Nghiên cứu 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 (Luận văn thạc sĩ)

Nghiên cứu đề xuất phương án phân bổ băng tần 915925 MHZ hỗ trợ triển khai mạng kết nối Internet vạn vật – IOT tại Việt NamNghiên cứu đề xuất phương án phân bổ băng tần 915925 MHZ hỗ trợ triển khai mạng kết nối Internet vạn vật – IOT tại Việt NamNghiên cứu đề xuất phương án phân bổ băng tần 915925 MHZ hỗ trợ triển khai mạng kết nối Internet vạn vật – IOT tại Việt NamNghiên cứu đề xuất phương án phân bổ băng tần 915925 MHZ hỗ trợ triển khai mạng kết nối Internet vạn vật – IOT tại Việt NamNghiên cứu đề xuất phương án phân bổ băng tần 915925 MHZ hỗ trợ triển khai mạng kết nối Internet vạn vật – IOT tại Việt NamNghiên cứu đề xuất phương án phân bổ băng tần 915925 MHZ hỗ trợ triển khai mạng kết nối Internet vạn vật – IOT tại Việt NamNghiên cứu đề xuất phương án phân bổ băng tần 915925 MHZ hỗ trợ triển khai mạng kết nối Internet vạn vật – IOT tại Việt NamNghiên cứu đề xuất phương án phân bổ băng tần 915925 MHZ hỗ trợ triển khai mạng kết nối Internet vạn vật – IOT tại Việt NamNghiên cứu đề xuất phương án phân bổ băng tần 915925 MHZ hỗ trợ triển khai mạng kết nối Internet vạn vật – IOT tại Việt NamNghiên cứu đề xuất phương án phân bổ băng tần 915925 MHZ hỗ trợ triển khai mạng kết nối Internet vạn vật – IOT tại Việt Nam

– IOT TẠI VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

Nguyễn Văn Mong

NGHIÊN CỨU 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

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả trình bày trong Luận văn là trung thực Các tài liệu tham khảo được trích dẫn nguồn gốc rõ ràng

Tác giả Luận văn

Nguyễn Văn Mong

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và hoàn thành Luận văn này, tôi đã nhận được

sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của gia đình, của các thầy cô, các anh chị, các em và

các bạn Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn chân

thành tới:

Ban giám đốc Học viện, các thầy cô giảng dạy và làm việc tại Khoa Đào tạo

Sau Đại học - Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã tạo mọi điều kiện

thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành Luận văn

Phó Giáo sư - Tiến sĩ Lê Nhật Thăng người thầy kính mến đã hết lòng giúp

đỡ chỉ bảo, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốtquá trình học

tập và hoàn thành Luận văn

Xin chân thành cảm ơn bố mẹ, anh chị em đã luôn ở bên cạnh động viên và

giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập, làm việc và hoàn thành Luận văn Cao học

MỤC LỤC

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC HÌNH VẼ ix

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG NGHỆ KẾT NỐI VÔ TUYẾN INTERNET VẠN VẬT IOT 3

1.1 Tổng quan về công nghệ kết nối vô tuyến IoT 3

1.2 Kiến trúc và mô hình mạng kết nối vô tuyến IoT 6

1.3 Các tiêu chuẩn công nghệ kết nối IoT trong băng tần thông tin di động 9

1.4 Các tiêu chuẩn công nghệ kết nối IoT trong mạng diện rộng công suất thấp LPWAN 14

1.4.1 Công nghệ ZigBee 15

1.4.2 Công nghệ Z-Wave 17

1.4.3 Công nghệ LoRa 18

1.4.4 Công nghệ SigFox 20

1.5 Các kịch bản ứng dụng kết nối vô tuyến công nghệ IoT 22

1.5.1 Ứng dụng IoT trong lĩnh vực quản lý năng lượng 22

1.5.2 Ứng dụng IoT trong nông nghiệp và giám sát môi trường 24

1.5.3 Ứng dụng IoT trong lĩnh vực giao thông vận tải 26

1.6 Kết luận chương 1 27

CHƯƠNG II: 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 29

2.1 Hiện trạng triển khai mạng kết nối IoT và băng tần 915-925 MHz tại Việt Nam 29

2.1.1 Hiện trạng triển khai mạng kết nối IoT 29

2.1.2 Hiện trạng sử dụng băng tần 915-925 MHz 33

2.2 Nghiên cứu kinh nghiệm Quốc tế về quy hoạch và sử dụng băng tần 915-925 MHz 36

2.2.1 Kinh nghiệm Quốc tế về quản lý tần số cho thiết bị IoT 36

2.2.2 Hiện trạng quy hoạch Quốc tế băng tần 915-925 MHz cho thiết bị IoT 38

2.3 Kết luận chương 2 44

CHƯƠNG III: 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 46

3.1 Đánh giá can nhiễu mạng kết nối Internet vạn vật IoT 46

3.1.1 Đánh giá nhiễu từ thiết bị RFID đến hệ thống di động băng tần 900 MHz47 3.1.2 Đánh giá vùng phục vụ của thiết bị RFID 54

3.1.3 Đánh giá ảnh hưởng lẫn nhau giữa hệ thống RFID tại trạm thu phí đường bộ với hệ thống IoT của Sigfox 55

3.1.4 Nhận xét 60

3.2 Các phương án phân bổ băng tần 915-925 MHz 61

3.3 Đánh giá, đề xuất phương án phân bổ băng tần 915 - 925 MHz 62

3.3.1 Ưu nhược điểm các phương án quy hoạch 62

3.3.2 Đề xuất phương án quy hoạch băng tần 915-925 MHz 63

3.4 Kết luận chương 3 64

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

ACLR Adjacent Channel Leakage Ratio Tỷ số công suất rò kênh lân cận AFA Automatic Frequency Agility Khả năng tần số tự động

