Nghiên cứu phân bổ băng tần 915-925 MHz hỗ trợ mạng IoT tại Việt Nam

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu đề xuất phương án phân bổ băng tần 915 925 mhz hỗ trợ triển khai mạng kết nối internet, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Nguyễn Văn Mong
• Người hướng dẫn: PGS.TS Lê Nhật Thăng
• Trường học: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
• Đề tài: Phân Bổ Băng Tần 915-925 MHz Cho Mạng IoT Tại Việt Nam
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG NGHỆ KẾT NỐI VÔ TUYẾN INTERNET VẠN VẬT IOT
• 1.1. Tổng quan về công nghệ kết nối vô tuyến IoT
• 1.2. Kiến trúc và mô hình mạng kết nối vô tuyến IoT
• 1.3. Các tiêu chuẩn công nghệ kết nối IoT trong băng tần thông tin di động
• 1.4. Các tiêu chuẩn công nghệ kết nối IoT trong mạng diện rộng công suất thấp LPWAN
• 1.5. Công nghệ ZigBee
• 1.6. Công nghệ Z-Wave
• 1.7. Công nghệ LoRa
• 1.8. Công nghệ SigFox
• 1.9. Các kịch bản ứng dụng kết nối vô tuyến công nghệ IoT
• 1.9.1. Ứng dụng IoT trong lĩnh vực quản lý năng lượng
• 1.9.2. Ứng dụng IoT trong nông nghiệp và giám sát môi trường
• 1.9.3. Ứng dụng IoT trong lĩnh vực giao thông vận tải
• 1.10. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG BĂNG TẦN 915-925 MHZ TẠI VIỆT NAM VÀ KINH NGHIỆM QUỐC TẾ VỀ QUẢN LÝ TẦN SỐ CHO THIẾT BỊ IOT
• 2.1. Hiện trạng triển khai mạng kết nối IoT và băng tần 915-925 MHz tại Việt Nam
• 2.1.1. Hiện trạng triển khai mạng kết nối IoT
• 2.1.2. Hiện trạng sử dụng băng tần 915-925 MHz
• 2.2. Nghiên cứu kinh nghiệm Quốc tế về quy hoạch và sử dụng băng tần 915-925 MHz
• 2.2.1. Kinh nghiệm Quốc tế về quản lý tần số cho thiết bị IoT
• 2.2.2. Hiện trạng quy hoạch Quốc tế băng tần 915-925 MHz cho thiết bị IoT
• 2.3. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN PHÂN BỔ BĂNG TẦN 915-925 MHZ HỖ TRỢ TRIỂN KHAI MẠNG KẾT NỐI INTERNET VẠN VẬT - IOT TẠI VIỆT NAM
• 3.1. Đánh giá can nhiễu mạng kết nối Internet vạn vật IoT
• 3.2. Đánh giá nhiễu từ thiết bị RFID đến hệ thống di động băng tần 900 MHz
• 3.3. Đánh giá vùng phục vụ của thiết bị RFID
• 3.4. Đánh giá ảnh hưởng lẫn nhau giữa hệ thống RFID tại trạm thu phí đường bộ với hệ thống IoT của Sigfox
• 3.5. Các phương án phân bổ băng tần 915-925 MHz
• 3.5.1. Đánh giá, đề xuất phương án phân bổ băng tần 915 - 925 MHz
• 3.5.2. Ưu nhược điểm các phương án quy hoạch
• 3.5.3. Đề xuất phương án quy hoạch băng tần 915-925 MHz
• 3.6. Kết luận chương 3
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về băng tần 915 925 MHz

Băng tần 915-925 MHz là một trong những băng tần quan trọng cho mạng IoT tại Việt Nam. Băng tần này được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng Internet of Things nhờ vào khả năng kết nối không dây hiệu quả và chi phí thấp. Việc phân bổ băng tần này không chỉ giúp tối ưu hóa việc sử dụng tần số mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của các công nghệ kết nối không dây. Theo các tiêu chuẩn quốc tế, băng tần này được quy định cho các thiết bị không dây và công nghệ IoT. Việc áp dụng băng tần này tại Việt Nam cần được thực hiện theo các tiêu chuẩn quốc tế để đảm bảo tính tương thích và hiệu quả trong việc triển khai mạng lưới.

