ĐỒ ÁN nghiên cứu dịch vụ IoT dựa trên nền tảng mạng thông tin di động 5G bao gồm cấu trúc mạng thông tin di động 5G, cấu trúc IoT trong 5G, đề xuất ứng dụng vào nhà thông minh trong tương lai. Kết nối nhà thông minh sử dụng mạng thông tin di động 5G bên trong và bên ngoài nhà và cách thứ kết nối của các phần tử
Nguyễn Sơn Tùng TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BỘ MÔN KỸ THUẬT VIỄN THÔNG - - NGHIÊN CỨU DỊCH VỤ IOT DỰA TRÊN NỀN TẢNG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU DỊCH VỤ IOT DỰA TRÊN NỀN TẢNG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G Sinh viên thực hiện: Nguyễn Sơn Tùng Lớp: Kỹ thuật viễn thông Khóa: 59 Giảng viên hướng dẫn: TS Trịnh Quang Khải Năm 2022 HÀ NỘI - 2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BỘ MÔN KỸ THUẬT VIỄN THÔNG - - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU DỊCH VỤ IOT DỰA TRÊN NỀN TẢNG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G Sinh viên thực hiện: Nguyễn Sơn Tùng Lớp: Kỹ thuật viễn thông Khóa: 59 Giảng viên hướng dẫn: TS Trịnh Quang Khải HÀ NỘI - 2022 LỜI CAM ĐOAN Em Nguyễn Sơn Tùng, Đồ án “Nghiên cứu dịch vụ IoT vựa tảng mạng thông tin di động 5G” cơng trình nghiên cứu cá nhân em, thực hướng dẫn khoa học TS Trịnh Quang Khải Các liệu nêu đồ án hoàn toàn trung thực, phản ánh kết thực tế Mọi thơng tin trích dẫn tn thủ quy định sở hữu trí tuệ, tài liệu tham khảo liệt kê rõ ràng Em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm lời cam đoan Người cam đoan Nguyễn Sơn Tùng LỜI NÓI ĐẦU I Tính cấp thiết đề tài: Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động cho thấy: nhằm đáp ứng nhu cầu cao người, tốc độ liệu thông tin di động không ngừng cải thiện, đạt kết đột phá Các hệ thông tin di động từ 1G đến 3G cho thấy phát triển nhanh dịch vụ tốc độ Thế hệ – 4G hệ mạng hoàn toàn dựa phương thức chuyển mạch gói IP Trong 10 năm triển khai, ngày yêu cầu tốc độ liệu độ trễ ngày đẩy mạnh 4G khơng cịn lựa chọn tối ưu dịch vụ quan trọng Nhân loại cần giải pháp kết nối với tốc độ lên đến hàng Gbps độ trễ cực thấp – Sự đời mạng hệ thứ Đặc biệt, giải pháp tiên tiến cho phép thiết bị người giao tiếp với – IoT, kết hợp với 5G tạo thành tảng mạnh mẽ khả cải thiện hiệu suất, nâng cao tốc độ, tiết kiệm lượng…Trở thành giải pháp ứng dụng nhiều vài năm tới II Đối tượng phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu: Từ mục tiêu đặt ra, đồ án tập trung nghiên cứu đối tượng sau: + Sự triển khai hệ mạng di động thứ (5G) + Cấu trúc công nghệ mạng 5G + Hệ sinh thái Internet of Things ứng dụng Phạm vi nghiên cứu: Với mục tiêu đối tượng nghiên cứu xác định, phạm vi nghiên cứu đồ án bao gồm: + Thông tin vô tuyến, hệ thống thông tin di động + Cơ sở lý thuyết công nghệ mạng 5G + Cơ sở lý thuyết mơ hình IoT + Đề xuất thiết kế hệ thống ứng dụng tảng 5G cho IoT III Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết thông tin vô tuyến, hệ thống di động để có nhìn tổng quan hệ mạng qua thời kỳ phát triển, đánh giá xu tiềm triển khai lên hệ mạng tiên tiến Nghiên cứu lý thuyết hệ sinh thái IoT, cho nhìn tổng quan xu phát triển dựa tảng hệ thống 5G Phân tích hội thách thức để triển khai 5G ứng dụng cho IoT tương lai IV Mục tiêu nghiên cứu đề tài: - Xác định tiêu chuẩn 5G rộng hơn, xác định điểm mạnh điểm yếu so với tiêu chuẩn có; - Những thách thức đưa mốc thời gian để triển khai kì vọng ngành cơng nghiệp khơng dây; - Xem xét thực tiễn mà 5G kích hoạt IoT, đặc biệt tập trung vào khả phân tích từ xa băng thơng cao khả sử dụng trung tâm xử lý từ xa cho dịch vụ quan trọng - Phân tích thành phần nhà thơng minh có sử dụng 5G V Kết cấu đề tài: Chương Lịch sử xu phát triển mạng thông tin di động Chương Tổng quan hệ thống mạng thông tin di động 5G Chương Hệ sinh thái IoT Hà Nội, ngày 22 tháng 12 năm 2022 Sinh viên thực Nguyễn Sơn Tùng MỤC LỤC TỜ GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI CAM ĐOAN……………………………………………………….….……….i LỜI NÓI ĐẦU…………………………………………………………….… … ii DANH MỤC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ VIẾT TẮT……………………….… iii DANH MỤC HÌNH VẼ……………………………………………………… …iv DANH MỤC BẢNG BIỂU……………………………………….…………….