APT Asia-Pacific Telecommunity Liên minh Viễn thông Châu Á

Thái Bình Dương

AWG APT Wireless Group Hội nghị Nhóm Thông tin vô

tuyến khu vực APT

CSS Chirp Spread Spectrum Trải phổ chirp

DSSS Direct Sequence Spreading

EC-GSM-IoT Extended Coverage-GSM-IoT IoT vùng phủ mở rộng GSM

EIRP Effective Isotropic Radiated Power Công suất bức xạ đẳng hướng hiệu

dụng ERP Effective Radiated Power Công suất bức xạ hiệu dụng

E-UTRA Evolved Universal Terrestrial Radio

FDMA Frequency Division Multiple

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp

GSM Global System for Mobile

Communications

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

IMT International Mobile

Telecommunications hệ thống thông tin di động quốc tế IoT Internet of Things Internet vạn vật

ISM Industrial, Scientific and Medical Công nghiệp, khoa học, y tế

ITU International Telecommunication

LBT Listen Before Talk Nghe trước khi nói

LPWAN Low Power Wide Area network Mạng diện rộng công suất thấp LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn

MIMO Multiple In, Multiple Out Nhiều vào, nhiều ra

MTC Machine Type Communications Truyền thông kiểu máy

OFDMA Orthogonal Frequency Division

SC-FDMA Single-carrier FDMA FDMA đơn sóng mang

TDD Time Division Duplex Song công phân chia theo thời

gian

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo thời

gian

UMTS Universal Mobile

Telecommunication System

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

UTRA UMTS Terrestrial Radio Access Truy cập vô tuyến mặt đất của

UMTS

WCDMA Wideband Code Division Multiple

WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây

WRC World radiocommunication

conferences Hội nghị thông vô tuyến thế giới

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Chỉ tiêu kỹ thuật chính ba công nghệ IoT của 3GPP 12

Bảng 1.2: Phân kênh tần số cho công nghệ ZigBee theo khu vực 15

Bảng 1.3: Phân kênh tần số cho công nghệ Z-Wave theo khu vực 17

Bảng 1.4: Phân kênh tần số cho công nghệ LoRa theo khu vực 19

Bảng 1.5: Phân kênh tần số cho công nghệ Sigfox theo khu vực 21

Bảng 1.6: Thông số kỹ thuật của thiết bị cảnh báo sự cố lưới điện 24

Bảng 1.7: Yêu cầu kết nối IoT theo mô hình ứng dụng 27

Bảng 2.1: Phạm vi triển khai và quy mô thiết bị đo chỉ số công tơ điện từ xa của Tập đoàn điện lực Việt Nam 30

Bảng 2.2: Điều kiện về tần số và giới hạn phát xạ đối với thiết bị vô tuyến điện miễn giấy phép sử dụng tần số băng 900 MHz tại Thông tư 46 35

Bảng 2.3: Các điều kiện kỹ thuật khai thác của thiết bị RFID tại Châu Âu 39

Bảng 2.4: Quy định về băng tần và mức giới hạn công suất phát cho ứng dụng vô tuyến cự ly ngắn dải tần 920 MHz 40

Bảng 2.5: Quy định của các nước cho phép ứng dụng IoT hoạt động trong băng tần 915-925 MHz 43

Bảng 3.1: Kết quả thống kê bằng máy TEMS trong trường hợp tổng quát 49

Bảng 3.2: Kết quả thống kê bằng máy TEMS trong trường hợp thực tế 51

Bảng 3.3: Kết quả thống kê giá trị ICM band trong trường hợp tổng quát 53

Bảng 3.4: Thống kết kết quả số lần đọc thẻ RFID 55

Bảng 3.5: Tham số kỹ thuật của RFID và Sigfox trong trường hợp ảnh hưởng giữa RFID và trạm gốc Sigfox 57

Bảng 3.6: Tham số kỹ thuật của RFID và Sigfox trong trường hợp ảnh hưởng giữa RFID và thiết bị di động Sigfox 58

Bảng 3.7: Tham số kỹ thuật của RFID và Sigfox hoạt động trên hai tần số khác nhau 59

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Hệ sinh thái mạng kết nối Internet vạn vận IoT 3

Hình 1.2: Tổng quan kỹ thuật của mạng IoT 4

Hình 1.3: Phân loại, so sánh massive IoT và critical IoT 6

Hình 1.4: Kiến trúc chung mạng kết nối IoT 7

Hình 1.5: Mô hình mạng kết nối IoT 7

Hình 1.6: NB-IoT hoạt động trong băng của hệ thống khác 11

Hình 1.7: NB-IoT hoạt động trong băng phòng vệ của hệ thống khác 11

Hình 1.8: NB-IoT triển khai độc lập 12

Hình 1.9: Kiến trúc mạng SigFox 20

Hình 1.10: Minh họa kỹ thuật phân tập tần số và thời gian trong công nghệ SigFox 21

Hình 1.11: Minh họa kỹ thuật phân tập thu 22

Hình 1.12: Mô hình ứng dụng IoT trong quản lý năng lượng điện tiêu thụ 23

Hình 1.13: Mô hình ứng dụng và kết nối IoT trong giám sát môi trường 25

Hình 2.1: Mô hình hệ thống nhà thông minh Lumi 30

Hình 2.2: Mô hình triển khai mạng đọc chỉ số công tơ điện sử dụng công nghệ vô tuyến 31

Hình 2.3: Hình ảnh minh họa cho dịch vụ thu phí đường bộ 33

Hình 2.4: Quy hoạch băng tần cho các hệ thống thông tin di động tế bào số 34

Hình 2.5: Hiện trạng sử dụng băng tần 900 MHz 34

Hình 2.6: Dự báo thị phần các ứng dụng IoT đến năm 2025 37

Hình 2.7: Mạng Sigfox cung cấp dịch vụ phổ biến trên băng tần 915-925 MHz 43

Hình 3.1: Mô hình bài đo trong trường hợp tổng quát 49

Hình 3.2: Mô hình bài đo khi thiết bị RFID đặt giống như thực tế tại trạm thu phí đường bộ 51

