Phân tích và đánh giá hiệu năng mạng vô tuyến công suất thấp cự ly xa LPWAN (Luận văn thạc sĩ)

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Nội dung của luận
văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin được đăng tải trên những tạp chí
và các trang web theo danh mục tài liệu tham khảo. Tất cả các tài liệu tham khảo
đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy
định cho lời cam đoan của mình.

Tác giả luận văn

PHÍ THỊ THU


ii

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận văn này, tôi đã nhận được sự
hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của gia đình, của thầy cô, các anh chị, các em và các
bạn. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn chân
thành tới:
Ban giám đốc Học viện, các thầy cô giảng dạy và làm việc tại Khoa Quốc tế
và Đào tạo sau đại học – Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã tạo mọi
điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn.
Tiến sĩ Nguyễn Đức Thủy, người thầy đã hết lòng giúp đỡ, dạy bảo, động
viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận văn.
Xin chân thành cảm ơn bố mẹ, anh chị và các em đã ở bên cạnh động viên,
tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt qua trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành
luận văn cao học.

Tác giả luận văn

PHÍ THỊ THU


iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT ........................................... vi
DANH SÁCH HÌNH VẼ .........................................................................................vii
DANH SÁCH BẢNG BIỂU.................................................................................. viii
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ TRONG MẠNG IoT ....................... 3
1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

Tổng quan về IoT ................................................................................ 3
1.1.1

Tiêu chuẩn hình thành IoT ........................................................... 3

1.1.2

Tình hình phát triển IoT hiện nay [8] .......................................... 4

Mô hình trong IoT ............................................................................... 5
1.2.1

Mô hình mạng không dây hiện nay ............................................. 5

1.2.2

Mô hình tham chiếu IoT gồm 5 tầng ........................................... 6

Kỹ thuật trong IoT ............................................................................... 7
1.3.1

Các công nghệ trong IoT ............................................................. 7

1.3.2

Hỗ trợ nhiểu loại kết nối .............................................................. 9

Khả năng định danh, bảo mật của IoT [6] ......................................... 10
1.4.1

Khả năng định danh ................................................................... 10

1.4.2

Bảo mật trong IoT ...................................................................... 11

Ứng dụng trong IoT [6] ..................................................................... 11
1.5.1

Ứng dụng trong lĩnh vực vận tải ................................................ 12

1.5.2

Ứng dụng trong lĩnh vực sản xuất nông nghiệp......................... 13

1.5.3

Ứng dụng trong nhà thông minh ................................................ 13

1.5.4

Ứng dụng trong quản lý hạ tầng ................................................ 15


iv

1.5.5

Ứng dụng trong y tế ................................................................... 15

1.5.6

Ứng dụng trong lưới điện thông minh ....................................... 15

Thách thức – khó khăn trong sự phát triển ........................................ 17

1.6

1.6.1

Chưa có một ngôn ngữ chung .................................................... 17

1.6.2

Hàng rào subnetwork ................................................................. 17

1.6.3

Có quá nhiều "ngôn ngữ địa phương" ....................................... 18

1.6.4

Tiền và chi phí ........................................................................... 18

Kết luận chương ................................................................................ 19

1.7

CHƢƠNG 2: MẠNG LPWAN VÀ KỸ THUẬT LoRa ....................................... 20
2.1

Giới thiệu mạng LPWAN .................................................................. 20

2.1.1

Phân loại LPWAN ............................................................................. 22

2.2

2.3

2.1.2

Các ứng dụng của LPWAN ....................................................... 24

2.1.3

Bảo mật trong LPWA ................................................................ 25

2.1.4

Giá thành .................................................................................... 25

2.1.5

Khả năng mở rộng ..................................................................... 26

2.1.6

Chất lượng dịch vụ QoS............................................................. 27

Tổng quan LoRaWAN ...................................................................... 27
2.2.1

LoRa - Giải pháp cho triển khai mạng IoT ................................ 27

2.2.2

Ưu nhược điểm mạng LoRaWAN [9] ....................................... 30

2.2.3

Giới hạn băng tần ....................................................................... 31

2.2.4

Kiến trúc mạng điển hình........................................................... 31

2.2.5

LoRa lớp vật lý .......................................................................... 32

2.2.6

LoRaWAN lớp MAC ................................................................. 34

2.2.7

Khuôn dạng bản tin .................................................................... 37

2.2.8

Xác thực bản tin ......................................................................... 38

Kết luận chương ................................................................................ 39

CHƢƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG LoRaWAN
................................................................................................................................... 40


v

3.1

Điều chế LoRa [5] ............................................................................. 40
3.1.1

Định lý Shannon – Hartley ........................................................ 40

3.1.2

Nguyên lý trải phổ ..................................................................... 42

3.1.3

Điều chế trong LoRa .................................................................. 44

3.1.4

Các đặc điểm chính của điều chế LoRa ..................................... 46

3.2

Kỹ thuật ADR (Adaptive Data Rate) ................................................ 47

3.3

Tham số hệ thống .............................................................................. 50

3.4

3.5

3.3.1

Hệ số trải phổ (Spreading Factor – SF) ..................................... 50

3.3.2

Băng thông (Bandwidth – BW) ................................................. 50

3.3.3

Tốc độ mã hóa (Coding Rate – CR) .......................................... 51

3.3.4

Độ nhạy máy thu ........................................................................ 51

3.3.5

Tốc độ bít ................................................................................... 52

3.3.6

Độ trễ ......................................................................................... 53

Phân tích hiệu năng mạng LPWAN bằng mô phỏng ........................ 53
3.4.1

Phương pháp đánh giá hiệu năng ............................................... 53

