HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG

Edge computing Lab

BÁO CÁO
Công nghệ LoraWan


MỤC LỤC
PHẦN 1. GIỚI THIỆU

4

1.1

Các ứng dụng và dịch vụ thông minh

5

1.2

Các yếu tố quan trọng nhất trong LPWAN

6

PHẦN 2. KIẾN TRÚC HỆ THỐNG LORAWAN

7

2.1

Kiến trúc

7

2.2

Mơ hình lớp mạng LoraWan

8

2.3

Lớp liên kết LoRaWAN

10

2.4

Chia tỷ lệ mạng LoRaWAN

13

2.4.1

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

rộng trong một phổ khơng được cấp phép

13


2.4.2

14

2.5

Vai trị của tốc độ dữ liệu thích ứng

Khả năng mở rộng và dung lượng mạng LoRaWAN

PHẦN 3. CÁC THÀNH PHẦN QUẢN LÝ VÀ BẢO MẬT

15
16

3.1

Các thành phần quản lý

16

3.2

Bảo mật

17


Giáo viên hướng dẫn cơ: Phạm Anh Thư


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Ứng dụng của LoraWan

5

Hình 2-1 Kiến trúc hỗn hợp IoT được đề xuất

8

Hình 2-2 Mơ hình bốn lớp IoT

9

Hình 2-3 Mạng LoraWan

10

Hình 2-4 Tốc độ dữ liệu

11

Hình 2-5 Các lớp giao tiếp ALOHA

12

Hình 2-6 Hành vi Mesh so với LoraWan với mức độ tiếng ơng tăng lên

15


Hình 3-1 Tổ chức thành phần trong hệ thống máy chủ LoraWan

16

Hình 3-2 Xác thực lẫn nhau và mã hóa đầu cuối được cung cấp bởi bảo mật LoraWan
17

1


Giáo viên hướng dẫn cô: Phạm Anh Thư

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
IoT

Internet of Things

LPWAN

Low Power Wide Area Network

LoRa

Long Range

Tầm xa

NB

Narrowband


Băng hẹp

M2M

machine-to-machine

Máy với máy

RF

Radio Frequency

FSK

Frequency Shift Keying

Tần số tín hiệu

AI

artificial intelligence

Trí tuệ nhân tạo

IP

Internet Protocol

Giao thực internet


LTE

long-term evolution

Sự tiến hóa dài hạn

QoS

quality of service

Chất lượng dịch vụ

MAC

Media access control

OSI

open system interconnection

hệ thống mở kết nối

NS

network server

Máy chủ mạng

ADR


adaptive data rate

Tốc dộ dữ liệu thích ứng

LBT

listen before talk

Nghe trước khi phát

CTR

counter-mode encryption

mã hóa chế độ ngược

cipher-based message

mã xác thực tin nhắn dựa

authentication code

trên mật mã

CMAC

Kết nối vạn vật
Mạng diện rộng cơng suất
thấp


sóng siêu âm vơ tuyến
điện

Kiểm sốt truy cập
phương tiện

2


Giáo viên hướng dẫn cơ: Phạm Anh Thư

LỜI NĨI ĐẦU
Với tốc độ phát triển nhanh chóng của mơ 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 cơng nghệ LPWAN, có hai loại: Long Range (LoRa)
và Narrowband (NB-IoT). LoRa được hiểu như là một mạng tầm xa; nó cũng cho phép
truyền thơng tin với tốc độ truyền tải thấp và tiêu thụ điện năng thấp. Ngồi ra, mạng
khu vực khơng 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, e-Learning, Thành phố thơng minh, Chăm sóc sức khỏe
và bảo vệ mơi 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 cơng 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, Thơng lượng và Bảo mật. Chúng ta có thể coi LoRaWAN là

một cuộc cách mạng được tạo ra cho thế giới IoTs.

3


Giáo viên hướng dẫn cô: Phạm Anh Thư

PHẦN 1.

