Nghiên cứu đề xuất phương án phân bổ băng tần 915 925 MHZ hỗ trợ triển khai mạng kết nối Internet vạn vật – IOT tại Việt Nam (Luận văn thạc sĩ)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

NGUYỄN VĂN MONG

Nguyễn Văn Mong

CHUYÊN NGÀNH
KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN PHÂN BỔ BĂNG TẦN 915-925
MHZ HỖ TRỢ TRIỂN KHAI MẠNG KẾT NỐI INTERNET VẠN VẬT
– IOT TẠI VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

2017 – 2019
HÀ NỘI
2019

HÀ NỘI - 2019


HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

Nguyễn Văn Mong

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN PHÂN BỔ BĂNG TẦN 915-925
MHZ HỖ TRỢ TRIỂN KHAI MẠNG KẾT NỐI INTERNET VẠN VẬT –

IOT TẠI VIỆT NAM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
Mã số: 8.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS LÊ NHẬT THĂNG

HÀ NỘI - 2019


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả trình bày trong Luận văn là trung thực. Các tài liệu tham
khảo được trích dẫn nguồn gốc rõ ràng.

Tác giả Luận văn

Nguyễn Văn Mong


ii

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập và hoàn thành Luận văn này, tôi đã nhận được
sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của gia đình, của các 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 Đào tạo
Sau Đại học - Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã tạo mọi điều kiện
thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành Luận văn.
Phó Giáo sư - Tiến sĩ Lê Nhật Thăng người thầy kính mến đã hết lòng giúp
đỡ chỉ bảo, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốtquá trình học
tập và hoàn thành Luận văn.
Xin chân thành cảm ơn bố mẹ, anh chị em đã luôn ở bên cạnh động viên và
giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập, làm việc và hoàn thành Luận văn Cao học.


iii

MỤC LỤC
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT...................................................................................v
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................... viii
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ ix
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG NGHỆ KẾT NỐI VÔ TUYẾN
INTERNET VẠN VẬT IOT .......................................................................................3
1.1.

Tổng quan về công nghệ kết nối vô tuyến IoT ..............................................3

1.2.

Kiến trúc và mô hình mạng kết nối vô tuyến IoT..........................................6

1.3.

Các tiêu chuẩn công nghệ kết nối IoT trong băng tần thông tin di động ......9

1.4. Các tiêu chuẩn công nghệ kết nối IoT trong mạng diện rộng công suất thấp
LPWAN .................................................................................................................14
1.4.1.

Công nghệ ZigBee .......................................................................................... 15

1.4.2.

Công nghệ Z-Wave ......................................................................................... 17

1.4.3.

Công nghệ LoRa ............................................................................................ 18

1.4.4.

Công nghệ SigFox........................................................................................... 20

1.5.

Các kịch bản ứng dụng kết nối vô tuyến công nghệ IoT ............................22

1.5.1.

Ứng dụng IoT trong lĩnh vực quản lý năng lượng ...................................... 22

1.5.2.

Ứng dụng IoT trong nông nghiệp và giám sát môi trường ........................ 24

1.5.3.

Ứng dụng IoT trong lĩnh vực giao thông vận tải ........................................ 26

1.6.

Kết luận chương 1 .......................................................................................27

CHƯƠNG II: HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG BĂNG TẦN 915-925 MHZ TẠI VIỆT
NAM VÀ KINH NGHIỆM QUỐC TẾ VỀ QUẢN LÝ TẦN SỐ CHO THIẾT BỊ
IOT .........................................................................................................................29
2.1. Hiện trạng triển khai mạng kết nối IoT và băng tần 915-925 MHz tại Việt
Nam .....................................................................................................................29
2.1.1.

Hiện trạng triển khai mạng kết nối IoT ....................................................... 29

2.1.2.

Hiện trạng sử dụng băng tần 915-925 MHz ................................................ 33

2.2. Nghiên cứu kinh nghiệm Quốc tế về quy hoạch và sử dụng băng tần 915925 MHz ................................................................................................................36
2.2.1.