3.4.2

Kết quả mô phỏng ...................................................................... 55

Kết luận chương ................................................................................ 60

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 61
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................... 62


vi

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

ADR

Adaptive Data Rate

Đáp ứng tốc độ dữ liệu

BER

Bit Errors Ratio

Tỷ lệ lỗi bít

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khóa dịch pha nhị phân

Cipher – based Message

Mã xác thực tin nhắn dựa trên

Authentication Code

mật mã

CR

Code Rate

Tốc độ mã hóa

CRC

cyclic redundancy check

Kiếm tra dư thừa chu kỳ

CSS

chirp spread spectrum

Chirp trải phổ

FHDR

Frame Header

Tiêu đề khung

FRMPayload

Frame Payload

Tải trọng khung

FSK

Frequency Shift Keying

Khóa dịch tần

GW

Gateway

Cổng truy cập

IoT

Internet of Things

Vạn vật kết nối

LAN

Local Area Network

Mạng máy tính cục bộ

CMAC

LoRaWAN

Long Range Wide Area
Network

Mạng diện rộng vùng phủ lớn
Mạng diện rộng công suất

LPWAN

Low Power Wide Area Network

M2M

Machine to Machine

Máy đến máy

MHDR

MAC Header

Tiêu đề lớp MAC

MIC

Messager Identify Code

Mã toàn vẹn bản tin

PHDR

Physical Header

Tiêu đề lớp vật lý

PHY

Physical

Lớp vật lý

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

SF

Spreading Factor

Hệ số trải phổ

SNR

Signal Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

thấp


vii

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1. 1: Tiêu chuẩn hình thành IoT ......................................................................... 3
Hình 1. 2: Mô hình tham chiếu M2M/IoT .................................................................. 6
Hình 1. 3: Các loại kết nối trong IoT .......................................................................... 9
Hình 1. 4: Các loại kết nối cần được hỗ trợ trong mạng IoT .................................... 10

Hình 1. 5: Kiến trúc bảo mật..................................................................................... 11
Hình 1. 6: Tổng quan về ứng dụng của IoT .............................................................. 12
Hình 1. 7: Theo dõi lộ trình đường đi của xe............................................................ 13
Hình 1. 8: Theo dõi tình trạng sinh trưởng của cây trồng......................................... 13
Hình 1. 9: Ví dụ về nhà thông minh ......................................................................... 14
Hình 1. 10 Mô hình lưới điện thông minh ................................................................ 16
Hình 2.1: Phân bổ các công nghệ trong LPWAN theo tốc độ và vùng phủ ........... .21
Hình 2.2: Các ứng dụng của LPWAN trong đời sống .............................................. 24
Hình 2. 3: LPWAN trong thương mại ...................................................................... 29
Hình 2.4: Kiến trúc điển hình mạng LoRaWAN ...................................................... 31
Hình 2.5: Ngăn xếp giao thức LoRa ......................................................................... 34
Hình 2.6: Cấu hình mặc định của lớp A ................................................................... 35
Hình 2.7: Cấu hình mặc định của lớp B.................................................................... 36
Hình 2.8: Cấu hình mặc định của lớp C.................................................................... 37
Hình 2.9: Khuôn dạng bản tin LoRa ......................................................................... 37
Hình

2.10:

Điều

chế

LoRa

hình

thác

nước.....................................................38

Hình 3.1: Quá trình điều chế/ trải rộng tín hiệu ........................................................ 43
Hình 3.2: Quá trình giải điều chế/ giải trải phổ tín hiệu ........................................... 44
Hình 3.3: Một dạng sóng chip tuyến tính (trái : dạng sóng chip lên, phải :
dạng sóng chip xuống) .............................................................................................. 45
Hình 3.4: Quan hệ giữa thời gian ký hiệu, hệ số trải phổ và băng thông ................. 45
Hình 3.5: Khoảng thời gian ký hiệu trong mỗi hệ số trải phổ và băng thông
khác nhau .................................................................................................................. 46


viii

Hình 3.6: Lưới LoRa ................................................................................................. 52
Hình 3.7: BER theo các giá trị SF khác nhau ........................................................... 57
Hình 3.8: Xác suất lỗi bít của BPSK và ký hiệu CSS với băng thông 125kHz
và hệ số trải phổ SF=10 [2] ....................................................................................... 57
Hình 3.9: xác suất vùng phủ cho môi trường có suy hao đường truyền từ 2.4
đến 2.7 tương đương với các hình (a), (b), (c), (d) ................................................... 58
Hình 3.10: Thông lượng của BPSK và CSS theo khoảng cách …………...59

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: So sánh một vài tham số các công nghệ trong mạng LPWAN ................ 23
Bảng 2.2: Điểm khác nhau giữa LoRa và LoRaWAN ............................................. 29
Bảng

2.3:

Các

thuộc

tính

của

hệ

số

lan

truyền................................................33
Bảng 3.1: Bảng giá trị SNR theo hệ số trải phổ và tốc độ dữ liệu................49
Bảng 3.2: So sánh tốc độ bít, vùng phủ và thời gian phát sóng của các hệ số
SF khác nhau ............................................................................................................. 50
Bảng 3.3: Độ nhạy GW khác nhau cho mỗi giá trị trải phổ (đường lên) ................. 51
Bảng 3.4: Tốc độ bít theo các hệ số trải phổ............................................................. 53
Bảng 3.5: Độ nhạy máy thu cho các giá trị SF khác nhau (đường
xuống)......55


1

MỞ ĐẦU
Cách đây một vài năm người ta đang nói về Internet of Things sẽ thay đổi thế
giới như thế nào. Nhưng tầm nhìn về việc kết nối hàng tỷ thiết bị có những thử
thách nhất định. Các mạng không dây hiện tại như Bluetooth, Bluetooth Low
Energy, WiFi và ZigBee hiện tại chỉ thích hợp cho những ứng dụng cự ly ngắn.
Mạng di động cũng không phù hợp sử dụng để truyền thông kết nối từ xa máy đến
máy (M2M) vì quá tốn năng lượng. Hơn nữa, các loại công nghệ nêu trên đều rất
đắt đỏ về phần cứng và dịch vụ.