GIỚI THIỆU

Với sự xuất hiện của Internet vạn vật (IoT) và truyền thơng 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 được
kết nối này bao gồm ô tô được kết nối, máy móc, đồng hồ đo, cảm biến, thiết bị đầu
cuối tại điểm bán hàng, sản phẩm điện tử tiêu dùng, thiết bị đeo được, và những người
khác. Trong tương lai số lượng thiết bị IoT được kết nối sẽ có thể tăng lên 125 tỷ vào
năm 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 định
lại các cách thiết kế, quản lý và duy trì mạng, dữ liệu, đám mây và kết nối. Với những
phát triển được mong đợi cao trong các lĩnh vực trí tuệ nhân tạo, học máy, phân tích dữ
liệu và cơng nghệ blockchain, có tiềm năng to lớn để phát triển theo cấp số nhân việc
triển khai và các ứng dụng của nó trong hầu hết các lĩnh vực xã hội, nghề nghiệp và
cơng nghiệp. Q trình phát triển như vậy cho phép bất kỳ thứ gì như cảm biến, xe cộ,
rơ 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 thích
hợp. Nói chung, các ứng dụng IoT yêu cầu các nút tiết kiệm năng lượng và độ phức
tạp 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 nhân
không dây tốc độ thấp (LR-WPAN) và các công nghệ khác đang được sử dụng để phát
hiện các ứng dụng trong môi trường tầm ngắn. Ngược lại, các công nghệ di động
không 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 khi
ZigBee và LR-WPAN được thiết kế cho các ứng dụng cảm biến không dây trong môi
trường cục bộ và được sử dụng cho các ứng dụng tốc độ dữ liệu thấp cho khoảng cách
giao tiếp từ vài mét đến vài trăm mét, tùy thuộc vào đường ngắm, chướng ngại vật trên
đường đi, nhiễu, công suất truyền, v.v. Các mạng di động không dây như 2G, 3G và
4G được thiết kế cho giao tiếp thoại và dữ liệu, không chủ yếu cho các ứng dụng cảm
4


Giáo viên hướng dẫn cô: Phạm Anh Thư

biến không dây. Mặc dù các công nghệ này được sử dụng để cảm biến theo một hoặc
các cách khác trong một số ứng dụng, nhưng hiệu suất của chúng về số liệu hiệu suất
được sử dụng trong mạng cảm biến không dây có thể khơng được chấp nhận. Do đó,
để hỗ trợ các u cầu như vậy, một mơ hình mới của IoT, được gọi là mạng rộng rãi
năng lượng thấp (LPWAN) đã được phát triển. LPWAN là một lớp các giải pháp và
tiêu 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 một
loạt 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 trong
lĩnh vực điện tử thu nhỏ, cơng nghệ truyền thơng, máy tính, cảm biến, chuyền động và

pin, có thể thiết kế các công nghệ mạng tầm xa, tiêu thụ điện năng thấp với tuổi thọ pin
lâu năm và phạm vi phủ sóng hàng chục km. Các cơng nghệ này phải tương thích với
Internet để có thể thực hiện quản lý dữ liệu, thiết bị và mạng thông qua các nền tảng
dựa trên đám mây. Các yêu cầu quan trọng nhất của thiết bị IoT / M2M không dây là
tiêu 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 cả
hai, ứng dụng và cấp độ mạng . Các cơng nghệ LPWAN đầy hứa hẹn và có thể được
triển khai cho một loạt các ứng dụng thông minh , bao gồm giám sát môi trường, thành
phố thông minh, tiện ích thơng minh, nơng nghiệp, chăm sóc sức khỏe, tự động hóa
cơng nghiệp, theo dõi tài sản, hậu cần và vận tải.

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

5


Giáo viên hướng dẫn cô: Phạm Anh Thư

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 thông
không dây LPWAN phi di động (non-cellular), hoạt động trong phổ tần số khơng có
giấy phép. Các cơng nghệ khác hoạt động trong các dải tần số khơng có giấy phép bao

gồm 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 kết
truyền thông tầm xa. Nhiều hệ thống không dây cũ sử dụng điều chế số theo tần số tín
hiệu (FSK) như là lớp vật lý vì nó là một q trình điều chế rất hiệu quả để đạt được
công suất thấp.
Lora sử dụng kỹ thuật điều chế gọi là Chirp Spread Spectrum, và Lora vẫn duy
trì được các đặc tính cơng suất thấp giống như điều chế FSK ngồi ra cịn tăng đáng kể
phạm 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 khả
năng can thiệp mạnh mẽ, và LoRa cũng là ứng dụng với mức chi phí thấp đầu tiên
được 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 tồn bộ thành phố hoặc hàng trăm km
vuông. 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 công
nghệ 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.