Hình 3.3: Mô hình bài đo đánh giá ảnh hưởng đến trạm gốc 53

Hình 3.4: Mô hình bài đo vùng đọc thẻ và độ tin cậy của thông tin đọc được 55

Hình 3.5: Điều chế băng siêu hẹp trong hệ thống IoT của Sigfox 56

Hình 3.6: Phương án 1 – quy hoạch băng tần 915-925 MHz 62 Hình 3.7: Phương án 2 - quy hoạch băng tần 915-925 MHz 62 Hình 3.8: Phương án phân bổ băng tần cho ứng dụng kết nối IoT sử dụng băng tần miễn giấy phép tần số 63

LỜI NÓI ĐẦU

Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hay Internet vạn vật (viết tắt là IoT – Internet of Things) là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính Hiểu một cách đơn giản, IoT là tất cả các thiết bị có thể kết nối với nhau Việc kết nối có thể thực hiện qua Wifi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại… Các thiết bị có thể

là điện thoại thông minh, máy pha cafe, máy giặt, tai nghe, bóng đèn, và nhiều thiết

bị khác Cisco, nhà cung cấp giải pháp và thiết bị mạng hàng đầu hiện nay dự báo: Đến năm 2020, sẽ có khoảng 50 tỷ đồ vật kết nối vào Internet, thậm chí con số này còn có thể nhiều hơn [31] IoT sẽ là mạng khổng lồ kết nối tất cả mọi thứ, bao gồm

thiết bị và thiết bị

Nhận thấy được tầm quan trọng của việc chuẩn hóa và hài hòa băng tần cho kết nối vô tuyến giữa các vạn vật IoT, tại Hội nghị thông tin vô tuyến thế giới WRC-15 năm 2015 đã quyết định đưa nội dung liên quan đến tiêu chuẩn kết nối và

sử dụng tần số vô tuyến điện vào chương trình nghị sự số 9.1.8 của Hội nghị

WRC-19 và giao cho các nhóm nghiên cứu của ITU-R triển khai nghiên cứu và báo cáo kết quả Trong khi đó, tại khu vực châu Á-Thái Bình Dương, nhóm nghiên cứu vô tuyến APT/AWG cũng đang tiến hành nghiên cứu, xây dựng dự thảo báo cáo kỹ thuật về băng tần số và điều kiện kỹ thuật, khai thác cho loại hình kết nối IoT vùng phủ rộng trong khu vực châu Á-Thái Bình Dương Mục tiêu nhằm khuyến nghị băng tần hài hòa cho kết nối IoT để thúc đẩy hình thành và phát triển hệ sinh thái thiết bị và ứng dụng IoT đa dạng với giá thành phù hợp với đại đa số người dùng

Để có cơ sở lý luận khoa học tham mưu cho các Cơ quan quản lý Nhà nước

về khả năng sử dụng thiết bị IoT trên băng tần 915-925 MHz phù hợp cho phép triển khai mạng kết nối lưới vạn vật kết nối Internet, cần tiến hành những nghiên cứu cẩn thận dựa trên cơ sở phân tích và nghiên cứu kinh nghiệm phân bổ tần số

cho thiết bị IoT tại các quốc gia trong và ngoài khu vực Đây cũng là lý do và mục

tiêu của Luận văn nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu trên, Luận văn đã tiến hành nghiên cứu lý thuyết về

công nghệ, kiến trúc, mô hình mạng kết nối vạn vật, đánh giá can nhiễu Theo đó,

kết quả nghiên cứu được trình bày với cấu trúc gồm ba chương:

Chương 1 trình bày nghiên cứu tổng quan về công nghệ IoT gồm nội dung về

kiến trúc, mô hình mạng và các tiêu chuẩn công nghệ kết nối và các kịch bản ứng

dụng của IoT, để có cái nhìn tổng quan về công nghệ

Chương 2 nghiên cứu hiện trạng sử dụng băng tần 915-925 MHz tại Việt

Nam và nghiên cứu kinh nghiệm quốc tề về quản lý tần số đối với thiết bị IoT hoạt

động ở băng tần miễn cấp phép, để có sở cứ và học hỏi kinh nghiệm từ các quốc gia

trên thế giới áp dụng vào Việt Nam

Trên cơ sở nghiên cứu ở các chương 1 và chương 2, Luận văn tham khảo Đề

tài Nhà nước “Nghiên cứu định hướng, phân bổ lại các băng tần 700/800/900/1800

MHz đáp ứng phát triển kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng” mã số

ĐTĐL-CN-01/16 để để đưa ra đề xuất và khả năng phân bổ băng tần 915-925MHz hỗ trợ thiết

bị IoT tại Việt Nam, kiến nghị một số hướng nghiên cứu tiếp theo của Luận văn

1 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

1.1 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 Như hình 1.1, 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)

Hình 1.1: 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

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]

Hình 1.2: 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

có gateway, hoặc (c) các device liên lạc trực tiếp với nhau qua mạng nội bộ.Trong hình 1.2, 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

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

Hình 1.3: 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 1.3) 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]

1.2 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 1.4

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 Hình 1.5 đưa ra bốn mô hình mạng kết nối vạn vật IoT

Hình 1.5: Mô hình mạng kết nối IoT [9]

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

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]

1.3 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] Tuy nhiên việc lựa chọn công nghệ nào để phát triển tại mỗi quốc gia là khác nhau tùy vào quan điểm và khả năng của từng quốc gia đó

* EC-GSM: IoT cho tất cả thị trường GSM

Công nghệ EC-GSM IoT là một giải pháp kết nối IoT trên nền công nghệ GSM Đây là phiên bản tiến hóa của công nghệ di động 2G GSM với độ rộng một kênh tần số 200 kHz EC-GSM IoT là một cấu thành của hệ thống GSM và mang lưu lượng thông tin của các dịch vụ IoT Hiện nay, GSM vẫn là công nghệ di động chiếm ưu thế ở nhiều thị trường và phần lớn các ứng dụng kết nối máy-máy (M2M) ngày nay vẫn sử dụng công nghệ GPRS/EDGE để kết nối GSM sẽ vẫn giữ vai trò then chốt trong IoT trong tương lai, do phạm vi phủ sóng toàn cầu và lợi thế về chi phí đầu tư Vì thế, trong tiêu chuẩn 3GPP Release 13 đã định nghĩa tiêu chuẩn EC-GSM để cải thiện hơn nữa GSM phục vụ cho IoT EC-GSM cho phép cải thiện vùng phủ lên đến 20dB so với GPRS trên băng tần 900 MHz.EC-GSM một mặt cho phép mở rộng vùng phủ dịch vụ, mặt khác đáp ứng yêu cầu về tiêu thụ năng lượng thấp cho các dịch vụ kết nối IoT mật độ lớn [26]