….v CHƯƠNG LỊCH SỬ VÀ XU THẾ PHÁT TRIỂN CỦA MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Lịch sử phát triển hệ thống mạng thông tin di động 1.1.1 Thế hệ mạng di động – 1G 1.1.2 Thế hệ mạng di động thứ (2G) 1.1.3 Thế hệ mạng di động thứ (3G) 1.1.4 Thế hệ mạng di động thứ (4G) 1.2 Vấn đề triển khai công nghệ mạng thông tin di động hệ (5G) 1.3 Xu phát triển công nghệ tảng ứng dụng hệ thống mạng 5G 12 1.4 Xu hướng kết nối vạn vật – IoT 18 1.5 Kết luận chương 19 CHƯƠNG HỆ THỐNG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G 20 2.1 Kiến trúc mạng thông tin di động 5G 20 2.2 Các công nghệ tảng 5G 22 2.2.1 Ảo hóa mạng 23 2.2.2 Cloud Native 24 2.2.3 Containers 25 2.2.4 Microservices 25 2.2.5 Tự động hóa 26 2.3 Các tùy chọn triển khai 5G 27 2.4 Các nhóm ứng dụng 5G 32 2.4.1 Các yêu cầu kỹ thuật 38 2.4.2 Băng tần mạng di động 5G 39 2.5 Thách thức triển khai công nghệ mạng 5G 40 2.6 Kết luận chương 45 CHƯƠNG HỆ SINH THÁI IOT 46 3.1 Hệ sinh thái Internet of Things – IoT 46 3.1.1 Kiến trúc IoT 47 3.1.2 Đặc tính Internet of Things 48 3.1.3 Ứng dụng Internet of Things 48 3.2 Kiến trúc IoT 5G 49 3.2.1 Kiến trúc IoT 49 3.2.2 Kiến trúc IoT 5G 53 3.3 Truyền thông không dây điện toán di động 56 3.3.1 Tầm quan trọng truyền thông không dây 57 3.3.2 Điện toán di động 62 3.4 Khảo sát giải pháp truyền thơng có 65 3.4.1 SigFox 66 3.4.2 LoRa 70 3.4.3 Wi-Fi 74 3.4.3 ZigBee 76 3.4.4 Narrowband Internet of Things 79 3.5 Phương án triển khai Smart Home sử dụng IoT mạng thông tin di động 5G 82 3.5.1 Thiết lập mơ hình đề xuất cách thức hoạt động 82 3.5.2 Vấn đề gặp phải triển khai hệ thống 86 3.5.3 Tầm nhìn nhà thơng minh tương lai 87 3.6 Kết luận chương 88 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt 3GPP 5GC CDMA eMBB EDGE EPC FDMA GPRS GPS GSM HSDPA HSPA HSUPA ICT IEEE IP IPMS LTE mMTC M2M Từ đầy đủ 3rd Generation Partnership Project 5G Core Code Division Multiple Access Enhanced Mobile Broadband Enhanced Data Rates for GSM Evolution Evolved Packet Core Frequency Division Multiple Access General Packet Radio Service Global Positioning System Global System for Mobile Communications High-Speed Downlink Packet Access High Speed Packet Access High-Speed Uplink Packet Access Information & Communications Technologies Institute of Electrical and Electronics Engineers Internet Protocol International Property Measurement Standards Long Term Evolution massive Machine Type Communication Machine-to-Machine Tiếng Việt Dự án đối tác hệ thứ Mạng lõi 5G Đa truy nhập phân chia theo mã Băng thông di động nâng cao Tốc độ liệu nâng cao cho tiến hóa GSM Tổng đài chuyển mạch gói Đa truy nhập phân chia theo mã Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp Hệ thống định vị tồn cầu Hệ thống thơng tin di động tồn cầu Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao Truy nhập gói tốc độ cao Cơng nghệ truy nhập gói đường lên tốc độ cao Công nghệ thông tin truyền thông Hội Kỹ sư Điện Điện tử Giao thức hướng liệu Tiêu chuẩn đo lường tài sản quốc tế Tiến hóa dài hạn Giao tiếp kiểu máy lớn Hệ thống khép kín MAC Media Access Control MIMO NR NSA RAN Multiple In, Multiple Out New Radio Non-Standalone Orthogonal Frequency Division Multiple Access Quadrature Amplitude Modulation Radio Access Network RFID Radio Frequency Identification SA SC-FDMA SMS SNS SON Standalone Single-carrier FDMA Short Message Services Social Network Service Self-Organizing Networks Transmission Control Protocol/ Internet Protocol ultra-Reliable Low Latency Communication User Equipment Universal Mobile Telecommunication System Voice over Internet Protocol Wideband Code Division Multiple Access OFDMA QAM TCP/IP uRLLC UE UMTS VoIP WCDMA WIMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access Kiểm soát truy cập phương tiện truyền thông Hệ thống đa ăng-ten thu nhận Công nghệ truy cập vô tuyến Không độc lập Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao Điều chế biên độ vng góc Mạng truy nhập vơ tuyến Cơng nghệ nhận dạng đối tượng sóng vơ tuyến Độc lập FDMA sóng mang đơn Dịch vụ nhắn tin ngắn Dịch vụ mạng xã hội Mạng tự tổ chức Giao thức Kiểm soát Truyền / Giao thức Internet Giao tiếp