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 Nam
Trang 1Nguyễn 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
Trang 2Người hướng dẫn khoa học: PGT.TS Lê Nhật Thăng
Phản biện 1:……… Phản biện 2: ………
Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lúc: giờ ngày tháng năm
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Trang 3LỜI 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 IoT sẽ là mạng khổng lồ kết nối tất cả mọi thứ, bao gồm cả
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
Trang 4cho 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 trước và thực trạng sử dụng băng tần ở Việt Nam, Chương 3 của Luận văn đưa ra kiến nghị và khả năng phân bổ băng tần 915-925MHz hỗ trợ thiết bị IoT tại Việt Nam và kiến nghị một số hướng nghiên cứu tiếp theo của Luận văn
Trang 5CHƯƠNG 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, các tiêu chuẩn kết nối IoT hiện tại và các kịch bản ứng dụng trong thực tế
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
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
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
Trang 6device 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
Dựa vào loại ứng dụng cung cấp, hệ sinh thái IoT phân ra hai loại là critical IoT và massive IoT 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
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
Trong bài Luận văn đưa ra mô hình mạng của mạng kết nối IoT bao gồm các lớp:
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
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
Trang 7Lớp quản lý dịch vụ (Service Management) hoặc lớp Middleware ghép nối một dịch vụ với người dùng dựa vào địa chỉ và tên
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 Lớp nghiệp vụ quản lý các hoạt động và dịch vụ tổng thể của hệ thống IoT, 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
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)
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
LTE-M hỗ trợ nhiều trường hợp sử dụng Massive IoT
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
NB-IoT hỗ trợ các ứng dụng Massive IoT Ultra-Low-End
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
Trang 8NB-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
4 Các tiêu chuẩn công nghệ kết nối IoT trong mạng diện rộng công suất thấp LPWAN
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 dụng các công nghệLPWAN hoặc công nghệ di động
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
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
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
Trang 9điều 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
Công nghệ LoRa
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
5 Các kịch bản ứng dụng kết nối vô tuyến công nghệ IoT
Ứng dụng IoT trong lĩnh vực quản lý năng lượng
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
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
Trang 10lượng 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
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
Ứng dụng IoT trong lĩnh vực giao thông vận tải
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
6 Kết luận
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
Trang 11IoT 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
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