1.1. Tầm quan trọng của băng tần 915 925 MHz

Băng tần 915-925 MHz đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển mạng IoT tại Việt Nam. Nó cho phép kết nối nhiều thiết bị mà không cần đến công nghệ dây. Các ứng dụng như quản lý năng lượng, nông nghiệp thông minh, và giao thông thông minh đều có thể tận dụng băng tần này. Việc sử dụng băng tần này giúp giảm thiểu chi phí và tăng cường khả năng kết nối cho các thiết bị. Theo nghiên cứu, việc phân bổ hợp lý băng tần này sẽ thúc đẩy sự phát triển của công nghệ IoT và tạo ra nhiều cơ hội mới cho các doanh nghiệp và người tiêu dùng.

II. Hiện trạng sử dụng băng tần 915 925 MHz tại Việt Nam

Hiện nay, băng tần 915-925 MHz đang được sử dụng cho nhiều ứng dụng IoT tại Việt Nam. Tuy nhiên, việc quản lý và phân bổ tần số vẫn còn nhiều thách thức. Các thiết bị không dây như RFID và các cảm biến IoT đang hoạt động trong băng tần này, nhưng chưa có một quy hoạch rõ ràng. Nghiên cứu cho thấy rằng việc thiếu quy định và tiêu chuẩn rõ ràng có thể dẫn đến tình trạng can nhiễu giữa các thiết bị. Do đó, cần có một khung pháp lý và tiêu chuẩn hóa để quản lý hiệu quả băng tần này, nhằm đảm bảo rằng các thiết bị có thể hoạt động một cách đồng bộ và hiệu quả.

2.1. Thực trạng triển khai mạng IoT

Mạng IoT tại Việt Nam đang trong giai đoạn phát triển mạnh mẽ. Tuy nhiên, việc triển khai vẫn gặp nhiều khó khăn do thiếu hụt về cơ sở hạ tầng và quy định pháp lý. Các thiết bị IoT hiện tại chủ yếu tập trung vào các lĩnh vực như quản lý năng lượng và nông nghiệp thông minh. Việc sử dụng băng tần 915-925 MHz cho các ứng dụng này đã cho thấy hiệu quả trong việc kết nối và truyền tải dữ liệu. Tuy nhiên, để phát triển bền vững, cần có sự đầu tư vào công nghệ và cơ sở hạ tầng, cũng như việc xây dựng các tiêu chuẩn rõ ràng cho việc sử dụng băng tần này.

III. Đề xuất phương án phân bổ băng tần 915 925 MHz

Để tối ưu hóa việc sử dụng băng tần 915-925 MHz, cần có các phương án phân bổ hợp lý. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc phân bổ băng tần này cần dựa trên các tiêu chí như khả năng kết nối, độ tin cậy và chi phí. Đề xuất phương án phân bổ băng tần cần xem xét đến các ứng dụng cụ thể của IoT tại Việt Nam, từ đó đưa ra các giải pháp phù hợp. Việc áp dụng các tiêu chuẩn quốc tế trong phân bổ băng tần sẽ giúp tăng cường khả năng kết nối và giảm thiểu tình trạng can nhiễu giữa các thiết bị.

3.1. Các phương án quy hoạch băng tần

Các phương án quy hoạch băng tần 915-925 MHz cần được xây dựng dựa trên các nghiên cứu thực tiễn và kinh nghiệm quốc tế. Việc phân bổ băng tần cần đảm bảo rằng các thiết bị IoT có thể hoạt động hiệu quả mà không gây ra can nhiễu. Các phương án này cũng cần xem xét đến sự phát triển của công nghệ trong tương lai, nhằm đảm bảo rằng băng tần này có thể đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của các ứng dụng IoT. Đề xuất quy hoạch băng tần cần được thực hiện một cách đồng bộ và có sự tham gia của các bên liên quan để đảm bảo tính khả thi và hiệu quả.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Internet vạn vật (IoT) đang trở thành xu hướng công nghệ trọng điểm toàn cầu với dự báo đến năm 2020 có khoảng 50 tỷ thiết bị kết nối Internet, mở ra kỷ nguyên "Any THING" communication – kết nối mọi vật thể. Tại Việt Nam, việc chuẩn hóa và phân bổ băng tần cho các thiết bị IoT là vấn đề cấp thiết nhằm thúc đẩy phát triển hệ sinh thái IoT đa dạng, hiệu quả và tiết kiệm chi phí. Luận văn tập trung nghiên cứu đề xuất phương án phân bổ băng tần 915-925 MHz hỗ trợ triển khai mạng kết nối IoT tại Việt Nam trong giai đoạn 2017-2019, dựa trên phân tích hiện trạng sử dụng băng tần, kinh nghiệm quốc tế và đánh giá kỹ thuật can nhiễu.

Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng phương án phân bổ băng tần 915-925 MHz phù hợp với đặc thù kỹ thuật và quy định quản lý tần số tại Việt Nam, đồng thời đảm bảo khả năng triển khai mạng IoT hiệu quả, giảm thiểu can nhiễu với các hệ thống hiện có. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào băng tần 915-925 MHz, phân tích các công nghệ IoT phổ biến, hiện trạng sử dụng băng tần tại Việt Nam và quốc tế, cùng các ứng dụng IoT trong quản lý năng lượng, nông nghiệp, môi trường và giao thông vận tải. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ các cơ quan quản lý nhà nước hoạch định chính sách tần số, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho các doanh nghiệp viễn thông và công nghiệp IoT phát triển bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về kiến trúc mạng IoT, tiêu chuẩn công nghệ kết nối và quản lý tần số vô tuyến. Hai khung lý thuyết chính bao gồm:

1. Kiến trúc mạng IoT đa lớp: Bao gồm lớp nhận thức (Perception) với các cảm biến vật lý, lớp thực thể trừu tượng (Abstraction) xử lý dữ liệu, lớp quản lý dịch vụ (Middleware) cung cấp dịch vụ cho ứng dụng, lớp ứng dụng phục vụ các lĩnh vực cụ thể và lớp nghiệp vụ quản lý tổng thể hệ thống. Mô hình này giúp phân tích cấu trúc và chức năng của mạng IoT, từ đó đánh giá yêu cầu kỹ thuật và khả năng tích hợp băng tần.

2. Tiêu chuẩn công nghệ IoT trong băng tần di động và LPWAN: Nghiên cứu các tiêu chuẩn 3GPP như EC-GSM, LTE-M, NB-IoT với các đặc tính kỹ thuật về vùng phủ, công suất, tốc độ dữ liệu và tiết kiệm năng lượng. Đồng thời, phân tích các công nghệ LPWAN miễn cấp phép như ZigBee, Z-Wave, LoRa, SigFox với các đặc điểm về băng tần, công suất phát và mô hình mạng.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng được sử dụng gồm: ERP (Effective Radiated Power), DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), FSK (Frequency Shift Keying), OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), và các thuật ngữ về quản lý tần số như phân kênh, can nhiễu, miễn giấy phép.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa phân tích lý thuyết, khảo sát hiện trạng và mô phỏng kỹ thuật:

• Nguồn dữ liệu: Thu thập từ các văn bản pháp luật, quy hoạch tần số của Bộ Thông tin và Truyền thông Việt Nam, báo cáo kỹ thuật quốc tế của ITU, 3GPP, APT, cùng số liệu thực tế từ các dự án triển khai IoT tại Việt Nam như hệ thống đo chỉ số công tơ điện từ xa và dịch vụ thu phí tự động đường bộ.

• Phương pháp phân tích: Phân tích kỹ thuật can nhiễu giữa các hệ thống sử dụng băng tần 915-925 MHz, đánh giá vùng phủ sóng, công suất phát, và khả năng tương thích giữa các công nghệ IoT. Sử dụng mô hình đo đạc thực tế và mô phỏng để đánh giá ảnh hưởng của thiết bị RFID đến hệ thống IoT SigFox.

• Cỡ mẫu và timeline: Nghiên cứu tập trung vào các thiết bị và hệ thống IoT đang hoạt động tại các thành phố lớn và các tỉnh trên toàn quốc, với dữ liệu thu thập trong giai đoạn 2017-2019. Phân tích so sánh kinh nghiệm quốc tế từ các nước trong khu vực châu Á-Thái Bình Dương và châu Âu.

