Nghiên cứu hệ thống mạng ubiquitous và khả năng ứng dụng tại việt nam

Đây là hệ thống mạng sử dụng những công nghệ tiên tiến nhất để cung cấp cho người sử dụng các dịch vụ một cách thuận lợi nhất.. Đúng như theo ý nghĩa của từ Ubiquitous mọi lúc mọi nơi hệ

-

Nguyễn Kim Dung

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG MẠNG UBIQUITOUS VÀ KHẢ NĂNG

ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM

Chuyênngành: Kỹ thuật điện tử

Mãsố: 60.52.70

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI – 2012

Vàolúc: .giờ ngày tháng năm

Cóthểtìmhiểuluậnvăntại:

- ThưviệncủaHọcviệnCôngnghệBưuchínhViễnthông

LỜI NÓI ĐẦU

Hệ thống mạng Ubiquitous (mạng mọi lúc mọi nơi) đã bắt đầu và đang được các nhà khoa học thế giới nghiên cứu và phát triển Đây là hệ thống mạng sử dụng những công nghệ tiên tiến nhất để cung cấp cho người sử dụng các dịch vụ một cách thuận lợi nhất Đúng như theo ý nghĩa của từ Ubiquitous mọi lúc mọi nơi hệ thống mạng này sử dụng hệ thống mạng tiên tiến như mạng cảm biến, các thiết bị thông minh và công nghệ tối tân nhất để đáp ứng nhu cầu của con người một cách tự động, cho dù người đó đang ở đâu và vào lúc nào Ý tưởng của mạng này đang rất được các nhà khoa học trên thế giới chú trọng và nghiên cứu

để áp dụng rộng rãi

Tuy nhiên hệ thống mạng Ubiquitous đang được nghiên cứu tại Việt Nam và ứng dụng hạn chế Chính vì vậy, tác giả chọn đề tài nghiên cứu hệ thống mạng Ubiquitous và khả năng ứng dụng tại Việt Nam để cung cấp một cái nhìn tổng quan về mạng Ubiquitous, về tình hình phát triển của mạng Ubiquitous hiện nay trên thế giới và khả năng ứng dụng tại Việt Nam

Hệ thống mạng Ubiquitous là một hệ thống mạng tiên tiến, hỗ trợ tích cực cho việc phát triển các dịch vụ truyền thông Với xu hướng đang phát triển của Việt Nam, việc nghiên cứu

hệ thống mạng này và hướng ứng dụng tại Việt Nam là một nhu cầu cần thiết

Nội dung của luận văn gồm có 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống mạng Ubiquitous

Trong chương 1 tác giả đã giới thiệu và phân tích cấu hình của hệ thống mạng Ubiquitous và ứng dụng của mạng này tại Hoa Kỳ và tại Nhật Bản

Chương 2: Các công nghệ tiên tiến sử dụng trong Ubiquitous

Tác giả đã phân tích các công nghệ tiên tiến được sử dụng trong mạng Ubiquitous hiện nay Những công nghệ và các thiết bị thông minh này ngày càng được đưa ra nhiều hơn với nhiều tính năng mới hơn để áp dụng cho những dự án tầm vóc lớn đến nhỏ Hỗ trợ cho những công nghệ này là các thiết bị thông minh như thiết bị nhận dạng tần số sóng vô tuyến RFID và thiết bị cảm biến sensors Tác giả đã đi sâu vào phân tích thiết bị nhận dạng RFID

và cơ sở dữ liệu thông minh

Chương 3: Ứng dụng và triển khai mạng Ubiquitous tại Việt Nam

Tác giả đã phân tích và đánh giá tình hình phát triển của mạng Ubiquitous trên thế giới và sự cần thiết cũng như khuyến nghị về lộ trình phát triển mạng Ubiquitous tại Việt Nam

