CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC: Giới thiệu đề tài, mục tiêu nghiên cứu và các vấn đề cụ thể được tập trung giải quyết. CƠ SỞ LÝ THUYẾT: Tổng hợp kiến thức về các chuẩn giao tiếp sẽ sử dụng, kiến thức về mạch điện tử và đặc điểm kỹ thuật của các linh kiện được sử dụng, cũng như cách thức hoạt động của chúng. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG: Mô tả quy trình hoạt động của các khối phần cứng, cung cấp sơ đồ mạch nguyên lý và cách thức kết nối thiết bị, cùng với phân tích kỹ thuật thiết kế.
KẾT QUẢ THỰC HIỆN: Trình bày kết quả thiết kế của hệ thống, bao gồm các thử nghiệm thực tế và đánh giá hiệu suất của hệ thống thông qua hình ảnh minh họa. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN: Đưa ra kết quả nghiên cứu và nhận định về khả năng vận hành của hệ thống. Đồng thời, đưa ra các chiến lược phát triển cho đề tài. 4 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ NARROWBAND IOT 2.1 Giới thiệu về hạ tầng kết nối LPWAN cho IoT IoT là một hệ thống kết nối các thiết bị thông minh, cho phép chúng giao tiếp và chia sẻ dữ liệu với nhau thông qua mạng internet.
IoT không chỉ tác động đến cuộc sống hàng ngày mà còn là một công nghệ cốt lõi trong việc phát triển thành phố thông minh. Nó bao gồm việc triển khai nhiều thiết bị kết nối khác nhau trong các khu vực đô thị, và số lượng các thiết bị này ngày càng tăng.1 minh họa một cái nhìn tổng quan từ IoT Analytics về số lượng thiết bị IoT được kết nối (còn gọi là Smart Object) từ năm 2015 đến 2025. Xu hướng tăng này cho thấy rằng cơ sở hạ tầng mạng vô tuyến là yếu tố then chốt cần được giải quyết trong các thành phố thông minh tương lai [2].1: Xu hướng kết nối mạng IoT toàn cầu giai đoạn 2015 – 2025 [3]. Khi số lượng kết nối IoT toàn cầu tăng từ 7 tỷ vào năm 2018 lên 22 tỷ vào năm 2025, các Mạng Diện Rộng Công Suất Thấp (LPWAN) được dự đoán sẽ tăng trưởng rất nhanh.
Các công nghệ này cung cấp truyền thông công suất thấp và tốc độ dữ liệu thấp trên khoảng cách xa hoặc từ môi trường sâu trong các tòa nhà, cho phép các thiết bị chạy bằng pin hoạt động lên đến 10 năm mà không cần sự can thiệp của con người. Sự phát 5 triển này thúc đẩy việc áp dụng mạnh mẽ, với số lượng thiết bị kết nối dự kiến sẽ tăng 109% mỗi năm cho đến năm 2023, đạt hơn một tỷ kết nối hoạt động. Mặc dù thị trường vẫn còn phân mảnh, NB-IoT, LoRa và Sigfox đang nổi lên như các công nghệ LPWAN phổ biến nhất cả về việc sử dụng của người dùng cuối và sự hỗ trợ của hệ sinh thái. NB- IoT, LoRa được dự báo sẽ chiếm ưu thế, với NB-IoT chiếm ưu thế trong các triển khai mạng công cộng và LoRa trong các mạng riêng [3].2 Kết nối LPWAN Các ứng dụng IoT có những yêu cầu cụ thể như phạm vi truyền thông dài, tiêu thụ năng lượng thấp và chi phí rẻ.
Các công nghệ truyền thông phạm vi ngắn được sử dụng rộng rãi như BLE và ZigBee không phù hợp với yêu cầu về phạm vi truyền dẫn. Hơn nữa, các giải pháp dựa trên truyền thông di động (ví dụ: 2G, 3G và 4G) có thể đảm bảo phạm vi truyền dẫn lớn hơn, tuy nhiên, lại làm cạn kiệt năng lượng của thiết bị. Do đó, yêu cầu của các ứng dụng IoT đã dẫn đến sự xuất hiện của mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN). Các công nghệ LPWAN đảm bảo phạm vi truyền dẫn dài, tiêu thụ năng lượng thấp và giải pháp triển khai chi phí thấp.