* LTE-M hỗ trợ nhiều trường hợp sử dụng Massive IoT [27]

LTE là công nghệ di động băng rộng hàng đầu và phạm vi phủ sóng của nó đang mở rộng nhanh chóng Cho đến nay, việc đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn về

dữ liệu di động với các thiết bị có khả năng cao để sử dụng phổ mới đang được tập

trung nghiên cứu Với các tính năng như Carrier Aggregation, MIMO và Lean Carrier, tế bào LTE đã đạt đến phẩm chất cỡ Gigabit trên giây, có thể tạo ra trải nghiệm người dùng băng rộng di động tuyệt vời

Sự ra đời của LTE-M là một bước quan trọng trong việc giải quyết các yêu cầu MTC qua LTE LTE-M mang đến chức năng tiết kiệm năng lượng mới phù hợp

để phục vụ cho một loạt các ứng dụng IoT; Chế độ tiết kiệm năng lượng và eDRX kéo dài tuổi thọ pin cho LTE-M lên 10 năm trở lên Lưu lượng LTE-M được ghép lên một sóng mang LTE đầy đủ và do đó có thể khai thác hết dung lượng của LTE Ngoài ra, chức năng mới cho phép giảm đáng kể giá thành thiết bị và mở rộng vùng phủ cho LTE-M cũng được chỉ định trong 3GPP

* NB-IoT hỗ trợ các ứng dụng Massive IoT Ultra-Low-End [27]

Công nghệ kết nối IoT băng hẹp mới đã được chuẩn hóa (công nghệ IoT) NB-IoT là một giao diện vô tuyến mới sử dụng điều chế (OFDMA) ở đường xuống và điều chế (SC-FDMA) ở chiều lên Băng thông kênh là 200 kHz và băng thông chiếm dụng chỉ vào khoảng 180 kHz Do vậy mỗi sóng mang sẽ có một đoạn băng tần bảo vệ 10 kHz ở mỗi bên, tương đương với một khối tài nguyên LTE NB-IoT sử dụng cả băng thông cố định 180 kHz ở đường xuống và đường lên với cấu hình triển khai không kết hợp Ngoài ra, nó có thể sử dụng các khối tài nguyên của chính hệ thống LTE hoặc một phần băng tần không sử dụng trong khoảng bảo vệ của sóng mang LTE (cấu hình triển khai Guard-band)

NB-NB-IoT cho phép tăng vùng phủ lên đến 20dB và các tính năng tiết kiệm pin, chế độ tiết kiệm năng lượng cho phép tuổi thọ pin kéo dài hơn 10 năm NB-IoT được thiết kế bảo đảm tính tương thích ngược với công nghệ LTE, đem lại sự linh hoạt tuyệt vời khi triển khai Sóng mang NB-IoT có thể được triển khai trong băng tần bảo vệ của sóng mang LTE, triển khai trong sóng mang con LTE, hoặc như triển khai độc lập

NB-IoT hoạt động trong sóng mang con của LTE: Khi triển khai NB-IoT trên sóng mang LTE, công nghệ NB-IoT sẽ sử dụng một số khối tài nguyên của

sóng mang LTE Như trong hình vẽ bên dưới, cấu hình NB-IoT triển khai trong băng là trường hợp sóng mang của 180 KHz NB-IoT được đặt bên trong một kênh LTE, trong dải tần số được phân bổ cho một nhà mạng nhất định Chế độ này cho phép phân bổ tài nguyên linh hoạt giữa LTE và NB-IoT (hình 1.6)

Khối tài nguyên LTE Băng thông của LTE

Khối tài nguyên vật lý NB-IoT 180 kHz

Hình 1.6: NB-IoT hoạt động trong băng của hệ thống khác [27]

NB-IoT triển khai trong đoạn băng tần bảo vệ của sóng mang LTE: Trên thực tế, các sóng mang LTE có băng thông tín hiệu hẹp hơn băng thông kênh truyền

vì vậy có thể tận dụng khoảng dư thừa của băng thông kênh truyền để triển khai cho các hệ thống NB-IoT băng hẹp như minh họa tại hình 1.7

Hình 1.7: NB-IoT hoạt động trong băng phòng vệ của hệ thống khác [27]

NB-IoT triển khai độc lập: Trong trường hợp sóng mang NB-IoT triển khai độc lập được mô tả như hình vẽ bên dưới Trong trường hợp này, hệ thống cần được phân bổ các đoạn băng tần dành riêng có độ rộng tối thiểu 200 kHz như trường hợp của hệ thống GSM (hình 1.8)

Băng tần đường xuống Băng tần đường lên

Khoảng cách song công

Hình 1.8: NB-IoT triển khai độc lập [27]

Các chỉ tiêu kỹ thuật chính của ba tiêu chuẩn công nghệ IoT được thể hiện trong Bảng 1.1 dưới đây

Bảng 1.1: Chỉ tiêu kỹ thuật chính ba công nghệ IoT của 3GPP [11]

Cùng băng LTE, băng phòng vệ LTE, đứng riêng

OFDMA, khoảng cách 15 kHz, TBCC,

TDMA/FDMA, GMSK và 8PSK (tùy

Một sóng mang, khoảng cách 15 và 3.75 kHz SC-FDMA, khoảng cách 15 kHz,

mã Turbo

TDMA/FDMA, GMSK và 8PSK (tùy chọn)

200 kHz/kênh Băng thông điển hình là 2.4 MHz (có thể giảm nhỏ tới 600 kHz trong Rel.13)

Cả DL và UL ( 4 khe thời gian): ~70 kbps (GMSK), ~240 kbps (8PSK)

