TÌM HIỂU VỀ KIẾN TRÚC IoT DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ 5G

Các công nghệ đã được sử dụng để thiết kế các kiến trúc hiện tại sẽ không cung cấp kết nối thông suốt cho nhiều thứ do yêu cầu dịch vụ cao và tốc độ trao đổi dữ liệu.. Ngoài ra, các mạng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG KHOA CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG

BÁO CÁO THỰC TẬP CHUYÊN NGÀNH

Đề tài:

TÌM HIỂU VỀ KIẾN TRÚC IoT DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ 5G

Sinh viên thực hiện : Trần Văn Tuấn

Thái Nguyên, Ngày 21 Tháng 03Năm 2021

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG KHOA CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG

BÁO CÁO THỰC TẬP CHUYÊN NGÀNH

Đề tài:

TÌM HIỂU VỀ KIẾN TRÚC IoT DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ 5G

Sinh viên thực hiện : NGUYỄN VĂN TUẤN

Thái Nguyên, Ngày 21 Tháng 03Năm 2021

Mục lục

1.2.Tổng quan 14

1.2.1.Kiến trúc ba cấp 15

1.2.2.Kiến trúc dựa trên SDN 15

1.2.3 Kiến trúc dựa trên QoS 15

1.2.4.Kiến trúc dựa trên SoA 15

1.2.5 Kiến trúc MobilityFirst 15

1.2.6 Kiến trúc CloudThings 15

1.2.7 Kiến trúc IoT-A 16

1.2.8 Kiến trúc S-IoT 16

1.3.Công nghệ mới cho phép IoT 16

1.3.1.Nano-chip 16

1.3.2 Sóng milimet (mmWave) 16

1.3.3 Mạng không đồng nhất (Het-Net) 16

1.3.4.Giao tiếp trực tiếp thiết bị với thiết bị (D2D) 17

1.3.5.Hệ thống không dây thế hệ thứ năm (5G) 17

1.3.6 Giao tiếp kiểu máy (MTC) 18

1.3.7 Mạng không dây do phần mềm xác định (WSDN) 18

1.3.8 Chia sẻ và giao thoa phổ nâng cao 18

1.3.9 Điện toán cạnh di động (MEC) 18

1.3.10 Ảo hóa chức năng mạng không dây (WNFV) 19

1.3.11 Điện toán đám mây di động (MCC) 19

1.3.12 Phân tích dữ liệu và Dữ liệu lớn 20

1.3.13 An ninh và Pháp y 20

1.4.Kiến trúc đề xuất 20

1.4.1 Lớp thiết bị vật lý 21

1.4.2Lớp giao tiếp 21

L.3 Lớp Điện toán Cạnh (Sương mù) 21

L.4 Lớp lưu trữ dữ liệu 22

L.5.Lớp Dịch vụ Quản lý 22

L.6 Lớp ứng dụng 22

L.7 Lớp cộng tác và xử lý Hệ thống IoT 22

L.8 Lớp bảo mật 23

V.Sự so sánh 23

như trong Bảng 1 23

CHƯƠNG 3: KIẾN TRÚC IoT DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ 5G 35

3.1.Giới thiệu về công nghệ 5G 35

3.2.Sự ra đời của 5G 36

3.3 Mạng 5G là gì? 36

3.3 Ý nghĩa của 5G đới IOT 36

3.4.Ưu điểm,nhược điểm mạng 5G 37

3.5 Hoạt động 5G 38

3.6 Xu hướng phát triển mạng 5G trong tương lai 38

LỜI MỞ ĐẦU

Trong quá trình phát triển của con người, những cuộc các mạng về công nghệ đóng một vai trò rất quan trọng, chúng làm thay đổi từng ngày từng giờ cuộc sống củacon người, theo hướng hiện đại hơn Đi đôi với quá trình phát triển của con người, những thay đổi do chính tác động của con người trong tự nhiên, trong môi trường sống cũng đang diễn ra, tác động trở lại chúng ta, như ô nhiễm môi trường, khí hậu thay đổi, v.v Dân số càng tăng, nhu cầu cũng tăng theo, các dịch vụ, các tiện ích từ

đó cũng được hình thành và phát triển theo Đặc biệt là áp dụng các công nghệ của cácngành điện tử, công nghệ thông tin và viễn thông vào trong thực tiễn cuộc sống con người Công nghệ cảm biến không dây được tích hợp từ các kỹ thuật điện tử, tin học

và viễn thông tiên tiến vào trong mục đích nghiên cứu, giải trí, sản xuất, kinh doanh, v.v , phạm vi này ngày càng được mở rộng, để tạo ra các ứng dụng đáp ứng cho các nhu cầu trên các lĩnh vực khác nhau

Hiện nay, công nghệ 5G chưa được áp dụng một các rộng rãi ở nước ta, do những điềukiện về kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng Song nó vẫn hứa hẹn là một đích đến tiêu biểu cho các nhà nghiên cứu, cho những mục đích phát triển đầy tiềm năng Để áp dụng công nghệ này vào thực tế trong tương lai, đã có không ít các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu, nắm bắt những thay đổi trong công nghệ này

Được sự định hướng và chỉ dẫn của cô, em đã chọn đề tài thực tập chuyên ngành

“TÌM HIỂU VỀ KIẾN TRÚC IoT DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ 5G” này Với mục đích tìm hiểu về mạng cảm biến không dây, dựa trên công nghệ mạng di động tạm thời, triển khai nhanh không cần một cơ sở hạ tầng trong lĩnh vực cảm biến thu nhận

dữ liệu Trong đồ án còn thực hiện một mô phỏng cho mạng cảm biến không dây với mục đích tìm hiểu phương pháp mô hình hoá, mô phỏng mạng và phân tích đánh giá kết quả từ một chương trình mô phỏng Nội dung của đồ án được thể hiện qua 3 chương:

Chương 1:Tổng Quan

Chương 2:Tổng Quan Về IOT

Chương 3:Kiến trúc IOT Dựa trên 5G

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN 1.Giới thiệu chung

1.1.Kiến trúc mạng

Công nghiệp 4.0 đại diện cho Cách mạng công nghiệp lần thứ tư (4IR) trong tự động hóa và trao đổi dữ liệu Nó đề cập đến một số đổi mới công nghệ mới cơ bản như Hệ thống vật lý mạng (CPS) Internet of Things (IoT) và Phân tích dữ liệu Công nghiệp 4.0 tổ chức các kết nối đặc biệt giữa các thiết bị vật lý thông tin con người và các lĩnh vực sinh học để sửa đổi lối sống truyền thống IoT là một trong những phần quan trọng nhất của nền công nghiệp 4.0 trở nên đòi hỏi cao và có thể sẽ thay đổi các mối quan hệ xã hội Theo báo cáo của Statista, số các thiết bị được cài đặt cơ sở trên toàn thế giới vào năm 2025 sẽ được tăng lên hơn 75 tỷ thiết bị Telefonica ước tính rằng hơn 90% ô tô vào năm 2020 sẽ được kết nối với mạng Internet Trong tương lai gần, số lượng các ứng dụng IoT mới và dữ liệu được tạo ra của chúng sẽ cực kỳ tăng lên Do đó, lượng dữ liệu và nhu cầu của khách hàng sẽ tăng lên rất nhiều Tình huốngnày sẽ tạo ra một tình huống khó khăn vì các ứng dụng sẽ cần kiến trúc nhanh hơn, thông minh hơn, đơn giản hơn và đáng tin cậy hơn và có thể mở rộng hơn trước

Trên thực tế, kiến trúc IoT hiện tại sẽ không đáng tin cậy và đáp ứng cho cácứng dụng IoT thế hệ tiếp theo và các dịch vụ sắp tới Do đó, nó sẽ không còn có thể hỗtrợ các thiết bị IoT do số lượng thiết bị và yêu cầu dịch vụ cực kỳ lớn Các công nghệ

đã được sử dụng để thiết kế các kiến trúc hiện tại sẽ không cung cấp kết nối thông suốt cho nhiều thứ do yêu cầu dịch vụ cao và tốc độ trao đổi dữ liệu Gần đây, phần giao tiếp của các hệ thống IoT đã được phát triển đáng kể theo cách mà mọi thứ và thiết bị được kết nối với nhiều giao thức truyền thông khác nhau như ZigBee

Bluetooth Low Energy (BLE) Wi-Fi GSM Lora và Sigfox

Do đó làm mất cân bằng các giao thức truyền thông có thể gây ra các vấn đề nghiêm trọng như nhiễu tần số vô tuyến (RFI) Do đó, cần có một kiến trúc mới dựa trên công nghệ mới để xử lý những thách thức trong tương lai như RFI Ngoài ra, các mạng xử lý ứng dụng và kiến trúc quản lý dữ liệu yêu cầu một mô hình xử lý và truyền thông khác Do đó, nhiều nhà nghiên cứu đang làm việc theo hướng này Bài viết này được thúc đẩy bởi các yêu cầu trong tương lai của kiến trúc mạng để giải trí hàng tỷ thiết bị IoT Trong bài báo này, chúng tôi thiết kế kiến trúc tám lớp được hưởng lợi từ các công nghệ mới như 5G Số lượng các lớp được chọn tùy theo thực tế là hầu hết các công nghệ này có chức năng riêng biệt và do đó chúng tôi nhúng chúng vào các lớp riêng lẻ Kiến trúc được đề xuất này làm cho mô-đun phân tích và khả năng mở rộng của hệ thống IoT hiệu quả hơn Mô hình này đơn giản hóa việc làm rõ xác định tiêu chuẩn hóa và tổ chức thành phần thiết yếu của các hệ thống IoT trong tương lai

Bài viết này được tổ chức như sau Trong Phần II, chúng tôi xem xét một

số kiến trúc đáng chú ý có sẵn trong tài liệu Trong Phần III, chúng tôi giới thiệu các công nghệ mới sẽ phát triển phần chính của hệ thống IoT trong tương lai gần Trong Phần IV, chúng tôi đề xuất một kiến trúc IoT mới dựa trên 5G-IoT và các công nghệ thế hệ tiếp theo được minh họa trong Phần III Trong Phần V, chúng tôi so sánh kiến trúc được đề xuất của chúng tôi với các kiến trúc được đề cập trong Phần II Trong phần này, chúng tôi thiết lập cách đáp ứng các yêu cầu trong tương lai Cuối cùng, chúng tôi kết thúc bài báo này trong Phần VI

1.2.Tổng quan

Trong phần này, một số kiến trúc IoT hiện có được giải thích Những kiến trúc này sẽ được đề cập trong phần tiếp theo, nơi chúng tôi thiết lập kiến trúc mới của mình.

1.2.1.Kiến trúc ba cấp

Kiến trúc ba cấp là cơ bản cho IoT đã được thiết kế và triển khai trong một số hệ thống Một kiến trúc IoT chung bao gồm ba cấp độ cảm biến vận chuyển và ứng dụng.Một kiến trúc tự cấu hình và có thể mở rộng cho một mạng IoT quy mô lớn đã được đề xuất IoT có thể được xác định ở ba cấp độ là cảm biến và thiết bị truyền động và kiến thức định hướng Internet Thông thường nó đã đạt được kết quả là việc triển khai công nghệ IoT gần với nền văn minh hiện đại, nơi các thiết bị và xã hội được kết hợp thực tế với hệ thống thông tin thông qua cảm biến không dây 12 Thông thường, kiến trúc của IoT được phân loại thành ba cấp độ chính 13 1- cấp độ nhận thức 2- cấp độ mạng và 3- mức độ ứng dụng Lớp cảm biến còn được gọi là Mức cảm nhận được thực hiện như lớp dưới cùng trong kiến trúc IoT

1.2.2.Kiến trúc dựa trên SDN

Một kiến trúc dựa trên SDN cho IoT để cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS) cấp cao cho các nhiệm vụ IoT khác nhau trong môi trường mạng không dây không đồng nhất được thiết kế bởi Z Qin và cộng sự

