Nghiên cứu các giải pháp kết nối vạn vật IoT trong mạng thông tin di động thế hệ mới (Luận văn thạc sĩ)

Nghiên cứu các giải pháp kết nối vạn vật IoT trong mạng thông tin di động thế hệ mới (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu các giải pháp kết nối vạn vật IoT trong mạng thông tin di động thế hệ mới (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu các giải pháp kết nối vạn vật IoT trong mạng thông tin di động thế hệ mới (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu các giải pháp kết nối vạn vật IoT trong mạng thông tin di động thế hệ mới (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu các giải pháp kết nối vạn vật IoT trong mạng thông tin di động thế hệ mới (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu các giải pháp kết nối vạn vật IoT trong mạng thông tin di động thế hệ mới (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu các giải pháp kết nối vạn vật IoT trong mạng thông tin di động thế hệ mới (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu các giải pháp kết nối vạn vật IoT trong mạng thông tin di động thế hệ mới (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu các giải pháp kết nối vạn vật IoT trong mạng thông tin di động thế hệ mới (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu các giải pháp kết nối vạn vật IoT trong mạng thông tin di động thế hệ mới (Luận văn thạc sĩ)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và dưới sự hướng dẫn của TS Trương Trung Kiên Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

NGUYỄN THỊ QUYÊN

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả các thầy cô trong khoa Quốc tế và Sau đại học - Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã luôn nhiệt tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức trong suốt thời gian học tập tạo trường, là nền tảng giúp tôi có thể thực hiện luận văn tốt nghiệp này

Học viên xin chân thành cảm ơnTS Trương Trung Kiên, công tác tại Khoa Kỹ thuật Điện tử 1, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, đã tận tình hướng dẫn học viên hoàn thành luận văn này

Học viên xin chân thành cảm ơn các bạn bè đã sát cánh giúp học viên có được những kết quả như ngày hôm nay

Đề tài nghiên cứu của luận văn có nội dung bao phủ rộng Tuy nhiên, thời gian nghiên cứu còn hạn hẹp Vì vậy, luận văn có thể có những thiếu sót Học viên rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn

Xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận văn

NGUYỄN THỊ QUYÊN

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THEO HỌ CÔNG NGHỆ 3GPP 4

1.1 Giới thiệu chương 4

1.2 Sự phát triển của các thế hệ mạng thông tin di động từ 2G đến 5G trong họ công nghệ 3GPP 5

1.3 Các đặc điểm kỹ thuật chính của các thế hệ mạng thông tin di động 3GPP LTE-Advanced/LTE-Advanced Pro 6

1.3.1 Ghép sóng mang 7

1.3.2 VoLTE 8

1.3.3 Kỹ thuật phối hợp đa điểm (CoMP) 9

1.3.4 Tích hợp chặt chẽ giữa LTE và các giải tần không phép 9

1.3.5 Tăng cường hỗ trợ cho IoT 10

1.3.6 Kết nối kép 10

1.3.7 256 QAM đường xuống và 64 QAM đường lên 10

1.3.8 Hỗ trợ HetNet 10

1.3.9 Các mạng tự tổ chức 11

1.4 Kết luận chương 11

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ MẠNG KẾT NỐI VẠN VẬT 12

2.1 Giới thiệu chương 12

2.2 Các yếu tố thúc đẩy thị trường IoT 12

2.2.1 Cuộc cách mạng từ M2M tới IoT 13

2.2.2 Thị trường chính của IoT 14

2.2.3 Các dự đoán thị trường IoT 17

2.3 Các yêu cầu kỹ thuật đối với mạng IoT 20

2.3.1 Yêu cầu chung 21

2.3.2 Nghiên cứu các yêu cầu 3GPP 23

2.3.3 Những yêu cầu cao hơn 25

2.4 Kết luận chương 26

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP KẾT NỐI IoT TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI 27

3.1 Giới thiệu chương 27

3.2 Các giải pháp trong mạng thông tin di động LTE-Advanced Rel.12 28

3.2.1 Thông tin dạng máy (MTC-Machine Type Communications) 28

3.2.2 Chế độ tiết kiệm công suất 29

3.3 Các giải pháp trong mạng LTE-Advanced Pro Rel.13 30

3.3.1 Mở rộng vùng phủ 30

3.3.2 Thông tin dạng máy tăng cường (eMTC-enhanced MTC) 31

3.3.3 IoT băng hẹp 34

3.3.4 Chế độ thu không liên tục mở rộng (eDRx – Extended Discontinuous Reception) 38

3.3.5 Giải pháp trong kiến trúc mạng và giao thức cho IoT 39

3.4 Các giải pháp trong mạng LTE-Advanced Pro Rel-14 45

3.5 Các giải pháp dự kiến trong mạng vô tuyến mớicho mạng 5G 53

3.6 Nhận xét và đánh giá các giải pháp kỹ thuật 55

3.7 Kết luận chương 57

KẾT LUẬN 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

AESE

Architecture Enhancements for Services Capability Exposure

Tăng kiến trúc cho dung lượng dịch vụ

BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá

CA Carrier Aggregation Ghép sóng mang

CE Coverage Enhancement Tăng độ bao phủ

D2D Device-to-Device Từ thiết bị tới thiết bị

DCN Dedicated Core Network Mạng lõi chuyên dụng

DECOR Dedicated Core Network Mạng lõi chuyên dụng

Chế độ thu không liên tục mở rộng

eMB Enhanced Mobile Broadband Băng thông di động nâng cao

eMBMS Enhanced Multimedia

Broadcast Multicast Service

Dịch vụ đa truyền thông đa dịch vụ nâng cao

eMTC Enhanced Machine Type

Communication

Tăng cường thông tin dạng máy

KPI Key Performance Index Ch số thực hiện chính

M2M Machine to Machine Máy tới máy

Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

OFDMA Orthogonal Frequency

Division Multiple Access

Truy nhập phân chia đa tần số trực giao

PDCCH Physical Downlink Control

Channel

Kênh điều khiển vật lý đường xuống

PDN Packet Data Network Đóng gói dữ liệu mạng

PUSCH Physical Uplink Shared

Channel

Kênh chia sẻ vật lý đường xuống

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

QPSK Quadrature Phase Shift

Keying

Dịch pha cầu phương

RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến

RAT Radio Access Technology Kỹ thuật truy nhập vô tuyến

SDN Software Defined Networking Mạng định nghĩa bằng phần mềm

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Các giả định mật độ thiết bị trên mỗi cell đối với bài toán đô thị đòi hỏi cao nhất 24Bảng 2.2 Các bài toán và yêu cầu đƣợc chọn lọc, hợp nhất và đánh giá tính khả thi

về mặt kỹ thuật của nền công nghệ 25Bảng 3.1 Các đặc tính kỹ thuật của kênh vật lý 31Bảng 3.2 Thông số của các LTE Cat 38

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Ghép sóng mang 8

Hình 1.2 Kỹ thuật phối hợp đa điểm (CoMP) 9

Hình 2.1 Quá trình phát triển từ M2M tới IoT 13

Hình 2.2 Thị trường IoT 16

Hình 2.3 Phần trăm sự phát triển của kết nối IoT và IoT di động trên tổng thị trường IoT từ 2010-2022 18

Hình 2.4 Sự phát triển của thị trường IoT bởi các thiết bị đặc trưng 2015-2022 19

Hình 2.5 Các giá trị thị trường IoT toàn cầu năm 2020 20

Hình 3.1 Khả năng mở rộng của LTE để đáp ứng các yêu cầu kết nối trong IoT 28

Hình 3.2 Chế độ tiết kiệm công suất (PSM) Rel-12 30

Hình 3.3 Mở rộng vùng phủ trong Rel-13 31

Hình 3.4 Cat-M1 (eMTC) có thể hoạt động trong vùng băng hẹp bên trong sóng mang LTE 33