Phương pháp nghiên cứu đảm bảo tính khách quan, khoa học và khả năng áp dụng thực tiễn cao cho việc đề xuất phương án phân bổ băng tần.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiện trạng sử dụng băng tần 915-925 MHz tại Việt Nam: Băng tần này được sử dụng chủ yếu cho thiết bị RFID miễn giấy phép với công suất phát tối đa 500 mW ERP, phục vụ các ứng dụng như thu phí tự động đường bộ và các thiết bị IoT trong nhà thông minh. Tập đoàn Điện lực Việt Nam đã triển khai 10 triệu bộ công tơ điện tử từ xa sử dụng công nghệ vô tuyến trên các băng tần khác nhau, trong đó có băng tần 408.925 MHz. Số liệu cho thấy phạm vi phủ sóng và công suất phát phù hợp với yêu cầu kỹ thuật, đảm bảo thu thập dữ liệu hiệu quả.

2. Kinh nghiệm quốc tế về quản lý tần số IoT: Các quốc gia như Trung Quốc, Singapore, Thái Lan đều áp dụng chính sách trung lập công nghệ, cho phép sử dụng cả băng tần cấp phép và miễn cấp phép cho IoT. Ví dụ, Singapore dự kiến doanh thu IoT đạt 714 triệu đô la Singapore vào năm 2025, với sự phát triển mạnh mẽ của NB-IoT. Các nước châu Âu quy định băng tần 915-921 MHz cho thiết bị cự ly ngắn công suất cao, áp dụng các điều kiện kỹ thuật nghiêm ngặt để hạn chế can nhiễu.

3. Đánh giá kỹ thuật can nhiễu và vùng phủ: Mô hình đo đạc thực tế cho thấy thiết bị RFID hoạt động trong băng tần 915-925 MHz có thể gây nhiễu cho hệ thống IoT SigFox nếu không được phân bổ tần số hợp lý. Các phương án phân bổ băng tần được đề xuất nhằm giảm thiểu ảnh hưởng này, đảm bảo vùng phục vụ và độ tin cậy của mạng IoT.

4. So sánh các công nghệ IoT trong băng tần 900 MHz: LTE-M, NB-IoT và EC-GSM-IoT đều có ưu điểm về vùng phủ và tiết kiệm năng lượng, phù hợp với các ứng dụng Massive IoT. Trong khi đó, các công nghệ LPWAN miễn cấp phép như LoRa và SigFox có lợi thế về chi phí và triển khai nhanh, nhưng cần kiểm soát chặt chẽ về công suất và phân kênh để tránh can nhiễu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các hiện tượng can nhiễu chủ yếu do sự chồng lấn tần số và công suất phát không đồng nhất giữa các thiết bị RFID và mạng IoT SigFox. Việc phân bổ băng tần hợp lý, kết hợp với các kỹ thuật điều chế và quản lý tần số như LBT (Listen Before Talk) sẽ giúp giảm thiểu can nhiễu, nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần.

So với các nghiên cứu quốc tế, Việt Nam đang trong giai đoạn hoàn thiện chính sách quản lý tần số cho IoT, học hỏi kinh nghiệm từ các nước phát triển để xây dựng quy hoạch phù hợp với điều kiện thực tế. Việc áp dụng các tiêu chuẩn công nghệ 3GPP và LPWAN miễn cấp phép sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển hệ sinh thái IoT đa dạng, đáp ứng nhu cầu quản lý năng lượng, nông nghiệp, môi trường và giao thông.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh vùng phủ sóng, công suất phát và tỷ lệ can nhiễu giữa các phương án phân bổ băng tần, cũng như bảng tổng hợp các tiêu chuẩn kỹ thuật của các công nghệ IoT phổ biến.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phân bổ băng tần 915-925 MHz theo phương án phân vùng tần số: Đề xuất chia băng tần thành các phân đoạn riêng biệt cho thiết bị RFID và mạng IoT SigFox, giảm thiểu chồng lấn tần số, đảm bảo vùng phủ và độ tin cậy. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm, do Bộ Thông tin và Truyền thông chủ trì phối hợp với các doanh nghiệp viễn thông.

2. Áp dụng kỹ thuật quản lý tần số tiên tiến: Khuyến nghị sử dụng kỹ thuật LBT, điều chế trải phổ DSSS và quản lý công suất phát để hạn chế can nhiễu giữa các thiết bị. Chủ thể thực hiện là các nhà sản xuất thiết bị và nhà mạng IoT, với lộ trình áp dụng trong 1 năm.

3. Xây dựng khung pháp lý và quy chuẩn kỹ thuật cho thiết bị IoT: Cần ban hành các quy định cụ thể về giới hạn công suất, điều kiện hoạt động và phân kênh tần số cho thiết bị IoT trong băng tần 915-925 MHz, phù hợp với tiêu chuẩn quốc tế. Bộ Thông tin và Truyền thông phối hợp với các cơ quan liên quan thực hiện trong 1-3 năm.