Kinh nghiệm Quốc tế về quản lý tần số cho thiết bị IoT ........................... 36

2.2.2.

Hiện trạng quy hoạch Quốc tế băng tần 915-925 MHz cho thiết bị IoT .. 38

2.3.

Kết luận chương 2 .......................................................................................44


iv

CHƯƠNG III: ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN PHÂN BỔ BĂNG TẦN 915-925 MHZ
HỖ TRỢ TRIỂN KHAI MẠNG KẾT NỐI INTERNET VẠN VẬT - IOT TẠI
VIỆT NAM ...............................................................................................................46
3.1.

Đánh giá can nhiễu mạng kết nối Internet vạn vật IoT ..............................46

3.1.1.

Đánh giá nhiễu từ thiết bị RFID đến hệ thống di động băng tần 900 MHz47

3.1.2.

Đánh giá vùng phục vụ của thiết bị RFID ................................................... 54

3.1.3.

Đánh giá ảnh hưởng lẫn nhau giữa hệ thống RFID tại trạm thu phí đường

bộ với hệ thống IoT của Sigfox. ................................................................................... 55
3.1.4.

Nhận xét ........................................................................................................... 60

3.2.

Các phương án phân bổ băng tần 915-925 MHz .........................................61

3.3.

Đánh giá, đề xuất phương án phân bổ băng tần 915 - 925 MHz .................62

3.3.1.

Ưu nhược điểm các phương án quy hoạch .................................................. 62

3.3.2.

Đề xuất phương án quy hoạch băng tần 915-925 MHz.............................. 63

3.4.

Kết luận chương 3 .......................................................................................64

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................65
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................66


