Nghiên cứu các giải pháp kết nối vạn vật IoT trong mạng thông tin di động thế hệ mới (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu các giải pháp kết nối vạn vật IoT trong mạng thông tin di động thế hệ mới (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu các giải pháp kết nối vạn vật IoT trong mạng thông tin di động thế hệ mới (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu các giải pháp kết nối vạn vật IoT trong mạng thông tin di động thế hệ mới (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu các giải pháp kết nối vạn vật IoT trong mạng thông tin di động thế hệ mới (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu các giải pháp kết nối vạn vật IoT trong mạng thông tin di động thế hệ mới (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu các giải pháp kết nối vạn vật IoT trong mạng thông tin di động thế hệ mới (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu các giải pháp kết nối vạn vật IoT trong mạng thông tin di động thế hệ mới (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu các giải pháp kết nối vạn vật IoT trong mạng thông tin di động thế hệ mới (Luận văn thạc sĩ)
Trang 1Nguyễn Thị Quyên
NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP KẾT NỐI VẠN VẬT IoT TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI
Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 8.52.02.08
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS TRƯƠNG TRUNG KIÊN
Hà Nội, 10/2017
Trang 2Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
Người hướng dẫn khoa học: TS TRƯƠNG TRUNG KIÊN
Phản biện 1: TS DƯ ĐÌNH VIÊN
Phản biện 2: TS NGUYỄN NGỌC MINH
Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lúc: 10 giờ 20 ngày 06 tháng 01 năm 2018
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Trang 3MỞ ĐẦU
Ngành công nghiệp di động đang trong quá trình chuyển đổi lớn, tạo
ra nhiều năng lực mới sẽ mang lại lợi ích cho các doanh nghiệp và xã hội nói chung Bước từ 3G sang 4G là kịch tính, và những tiến bộ mà ngành công nghiệp đang phát triển, ban đầu ở LTE và sau đó là 5G, thậm chí còn lớn hơn nữa
Nhiều yếu tố đang tương tác để thúc đẩy quá trình chuyển đổi băng thông rộng di động, nhưng các yếu tố đóng vai trò quan trọng nhất là những khả năng mới kết nổi cho IoT, các tiến bộ radio cấp phép truy cập vào phổ tần xa hơn, các cell nhỏ sẽ đóng một vai trò lớn hơn, các kiến trúc mạng mới thúc đẩy chức năng ảo hóa mạng và mạng được xác định bởi phần mềm và các phương tiện mới để sử dụng phổ tần không có giấy phép Ngoại trừ quyền truy cập dải tần số cao, mục tiêu 5G, những tiến bộ này
áp dụng cho cả LTE và 5G.Các mạng chuyển đổi này sẽ có nghĩa là hàng triệu, và cuối cùng là hàng tỉ người, các kết nối không dây sẽ là những kết nối duy nhất mà mọi người cần Các mạng lưới này cũng sẽ cung cấp nền tảng cho toàn bộ ngành công nghiệp mới, những lĩnh vực chưa được hình thành
Trang 4Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THEO HỌ CÔNG NGHỆ
3GPP
1.1 Sự phát triển của các thế hệ mạng thông tin di động từ 2G đến 5G trong họ công nghệ 3GPP