Điểm quan trọng của ứng dụng IoT yêu cầu chỉ truyền dữ liệu tốc độ thấp, sử
dụng cho thu thập dữ liệu và giám sát đối với các thiết bị đầu cuối IoT ở cự ly xa,
không tập trung, hoạt động dài ngày ở những nơi không được cấp điện lưới. Hệ
thống mạng di động thì không phù hợp với vấn đề năng lượng pin và hiệu quả kinh
tế khi gửi ít dữ liệu đi. Vì vậy, Low Power Wide Area Network (LPWAN) được
đưa ra cho những ứng dụng này. LPWAN thích hợp cho việc gửi một lượng nhỏ dữ
liệu với khoảng cách xa, trong khi thời lượng pin dài.
Tại MWC 2015, một giải pháp công nghệ mới mang tên LoRaWAN đã được
giới thiệu để giải quyết vấn đề này và nó hấp dẫn tới mức mà cả một Hiệp hội đã
được hình thành để hỗ trợ sự phát triển công nghệ này. LoRa (Long Range) hướng
tới các kết nối M2M ở khoảng cách lớn. LoRaWAN được định nghĩa là một mạng
diện rộng công suất thấp dành cho các thiết bị M2M. Các bộ cảm biến trong
LoRaWAN có thể liên lạc với nhau ở khoảng cách lên tới 100 km ở môi trường
thuận lợi và ở khoảng cách 15km ở môi trường bán nông thôn (semi rural) và hơn
2km trong môi trường thành thị đông đúc.
Theo yêu cầu của từng ứng dụng, LoRa cho phép sử dụng một số tiêu chuẩn
mã hoá bảo mật. Ví dụ bảo mật ở mức mạng (EIUI64), bảo mật ở mức ứng dụng
(EIUI64) và bảo mật ở mức thiết bị người dùng (EUI128). Ngoài ra, nó còn hướng
tới mục tiêu giảm thiểu công suất tiêu thụ của các thiết bị đầu cuối để tăng tuổi thọ
pin của thiết bị - một trong những thách thức hiện nay trong việc đẩy mạnh sự phát
triển của M2M. Các bộ cảm biến LoRaWAN có công suất hoạt động rất thấp, cho


2

phép hoạt động thiết bị hoạt động trong vòng 10 năm hoặc hơn nữa chỉ với một pin
chuẩn AA.
Việc kết nối giữa các thiết bị đầu cuối và cổng kết nối được thực hiện ở
nhiều kênh tần số khác nhau ở các băng tần chưa được cấp phép (Unlienced Band)
và ở các tốc độ truyền dẫn dữ liệu khác nhau. Nhờ hai yếu tố này mà khả năng

nhiễu giữa các kênh là rất thấp. Tốc độ dữ liệu truyền dẫn cho phép từ 0,3 kbps –
50 kbps.
Từ những lý do trên, đề tài nghiên cứu của luận văn được chọn là “ Phân
tích và đánh giá hiệu năng mạng vô tuyến công suất thấp cự ly xa LPWAN”
Luận văn được xây dựng với nội dung chính sau:
Chương 1: Giới thiệu các công nghệ trong mạng IoT
Chương 2: Tổng quan về mạng LPWAN và kỹ thuật LoRa
Chương 3: Phân tích và đánh giá hiệu năng mạng LoRaWAN


3

CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ TRONG MẠNG IoT
Trong khoảng vài năm trở lại đây, chắc hẳn chúng ta đều không ít lần nghe
thoáng qua về khái niệm Internet of Things, hay bắt gặp tin tức về các sản phẩm
được quảng cáo là phục vụ cho nhu cầu “smart home” (nhà thông minh). Trong đó,
những thiết bị gia dụng như lò nướng hay tủ lạnh có thể “nói chuyện” được với
nhau. Nhưng chúng kết nối với nhau như thế nào, và liệu xu hướng này có thực sự
bùng nổ, đưa chúng ta đến một thế kỷ tương lai như trong game hay phim ảnh?
Trong bối cảnh mà hàng ngày càng nhiều chủng loại thiết bị được gắn mác “smart”
và thi nhau “lên mây” như hiện nay, sẽ không thừa khi chúng ta trang bị cho mình
các kiến thức căn bản về Internet of Things.