6


Giáo viên hướng dẫn cô: Phạm Anh Thư

LoRaWAN được định nghĩa là một kiến trúc hệ thống và giao thức truyền thơng
trong mạng, trong khi đó LoRa là lớp vật lý (physical layer) cho phép thiết lập các kết
nối truyền thơng tầm xa. Giao thức và kiến trúc mạng có ảnh hưởng lớn nhất đến việc
xác định thời lượng pin của một nút, dung lượng mạng, chất lượng dịch vụ, bảo mật và
nhiều 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 nối
Lora.
● Lora Gateways: Do các thiết bị Lora khơng có kết nối Internet nên các
gateway sẽ làm nhiệm vụ là trung gian tiếp nhận các dữ liệu gửi đến từ các Lora
Sensors 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 (local
server).
● 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 vực
phủ sóng của chúng. Các cơ sở hoặc trạm truy cập tương ứng được triển khai phù hợp
với khu vực phủ sóng của họ. Cổng hoặc nút LPWAN có thể truyền dữ liệu lưu lượng
người 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 chức
năng 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 phức
tạp đòi hỏi các công nghệ LPWAN khác nhau. Mỗi công nghệ LPWAN thu thập dữ
liệu 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 vực
phủ sóng của họ. Cổng hoặc nút LPWAN có thể truyền dữ liệu lưu lượng người dùng
đến công việc mạng cốt lõi và đám mây. Trong kiến trúc hỗn hợp như vậy, máy chủ
7



Giáo viên hướng dẫn cô: Phạm Anh Thư

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 cho
các thiết bị được kết nối với mạng của họ.

Hình STYLEREF 1 \s 2 SEQ Hình \* ARABIC \s 1 1
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 cận
này 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 xác
định. LPWANs nhận thức hỗ trợ cùng tồn tại và làm việc xen kẽ với nhiều công nghệ
LPWA khác nhau và cung cấp cho người dùng các dịch vụ thông minh hiệu quả và
thuận 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 Mơ hình lớp mạng LoraWan
Giống như chồng giao thức điều khiển truyền / giao thức IP, lớp dưới cùng gọi là
lớp nhận dạng và cảm biến, là lớp vật lý chịu trách nhiệm chính trong việc tích hợp
phần cứng như cảm biến, đối tượng, thiết bị truyền động, v.v.(Lớp này được gọi là lớp
nhận thức IoT) . Các thiết bị IoT bao gồm các nút cảm biến từ xa, thiết bị thu thập
thông tin, đồng hồ thông minh, thiết bị thông minh và thiết bị điện tử thông minh. Lớp
này thu thập thông tin từ các thiết bị IoT và truyền dữ liệu thu thập được đến một lớp
8


Giáo viên hướng dẫn cô: Phạm Anh Thư


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

Hình STYLEREF 1 \s 2 SEQ Hình \* ARABIC \s 1 2 Mơ hình bốn lớp IoT
Tuy nhiên, bất cứ khi nào dữ liệu được gửi đến một máy chủ trên đám mây, lớp
mạng có khả năng định tuyến các gói tin trên Internet được yêu cầu dựa trên IP. Đối
với công nghệ LPWAN, MAC / LLC của gener-ally được xác định cho các mạng đơn
bước dựa trên cấu trúc liên kết hình sao. Đối với giao tiếp trên Internet, có rất nhiều
cách triển khai. Một số hệ thống có thể sử dụng tất cả các lớp của mơ hình tham chiếu
kết nối hệ thống mở (OSI) của mơ hình hệ thống— giao vận, phiên, trình diễn và ứng
dụng trong khi những hệ thống khác có thể sử dụng các lớp được chọn, chẳng hạn như
truyền dẫn và ứng dụng.
Đối với các ứng dụng IoT, lớp mạng có thể có dây hoặc khơng dây. Tùy thuộc
vào loại thiết bị IoT mà sử dụng mạng truyền thơng thích hợp. Ví dụ, ZigBee được sử
dụng bởi các nút cảm biến để truyền dữ liệu thu thập được không dây trong khoảng
cách rất ngắn. Lớp mạng truyền thông từ xa cũng có thể có dây hoặc khơng dây. Đối
9