FDD và TDD HD (type B), FDD HD, FDD

LTE-M, NB-IoT và EC-GSM đều là các giải pháp vượt trội để đáp ứng các yêu cầu của các ứng dụng Massive IoT và có thể bổ sung cho nhau dựa trên tính khả dụng của công nghệ LTE-M bao gồm Cat 1, Cat 0 và Cat M hỗ trợ một loạt các ứng dụng IoT, bao gồm các ứng dụng có nội dung phong phú; NB-IoT bao gồm các ứng dụng IoT với lợi thế chi phí và vùng phủ so với LTE-M; và EC-GSM cung cấp các dịch IoT cho tất cả các thị trường GSM

1.4 Các tiêu chuẩn công nghệ kết nối IoT trong mạng diện rộng công

suất thấp LPWAN

Các nghiên cứu của ITU-R đã thực hiện cho tới nay cho thấy kết nối IoT sẽ

sử dụng cả băng tần cấp phép và miễn cấp phép sử dụng tần số, tùy thuộc vào nhu cầu, mục đích và loại hình mạng IoT triển khai (mạng dùng riêng hay mạng cung cấp dịch vụ) Các quốc gia trên thế giới áp dụng chính sách trung lập về công nghệ kết nối IoT Nói cách khác, tổ chức, cá nhân tự do lựa chọn loại hình công nghệ vô tuyến phù hợp để triển khai kết nối IoT theo nhu cầu, mục đích nhất định: từ công nghệ vô tuyến cự ly ngắn dùng băng tần miễn giấy phép sử dụng tần số, đến công nghệ vô tuyến vùng phủ rộng dùng băng tần miễn giấy phép hoặc băng tần cấp phép cho thông tin di động băng rộng IMT hoặc băng hẹp GSM [16]

Kết nối IoT được hỗ trợ bởi các công nghệ truyền thông trong mạng thông tin di động tế bào hiện nay như GSM, WCDMA, LTE và mạng 5G tương lai Các công nghệ này hoạt động trên phổ tần được cấp phép cho thông tin di động Việc triển khai kết nối IoT dùng công nghệ thông tin di động có thể được thực hiện ngay với hạ tầng mạng thông tin di động sẵn có Bên cạnh loại hình kết nối IoT sử dụng băng tần cấp phép cho di động công cộng IMT, các kết nối IoT cũng có thể triển khai trên các băng tần miễn giấy phép (tên thường gọi mạng truy cập diện rộng công suất thấp, viết tắt là LPWAN) với điều kiện bảo đảm tuân thủ yêu cầu về kỹ thuật và khai thác nhất định để hạn chế can nhiễu có hại Các hệ thống LPWAN kết nối thiết bị và đối tượng thông qua các trạm cổng Gateway và trạm truy cập AS [16]

Mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN) có khả năng cung cấp kết nối diện rộng với các thiết bị công suất thấp, tốc độ thấp (khoảng vài chục kpbs) phân bố trên các khu vực địa lý rất lớn Khoảng một phần tư trong tổng số 30 tỷ thiết bị IoT/M2M tổng thể sẽ được kết nối với Internet bằng cách sử dụngcác công nghệ LPWAN hoặc công nghệ di động [16]

Các mạng LPWAN vượt trội hơn so với các công nghệ truyền thống phổ biến hệ sinh thái IoT như mạng không dậycự ly ngắn, ZigBee, Bluetooth, Z-Wave, mạng cục bộ không dây (WLAN), Wifi và mạng thông tin di động Do đó, các thiết

bị không thể triển khai hoặc di chuyển bất cứ nơi nào như ứng dụng thành phố, sức khỏe, nông nghiệp, công nghiệp thông minh Phạm vi của các công nghệ này được

mở rộng bằng cách triển khai dày đặc các thiết bị Do đó, việc triển khai lớn là tốn kém Mặt khác, các mạng WLAN cũ được đặc trưng bởi các vùng phủ sóng ngắn hơn và tiêu thụ điện năng cao hơn cho truyền thông kiểu máy (MTC – Machine Type Communication)

1.4.1 Công nghệ ZigBee

Công nghệ ZigBee được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 do tổ chức quốc tế IEEE phát triển cho lớp vật lý và lớp MAC của mạng vô tuyến cá nhân không dây WPAN Tiêu chuẩn này định nghĩa 27 kênh tần số vô tuyến ở các băng tần 868 MHz, 915 MHz và 2,4 GHz; trong đó kênh số 0 có tần số trung tâm 868,3 MHz, kênh số 1 đến kênh số 10 trong dải tần 902-928 MHz và kênh số 11 đến kênh

số 26 nằm trong dải tần 2400-2483,5 MHz (Bảng 1.2)

Bảng 1.2: Phân kênh tần số cho công nghệ ZigBee theo khu vực [19]

tuyến do sử dụng chung băng tần với các ứng dụng vô tuyến khác, công nghệ ZigBee áp dụng kỹ thuật trải phổ trực tiếp DSSS và điều chế khóa dịch pha cầu phương vi sai O-QPSK ở lớp vật lý và sử dụng giao thức cảm nhận kênh truyền ở lớp điều khiển truy cập MAC [19]

Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa khoảng cách giữa hai kênh tần số liên tiếp trong dải tần 2,4 GHz là 5 MHz Băng thông chiếm dụng tại điểm 6 dB đo được trên thực tế vào khoảng 1,6 MHz Tín hiệu vô tuyến được truyền tải và trải rộng trong toàn bộ băng thông 1,6 MHz với tốc độ chip đạt sau bộ điều chế trải phổ trực tiếp DSSS là 2 Mchip/s

Công nghệ ZigBee hướng tới ứng dụng trong các sản phẩm dân dụng nên có yêu cầu cao về tuổi thọ pin và năng lượng tiêu thụ Công suất đầu ra cao tần thiết kế chỉ khoảng 1 mW (tương đương 0 dBm), độ nhạy máy thu được thiết kế ở mức -85 dBm Tùy thuộc vào đặc điểm của từng môi trường truyền sóng, cự ly truyền ước tính đạt từ 10 đến 76 m