Hình 3.5 Các tính năng triển khai linh hoạt của Cat-NB1 (NB-IoT) 35

Hình 3.6 Các kỹ thuật mở rộng độ bao phủ LTE IoT 37

Hình 3.7 Các thiết bị LTE IoT – Cat M1 và Cat-NB1 38

Hình 3.8 Chu kỳ ngh chế độ nhàn rỗi eDRX cho các thiết bị LTE IoT 39

Hình 3.9 Kiến trúc AESE 41

Hình 3.10 Kiến trúc CIoT với C-SGN 45

Hình 3.11 Kiến trúc M2M trình độ cao 52

Hình 3.12 Các đặc điểm kỹ thuật 5G cho các trường hợp sử dụng IoT chính 54

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài:

Ngành công nghiệp di động đang trong quá trình chuyển đổi lớn, tạo ra nhiều năng lực mới sẽ mang lại lợi ích cho các doanh nghiệp và xã hội nói chung Bước từ 3G sang 4G là kịch tính, và những tiến bộ mà ngành công nghiệp đang phát triển, ban đầu ở LTE và sau đó là 5G, thậm chí còn lớn hơn nữa

Với sự tăng trưởng dài hạn của điện thoại thông minh và việc sử dụng hạn chế bởi dân số, các nhà đổi mới đang chuyển sự chú ý của họ vào Internet of Things (IoT), hứa hẹn hàng tỷ thiết bị không dây mới kết nối Các cải tiến cho LTE theo sau là khả năng 5G sẽ kết nối đeo được máy tính, một loạt các cảm biến, và các thiết bị khác, dẫn đến sức khỏe tốt hơn, lợi ích kinh tếvà lợi thế khác 5G không ch

đề cập đến các triển khai IoT trên quy mô lớn Các ứng dụng trước đây cũng không thể phụ thuộc vào độ tin cậy và độ trễ thấp truyền thông Mặc dù thị trường phân tán hơn smartphones, lợi ích sẽ tuyệt vời đến nỗi không thể tránh khỏi việc nhận ra IoT trên quy mô lớn

Nhiều yếu tố đang tương tác để thúc đẩy quá trình chuyển đổi băng thông rộng di động, nhưng các yếu tố đóng vai trò quan trọng nhất là những khả năng mới kết nổi cho IoT, các tiến bộ radio cấp phép truy cập vào phổ tần xa hơn, các cell nhỏ

sẽ đóng một vai trò lớn hơn, các kiến trúc mạng mới thúc đẩy chức năng ảo hóa mạng và mạng được xác định bởi phần mềm và các phương tiện mới để sử dụng phổ tần không có giấy phép Ngoại trừ quyền truy cập dải tần số cao, mục tiêu 5G, những tiến bộ này áp dụng cho cả LTE và 5G.Các mạng chuyển đổi này sẽ có nghĩa

là hàng triệu, và cuối cùng là hàng t người, các kết nối không dây sẽ là những kết nối duy nhất mà mọi người cần Các mạng lưới này cũng sẽ cung cấp nền tảng cho toàn bộ ngành công nghiệp mới, những lĩnh vực chưa được hình thành

Xuất phát từ thực tế trên và dưới sự định hướng của người hướng dẫn khoa

học, học viên đề xuất chọn đề tài “Nghiên cứu các giải pháp kết nối vạn vật IoT trong mạng thông tin di động thế hệ mới” cho luận văn thạc sỹ kỹ thuật của mình

Học viên hy vọng sau khi thực hiện xong, luận văn có thể là một tài liệu tham khảo

có giá trị cho những người tìm hiểu, nghiên cứu về các giải pháp kết nối vạn vật IoT trong mạng thông tin di động thế hệ mới ở Việt Nam

Tổng quan về vấn đề nghiên cứu:

Luận văn xem xét các khía cạnh thiết yếu bao gồm sự phát triển của IoT sử dụng trong các trường hợp cụ thể cho phép bằng công nghệ di động 3GPP Tổng quan về IoT market drives và yêu cầu với những người sử dụng IoT, miêu tả chi tiết các cơ chế truy nhập vô tuyến chính mà 3GPP đang chứng minh trong điều kiện cho phép và khuyến khích việc sử dụng kết nối di động để bắt đầy cung cấp dịch vụ IoT

ra thị trường trong năm 2017 Việc xây dựng nền tảng cho IoT trên công nghệ LTE cải tiến như là eMTC, NB-IoT và quản lý cơ chế hoạt động của năng lượng được quy định bởi 3GPP dựa trên ưu thể của hệ thống toàn cầu được thiết lập tốt và quy

mô kinh tế của LTE Vì GSM là công nghệ di động đã được triển khai hầu hết và rằng các kết nối 2G M2M chiếm đa số kết nối M2M trên toàn thế giới, luận văn sẽ phác thảo sự đổi mới của 3GPP cho các mạng GSM, cụ thể là EC-GSM-IoT

Mục đích nghiên cứu:

Tìm hiểu, nhận xét và đánh giá các giải pháp kỹ thuật hỗ trợ IoT trong các mạng thông tin di động 3GPP LTE-Advanced/LTE-Advanced Pro

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu: các giải pháp kỹ thuật hỗ trợ IoT trong các mạng thông tin di động thế hệ mới 3GPP LTE-Advanced/LTE-Advanced Pro

Phạm vi nghiên cứu: các giải pháp kỹ thuật hỗ trợ IoT trong các mạng thông tin di động 3GPP LTE-Advanced/LTE-Advanced Pro

Phương pháp nghiên cứu:

Phương pháp nghiên cứu là nghiên cứu lý thuyết dựa trên các tài liệu tham khảo (bao gồm các bài báo khoa học, báo cáo kỹ thuật, nội dung thuyết trình và thông tin trên trang Web của các công ty) để tổng hợp, phân tích, đánh giá các nội dung liên quan đến các giải pháp kết nối vạn vật IoT trong mạng thông tin di động thế hệ mới để từ đó đưa ra các đề xuất và khuyến nghị

Bố cục luận văn:

Luận văn gồm các nội dung được tổ chức như sau:

Chương 1- Tổng quan về sự phát triển của các mạng thông tin di động theo họ công nghệ 3GPP

Những nội dung chính của chương này bao gồm:

 Giới thiệu chương

 Sự phát triển của các thế hệ mạng thông tin di động từ 2G đến 5G trong họ công nghệ 3GPP

 Các đặc điểm kỹ thuật chính của các thế hệ mạng thông tin di động 3GPP LTE-Advanced/LTE-Advanced Pro

 Kết luận chương

Chương 2 – Tổng quan về mạng kết nối vạn vật

Chương này tìm hiểu về IoT là gì, quá trình và thị trường phát triển, dự đoán

về IoT, các yêu cầu kỹ thuật Nội dung chính của chương này bao gồm:

Giới thiệu chương

 Các yếu tố thúc đẩy thị trường IoT

 Các yêu cầu kỹ thuật đối với mạng Iot

 Giới thiệu chương

 Các giải pháp trong mạng thông tin di động LTE-Advanced Rel.12

 Các giải pháp trong mạng thông tin di động LTE-Advanced Pro Rel.13

 Các giải pháp trong mạng thông tin di động LTE-Advancced Pro Rel.14

 Các giải pháp dự kiến trong mạng vô tuyến mới (New Radio) cho mạng 5G

 Nhận xét và đánh giá các giải pháp kỹ thuật

 Kết luận chương

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA

CÁC MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THEO HỌ CÔNG NGHỆ 3GPP 1.1 Giới thiệu chương

Bình minh của 5G đang nhanh chóng tiến tới, một bình minh sẽ được xây dựng từ hàng triệu ý tưởng, phương pháp, thuật toán và quá trình Ch cần 4G LTE trở nên sẵn có khi các công nghệ trước đây, như HSPA, có thể được cải tiến tốt hơn, 5G bước vào giai đoạn khi lộ trình cho LTE chưa hết Và giống như 2G cùng tồn tại với 3G và 4G, 5G sẽ cùng tồn tại với các thế hệ công nghệ trước