1.2.3 Kiến trúc dựa trên QoS.

Năm 16 Jin và cộng sự đề xuất bốn kiến trúc IoT khác nhau cho phép các ứng dụng thành phố thông minh khác nhau bao gồm các yêu cầu QoS của chúng Các kiến trúc mạng được đề xuất là 1- tự trị giúp hỗ trợ các mạng bị ngắt kết nối Internet 2- phổbiến trong đó Mạng vạn vật thông minh (STN) là một phần của lớp phủ cấp ứng dụng Internet 3- sử dụng NFV để giảm căng thẳng và tắc nghẽn giữa các nút 4- dịch vụ- được định hướng nơi các cổng cụ thể tương tác với sự không đồng nhất vốn có của môi trường IoT

1.2.4.Kiến trúc dựa trên SoA

SoA là một mô hình dựa trên thành phần có thể được thiết kế để kết nối các phầnchức năng khác nhau (còn được gọi là dịch vụ) của một ứng dụng thông qua các giao thức và giao diện SoA tập trung vào việc thiết kế quy trình của các dịch vụ phối hợp

và tối ưu hóa các phân đoạn phần mềm và phần cứng nhằm tăng xác suất của SoA để

sử dụng trong thiết kế kiến trúc IoT Kiến trúc IoT dựa trên SoA bao gồm bốn cấp độ hợp tác với nhau 1- cấp độ nhận thức 2- cấp độ mạng 3- cấp độ dịch vụ 4- cấp độ ứng dụng Trong kiến trúc IoT dựa trên SoA bốn cấp, mức nhận thức được thực hiện như lớp dưới cùng của kiến trúc và được sử dụng để cảm nhận lưu trữ và phân tích dữ liệu được liên kết với các thiết bị vật lý

1.2.5 Kiến trúc MobilityFirst.

Vào năm [20], người ta đã chỉ ra rằng kiến trúc Internet trong tương lai (FIA) được gọi là MobilityFirst bằng cách sử dụng dựa trên tên có thể giải quyết nhiều tháchthức liên quan đến Điện thoại thông minh khi hoạt động như các cổng thông thường của WSAN trong các hệ thống IoT

1.2.6 Kiến trúc CloudThings

J Zhou và cộng sự đã trình bày một kịch bản về nhà thông minh hỗ trợ IoT.[ 21]

để phân tích các yêu cầu ứng dụng IoT Vì vậy, kiến trúc CloudThings đó đã được đề xuất dựa trên nền tảng IoT dựa trên đám mây Trong [22] Hao et al đề xuất một kiến trúc gọi là Đám mây dữ liệu dựa trên mạng lấy thông tin làm trung tâm (ICN) để cải thiện chỗ ở của các dịch vụ cho thế hệ tiếp theo của Internet

1.2.7 Kiến trúc IoT-A

Một kiến trúc quan trọng khác là kiến trúc tham chiếu IoT-A European project 19được trình bày trong Bassi et al Trong Pohls et al lấy cảm hứng từ kiến trúc IoT-A đểthiết kế một khuôn khổ cho dự án 16 của Liên minh Châu Âu RERUM FP7 cho phép các ứng dụng IoT bổ sung các cơ chế quyền riêng tư và bảo mật trong giai đoạn thiết

kế ban đầu

1.2.8 Kiến trúc S-IoT

Atzori và cộng sự hợp nhất IoT và mạng xã hội và định nghĩa Internet vạn vật

xã hội (S-IoT) Họ mô tả một kiến trúc cho phép tích hợp mọi thứ trong một mạng xã hội và phân tích các thành phần của cấu trúc mạng được đề xuất bằng cách sử dụng

mô phỏng

Ngày nay hầu hết các kiến trúc này được thực hiện trong các khu công nghiệp hoặc thành phố thông minh Mặc dù những kiến trúc này phù hợp với thời điểm này nhưng chúng sẽ không còn hứa hẹn nữa về độ tin cậy và hiệu suất do những thách thức trong tương lai và do đó chúng sẽ yêu cầu được khảo sát lại

1.3.Công nghệ mới cho phép IoT

Một số công nghệ mới đang tạo ra sự phát triển trong tương lai của các ứng dụng IoT Những công nghệ này ban đầu không được thiết kế cho IoT nhưng chúng

có thể tham gia vào các ứng dụng IoT thế hệ tiếp theo như các dịch vụ mới của thành phố thông minh và xe tự hành Để giải quyết các yêu cầu sắp tới như vậy, các công nghệ này phải được nhúng vào kiến trúc đề xuất

1.3.1.Nano-chip

Trong hai thập kỷ qua, các thiết bị dựa trên Nano-Chip đã được tìm thấy những ứng dụng chung trong việc phân tích các mẫu sinh học và hóa học Một con chip nhỏ đặt dưới da và các tế bào được lập trình lại bằng điện trường có thể là một phát minh ởdạng chúng ta chữa lành các mô bị thương hoặc lão hóa Các nhà nghiên cứu cho biết Nano-chip có thể chữa lành vết thương hoặc chỉ với một lần chạm các cơ quan sẽ mọclại Tuy nhiên, việc sử dụng các thiết bị dựa trên chip Nano sẽ không bị giới hạn trongcác ứng dụng y tế, chẳng hạn như công nghệ này có thể được sử dụng trong các ứng

dụng quân sự và tự động hóa gia đình, sẽ bao gồm phần lớn các ứng dụng IoT

1.3.2 Sóng milimet (mmWave)

Trong thập kỷ trước, khả năng tiếp cận của phổ tần số dưới băng tần 6 GHz đã giảm xuống và yêu cầu về tốc độ dữ liệu cao hơn đang tăng lên Các tần số cao hơn như sóng milimet (mmWave) mà dải tần của nó trên 24 GHz đã được khuyến nghị là ứng cử viên cho các ứng dụng IoT 5G trong tương lai vì băng thông lớn hơn có thể được coi là cải thiện khả năng và cho phép người dùng sử dụng tốc độ dữ liệu rất cao ứng dụng tầm ngắn 26 Dải tần 24 28 GHz đã được khai thác như một trong những băng tần được coi là cho các ứng dụng 5G-IoT [27]

1.3.3 Mạng không đồng nhất (Het-Net)

Mạng không đồng nhất (HetNet) đã thiết kế để đáp ứng yêu cầu theo yêu cầu của5GIoT chạy dịch vụ Mô hình mạng mới này cho phép 5G-IoT cung cấp tốc độ truyền

dữ liệu theo yêu cầu theo yêu cầu Trong năm gần đây, một số giải pháp HetNet 5G đãthiết kế (Xem trong 10) sẽ triển khai một số lượng lớn các thiết bị được đào tạo tài nguyên.

