臺灣博碩士論文加值系統

現今的低功耗廣域網路(Low-Power Wide-Area Network, LPWAN)技術為了使裝置有更長的壽命，犧牲速度來換取更好的功耗，導致在下行鏈路(Downlink)時產生許多問題，例如裝置為了要省電通常會進入睡眠模式(Sleep Mode)，這造成無法即時的接收下行鏈路封包，而要離開睡眠模式來進行接收的喚醒(Wake Up)時機又是另一個問題。在應用方面，當要對終端裝置進行資料量較大的下行鏈路傳輸時，例如電子紙(e-Paper)更新畫面的圖片，或是為了要延長裝置產品壽命，所進行裝置的韌體更新(Device Firmware Upgrade, DFU)…等，這些應用在LPWAN技術的低速率限制下，又會因速度的不足延伸出其它的問題。

因此本研究對目前於LPWAN中廣泛被使用的LoRaWAN技術進行研究，針對在資料量較大的下行鏈路傳輸問題，並提出一套系統來改善。最後以實作電子紙應用驗證系統的可行性。本系統在標準LoRaWAN協議上以單播或群播(Unicast or Multicast)方式對終端裝置進行下行鏈路傳輸，並提供一系列的封包交換機制來確實下行鏈路傳輸資料。實驗結果分別透過單播以及群播下行鏈路的方式，完成電子紙畫面更新來驗證系統，其中對於封包的改進皆建立於應用層(Application layer)，可藉此達到相容所有市面上LoRaWAN模組。

In nowadays, low-power wide-area network (LPWAN) technology in order to make the device have a longer life time, which sacrifice speed for better power consumption, but this lead other problems in the downlink. For example, the device usually enters the sleep mode in order to save power, which makes it impossible to receive the downlink packet in an instant. What timing would be for waking up the sleep mode devices to receive downlink frames is another problem. In terms of application, the devices is required to perform a large amount of downlink transmission. For example, to update content for an electronic paper (e-Paper) appliance and to use device firmware upgrade (DFU) function for maintaining devices, etc. are all this kind of application. Moreover, due to the low speed link in LPWAN, the applications will be bring some other problems.

This study focus on widely-used LoRaWan of LPWAN and a large amount of downlink transmission problem and propose a system to improve it. Finally, implement application of e-paper to examine feasibility of the system. This system uses unicast or multicast downlink transmission to end-node device under standard LoRaWan protocol, and proposes a series mechanisms of packets switching to ensure downlink-transport. These experimental results use unicast and multicast respectively to complete updating e-paper to verify this system. Moreover, all improving of packet switching are built in application layer, so those appropriate all LoRaWan modules on the market.

摘要 i
ABSTRACT ii
誌謝 iii
目 錄 iv
表目錄 vi
圖目錄 vii
一、緒論 1
1.1前言 1
2.2 研究動機與目的 2
二、相關文獻探討 4
2.1 LoRa與LoRaWAN介紹 4
2.2 LoRaWAN問題探討 11
2.3 LoRaWAN與下行鏈路相關研究 13
2.4 LoRaWAN官方下行鏈路應對方法 15
三、研究設計與方法 19
3.1系統架構 19
3.2系統封包 20
3.4系統流程 22
3.5系統流程-Register 23
3.6封包格式-Register 25
3.7封包格式-Broadcast 26
3.8系統流程-Unicast Downlink 28
3.9封包格式-Unicast Downlink 31
3.10系統流程-Multicast Downlink 35
3.11封包格式-Multicast Downlink 37
四、實驗結果與數據 39
4.1實驗設計 39
4.2實驗設備 41
4.3實驗參數 44
4.4 操作流程 45
4.5 實驗數據 47
4.5.1 實驗環境數據 48
4.5.2 Unicast 50
4.5.3 Multicast 52
五、結論 56
參考文獻 57

表 1、RemoteMulticast Setup Specification v1.0.0指令 16
表 2、SF對應的封包編號數量 26
表 3、Uplink和Downlink所使用的頻率表 44
表 4、控制指令 46
表 5、6dBi和5dBi兩種天線的上行鏈路和下行鏈路的收發測試結果 49
表 6、四組設備6dBi天線Unicast下行鏈路電子紙更新測試結果 50
表 7、四組設備5dBi天線Unicast下行鏈路電子紙更新測試結果 51
表 8、四組設備6dBi天線Multicast下行鏈路電子紙更新測試結果 52
表 9、四組設備5dBi天線Multicast下行鏈路電子紙更新測試結果 53
表 10、四組設備5dBi天線Multicast下行鏈路(Backoff)電子紙更新測試結果 55