4. Thúc đẩy nghiên cứu và phát triển công nghệ IoT phù hợp với điều kiện Việt Nam: Hỗ trợ các dự án nghiên cứu ứng dụng công nghệ LTE-M, NB-IoT và LPWAN miễn cấp phép, tập trung vào các lĩnh vực quản lý năng lượng, nông nghiệp và giao thông. Các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp công nghệ thực hiện liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Cơ quan quản lý nhà nước về tần số vô tuyến điện: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và kinh nghiệm quốc tế để xây dựng chính sách phân bổ tần số, quy chuẩn kỹ thuật và quản lý thiết bị IoT hiệu quả.

2. Doanh nghiệp viễn thông và nhà cung cấp dịch vụ IoT: Tham khảo để lựa chọn công nghệ phù hợp, tối ưu hóa sử dụng băng tần 915-925 MHz, giảm thiểu can nhiễu và nâng cao chất lượng dịch vụ.

3. Các nhà nghiên cứu và học viên ngành kỹ thuật viễn thông: Cung cấp kiến thức tổng quan về công nghệ IoT, tiêu chuẩn kỹ thuật, mô hình mạng và các phương pháp phân tích kỹ thuật can nhiễu.

4. Các tổ chức phát triển ứng dụng IoT trong quản lý năng lượng, nông nghiệp, môi trường và giao thông: Hỗ trợ hiểu rõ về yêu cầu kỹ thuật, khả năng triển khai và các giải pháp công nghệ phù hợp với băng tần 915-925 MHz.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao băng tần 915-925 MHz được chọn để triển khai IoT tại Việt Nam?
   Băng tần này có đặc điểm công suất phát thấp, vùng phủ rộng và được miễn giấy phép sử dụng cho thiết bị RFID, phù hợp với các ứng dụng IoT cự ly ngắn và trung bình. Ngoài ra, băng tần này ít bị tắc nghẽn so với các băng tần cao hơn, giúp giảm can nhiễu.

2. Các công nghệ IoT nào phù hợp với băng tần 915-925 MHz?
   Các công nghệ như NB-IoT, LTE-M, EC-GSM-IoT trong băng tần cấp phép và các công nghệ LPWAN miễn cấp phép như LoRa, SigFox, ZigBee đều có thể hoạt động hiệu quả trong băng tần này, tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng và quy định quản lý.

3. Làm thế nào để giảm thiểu can nhiễu giữa thiết bị RFID và mạng IoT SigFox?
   Có thể áp dụng phân bổ tần số hợp lý, kỹ thuật điều chế trải phổ, quản lý công suất phát và sử dụng kỹ thuật LBT để tránh phát sóng đồng thời trên cùng kênh, từ đó giảm thiểu can nhiễu.

4. Việt Nam đã triển khai ứng dụng IoT nào sử dụng băng tần 915-925 MHz?
   Tập đoàn Điện lực Việt Nam đã triển khai hệ thống đo chỉ số công tơ điện tử từ xa, và các trạm thu phí tự động đường bộ sử dụng thiết bị RFID hoạt động trong băng tần này, với quy mô hàng triệu thiết bị trên toàn quốc.

5. Kinh nghiệm quốc tế nào có thể áp dụng cho Việt Nam trong quản lý tần số IoT?
   Các nước như Singapore, Trung Quốc và các quốc gia châu Âu áp dụng chính sách trung lập công nghệ, cho phép sử dụng linh hoạt băng tần cấp phép và miễn cấp phép, đồng thời xây dựng quy chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt để đảm bảo hiệu quả và hạn chế can nhiễu.

Kết luận

• Luận văn đã phân tích tổng quan công nghệ IoT, hiện trạng sử dụng băng tần 915-925 MHz tại Việt Nam và kinh nghiệm quốc tế về quản lý tần số cho thiết bị IoT.
• Đã đánh giá kỹ thuật can nhiễu giữa các hệ thống RFID và mạng IoT SigFox, từ đó đề xuất phương án phân bổ băng tần hợp lý, đảm bảo hiệu quả triển khai mạng IoT.
• Đề xuất áp dụng các kỹ thuật quản lý tần số tiên tiến và xây dựng khung pháp lý phù hợp để phát triển hệ sinh thái IoT tại Việt Nam.
• Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao, hỗ trợ các cơ quan quản lý và doanh nghiệp trong việc hoạch định chính sách và triển khai công nghệ IoT.
• Các bước tiếp theo bao gồm hoàn thiện quy chuẩn kỹ thuật, thử nghiệm thực tế các phương án phân bổ và thúc đẩy nghiên cứu ứng dụng IoT trong các lĩnh vực ưu tiên.