độ lệch cực thấp đáng tin cậy Thiết bị người dùng Hệ thống viễn thơng di động tồn cầu Truyền giọng nói giao thức IP Đa truy cập phân mã băng rộng Tiêu chuẩn IEEE 802.16 cho việc kết nối Internet băng thông rộng không dây khoảng cách lớn DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cơng nghệ mạng từ hệ 1G đến 5G 11 Hình 1.2: Chu kỳ cloud hệ thứ 13 Hình 2.1: Kiến trúc mạng thơng tin di động 5G 20 Hình 2.2: Kiến trúc mạng 5G dựa dịch vụ 21 Hình 2.3: Tùy chọn 27 Hình 2.4: Tùy chọn 28 Hình 2.5: Tùy chọn 3, 3a, 3x 29 Hình 2.6: Tùy chọn 4, 4a 30 Hình 2.7: Tùy chọn 31 Hình 2.8: Tùy chọn 6, 6a, 6x 31 Hình 2.9: Các nhóm ứng dụng 5G 33 Hình 3.1: Mơ mơ hình IoT 46 Hình 3.2: Đề xuất kiến trúc IoT mở rộng 49 Hình 3.3: Kiến trúc IoT dựa tảng mạng di động 5G 53 Hình 3.4: Các thành phần hệ thống thôn tin liên lạc khơng dây 60 Hình 3.5: Cảm biến IoT Comet System 69 Hình 3.6: Thiết bị kiểm tra thực địa Sigfox Adeunis 70 Hình 3.7: Mơ hình nơng nghiệp thơng minh sử dụng cơng nghệ LoRa 73 Hình 3.8: So sánh cơng nghệ ZigBee so với Wi-Fi Bluetooth 78 Hình 3.9: Các thành phần hệ thống nhà thơng minh 82 Hình 3.10: Mơ hình đề xuất kết nối hệ thống IoT với mạng thông tin di động 5G nhà thông minh 83 Hình 3.11: Kiến trúc phân lớp tổng thể nhà thông minh sử dụng IoT & 5G 84 76 thách thời gian giúp giảm thiểu nguy lỗi thời sớm đảm bảo thiết bị cũ dễ dàng kết nối với mạng gia đình Nhận biết vị trí: Wi-Fi Location™ cung cấp thơng tin vị trí cấp độ mét, cho phép loạt dịch vụ IoT nhận biết vị trí dành cho môi trường công nghiệp thành phố thông minh, mang lại lợi ích nâng cao quản lý tài sản, quản lý mạng hàng rào địa lý Kết nối tinh vi, đáng tin cậy: Mạng IoT gia đình công nghiệp yêu cầu kết nối quán đáng tin cậy Mạng Wi-Fi mang đến khả hiệu quả, chẩn đốn, quản lý tối ưu hóa mạng tinh vi Wi-Fi Wi-Fi 6E xử lý nhiều thiết bị kết nối đồng thời thông lượng liệu lớn đồng thời mang lại hiệu suất cao độ trễ thấp cho ứng dụng bao gồm phát trực tuyến video 4K AR/VR Wi-Fi Wi-Fi 6E cho phép thiết bị, chẳng hạn rô-bốt sản xuất máy bay không người lái, trì kết nối chúng di chuyển “đi lang thang” khắp mạng gia đình công nghiệp Tiềm to lớn thị trường IoT dẫn đến việc thiết bị đưa thị trường mà không thử nghiệm đầy đủ, mang lại trải nghiệm người dùng tối ưu Các thiết bị ĐƯỢC CHỨNG NHẬN Wi-Fi đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng cao bảo mật, khả tương tác loạt giao thức dành riêng cho ứng dụng để mang lại trải nghiệm tốt cho người dùng nhà điều hành mạng 3.4.3 ZigBee ZigBee tiêu chuẩn công nghệ không dây cung cấp tập hợp giao thức truyền thông cho truyền thông tầm ngắn Đây tiêu chuẩn toàn cầu nguồn mở Zigbee Alliance phát triển để giải nhu cầu mạng IoT không dây công suất thấp, chi phí thấp Giao thức sử dụng tốc độ liệu thấp, thiết bị mạng không dây tầm ngắn đến trung bình cảm biến mạng điều khiển ZigBee cung cấp tính linh hoạt cho nhà phát triển người dùng cuối mang lại khả tương tác tuyệt vời Do tính quan trọng chi phí thấp, tiêu thụ điện thấp có khả kết nối khơng dây nhanh nên giao thức có nhiều ứng dụng Ví dụ, cơng nghệ phổ biến cho ngơi nhà thơng minh, vượt trội so với công nghệ không dây khác với số tính riêng biệt Thứ nhất, giao tiếp hai chiều làm cho thiết bị ZigBee trở nên đáng tin cậy Thứ hai, phục vụ cho tất lĩnh vực chiếu sáng, an ninh, thiết bị gia dụng lối vào nhà Thứ ba, quan trọng nhất, cơng nghệ u cầu 77 lượng chủ yếu độ trễ thấp chu kỳ hoạt động thấp Ngồi ra, sử dụng mạng lưới giảm khả xảy lỗi nút ZigBee cung cấp phạm vi không dây 70m nhà 400m ngồi trời Nó hỗ trợ nhiều mạng điểm tới điểm, điểm tới mạng lưới đa điểm Đáng ý, sử dụng mã hóa AES 128, bảo vệ thơng tin bạn chuyển hàng khơng Ngồi ra, cài đặt bảo trì dễ dàng làm cho có giá phải Tần số ZigBee Zigbee sử dụng lớp vật lý MAC đặc tả IEEE 802.15.4 Ngồi ra, hoạt động băng tần 2,4 GHz ISM không cấp phép Mặc dù 2,4 GHz phổ biến tồn giới có thiết bị sử dụng dải tần số 915 MHz, 868 MHz 784 MHz Hoa Kỳ, Châu Âu Trung Quốc tương ứng Ngồi ra, truyền liệu với tốc độ 250 kbps ZigBee so với Wi-Fi Tự hỏi phải có ZigBee bạn có tiêu chuẩn giao tiếp khác Wi-Fi, Bluetooth? So với Wi-Fi Bluetooth, ZigBee