Giáo viên hướng dẫn cô: Phạm Anh Thư

với các đầu nối có dây, có thể sử dụng mạng quang. Đối với kết nối khơng dây, việc sử
dụng 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 lý

thông tin hoặc dịch vụ. Nó chịu trách nhiệm quản lý các dịch vụ theo nhu cầu của
khách hàng. Các trách nhiệm chính bao gồm phân tích thơng tin, kiểm sốt an ninh,
mơ hình hóa quy trình và kiểm sốt thiết bị.
Lớp ứng dụng có các ứng dụng tích hợp và cung cấp các phương thức tương tác
cho người dùng và ứng dụng. Trong một số trường hợp, các lớp con hỗ trợ được thêm
vào 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 máy
chủ.
2.3 Lớp liên kết LoRaWAN
Mạng LoRaWAN được bố trí theo cấu trúc liên kết hình sao, trong đó các cổng
chuyển 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 chủ
ứng dụng được liên kết và ngược lại. Giao tiếp nói chung là hai chiều, mặc dù giao
tiếp đường lên từ thiết bị đến mạng và máy chủ ứng dụng được mong đợi là lưu lượng
chủ yếu. Hơn nữa, các liên kết lên có thể được nhận bởi nhiều cổng, tức là khơng có sự
liên 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 bước
hoặc khóa dịch tần (FSK), trong khi truyền dẫn LoRa được phân phối trên các kênh
10


Giáo viên hướng dẫn cô: Phạm Anh Thư

tần số và tốc độ dữ liệu khác nhau. Việc chọn tốc độ dữ liệu, trong khoảng từ 0,3 đến
50 kbps, là sự cân bằng giữa phạm vi truyền thông và thời lượng truyền gói. Tốc độ dữ
liệu thấp hơn có phạm vi dài hơn nhưng tiêu thụ nhiều thời gian phát sóng hơn. Các
liên lạc với tốc độ dữ liệu khác nhau khơng gây nhiễu lẫn nhau. Để tối đa hóa cả tuổi
thọ pin của các thiết bị và dung lượng mạng tổng thể, cơ sở hạ tầng mạng LoRaWAN

có thể quản lý tốc độ dữ liệu và công suất đầu ra tần số vô tuyến (RF) cho từng thiết bị
riêng lẻ bằng sơ đồ tốc độ dữ liệu thích ứng (ADR) như được minh họa trong Hình 24. Tùy thuộc vào phân phối cổng, ADR cũng có thể cho phép mạng ảnh hưởng đến số
lượng cổng nhận liên kết lên từ một thiết bị và do đó mức độ kết nối của nó (nhận dự
phịng).
Chu kỳ nhiệm vụ truyền tối đa và thời gian dừng trên mỗi băng con được xác
định theo khu vực cụ thể và được xác định trong thông số kỹ thuật Tham số khu vực
LoRaWAN cùng với các yêu cầu quy định khác như lắng nghe trước khi nói chuyện
(LBT) nếu có.
Để truyền vơ tuyến an tồn, giao thức LoRaWAN dựa trên mật mã đối xứng bằng
cách sử dụng khóa phiên được lấy từ khóa gốc của thiết bị cụ thể. Trong phần phụ trợ,
khóa gốc của thiết bị và các hoạt động dẫn xuất khóa liên quan được máy chủ tham gia
(JS) lưu trữ trong quy trình kích hoạt qua mạng. Ngồi ra, các khóa phiên dành riêng
cho thiết bị có thể được sử dụng trực tiếp vào thiết bị, được gọi là kích hoạt bằng cách
cá nhân hóa.