Nó cho phép phạm vi truyền thông lên đến 40 km ở khu vực nông thôn và 10 km ở khu vực đô thị, tuổi thọ pin lên đến 10 năm, chi phí thiết bị dưới 5 USD và chi phí thuê bao của nhà mạng dưới 1 USD mỗi thiết bị mỗi tháng. LPWAN được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng IoT yêu cầu truyền một vài thông điệp nhỏ mỗi ngày trong phạm vi sóng radio lớn. Một số công nghệ kết nối LPWA phổ biến như LoRaWAN, NB-IoT, Sigfox [4].2: Theo thống kê thị trường LPWAN [5]. Theo biểu đồ, kết nối LPWAN đang trên đà tăng trưởng.
Theo dự báo và theo dõi thị trường LPWAN toàn cầu của IoT Analytics giai đoạn 2015–2027 thì đến cuối năm 2023, có gần 1,3 tỷ kết nối IoT LPWAN trên toàn cầu. Con số này dự kiến sẽ tăng trưởng với tỷ lệ tăng trưởng hàng năm kép là 26% cho đến năm 2027. NB-IoT là công nghệ LPWA có tốc độ tăng trưởng nhanh nhất, với tốc độ tăng trưởng là 58% cho đến năm 2027. Sự tăng trưởng nhanh chóng của NB-IoT được cho là do một số yếu tố, bao gồm: • Hỗ trợ của các nhà mạng di động lớn: Nhiều nhà mạng di động lớn đã triển khai NB-IoT trên mạng của họ, mang lại khả năng tiếp cận rộng rãi cho công nghệ này.
• Chi phí thấp: NB-IoT là một giải pháp LPWA giá cả phải chăng, khiến nó trở nên hấp dẫn đối với các doanh nghiệp và tổ chức. • Tiêu chuẩn mở: NB-IoT là một tiêu chuẩn mở, cho phép các nhà sản xuất thiết bị và dịch vụ phát triển các sản phẩm và dịch vụ tương thích với nhau [6].3: So sánh các công nghệ LPWAN Thế mạnh của công nghệ NB-IoT là sử dụng băng tần được cấp phép điều đó giúp dữ liệu truyền lên mạng không bị mất mát đảm bảo tối ưu đường truyền, không bị can nhiễu bởi các băng tần khác [7]. Khác với Lora và Sigfox sử dụng băng tần không được cấp phép, điều đó sẽ dễ gây can nhiễu với các băng tần khác làm khó tránh khỏi việc mất mát dữ liệu. Ngoài ra công nghệ NB-IoT có băng thông cũng như thông lượng đường truyền lớn nhất so với Lora và Sigfox đối với các ứng dụng cần gửi nhiều dữ liệu trong thời gian ngắn thì NB-IoT là phù hợp nhất.3 Công nghệ kết nối NB_IoT NB-IoT là một công nghệ truyền thông không dây được thiết kế riêng cho các ứng dụng IoT, hoạt động trong phổ được cấp phép để đảm bảo kết nối an toàn và đáng tin cậy.
Công nghệ này là một phần của mạng diện rộng công suất thấp (LPWA), cung cấp vùng phủ sóng tuyệt vời, cho phép thiết bị giao tiếp hiệu quả ngay cả trong môi trường sóng yếu như tầng hầm, vùng nông thôn xa xôi hoặc sâu bên trong các tòa nhà [8]. NB-IoT có nhiều ưu điểm so với các công nghệ không dây khác trong hệ thống IoT. Một lợi thế lớn là tiết kiệm năng lượng, cho phép thiết bị NB-IoT hoạt động trong nhiều 8 năm mà không cần thay pin thường xuyên, lý tưởng cho các ứng dụng công suất thấp như đồng hồ đo thông minh, thiết bị đo đếm và thiết bị theo dõi tài sản. Ngoài ra, NB-IoT hỗ trợ số lượng lớn thiết bị và khả năng mở rộng, phù hợp cho các ứng dụng cần triển khai hàng nghìn hoặc thậm chí hàng triệu thiết bị kết nối.
