
20
15
10
5
30
25
20
15
10
5
0
-5
0
-10
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
Network zone
Network Zone
(a)
(b)
Hình 3. (a) Kết quả SIR tại cự ly truyền tối đa 8.2 km.
(b) Kết quả SIR tại cự ly 8.4km (xa hơn cư ly truyền tối đa).
cả điều kiện và SIR và SNR trông công thức (6) và (9). Theo kết quả cự ly truyền tối đa đạt
được khi không có trạm lặp là 8.2 km thì vị trí của trạm lặp không thể đặt xa hơn 8.2 km. Dó
đó, hình 4 chỉ khảo sát với vị trí trạm lặp nhỏ hơn 8.2km. Thuật toán trong phần 3.1 sẽ tìm tất
cả các cự ly truyền tối đa ứng với các vị trí trạm lặp trong khoảng 8.2 km. Từ kết quả cho thấy
273
Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue 3 (04/2021), 264-276
cự ly tối đa của mạng LoRa đạt 12.72 km tại ví trí trạm lặp xR = 6.6 km. Kết quả này tăng lên
đáng kể so với cự ly 8.2 km không dùng trạm lặp. Tại vị trí xR = 7 km, khi ta khảo sát đến
DSG > 10 km thì điều kiện ngưỡng (cho chặng RG, lúc này có dRG > 3 km) không thỏa
mãn nữa nên cự ly truyền lớn nhất DSG là 10 km. Cần lưu ý rằng tại bất kỳ khoảng cách
nào thì mô hình mạng vẫn tuân theo hình 1, nên các kết quả không chỉ xét đến cự ly mà
còn xét đến vị trí trạm lặp đang thuộc SF nào ứng với cự ly đó như trong bảng 1. Vị trí
của trạm lặp càng gần G thì công suất phát càng thấp và mức ngưỡng qo càng cao. Phân
tích cụ thể hơn kết quả trên Hình 4 ta nhận thấy, khi tăng vị trí đặt trạm lặp quá xa S ( nghĩa là
xR > 6.6 km) thì suy hao truyền dẫn từ S đến R sẽ lớn làm giảm công suất tín hiệu hiệu có ích
dẫn đến ảnh hưởng của co-SF và inter-SF nghiêm trọng hơn nên giảm cự ly truyền tối đa đạt
được, và khi xR > 7.8 km thì điều kiện ngưỡng SIR không còn thỏa mãn.
Để làm rõ ảnh hưởng của nhiễu co-SF và inter-SF, Hình 5 là kết quả cự ly truyền tối đa
nếu chỉ xét điều kiện về SNR như trong công thức (6), nghĩa là không xét đến nhiễu co-SF và
inter-SF. Kết quả cho thấy nhiễu co-SF và inter-SF không gây ảnh hưởng nhiều đến cự ly truyền
tối đa nhưng ảnh hưởng đến vị trí đặt trạm lặp do khi tăng vị trí đặt trạm lặp quá xa S thì suy
hao truyền dẫn từ S đến R lớn làm giảm công suất thu được tại R dẫn đến ảnh hưởng của co-
SF và inter-SF nghiêm trọng hơn. Nếu chỉ xét đến điều kiện ngưỡng SNR, có thể đặt vị trí trạm
lặp lên tới 9.8 km so với 7.8 km khi xét đến ảnh hưởng của cả nhiễu co-SF và inter-SF.
Hình 4. Cự ly truyền dẫn tối đa với các vị trí đặt trạm lặp khác nhau xét cả điều kiện SIR và SNR.
274
Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 72, Số 3 (04/2021), 264-276
Hình 5. Cự ly truyền dẫn tối đa với các vị trí đặt trạm lặp khác nhau chỉ xét điều kiện ngưỡng SNR.
Hình 6. Kết quả SNR với các vị trí đặt trạm lặp khác nhau ở cự ly truyền 10 km.
bảo điều kiện ngưỡng SNR trong (6) thì vị trí trạm lặp có thể đặt trong khoảng từ 5 km đến
9.8km. Tuy nhiên, nếu xét đến điều kiện SIR trong công thức (6) thì vị trí trạm lặp có thể đặt
trong khoảng từ 5 km đến 6.17 km so với S. Tương tự, áp dụng với cự ly truyền 12 km thì vị
trí trạm lặp có thể đặt ở vị trí từ 6 km đến 8 km so với S.