1.1

Tổng quan về IoT

1.1.1 Tiêu chuẩn hình thành IoT

Hình 1.1: Tiêu chuẩn hình thành IoT

Dựa theo tầm nhìn tương lai về IoT theo các khái niệm chính, công nghê và
tiêu chuẩn, sự xuất hiện các mô hình IoT là kết quả sự hội tụ 3 vấn đề chính:
“Things oriented” bao gồm như: thẻ Radio-Frequency Identification (RFID),
điều khoản cơ bản xây dựng tạo tiền để phát triển IoT, công nghệ mạng cảm biến
không dây, UID…


4

“Internet oriented” định hướng về kết nối: để phù hợp với việc chạy thiết bị
giao tiếp nhỏ gọn, hoạt động dựa trên pin các thiết bị nhúng. Chẳng hạn kết hợp
IEEE 802.15.4 vào kiển trúc IP, truyền dữ liệu qua 6LowPAN.
“Semantic oriented” định hướng ngữ nghĩa: trong bối cảnh mà rất nhiều các
thiết bị đại diện cho lưu trữ, kết nối, tìm kiếm tổ chức thông tin được tạo ra sẽ rất
khó quản lý. Như vậy cần hình thành môi trường ngữ nghĩ phù hợp với phát triển cơ
sở hạ tầng và thông tin liên lạc trong IoT

1.1.2 Tình hình phát triển IoT hiện nay [8]
-

IoT – Xu hƣớng của thế giới

Theo báo cáo Ericsson Mobility Report, tới năm 2021, dự kiến sẽ có 28 tỉ
thiết bị kết nối trong đó có 15 tỉ thiết bị kết nối IoT bao gồm thiết bị M2M
(machine-to-machine) như đồng hồ đo thông minh, cảm biến trên đường, địa điểm
bán lẻ, các thiết bị điện tử tiêu dùng như ti vi, đầu DVR, thiết bị đeo. 13 tỉ còn lại là
điện thoại di động, máy tính xách tay PC, máy tính bảng.
IDC dự kiến năm 2019, tòan cầu sẽ chi 1.300 tỉ đô la Mỹ cho IoT. Tới năm
2020, theo dự đoán của Gartner thì giá trị gia tăng do IoT mang lại sẽ là 1.900 tỉ đô

la Mỹ. Và theo McKinsey, tới năm 2025 IoT sẽ đóng góp vào nền kinh tế toàn cầu
là 11.000 tỉ đô la Mỹ.
Tới năm 2021, dự kiến số thuê bao sẽ lên tới 9,1 tỉ. Số thuê bao này cao hơn
số dân bởi mỗi người có thể sở hữu nhiều thiết bị. Trong các kết nối IoT như vậy, sẽ
có bao gồm cả những có đăng ký thuê bao SIM/eSIM được gắn ngay trong thiết bị
và cả những thiết bị như điện tử tiêu dùng không cần dùng SIM (Non-SIM).
IoT đang diễn ra một cách mạnh mẽ. 50% doanh nghiệp đã bắt đầu triển khai
những dự án về IoT. IoT mang lại một cơ hội doanh thu cho rất nhiều ngành và
những giải pháp đó bắt đầu thương mại hóa với tốc độ rất nhanh. Ngành dịch vụ
tiện ích, giao thông, tòa nhà thông minh và các ngành bán lẻ là những ngành đi đầu
trong việc ứng dụng IoT.
-

IoT tại Việt Nam


5

Việt Nam đang bước vào cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 và IoT là chìa
khóa đầu tiên để mở ra cánh cửa đó. Các doanh nghiệp Việt Nam sẽ là những đối
tượng hàng đầu áp dụng giải pháp IoT. Họ nhận ra có 3 cách mà IoT giúp họ cải
thiện kinh doanh. Thứ nhất là IoT giúp giảm chi phí vận hành, thứ hai tăng năng
suất và thứ 3 là mở rộng sang các thị trường mới hoặc phát triển sản phẩm mới.
Bộ Thông tin và Truyền thông là đơn vị khởi xướng, đi đầu, là lượng lượng
nòng cốt tạo tiền đề cho cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 mà Chính phủ đã đề ra.
Bộ Thông tin và Truyền thông, các cơ quan báo chí, bản thân các tập đoàn, tổng
công ty phải làm tốt công tác truyền thông, tăng cường nhận thức về Cách mạng
công nghiệp 4.0, “để toàn xã hội, từng người dân, mọi doanh nghiệp, mọi cơ quan,
các tổ chức đều hiểu về thời cơ, thách thức của Cách mạng công nghiệp 4.0”.
Ngành thông tin và Truyền thông xác định ngành viễn thông sẽ là ngành khởi

động cho cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 này. Ngành viễn thông là xương
sống cho CM4.0 khi là trung gian kết nối với các IoT. Ngành viễn thông sẽ phát
triển mạnh về chiều rộng ở cấu trúc và khả năng kết nối, vùng phủ, băng thông, khả
năng đáp ứng. Liên quan đến nội dung này, những doanh nghiệp viễn thông thuộc
Bộ Thông tin và Truyền thông như VNPT, MobiFone đã triển khai nghiên cứu, ứng
dụng IoT vào hoạt động sản xuất kinh doanh.
Với MobiFone, ngoài việc đồng hành cùng các chương trình truyền thông,
nâng cao nhận thức, cung cấp kinh nghiệm cho cộng đồng doanh nghiệp về Cách
mạng 4.0, IoT, MobiFone còn triển khai cung cấp nhiều dịch vụ IoT như: Truyền
hình MobítV trên nền tảng 4G, Internet siêu tốc độ, xem video 4 …Trong đó, đặc
biệt là 2 sản phẩm IoT độc lập đồng hồ thông minh Tio id và Mobitrack đáng chú
ý và một loạt sản phẩm khác sẽ được cung cấp trong tương lai.