sử dụng cho liên lạc tầm ngắn để thiết lập mạng khu vực cá nhân hoạt động băng tần với Wi-Fi Bluetooth Nó xây dựng đặc biệt cho mạng điều khiển cảm biến Nó chủ yếu sử dụng để giám sát điều khiển thiết bị mà Wi-Fi Bluetooth không phù hợp cho ứng dụng giao tiếp không dây cụ thể Về bản, ZigBee dựa IEEE 802.15.4 Wi-Fi phụ thuộc vào chuẩn IEEE 802.11 Cả hai công nghệ khác ZigBee sử dụng WPAN Wi-Fi dựa mạng WLAN Wi-Fi bao phủ khoảng cách 30-100 mét mạng sử dụng để có phạm vi 10-30 mét Ngồi ra, cung cấp tốc độ liệu 250 Kbps Mặt khác, thiết bị hoạt động với công suất cao tốc độ liệu cao sử dụng cơng nghệ Wi-Fi để liên lạc hoạt động tốc độ 54 Mbps Chất lượng tốt Zigbee tốc độ tiêu thụ điện thấp tuổi thọ pin bền vững thiết bị 78 ZigBee so với Bluetooth ZigBee so sánh với Bluetooth, sử dụng cơng suất phát 100mW, giúp hoạt động hiệu trường hợp tiêu thụ điện Ngồi ra, thiết kế để hỗ trợ hàng trăm thiết bị, lợi so với Bluetooth hỗ trợ tối đa thiết bị Bây bạn biết công dụng thực ZigBee! Đây bảng làm bật khác biệt Hình 3.8: So sánh công nghệ ZigBee so với Wi-Fi Bluetooth [4] Ứng dụng công nghệ ZigBee ZigBee cho phép sử dụng rộng rãi mạng không dây với chi phí thấp, giải pháp lượng thấp Quan trọng nhất, cung cấp khả chạy nhiều năm pin rẻ tiền để theo dõi kiểm sốt ứng dụng Nói chung, tự động hóa gia đình, Chăm sóc sức khỏe, Theo dõi vật liệu số lĩnh vực mà ZigBee đạt tiến Một số ứng dụng bao gồm: - Tự động hóa gia đình bao gồm hệ thống an ninh, hệ thống đọc đồng hồ, hệ thống điều khiển ánh sáng - Thiết bị điện tử tiêu dùng bao gồm máy chơi game, điều khiển từ xa khơng dây - Các hệ thống Tự động hóa Công nghiệp quản lý tài sản, theo dõi nhân sự, quản lý chăn ni - Chăm sóc sức khỏe, bệnh nhân đeo thiết bị ZigBee, định kỳ thu thập số liệu bệnh nhân gửi đến bệnh viện để phân tích - Giám sát sức khỏe cấu trúc tịa nhà Nó hữu ích khu vực dễ bị động đất Các cảm biến lắp đặt khắp tòa nhà gửi liệu để phát dấu hiệu hư hỏng - Giám sát lưới liên quan đến giám sát nhiệt độ, quản lý lượng, định vị lỗi, v.v - Đo lường thông minh để ngăn chặn hành vi trộm cắp, hỗ trợ định giá, v.v 79 3.4.4 Narrowband Internet of Things ‘Ước tính có khoảng 75 tỉ thiết bị thơng minh vào năm 2025’ Dự báo tăng trưởng cho bùng nổ Internet vạn vật (IoT) khác tùy thuộc vào cách chuyên gia định nghĩa IoT Tuy nhiên, tất đồng ý tăng trưởng đáng kinh ngạc năm tới Khả kết nối thách thức NB-IoT (IoT băng thơng hẹp) câu trả lời Ước tính từ IHS dự đốn 75 tỷ thiết bị thông minh sử dụng vào năm 2025, tăng 400% so với khoảng 15 tỷ thiết bị sử dụng IoT băng thông hẹp (NB-IoT) tiêu chuẩn công nghệ di động 3GPP công nghệ không dây phát triển nhanh giới thiệu Phiên 13 nhằm giải yêu cầu LPWAN (Mạng diện rộng công suất thấp) IoT, xử lý lượng nhỏ liệu truyền hai chiều cách hiệu quả, an toàn đáng tin cậy NB-IoT phân loại công nghệ 5G, chuẩn hóa 3GPP vào năm 2016, nhanh chóng lên công nghệ LPWAN hàng đầu tốt để hỗ trợ nhiều loại thiết bị IoT mới, bao gồm bãi đỗ xe thông minh, thiết bị tiện ích, thiết bị đeo giải pháp công nghiệp Hy vọng lớn cho cách mạng băng hẹp Hiện tại, có hàng trăm ứng dụng Internet of Things khác Sự đa dạng chúng thường địi hỏi lựa chọn mạng đa dạng khơng Ví dụ: giao tiếp máy với máy (M2M), chẳng hạn vận hành thiết bị từ xa hoạt động tốt với LTE tiêu chuẩn giao tiếp không dây 5G Đối với mạng tầm ngắn, chẳng hạn mạng máy tính kết nối thiết bị thông minh nhà, kết nối mạng LAN WiFi đủ Nhưng đâu vị trí IoT băng thông hẹp tất cường điệu liên quan đến IoT? Là tiêu chuẩn công nghệ vô tuyến tương đối phát triển nhanh, đặc biệt dành riêng cho ứng dụng Internet of Things, NB-IoT thiết kế để đáp ứng trường hợp sử dụng yêu cầu gửi phần liệu nhỏ khoảng cách xa Do đó, dự báo dẫn đầu tốc độ tăng trưởng kết nối Internet of Things, đặc biệt khu vực có mật độ kết nối cao, thời lượng pin kéo dài, chi phí thấp phạm vi phủ sóng nhà nâng cao có tầm quan trọng thiết yếu Sử dụng tập hợp tiêu chuẩn LTE, IoT băng thông hẹp hỗ trợ số lượng lớn kết nối trạm gốc cung cấp khả thâm nhập sâu nhà nhờ thông số kỹ thuật băng thông hẹp mức khuếch đại 20dB bổ sung 80 so với tín hiệu GPRS Tất điều dẫn đến mức tiêu thụ điện