Mặc dù ngành công nghiệp đang chuẩn bị cho 5G, khả năng LTE sẽ tiếp tục cải thiện trong LTE-Advanced Pro trong suốt thập kỷ còn lại Nhiều trong số những cải tiến này sẽ đi qua các khoản đầu tư mạng gia tăng Với phạm vi cơ sở hạ tầng không dây toàn cầu, được đo bằng hàng trăm tỷ đô la, cung cấp cho người dùng dịch vụ giá cả phải chăng nhất đòi hỏi các nhà khai thác phải tận dụng các khoản đầu tư mà họ đã thực hiện 5G cuối cùng sẽ đóng một vai trò quan trọng, nhưng nó phải được tính thời gian một cách hợp lý để khả năng nhảy lên có thể biện minh cho việc đầu
tư mới Nhiều tính năng được lên kế hoạch cho 5G trên thực tế có thể được triển khai dưới dạng mở rộng của LTE-Advanced Pro trước khi có sẵn 5G đầy đủ
Một mạng lưới sợi d y hội tụ mà sử dụng lần đầu ti n truy cập Internet không d y, các băng sóng mm -6 Ghz để cho ph p các k nh vô tuyến băng thông rộng có thể h trợ tốc độ truy cập dữ liệu l n tới Gbit s Các kết nối cơ bản bao gồm các li n kết ng n không d y ở đầu sợi cáp quang tại địa phương
Trang 51.2 Các đặc điểm kỹ thuật chính của các thế hệ mạng thông tin di động 3GPP LTE-Advanced/LTE-Advanced Pro
1.2.1 Ghép sóng mang
Việc ghép sóng mang là một trong những tính năng quan trọng nhất của LTE-A phiên bản để tăng tổng băng thông có sẵn cho một thiết bị
di động và do đó đạt được tốc độ bit tối đa M i sóng mang kết hợp gọi là một sóng mang thành phần CC (Component Carrier), sóng mang thành phần có thể có băng thông ,4MHz; 3MHz; 5MHz; MHz; 5MHz hoặc 20MHz cuối
1.2.2 VoLTE
Cho phép các nhà khai thác tung ra gói tin thoại dựa trên hạ tầng mạng 4G LTE mà không phải định tuyến thoại về phía mạng 3G hoặc mạng 2G
1.2.3 Kỹ thuật phối hợp đa điểm
Kỹ thuật này sẽ giúp cải thiện hơn nữa tín hiệu và tăng tốc độ dữ liệu tại rìa cell, nơi mà có thể khó có được một kết nối tốt
1.2.4 Tăng cường hỗ trợ cho IoT:
Rel.13 sẽ mang lại cho Category M1 các thiết bị có chi phí thấp, cùng với IoT băng hẹp (NB-IoT), một phiên bản của giao diện radio LTE dành riêng cho các thiết bị IoT, gọi là Category NB1
1.2.5 Hỗ trợ HetNet
HetNet – Heterogeneous network mạng phức hợp, giúp giải quyết hiện tượng nghẽn mạng bằng kỹ thuật điều khiển giảm can nhiễu tăng cường giữa các tế bào được sử dụng trong hệ thống
1.3 Kết luận chương
Trang 6Sự phát triển các tiêu chuẩn 3GPP nằm trong ba lĩnh vực chính: giao diện vô tuyến, mạng lõi và dịch vụ 3GPP phát triển các thông số kỹ thuật trong các phiên bản, với m i phiên bản giải quyết nhiều công nghệ M i bản phát hành th m các tính năng mới và cải thiện hiệu suất của các chức năng hiện có bằng nhiều cách khác nhau
Trang 7CHƯƠNG 2 – TỔNG QUAN VỀ MẠNG KẾT NỐI VẠN
VẬT 2.1 Các yếu tố thúc đẩy thị trường IoT
2.1.1 Thị trường chính của IoT
IoT chứa đựng nhiều cơ hội kinh doanh Nó được xem xét thông qua
5 lĩnh vực chính: kết nối các thiết bị mang theo, ô tô, nhà, thành phố đèn giao thông, cột điện cao áp, đèn chiếu sáng… , và các khu công nghiệp mạng thông minh (Các nhà máy, phương tiện công cộng, dầu khí, sức khỏe…
2.1.2 Các dự đoán thị trường IoT
Các giao tiếp IoT được thiết lập để tăng trưởng trong tương lai gần Cisco ước tính rằng số lượng thiết bị kết nối trên toàn thế giới sẽ tăng từ
15 tỷ lên 50 tỷ vào năm Intel thậm chí còn lạc quan hơn, tuy n bố rằng hơn tỷ thiết bị sẽ được kết nối Mặc dù những dự báo khổng lồ này đại diện cho tất cả các dạng kết nối không dây, với sự gia tăng băng thông rộng di động, kết nối di động ngày càng trở nên có giá trị như một phương pháp truy cập quan trọng cho IoT