Tác giả còn thực thi một ứng dụng của mạng Ubiquitous cho việc ngăn ngừa tai nạn cho trẻ em Ứng dụng này cho thấy rằng việc áp dụng mạng Ubiquitous vào Việt Nam từ phạm vi nhỏ đến lớn đều rất quan trọng và làm cho cuộc sống của xã hội chúng ta phát triển tiện nghi hơn, hữu ích hơn và tự động hơn

Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo, TS Lê Nhật Thăng, các thầy cô trong Khoa Viễn Thông 1, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn Thông và các bạn đồng nghiệp trong Trung tâm Điện toán và Truyền số liệu VDC1 đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình làm luận văn

Do thời gian nghiên cứu có hạn nên luận văn không tránh khỏi sơ suất về nội dung và hình thức Kính mong nhận được sự góp ý của các thầy cô và các bạn bè đồng nghiệp

Hà Nội, ngày tháng năm 2012

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MẠNG UBIQUITOUS

Trong chương 1 tác giả giới thiệu và phân tích cấu hình của hệ thống mạng Ubiquitous và ứng dụng của mạng này tại Hoa Kỳ và tại Nhật Bản

Tại Hoa Kỳ, các ứng dụng của Ubiquitous đang được các nhà nghiên cứu quan tâm

và triển khai trong phạm vi từ nhỏ đến lớn Công nghệ tối ưu nhất được áp dụng đặc biệt trong lĩnh vực giao thông và sức khỏe

Nhật Bản từ lâu đã được công nhận là nhà cách tân hàng đầu trong lĩnh vực ICT, và hiện nay cũng là nước đi đầu trong việc phát triển tính toán và mạng khắp nơi (ubiquitous) Với một tầm nhìn tổng thể, Nhật Bản đã đề xuất và triển khai thành công các chiến lược quốc gia thích hợp với từng giai đoạn, có tính kế thừa cao như e-Japan, u-Japan, xây dựng được một cơ sở hạ tầng hiện đại cùng với rất nhiều dịch vụ tiên tiến Chính sách cạnh tranh, tăng tốc cải tiến dịch vụ mang lại nhiều kết quả Nhật Bản đặc biệt chú trọng đầu tư vào các lính vực thế mạnh của mình là điện tử gia dụng và điện thoại di động, mở rộng nghiên cứu

và phát triển trong lĩnh vực nhận dạng vô tuyến và mạng cảm biến nhằm hình thành một xã hội kết nối mọi lúc, mọi nơi Đi cùng với quá trình phát triển của dịch vụ và công nghệ là sự thành công trong nghiên cứu, xây dựng và ban hành các chính sách, quy định của nhà nước,

tổ chức các đơn vị quản lý nhà nước trong lĩnh vực ICT Nhật Bản có thể được xem như là hình mẫu cho các quốc gia khác trong việc hướng tới xã hội Ubiquitous

1.1 Giới thiệu hệ thống mạng Ubiquitous

Mạng Ubiquitous là mạng tính toán khắp nơi tại bất cứ thời điểm nào Hệ thống mạng này sử dụng rất nhiều thiết bị và hệ thống tiên tiến phục vụ chúng ta một cách tự động Trước đây con người nghiên cứu và đưa ra những công nghệ phục vụ con người nhưng con người phải điều khiển và vận hành chúng Cùng với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, cuộc sống của con người dần phụ thuộc vào máy móc Sự ra đời của hệ thống mạng Ubiquitous giúp con người bớt phụ thuộc vào máy móc và công nghệ Bằng cách sử dụng các thiết bị và công nghệ tiên tiến nhất, mạng Ubiquitous hướng tới máy móc tự động phục

vụ con người Mạng Ubiquitous lý tưởng là khiến cho máy móc và công nghệ trở nên tự nhiên khiến chúng ta sử dụng chúng mà thậm chí không phải suy nghĩ [1] Mark Weiser là người đầu tiên đưa ra ý tưởng về hệ thống mạng Ubiquitous vào năm 1990 [2]