thấp, dẫn đến mơ-đun cho có tuổi thọ pin ước tính lên đến 10 năm Ngồi ra, có chi phí thấp nhiều so với cơng nghệ M2M/IoT khác Vì lý này, NB-IoT phù hợp cho ứng dụng yêu cầu băng thông thấp, chẳng hạn hệ thống đỗ xe thông minh, đồng hồ thông minh quản lý chất thải Trên thực tế, NB-IoT cho phép giới thiệu giải pháp Internet vạn vật khu vực mà trước điều thực hạn chế kỹ thuật hiệu chi phí thấp Khơng giống cơng nghệ LPWA khác LoRa Sigfox, NB-IoT dựa tiêu chuẩn 3GPP băng tần cấp phép Do đó, sử dụng sở hạ tầng đáng tin cậy có sẵn Thơng số kỹ thuật NB-IoT IoT băng thông hẹp, tên gọi, thiết kế để hoạt động cách sử dụng dải phổ hẹp 180 kHz 200 kHz Ngoài ra, có tính đến việc tốc độ kết nối cao khơng cần thiết dự án liên quan đến NB-IoT, thay vào ưu tiên ổn định kết nối, tiêu chuẩn cho phép truyền lên tới 250 kbit/s cung cấp độ trễ từ 1,6 đến 10 giây Vì NB-IoT cơng nghệ di động nên sử dụng băng tần liên lạc di động thiết kế để hoạt động theo ba cách khác nhau: sử dụng băng tần GSM để thay triển khai có (độc lập), sử dụng băng tần LTE chia sẻ (trong băng tần) hoặc, sử dụng khoảng cách kênh LTE để tối đa hóa phổ giao tiếp (dải bảo vệ) Ứng dụng NB-IoT Mạng NB-IoT sử dụng rộng rãi công nghiệp, nông nghiệp, y tế, hậu cần rõ ràng tòa nhà thành phố thơng minh Mục đích tạo điều kiện thuận lợi cho công việc kỹ thuật viên, nhà bán lẻ người vận hành xử lý máy móc cách cung cấp liệu cơng nghệ theo thời gian thực hỗ trợ hệ thống giám sát từ xa, kể tên số trường hợp sử dụng ví dụ Dưới tổng quan số thị trường tiềm cho dịch vụ NBIoT: - Nông nghiệp chăn nuôi: Khi phạm vi NB-IoT mở rộng, nhiều giải pháp thông minh cho nông nghiệp chăn nuôi phát triển nhằm đạt trang trại tương lai: giải pháp tự động kết nối để mang lại độ xác độ tin cậy cao kỹ thuật nông nghiệp, IoT đo 81 - - - - - lường điều kiện cảm biến , theo dõi vật ni (có cảnh báo chuyển động), giám sát thông số đất, tỷ lệ ô nhiễm, hệ thống dự đốn lượng mưa thơng minh, v.v Chăm sóc sức khỏe: Kết nối IoT băng thơng hẹp mở khả theo dõi cảnh báo rộng rãi cho người mắc bệnh mãn tính liên quan đến tuổi tác, nhờ bác sĩ theo dõi bệnh nhân họ từ xa theo thời gian thực Với tình hình địa xã hội tại, giải pháp phát triển để giúp đảm bảo biện pháp giãn cách xã hội sách khác liên quan đến đại dịch Theo dõi người động vật: Các thiết bị đeo hỗ trợ NB-IoT sử dụng để kiểm sốt vị trí xác người đeo Được thiết kế đặc biệt cho người già trẻ em, chúng sử dụng cho động vật (thú cưng, gia súc ) Mặc dù nghe đáng lo ngại số người, tỏ đặc biệt hữu ích theo dõi xác định chuyển động cá nhân bị nhiễm bệnh điểm tiếp xúc với người động vật khác Sản xuất hậu cần: Với IoT băng thông hẹp, ngành công nghiệp trở nên tự chủ, hiệu suất nhiều Với công nghệ tay, giải pháp nhà máy thông minh , chẳng hạn định vị địa lý tài sản di chuyển để tối ưu hóa hậu cần, kiểm tra trạng thái thu thập thơng tin có giá trị chúng dễ thực nhiều Ngoài ra, giải pháp dựa NBIoT cho phép theo dõi, giám sát chẩn đoán đối tượng sản xuất thời gian thực để can thiệp trước xảy lỗi (bảo trì dự đốn) Nhà thơng minh doanh nghiệp thông minh: Quản lý báo động khẩn cấp chống trộm nhà doanh nghiệp; đo lường mức tiêu thụ thông minh (điện, ga nước); hệ thống chiếu sáng điều hịa khơng khí thơng minh; chất lượng khơng khí tất điều với việc sử dụng NB-IoT giúp giảm chi phí giảm tác động đến mơi trường Thành phố thông minh: Nhờ khả NB-IoT mang lại, quyền địa phương kiểm sốt hiệu ánh sáng đường phố, đèn điều khiển giao thơng, bãi đỗ xe miễn phí điều kiện mơi trường, v.v 82 3.5 Phương án triển khai Smart Home sử dụng IoT mạng thông tin di động 5G Hình 3.9: Các thành phần hệ thống nhà thông minh [13] Một nhà thông minh điều khiển kết nối, tất hệ thống bao gồm hệ thống sưởi chiếu sáng giao tiếp với điều khiển từ lúc, nơi điện thoại hay máy tính bảng với mục tiêu sử dụng lượng hiệu kiểm soát lượng lớn thiết bị Trên thực tế, theo tất định nghĩa đề cập, nhà thông minh có chứa thuộc tính giống nhau, “được kết nối”, “được kiểm sốt” “thơng minh” Tuy nhiên, nhà thơng minh khác mức độ kết nối tốt, chúng kiểm soát thơng minh Hơn nữa, họ có thiết bị thông minh ứng dụng thông minh khác 3.5.1 Thiết lập mơ hình đề xuất cách thức hoạt động 3.5.1.1 Mơ hình hệ thống IoT có kết nối mạng 5G Smat Home (bên trong) 83 Hình 3.10: Mơ hình đề xuất kết nối hệ thống IoT với mạng thông tin di động 5G Smart Home (bên trong) [16] *Femtocell: thiết bị trạm gốc di động hệ thường thiết kế gia đình doanh nghiệp nhỏ Femtocell sử dụng làm điểm chuyển tiếp công nghệ di động nhằm cung cấp phạm vi phủ sóng mở rộng khu vực bị hạn chế truy cập suy giảm tín hiệu thiếu sở hạ tầng di động Ngoài cịn kết nối với định tuyến WLAN thiết lập nhiều tài nguyên cho người dùng - Lớp Home Gateway: bao gồm modem chịu trách nhiệm tiếp nhận internet đầu vào thông qua router phát sóng wifi cho người dùng nhà thiết bị lớp Things - Lớp Things: bao gồm thiết bị thông minh kết nối với phương thức truyền thông không dây WiFi, ZigBee, LoRaWan,…và ứng dụng điều khiển hoạt động chúng - Lớp Control Device: bao gồm thiết bị người dùng PC, Laptop, Smart Phone dùng để quản lý cơng cụ trung gian giao tiếp người 84 thiết bị thông minh lớp Things Nổi bật phương án triển khai sử dụng Smart Phone kết nối mạng thông tin di động 5G để điều khiển thiết bị thay cho mạng 4G thông thường - Lớp Server: có chức cung cấp, lưu trữ quản lý thông tin qua lại lớp Things Home Gateway, từ phân tích liệu gửi đến thiết bị người dùng xác hoạt động thiết bị nhà Server có vai trị quản lý tất thiết bị thông minh qua Modem Router, có vấn đề server thơng báo cho thiết bị quản lý thiết bị nhà thông minh để thông báo lại với người dùng 3.5.1.2 Mơ hình hệ thống IoT có kết nối mạng 5G Smat Home (bên ngồi) Hình 3.11: Mơ hình đề xuất kết nối hệ thống IoT với mạng thơng tin di động 5G Smart Home (bên ngồi) [16] Cách thức hoạt động mơ hình: nhà cung cấp mạng (ISP) kết nối tới trạm gNodeB để cung cấp mạng thông tin di động 5G phục vụ kết nối với thiết bị người dùng điều khiển nhà thông minh Đây nơi kết nối internet trực tiếp tới nhà qua phương thức Fiber/DSL/Cable (dây cáp) thông qua cổng kết nối, chuyển thành băng thông rộng Để cấp dịch vụ 5G trực tiếp vào Femtocell cần qua kiến trúc điện toán biên (nhằm tối ưu hoá hệ thống điện toán đám mây 85 cách cho phép xử lý, tính tốn liệu vùng biên – nơi gần với nguồn phát sinh liệu nhận yêu cầu xử lý (các thiết bị IoT)) giúp tăng khả xử lý, phản hồi nhanh xảy gián đoạn Tiếp đến Femtocell cung cấp 5G kết nối bên nhà cung cấp liên lạc với thiết bị cảm biến lớp Things • Bộ định tuyến Femtocell gia đình hoạt động thiết bị đa năng, cụ thể có đặc điểm: giao diện cho mạng cáp quang/Ethernet để kết nối với cổng mạng bên nhà cung cấp dịch vụ cung cấp khả không dây cho Wi-Fi 4G/5G cách sử dụng ăng-ten nhiều băng tần, NBIoT (IoT băng thông hẹp) Femtocell cung cấp kết nối mạng WLAN 4G/5G nhà nơi tế bào macro eNB/ gNB gặp khó khăn tiếp cận thiết bị nhà Trong trường hợp này, liên kết đường trục tới nhà cung cấp dịch vụ đường cáp quang cáp, định tuyến qua cổng độc quyền Tuy nhiên, liên kết xương sống mạng khơng dây cố định 5G chặng cuối cần thiết phát sinh nhà khai thác di động khơng có giải pháp triển khai mặt đất khu vực cụ thể • Ngồi ra, nhà điều hành cung cấp dịch vụ biên đám mây cục cho ứng dụng cụ thể người dùng truy cập dịch vụ với độ trễ tối thiểu hiệu suất tối ưu Các ứng dụng trường hợp liên quan đến nhà thông minh, thiết bị gia dụng ô tô điện, thiết bị thiết bị khác 3.5.1.3 Phân tích ưu điểm thiết bị thơng minh nhà • Khóa thơng minh thiết bị mở cửa nhà để xe cho phép chủ sở hữu nhà cấp quyền truy cập cho bạn bè khách đến thăm • Smart TV kết nối với Internet cho phép truy cập nội dung thông qua ứng dụng, chẳng hạn video nhạc theo yêu cầu Khi thiết bị người dùng điều khiển từ xa (điện thoại di động) kết nối với mạng 5G cho tốc độc kết nối cao, giúp chủ nhà phát nội dung media video call trực tiếp qua TV với độ phân giải tốt so với kết nối sử dụng 4G • Camera an ninh thông minh cho phép thành viên nhà giám sát nhà họ họ vắng nghỉ Cảm biến chuyển động thơng minh xác định khác biệt cư dân, khách, vật ni kẻ trộm Có thể thơng báo cho quan chức phát hành vi đáng ngờ 86 • • • • • Camera an ninh sử dụng chủ yếu mạng WiFi để đồng liệu lên cloud, sau người dùng truy cập vào cloud thông qua ứng dụng quản