Hành động ngay: Các cơ quan quản lý và doanh nghiệp cần phối hợp triển khai các đề xuất nhằm tận dụng hiệu quả băng tần 915-925 MHz, thúc đẩy phát triển mạng IoT bền vững tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG NGHỆ KẾT NỐI VÔ TUYẾN INTERNET VẠN VẬT IOT Trong chương này, Luận văn giới thiệu tổng quan về công nghệ kết nối vô tuyến IoT, kiến trúc mô hình mạng kết nối. Luận văn cũng trình bày các tiêu chuẩn kết nối IoT hiện tại và các kịch bản ứng dụng trong thực tế. Tổng quan về công nghệ kết nối vô tuyến IoT IoT có thể được coi là một tầm nhìn sâu rộng của công nghệ và cuộc sống. Từ quan điểm của tiêu chuẩn kỹ thuật, IoT có thể được xem như là một cơ sở hạ tầng mang tính toàn cầu cho xã hội thông tin, tạo điều kiện cho các dịch vụ tiên tiến thông qua sự liên kết các “Things”.

IoT dự kiến sẽ tích hợp rất nhiều công nghệ mới, chẳng hạn như các công nghệ thông tin machine-to-machine, mạng tự trị, khai thác dữ liệu và ra quyết định, bảo vệ sự an ninh và sự riêng tư, điện toán đám mây.1, một hệ thống thông tin trước đây đã mang đến 2 chiều – “Any TIME” và “Any PLACE” communication. Giờ IoT đã tạo thêm một chiều mới trong hệ thống thông tin đó là “Any THING” Communication (Kết nối mọi vật).1: Hệ sinh thái mạng kết nối Internet vạn vận IoT [24] Trong hệ thống IoT, “Things” là đối tượng của thế giới vật chất (Physical) hoặc các thông tin (Virtual). “Things” có khả năng nhận diện và có thể tích hợp vào mạng thông tin. “Things” có liên quan đến thông tin, có thể là tĩnh hay động.

“Physical Things” tồn tại trong thế giới vật lý và có khả năng được cảm nhận, được Luan van 4 kích thích và kết nối. Ví dụ về “Physical Things” bao gồm các môi trường xung quanh, robot công nghiệp, hàng hóa, hay thiết bị điện. “VirtualThings” tồn tại trong thế giới thông tin và có khả năng được lưu trữ, xử lý, hay truy cập. Ví dụ về “Virtual Things” bao gồm các nội dung đa phương tiện và cácphần mềm ứng dụng [24].

“Things” trong IoT có thể là đối tượng vật lý (Physical) hoặc là đối tượng thông tin (hay còn gọi là đối tượng ảo – Virtual). Hai loại đối tượng này có thể ánh xạ (mapping) qua lại lẫn nhau. Một đối tượng vật lý có thể được trình bày hay đại diện bởi một đối tượng thông tin, tuy nhiên một đối tượng thông tin có thể tồn tại mà không nhất thiết phải được ánh xạ từ một đối tượng vật lý nào [24].2: Tổng quan kỹ thuật của mạng IoT [24] Trong hình 1.2, một “device” là một phần của hệ thống IoT. Chức năng bắt buộc của một device là giao tiếp, và chức năng không bắt buộc là cảm biến, thực thi, thu thập dữ liệu, lưu trữ dữ liệu và xử lý dữ liệu.

Các thiết bị thu thập các loại thông tin khác nhau và cung cấp các thông tin đó cho các network khác nơi mà thông tin được tiếp tục xử lý. Một số thiết bị cũng thực hiện các hoạt động dựa trên thông tin nhận được từ network [24]. Truyền thông thiết bị - thiết bị: Có 3 cách các devices sẽ giao tiếp lẫn nhau.(a) Các devices giao tiếp thông qua các mạng lưới thông tin liên lạc gọi là gateway, hoặc (b) các devices giao tiếp qua mạng lưới thông tin liên lạc mà không Luan van 5 có gateway, hoặc (c) các device liên lạc trực tiếp với nhau qua mạng nội bộ.2, mặc dù ta thấy chỉ có sự tương tác diễn ra ở Physical Things (các thiết bị giao tiếp với nhau). Thực ra vẫn còn hai sự tương tác khác đồng thời diễn ra.

Đó là tương tác Virtual Things (trao đổi thông tin giữa cácvirtual things), và tương tác giữa Physical Things và Virtual Things.Các ứng dụng IoT rất đa dạng, ví dụ, “hệ thống giao thông thông minh”,“Lưới điện thông minh”, “sức khỏe điện tử”, hoặc “nhà thông minh”. Các ứng dụng có thể được dựa trên một nền tảng riêng biệt,cũng có thể được xây dựng dựa trên dịch vụ chung, chẳng hạn như chứng thực, quản lý thiết bị, tính phí,thanh toán…Các “Communication networks” chuyển dữ liệu được thu thập từ devices đến các ứng dụng và device khác, và ngược lại, các network này cũng chuyển các mệnh lệnh thực thi từ ứng dụng đến các device. Vai trò của communicationnetwork là truyền tải dữ liệu một cách hiệu quả và tin cậy [24]. Yêu cầu tối thiểu của các “device” trong IoT là khả năng giao tiếp.

Thiết bị sẽ được phân loại vào các dạng như thiết bị mang thông tin, thiết bị thu thập dữ liệu, thiết bị cảm ứng (sensor), thiết bị thực thi: Thiết bị mang dữ liệu (Data carrierring device): Một thiết bị mang thông tin được gắn vào một Physical Thing để gián tiếp kết nối các Physical Things với các mạng lưới thông tin liên lạc.– Thiết bị thu thập dữ liệu (Data capturing device): Một device thu thập dữ liệu có thể được đọc và ghi, đồng thời có khả năng tương tác với Physical Things. Sự tương tác có thể xảy ra một cách gián tiếp thông qua device mang dữ liệu, hoặc trực tiếp thông dữ liệu gắn liền với Physical Things. Trong trường hợp đầu tiên, các device thu thập dữ liệu sẽ đọc thông tin từ một device mang tin và có ghi thông tin từ các network và các device mang dữ liệu.– Thiết bị cảm ứng và thiết bị thực thi (sensing device and actuationdevice): Một device cảm nhận và device thực thi có thể phát hiện hoặc đo lường thông tin liên quan đến môi trường xung quanh và chuyển đổi nó sang tín hiệu dạng số. Nó cũng có thể chuyển đổi các tín hiệu kỹ thuật số từ các mạng thành các hành động (như tắt mở đèn, hù còi báo động …).

Nói chung, thiết bị và thiết bị thực thi kết hợp tạo thành một mạng cục bộ giao tiếp với nhau sử dụng công nghệ truyền thông không dây hoặc có dây và các gateway.General device đã được tích Luan van 6 hợp các network thông qua mạng dây hoặc không dây. General device bao gồm các thiết bị và dùng cho các domain khác nhau của IoT, chẳng hạn như máy móc, thiết bị điện trong nhà, và smart phone.3: Phân loại, so sánh massive IoT và critical IoT [25] Dựa vào loại ứng dụng cung cấp, hệ sinh thái IoT phân ra hai loại là critical IoT và massive IoT (hình 1. Massive IoT là các ứng dụng yêu cầu công suất, chi phí, dữ liệu thấp, số lượng kết nối lớn. Critical IoT là các ứng dụng yêu cầu độ tin cậy siêu cao, độ trễ cực thấp và độ khả dụng rất cao [25].

Kiến trúc và mô hình mạng kết nối vô tuyến IoT Ở phần mạng truy cập, kiến trúc mạng chung mạng kết nối vô tuyến Internet vạn vật - IoT sử dụng các công nghệ không dây khác nhau, trong đó các thành phần IoT đa dạng đang được kết nối với các thành phần mạng 3GPP. Sự hình thành các mạng IoT là từ các kết nối máy tới máy (Machine to Machine – M2M hoặc MTC - Machine Type Communications), các thiết bị kết nối tới gateway và máy chủ IoT. Trong đó tất cả các thiết bị chuyển dữ liệu thu thập nhận thông tin của họ đến máy chủ IoT thông qua một thực thể trung gian là một IoT gateway [7]. Kiến trúc chung của một mạng kết nối IoT được đưa ra ở hình 1.