Công nghệ này cũng cung cấp mức độ bảo mật cao để bảo vệ dữ liệu nhạy cảm, đảm bảo tính riêng tư và tính toàn vẹn của các ứng dụng IoT.4: Cách thức hoạt động mạng NB-IoT. NB-IoT hiện có ba phương thức hoạt động sử dụng tần số trong mạng LTE. Đầu tiên là phương thức độc lập (Stand alone), trong đó NB-IoT sử dụng một băng tần bên ngoài không thuộc băng tần của LTE. Thứ hai là phương thức dải tần bảo vệ (Guard band), sử dụng phổ tần ở dải tần bảo vệ sóng mang LTE.
Cuối cùng là phương thức trong dải tần (In band), sử dụng một sóng mang LTE thông thường [9]. NB-IoT hoạt động trong các băng tần phổ được cấp phép giúp giảm thiểu can nhiễu và cải thiện chất lượng dịch vụ so với các công nghệ phổ không được cấp phép như Lora hoặc Sigfox. Với vùng phủ sóng tốt hơn so với các mạng di động truyền thống, NB-IoT cho phép kết nối ngay cả trong những khu vực tín hiệu yếu. Hơn nữa, NB-IoT là một giải pháp tiết kiệm chi phí, tận dụng cơ sở hạ tầng di động hiện có, giúp nhà khai thác mạng tối ưu hóa đầu tư và triển khai mạng dễ dàng với chi phí thấp.2 TÍNH NĂNG PSM CỦA CÔNG NGHỆ NB IOT Chế độ tiết kiệm năng lượng (PSM) được thiết kế để giúp các thiết bị NB-IoT tiết kiệm pin, mang lại thời lượng sử dụng dài hơn có thể đến 10 năm.
Trong các thiết bị IoT, việc tắt hoàn toàn mô-đun vô tuyến hoặc chipset để tiết kiệm năng lượng đòi hỏi 9 thiết bị phải kết nối lại với mạng mỗi khi bật lại, dẫn đến quy trình gắn lại tiêu tốn năng lượng đáng kể và tạo ra tín hiệu không cần thiết. Thay vì cách tiếp cận này, PSM cung cấp một giải pháp hiệu quả hơn bằng cách vô hiệu hóa một phần ngăn xếp giao thức của chipset. Điều này giúp giảm mức tiêu thụ điện năng xuống phạm vi micro-Ampe, đồng thời vẫn giữ thiết bị kết nối với mạng [10].5: Mô tả tính năng PSM Khi thiết bị khởi tạo PSM với mạng, nó cung cấp hai bộ hẹn giờ quan trọng: • Bộ đếm thời gian hoạt động trước khi vào chế độ PSM (T3324): Thời gian mà thiết bị nhàn rỗi nhưng vẫn lắng nghe tin nhắn tìm gọi. • Bộ đếm thời gian TAU định kỳ (T3412 mở rộng): Thời gian giữa hai lần cập nhật khu vực được theo dõi.
Quy trình hoạt động được mô tả như sau: Khi thiết bị thực hiện truyền tải dữ liệu (TAU/DATA Transfer), nó tiêu thụ một lượng năng lượng đáng kể. Sau đó, thiết bị chuyển sang trạng thái RRC Connected với mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn. Khi không có hoạt động, thiết bị bước vào giai đoạn RRC Inactivity Timer, tiếp tục giảm tiêu thụ năng lượng. Sau khi bộ đếm thời gian T3324 hết hạn, thiết bị chuyển sang trạng thái PSM, trong đó tiêu thụ năng lượng cực thấp trong phạm vi micro-Ampe [11].
10 Trong suốt thời gian của chế độ ngủ sâu, mạng giữ lại thông tin trạng thái của thiết bị, và thiết bị IoT vẫn được duy trì đăng ký với mạng. Điều này có nghĩa là nếu thiết bị thức dậy trước khi hết khoảng thời gian gửi dữ liệu, nó không cần thực hiện lại quy trình đăng ký mạng, giúp tiết kiệm năng lượng một cách đáng kể. Bằng cách này, PSM tối ưu hóa hiệu suất năng lượng của các thiết bị IoT, giảm thiểu tiêu thụ năng lượng không cần thiết và tăng cường hiệu quả hoạt động đáng kể.