lý để lấy thơng tin hình ảnh từ camera Tuy nhiên sử dụng mạng 4G để truy cập xem lại nội dung ghi từ camera phải chờ thời gian để liệu tải xuống → Thời gian phát việc (trộm cắp, nhà gặp nguy hiểm…) bị delay chủ nhà quan công an nhận thông tin kịp thời để xử lý Mạng 5G kết hợp với công nghệ WiFi tương lai giải vấn đề Rèm thơng minh tự điều chỉnh để trì mức độ ánh sáng cách sử dụng tính theo dõi mặt trời Bộ điều nhiệt thông minh cho phép người dùng lên lịch, giám sát điều khiển nhiệt độ nhà từ xa Các thiết bị tìm hiểu hành vi chủ sở hữu nhà tự động sửa đổi cài đặt để mang đến cho cư dân thoải mái hiệu tối đa Hệ thống chiếu sáng thông minh điều chỉnh cường độ ánh sáng, màu sắc theo độ đậm nhạt phòng, thời gian diện người Các loại thiết bị thơng minh khác lập trình để thực nhiệm vụ theo ý muốn người dùng máy pha cà phê thông minh pha tách cà phê cửa bếp mở Các thiết bị tiêu tốn điện đáng kể gây chậm trễ chúng không quản lý kết nối thông minh với người dùng Sử dụng mạng 5G tăng khả hoạt động xác, giúp chúng hồn thành cơng việc đặc biệt tiêu tốn điện Hệ thống tưới thơng minh có khả tự động hóa quy trình tưới cách phân tích độ ẩm đất điều kiện khí hậu Ngồi với hỗ trợ mạng 5G, thiết bị tưới tiêu tích hợp máy học để tự vận hành mà không cần đến điều khiển người 3.5.2 Vấn đề gặp phải triển khai hệ thống Theo quy định nay, 5G hỗ trợ thiết bị có quyền truy cập 5G điều khó đảm bảo giải pháp nhà thông minh 5G thành công Để chắn hơn, giải pháp khác cho nhà thông minh chúng nên thiết kế có khả hỗ trợ công nghệ không dây phổ biến khác WLAN, ZigBee, ZWave, NB-IoT,… 87 Giải pháp nhà thông minh đề xuất đáp ứng yêu cầu cách kết hợp phân chia mạng 5G với định tuyến gia đình Femocell nhằm cung cấp 5G/WLAN cho khu vực nhỏ thiết bị giai đoạn nâng cấp, chưa tối ưu hồn tồn với 5G nên cịn nhiều yếu tố cần hiệu chỉnh 3.5.3 Tầm nhìn nhà thông minh tương lai Khả cung cấp băng thông cao, độ trễ thấp kết nối lớn: Là nâng cấp cho mạng truyền thông tại, mạng 5G đáp ứng nhu cầu ứng dụng nhà thông minh băng thông cao độ trễ thấp mạng di động, đồng thời cho phép kết nối cảm biến lớn, nhỏ, số lượng nhiều với chi phí thấp, đảm bảo cho định dựa liệu - làm quản lý quy mơ lớn (quản lý tịa nhà nhiều tầng hay khu chung cư) Ngày nay, thiết bị nhà thông minh trang bị thêm nhiều tính cơng nghệ cao hơn, u cầu khắt khe cho kết nối ổn định Khi truyền qua mạng 5G, lượng lớn liệu thiết bị thông minh tạo xử lý phân tích cơng nghệ thơng tin hệ tiếp theo, bao gồm AI điện toán đám mây nhằm giải phóng tiềm lớn nhiều phân khúc kịch ứng dụng loại mơ hình nhà thơng minh, từ phát triển lên mơ hình cao cấp cho chung cư hay tịa nhà lớn Khả thích nghi với phát triển xã hội: Với ứng dụng rộng rãi thiết bị đầu cuối IoT sở hạ tầng, liệu phức tạp thúc đẩy mơ hình nhà thông minh lên tầm cao mới, từ phát triển song song ngày đầu tích hợp hệ thống Điều có nghĩa riêng mạng băng thông rộng cố định mạng 4G để truyền liệu khơng cịn đáp ứng đầy đủ nhu cầu kịch số lượng lớn nhà thông minh tương lai, nhược điểm chúng chi phí lắp đặt thay cao, tính linh hoạt thấp, băng thơng mạng không dây thấp độ trễ dài 5G thực làm cho nhà thơng minh? Khơng nâng cấp đơn giản mạng 4G, 5G mạng mang tính cách mạng tương lai Mạng cảm biến khắp nơi dựa tảng 5G đóng vai trị cầu nối kết nối vạn vật với nhau, vươn tới khu vực nơi ta di chuyển giống mạng nơ ron thần kinh, sẵn sàng phục vụ nhu cầu thay đổi nhanh chóng, đa dạng cá nhân hóa 88 Được coi tảng nhà thông minh rộng thành phố thông minh, mạng 5G nên xây dựng trở thành câu hỏi vô quan trọng Hầu hết thiết bị mạng truyền thống thiết bị liên lạc với phần mềm phần cứng tích hợp, hỗ trợ mạng thiết kế để đáp ứng đổi ứng dụng liên tục Để phá vỡ giới hạn vậy, năm gần đây, nhà khai thác toàn giới cam kết "tái thiết mạng" với mạng xác định phần mềm (SDN) ảo hóa chức mạng (NFV) cách sử dụng thiết bị CNTT chung 5G cho phép Internet vạn vật kết nối ứng dụng đa dạng, từ thúc đẩy mạng lõi tiếp nhận cơng nghệ SDN, ảo hóa, đám mây thông minh So với mạng truyền thông tại, thay đổi lớn 5G kiến trúc dựa dịch vụ mạng lõi nó, thành phần mạng phần cứng phần mềm tách rời thông qua NFV để đạt hệ thống