1.3.4.Giao tiếp trực tiếp thiết bị với thiết bị (D2D)

Giao tiếp trực tiếp thiết bị với thiết bị (D2D) đã được thiết kế như một cách mới

để truyền dữ liệu tầm ngắn, điều này sẽ mang lại lợi ích cho 5G-IoT với mức tiêu thụ điện năng thấp hơn, QoS tốt hơn cho người dùng và cân bằng tải Trạm gốc Macro-cell truyền thống (MBS) đã xem xét cung cấp BS công suất thấp Tuy nhiên D2D cho phép truyền thông tin giữa thiết bị người dùng biên mà không cần BS -oT

1.3.5.Hệ thống không dây thế hệ thứ năm (5G)

Mạng thế hệ thứ năm (5G) đang trở thành hướng dẫn chính cho sự phát triển củacác ứng dụng IoT 5G có thể đóng góp quan trọng cho thế hệ tiếp theo của IoT bằng cách kết nối hàng tỷ thứ thông minh để tạo ra tương lai thực tế và IoT khổng lồ Hiện tại, việc xác định khả năng của các thiết bị IoT là rất khó vì miền ứng dụng không đồng nhất nên đáp ứng nhu cầu của ứng dụng Theo báo cáo của Tập đoàn Dữ liệu Quốc tế (IDC), các dịch vụ của 5G toàn cầu sẽ hỗ trợ 70 công ty chi 1,2 tỷ USD cho các giải pháp quản lý kết nối Các hệ thống IoT hiện tại được thiết kế rộng rãi theo miền ứng dụng cụ thể như BLE ZigBee các công nghệ khác như mạng Wi-Fi LP-WA (Lora Sixgfox) và truyền thông di động (3GPP LTE), v.v IoT đang phát triển nhanh chóng với công nghệ mới, đặc biệt là miền ứng dụng mới Ngày nay, các hệ thống IoTđang cải thiện chất lượng của lối sống liên quan đến sự kết nối giữa các thiết bị nhà thông minh và môi trường thông minh Công nghiệp IoT (IIoT) đang phát triển nhiều thách thức như các yêu cầu mới đối với sản phẩm và giải pháp cũng như chuyển đổi

mô hình kinh doanh [28] Các kỹ thuật truyền thông phổ biến nhất trong kết nối của IoT là mạng 3GPP và LTE (4G) [29] cung cấp các hệ thống IoT với độ tin cậy bền vững vượt thời gian của kết nối và với phạm vi bao phủ rộng, chi phí triển khai thấp, truy cập mức độ bảo mật cao vào phổ tần chuyên dụng và sự đơn giản của quản lý 30 Tuy nhiên, các mạng di động hiện tại chẳng hạn không thể hỗ trợ truyền thông MTC nhưng mạng 5G-IoT có thể cung cấp Ngoài ra, 5G-IoT cung cấp tốc độ dữ liệu mạng

di động nhanh nhất với độ trễ rất thấp và vùng phủ sóng được cải thiện cho giao tiếp MTC

Trong những năm gần đây, nhiều công trình khác nhau về 5G-IoT đã được thực hiện CISCO Intel Verizon, v.v đã thực hiện các dự án nghiên cứu không dây về 5G nhằm điều chỉnh chất lượng video phù hợp với yêu cầu của mắt người [19] 5G-IoT cung cấp tất cả- trực tuyến theo yêu cầu và trải nghiệm xã hội với các ứng dụng

IoT Kiến trúc 5G-IoT phải tự động và phải có khả năng phối hợp đầu cuối, hoạt động thông minh và nhanh chóng trong mỗi giai đoạn 9

Các kiến trúc 5G-IoT sẽ cung cấp:

 Các mạng độc lập về mặt logic cho các yêu cầu ứng dụng

 Để xây dựng lại mạng truy cập vô tuyến (RAN), hãy tham gia vào mạng truy cập vô tuyến dựa trên đám mây (Cloud RAN) để cung cấp các kết nối lớn theo nhiều tiêu chuẩn và triển khai theo yêu cầu các chức năng RAN theo yêu cầu của 5G

 Đơn giản hóa kiến trúc của mạng lõi để thiết kế cấu hình các chức năng mạng theo yêu cầu

1.3.6 Giao tiếp kiểu máy (MTC).

Truyền thông kiểu máy (MTC) hoặc liên lạc máy-tomachine (M2M) đại diện chotruyền thông dữ liệu tự động giữa cơ sở hạ tầng cơ bản của vận chuyển dữ liệu và thiết

bị Truyền thông dữ liệu được phát triển ngay giữa hai thiết bị MTC hoặc giữa thiết bị MTC và cơ sở dữ liệu [31] MTC thiết lập một loạt các ứng dụng từ việc triển khai lớncác thiết bị tự trị đến các dịch vụ tới hạn Các hệ thống di động (đặc biệt là 5G) đã được coi là một ứng cử viên quan trọng để cung cấp kết nối cho các thiết bị MTC Thiết bị MTC ngày càng trở thành một phần thiết yếu trong lối sống của chúng ta Hỗtrợ tốc độ dữ liệu cao và các tính năng nổi bật khác của MTC xuất hiện trong tình huống mà 5G-PlusHetNet coi là giải pháp công nghệ mạnh mẽ trong 5G-IoT trước nhu cầu truyền dữ liệu ngày càng tăng từ các thiết bị MTC [32]