Nếu máy tính có ở khắp mọi nơi và thực sự hữu dụng trong mạng Ubiquitous, chúng phải đủ nhỏ và có khả năng liên lạc với nhau Sự phát triển của công nghệ hỗ trợ những mục đích này là công nghệ nano và công nghệ mạng vô tuyến

Một xu hướng tối giản các thành phần máy tính xuống tỷ lệ phân tử được biết đến là công nghệ nano Công nghệ nano là công nghệ trung tâm của chip điện tử Trong hệ thống Ubiquitous, mạng vô tuyến được sử dụng để kết nối các thành phần máy tính Mạng vô tuyến được sử dụng để phát triển các ứng dụng với giao diện trong suốt

1.2 Các ứng dụng của mạng Ubiquitous

1.2.1 Ứng dụng mạng Ubiquitous tại Hoa Kỳ

Mỹ là một trong những đất nước đi đầu trong ứng dụng và phát triển công nghệ truyền thông Đây là một trong những quốc gia có tỷ lệ số người dùng Internet di động cao nhất, đi đầu trong việc triển khai các ứng dụng mạng tiên tiến nhất Với những lợi thế này, Mỹ đã triển khai nhiều giải pháp để có thể phát triển mạng tính toán khắp nơi Ubiquitous

1.2.1.1 Cấu trúc mạng Ubiquitous tại Hoa Kỳ

Hình 1.3: Kiến trúc hệ thống mạng Ubiquitous

Hệ thống mạng Ubiquitous bao gồm các thiết bị máy tính nhỏ, các thiết bị cảm biến được đặt trong rất nhiều đối tượng và nơi khác nhau Các thiết bị này liên lạc với nhau qua mạng vô tuyến và xử lý thông tin một cách tự động để cung cấp những dịch vụ hữu dụng cho người sử dụng như là điều khiển hiệu năng môi trường và cung cấp thông tin tự động

Như kiến trúc hệ thống mạng Ubiquitous chỉ ra trong hình 1.3, với ba lớp mạng: mạng cảm biến hay các thẻ nhận diện, mạng truy nhập và mạng lõi

Hệ thống mạng Ubiquitous có thể cung cấp nhiều dịch vụ khác nhau Ví dụ như hệ thống điều khiển điều hòa để tạo ra môi trường thoải mái cho từng cá nhân Hệ thống Ubiquitous tự động kiểm tra sự liên quan của các thuốc để đưa ra lời khuyên cho các bé một cách hiệu quả nhất Hệ thống hiểu nơi nào và khi nào một vật phẩm được sản xuất Hệ thống hiểu được bạn đang ở đâu Thậm chí hệ thống có thể hỗ trợ tiếng nước ngoài cho các du khách nước ngoài Hệ thống có thể hiểu chính xác vị trí của đối tượng để cung cấp cho người sử dụng một cách chính xác và tiện lợi Hệ thống còn đi vào phục vụ cho những người khiếm thị hay khiếm thính để phục vụ họ tốt hơn cũng là để giảm bớt gánh nặng cho cộng đồng

1.2.1.2 Các ứng dụng của mạng Ubiquitous tại Mỹ

Mạng Ubiquitous quản lý cuộc gọi trong khách sạn

Hình 1.5 chỉ ra ví dụ về mạng Ubiquitous dựa vào giao thức SIP trong môi trường khách sạn Trong cấu hình này, mạng của khách sạn là chứa thông tin của khách hàng SLP server cung cấp thông tin về các dịch vụ có giá trị như là địa chỉ SIP của các thiết bị audio hay video trong phòng của khách hay các thiết bị của khách SIP server trong phòng khách

có thể liên lạc với server AAA chính để chứng thực khách và thực thi chứng thực để sử dụng các dịch vụ trong môi trường Ví dụ, SIP server có thể cho phép khách sử dụng các thiết bị trong phòng của cô hay anh ấy nhưng không phải những thiết bị vốn có trong phòng hội thảo của khách sạn