1.2

Mô hình trong IoT

1.2.1 Mô hình mạng không dây hiện nay
Có thể nói hiện tại chúng ta có 3 mô hình mạng không dây như sau:


6

Cellular network (GSM hoặc LTE network): là mô hình truyền dữ liệu sử
dụng trên điện thoại mà chúng ta vẫn sử dụng hằng ngày. Các mạng cellular có tốc
độ truyền dữ liệu cao nhưng cũng yêu cầu năng lượng tiêu thụ cao.
LAN network (Wifi, Bluetooth, Zigbee hoặc Z-wave): được sử dụng rộng rãi
trong các mạng LAN (Local Area Network hoặc Personal Area Network). Điểm yếu
của các thiết bị này là công suất tiêu thụ vẫn cao cho các thiết bị sử dụng pin.
LPWAN network (SigFox, LoRa, NB-Fi, RPMA): là mô hình được phát triển

sau 2 mô hình network ở trên để cho phép các thiết bị dùng pin có thể truyền dữ liệu
với khoảng cách xa mà không tốn nhiều năng lượng. Đây là mô hình sẽ được ứng
dụng rộng rãi trong các ứng dụng IoT trong tương lai.

1.2.2 Mô hình tham chiếu IoT gồm 5 tầng

Hình 1.2: Mô hình tham chiếu M2M/IoT


7

-

Trên cùng là tầng định hướng ứng dụng.

-

Sau đó tầng 2 sẽ chia thành các ứng dụng cụ thể như quản lý sự kiện,
quản lý việc làm, quản lý dữ liệu thu về, API … việc chia này chưa thực
hiện việc xử lý quản lý mà thực chất chỉ là lớp cơ bản mô tả cấu trúc và
các công việc quản lý.

-

Tầng 3 sẽ đi vào việc xử lý trực tiếp các quản lý đã phân cở tầng 2.

-

Tầng 4 – tầng kết nối mọi hành động xác thực, giao vận, kết nối trung
gian giữa thiết bị và hệ thống sẽ qua tâng này.

-

Tầng 5 – Things đây là tầng của các thiết bị khác nhau, các cảm biến môi
trường.

Kết hợp mô hình tham chiếu IoT vào mạng M2M có thể phân thành mô hình
khối chứa các chức năng cụ thể và xuyên suốt trong hạ tầng mạng IoT. Để đảm bảo
tính xuyên suốt thì trong cả 5 tầng đều phải được thiết kế di động kết nối liền mạch
giữa các tầng, mỗi tầng đều có quản lý và định danh rõ ràng.

1.3

Kỹ thuật trong IoT

1.3.1 Các công nghệ trong IoT
Ngay bây giờ, có một loạt các lựa chọn kết nối với các hệ khung IoT (IoT
Framework), mỗi một lựa chọn này đều quy định cụ thể một phạm vi truyền tải, tốc
độ dữ liệu, mức tiêu thụ năng lượng và mức độ bảo mật. Một số trong số chúng
được liệt kê như sau:
Bluetooth
Bluetooth là lý tưởng cho việc truyền dữ liệu tầm ngắn giữa các thiết bị hỗ
trợ Bluetooth như điện thoại thông minh và máy tính xách tay. Nó hoạt động trong
băng tần 2.4GHz của phổ radio. Phạm vi từ 1 đến 100 mét. Tốc độ dữ liệu điển hình
là 1 Mbps và tốc độ này có thể khác nhau tùy thuộc vào phiên bản Bluetooth được
sử dụng. Với chuẩn Bluetooth năng lượng thấp (BLE), điện năng tiêu thụ giảm đáng
kể. Ngày càng có nhiều khách sạn và nhà ở sử dụng ổ khóa thông minh (smart lock)
để đóng/mở cửa khi đọc được tín hiệu từ điện thoại thông minh có hỗ trợ BLE của
người dùng.

8

ZigBee và Z-Wave
Cả ZigBee và Z-Wave đều lý tưởng cho việc truyền dữ liệu với tốc độ thấp,
và khả năng kết nối kiểu mạng lưới (mesh network) của chúng có thể mở rộng
khoảng cách truyền nếu cần thiết. Cả hai giao thức đều lý tưởng cho các mạng sử
dụng trong gia đình, đang ngày càng trở nên phổ biến ở Hoa Kỳ.
ZigBee hoạt động ở dải 2.4GHz. Tổ chứ ZigBee (Zigbee Alliance) đã phát
triển các công nghệ khác nhau, ví dụ như ZigBee PRO, ZigBee RF4CE và ZigBee
IP và gần đây đã kết hợp tất cả hồ sơ ứng dụng vào một giải pháp gọi là ZigBee 3.0.
Z-Wave sử dụng phần tần số 900MHz. Các thiết bị bao gồm: cảm biến chuyển
động, cảm biến cửa/cửa sổ và khóa cửa.
RFID
RFID hoạt động trong dải tần số 120kHz đến 2.45GHz, có tầm hoạt động từ
0.5 đến 100 mét, và truyền dữ liệu từ 4 đến 424 kbps, tùy thuộc vào loại RFID được
sử dụng. Các ứng dụng công nghệ này đa dạng và tùy biến. RFID đã được sử dụng
rộng rãi trong lĩnh vực nhận dạng tầm ngắn (công nghệ LF), ví dụ như trong điều
khiển truy cập, cho đến các ứng dụng UHF tầm xa (vài mét) mới nhất có khả năng
xác định được nhiều tập hợp của hàng ngàn vật thể trong vài giây.
Wifi
Wi-Fi đã trở thành một công nghệ truyền dẫn không dây thống trị thị trường.
Tiêu chuẩn phổ biến nhất được sử dụng trong nhà ở và doanh nghiệp hiện nay là
802.11n, hoạt động trong dải tần 2.4GHz và 5GHz của phổ radio. Tầm truyền dữ
liệu khoảng 50 mét, và tốc độ dữ liệu thường là 150 đến 200 Mbps. Mặc dù các tính
năng này làm cho Wi-Fi thích hợp để chuyển các tập tin lớn nhưng chúng cũng tạo
ra các sự cố khác, ví dụ nhiễu và tiêu thụ điện năng lớn.
ULE
ULE, hoặc Ultra Low Energy, là một tiêu chuẩn truyền thông không dây cho
phép các thiết bị ULE – cảm biến, điều khiển từ xa, bộ truyền động và đồng hồ đo

thông minh – hoạt động bằng pin trong một khoảng thời gian dài. Các ứng dụng
chính bao gồm tự động hóa nhà ở, an ninh gia đình và kiểm soát khí hậu.