1.3.7 Mạng không dây do phần mềm xác định (WSDN).

Mạng không dây do phần mềm xác định (WSDN) là công nghệ mới tiếp cận vớiđiện toán đám mây di động, hỗ trợ quản lý mạng và cho phép cấu hình mạng thay vì cải thiện hiệu suất mạng hoặc giám sát mạng Các mạng hiện tại đòi hỏi sự linh hoạt hơn và xử lý sự cố dễ dàng để đạt được chủ đề này SDN phá vỡ sự đồng hóa theo chiều dọc của các mạng truyền thống và thông qua điều khiển mạng tập trung cung cấp sự linh hoạt để lập trình mạng SDN có thể điều chỉnh các thông số của mạng một cách nhanh chóng dựa trên các điều kiện hoạt động của nó [33] Mạng 5G có thể đượctriển khai thông qua mô hình WSDN để cung cấp các hệ thống 5G-IoT có thể mở rộng

và nhanh hơn

1.3.8 Chia sẻ và giao thoa phổ nâng cao

Quản lý (SSIM nâng cao) Tài nguyên phổ có thể sử dụng là hạn chế và đông đúc Có thể mất nhiều năm để xác định lại một dải phổ cho các cách sử dụng khác, ví

dụ như chính quy hóa hoặc tiêu chuẩn hóa dải tần đó không dễ dàng Hiệu quả phổ là một trong những thước đo hiệu quả quan trọng trong mạng truyền thông 5G Để nâng cao hiệu suất phổ tần, các kỹ thuật chia sẻ phổ tần tiên tiến thường được sử dụng Do

đó, các mạng truyền thông 5G được kỳ vọng sẽ giải quyết vấn đề bằng các phương pháp khác nhau

1.3.9 Điện toán cạnh di động (MEC)

Điện toán Edge (Fog) là một mô hình điện toán phân tán, đóng vai trò là lớp trung gian giữa cơ sở dữ liệu Đám mây và cảm biến thiết bị IoT Điện toán cạnh di động (MEC) đã đề xuất mô tả việc thực thi các dịch vụ tại ranh giới của mạng nhằm mục đích cung cấp môi trường dịch vụ CNTT và khả năng điện toán đám mây ở biên của mạng di động thứ Các kiến trúc và khung tham chiếu MEC có các yếu tố chức năng hỗ trợ các dịch vụ như thông tin mạng vô tuyến nhận biết vị trí và thực thi ứng dụng Lợi thế của việc mở rộng các dịch vụ đám mây ở rìa các mạng di động như 5G

là có băng thông cao có độ trễ thấp và khả năng truy cập thông tin mạng vô tuyến và nhận thức về vị trí Để có thể tối ưu hóa các dịch vụ cơ sở hạ tầng di động hiện tại hoặc triển khai các dịch vụ mới MEC là một yếu tố thiết yếu khác trong 5G-IoT sẽ tập trung vào hai khía cạnh:

 Cuộc cách mạng phân tích MEC và mạng 5G sẽ là cốt lõi của thế hệ tiếp theo của IoT

 MEC trong 5G-IoT sẽ làm tăng đáng kể các ứng dụng liên quan đến tính toán yêu cầu xử lý lớn như Thực tế ảo (VR) hoặc thực tế tăng cường (AR).

 Việc triển khai được đề cập trước đó sẽ giảm chi phí và cung cấp cơ sở hạ tầng quản lý chung cho tất cả các dịch vụ ảo hóa

1.3.10 Ảo hóa chức năng mạng không dây (WNFV)

Ảo hóa chức năng mạng không dây (WNFV) đề cập đến các dịch vụ và chức năng mạng để xem không dây các tài nguyên mạng như liên kết cơ sở dữ liệu bộ định tuyến và dữ liệu theo cách tách biệt với cơ sở hạ tầng vật lý chung và sử dụng các tài nguyên này như các yêu cầu dịch vụ khi nó cần WNFV tách một mạng vật lý thành các mạng ảo khác nhau, do đó các thiết bị có thể được cấu hình lại để tổ chức các mạng khác nhau theo yêu cầu của các ứng dụng WNFV như một phần bổ sung cho mạng 5G sẽ cho phép ảo hóa toàn bộ các chức năng của mạng để đơn giản hóa việc triển khai 5G-IoT WNFV cung cấp mạng có thể mở rộng và linh hoạt cho các ứng dụng 5G-IoT, điều này sẽ cho phép một mạng tùy chỉnh để tạo ra các mạng có thể lập trình cho các ứng dụng 5G-IoT

Trên thực tế, WNFV sẽ cung cấp khả năng xử lý trực tuyến các ứng dụng IoT bằng cách tối ưu hóa khả năng tốc độ và phạm vi phủ sóng trong mạng để phù hợp với nhu cầu của các ứng dụng Ngoài ra, WNFV sẽ cải thiện đáng kể tính khả dụng của mạng truy nhập vô tuyến (RAN) Trong HetNet 5G-IoT, tính năng nén mạng

5G-có thể tổng hợp các cơ sở hạ tầng 5G với kết nối đa RAT để phù hợp với các yêu cầu của các dịch vụ ứng dụng [36]

1.3.11 Điện toán đám mây di động (MCC)

Điện toán đám mây là một mô hình điện toán khuyến khích trong giới học thuật

và công nghiệp, đề cập đến việc tận dụng các công nghệ ảo hóa cung cấp nhiều mô hình triển khai và mô hình dịch vụ từ đám mây công cộng đến đám mây riêng và từ

Cơ sở hạ tầng như một mô hình Dịch vụ đến Phần mềm

Ngoài ra, điện toán đám mây cung cấp các tài nguyên điện toán như bộ xử lý lưu trữ và mạng như một dịch vụ Những lợi ích như khả năng hiệu quả khả năng truy cập

tự phục vụ theo yêu cầu và khả năng mở rộng làm cho điện toán đám mây trở thành cơhội tài nguyên máy tính cho các thiết bị di động Do khoảng cách vật lý, các dịch vụ đám mây không thể truy cập trực tiếp vào thông tin hoàn cảnh cục bộ như vị trí chính xác của người dùng, hoàn cảnh mạng cục bộ hoặc tình hình của người dùng, là hành vicho các ứng dụng nhạy cảm với độ trễ như VR và AR, các yêu cầu này (chẳng hạn như hỗ trợ di động có độ trễ thấp và nhận biết ngữ cảnh) được mong đợi Điện toán đám mây di động (MCC) về cơ bản tập trung vào khái niệm ủy quyền di động vì tài nguyên có sẵn của thiết bị di động bị hạn chế, việc lưu trữ dữ liệu hàng loạt và việc thực hiện các tác vụ tính toán chuyên sâu nên được giao cho các thực thể ở xa MCC