Hình 1.5: Hệ thống Ubiquitous dựa vào SIP trong khách sạn

1.2.2 Ứng dụng mạng Ubiquitous tại Nhật Bản

Nhật Bản cũng là một trong những đất nước đi đầu trong ứng dụng và phát triển công nghệ truyền thông Nhật cũng là một trong những nước đi đầu trong việc triển khai các ứng dụng 4G, và cũng là quốc gia đầu tiên khai thác các dịch vụ thương mại dựa trên chuẩn W-CDMA cùng với cơ sở hạ tầng dịch vụ truy nhập băng rộng phát triển và có giá thành rẻ Cùng với sự phát triển của các thiết bị di động, mạng cảm biến và các hệ thống RFID, Nhật Bản đã có các chương trình phát triển và ứng dụng được triển khai trong thực tế

1.2.2.1 U-Japan (Ubiquitous net Japan)

Mạng Ubiquitous của Nhật là nơi các giao tiếp quang, di động và điện tử được kết nối đến một mạng Với yêu cầu này thì bắt buộc phải liên quan đến mạng quốc tế Để thực

tế hóa được mục tiêu này, tập trung vào ba lĩnh vực công nghệ: công nghệ mạng vi xử lý, công nghệ nhận thực mạng Ubiquitous và công nghệ quản lý và điều khiển mạng

Ubiquitous Khái niệm U-Japan được hình thành dựa trên 4 nguyên tắc cơ bản: Ubiquitous,

Universal, Unique, User – Oriented

Hình 1.11 Mô hình phân lớp của mạng Ubiquitous

Chúng ta có thể thấy mô hình phân lớp chi tiết của mạng Ubiquitous qua hình 1.11 sau với lớp mạng, lớp đầu cuối, lớp nền và lớp giải pháp

Lộ trình của dự án triển khai mạng Ubiquitous tại Nhật từ năm 2002 đến 2010 cho thấy Nhật Bản thực sự là một trong những nước đi đầu trong sự phát triển mạng Ubiquitous cùng với Mỹ Việt Nam sẽ phải học tập nhiều để có được lộ trình phát triển nhanh và hiệu quả như vậy

1.2.2.2 Hệ thống mạng Ubiquitous Ucode tại Tokyo

Hình 1.14 chỉ ra mô hình ứng dụng của mạng Ubiquitous tại Nhật Bản Dự án Ubiquitous Ucode này là dự án hỗ trợ việc du lịch một cách tự động và đã được triển khai

và kiểm nghiệm tại Tokyo Dự án còn xây dựng rất nhiều dịch vụ Ubiquitous để phục vụ trong cả công nghiệp cũng như cá nhân những người khiếm thị hay khiếm thính, là công cụ

hỗ trợ tự động rất tốt cho người nước ngoài đến đây du lịch

Đối với bất kỳ đối tượng nào như sản phẩm product, chúng ta cần phải tích hợp thiết bị nhận dạng ví dụ như RFID trong sản phẩm đó, để thiết bị nhận dạng này có thể gửi thông tin của đối tượng như vị trí, đặc tính hay bất kỳ đặc điểm nào khác đến thiết bị giao tiếp Ubiquitous Thiết bị giao tiếp Ubiquitous này sẽ liên lạc và trao đổi với các server chứa thông tin hay ucode để nhận định môi trường, thông tin dịch vụ hay thông tin hữu ích khác

để cung cấp dịch vụ Ubiquitous một cách tự động và hiệu quả

Hình 1.14: Mô hình ứng dụng của mạng Ubiquitous tại Nhật Bản

CHƯƠNG 2 CÁC CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN SỬ DỤNG TRONG