2.2 Các yêu cầu kỹ thuật đối với mạng IoT
2.2.1 Yêu cầu chung
- Các thiết bị có chi phí thấp cần được tích hợp không chỉ trong một mô-đun chip mà còn với các bộ cảm biến và bộ truyền động trong các thiết bị
hàng ngày, bao gồm cả các thiết bị mang theo
- Hệ thống tiết kiệm năng lượng, cho phép vận hành tự động tối đa các thiết bị IoT với kích thước pin nhỏ Yêu cầu này cũng li n quan đến tổng chi phí sở hữu (TCO), do thay thế pin có liên quan trực tiếp với hệ thống OPEX
Trang 8- Triển khai bao phủ rộng kh p Việc triển khai mạng có thể đảm bảo
độ che phủ ngoài trời và trong nhà cao cả và các mạng lưới với định tuyến tự định hướng là cốt lõi của công nghệ này cho phép triển khai các nút mạng mới
- Khả năng mở rộng, được xem xét số lượng thiết bị lớn có thể được triển khai tại các nơi mật độ dày đặc như các trung t m thành phố, và dự kiến
tang trưởng của các thiết bị được kết nối tăng theo hàm mũ
2.2.2 Nghiên cứu các yêu cầu 3GPP
- Giảm độ phức tạp (thách thức 1: giá thành thiết bị thấp): Mức độ phức tạp liên quan trực tiếp đến chi phí thiết bị, chi phí modem có thể không phải là ảnh hưởng chính trong tổng chi phí của một thiết bị với sự xem
xét tới pin, bộ cảm biến /thiết bị truyền động
- Cải thiện hiệu suất năng lượng (thách thức: Hệ thống tiết kiệm năng lượng): Mục đích là để kéo dài tuổi thọ cho Pin của các thiết bị IoT
Đo lường được đưa vào trong 3GPP là thời gian thiết bị có thể được kết nối bằng cách sử dụng 5 Wh (Watt - giờ) của pin trong các bài toán
khác nhau
- Cải thiện độ bao phủ trong nhà (thách thức: bao phủ rộng kh p): Mục đích là để đưa ra độ bao phủ trong nhà s u hơn, cũng như độ bao phủ
trong tầng hầm, từ các trạm cơ sở đã được triển khai trước đó
- H trợ số lượng lớn các thiết bị thông lượng thấp (thách thức: Khả năng mở rộng)
2.3.3 Những yêu cầu cao hơn
Mô hình lưu lượng truy cập thông lượng và chu kỳ hoạt động)
Nhu cầu nhận dạng/an ninh
Dễ cài đặt
SLA: thỏa thuận mức dịch vụ
Độ tin cậy
Trang 9 Các quy định
2.3 Kết luận chương
Trong một môi trường mà lưu lượng truyền dẫn của các ứng dụng là tương đối nhỏ nhưng có hàng tỉ thiết bị được kết nối với nhau theo cùng một cách như IoT thì 3GPP đã thực hiện những bước tiến công nghệ lớn nhằm đáp ứng các yêu cầu về kết nối của IoT Các cải tiến như giảm giá thành thiết bị, tăng tuổi thọ pin, tăng vùng phủ sóng, h trợ lượng lớn kết nối IoT
đã được 3GPP đề xuất trong các Release mới (11, 12, và 13) thông qua một
số công nghệ mới như NB-IoT IoT băng hẹp), chế độ tiết kiệm Pin/ hoặc chức năng tiếp nhận gián đoạn mở rộng (eDRX)
Trang 10CHƯƠNG 3 – NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP KẾT NỐI IoT TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ
MỚI
3.1 Các giải pháp trong mạng thông tin di động LTE-Advanced Rel.12
3.1.1 Thông tin dạng máy (MTC-Machine Type Communications)
Trong Rel.12, một UE mới - UE Category 0 - được đưa ra để giải quyết chi phí thấp độ phức tạp của mục tiêu thiết kế Các khả năng của UE được xác định như sau
- Giảm tốc độ dữ liệu với Kích thước Block tối đa TBS là bit cho các bit unicast và 6 bit để truyền tin
- Phân chia tần số mới song công/bán song công với thời gian chuyển đổi thoải mái
- Đơn anten với tốc độ dữ liệu giảm