11

Hình STYLEREF 1 \s 2 SEQ Hình \* ARABIC \s 1 4 Tốc độ dữ liệu


Giáo viên hướng dẫn cô: Phạm Anh Thư

Thiết bị End-Devices phục vụ các ứng dụng khác nhau và có các yêu cầu khác nhau.
Để tối ưu hóa nhiều loại cấu hình của thiết bị end-node, LoRaWAN ™ sử dụng các lớp
thiết bị khác nhau. Các lớp thiết bị đánh đổi tốc độ xử lý downlink của mạng so với
thời lượng pin. Trong ứng dụng kiểu điều khiển hoặc cơ cấu chấp hành, tốc độ xử lý
downlink là một yếu tố quan trọng.
Các thiết bị LoRaWAN thường tuân theo kiểu giao tiếp kiểu ALOHA, trong đó
các thiết bị có thể hoạt động ở một trong ba lớp sau như được thể hiện trong Hình 2-5.
Cảm biến pin-powered

Tuổi thọ Pin

Bộ truyền động chạy bằng pin
Bộ truyền động được cung cấp năng
lượng chính

Độ trễ truyền thơng mạng downlink

Hình STYLEREF 1 \s 2 SEQ Hình \* ARABIC \s 1 5 Các lớp giao tiếp ALOHA
Lớp A: Truyền nhận dữ liệu hai hướng: Các thiết bị thuộc Loại A cho phép truyền
nhận theo hai hướng, theo đó mỗi lần truyền uplink của các end-device sẽ được theo
sau bởi hai đường nhận downlink. Tiến trình truyền nhận được thiết lập bởi end12


Giáo viên hướng dẫn cô: Phạm Anh Thư

devices dựa trên nhu cầu giao tiếp của riêng nó thơng qua sự biến thiên thời gian (dựa
trên cấu trúc giao thức ALOHA). Lớp A hoạt động với các hệ thống end-device tiêu
thụ công suất thấp, phù hợp cho các ứng dụng chỉ yêu cầu giao tiếp downlink từ server
sau khi end-device đã thiết lập đường truyền uplink. Giao tiếp downlink từ máy chủ
vào bất kỳ thời điểm nào khác sẽ phải đợi cho đến khi uplink theo lịch trình tiếp theo.
Lớp B: End-devices truyền nhận dữ liệu theo 2 hướng với việc tiếp nhận (receive
slots) được thiết lập theo lịch trình. End-devices theo lớp B sẽ mở cửa sổ nhận theo
thời gian đã được thiết lập, nó sẽ nhận được một tín hiệu báo đồng bộ từ Gateway.
Điều này cho phép Server biết được khi nào end-device đang lắng nghe.
Lớp C: End-devices truyền nhận dữ liệu theo 2 hướng với tiến trình “nhận” (receive
slots) tối đa, mang lại độ trễ nhỏ nhất. End-devices thuộc Class C sẽ liên tục mở luồng
nhận và chỉ đóng khi thực hiện việc truyền dữ liệu.
*Lưu ý rằng các thiết bị có thể chuyển từ chế độ hoạt động Loại A sang Loại B và
ngược lại nếu cần.

2.4 Chia tỷ lệ mạng LoRaWAN
Các thiết bị IoT được dự đoán sẽ nhiều hơn các thiết bị lấy con người làm trung
tâm như điện thoại di động từ 10 đến 100 lần vào năm 2025. Để đáp ứng xu hướng
này, năng lực và quy mô của các triển khai LoRaWAN đã là một chủ đề điều tra cả
trong giới học thuật và công nghiệp. Để cung cấp nhận thức định lượng về hoạt động
của mạng LoRaWAN khi quy mô sử dụng mạng và mạng được tăng cường.
2.4.1 Cấu trúc liên kết sao LoRaWAN với đa dạng nhận là chìa khóa để mở rộng
trong một phổ khơng được cấp phép
Việc triển khai LoRaWAN sử dụng cấu trúc liên kết hình sao với hệ số tái sử
dụng tần số là 1. Điều này giúp đơn giản hóa việc triển khai mạng và mật độ liên tục vì
khơng cần lập kế hoạch mẫu tần số hoặc cấu trúc lại khi nhiều cổng được thêm vào cơ
sở hạ tầng. Nó cũng tạo điều kiện cho sự hợp tác liền mạch giữa các mạng công cộng
và riêng tư.
So với các công nghệ lưới, cơ sở hạ tầng single-hop-to-network giảm thiểu tiêu
thụ điện năng vì các nút không phải chuyển tiếp thông tin liên lạc từ các nút khác. Một
ưu điểm khác là có thể triển khai mạng ban đầu ở chế độ thưa thớt với mật độ nút thấp,
so với mạng lưới yêu cầu mật độ nút tối thiểu.
13