Đối với ngữ cảnh lịch sử, "1G" dùng để ch các công nghệ di động tương tự

đã có mặt trong những năm 1980 "2G" biểu thị các hệ thống số hóa ban đầu đã có mặt trong những năm 1990 và giới thiệu các dịch vụ như nhắn tin ngắn và dữ liệu tốc độ thấp Các yêu cầu về 3G được Hiệp hội Viễn thông Quốc tế (ITU) ch định là một phần của dự án Điện thoại di động quốc tế 2000 (IMT-2000), trong đó trọng tâm cải thiện năng lực thoại một cách đáng kể và các mạng số phải cung cấp 144 Kbps lưu lượng ở tốc độ di động, 384 Kbps ở tốc độ dành cho người đi bộ, và 2 Mbps trong môi trường trong nhà UMTS-HSPA và CDMA2000 là những công nghệ 3G chính Các công nghệ 3G bắt đầu được triển khai vào đầu thập kỷ qua

Trong năm 2008, ITU đã ban hành các yêu cầu cho IMT - Advanced, mà nhiều người ban đầu đã sử dụng như một định nghĩa của 4G Trọng tâm của 4G là cải tiến phạm vi, dung lượng và chất lượng của dữ liệu Các yêu cầu bao gồm hoạt động trên 40 kênh radioMHz và hiệu quả quang phổ cực cao ITU yêu cầu hiệu suất phổ cao điểm là 15 bps / Hz và hoạt động được đề nghị trong 100 kênhMHz, dẫn đến tốc độ truyền dẫn lý thuyết là 1,5 Gbps Trong năm 2009 và 2010, thuật ngữ

"4G" đã trở thành kết hợp với công nghệ băng rộng di động được triển khai vào thời điểm đó, như HSPA+, WiMAX và các triển khai LTE ban đầu Hôm nay, 4G thường đề cập đến HSPA+ hoặc LTE

1.2 Sự phát triển của các thế hệ mạng thông tin di động từ 2G đến 5G trong họ công nghệ 3GPP

Mặc dù ngành công nghiệp đang chuẩn bị cho 5G, khả năng LTE sẽ tiếp tục cải thiện trong LTE-Advanced Pro trong suốt thập kỷ còn lại Nhiều trong số những cải tiến này sẽ đi qua các khoản đầu tư mạng gia tăng Với phạm vi cơ sở hạ tầng không dây toàn cầu, được đo bằng hàng trăm tỷ đô la, cung cấp cho người dùng dịch vụ giá cả phải chăng nhất đòi hỏi các nhà khai thác phải tận dụng các khoản đầu tư mà họ đã thực hiện 5G cuối cùng sẽ đóng một vai trò quan trọng, nhưng nó phải được tính thời gian một cách hợp lý để khả năng nhảy lên có thể biện minh cho việc đầu tư mới Nhiều tính năng được lên kế hoạch cho 5G trên thực tế có thể được triển khai dưới dạng mở rộng của LTE-Advanced Pro trước khi có sẵn 5G đầy đủ

1.2.1 Hệ thống thông tin di động 2G

Hệ thốngdùng truyền thông vô tuyến số cho truyền tải, thích hợp truyền các bản tin ngắn

Tăng số lượng lớn người dùng do tăng dung lượng đáng kể

Với sự sắp xếp một cách có trật tự các tế bào, mỗi khu vực dịch vụ được bao phủ bởi một tế bào lớn, mỗi tế bào lớn và một phần của các tế bào làm tăng dung lượng của hệ thống

1.2.4 Hệ thống thông tin di động 3,5G

Là hệ thống mạng di động truyền tải tốc độ cao HSDPA (High Speed Downlink Packet Access), phát triển từ 3G Nó được kết hợp từ 2 công nghệ kết nối

không dây hiện đại HSPA và HSUPA, cho phép tốc độ truyền dẫn lên tới 7.2 Mbp/s

1.2.6 Hệ thống thông tin di động 5G

Là thế hệ tiếp theo của công nghệ truyền thông di động sau thế hệ 4G Với tốc độ nhanh hơn, giảm độ trễ và hiệu suất hoạt động cao hơn ở các khu vực mật độ cao, 5G mang đến những trải nghiệm tiên tiến hơn cho người dùng, đồng thời thúc đẩy sự phát triển các ứng dụng M2M phục vụ người tiêu dùng

5G là một mạng di động siêu hiệu quả: mang lại một mạng lưới hiệu suất tốt hơn cho chi phí đầu tư thấp Nó đề cập đến các nhà khai thác mạng di động nhu cầu bức thiết để xem các đơn vị chi phí vận chuyển dữ liệu xuống xấp x tốc độ tương

tự như khối lượng dữ liệu nhu cầu đang tăng lên

5G là một mạng di động siêu nhân bao gồm các thế hệ tiếp theo của tế bào nhỏ nhóm lại với nhau Nó sẽ yêu cầu quyền truy cập vào phổ dưới 4GHz có thể thông qua việc thực hiện toàn cầu trên thế giới

Một mạng lưới sợi dây hội tụ mà sử dụng lần đầu tiên truy cập Internet không dây, các băng sóng mm (20-60 Ghz) để cho phép các kênh vô tuyến băng thông rộng có thể hỗ trợ tốc độ truy cập dữ liệu lên tới 10 Gbit/s Các kết nối cơ bản bao gồm: các liên kết ngắn không dây ở đầu sợi cáp quang tại địa phương

1.3 Các đặc điểm kỹ thuật chính của các thế hệ mạng thông tin di động 3GPP LTE-Advanced/LTE-Advanced Pro

LTE viết tắt của cụm từ Long-Term Evolution tạm dịch là tiến hóa dài hạn,

là công nghệ truyền thông không dây tốc độ cao dành cho các thiết bị di động và thiết bị đầu cuối dữ liệu Các yêu cầu chính của mạng truy cập là hiệu quả phổ tần,

tốc độ dữ liệu cao, thời gian trễ ngắn cũng như sự linh hoạt trong tần số và băng thông Tiêu chuẩn LTE được phát triển bởi dự án đối tác thế hệ thứ 3 3GPP (3rdGeneration Partnership Project) và được quy định trong loạt tài liệu phiên bản Rel 8 của nó với những cải tiến trong phiên bản Rel 9

LTE được thương mại hóa trên thị trường với cái tên phổ biến là 4G LTE (LTE Release 8/9) Về đặc tính kỹ thuật, dịch vụ mạng 4G LTE cho tốc độ tải xuống ở mức cao nhất đạt 300 Mbps và tốc độ tải lên ở mức cao nhất đạt 75 Mbps với độ trễ trong việc truyền tải dữ liệu thấp hơn 5ms Tuy nhiên, cho tới LTE-Advanced (LTE Release 100 các chuyên gia về công nghệ vô tuyến mới xem đây là 4G đích thực Chuẩn này thực sự đạt các tiêu chí kỹ thuật do ITU đặt ra cho hệ thống không dây thế hệ thứ tư 4G hay còn gọi là IMT-Advanced

Một trong những tiêu chí này là tốc độ Về lý thuyết, LTE-Advanced có thể đạt tốc độ tải xuống tối đa là 3Gb/s và tốc độ tải lên tối đa là 1,5Gb/s Trong khi đó LTE đạt tốc độ tối đa khoảng 300Mb/s tải xuống và 75Mb/s tải lên Ngoài ra, LTE-Advanced không ch đơn thuần có tốc độ cao hơn Nó còn bao gồm các giao thức truyền dẫn mới và các nguyên tắc phối hợp đa anten giúp việc chuyển giao giữa các cell suôn sẻ hơn, tăng thông lượng ở vùng tiếp giáp giữa các cell và nén nhiều bít dữ liệu hơn trong một giây vào trong mỗi herzt trên phổ tần số Kết quả là năng lực hệ thống mạng sẽ cao hơn, các kết nối ổn định hơn và hiệu quả sử dụng phổ tần số cao hơn

Dưới đây là một số các đặc điểm kỹ thuật chính của các thế hệ mạng viễn thông 3GPP LTE-Advanced/LTE-Advanced Pro:

1.3.1 Ghép sóng mang

Với khả năng này, đã được sử dụng, các nhà khai thác có thể kết hợp các sóng mang vô tuyến trong cùng một băng tần hoặc trên các băng tần khác nhau để cải thiện lượng truyền (dưới tải mạng nhẹ), công suất và hiệu quả Kết hợp nhà cung cấp dịch vụ cũng có thể kết hợp FDD và TDD và là cơ sở của LTE-U và LTE-LAA