dạng dịch vụ tổng hợp phần cứng, cho phép mạng 5G linh hoạt phân bổ nguồn lực theo nhu cầu 3.6 Kết luận chương Chương cho thấy hệ sinh thái IoT gồm thành phần cách cấu trúc chúng lý thuyết Bên cạnh đó, phương pháp truyền thơng tin khơng dây điện tốn di động đóng vai trò quan trọng việc kết nối giới kích hoạt tính di động thiết bị khơng dây thời đại chuyển đổi số Kết hợp yếu tố đó, phương án đề xuất kết nối mạng thông tin di động 5G với hệ sinh thái IoT đưa chúng vào áp dụng cho nhà thông minh lợi ích chúng mang lại dự đoán xu hướng bùng nổ thời gian tới, kích thích tiềm phát triển cơng nghệ kết nối không dây nhanh – mạnh – thông minh đồ vật với người 89 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ A Kết luận Qua trình tìm hiểu lý thuyết, nghiên cứu mạng thông tin di động 5G, hệ sinh thái IoT tiến hành thực đề tài đồ án, em tiếp thu nhiều kiến thức bổ ích, kinh nghiệm thực hành thực tế Em hoàn thành đề tài nghiên cứu mạng thông tin di động 5G ứng dụng vào IoT: từ phân tích cấu trúc mạng thơng tin di động 5G, phương án triển khai, nhóm ứng dụng mạng 5G cấu trúc IoT, nghiên cứu công nghệ truyền thông không dây, điện toán di động, tiềm chúng tương lai qua đề xuất phương án xây dựng mơ hình nhà thơng sử dụng IoT mạng thơng tin di động 5G B Hướng phát triển đề tài Đề tài nghiên cứu cách thức hoạt động IoT kết hợp với mạng thơng tin di động 5G, nhiên có số phần chưa thể sâu mơ hình ứng dụng thực tế cịn chưa đưa vào thương mại Vậy nên thông qua đề tài em có số hướng phát triển sau: - Nghiên cứu kỹ cấu trúc IoT sử dụng mạng thông tin di động 5G thực tế - Cách thức hoạt động triển mơ hình nhà thông minh chung cư thông minh, khu phố thông minh…Khi kết hợp với mạng thông tin di động 5G hiệu suất đạt so với lý thuyết - Phát triển phần mềm IoT cho nhà thơng minh, hoạt động thiết bị người dùng phù hợp với cấu hình mạng 5G phủ sóng - Tối ưu hệ thống IoT sử dụng mạng thông tin di động 5G để đạt hiệu suất cao cho thiết bị nhà thơng minh, từ mở rộng mơ hình lớn để đưa vào thực tế 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Phạm Anh Dũng , Giáo trình Thơng tin di động, NXB Bưu Điện, 2004; [2] Trần Hồng Qn, Nguyễn Bính Lân, Lê Xn Cơng, Phạm Hồng Kỳ, Thông tin di động, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, 2001; [3] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, Thông tin di động 4G LTE Và 5G, Nhà xuất Thông Tin Truyền Thông, 7/2016 Tiếng Anh [4] Quy Vu Khanh, Nam Vi Hoai, Linh Dao Manh, Anh Ngoc Le, Gwanggil Jeon, Wireless Communication Technologies for IoT in 5G: Vision, Applications, and Challenges, 2022 [5] A N Ganatra , Developments of 5G Technology, 2017 [6] Constandinos, X Mavromoustakis, George Mastorakis, Internet of Things (IoT) in 5G Mobile Technologies, Vol.8, 2016 [7] B.K Tripathy, J Anuradha, “Internet Of Things (IoT)”, CRC Press, Vol.7 No.1, 2018 Website [8] https://5g.systemsapproach.org/arch.html [9] https://www.shunlongwei.com/vi/what-is-5g-network-architecture/ [10] https://commsbrief.com/what-do-embb-mmtc-and-urllc-mean-in-5g/ [11] https://www.techtarget.com/searchmobilecomputing/definition/nomadiccomputing [12] https://www.techtarget.com/searchmobilecomputing/definition/wireless [13] https://www.cablecompare.com/blog/how-5g-will-impact-your-smart-home [14].https://antoanthongtin.vn/an-toan-thong-tin/cong-nghe-mang-thong-tin-didong-va-nhung-van-de-an-toan-mang-5g-108015 [15] https://www.linkedin.com/pulse/5g-deployment-options-pallab-gupta/ [16] https://ieeexplore.ieee.org/Xplore/home.jsp ... mạng thông tin di động 5G Chương Hệ sinh thái IoT Hà Nội, ngày 22 tháng 12 năm 2022 Sinh viên thực Nguyễn Sơn Tùng MỤC LỤC TỜ GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI CAM ĐOAN……………………………………………………….….……….i... nghiên cứu cá nhân em, thực hướng dẫn khoa học TS Trịnh Quang Khải Các liệu nêu đồ án hoàn toàn trung thực, phản ánh kết thực tế Mọi thơng tin trích dẫn tuân thủ quy định sở hữu trí tuệ, tài liệu... Kỹ thuật viễn thơng Khóa: 59 Giảng viên hướng dẫn: TS Trịnh Quang Khải HÀ NỘI - 2022 LỜI CAM ĐOAN Em Nguyễn Sơn Tùng, Đồ án “Nghiên cứu dịch vụ IoT vựa tảng mạng thông tin di động 5G” cơng trình