1.4.2 Công nghệ Z-Wave

Không giống như công nghệ Zigbee, công nghệ Z-wave sử dụng độ rộng kênh tần số hẹp hơn (độ rộng một kênh tần số thông thường từ 300 kHz đến 400 kHz) và không áp dụng kỹ thuật điều chế trải phổ Công nghệ này sử dụng kỹ thuật điều chế FSK hoặc GFSK trên dải tần số 868 MHz/920 MHz, do vậy có được lợi thế về vùng phủ sóng rộng Cự ly truyền dẫn của thiết bị đạt được từ 30 m đến 100

m [20]

Bảng 1.3 dưới đây đưa ra các phân kênh tần số cho công nghệ Z-Wave theo khu vực trên thế giới

Bảng 1.3: Phân kênh tần số cho công nghệ Z-Wave theo khu vực [20]

(MHz)

Tốc độ (G9959)

Băng thông (kHz) Australia

Brazil

Các thiết bị Z-Wave được triển khai theo cấu hình mạng lưới Mỗi nút mạng

có thể kết nối đến các node khác trong mạng; các nút mạng có thể gửi và nhận bản tin hoặc chuyển tiếp bản tin sang nút bên cạnh Việc truyền bản tin dữ liệu theo topo mạng lưới có ưu điểm là độ tin cậy cao, khi một nút bị mất kết nối thì bản tin có thể được truyền theo một kết nối dự phòng khác [20]

1.4.3 Công nghệ LoRa [21]

LoRa là công nghệ vô tuyến được phát triển để cho phép truyền thông tin dữ liệu tốc độ thấp với vùng phủ rộng bằng cách sử dụng các bộ cảm biến trong ứng dụng kết nối IoT như quản lý năng lượng, giám sát môi trường, rác thải LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế trải phổ (CSS:Chirp Spread Spectrum) Theo đó, các tín hiệu thông tin được điều chế trải phổ sử dụng các chuỗi xung có tốc độ bit cao hơn của tốc độ của tín hiệu gốc Nhờ sử dụng kỹ thuật trải phổ CSS mà các tín hiệu được

điều chế theo tiêu chuẩn của LoRa với tốc độ chip khác nhau có thể hoạt động trong cùng một khu vực mà không gây nhiễu cho nhau Do vậy, cho phép nhiều thiết bị LoRa có thể trao đổi dữ liệu trên nhiều kênh đồng thời

Trong mạng LoRa thông thường sẽ có 2 phân loại thiết bị:

Thiết bị đầu cuối: là các thiết bị cảm biến hoặc thiết bị giám sát được đặt tại các vị trí cần quan trắc nhằm thu thập dữ liệu về các hệ thống mạng trung tâm để xử

Bảng 1.4 dưới đây đưa ra các phân kênh tần số cho công nghệ LoRa theo khu vực trên thế giới

Bảng 1.4: Phân kênh tần số cho công nghệ LoRa theo khu vực [21]

(đường lên)

Vùng phủ đô thị (mô phỏng)

Các thiết bị trong mạng LoRa được kết nối với nhau theo mô hình hình sao trong đó các thiết bị đầu cuối gửi dữ liệu đến các bộ tập trung dữ liệu (hay còn gọi

là Gateway) để chuyển về máy chủ và thực hiện xử lý dữ liệu trên máy chủ

1.4.4 Công nghệ SigFox

Mạng SigFox có kiến trúc gồm 2 phân lớp chính được kết nối với nhau qua mạng internet công cộng theo đường truyền VPN Hình 1.9 đưa ra kiến trúc chung của một mạng SigFox

Hình 1.9: Kiến trúc mạng SigFox [33]

Phân lớp thiết bị mạng bao gồm các trạm thu phát gốc và các thiết bị phụ trợ

có chức năng thu nhận bản tin từ thiết bị đầu cuối và chuyển tiếp tới hệ thống xử lý bên trong

Phân lớp hệ thống xử lý mạng có chức năng xử lý các bản tin và chuyển chúng tới các hệ thống quản lý khách hàng Phân lớp này cũng cho phép cung cấp các giao diện tương tác với hệ thống mạng thông qua giao diện web hay các giao diện phần mềm ứng dụng API [33]

Các bản tin dữ liệu được truyền từ thiết bị đầu cuối tới trạm gốc IoT sau đó truyền về mạng lõi thông qua các phương thức truyền dẫn khác nhau như DSL, 3G, 4G hay mạng thông tin vệ tinh Nhiều bản tin trùng lặp được gửi về mạng lõi để xử

lý, tuy nhiên chỉ có một bản tin được lưu trữ Máy chủ của mạng lõi giám sát trạng thái hoạt động của toàn mạng [33]

Bảng 1.5 dưới dây đưa ra các phân kênh tần số cho công nghệ Sigfox theo khu vực trên thế giới

Bảng 1.5: Phân kênh tần số cho công nghệ Sigfox theo khu vực [21]

Kỹ thuật truy cập kênh ngẫu nhiên là đặc điểm rất quan trọng của công nghệ SigFox cho phép đạt được chất lượng dịch vụ mong muốn Thiết bị đầu cuối phát bản tin trên một tần số ngẫu nhiên sau đó gửi lại 2 lần trên các kênh tần số và khe thời gian khác (hình 1.10)

Hình 1.10: Minh họa kỹ thuật phân tập tần số và thời gian của công nghệ SigFox [22]

Kỹ thuật thu kết hợp: bản tin phát đi có thể được thu bởi bất kỳ trạm gốc nào gần đó Các thiết bị đầu cuối IoT trong mạng của SigFox trung bình có thể kết nối với 3 trạm gốc (hình 1.11)

Hình 1.11: Minh họa kỹ thuật phân tập thu [22]

1.5 Các kịch bản ứng dụng kết nối vô tuyến công nghệ IoT

1.5.1 Ứng dụng IoT trong lĩnh vực quản lý năng lượng

Ứng dụng IoT để đọc chỉ số công tơ điện, công tơ nước

Ứng dụng công nghệ kết nối vô tuyến IoT vào ngành điện mà cụ thể là dùng

để đọc chỉ số công tơ điện được xem là bước đột phá trong quản lý, vận hành, sản xuất kinh doanh của ngành điện lực Hệ thống thu thập chỉ số công tơ từ xa hoàn toàn tự động, ứng dụng công nghệ vô tuyến cự ly ngắn, công suất thấp Mô hình kết nối trong mạng được thực hiện theo kiểu hình lưới (mesh) Mạng kết nối được hình thành tự động bởi các công tơ có tích hợp công nghệ vô tuyến cho phép thực hiện việc ghi chỉ số công tơ từ xa, không cần phải đến hiện trường mà vẫn có thể theo dõi số liệu hàng giờ trên máy tính hoặc các thiết bị di động có kết nối Internet