Ví dụ, vào năm 2015, AT&Ttổng hợp 700MHz với AWS, và AWS với PCS Các nhà khai thác đang thử nghiệm tập hợp ba nhà cung cấp dịch vụ vào năm 2016, và

cuối cùng, các nhà khai thác có thể tổng hợp bốn hãng Rel-13 giới thiệu hỗ trợ ghép sóng mang lên tới 32 sóng mang

Việc ghép sóng mang là một trong những tính năng quan trọng nhất của LTE-A phiên bản 10 để tăng tổng băng thông có sẵn cho một thiết bị di động và do

đó đạt được tốc độ bit tối đa Mỗi sóng mang kết hợp gọi là một sóng mang thành phần CC (Component Carrier), sóng mang thành phần có thể có băng thông 1,4MHz; 3MHz; 5MHz; 10MHz; 15MHz hoặc 20MHz Trong LTE, thông thường

ch có thể truyền tải dữ liệu nhờ sử dụng các đoạn phổ tần số liền kề có độ rộng tối

đa là 20MHz Còn trong LTE-A, công nghệ ghép sóng mang cho phép kết hợp những kênh nhỏ hay còn gọi là sóng mang trên các băng tần khác nhau, tách biệt thành “một kênh cực lớn”, do đó về cơ bản có thể tăng tốc độ dữ liệu khả dụng cho mỗi khách hàng lên nhiều lần Chuẩn LTE-Advanced cho phép nhà mạng kết hợp tối đa năm sóng mang với băng thông 20MHz thành một kênh có băng thông 100MHz cao gấp năm lần băng thông của LTE thông thường

VoLTE còn cho phép các nhà viễn thông có thể chuyển giao một tập hợp mới các dịch vụ dựa trên các tiêu chuẩn như RCS (Rich Communications Services)

Các dịch vụ này thường bao gồm nhiều thứ nhu gọi thoại video, chuyển giao tập tin, dịch thuật ngôn ngữ theo thời gian thực, thư thoại video và tin nhắn tức thời

Thông qua mạng kế thừa 2G, các công ty viễn thông triển khai VoLTE trên mạng dữ liệu LTE còn có thể giải phóng và tái canh tác các tần số 2G (sử dụng cho các dịch vụ thoại truyền thống) để hỗ trợ cho các dịch vụ dữ liệu có lợi hơn trong lĩnh vực di động M2M/IoT

1.3.3 Kỹ thuật phối hợp đa điểm (CoMP)

Về cơ bản, phối hợp đa điểm cho phép một thiết bị di động cùng một lúc trao đổi dữ liệu với nhiều trạm thu phát Kỹ thuật này sẽ giúp cải thiện hơn nữa tín hiệu

và tăng tốc độ dữ liệu tại rìa cell, nơi mà có thể khó có được một kết nối tốt Ví dụ như hai trạm thu phát liền kề có thể cùng lúc gửi dữ liệu giống nhau tới một thiết bị

do đó tăng khả năng nhận được tín hiệu tốt của thiết bị đó

Tương tự như vậy, một thiết bị cũng có thể cùng một lúc tải dữ liệu lên cả hai trạm thu phát, các trạm này đóng vai trò như một mảng ăng-ten ảo sẽ cùng nhau

xử lý tín hiệu thu được để loại bỏ lỗi Hoặc thiết bị có thể tải dữ liệu lên qua cell nhỏ ở gần bên, giúp giảm năng lượng phát trong khi vẫn nhận tín hiệu tải xuống tốt

từ một trạm thu phát lớn hơn

Hình 1.2 Kỹ thuật phối hợp đa điểm (CoMP)

1.3.4 Tích hợp chặt chẽ giữa LTE và các giải tần không phép

LTE-U đã được thử nghiệm năm 2016, và 3GPP đã hoàn thành các thông số

kỹ thuật cho LAA trong Rel13, với việc triển khai dự kiến vào khoảng năm 2018 MultiFire, xây dựng tại LAA sẽ hoạt động mà không yêu cầu cấp phép Tích hợp

LTE / Wi-Fi thông qua LWA và LWIP là các tùy chọn khác cho các nhà khai thác triển khai Wi-Fi

1.3.5 Tăng cường hỗ trợ cho IoT

Rel.13 sẽ mang lại cho Category M1 các thiết bị có chi phí thấp, cùng với IoT băng hẹp (NB-IoT), một phiên bản của giao diện radio LTE dành riêng cho các thiết bị IoT, gọi là Category NB1

1.3.6 Kết nối kép

Rel.12 giới thiệu khả năng kết hợp các sóng mang từ các khu vực khác nhau và/hoặc các trạm cơ sở (tức là phát triển Node Bs (eNBs) thông qua một tính năng được gọi là Dual Connectivity- Kết nối kép

1.3.7 256 QAM đường xuống và 64 QAM đường lên

Được định nghĩa trong Rel12 và đã được triển khai vào năm 2016, điều chế bậc cao làm tăng tốc độ truyền của người dùng trong điều kiện /vô tuyến thuận lợi

1.3.8 Hỗ trợ HetNet

HetNet – Heterogeneous network: mạng phức hợp, giúp giải quyết hiện tượng nghẽn mạng bằng kỹ thuật điều khiển giảm can nhiễu tăng cường giữa các tế bào được sử dụng trong hệ thống Trong mạng này, các trạm thu phát công suất thấp

sẽ tạo ra các cell nhỏ (small cell) nằm chồng lên mạng lưới các cell lớn (macro cell)

do các trạm thu phát thông thường có công suất lớn tạo ra Các trạm thu phát nhỏ với nhiều mức kích c (còn được gọi bằng các tên metro, micro, pico, hay femtocell) để tăng mức tải dữ liệu trong các vùng nóng (hots pot) như vùng đô thị đông đúc Những bộ thu phát này có kích thước nhỏ gọn, giá thành rẻ, không cồng kềnh, và lắp đặt thì dễ dàng hơn Nhưng khi các nhà mạng đặt càng ngày càng nhiều trạm thu phát vào cùng một khu vực, họ sẽ phải tìm cách để giảm thiểu can nhiễu khó tránh khỏi giữa chúng

Giao thức eICIC của LTE-Advanced được xây dựng dựa trên kỹ thuật điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào ICIC (Inter-Cell Interference Coodination) của LTE vốn để giúp giảm can nhiễu giữa hai cell lớn (macro cell) trong mạng đồng nhất (HetNet)

Năm 2016, HetNet tích hợp các cell kích thước rất nhỏ và các cell kích thước nhỏ Một tính năng quan trọng là tăng cường phối hợp sự can thiệp giữa các cell(eICIC), giúp nâng cao khả năng của một cell vĩ mô và một cell nhỏ sử dụng cùng một phổ Cách tiếp cận này rất có giá trị khi người vận hành không thể dành phổ cho các cell nhỏ Các nhà khai thác đang đánh giá eICIC, và ít nhất một nhà khai thác đã triển khai nó Nâng cao ICIC (feICIC) được giới thiệu trong Rel-11 đã

bổ sung các thiết bị thu nhận nhiễu tiên tiến vào thiết bị

1.3.9 Các mạng tự tổ chức

Với SON, các mạng có thể tự động cấu hình và tối ưu hóa chúng Các phương pháp cụ thể của nhà cung cấp là phổ biến đối với mạng 3G, và các thử nghiệm hiện đang diễn ra đối với phương pháp tiếp cận dựa trên tiêu chuẩn 4G LTE

1.4 Kết luận chương

Sự phát triển các tiêu chuẩn 3GPP nằm trong ba lĩnh vực chính: giao diện vô tuyến, mạng lõi và dịch vụ 3GPP phát triển các thông số kỹ thuật trong các phiên bản, với mỗi phiên bản giải quyết nhiều công nghệ Mỗi bản phát hành thêm các tính năng mới và cải thiện hiệu suất của các chức năng hiện có bằng nhiều cách khác nhau

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ MẠNG KẾT NỐI VẠN VẬT 2.1 Giới thiệu chương

IoT được xem như là sự tiến hóa của Machine-to-Machine (M2M) Về cơ bản, trong khi M2M được xây dựng trực tiếp từ các đường kết nối thì IoT lại mở rộng khái niệm kết nối qua mạng IP