v

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

ACLR

Adjacent Channel Leakage Ratio

Tỷ số công suất rò kênh lân cận

AFA

Automatic Frequency Agility

Khả năng tần số tự động

APT

Asia-Pacific Telecommunity

AWG

APT Wireless Group

BS

Base Station

Trạm gốc

CSS

Chirp Spread Spectrum

Trải phổ chirp

DSSS

DL
EC-GSMIoT

Direct Sequence Spreading
Spectrum

Hội nghị Nhóm Thông tin vô
tuyến khu vực APT

Chuỗi trải phổ trực tiếp
Đường xuống

Extended Coverage-GSM-IoT

IoT vùng phủ mở rộng GSM

Effective Isotropic Radiated Power

ERP

Effective Radiated Power

FDD

Thái Bình Dương

Downlink

EIRP

E-UTRA

Liên minh Viễn thông Châu Á

Công suất bức xạ đẳng hướng hiệu
dụng
Công suất bức xạ hiệu dụng

Evolved Universal Terrestrial Radio Truy nhập vô tuyến mặt đất của
Access

UMTS cải tiến

Frequency Division Duplex

Song công phân chia theo tần số

vi

FDMA
GPRS
GSM

IMT

Frequency Division Multiple
Access

Đa truy cập phân chia theo tần số

General Packet Radio Service

Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp

Global System for Mobile

Hệ thống thông tin di động toàn

Communications

cầu

International Mobile
Telecommunications

hệ thống thông tin di động quốc tế

IoT

Internet of Things

Internet vạn vật

ISM

Industrial, Scientific and Medical

Công nghiệp, khoa học, y tế

ITU

International Telecommunication
Union

Liên minh Viễn thông Quốc tế

LBT

Listen Before Talk

Nghe trước khi nói

LPWAN

Low Power Wide Area network

Mạng diện rộng công suất thấp

LTE

Long Term Evolution

Tiến hóa dài hạn

LTE-M

LTE-MTC

Truyền thông kiểu máy LTE

M2M

Machine to Machine

Máy tới máy

MIMO

Multiple In, Multiple Out

Nhiều vào, nhiều ra

MTC

Machine Type Communications

Truyền thông kiểu máy

NB-IoT

NarrowBand IoT

IoT băng hẹp

Orthogonal Frequency Division

Đa truy cập phân chia theo tần số

Multiplexing Access

trực giao

Radio Frequency Identification

Thiết bị nhận dạng vô tuyến điện

OFDMA

RFID


vii

FDMA đơn sóng mang

SC-FDMA

Single-carrier FDMA

TDD

Time Division Duplex

TDMA

Time Division Multiple Access

UE

User Equipment

Thiết bị người dùng

Universal Mobile

Hệ thống viễn thông di động toàn

Telecommunication System

cầu

UL

Uplink

Đường lên

UTRA

UMTS Terrestrial Radio Access

UMTS

WCDMA
WLAN
WRC

Wideband Code Division Multiple
Access
Wireless Local Area Network
World radiocommunication
conferences

Song công phân chia theo thời
gian
Đa truy cập phân chia theo thời
gian

Truy cập vô tuyến mặt đất của
UMTS
Đa truy cập phân mã băng rộng
Mạng cục bộ không dây
Hội nghị thông vô tuyến thế giới


viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Chỉ tiêu kỹ thuật chính ba công nghệ IoT của 3GPP ...............................12
Bảng 1.2: Phân kênh tần số cho công nghệ ZigBee theo khu vực ...........................15
Bảng 1.3: Phân kênh tần số cho công nghệ Z-Wave theo khu vực...........................17
Bảng 1.4: Phân kênh tần số cho công nghệ LoRa theo khu vực ...............................19
Bảng 1.5: Phân kênh tần số cho công nghệ Sigfox theo khu vực ............................21
Bảng 1.6: Thông số kỹ thuật của thiết bị cảnh báo sự cố lưới điện ..........................24
Bảng 1.7: Yêu cầu kết nối IoT theo mô hình ứng dụng ............................................27
Bảng 2.1: Phạm vi triển khai và quy mô thiết bị đo chỉ số công tơ điện từ xa của
Tập đoàn điện lực Việt Nam .....................................................................................30
Bảng 2.2: Điều kiện về tần số và giới hạn phát xạ đối với thiết bị vô tuyến điện
miễn giấy phép sử dụng tần số băng 900 MHz tại Thông tư 46 ...............................35
Bảng 2.3: Các điều kiện kỹ thuật khai thác của thiết bị RFID tại Châu Âu .............39
Bảng 2.4: Quy định về băng tần và mức giới hạn công suất phát cho ứng dụng vô
tuyến cự ly ngắn dải tần 920 MHz ...........................................................................40
Bảng 2.5: Quy định của các nước cho phép ứng dụng IoT hoạt động trong băng tần
915-925 MHz ...........................................................................................................43
Bảng 3.1: Kết quả thống kê bằng máy TEMS trong trường hợp tổng quát ..............49
Bảng 3.2: Kết quả thống kê bằng máy TEMS trong trường hợp thực tế ..................51
Bảng 3.3: Kết quả thống kê giá trị ICM band trong trường hợp tổng quát ..............53
Bảng 3.4: Thống kết kết quả số lần đọc thẻ RFID ....................................................55
Bảng 3.5: Tham số kỹ thuật của RFID và Sigfox trong trường hợp ảnh hưởng giữa
RFID và trạm gốc Sigfox ..........................................................................................57
Bảng 3.6: Tham số kỹ thuật của RFID và Sigfox trong trường hợp ảnh hưởng giữa
RFID và thiết bị di động Sigfox ................................................................................58
Bảng 3.7: Tham số kỹ thuật của RFID và Sigfox hoạt động trên hai tần số khác
nhau ...........................................................................................................................59