Giáo viên hướng dẫn cơ: Phạm Anh Thư

Tuy nhiên, tính năng thiết kế quan trọng nhất của LoRaWAN là tính đa dạng
nhận của nó. Khi việc sử dụng phổ khơng được cấp phép ngày càng tăng, tiếng ồn vô
tuyến nền được gọi là "tầng nhiễu" ngày càng gia tăng. Một số chun gia dự đốn
rằng các mạng khơng được cấp phép chắc chắn sẽ phải đối mặt với tình trạng mất gói
ngày càng tăng và do đó khơng thể đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) trong dài hạn.
Nhưng trên thực tế điều này không phải là không thể tránh khỏi. Mạng LoRaWAN có
thể thích ứng với tiếng ồn bằng cách tận dụng nhiều cổng tiếp nhận hoạt động đồng
thời cho mỗi thiết bị đầu cuối. Mạng LoRaWAN thông báo đường lên có thể được

nhận bởi bất kỳ cổng nào (phân tập macro RX). Phân tập vĩ mô đường lên như vậy cải
thiện đáng kể dung lượng mạng và QoS vì rất ít khả năng xảy ra nhiễu triệt tiêu đồng
thời ở tất cả các anten. Kết quả là, các mạng LoRaWAN được kỳ vọng sẽ đối phó với
sự gia tăng nhiễu tốt hơn nhiều so với các mạng lưới trước đó, trong đó mỗi nút chỉ
được quản lý bởi một bộ thu next-hop tại một thời điểm và ngược lại, bị suy giảm
nghiêm trọng do tích lũy ảnh hưởng của việc tăng mất gói ở mỗi bước nhảy, như trong
Hình 2-6.
2.4.2 Vai trị của tốc độ dữ liệu thích ứng
LoRaWAN cũng hỗ trợ ADR, cho phép NS thay đổi động các thông số của thiết
bị đầu cuối như công suất phát, danh sách tần số, hệ số trải rộng và tốc độ lặp lại
đường lên. Điều chỉnh cẩn thận công suất truyền là cần thiết không chỉ để đảm bảo
rằng các thiết bị sẽ sử dụng công suất thấp nhất cần thiết để giao tiếp với cổng vào, mà
còn để giảm thiểu nhiễu không cần thiết cho các ô vơ tuyến lân cận, và do đó ngăn các
thiết bị gần nhất có ảnh hưởng đến các thiết bị nằm ở rìa ơ. Đây được gọi là hiệu ứng
xa gần.
Hệ số trải rộng xác định mối quan hệ giữa tốc độ ký hiệu và tốc độ chip. Hệ số
lan truyền cao hơn làm tăng độ nhạy và phạm vi, nhưng cũng kéo dài thời gian phát
sóng của gói tin và có thể sẽ làm tăng nguy cơ va chạm. LoRaWAN sử dụng sáu hệ số
trải rộng trực giao khác nhau được đánh số 7-12.
Để giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng của thiết bị và thời gian phát sóng, NS sẽ
cố gắng tối đa hóa tốc độ dữ liệu cho một ngân sách liên kết nhất định giữa thiết bị và
ăng-ten tốt nhất, trong khi vẫn duy trì mức độ đa dạng vĩ mô tối thiểu, chẳng hạn khi
14


Giáo viên hướng dẫn cô: Phạm Anh Thư

mạng cũng cung cấp dịch vụ định vị địa lý. Việc truyền bản tin nhất định có thể được
lặp lại trong khi thay đổi kênh (tần số sóng mang) tại mỗi lần truyền để cung cấp phân
tập tần số. Việc lặp lại như vậy khơng chỉ kéo dài thời gian phát sóng mà còn làm cho

việc tiếp nhận mạnh mẽ hơn nhiều khi có các trở ngại như nhiễu kênh và va chạm.
Việc tìm ra sự kết hợp tốt nhất giữa lặp lại, tốc độ dữ liệu và công suất truyền là một
quá trình tối ưu hóa phức tạp, là động lực chính của chúng tơi để xây dựng các mơ