9

EnOcean
EnOcean xác định rằng các thiết bị không dùng pin và hoạt động trên “thu
hoạch năng lượng”, dựa trên chuyển động cơ học và các tiềm năng khác từ môi
trường, chẳng hạn như ánh sáng trong nhà và nhiệt độ khác nhau. Nhưng cũng vì
điều này, dữ liệu được truyền bởi các thiết bị là rất nhỏ, thường chỉ là 14 byte.
Sigfox, Neul, và LoRaWAN
Đây là những công nghệ tầm xa, thấp hơn về chi phí và điện năng tiêu thụ so
với Wi-Fi và sóng di động 3G/4G. Sigfox có phạm vi từ 3 đến 50 km với tốc độ
truyền dữ liệu từ 10 đến 1.000 bít/s. Các mạng Sigfox hiện đang được triển khai tại
các thành phố lớn trên khắp châu Âu, bao gồm 10 thành phố ở Anh Neul có phạm vi
10 km với tốc độ dữ liệu từ vài bít mỗi giây đến 100 kbps. LoRaWAN truyền dữ
liệu từ 0,3 đến 50 kbps trên một khoảng cách lên đến 40 km.

1.3.2 Hỗ trợ nhiểu loại kết nối
IoT hỗ trợ rất nhiều loại kết nối như trong hình 1.3 đó là: Bluetooth, Wifi,
ZigBee, 6LowPAN, RFID, LPWAN, 3GPP. Với mỗi chuẩn đều có những đặc điểm
khác nhau về bảo mật, độ trễ, tính di động, khoảng cách truyền, năng lượng tiêu thụ,
tuổi tho pin, tốc độ dữ liệu tối đa là rất khác nhau.

Hình 1.3: Các loại kết nối trong IoT


10

Như vậy vấn đề kỹ thuật đặt ra là dữ liệu được cập nhật khác nhau từ hàng
giây, hàng giờ, hàng ngày, hàng tháng. Kết nối những dữ liệu khác nhau chẳng hạn
ứng dụng về sức khỏe, nông nghiệp, lưới thông minh.

Hình 1.4: Các loại kết nối cần đƣợc hỗ trợ trong mạng IoT

1.4

Khả năng định danh, bảo mật của IoT [6]

1.4.1 Khả năng định danh
Điểm quan trọng của IoT đó là các đối tượng phải có thể được nhận biết và
định dạng (identifiable). Nếu mọi đội tượng, kể cả con người, được "đánh dấu" để
phân biệt bản thân đối tượng đó với những thứ xung quanh thì chúng ta có thể hoàn
toàn quản lí được nó thông qua máy tính. Việc đánh dấu (tagging) có thể được thực
hiện thông qua nhiều công nghệ, chẳng hạn như RFID, NFC, mã vạch, mã QR,
watermark kỹ thuật số... Việc kết nối thì có thể thực hiện qua Wi-Fi, mạng viễn
thông băng rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại...
Ngoài những kỹ thuật nói trên, nếu nhìn từ thế giới web, chúng ta có thể sử
dụng các địa chỉ độc nhất để xác định từng vật, chẳng hạn như địa chỉ IP. Mỗi thiết
bị sẽ có một IP riêng biệt không nhầm lẫn. Sự xuất hiện của IPv6 với không gian
địa chỉ cực kì rộng lớn sẽ giúp mọi thứ có thể dễ dàng kết nối vào Internet cũng như
kết nối với nhau


11

1.4.2 Bảo mật trong IoT
Đối với mục đích của mô hình tham chiếu IoT, các biện phát bảo mật cần
phải:

-

Bảo mật cho mỗi thiết bị hoặc hệ thống.

-

Cung cấp bảo mật cho tất cả các tiến trình ở mỗi lớp.

-

Bảo mật di chuyên và truyền thông giữa mỗi lớp.

Hình 1.5: Kiến trúc bảo mật

Như vậy hệ thống sẽ tồn tại những thách thức về bảo mật như sau:
-

Cơ chế bảo mật RFID: hàm vật lý, cơ chế code.

-

Công nghệ cảm biến và bảo mật mạng: bảo mật framework, mã hóa và giải
mã, quản lý khóa, bảo mật định tuyến, cơ chế bảo mật xâm nhập,.

-

Bảo mật IoT Gateway: xử lý tiến trình dữ liệu, xác thực đăng nhập, kiểm soát
dữ liệu truy cập, kênh mã hóa.

1.5

-

Thông tin truyền trên IoT: lỗ hổng an ninh, giao thức bảo mật, IPv6.

-

Bảo mật việc xử lý thông tin: Ứng dụng, service, clould, privacy.

Ứng dụng trong IoT [6]
Với những hiệu quả thông minh rất thiết thực mà IoT đem đến cho con

người, IoT đã và đang được tích hợp trên khắp mọi thứ, mọi nơi xung quanh thế


12

giới mà con người đang sống. Từ chiếc vòng đeo tay, những đồ gia dụng trong nhà,
những mảnh vườn đang ươm hạt giống, cho đến những sinh vật sống như động vật
hay con người…đều có sử dụng giải pháp IoT.