圖 1、LoRaWAN網路系統架構圖 6
圖 2、LoRaWAN Class A模式流程 8
圖 3、LoRaWAN Class B模式流程 9
圖 4、LoRaWAN Class C模式流程 10
圖 5、本系統架構 19
圖 6、LoRaWAN封包結構 20
圖 7、單一(Unicast)或多個終端裝置(Multicast Downlink)同時下載 21
圖 8、系統流程 22
圖 9、Register流程 24
圖 10、Register List 24
圖 11、終端裝置註冊後喚醒間隔以及接收時間 24
圖 12、終端裝置要求註冊封包格式 25
圖 13、伺服器回應註冊封包格式 25
圖 14、Unicast Broadcast封包格式 26
圖 15、Multicast Broadcast封包格式 27
圖 16、系統流程-Unicast Downlink 29
圖 17、接收到非自己封包所計算下次醒來時間公式 29
圖 18、Unicast Downlink時間上限公式 30
圖 19、終端裝置回應Unicast Broadcast封包格式 31
圖 20、第一個下載包封包格式 32
圖 21、終端裝置回應確認接收第一個下載包封包格式 32
圖 22、其餘下載包封包格式 33
圖 23、終端裝置回應缺少的下載包編號封包格式 33
圖 24、伺服器補發下載包封包格式 34
圖 25、終端裝置完成接收回應的封包格式 34
圖 26、Multicast Downlink流程圖 36
圖 27、終端裝置接收到Multicast 廣播計算開始接收時間 36
圖 28、Multicast Downlink封包格式 37
圖 29、終端裝置回應所缺少下載包編號封包格式 37
圖 30、伺服器補發所缺少下載包封包格式 38
圖 31、正文科技公司室外型LoRaWAN閘道器[26] 41
圖 32、Nordic nRF52832 DK開發版[27] 42
圖 33、Gemtek正文科技公司GL-6509 LoRaWAN模組[28] 42
圖 34、Waveshare微雪科技2.13吋電子紙[29] 43
圖 35、終端裝置設備 43
圖 36、電子紙圖片處理流程 45
圖 37、實驗地點位置衛星圖(來源:https://www.google.com/maps/) 48
圖 38、Unicast掉包補發時間折線圖 51
圖 39、Multicast掉包補發時間折線圖 53
圖 40、Multicast掉包補發時間折線圖(加入Backoff) 55

[1]Wi-Fi. Available: https://www.wi-fi.org/
[2]LoRa. Available: https://www.semtech.com/lora/what-is-lora
[3]Sigfox. Available: https://www.sigfox.com/en#!/technology
[4]Weightless. Available: http://www.weightless.org/
[5]NB-IoT. Available: https://www.link-labs.com/blog/lte-iot-technologies
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[7]Semtech. Available: https://www.semtech.com/
[8]LoRa® Alliance. Available: https://lora-alliance.org/
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[15]A. Trunov and A. Malcheniuk, "The Mesh Technology for Improving of End Nodes Updating for Lorawan Network," in 2018 IEEE 13th International Scientific and Technical Conference on Computer Sciences and Information Technologies (CSIT), 2018, vol. 1, pp. 164-167: IEEE.
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[24]Gemtek. Available: https://www.gemteks.com/
[25]Waveshare. Available: http://www.waveshare.net
[26]Gemtek. LoRa Micro Outdoor Gateway. Available: https://www.gemteks.com/products/lora-iot/gateway
[27]Nordic. nRF52 DK. Available: https://www.nordicsemi.com/?sc_itemid=%7BF2C2DBF4-4D5C-4EAD-9F3D-CFD0276B300B%7D
[28]Gemtek. GL6509. Available: https://www.gemteks.com/products/lora-iot/module
[29]Waveshare. e-Paper. Available: http://www.waveshare.net/wiki/2.13inch_e-Paper_HAT
[30]MQTT. Available: http://mqtt.org/