- Tùy chọn (MBMS-Multimedia Broadcast Multicast Services) h trợ với PMCH – Physical Multicast Channel (TBS) của 4584 bit
3.1.2 Chế độ tiết kiệm công suất
Chế độ tiết kiệm công suất (PSM) là một chế độ công suất thấp mới cho phép thiết bị bỏ qua các chu kỳ giám sát giữa các lần chủ động truyền dữ liệu, cho phép thiết bị đi vào trạng thái ngủ sâu
Hình 3.1 Chế độ tiết kiệm công suất (PSM) Rel-12
Trang 113.2 Các giải pháp trong mạng LTE-Advanced Pro Rel.13
3.2.1 Mở rộng vùng phủ
Mở rộng vùng phủ được định nghĩa cho các người dùng UEs băng thông giảm (BL) và các danh mục người dùng cao hơn
Hình 3.2 Mở rộng vùng phủ trong Rel-13
3.2.2 Thông tin dạng máy tăng cường (eMTC-enhanced MTC)
Cat-M1 (eMTC) cung cấp tốc độ dữ liệu l n đến 1Mbps chỉ sử dụng băng thông 1,08MHz eMTC h trợ chế độ song công FDD, bán song công FDD và TDD, và nó có thể được triển khai trong bất kỳ dải phổ LTE nào Cat-M cũng
có thể h trợ thoại (thông qua Voice over LTE (VoLTE) và khả năng di động đầy đủ, và được thiết kế để phù hợp với lưu lượng LTE thông thường (Cat-0 trở lên)
3.2.3 IoT băng hẹp
NB-IoT mở rộng phạm vi bao phủ vượt ra ngoài eMTC (Cat-M l n đến
164 dB MCL mà có thể tiếp cận các thiết bị IoT được triển khai tại những địa điểm đầy thách thức NB-IoT làm giảm hiệu quả phổ và độ trễ của đường lên liên kết để tăng hiệu suất phủ sóng một cách hiệu quả mà không làm tăng công suất ra sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến tuổi thọ pin của thiết bị
Trang 123.3 Các giải pháp trong mạng LTE-Advanced Pro Rel-14
3.3.1 Cải tiến trong MTC
Mặc dù CIoT cung cấp một cơ hội đáng kể cho các nhà khai thác di động nhưng vần cần có các cải tiến Trong Rel-14, sẽ có thêm những cải tiến trong các lĩnh vực định vị, quảng bá, di động, tốc độ dữ liệu và VoLTE
Vì việc định vị và theo dõi thiết bị rất quan trọng trong IoT, cần phải xem xét, nghiên cứu và cải tiến các thông tin li n quan đến việc đo thời gian truyền
và nhận Tính năng này cũng sẽ tính đến độ phức tạp và mức ti u hao năng lượng của UE đối với thời gian đến khác nhau (OTDOA Đặc biệt, 3GPP RAN4 và RAN1 sẽ cân nh c và cải tiến dựa trên các thông số sử dụng để định
vị Cải tiến CID nâng cao (E-CID) và xem xét các tín hiệu tham chiếu (RSRP)
và chất lượng tín hiệu tham chiếu RSRQ Như đã lưu ý trước đó, OTDOA sẽ được kiểm tra cũng như ECID cho đo lường khoảng cách thời gian Rx-Tx của
UE Các tính năng mới trong OTDOA bao gồm cấu hình PRS để cải tiến sử dụng tài nguyên và nhảy tần số PRS để định vị được chính xác
3.3.2 Cải tiến trong NB-IoT
IoT băng hẹp đã trở thành tiêu chuẩn trong 3GPP Rel-13 và các yêu cầu
về độ phủ sóng được cải tiến trong nhà, độ nhạy cho thiết bị và h trợ một số lượng lớn các thiết bị có thông lượng thấp Thị trường IoT đã tăng đáng kể cho phép chức năng 3GPP Rel-13 NB-IoT h trợ thoại không phải thời gian thực và
để mở rộng chi phí cực thấp vào thị trường IoT Các trường hợp sử dụng cho NB-IoT bao gồm các ứng dụng như tòa nhà thông minh và các thành phố, theo dõi tài sản, các tiện ích nông nghiệp và giám sát môi trường Dựa vào kỳ vọng của thị trường, các loại máy truyền thông đang có nhu cầu cao của các nhà điều hành và các chính phủ từ góc độ toàn cầu Để đáp ứng, NB-IoT sẽ được tăng cường để mở rộng h trợ vào một số tính năng 3GPPLTE, chẳng hạn như định