Các lĩnh vực IoT được phân thành IoT Massive và critical, tùy thuộc vào loại ứng dụng sẽ được thực hiện Massive IoT cho thấy một số lượng lớn các vật thể có liên quan, ví dụ như ở các tòa nhà, các cánh đồng nông nghiệp, các phương tiện vận chuyển, đưa lên đám mây một cách thường xuyên và chi phí cuối cùng phải đủ thấp

để có thể kinh doanh được Ở đây, các yêu cầu dựa trên thiết bị có chi phí thấp với mức tiêu thụ năng lượng thấp, độ phủ sóng tốt và khả năng mở rộng cao Các ứng dụng IoT quan trọng như chăm sóc sức khoẻ từ xa, kiểm soát giao thông và kiểm soát công nghiệp, để đặt tên cho một số ít, sẽ có nhu cầu rất cao về tính sẵn có và độ tin cậy cũng như độ trễ rất thấp

Internet of Things (IoT) là thuật ngữ dùng để ch các đối tượng có thể nhận biết cũng như sự tồn tại của chúng trong một kiến trúc mang tính kết nối Đây là một viễn cảnh trong đó mọi vật, con người được cung cấp các định danh và khả năng truyền tải dữ liệu qua một mạng lưới mà không cần sự tương tác giữa con người với con người hoặc con người với máy tính IoT tiến hóa từ sự hội tụ của các công nghệ không dây, hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) và Internet

2.2 Các yếu tố thúc đẩy thị trường IoT

Phần lớn những người tham gia ngành công nghiệp nhận ra rằng M2M, và bây giờ là IoT, đại diện cho một trong những cơ hội tăng trưởng quan trọng cho các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông và các doanh nghiệp có quy mô khác nhau trong thập kỷ tới Các câu hỏi chính được đặt ra bởi những người tham gia ngành công nghiệp trong giai đoạn đầu của việc xem xét để gia nhập vào lĩnh vực M2M và IoT

là như sau: Các thị trường chính cho IoT là gì? Quy mô thị trường cho các ứng dụng theo ngành dọc cụ thể là gì?

2.2.1 Cuộc cách mạng từ M2M tới IoT

IoT là một quá trình phát triển tự nhiên từ M2M, là sự kết nối giữa các thiết

bị thông minh và các nền tảng quản lý mà được cấp phép, một "thế giới thông minh" xung quanh chúng ta Bằng việc theo dõi và chăm sóc sức khỏe đến các tiện ích thông minh, máy bay không người lái tự động, thế giới của chúng ta nhanh chóng trở nên siêu tự động

Hình 2.1 Quá trình phát triển từ M2M tới IoT [1]

Hình 2.1 sẽ cho chúng ta một cái nhìn đa chiều về quá trình phát triển từ M2M đến IoT Chú ý rằng, do IoT là một sự phát triển của M2M nên trong phạm vi luận văn này, thuật ngữ IoT có thể được dùng thay cho cả thuật ngữ M2M

 M2M mà đã đạt đến ngư ng:

 Sự phát triển đạt xấp x 20% CAGR trong việc kết nối

 Tập trung vào các ứng dụng B2B(giữa các doanh nghiệp)

 Sự dụng theo ngành dọc

 Linh hoạt/độc quyền

 Giới hạn những ứng dụng dữ liệu lớn

 ROI tiết kiệm cho các doanh nghiệp

 Môi trường thông minh: đang dần hình thành

 Hàng triệu kết nối mỗi ngày

 Có quy luật

 Các ứng dụng B2B (giữa các doanh nghiệp) và B2C(giữa doanh nghiệp

và khách hàng cá nhân) mới

 Sử dụng theo ngành dọc

 Định nghĩa tiêu chuẩn

 IoT: sử dụng để kết nối thiết bị bất kỳ

 M2M là giai đoạn 1 của IoT

 Hàng tỷ kết nối

 Thêm các ứng dụng B2C (giữa doanh nghiệp và khác hàng cá nhân), B2B2C (giữa doanh nghiệp và khách hàng cá nhân thông qua một doanh nghiệp khác)

 Các thiết bị thiết yếu

 Mở/chuẩn hóa

 Nhiều dữ liệu để khám phá

 Mô hình kinh doanh mới, thị trường có quy luật

2.2.2 Thị trường chính của IoT

IoT chứa đựng nhiều cơ hội kinh doanh Nó được xem xét thông qua 5 lĩnh vực chính: kết nối các thiết bị mang theo, ô tô, nhà, thành phố (đèn giao thông, cột điện cao áp, đèn chiếu sáng…), và các khu công nghiệp mạng thông minh (Các nhà máy, phương tiện công cộng, dầu khí, sức khỏe…)

Khi các doanh nghiệp tiếp xúc với môi trường kinh doanh cạnh tranh ngày càng tăng, không có gì đáng ngạc nhiên rằng nhìn từ quan điểm kinh doanh thì IoT

bị chi phối bởi hai yếu tố:

 Tiết kiệm chi phí: Các doanh nghiệp đang dựa vào IoT để tăng tính hiệu quả và

nâng cao năng suất, giúp tiết kiệm chi phí, trong các hợp phần kinh doanh chính như chi phí đầu tư cố định (CAPEX), bảo trì, nhân công và điện năng

Ví dụ, các công ty hy vọng tiết kiệm được hàng triệu kilowatt giờ (kWh) hàng năm thông qua các trung tâm đa dữ liệu bằng cách triển khai hàng trăm bộ cảm biến và điểm điều khiển trong toàn bộ trung tâm dữ liệu, kết nối không dây

 Doanh thu tạo ra: Các công ty tập trung vào IoT như một động lực tăng doanh

thu dựa trên các sản phẩm và dịch vụ mới Ví dụ, dịch vụ kết nối ô tô, được phát triển trong mối quan hệ hợp tác giữa các nhà khai thác di động và các nhà sản xuất ô tô, cung cấp các kết nối 3G hoặc 4G tốc độ cao với phí thuê bao hàng tháng Nhiều mẫu xe được xây dựng với sự hỗ trợ của LTE, cho phép các

phương tiện hoạt động như một điểm truy cập Wi-Fi với kết nối cho một vài thiết bị, cũng như truy cập vào các dịch vụ xe chở khách từ xa, chẩn đoán và dịch vụ khẩn cấp Công ty phân tích Analyst Mason dự đoán trên 800 triệu xe được kết nối vào năm 2023.Bây giờ chúng ta đang ở thời điểm mà các công nghệ khả thi sẵn có cùng lúc khi nhu cầu cụ thể từ các bên liên quan khác nhau đang hình thành

Đã có những thay đổi công nghệ quan trọng liên quan với nhau để cho phép

sự gia tăng của IoT và điều này liên quan đến tất cả các thiết bị được kết nối, không giới hạn ở Mạng Internet di động (CIoT):

 Chi phí cảm biến thấp - theo các hãng nghiên cứu, giá cảm biến đã giảm đáng

kể trong 10 năm qua

 Chi phí băng thông giảm - chi phí băng thông cũng giảm nhanh, gần 40 lần trong 10 năm qua

 Chi phí triển khai đã giảm gần 60 lần trong 10 năm qua, cho phép nhiều thiết

bị hơn không ch kết nối mà còn đủ thông minh để biết phải làm gì với tất cả

dữ liệu mới mà họ đang tạo ra hay là nhận được

 Điện thoại thông minh hiện đang trở thành cổng vào cá nhân cho IoT, phục vụ như một bộ điều khiển hoặc trung tâm điều khiển từ xa cho kết nối nhà, kết nối

xe hoặc thiết bị chăm sóc sức khoẻ và thể dục mà người tiêu dùng ngày càng bắt đầu dùng

 Vùng phủ sóng không dây di động phổ biến cùng với cơ hội di động cung cấp nhiều thị trường là một cơ hội quan trọng

 Như định nghĩa IoT, sẽ tạo ra số lượng lớn các dữ liệu phi cấu trúc, tính sẵn có của phân tích dữ liệu lớn là một nhân tố cho phép