Luan van 7 Hình 1.4: Kiến trúc chung mạng kết nối IoT [7] IoT có khả năng kết nối hàng tỷ thiết bị không đồng nhất qua Internet. Do đó, cần có kiến trúc lớp linh hoạt, số lượng kiến trúc mạng đề xuất ngày càng tăng nhưng chưa có một kiến trúc mạng IoT chuẩn tham chiếu.5 đưa ra bốn mô hình mạng kết nối vạn vật IoT.5: Mô hình mạng kết nối IoT [9] Luan van 8 Lớp thực thể (Objects) hoặc lớp nhận thức (Preception), là các cảm biến vật lý của IoT nhằm thu thập và xử lý thông tin. Dữ liệu được tạo ra nhiều nhất ở lớp này, nó bao gồm các cảm biến và bộ dẫn động để thực hiện các chức năng khác nhau như truy vấn vị trí, nhiệt độ, trọng lượng, chuyển động, rung, tăng tốc, độ ẩm… Lớp nhận thức cơ chế plug an play được sử dụng để cấu hình các thiết bị không đồng nhất. Tại các lớp này các thông tin được số hóa và truyền đến lớp thực thể trừu tượng (Abstraction) thông qua các kênh bảo mật [9].

Lớp thực thể trừu tượng (Object Abstractions) truyền dữ liệu do lớp thực thể tạo ra tới tầng quản lý dịch vụ (Service Management) thông qua các kênh bảo mật. Dữ liệu có thể được truyền qua nhiều công nghệ khác nhau như RFID, 3G, GSM, UMTS, WiFi, Bluetooth Low Energy, hồng ngoại, ZigBee…. Ngoài ra, các chức năng khác như điện toán đám mây và tiến trình quản lý dữ liệu cũng được xử lý ở lớp này [9]. Lớp quản lý dịch vụ (Service Management) hoặc lớp Middleware ghép nối một dịch vụ với người dùng dựa vào địa chỉ và tên.

Lớp này cho phép lập trình viên ứng dụng IoT làm việc với các đối tượng không đồng nhất mà không xem xét đến một nền tảng phần cứng cụ thể. Ngoài ra, lớp này xử lý dữ liệu nhận được, đưa ra quyết định và phân phối các dịch vụ được yêu cầu qua các giao thức mạng hữu tuyến [9]. Lớp ứng dụng cung cấp các dịch vụ mà khách hàng yêu cầu. Ví dụ, lớp ứng dụng có thể cung cấp các phép đo nhiệt độ và độ ẩm không khí cho khách hàng yêu cầu dữ liệu đó.

Tầm quan trọng của lớp này cho IoT là nó có khả năng cung cấp các dịch vụ thông minh chất lượng cao để đáp ứng nhu cầu của khách hàng. Lớp ứng dụng bao gồm nhiều thị trường dọc như nhà thông minh, tòa nhà thông minh, giao thông vận tải, tự động hóa công nghiệp và chăm sóc sức khỏe thông minh [9]. Lớp nghiệp vụ quản lý các hoạt động và dịch vụ tổng thể của hệ thống IoT. Trách nhiệm của lớp này là xây dựng một mô hình nghiệp vụ, đồ thị, sơ đồ… dựa trên dữ liệu nhận được từ lớp ứng dụng.

Nó cũng được thiết kế, phân tích, đánh giá, theo dõi và phát triển các phần tử liên quan đến hệ thống IoT. Lớp nghiệp vụ giúp Luan van 9 có thể hỗ trợ các quy trình ra quyết định dựa trên phân tích dữ liệu lớn. Ngoài ra, việc giám sát và quản lý bốn lớp cơ bản đạt được ở lớp này. Hơn nữa, lớp này so sánh đầu ra của mỗi lớp với đầu ra dự kiến để nâng cao dịch vụ và duy trì quyền riêng tư của người dùng [9].

Các tiêu chuẩn công nghệ kết nối IoT trong băng tần thông tin di động Hiện nay 3GPP đã nghiên cứu, phát triển 03 tiêu chuẩn công nghệ IoT gồm: LTE-M (hay eMTC); NB-IoT (NarrowBand IoT) và EC-GSM-IoT (Extended Coverage-GSM-IoT). Các tiêu chuẩn này đã được công bố vào tháng 6 năm 2016 tại Release 13 của 3GPP [26].