Ngoài ra, công nghệ này còn tự động đưa ra biểu đồ sản lượng sử dụng điện theo ngày của khách hàng, tự động đưa ra cảnh báo khi sản lượng tăng đột biến trong ngày hoặc chỉ số bất thường Hình 1.12 đưa ra mô hình ứng dụng IoT trong lĩnh vực quản lý năng lượng điện tiêu thụ

Việc ứng dụng hệ thống công tơ điện tự động dùng công nghệ vô tuyến góp phần giúp tăng cường giám sát, theo dõi, kiểm soát được tổn thất, phát hiện kịp thời sai sót, hư hỏng; giảm thời gian cho việc chốt chỉ số công tơ so với phương pháp theo dõi và quản lý vận hành thủ công truyền thống

Hình 1.12: Mô hình ứng dụng IoT trong quản lý năng lượng điện tiêu thụ [34]

Những lợi ích của công tơ điện dùng công nghệ vô tuyến không chỉ mang lại cho ngành điện mà cho cả khách hàng Trước đây, khách hàng gần như bi ̣ đô ̣ng, chưa kiểm soát được sản lượng điê ̣n đã tiêu thu ̣ của mình, thì hiện nay với việc áp dụng hệ thống đo đếm từ xa, khách hàng có thể giám sát và quản lý được số liệu

công tơ mình đang sử dụng theo từng thời điểm trong ngày

Ứng dụng IoT để cảnh báo sự cố lưới điện

Một ứng dụng khác của IoT trong ngành điện là ứng dụng xác định vị trí sự

cố của hệ thống truyền tải điện Các bộ cảnh báo sự cố qua sóng vô tuyến điện cho phép giám sát từ xa các mạng lưới điện trên không và phát hiện khi có sự cố như ngắn mạch hay chạm đất, đồng thời giảm thời gian mất điện, từ đó nâng cao chất lượng dịch vụ trong ngành điện Các bộ cảnh báo sự cố có thể giao tiếp với trạm thu phát trong khoảng cách vài trăm mét để truyền dữ liệu về hệ thống trung tâm xử lý

Thông số kỹ thuật của thiết bị cảnh báo sự cố lưới điện được trình bày chi tiết tại Bảng 1.6 bên dưới

Bảng 1.6: Thông số kỹ thuật của thiết bị cảnh báo sự cố lưới điện [16]

Dải tần số hoạt động 918-919,2 MHz Công suất phát 6.3-25 mW EIRP

Cự ly phủ sóng Vài trăm m Công nghệ cảnh báo sự cố lưới điện hiện nay đã được đưa vào ứng dụng tại nhiều hệ thống truyền tải điện trên toàn quốc và được đánh giá đem lại lợi ích to lớn (nhanh chóng khoanh vùng khu vực sự cố, giảm thiểu thời gian cắt điện sửa chữa) cho quá trình quản lý vận hành của các công ty Điện lực tỉnh, thành phố trên cả nước

1.5.2 Ứng dụng IoT trong nông nghiệp và giám sát môi trường

Các hệ thống IoT cũng có thể được sử dụng trong lĩnh vực quản lý, giám sát môi trường để đo đạc, theo dõi các thông số về thời tiết, tình trạng ô nhiễm và trong nông nghiệp nhằm cải thiện tình trạng ô nhiễm môi trường và tăng năng suất nông nghiệp Một số ứng dụng khác của IoT trong môi trường như theo dõi tập tục sống của các loài động vật, côn trùng hay quan sát, đánh giá điều kiện môi trường tác động tới mùa màng và vật nuôi; giám sát và tự động tưới tiêu; cảnh báo, phát hiện cháy rừng; nghiên cứu khí tượng và địa lý; cảnh báo, phát hiện sớm về tình hình lũ lụt

Trong ứng dụng phát hiện cháy rừng, các nút cảm biến không dây được triển khai với mật độ lớn, tập trung ở các vị trí cần thiết để cung cấp thông tin nhanh chóng, chính xác về nguồn gây cháy trước khi ngọn lửa phát tán rộng tới mức không thể kiểm soát được Các nút cảm biến này còn được trang bị tính năng thu thập năng lượng từ nguồn năng lượng mặt trời để duy trì nguồn điện trong nhiều tháng thậm chí nhiều năm Các nút cảm biến có thể kết nối với nhau để truyền về hệ thống điều hành trung tâm trong trường hợp có vật chắn tín hiệu có ích trên đường

nhìn thẳng Hình 1.13 đưa ra mô hình ứng dụng và kết nối IoT trong giám sát môi trường

Hình 1.13: Mô hình ứng dụng và kết nối IoT trong giám sát môi trường [35]

Trong ứng dụng IoT để phát hiện lũ lụt, cảnh báo động đất, sóng thần, các cảm biến không dây có tính năng đo lượng mưa, mực nước và thời tiết được đặt ở những vị trí phù hợp trên các dòng sông, hồ, và lòng biển Các cảm biến này cung cấp thông tin cho hệ thống cơ sở dữ liệu trung tâm; thông số đo lường được tính toán, phân tích để đưa ra dự báo về nguy cơ lũ lụt, động đất, sóng thần

Trong nông nghiệp, việc bảo đảm độ ẩm và lượng nước cho cây trồng và vật nuôi có ý nghĩa hết sức quan trọng Một trong những giải pháp để tăng hiệu quả và năng suất là sử dụng các thiết bị mạng cảm biến không dây Thiết bị này có thể đo lượng mưa tại các vị trí xác định trên các trang trại trồng trọt và chăn nuôi có diện tích lớn hàng km2.Dữ liệu cảm biến được phân tích và sau đó đưa ra các quyết định tưới tiêu hợp lý cho từng khu vực