5. KẾT LUẬN
Bài báo đã sử dụng cấu hình mạng LoRa gồm 6 vùng SFk và mô hình kênh truyền Rayleigh
để phân tích tín hiệu cũng như tính toán các chỉ số chất lượng hệ thống gồm SNR, SIR. Căn cứ
vào các điều kiện ngưỡng SNR và SIR của mạng LoRa xét trong cùng một vùng SF (co-SF) và
giữa các vùng SF (inter-SF), cự ly truyền dẫn tối đa và vị trí trạm lặp được tính toán. Các kết
quả cho thấy việc đặt thêm trạm lặp ở vị trí phù hợp có thể mở rộng phạm vi truyền của mạng
LoRa. Các kết quả và thuật toán đề xuất trong bài báo có thể áp dụng trong quá trình quy hoạch
và thiết kế mạng LoRa ban đầu trước khi triển khai thực tế.
LỜI CẢM ƠN
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường đại học Giao thông vận tải trong đề tài mã số
T2020-DT-004.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Công ty cổ phần thiết bị quan trắc địa kỹ thuật và môi trường
Việt Nam đã hỗ trợ trong quá trình thực hiện nghiên cứu thực nghiệm.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. A. Mahmood et al., Scalability Analysis of a LoRa Network Under Imperfect Orthogonality, IEEE
Transactions on Industrial Informatics, 15 (2019) 1425-1436. https://doi.org/10.1109/TII.2018.2864681
[2]. R. El Chall, S. Lahoud, M. El Helou, LoRaWAN Network: Radio Propagation Models and
Performance Evaluation in Various Environments in Lebanon, IEEE Internet of Things Journal, 6
(2019) 2366-2378. https://doi.org/10.1109/JIOT.2019.2906838
275
Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue 3 (04/2021), 264-276
[4]. D. Bankov, E. Khorov, A. Lyakhov, Mathematical model of LoRaWAN channel access with capture
effect, 2017 IEEE 28th Annual International Symposium on Personal, Indoor, and Mobile Radio
[5]. D. Croce et al., Impact of LoRa Imperfect Orthogonality: Analysis of Link-Level Performance,
IEEE Communications Letters, 22 (2018) 796-799. https://doi.org/10.1109/LCOMM.2018.2797057
[6]. Lain-Chyr Hwang et al., A bridge between the smart grid and the Internet of Things: Theoretical
and practical roles of LoRa, International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 113 (2019)
[7]. H. Lee, K. Ke, Monitoring of Large-Area IoT Sensors Using a LoRa Wireless Mesh Network
System: Design and Evaluation, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 67 (2018)
2177-2187. https://doi.org/10.1109/TIM.2018.2814082
[8]. J. Petajajarvi et al., On the coverage of LPWANs: range evaluation and channel attenuation model
for LoRa technology, 14th International Conference on ITS Telecommunications (ITST), 2015, pp. 55-
[9]. P. A. Campos et al., Evaluation of LoRaWAN Transmission Range for Wireless Sensor Networks
in Riparian Forests, 22nd International ACM Conference on Modeling, 2019, pp. 199-206.
[10]. T. H. Nguyen et al., Performance Analysis and Optimization of the Coverage Probability in Dual
Hop LoRa Networks With Different Fading Channels, IEEE Access, 8 (2020) 107087-107102.
[11]. L. Parri et al., Offshore LoRaWAN Networking: Transmission Performances Analysis Under
Different Environmental Conditions, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. Early
Access, 2020, pp. 1-1. https://doi.org/10.1109/TIM.2020.3031193
[12]. A. Hoeller et al., Analysis and Performance Optimization of LoRa Networks With Time and
Antenna
Diversity,
IEEE
Access,
6
(2018)
32820-32829.
276
13 trang
16280
Free
Bạn đang xem tài liệu "Estimation of transmission range of a dual - hop lora network under interference effects", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- estimation_of_transmission_range_of_a_dual_hop_lora_network.pdf