hình
mơSTYLEREF
phỏng.
Hình
1 \s 2 SEQ Hình \* ARABIC \s 1 6 Hành vi Mesh so với LoraWan với
2.5 Khả năng mở rộng và dung lượng mạng LoRaWAN
Nó có hiệu lực đối với các triển khai mà trạm gốc được lắp đặt tại các vị trí cao ngồi
trời so với chiều cao của các tịa nhà xung quanh. Các thiết bị được giả định có ăng-ten
0 dBi, đặc trưng cho các thiết bị nhỏ. Mô phỏng của chúng tơi sử dụng 16 kênh và tarcó tỷ lệ lỗi gói là 10%.
Nó cho thấy cơng ty có thể mở rộng quy mơ dễ dàng theo mật độ của các cổng mạng.
Những kết quả này cho thấy rằng tương lai của mạng LoRaWAN, đặc biệt là ở môi
trường đô thị, nơi mức ồn dự kiến sẽ tăng lên do lưu lượng truy cập tăng lên, sẽ hướng
tới các mạng vi tế bào, chẳng hạn, với các bộ thu được tích hợp trong modem ba phát.
Đa dạng vĩ mô không chỉ cung cấp công suất cao hơn, mà cịn có khả năng phục hồi
cao hơn đối với sự khác biệt và tiêu thụ điện năng thấp hơn cho các thiết bị cuối.

15


Giáo viên hướng dẫn cô: Phạm Anh Thư

LoRaWAN cung cấp giải pháp kết nối ngang để giải quyết nhu cầu rộng rãi của các
ứng dụng IoT cho việc triển khai LPWAN. Tuy nhiên, những lợi ích này chỉ có thể
thực hiện được với các thuật tốn NS thơng minh độc quyền của các nhà cung cấp giải
pháp mạng..


PHẦN 3.

CÁC THÀNH PHẦN QUẢN LÝ VÀ BẢO MẬT

3.1 Các thành phần quản lý
System

Organization

Service profile

Device profile

Gateway

App
licat
ion
adm
in

Application

Org
aniz
atio
n
adm
in


Syst
em
adm
in

Device
Hình STYLEREF 1 \s 3 SEQ Hình \* ARABIC \s 1 1 Tổ chức thành phần trong hệ

- Organization đại diện cho một tổ chức, đại lý doanh nghiệp khi tham gia hệ thống và
theo sau đó là 3 thành phần:
+ Service profile là quy định dàng buộc giữa organization đối với hệ thống, có nghĩa là
nó quy định những tài nguyên nào, những tần số nào mà oeganization sử dụng đối với
hệ thống này.

16


Giáo viên hướng dẫn cô: Phạm Anh Thư

+ Device profile quy định các cấu hình cho cái thiết bị để kết nối với hệ thống, ví dụ
có 10 cái cảm biến giống hệt nhau thì ta chỉ cần cấu hình 1 cái và khơng cần cấu hình
lại nhiều lần.
+ Gateway trung gian tiếp nhận các dữ liệu gửi đến từ các Lora Sensors.
+ Application là tập hợp các thiết bị mà chúng sử dụng chung 1 đích.
+ Device là đại diện cho các Lora Sensors.
Khi người dùng tham gia hệ thống này các người dùng đó sẽ được phân chia ra làm 3
thành phần khác nhau:
● Người dùng loại 1 là có thể cấu hình đối với tồn bộ hệ thống (system admin)
● Người dùng loại 2 là chỉ có thể cấu hình mà đang sử dụng của tổ chức đó
(organization adim)

● Người dùng thứ 3 có quyền quản trị application được chỉ định (application
admin)
3.2 Bảo mật
Bảo mật là yêu cầu cơ bản của tất cả các ứng dụng IoT và vì thế đã được thiết kế thành
LoRaWAN,phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế chung của LoRaWAN : Công suất thấp,chi
phí thấp,khả năng mở rộng cao,độ phức tạp triển khai thấp.Tuy nhiên,Thiết kế bảo mật
của LoRaWan phải tuân thủ các nguyên tắc thiết kế bảo mật .Đó là,nó được sử dụng
tiêu chuẩn, các thuật toán được kiểm tra kỹ lưỡng và bảo mật đầu cuối (end-toend ).Hơn nữa,khi các thiết bị được triển khai trong thời gian dài-hay một vài nămtính bảo mật sẽ được chứng minh và làm rõ .Các tính chất cơ bản hỗ trợ bởi bảo mật
LoRaWan là xác thực lẫn nhau,bảo mật tồn vẹn,bảo mật thơng tin.