 Hầu hết các thiết bị mạng hiện nay đều hỗ trợ IPv6, phiên bản mới nhất của tiêu chuẩn Giao thức Internet (IP) được thay thế cho IPv4 IPv4 hỗ trợ địa ch 32-bit, có nghĩa là khoảng 4,3 tỷ địa ch - một con số quá lớn cho các thiết bị kết nối trên toàn cầu Ngược lại, IPv6 có thể hỗ trợ địa ch 128-bit, tức là khoảng xấp x 3,4 x 1038 địa ch - một số lượng gần như vô hạn có thể xử lý tất cả các thiết bị IoT có thể hiểu được

 3GPP đang đề cập đến việc phát triển chuẩn cho tương lai dài hạn hoặc IoT trong nhiều dải và với một số công nghệ di động

Hình 2.2 Thị trường IoT [1]

Hầu hết các công nghệ được chuẩn bị để giúp đẩy nhanh việc triển khai các giải pháp IoT Chi phí phần cứng và mạng dữ liệu không dây thấp hơn cho phép kết nối thông minh và liền mạch hơn Thị trường ngày nay đang xử lý thủ công hoặc xử

lý lượng thông tin khổng lồ mà các thiết bị kết nối tạo ra Sẵn có các công cụ phân tích dữ liệu lớn, kết hợp với sự hiểu biết ngày càng tăng về cách chọn lọc dữ liệu có thể được sử dụng, tạo cơ hội để tăng hiệu quả cho các ứng dụng M2M và IoT Người dùng cuối cũng trình bày trình điều khiển IoT Cụ thể, khi người tiêu dùng

và doanh nghiệp tiếp cận, và được sử dụng để sống và làm việc với điện thoại thông minh và máy tính bảng, họ rất mong nhận được các ứng dụng mới làm phong phú thêm cách họ sống, làm việc, đi làm hoặc mua sắm

Bốn yếu tố quan trọng thúc đẩy chuyển tiếp IoT là:

 Giá của các bộ cảm biến kết nối internet đang giảm xuống Nhiều thiết bị IoT dựa vào nhiều cảm biến để theo dõi môi trường xung quanh chúng Theo Goldman Sachs, chi phí của những cảm biến này đã giảm 50 phần trăm trong thập kỷ kết thúc vào năm 2015

 Rất nhiều tiền đổ vào IoT Nhiều công ty lớn đã bắt đầu đàu tư vào các phòng Lab IoT Cũng có nhiều vụ mua lại IoT và một số công ty khởi nghiệp IoT, chẳng hạn như các nhà sản xuất máy tính điện toán đám mây và các nhà phát minh thông minh, đã nhận được hàng chục triệu tiền đầu tư

 Việc 'điều khiển từ xa' đặc biệt là điện thoại thông minh, máy tính bảng có thể quản lý IoT đang tăng lên Điện thoại thông minh chiếm 61% số điện thoại được bán trên toàn cầu vào năm 2015 và thị phần của chúng tiếp tục tăng khi

cơ sở hạ tầng không dây ở các quốc gia đang phát triển tốt hơn

 Việc mở rộng kết nối internet: Liên minh viễn thông Quốc tế (ITU) được thành lập vào năm 2015, 40% dân số đã được kết nối với Internet và vào năm 2019, gần 57% sẽ được kết nối Việc tăng kết nối này sẽ dẫn tới một lượng lớn khách hàng quan tâm tới các thiết bị IoT

Có 3 lĩnh vực chính mà sẽ cho phép thị trường IoT phát triển:

 Sử dụng M2M để tạo ra doanh thu kết nối mới (ví dụ, việc kết nối xe hơi) Các hoạt động này gần với các đơn vị kinh doanh hiện có của M2M

 Sử dụng IoT để giữ nguyên doanh thu hiện tại (ví dụ, nhà thông minh): Các hoạt động này có thể liên quan chặt chẽ với các bộ phận khác trong hoạt động kinh doanh của một nhà điều hành, ví dụ một số nhà khai thác cung cấp các giải pháp nhà thông minh để bổ sung cho các doanh nghiệp có băng thông rộng cố định Các tiện ích kết nối mới có thể được sử dụng để giúp bảo vệ hoạt động kinh doanh chính của điện thoại di động

 Cung cấp nền tảng cho thị trường, đặc biệt là khi doanh thu kết nối có vẻ thấp Chăm sóc sức khỏe là một ví dụ điển hình

Nhiều sáng kiến ngành công nghiệp IoT để chuẩn hóa kiến trúc, đảm bảo an ninh và cho phép hoạt động sẽ đẩy nhanh việc áp dụng CIoT và sẽ giúp thị trường phát triển với tốc độ nhanh hơn

2.2.3 Các dự đoán thị trường IoT

Các giao tiếp IoT được thiết lập để tăng trưởng trong tương lai gần Cisco ước tính rằng số lượng thiết bị kết nối trên toàn thế giới sẽ tăng từ 15 tỷ lên 50 tỷ vào năm 2020 Intel thậm chí còn lạc quan hơn, tuyên bố rằng hơn 200 tỷ thiết bị sẽ được kết nối Mặc dù những dự báo khổng lồ này đại diện cho tất cả các dạng kết nối không dây, với sự gia tăng băng thông rộng di động, kết nối di động ngày càng trở nên có giá trị như một phương pháp truy cập quan trọng cho IoT

Nếu có bất kỳ nghi ngờ nào về IoT là có thật, một thực tế phải xua tan nó: Lần đầu tiên, các nhà khai thác di động ở Hoa Kỳ đang thêm các kết nối IoT vào mạng của họ nhanh hơn là thêm điện thoại

Mặc dù phạm vi cố định và cự ly liên lạc ngắn sẽ là yếu tố quan trọng của truyền thông IoT, công nghệ di động được dự báo sẽ phát triển các công nghệ được lựa chọn cho các ứng dụng IoT Hình 2.3 minh hoạ sự tăng trưởng của các kết nối di động M2M cũng như tỷ lệ phần trăm mà IoT di động đại diện cho tổng thể thị trường IoT

Hình 2.3 Phần trăm sự phát triển của kết nối IoT và IoT di động trên tổng thị trường

IoT từ 2010-2022 [1]

Các dự báo đã được triển khai, cơ hội và rào cản đối với mỗi nhà khai thác

và khu vực IoT/M2M Họ có thể thử một cách thận trọng nếu cả những người trong ngành và các chính phủ thành công đã cho phép một số yếu tố tăng trưởng Điều này có thể dẫn đến tốc độ tăng trưởng tương tự trong tương lai với những gì đã chứng kiến trong vài năm qua, kết quả là nâng cao dự báo quỹ đạo hiện tại lên đến

50 phần trăm Các yếu tố tăng trưởng như vậy bao gồm việc triển khai mạng lưới điện năng thấp, tăng sự chuẩn hóa, cải tiến quy định và bảo đảm an toàn đầu cuối Một yêu cầu nữa là sự phát triển của mô hình kinh doanh điều hành mới trong không gian IoT/M2M, đặc biệt là những lĩnh vực không ch cung cấp kết nối di động đơn giản Tốc độ và sự tinh tế trong từng ngành có thể thay đổi do nhu cầu cụ

thể khác nhau, tính sẵn có của kết nối và các công nghệ hỗ trợ khác, và môi trường kinh tế và quy định tại thị trường địa phương

Sử dụng các cơ hội, nhiều nhà đổi mới nhanh chóng chấp nhận IoT trong các ngành công nghiệp tương ứng của họ vì sự phát triển của các thiết bị mới trở nên hữu ích hơn, giá cả phải chăng và dễ dàng tích hợp hơn Ngoài ra, các nhà quản lý quốc gia trong nhiều ngành công nghiệp đang bắt áp dụng IoT như một công nghệ cho phép đạt được các mục tiêu kinh tế xã hội quốc gia

IoT đang phát triển nhanh chóng trong các ngành công nghiệp khác nhau mang lại cơ hội thị trường đáng kể cho các nhà cung cấp dịch vụ truyền thông Điện thoại di động tiếp tục là loại thiết bị kết nối lớn nhất, và vào năm 2018, họ sẽ vượt bằng IoT, bao gồm xe ô tô kết nối, máy móc, đồng hồ đo công suất, thiết bị đo đạc

và thiết bị mang xách Cụ thể, các thiết bị IoT dự kiến sẽ tăng với tốc độ tăng trưởng hàng năm (CAGR) 21% từ năm 2016 đến năm 2022 bởi các trường hợp mới

sử dụng Tổng cộng khoảng 29 tỷ thiết bị kết nối được dự báo vào năm 2022, trong

đó gần 1 tỷ sẽ liên quan đến IoT

Hình 2.4 Sự phát triển của thị trường IoT bởi các thiết bị đặc trưng 2015-2022 [1]