vị vị trí và đa điểm
Trang 13Rel- 4 cũng sẽ h trợ định vị, multicast, cải tiến khối tài nguyên vật lý non-anchor, và sự cải tiến tính liên tục và tính di động và dịch vụ
3.3.3 Yêu cầu RF NB-IoT với CDMA
Một số dải ưu ti n cao đã được chấp nhận trong 3GPP Rel-13 cho NB-IoT; các dải được chấp nhận là 1,2,3,5,8,12,13, 17, 18, 19, 20, 26, 28 và 66 3GPP RAN4 đang làm việc để hoàn thành các yêu cầu cho NB-IoT RF Đ y là một cuộc cạnh tranh về công nghệ, cần phải xem x t để giải quyết những thách thức và cùng tồn tại các công nghệ khác trên thị trường hiện nay, trong trường hợp này là CDMA
3.3.4 Nghiên cứu về nhu cầu cho đa điểm truy cập
3GPP đã hoàn thành nghi n cứu về sự cần thiết của đa điểm truy nhập (APNs) Nghiên cứu xem x t các trường hợp sử dụng cho ô tô, thiết bị người sử dụng trong xe và cung cấp dịch vụ M2M quốc tế cho khách hàng doanh nghiệp
3.3.5 Tăng cường mạng lõi chuyên dụng
Mạng Lõi cung cấp cho UE các thông tin nhận dạng DCN có liên quan đến PLMN thu được từ thuê bao tại lần đính kèm lần đầu tiên tới một VPLMN
UE lưu trữ danh tính DCN tương ứng với PLMN, và UE cung cấp nhận dạng DCN cho mạng khi nó kết nối lại với PLMN, để RAN có thể sử dụng thông tin này để định tuyến tín hiệu UE tới một MME có thể phục vụ cho UE UE cũng
có thể được cấu hình với nhận dạng DCN mặc định để loại bỏ khả năng định tuyến lại tín hiệu của mạng lõi và các thành phần đầu tiên của PLMN
3.4 Các giải pháp dự kiến trong mạng vô tuyến mới cho mạng 5G
Mở rộng các tiêu chuẩn IoT Rel-13/14, 5G nhằm mục đích tinh chỉnh các yêu cầu và các chỉ số quan trọng (KPIs) kết hợp với các trường hợp sử dụng chính 5G IoT (xem hình 3.14) Các chi tiết được bổ sung sẽ bao gồm như tần số sóng mang, tích hợp băng thông hệ thống, bố cục mạng / khoảng cách Inter-site (ISD), Trạm gốc (BS)/ Các yếu tố của anten UE, phân bố UE/tốc độ, và dịch
vụ
Trang 14Hình 3.3 Các đặc điểm kỹ thuật 5G cho các trường hợp sử dụng IoT chính
- Độ tin cậy Độ tin cậy cơ sở được đánh giá là xác suất thành công của việc truyền X byte trong vòng ms, đó là thời gian để cung cấp một gói dữ liệu nhỏ từ lớp giao thức vô tuyến 3 điểm truy cập dữ liệu dịch vụ (SDI) tới lớp giao thức vô tuyến 2/3 SDU của giao diện vô tuyến, với chất lượng kênh xác định (ví dụ vùng phủ sóng) Thông số kỹ thuật 5G cần giúp đạt được xác suất thành công của 1-10-5 cho X byte (ví dụ: 20 byte) với độ trễ của người dùng là 1ms
- Độ trễ Đối với mạng 5G, độ trễ mong muốn cho người sử dụng không được vượt quá ,5 ms đối với UL và ,5 ms đối với DL Hơn nữa, nếu
có thể, độ trễ phải đủ thấp để h trợ việc sử dụng truy cập 5G như một công nghệ truyền không dây Yêu cầu eMBB cho độ trễ của người dùng nên là 4ms cho UL và 4ms cho DL
- Tiết kiệm pin và tối ưu nguồn UICC cho MTC: 5G sẽ giúp xác định xem cần có một cơ chế mới cho UICC và sẽ xác định các yêu cầu dựa trên những phát hiện đó Điều này sẽ bao gồm các khuyến nghị về bối cảnh tối
ưu cụ thể li n quan đến khoảng thời gian tiết kiệm công suất; thêm nữa, đề nghị cũng lưu ý bất kỳ sự tương tác nào với các cơ chế khác Đối mMTC, thời lượng pin UE trong độ bao phủ mở rộng hoạt động truyền dữ liệu di động ban đầugồm 200 byte UL m i ngày và 20byte DL từ MCL 164dB, với dung lượng lưu trữ là 5Wh