Hình 1.6: Tổng quan về ứng dụng của IoT

1.5.1 Ứng dụng trong lĩnh vực vận tải
Ứng dụng điển hình nhất trong lĩnh vực này là gắn chip lấy tọa độ GPS lên
xe chở hàng, nhằm kiểm soát lộ trình, tốc độ, thời gian đi đến của các xe chở hàng.
Ứng dụng này giúp quản lý tốt khâu vận chuyển, có những xử lý kịp thời khi xe đi
không đúng lộ trình hoạt bị hỏng hóc trên những lộ trình mà ở đó mạng di động
không phủ sóng tới được, kiểm soát được lượng nhiên liệu tiêu hao ứng với lộ trình
đã được vạch trước…

13

Hình 1.7: Theo dõi lộ trình đƣờng đi của xe

1.5.2 Ứng dụng trong lĩnh vực sản xuất nông nghiệp

Hình 1.8: Theo dõi tình trạng sinh trƣởng của cây trồng

Quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng trải qua nhiều giai đoạn từ
hạt nảy mầm đến ra hoa kết trái. Ở mỗi giai đoạn cần có sự chăm sóc khác nhau về
chất dinh dưỡng cũng như chế độ tưới tiêu phù hợp. Những yêu cầu này đòi hỏi sự
bền bỉ và siêng năng của người nông dân từ ngày này sang ngày khác làm cho họ
phải vất vả. Nhưng nhờ vào ứng dụng khoa học kỹ thuật, sử dụng cảm biến để lấy
thông số nhiệt độ, độ ẩm, độ pH của đất trồng, cùng với bảng dữ liệu về quy trình
sinh trưởng của loại cây đó, hệ thống sẽ tự động tưới tiêu bón lót cho cây trồng phù
hợp với từng giai đoạn phát triển của cây trồng. Người nông dân bây giờ chỉ kiểm
tra, quan sát sự vận hành của hệ thống chăm sóc cây trồng trên một màn hình máy
tính có nối mạng.
Sản phẩm của mỗi loại nông sản sẽ được gắn mã ID, nếu tủ lạnh nhà chúng
ta sắp hết một loại nông sản nào đó thì ngay lập tức nó sẽ tự động gửi thông báo cần
mua đến cơ sở dữ liệu của trang trại có trồng loại nông sản đó, và chỉ sau một thời
gian nông sản mà bạn cần sẽ được nhân viên đem đến tận nhà

1.5.3 Ứng dụng trong nhà thông minh


14

Vài năm trở lại đây, khi thế giới đang dần tiến vào kỷ nguyên Internet of
Things, kết nối mọi vật qua Internet, nhà thông minh trở thành một xu hướng công
nghệ tất yếu, là tiêu chuẩn của nhà ở hiện đại. Trong căn hộ thông minh, tất cả các
thiết bị từ rèm cửa, điều hoà, dàn âm thanh, hệ thống ánh sáng, hệ thống an ninh,
thiết bị nhà tắm… được kết nối với nhau và hoạt động hoàn toàn tự động theo kịch
bản lập trình sẵn, đáp ứng đúng nhu cầu sử dụng của khách hàng.

Hình 1.9: Ví dụ về nhà thông minh

Ví dụ, vào buổi sáng, đèn tắt, rèm cửa tự động chuyển tới vị trí thích hợp để
giảm bớt những tác động náo nhiệt từ đường phố và nhường không gian cho ánh
sáng tự nhiên. Tối đến, hệ thống đèn bật sáng, các rèm cửa kéo lên người dùng có
thể thưởng ngoạn từ trên cao bức tranh thành phố rực rỡ ánh đèn, đồng thời âm nhạc
cũng nhẹ nhàng cất lên các giai điệu yêu thích của gia đình.
Nếu có việc cả nhà phải đi vắng, chế độ "Ra khỏi nhà" sẽ được kích hoạt,
toàn bộ thiết bị điện tử gia dụng sẽ tự động tắt hoặc đóng lại và khi chủ nhân về,
chúng cũng sẽ khôi phục lại trạng thái trước đó. Thậm chí, nước nóng cũng đã sẵn
sàng từ vài phút trước khi gia chủ về đến cửa. Riêng hệ thống an ninh luôn hoạt


15

động 24/24 và sẽ thông báo đến chủ nhà mọi thay đổi "đáng ngờ" trong ngôi nhà, dù
đang ở bất cứ đâu.

1.5.4 Ứng dụng trong quản lý hạ tầng
Giám sát và kiểm soát các hoạt động của cơ sở hạ tầng đô thị và nông thôn
như cầu, đường ray tàu hỏa, và trang trại là một ứng dụng quan trọng của IoT. Các
cơ sở hạ tầng IoT có thể được sử dụng để theo dõi bất kỳ sự kiện hoặc những thay
đổi trong điều kiện cơ cấu mà có thể thỏa hiệp an toàn và làm tăng nguy cơ. Nó

cũng có thể được sử dụng để lập kế hoạch hoạt động sửa chữa và bảo trì một cách
hiệu quả, bằng cách phối hợp các nhiệm vụ giữa các nhà cung cấp dịch vụ khác
nhau và người sử dụng của các cơ sở này. Thiết bị IoT cũng có thể được sử dụng để
kiểm soát cơ sở hạ tầng quan trọng như cầu để cung cấp truy cập vào tàu. Cách sử
dụng của các thiết bị iốt để theo dõi và hạ tầng hoạt động có khả năng cải thiện quản
lý sự cố và phối hợp ứng phó khẩn cấp, và chất lượng dịch vụ, tăng lần và giảm chi
phí hoạt động trong tất cả các lĩnh vực cơ sở hạ tầng liên quan. Ngay cả các lĩnh vực
như quản lý chất thải đứng được hưởng lợi từ tự động hóa và tối ưu hóa có thể được
đưa vào bởi IoT.