UBIQUITOUS

Tác giả phân tích các công nghệ tiên tiến được sử dụng trong mạng Ubiquitous hiện nay Những công nghệ và các thiết bị thông minh này ngày càng được đưa ra nhiều hơn với nhiều tính năng mới hơn để áp dụng cho những dự án tầm vóc lớn đến nhỏ Trong chương 2 này, tác giả đã phân tính công nghệ tiên tiến được sử dụng phổ biến nhất hiện nay trong mạng ubiquitous Hỗ trợ cho những công nghệ này là các thiết bị thông minh như RFID và thiết bị cảm biến sensors Tác giả đã đi sâu vào phân tích thiết bị nhận dạng RFID và cơ sở

dữ liệu thông minh Dựa vào những công nghệ tiên tiến, cơ sở dữ liệu thông minh, các thiết

bị cảm biến sensors và các thiết bị thông minh, các ứng dụng của mạng Ubiquitous sẽ được triển khai và mang lại nhiều tiện ích cho con người

2.1 Mạng cảm biến

Hình 0.1 Một ví dụ về cấu hình mạng cảm biến Một mạng cảm biến sẽ bao gồm một số thiết bị cảm biến không dây, các thiết bị cảm biến không dây này bao gồm các bộ cảm biến, một nguồn cấp, thành phần giao tiếp không dây và một server để tập hợp các dữ liệu từ bộ cảm biến Mỗi thiết bị cảm biến không dây đóng vai trò của một node trong mạng, vì vậy nó kèm theo chức năng định tuyến và chức năng multi-hop để chuyển tiếp dữ liệu Topo của mạng có thể là dạng hình sao, dạng cây cluster hay dạng mesh (hình 2.1)

Ngày nay với sự phát triển của khoa học công nghệ các nhà khoa học bắt đầu tạo ra những thiết bị cảm biến với kích thước siêu nhỏ và đa tính năng để đáp ứng được việc nhận diện môi trường xung quanh nhiều hơn Các thiết bị cảm biến này được đặt trong các đối tượng hoặc vị trí để nhận biết sự thay đổi của đối tượng hay môi trường Thông tin cảm biến

có thể là nhiệt độ, vị trí, tốc độ, sự di chuyển hay là khoảng cách.Mạng cảm biến trong hệ thống ubiquitous (Ubiquitous Sensor Network - USN) sử dụng các thiết bị cảm biến để phát hiện và nhận biết sự thay đổi trạng thái của đối tượng và môi trường xung quanh

2.2Công nghệ RFID

Khái niệm

RFID (Radio Frequency Identification) là công nghệ nhận dạng bằng sóng radio Công nghệ này cho phép các máy tính nhận biết các đối tượng thông qua hệ thống thu nhận sóng radio, từ đó có thể giám sát, quản lý và lưu vết từng đối tượng riêng rẽ khi chúng được

di chuyển giữa các vị trí vật lý khác nhau

Để quản lý một đối tượng, người ta gắn vào nó một thẻ có khả năng thu/phát tín hiệu radio, đồng thời sử dụng một anten để tiếp nhận tín hiệu này Nội dung của tín hiệu thu được sẽ được anten chuyển về hệ thống thông tin quản lý đối tượng, thông thường là một hệ thống máy tính phân tán Dựa vào thông tin đó, hệ thống có thể biết được đối tượng đang ở đâu, trạng thái ra sao, đồng thời có thể cập nhật các thông tin cần thiết lên thẻ

Công nghệ RFID sử dụng giao tiếp không dây để truyền dữ liệu từ thẻ RFID (RFID tag) đến bộ đọc Thẻ RFID được gắn vào đồ vật cần được nhận dạng Bộ đọc sẽ đọc dữ liệu lưu trên thẻ và gửi thông tin đến cơ sở dữ liệu như chỉ ra trong hình 2.6

Hình 2.6 Các thành phần chính của một hệ thống RFID

Sử dụng công nghệ RFID trong hệ thống mạng Ubiquitous

Hệ thống Ubiquitous có thể thực thi công nghệ RFID để tích hợp vào trong các thiết bị tính toán, nhận dạng và liên kết trong những đối tượng khác nhau Các ứng dụng của