đề cập đến một mô hình tận dụng tài nguyên của Điện toán đám mây để cải thiện hiệu suất của các tài nguyên hạn chế

Hiện tại, nhiều dịch vụ được triển khai trên một đám mây tập trung hoặc trong chính các thiết bị di động Có một số ứng dụng (chẳng hạn như ứng dụng AR và giao diện tăng cường (AI)) trong đó sự hiện diện của nền tảng hiệu suất đặt tại môi trường của thiết bị di động có thể mang lại một số lợi thế (chẳng hạn như độ trễ thấp hơn và khả năng truy cập thông tin ngữ cảnh) Hơn nữa, vì các thiết bị di động được trang bị các bộ phận thiết thực (chẳng hạn như cảm biến và máy ảnh độ phân giải cao), nên có

thể tạo ra các ứng dụng cảm biến tập thể hoặc nguồn cung cấp cộng đồng mới để đạt được thông tin vị trí.

1.3.12 Phân tích dữ liệu và Dữ liệu lớn

Một trong những khía cạnh quan trọng của một ứng dụng IoT thành công là Phân tích dữ liệu Các công ty quan tâm đến những phần thông tin mang lại giá trị từ dữ liệukhổng lồ Khái niệm Dữ liệu lớn là một khái niệm trừu tượng, thường xuyên phụ thuộc vào cấu hình của hệ thống (chẳng hạn như dung lượng RAM HDD, v.v.) Gần đây giá trị của Dữ liệu lớn đã được công nhận, có nhiều ý kiến khác nhau về định nghĩa Dữ liệu lớn

Trên thực tế, Dữ liệu lớn đề cập đến các tập dữ liệu không thể được công nhận một cách hiệu quả được quản lý và xử lý bởi các công cụ phần mềm và CNTT thông thường hoặc các thiết bị phần cứng Các công nghệ như Dữ liệu lớn và Phân tích dữ liệu đang thay đổi cách chúng ta sống và tạo ra nhiều cơ hội mới Nhà máy thông minh là một trong những cơ hội có thể chứa hàng trăm cảm biến tạo ra một lượng lớn

dữ liệu Big Data

1.3.13 An ninh và Pháp y

Với sự tích hợp của 5G và các mối quan tâm về Bảo mật IoT như kiểm soát quyềnriêng tư, giao tiếp an toàn và lưu trữ dữ liệu an toàn đang trở thành những thách thức quan trọng trong Ứng dụng IoT

Hơn nữa, mọi thiết bị đã được xây dựng và mọi dữ liệu đã được đồng bộ hóa bởi một ứng dụng IoT đều đang được điều tra Sự phân phối quy mô lớn của các thiết

bị IoT và tính chất riêng tư của dữ liệu đã được tích lũy và chuyển giao bởi các nút IoT khiến bảo mật trở thành một thách thức chính Sẽ không mất nhiều thời gian để thấy mọi người kiện nhau vì đã sử dụng thiết bị thông minh của họ đối với những phương tiện có khả năng gây tai nạn và những tên tội phạm đặt các cảm biến thông minh cá nhân vào nguy cơ IoT đã phát triển một đống cỏ khô bao gồm rất nhiều hiện vật pháp y hữu ích trong khi việc bảo quản thu thập nhận dạng và báo cáo các mảnh bằng chứng như một cuộc tấn công sẽ là một thách thức trong bối cảnh này

IoT sẽ sớm lan rộng khắp mọi khía cạnh cuộc sống của chúng ta từ quản lý nhiệt độ trong nhà đến xe hơi và quản lý thành phố thông minh và các công nghệ mới hỗ trợ quá trình này Các nhà nghiên cứu cần có một ngôn ngữ chung để sử dụng các công nghệ này một cách thích hợp Cho đến nay, tất cả các công nghệ này đều không tương thích với kiến trúc IoT hiện tại

Do đó cần phải thiết kế một kiến trúc mới dựa trên những công nghệ này Trongphần tiếp theo, chúng tôi sẽ trình bày cách các công nghệ này đóng góp vào kiến trúc IoT được đề xuất

Kiến trúc bao gồm tám lớp liên kết với nhau với khả năng trao đổi dữ liệu hai chiều Lớp thứ hai và lớp thứ năm lần lượt bao gồm hai và ba lớp con và lớp bảo mật bao gồm tất cả các lớp khác Các lớp này được chọn để cung cấp hiệu suất tốt nhất và

duy trì đồng thời tính mô đun của kiến trúc Các công nghệ mới được trình bày trong Phần III được nhúng vào thiết kế của kiến trúc mới này để giải quyết những thách thức trong tương lai được đề cập trong Phần I Các công nghệ với các chức năng hoàn toàn riêng biệt được nhúng trong các lớp khác nhau để dễ phân tích khả năng mở rộng

và mô đun

1.4.1 Lớp thiết bị vật lý

Lớp này bao gồm các bộ truyền động và bộ điều khiển cảm biến không dây thực

sự là "những thứ" của IoT Các thiết bị vật lý là một lớp chung trong tất cả các kiến trúc Trong lớp này, các thiết bị kích thước nhỏ như Nano-Chip sẽ được sử dụng để tăng sức mạnh xử lý tính toán và giảm tiêu thụ điện năng NanoChips có thể tạo ra một lượng lớn dữ liệu được xử lý ban đầu, phù hợp với Dữ liệu lớn ở lớp phân tích dữ liệu (7 lớp)