1.5.5 Ứng dụng trong y tế
Thiết bị IoT có thể được sử dụng để cho phép theo dõi sức khỏe từ xa và hệ
thống thông báo khẩn cấp. Các thiết bị theo dõi sức khỏe có thể dao động từ huyết
áp và nhịp tim màn với các thiết bị tiên tiến có khả năng giám sát cấy ghép đặc biệt,
chẳng hạn như máy điều hòa nhịp hoặc trợ thính tiên tiến. Cảm biến đặc biệt cũng
có thể được trang bị trong không gian sống để theo dõi sức khỏe người già, trong
khi cũng bảo đảm xử lý thích hợp đang được quản trị và hỗ trợ người dân lấy lại
mất tính di động thông qua điều trị là tốt. Thiết bị tiêu dùng khác để khuyến khích
lối sống lành mạnh, chẳng hạn như, quy mô kết nối hoặc máy theo dõi tim mạch,
cũng là một khả năng của IoT.

1.5.6 Ứng dụng trong lưới điện thông minh
Hệ thống điện thông minh là hệ thống điện có sử dụng các công nghệ thông
tin và truyền thông để tối ưu việc truyền dẫn, phân phối điện năng giữa nhà sản xuất


16

và hộ tiêu thụ, hợp nhất cơ sở hạ tầng điện với cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc. Có
thể coi hệ thống điện thông minh gồm có hai lớp: lớp 1 là hệ thống điện thông

thường và bên trên nó là lớp 2, hệ thống thông tin, truyền thông, đo lường.

Hình 1.10: Mô hình lƣới điện thông minh

Lưới điện thông minh là dạng lưới điện mà mục tiêu đặt ra là tiên đoán và
phản ứng một cách thông minh với cách ứng xử và hành động của tất cả các đơn vị
được kết nối điện với lưới điện, bao gồm các đơn vị cung cấp điện, các hộ tiêu thụ
điện và các đơn vị đồng thời cung cấp và tiêu thụ điện, nhằm cung cấp một cách
hiệu quả các dịch vụ điện tin cậy, kinh tế và bền vững. Lưới điện thông minh phát
triển trên 4 khâu:
-

Phát điện: Smart Generation.

-

Truyền tải: Smart Transmission.

-

Phân phối: Smart Distribution.

-

Tiêu thụ: Smart Power Consumers.

Lưới điện thông minh là một trường hợp đặc biệt của IoT. Một lưới điện
thông minh trong tương lai hứa hẹn mạng nâng cao hiệu quả, độ tin cậy và kinh tế

17

của việc sử dụng điện dựa trên hành vi của người sử dụng điện và nhà cung cấp
điện.

1.6

Thách thức – khó khăn trong sự phát triển

1.6.1 Chưa có một ngôn ngữ chung
Ở mức cơ bản nhất, Internet là một mạng dùng để nối thiết bị này với thiết bị
khác. Nếu chỉ riêng có kết nối không thôi thì không có gì đảm bảo rằng các thiết bị
biết cách nói chuyện nói nhau. Ví dụ, chúng ta có thể đi từ Việt Nam đến Mỹ,
nhưng không đảm bảo rằng chúng ta có thể nói chuyện tới với người Mỹ. Để các
thiết bị có thể giao tiếp với nhau, chúng sẽ cần một hoặc nhiều giao thức
(protocols), có thể xem là một thứ ngôn ngữ chuyên biệt để giải quyết một tác vụ
nào đó. Chắc chắn chúng ta đã ít nhiều sử dụng một trong những giao thức phổ biến
nhất thế giới, đó là HyperText Transfer Protocol (HTTP) để tải web. Ngoài ra chúng
ta còn có SMTP, POP, IMAP dành cho email, FTP dùng để trao đổi file, ...Những
giao thức như thế này hoạt động ổn bởi các máy chủ web, mail và FTP thường
không phải nói với nhau nhiều, khi cần, một phần mềm phiên dịch đơn giản sẽ đứng
ra làm trung gian để hai bên hiểu nhau. Còn với các thiết bị IoT, chúng phải đảm
đương rất nhiều thứ, phải nói chuyện với nhiều loại máy móc thiết bị khác nhau.
Đáng tiếc rằng hiện người ta chưa có nhiều sự đồng thuận về các giao thức để IoT
trao đổi dữ liệu. Nói cách khác, tình huống này gọi là "giao tiếp thất bại", một bên
nói nhưng bên kia không thèm (và không thể) nghe.

1.6.2 Hàng rào subnetwork
Như đã nói ở trên, thay vì giao tiếp trực tiếp với nhau, các thiết bị IoT hiện
nay chủ yếu kết nối đến một máy chủ trung tâm do hãng sản xuất một nhà phát triển

nào đó quản lý. Cách này cũng vẫn ổn thôi, những thiết bị vẫn hoàn toàn nói được
với nhau thông qua chức năng phiên dịch của máy chủ rồi. Thế nhưng mọi chuyện
không đơn giản như thế, cứ mỗi một mạng lưới như thế tạo thành một subnetwork
riêng, và buồn thay các máy móc nằm trong subnetwork này không thể giao tiếp tốt
với subnetwork khác. Lấy ví dụ như xe ô tô chẳng hạn. Một chiếc Ford Focus có thể
giao tiếp cực kì tốt đến các dịch vụ và trung tâm dữ liệu của Ford khi gửi dữ liệu lên