17


Giáo viên hướng dẫn cô: Phạm Anh Thư

Thiết bị

The Application Server có
The Network server có thể xác thực các frame,nhưng
thể giải mã dữ liệu
không giải mã được dữ liệu

Dữ liệu mã hóa bằng
AppNwkey

Xác thực bằng Nwkey

Hình 3-2 Xác thực lẫn nhau và mã hóa đầu cuối được cung cấp bởi bảo mật LoraWan
Xác thực lẫn nhau được thiết lập giữa thiết bị LoRaWAN và mạng LoRaWAN như một
bước của quy trình truy cập mạng.Điều này đảm bảo rằng chỉ các thiết bị chính hãng

và được cấp quyền xác thực mới có thể truy cập vào mạng. LoRaWAN MAC và các
gói ứng dụng được xác thực nguồn gốc, bảo vệ toàn vẹn, bảo vệ (replay-protected) và
được mã hóa. Sự bảo vệ này, kết hợp với xác thực lẫn nhau, đảm bảo rằng lưu lượng
truy cập mạng không bị thay đổi, bắt nguồn từ một thiết bị hợp lệ,thơng tin được bảo
mật.Ngồi ra bảo mật LoRaWan khi triển khai đầu cuối còn mã hóa cho dữ liệu ứng
dụng trao đổi giữa thiết bị và máy chủ. Trên thực tế, LoRaWAN là một trong số rất ít
mạng IoT thực hiện mã hóa đầu cuối.Trong một số mạng di động, lưu lượng truy cập
được mã hóa qua Giao diện vơ tuyến,nhưng nó được truyền đi đến mạng lõi của nhà
cung cấp dưới dạng văn bản được mã hóa.Dẫn đến, người dùng phải lựa chọn, triển
khai, và quản lý một lớp bảo mật, thường được thực hiện bởi một số loại VPN hoặc
bảo mật mã hóa lớp ứng dụng như TLS.
Cách tiếp cận như vậy không phù hợp trong LPWAN, nơi các lớp bảo mật trên cùng
làm tăng mức tiêu thụ điện năng đáng kể, phức tạp và tốn kém. Các cơ chế bảo mật
được đề cập ở trên dựa trên các thuật toán mật mã AES đã được thử nghiệm và tiêu
chuẩn hóa tốt.Các thuật tốn này đã được phân tích bởi tổ chức mật mã trong nhiều
năm, được NIST phê duyệt và được áp dụng rộng rãi như các phương pháp bảo mật tốt
nhất cho các nút và mạng bị hạn chế.Đặc biệt, bảo mật LoRaWAN sử dụng nguyên
bản mật mã AES kết hợp với một số chế độ hoạt động: mã xác thực thông điệp dựa
18


Giáo viên hướng dẫn cô: Phạm Anh Thư

trên mật mã (CMAC) để bảo vệ tồn vẹn và mã hóa chế độ phản cơng (CTR).Nói cách
khác, tất cả lưu lượng LoRaWAN được bảo vệ bằng cách sử dụng hai lớp phiên. Mỗi
dữ liệu được mã hóa bởi AES-CTR và mang một bộ đếm khung để tránh phát lại gói
tin và mã tồn vẹn thơng báo được tính bằng AES-CMAC để tránh gói tin giả
mạo.Mỗi thiết bị LoRaWAN được cá nhân hóa với một lớp AES 128 bit duy nhất được
gọi là AppKey và một số nhận dạng duy nhất trên toàn cầu (DevEUI dựa trên EUI-64),
cả hai đều được sử dụng trong quá trình xác thực thiết bị.Việc phân bổ số nhận dạng

EUI-64 yêu cầu người chuyển nhượng phải có số nhận dạng duy nhất về mặt tổ chức
do Cơ quan đăng ký IEEE cấp. Tương tự, các mạng LoRaWAN được xác định bằng
mã định danh duy nhất toàn cầu 24 bit do Liên minh LoRa chỉ định.

19