1.4.2Lớp giao tiếp

Lớp này bao gồm hai lớp con Các lớp Giao tiếp và Kết nối D2D

 Trực tiếp thiết bị đến thiết bị (D2D) Lớp con giao tiếp Do sức mạnh xử lý và trí thông minh ngày càng tăng của các thiết bị vật lý (nút), chúng chứa danh tính và cá tính riêng của chúng và tạo ra dữ liệu của riêng chúng Để tăng hiệu quả và khả năng của hệ thống IoT, các thiết bị này nên tạo thành một HetNet đểgiao tiếp với nhau Các giao thức truyền thông cập nhật của mạng cảm biến không dây (WSN) được khai thác trong lớp con này Các nút có thể thực hiện phân cụm hoặc thậm chí chọn một nhà lãnh đạo (người đứng đầu cụm) cho mộtmạng thích hợp Một trong những công nghệ quan trọng nhất giúp cải thiện lớpcon này là mmWave Ngoài ra ở lớp con 5G này là một công nghệ tùy chọn khác có thể tăng cường giao tiếp D2D 5G đã được coi là một ứng cử viên quantrọng để cung cấp kết nối cho các thiết bị MTC Hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao và các tính năng nổi bật khác của MTC khiến 5G-Plus-HetNet được coi là giải pháp công nghệ mạnh mẽ trong kiến trúc 5G-IoT được đề xuất

 Lớp con kết nối Trong lớp con này, các thiết bị được kết nối với các trung tâm truyền thông như BS Ngoài ra, họ gửi và phân tích dữ liệu của họ thông qua các trung tâm bằng kết nối Intranet với thiết bị lưu trữ Hiện tại, lớp con này của IoT có một số vấn đề cụ thể, chỉ có thể xử lý số lượng kết nối thiết bị hạn chế trong các ứng dụng như trao đổi dữ liệu xe tự hành cho nhiều loại dữ liệu không thể áp dụng được, dữ liệu khối lượng lớn khó có thể được xử lý trong thực tế- thời gian do độ trễ giao tiếp lớn Trong tương lai gần, việc triển khai 5G sẽ tạo ra một bước tiến lớn ở lớp con này về hiệu suất độ tin cậy và sự nhanh nhẹn

Một công nghệ khác của lớp con này là Advanced SSIM như đã giải thích trong phần trước Bằng công nghệ này, các thiết bị IoT đạt được khả năng lựa chọn phổ tần (dải tần) phù hợp với mức nhiễu đủ thấp Trên thực tế, các kỹ thuật SSIM cũng có lợi khi tận dụng các cơ hội của việc chia sẻ phổ tần dựa trên radio nhận thức

L.3 Lớp Điện toán Cạnh (Sương mù)

Tại lớp này, dữ liệu được xử lý bởi các nút hoặc các nhà lãnh đạo của chúng để đưa

ra quyết định ở cấp Edge Với sự ra đời của công nghệ 5G và sự gia tăng của các thiết

bị di động (chẳng hạn như điện thoại thông minh), công nghệ MEC sẽ mạnh mẽ hơn

để vượt qua những thách thức và sẽ đóng góp đáng kể ở lớp này

L.4 Lớp lưu trữ dữ liệu

Lớp này chứa các đơn vị lưu trữ dữ liệu, trong đó thông tin thu được từ quá trình xử

lý biên của các thiết bị vật lý được lưu trữ cũng như dữ liệu thô Lớp này yêu cầu sự bảo vệ đặc biệt về mặt bảo mật và cũng phải đáp ứng với khối lượng dữ liệu khổng lồ

và lưu lượng của các ứng dụng trong tương lai

L.5.Lớp Dịch vụ Quản lý

Lớp này bao gồm ba lớp con như sau:

 Lớp con quản lý mạng Quản lý mạng liên quan đến việc thay đổi kiểu giao tiếpgiữa các thiết bị và trung tâm dữ liệu Công nghệ quan trọng nhất liên quan đếnlớp con này là WNFV WNFV có thể cập nhật cấu trúc liên kết của mạng và loại giao thức truyền thông như 5G-IoT hoặc ZigBee đồng thời để cải thiện chất lượng của cấu trúc IoT Một công nghệ hữu ích khác ở lớp con này là WSDN WSDN quản lý mạng IoT và cho phép cấu hình lại mạng thay vì giám sát mạng truyền thống để nâng cao hiệu suất

 Lớp phụ Điện toán đám mây Trong lớp con này, dữ liệu và thông tin từ điện toán biên được xử lý (lại) trong đám mây để có thể thu được thông tin được xử

lý cuối cùng Bằng cách triển khai công nghệ 5G, các thiết bị di động có khả năng thực hiện loại máy tính này được gọi là MCC trong thời gian thực Do đó,các hoạt động xử lý sẽ được phân phối song song giữa các thiết bị di động để làm cho hệ thống IoT hiệu quả hơn, có khả năng mở rộng bền vững và nhanh hơn

 Lớp phụ Phân tích dữ liệu Trong lớp con này, các phương pháp phân tích dữ liệu mới 4 được sử dụng để tạo ra giá trị (thông tin có thể thao tác được) từ dữ liệu thô Bất kỳ cải tiến nào trong thuật toán Dữ liệu lớn sẽ nâng cao việc xử lý

dữ liệu ở lớp con này Trên thực tế, vai trò của lớp con này đang chiếm ưu thế trong tương lai gần khi lượng thông tin thu thập được tăng lên do sự tích hợp của 5G và IoT

L.6 Lớp ứng dụng

Trong lớp này Phần mềm tương tác với các lớp trước và dữ liệu đang ở trạng thái nghỉ nên không cần thiết phải hoạt động ở tốc độ mạng Các ứng dụng có thể cách mạng hóa thị trường theo chiều dọc và nhu cầu kinh doanh bằng cách kiểm soát các ứng dụng Ứng dụng theo chiều dọc và di động cũng như Business Intelligence và Analytics Trên thực tế, lớp Ứng dụng cho phép những người kinh doanh làm