Trong các trang trại chăn nuôi, các thiết bị cảm biến không dây IoT được gắn vào mỗi vật nuôi để theo dõi vị trí và nhiệt độ của của chúng trong trang trại để phòng chống các động vật ký sinh

1.5.3 Ứng dụng IoT trong lĩnh vực giao thông vận tải

Giao thông vận tải là một lĩnh vực quan trọng trong nền kinh tế số, lĩnh vực này thường đóng góp khoảng 6-12% GDP của mỗi quốc gia Mặc dù trên thực tế hiện nay hạ tầng và dịch vụ giao thông vận tải đã góp phần cải thiện đáng kể cuộc sống, tuy nhiên vẫn còn tồn tại những vấn đề bất cập chưa được giải quyết triệt để như vấn đề ùn tắc, tai nạn giao thông…Trong bối cảnh đó, thì IoT là một trong những giải pháp được đánh giá có thể giải quyết được các vấn đề tồn tại trong quản

lý giao thông

Yêu cầu cải thiện, nâng cao độ an toàn khi tham gia giao thông đặt ra bài toán cho công nghệ IoT sẽ được đưa vào áp dụng trong các hệ thống thông tin hợp tác chủ động, nhằm hỗ trợ, cảnh báo chủ xe về các tình huống nguy hiểm và hệ thống có thể can thiệp thông qua cơ cấu phanh tự động hoặc chuyển hướng xe tự động để tránh tai nạn Các ứng dụng lái xe có kết nối cho phép giảm thiểu số vụ tai nạn và tăng độ an toàn, hiệu quả khi tham giao thông Trong mô hình này, kết nối thông tin cũng được thực hiện giữa xe và thiết bị di động của người đi bộ, người đi

xe đạp để cải thiện an toàn giao thông và tránh tai nạn

Các ứng dụng liên quan đến an toàn giao thông có yêu cầu rất nghiêm ngặt

về độ trễ, độ tin cậy và tính khả dụng của kết nối để trao đổi, xử lý thông tin kịp thời và đáng tin cậy Điều này đặt ra những thách thức cho hệ thống vô tuyến truyền thống Thử lấy một ví dụ ở trường hợp của ô tô tự hành đang chạy với tốc độ cao, khi phát hiện có vật cản phía trước, chiếc ô tô cần đặt lệnh cho cơ cấu hãm phanh để đảm bảo an toàn cho người tham gia giao thông Thời gian yêu cầu là không quá 1

ms sau khi nhận được lệnh từ bộ phận cảm biến Với công nghệ kết nối vô tuyến thế

hệ thứ 4 (4G), chiếc xe sẽ di chuyển thêm một đoạn đường có cự ly 1.4 m kể từ khi phát hiện vật cản đến khi cơ cấu phanh được thi hành; trong khi đó đoạn đường di chuyển thêm chỉ vào 2.8 cm với sự hỗ trợ của công nghệ kết nối vô tuyến thế hệ thứ

5 (5G)

Bảng 1.7 dưới đây mô tả các yêu cầu kết nối IoT theo mô hình ứng dụng

Bảng 1.7: Yêu cầu kết nối IoT theo mô hình ứng dụng [24]

Quản lý phương tiện

giao thông

Số lượng kết nối lớn, Vùng phủ rộng

1000000 thiết bị/km2

Ở Việt Nam ứng dụng IoT trong lĩnh vực giao thông vận tải phải kể đến ứng dụng thiết bị nhận dạng vô tuyến điện (Radio Frequency Identification – RFID) để

tự động nhận dạng, theo dõi, quản lý hàng hóa, con người và các ứng dụng khác Thiết bị nhận dạng vô tuyến bao gồm hai khối riêng biệt được kết nối thông qua giao diện vô tuyến là thẻ vô tuyến (RF tag) và thiết bị đọc tần số vô tuyến (RF Reader) Thiết bị RFID được sử dụng trong các hoạt động phân phối, vận chuyển và bán lẻ, chăm sóc sức khỏe, giao thông hay các ứng dụng di động

1.6 Kết luận chương 1

Trong chương này, Luận văn đã trình bày tổng quan mạng kết nối Internet vạn vật IoT, bao gồm tổng quan kết nối vô tuyến mạng IoT, giao tiếp giữa thiết bị với thiết bị, người với thiết bị… Dựa vào loại ứng dụng của thiết bị IoT, hệ sinh thái IoT chia ra làm hai loại là critical IoT và massive IoT

IoT có khả năng kết nối hàng tỷ thiết bị không đồng nhất qua Internet Do

đó, cần có kiến trúc lớp linh hoạt tùy theo các ứng dụng sử dụng

Kết nối IoT được hỗ trợ bởi các công nghệ truyền thông trong băng tần mạng thông tin di động tế bào hiện nay như GSM, WCDMA, LTE và mạng 5G tương lai Việc triển khai kết nối IoT dùng công nghệ thông tin di động có thể được thực hiện ngay với hạ tầng mạng thông tin di động sẵn có Hiện nay, trên thế giới đã hình

thành một số tiêu chuẩn công nghệ kết nối IoT trên nền mạng thông tin di động tế bào Trong đó đáng chú ý là ba tiêu chuẩn công nghệ: EC-GSM, LTE-M và NB-

thường gọi là LPWAN) với điều kiện bảo đảm tuân thủ yêu cầu về kỹ thuật và khai thác nhất định để hạn chế can nhiễu có hại Các hệ thống LPWAN kết nối thiết bị và đối tượng thông qua các trạm cổng Gateway và trạm truy cập AS

Dự báo tới năm 2020 và những năm tiếp theo sẽ chứng kiến sự bùng nổ về mật độ và số lượng chủng loại thiết bị kết nối, được ứng dụng vào nhiều ngành và lĩnh vực khác nhau IoT được dự báo sẽ được ứng dụng rộng rãi cho nhiều ứng dụng nhưng trong lĩnh vực quản lý năng lượng, nông nghiệp giám sát môi trường và lĩnh vực giao thông vận tải