Như đã lưu ý trước đây, tại Hoa Kỳ, một số nhà cung cấp dịch vụ đã thêm nhiều kết nối IoT hơn là kết nối điện thoại di động Riêng ô tô ddaang kết nối với mạng di động phát triển nhanh hơn bất kỳ cái gì khác, theo thống kê của Chetan Sharma Consulting trong quý II năm 2016 Đếm tất cả các hãng hàng không Mỹ, khoảng 1,4 triệu chiếc xe được kết nối với mạng di động trong quý, so với 1,2 triệu chiếc điện thoại và dưới 900,000 chiếc máy tính bảng Tăng trưởng IoT đã là một

xu hướng dài hạn

Cisco dự đoán thị trường IoT toàn cầu sẽ đạt 14,4 nghìn tỷ đô la vào năm

2022, với đầu tư chính vào việc cải thiện trải nghiệm của khách hàng Các lĩnh vực đầu tư bao gồm giảm thời gian đưa ra thị trường ($3T), cải thiện chuỗi cung ứng và hậu cần ($2,7T), chiến lược giảm chi phí ($2,5T) và tăng năng suất lao động ($2,5T) Hình 2.6 cho thấy rằng 50% hoạt động của IoT vào năm 2022 là sản xuất, vận chuyển, các thành phố thông minh và thị trường tiêu dùng

Hình 2.5 Các giá trị thị trường IoT toàn cầu năm 2020 [1]

Sự tiến hoá từ các dịch vụ IoT có giới hạn dung lượng đến hệ IoT có khả năng siêu cao đã mở ra những chiều hướng và cơ hội mới cho các nhà cung cấp cơ

sở hạ tầng truyền thông truyền thống và những ngành công nghiệp cụ thể Những người khai thác tiềm năng của công nghệ này giới thiệu các dịch vụ và mô hình kinh doanh mới có thể cung cấp những kinh nghiệm chưa từng có cho các dịch vụ hiện có và, trong nhiều lĩnh vực, chuyển hoạt động nội bộ của họ để đáp ứng nhu cầu của một thế giới kết nối siêu cao

Với nhu cầu thiết lập một mô hình "kết nối mọi thứ", ch một câu hỏi duy nhất cần được giải quyết liên quan đến các mô hình về phân phối, thời gian, địa lý

và các lĩnh vực được chấp nhận Các tiện ích, bảo mật và vận chuyển dự kiến sẽ chứng kiến sự tăng trưởng tối đa các ứng dụng IoT trong những năm tới

2.3 Các yêu cầu kỹ thuật đối với mạng IoT

Mô hình IoT hướng tới tính năng tương tác giữa các đối tượng "thế giới thực" và công nghệ thông tin, đưa ra khả năng cảm nhận và kiểm soát Điều này làm

lượng dịch vụ IoT ngày càng tăng trong các lĩnh vực khác nhau như sản xuất, khai thác, chăm sóc sức khoẻ, giám sát, kiểm soát giao thông Mỗi dịch vụ với các yêu cầu khác nhau được phát triển phù hợp với khả năng công nghệ

2.3.1 Yêu cầu chung

Việc cung cấp các dịch vụ IoT đòi hỏi các chủ thể có kết nối với thiết bị di động, kết nối linh hoạt và phổ biến mà ch có truy cập vô tuyến có thể cung cấp được Lựa chọn rõ ràng đầu tiên là kết nối các thiết bị đắt tiền hơn, như ô tô hoặc máy móc công nghiệp, việc kinh doanh có ý nghĩado sự sẵn có của điện năng và chi phí nhỏ của modem so với chi phí tổng thể của các đối tượng

Sự phát triển đầu tiên của công nghệ MTC nhằm mục đích tăng số lượng các kịch bản có thể bằng cách tập trung vào giảm chi phí thiết bị từ 3GPP Rel-10 Thực

tế, nhu cầu này đã được dự báo trước trong 3GPP vài năm trước, tài liệu Rel-7 TR22.868 (tháng 6 năm 2006) đã nêu rõ: "Xuất hiện thị trường M2M có tiềm năng thị trường cao hơn " thị trường M2M cao cấp " , các phân khúc thị trường hiện đang

sử dụng M2M

Yêu cầu về chi phí thấp cũng đã được các diễn đàn và tổ chức tiêu chuẩn hóa khác như ZigBee, Z-Wave, các dự án của châu Âu như cảm ứng điện tử, vv , tất cả đều sử dụng các thiết bị điện năng cực thấp và do đó tập trung vào một thập kỷ trước trong việc cung cấp các mạng lưới lưới nhằm giải quyết bốn thách thức chính

dự kiến cho việc triển khai các dịch vụ IoT to lớn:

 Các thiết bị có chi phí thấp cần được tích hợp không ch trong một mô-đun chip mà còn với các bộ cảm biến và bộ truyền động trong các thiết bị hàng ngày, bao gồm cả các thiết bị mang theo

 Hệ thống tiết kiệm năng lượng, cho phép vận hành tự động tối đa các thiết bị IoT với kích thước pin nhỏ Yêu cầu này cũng liên quan đến tổng chi phí sở hữu (TCO), do thay thế pin có liên quan trực tiếp với hệ thống OPEX

 Triển khai bao phủ rộng khắp Việc triển khai mạng có thể đảm bảo độ che phủ ngoài trời và trong nhà cao cả và các mạng lưới với định tuyến tự định hướng là cốt lõi của công nghệ này cho phép triển khai các nút mạng mới

 Khả năng mở rộng, được xem xét số lượng thiết bị lớn có thể được triển khai tại các nơi mật độ dày đặc như các trung tâm thành phố, và dự kiến tang trưởng của các thiết bị được kết nối tăng theo hàm mũ

Các yêu cầu cơ bản ban đầu được đưa ra bằng sự kết hợp của các Thiết bị có

cự ly ngắn (SRD) và mạng mesh SRD sử dụng năng lượng cực thấp, và do đó tiết kiệm chi phí và chi phí thấp, trong khi mạng mesh giải quyết sự linh hoạt để mở rộng vùng phủ sóng ngoài trời (cung cấp đủ số lượng nút phối hợp mạng được triển khai) cũng như khả năng mở rộng hệ thống

Tuy nhiên, việc định tuyến phức tạp và nhu cầu của các node Coordinator/Gateway (và việc duy trì OPEX) cho kết nối IP, cuối cùng đã hạn chế rất nhiều việc triển khai thương mại các mạng lưới đa chặng dựa trên cơ sở SRD

Để khắc phục điều này, và nhờ vào sự cải tiến của công nghệ chip, cho phép tích hợp chip với các modem công suất cao (bao gồm bộ khuếch đại công suất Power Amplifier (PA) và các phần khác của Tần số vô tuyến (RF), một cách tiếp cận mới để phù hợp với bốn thách thức của IoT, được gọi là mạng diện rộng tiêu thụ năng lượng thấp Low Wide Wide Area (LPWA), đã được thông qua vài năm trước Ý tưởng cơ bản là chuyển sang kết nối mạng sao, tăng độ bao phủ của các cell bằng các công nghệ điều chế mới mà các yêu cầu phức tạp và năng lượng được tập trung nhiều nhất có thể trong trạm gốc Mạng ngôi sao này tiến tới một mạng chi phí hoạt động (OPEX) rất rẻ vì không có nút điều phối nào gần với các thiết bị cuối cùng, với việc triển khai đơn giản rất phù hợp với các nhà khai thác và các công ty

sở hữu cơ sở hạ tầng

Để đạt được những thách thức đã được liệt kê trước đây với cách tiếp cận LPWA, một số tham số về hiệu suất vô tuyến có th:ể được kết hợp, vì chúng không cần thiết trong một số dịch vụ IoT dự kiến:

 Thông lượng, các bài toán thông thường ch yêu cầu kết nối của một vài kbps trở xuống

 Độ dài gói tin, tin nhắn sẽ rất ngắn ch với một vài Bytes

 Chu kỳ hoạt động, thời gian hoạt động rất ngắn, tổng thể thấp hơn nhiều so với 10% tổng thời gian

 Độ trễ, các giá trị sẽ phụ thuộc vào các dịch vụ, nhưng một vài trong số đó có các yêu cầu rất thoải mái, ch với số lượng kết nối nhỏ mỗi ngày

 Các phiên giao dịch, cũng có thể không yêu cầu hết ở các bài toán

2.3.2 Nghiên cứu các yêu cầu 3GPP

Việc chuẩn hóa trong 3GPP đề cập đến thách thức cải thiện MTC bằng cách tăng hiệu suất MTC được cải thiện trong các phiên bản mới nhất, bao gồm Rel-12 LTE-UE Cat.0 và Rel-13 UE Cat M1 Nhưng ngoài sự phát triển của MTC, cái gọi

là „phương pháp tiếp cận sạch sẽ‟ cho phù hợp với các triển khai IoT quy mô lớn được tích hợp trong công nghệ 3GPP cũng đã diễn ra dựa trên Rel-13 bài báo kỹ thuật TR45.820 (Tháng 3 năm 2015) "Hỗ trợ Hệ thống Di động để độ phức tạp và thông lượng thấp IoT"

Bài báo kỹ thuật TR45.820 này được nhắm mục tiêu để hoàn thành trên LPWA với công nghệ thực hiện đầy đủ trong các nút và kiến trúc 3GPP và đưa ra các mục tiêu vượt quá yêu cầu kết nối IoT hiện đại với các ch số hoạt động chính sau đây:

 Giảm độ phức tạp (thách thức 1: giá thành thiết bị thấp): Mức độ phức tạp liên quan trực tiếp đến chi phí thiết bị, ngay cả khi có thể tính đến các giả thiết khác, như chi phí tăng do Quyền sở hữu trí tuệ (IPR) và giảm chi phí do tiêu chuẩn hoá (liên quan đến khối lượng sản xuất lớn) Mục tiêu ngoài việc đo lường phức tạp được thiết lập trong TR45.820 là đạt được một chip IoT đầy đủ modem với giá dưới 3 đô la Mỹ Ngoài các giá trị này, chi phí modem có thể không phải là ảnh hưởng chính trong tổng chi phí của một thiết bị với sự xem xét tới pin, bộ cảm biến /thiết bị truyền động

 Cải thiện hiệu suất năng lượng (thách thức: Hệ thống tiết kiệm năng lượng): Mục đích là để kéo dài tuổi thọ cho Pin của các thiết bị IoT Đo lường được đưa vào trong 3GPP là thời gian thiết bị có thể được kết nối bằng cách sử dụng

5 Wh (Watt - giờ) của pin trong các bài toán khác nhau Các bài toán cần được xem xét là các kết hợp có thể của bốn mô hình lưu lượng truy cập (50 byte mỗi

2 giờ, 200 byte mỗi 2 giờ, 50 byte mỗi 24 giờ trên 200 byte mỗi 24 giờ) và ba tình huống có thể có với suy hao kết nối 144 dBs, 154 dBs và giá trị đạt được

tối đa.Mục tiêu được thiết lập là để đạt được ít nhất 10 năm tuổi thọ pin trong tất cả các bài toán

 Cải thiện độ bao phủ trong nhà (thách thức: bao phủ rộng khắp): Mục đích là

để đưa ra độ bao phủ trong nhà sâu hơn, cũng như độ bao phủ trong tầng hầm,

từ các trạm cơ sở đã được triển khai trước đó Giá trị được thiết lập là một mục tiêu làm tăng giá trị suy hao tối đa (MCL) lên đến 164 dB giữa trạm gốc và Thiết bị Người sử dụng (UE) 164 dBs nàyđã tăng 20 dBs so với bất kỳ MCL cho bất kỳ thiết bị tiêu chuẩn lên đến Rel-12 trong 3GPP Việc mở rộng phạm

vi bao phủ này sẽ cung cấp tốc độ truyền dữ liệu ít nhất 160 bps cho cả đường lên (UL) và đường xuống (DL)

 Hỗ trợ số lượng lớn các thiết bị thông lượng thấp (thách thức: Khả năng mở rộng)

Bảng 2.1 Các giả định mật độ thiết bị trên mỗi cell đối với bài toán đô thị đòi hỏi cao

Số lượng thiết bị trong một hộ gia đình

Số lượng thiết bị trong một ô di động

Độ trễ là một ch số thực hiện chính (KPI) khác đã được xem xét

Các yêu cầu khác như bảo mật truyền thông, cùng tồn tại với các hệ thống 3GPP đã triển khai và sử dụng băng tần số được ch định cũng là một phần của giá trị gia tăng với việc áp dụng các công nghệ IoT được phát triển trong 3GPP

Hiện tại 3GPP đang phát triển các cải tiến IoT cho Rel-14 sẽ cung cấp các tính năng bổ sung sau đây có thể hữu ích trong một số dịch vụ:

 Định vị nâng cao: Sự khác nhau về thời gian đến (OTDOA) và sự khác nhau

về thời gian Uplink (UTDOA) đối với các công nghệ NB-IoT đang được xác định Định vị với nhận dạng nút là dịch vụ cơ bản nhất có thể được cung cấp

mà không cần bao gồm bất kỳ cảm biến nào đến thiết bị cuối cùng

 Multicast: cần thiết cho việc cung cấp một số dịch vụ như nâng cấp phần mềm

ở các khu vực đông dân cư mà không cần giải quyết riêng cho tất cả các UE

 Tính di động và cải tiến liên tục dịch vụ: giảm tiêu thụ điện yêu cầu trong một

số trường hợp cụ thể

 Các mức năng lượng thấp của UE (ch dành cho NB-IoT): Yêu cầu của máy phát 14 dBm để giảm sự phức tạp và chi phí của UE

 Hỗ trợ bằng giọng nói (ch eMTC): hỗ trợ các dịch vụ thoại

Sự tiến triển của các yêu cầu về IOT đối với 5G cũng đã được nghiên cứu không ch trong mục Nghiên cứu về Vô tuyến Vô Tuyến hiện đang được mở trong 3GPP mà còn trong một số dự án nghiên cứu, như METIS II (dưới sự hỗ trợ của Ủy ban Châu Âu hỗ trợ khung 5G-PPP)

3GPP Các yêu cầu của NR hoặc các giá trị mục tiêu cho các kịch bản được gọi là Mask Communications đã được phát triển trong nghiên cứu TR 38.913 về Các kịch bản và Yêu cầu cho Các Công nghệ Truy cập Thế hệ Mới

mMTC, băng thông rộng di động nâng cao (eMB) và độ tin cậy cao và truyền tin độ trễ thấp (URLLC) là ba nhóm cơ bản của các kịch bản mà các yêu cầu

sẽ định hình các giải pháp 3GPP NR trong tương lai cho các giải pháp 5G

2.3.3 Những yêu cầu cao hơn

Rõ ràng, ngoài các yêu cầu chung, chung cho tất cả các dịch vụ IoT, được trình bày ở các phần trước, nhu cầu cụ thể cho từng loại dịch vụ đa dạng được xem xét có thể khác nhau.Từ quan điểm của nhà điều hành, có những ước tính yêu cầu khác nhau, tùy thuộc vào vai trò của nhà điều hành và tham vọng Ví dụ, trong dự

án METIS II, các quan điểm về yêu cầu cho sự phát triển 5G trong tương lai được thể hiện trong Bảng 2.2

Bảng 2.2 Các bài toán và yêu cầu được chọn lọc, hợp nhất và đánh giá tính khả thi về

mặt kỹ thuật của nền công nghệ [1]

Mật độ thiết bị 1.000.000 thiết bị/Km2

Lưu lượng truy cập trên mỗi thiết bị 125 byte tin nhắn trên s

Tuổi thọ của pin 10 năm (Giả sử Pin 5W-h và hạn chế truy cập)