đúngviệc vào đúng thời điểm bằng đúng dữ liệu

L.7.Lớp cộng tác và xử lý Hệ thống IoT

Hình 0:Hệ thống các lớp cộng tác và xử lý

Và thông tin đến từ các lớp trước sẽ không hữu ích trừ khi nó tạo ra một hành

động Mọi người được trao quyền bởi các ứng dụng thực hiện logic nghiệp vụ Mọi người sử dụng các ứng dụng và dữ liệu liên quan cho các nhu cầu cụ thể của họ Đôi khi nhiều cá nhân sử dụng cùng một ứng dụng cho các mục đích khác nhau Trên thực

tế, các cá nhân phải có khả năng cộng tác và giao tiếp để làm cho IoT có thể sử dụng được

L.8 Lớp bảo mật

Giống như nhiều kiến trúc khác, lớp này được coi là một lớp riêng biệt Thực tế lớp này bao phủ và bảo vệ tất cả các lớp trước đó nhưng mỗi phần (phần giao nhau của lớp này với lớp khác) có chức năng riêng Lớp bảo mật của kiến trúc được đề xuất baogồm các điều khoản về tính năng bảo mật khác nhau bao gồm mã hóa dữ liệu xác thựcngười dùng kiểm soát truy cập mạng và bảo mật đám mây 6 Ngoài ra, lớp bảo mật cũng ngăn ngừa và dự đoán các mối nguy hiểm và các cuộc tấn công mạng bao gồm

cả pháp y để phát hiện loại tấn công và thất bại chúng

V.Sự so sánh

Trong Phần II, các kiến trúc IoT quan trọng nhất đã được giới thiệu Trong phần này chúng tôi so sánh những kiến trúc đó với kiến trúc được đề xuất Như chúng tôi đã đề cập, các ứng dụng IoT thế hệ tiếp theo và các dịch vụ của chúng như nhà máy thông minh và thành phố thông minh yêu cầu các thuộc tính đặc biệt như sau Hỗ trợ nhiều loại dữ liệu Hỗ trợ số lượng khách hàng và nhu cầu cao Tính linh hoạt Độ bền cao củakết nối Độ trễ thấp Giao tiếp đáng tin cậy Các kiến trúc IoT hiện tại với các công nghệtruyền thông và mạng của họ bị ảnh hưởng bởi việc cung cấp các yêu cầu trên 16 Tuynhiên, các kiến trúc dựa trên công nghệ truyền thông 5G có thể đáp ứng các yêu cầu

Low Latency Robustness of

connection

Support of different data types

Reconfigurability coverage Wide

lại Bảo mật cao Xử lý sự cố dễ dàng và nhanh chóng Phạm vi rộng Chi phí triển khai thấp Hơn nữa hầu hết trong số họ chỉ tập trung vào công nghệ 5G mà không có đủ sựquan tâm đến các công nghệ sắp ra mắt khác Trên thực tế, với sự tích hợp của 5G và IoT, nhiều công nghệ khác như MTC và WNFV có thể tham gia vào các kiến trúc IoT thế hệ tiếp theo Sự kết hợp thích hợp của các công nghệ này có thể tạo ra một cấu trúc toàn diện hơn đáp ứng các yêu cầu được liệt kê của các ứng dụng IoT thế hệ tiếp theo Cách tiếp cận này không được giải quyết bởi các kiến trúc được giới thiệu trong Phần II như trong Bảng 1.

Chương 2:Tổng Quan Về Internet of Things 2.Internet of Things

2.1.1.Định Nghĩa

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 sựliên kết các “Things” IoT dự kiến sẽ tích hợp rất nhiều công nghệ mới, chẳng hạn nhưcác 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 dưới, 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

Hình 1 .Internet of Things

- Thiết bị(devices): Đối với Internet Of Things, đây là một phần của cả hệ thống với chức năng bắt buộc là communication và chức năng không bắt buộc là: cảm biến, thựcthi,thu thập dữ liệu, lưu trữ và xử lý dữ liệu

- Internet Of Things: Là một cơ sở hạ tầng mang tính toàn cầu cho xã hội thông tin, mang đến những dịch vụ tiên tiến bằng cách kết nối các “Things” (cả physical lẫn virtual) dựa trên sự tồn tại của thông tin, dựa trên khả năng tương tác của các thông tin

đó, và dựa trên các công nghệ truyền thông

- Things: Đối với Internet Of Things, “Thing” là một đối tượng của thế giới vật chất (physical things) hay thế giới thông tin ảo(virtual things) “Things” có khả năng được

2.1.2 IOT từ góc nhìn kỹ thuật

Như đề cập ở mục 1, “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 5 bài 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 Yêu cầu tối thiểu của các “device” trong IOT là khả năng giao tiếp Devices sẽ được phân loại vàocác dạng như device mang thông tin, device thu thập dữ liệu, device cảm

nhận(sensor), device thực thi, hay general device

2.2.Kiến trúc mạng IOT

2.2.1.Định Nghĩa

IOT là một bộ phận tích hợp của Future Internet và được định nghĩa như một cơ sở hạ tầng mạng toàn cầu năng động với khả năng tự cấu hình dựa trên tiêu chuẩn và các giao thức truyền thông tương thích trong đso các vật thực và ảo có danh tính,thuộc tính vật lý và tính cách ảo và sử dụng giao diện thông minh, và được tích hợp hoàn toàn vào trong mạng lưới thông tin

Trong IOT,’things’ được dự tính trở thành các người tham dự trong các hoạt động kinh doanh,thông tin và các quá trình xã hội trong đó chúng được tương tác và liên lạc với nhau và với môi trường bằng cách trao đổi dữ liệu và thông tin cảm nhận được trong môi trường, trong khi tự phản ánh với các sự kiện thế giới thực và tạo ra tương tác bằng cách chạy các tiến trình mà kích hoạt động và tạo ra các dịch vụ có hoặc không có sự tác động của con người

Các giao diện trong hình thức của dịch vụ dễ dàng tương tác với các vật thông qua Internet, truy vấn và thay đổi trạng thái cảu chúng và bất ký thông tin liên quan với chúng, tham gia bảo mặt tài khoản và các vấn đề riêng tư

Tâm nhìn của Internet tương lại dựa vào các giao thức truyền thông lưu ý đến

sự hợp nhất của máy tính , Internet of Media – IoM, Internet of Services – Ios, và Internet of things – IoT vào trong một nền tảng IT toàn cầu của mạng và các thứ được nối mạng