ix

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Hệ sinh thái mạng kết nối Internet vạn vận IoT..........................................3
Hình 1.2: Tổng quan kỹ thuật của mạng IoT .............................................................4
Hình 1.3: Phân loại, so sánh massive IoT và critical IoT ...........................................6
Hình 1.4: Kiến trúc chung mạng kết nối IoT ..............................................................7
Hình 1.5: Mô hình mạng kết nối IoT .........................................................................7
Hình 1.6: NB-IoT hoạt động trong băng của hệ thống khác .....................................11
Hình 1.7: NB-IoT hoạt động trong băng phòng vệ của hệ thống khác .....................11
Hình 1.8: NB-IoT triển khai độc lập .........................................................................12
Hình 1.9: Kiến trúc mạng SigFox .............................................................................20
Hình 1.10: Minh họa kỹ thuật phân tập tần số và thời gian trong công nghệ SigFox
...................................................................................................................................21
Hình 1.11: Minh họa kỹ thuật phân tập thu ..............................................................22
Hình 1.12: Mô hình ứng dụng IoT trong quản lý năng lượng điện tiêu thụ .............23
Hình 1.13: Mô hình ứng dụng và kết nối IoT trong giám sát môi trường ................25
Hình 2.1: Mô hình hệ thống nhà thông minh Lumi .................................................30
Hình 2.2: Mô hình triển khai mạng đọc chỉ số công tơ điện sử dụng công nghệ vô
tuyến ..........................................................................................................................31
Hình 2.3: Hình ảnh minh họa cho dịch vụ thu phí đường bộ....................................33
Hình 2.4: Quy hoạch băng tần cho các hệ thống thông tin di động tế bào số ...........34
Hình 2.5: Hiện trạng sử dụng băng tần 900 MHz .....................................................34
Hình 2.6: Dự báo thị phần các ứng dụng IoT đến năm 2025 ....................................37
Hình 2.7: Mạng Sigfox cung cấp dịch vụ phổ biến trên băng tần 915-925 MHz .....43
Hình 3.1: Mô hình bài đo trong trường hợp tổng quát .............................................49
Hình 3.2: Mô hình bài đo khi thiết bị RFID đặt giống như thực tế tại trạm thu phí
đường bộ....................................................................................................................51
Hình 3.3: Mô hình bài đo đánh giá ảnh hưởng đến trạm gốc ...................................53
Hình 3.4: Mô hình bài đo vùng đọc thẻ và độ tin cậy của thông tin đọc được .........55
Hình 3.5: Điều chế băng siêu hẹp trong hệ thống IoT của Sigfox ............................56

x

Hình 3.6: Phương án 1 – quy hoạch băng tần 915-925 MHz. ..................................62
Hình 3.7: Phương án 2 - quy hoạch băng tần 915-925 MHz ....................................62
Hình 3.8: Phương án phân bổ băng tần cho ứng dụng kết nối IoT sử dụng băng tần
miễn giấy phép tần số ................................................................................................63


1

LỜI NÓI ĐẦU
Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hay Internet vạn vật (viết tắt là IoT –
Internet of Things) là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người được
cung cấp một định danh của riêng mình và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi
thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp
giữa người với người, hay người với máy tính. Hiểu một cách đơn giản, IoT là tất cả
các thiết bị có thể kết nối với nhau. Việc kết nối có thể thực hiện qua Wifi, mạng
viễn thông băng rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại… Các thiết bị có thể
là điện thoại thông minh, máy pha cafe, máy giặt, tai nghe, bóng đèn, và nhiều thiết
bị khác. Cisco, nhà cung cấp giải pháp và thiết bị mạng hàng đầu hiện nay dự báo:
Đến năm 2020, sẽ có khoảng 50 tỷ đồ vật kết nối vào Internet, thậm chí con số này
còn có thể nhiều hơn [31]. IoT sẽ là mạng khổng lồ kết nối tất cả mọi thứ, bao gồm
cả con người và sẽ tồn tại các mối quan hệ giữa người và người, người và thiết bị,
thiết bị và thiết bị.
Nhận thấy được tầm quan trọng của việc chuẩn hóa và hài hòa băng tần cho
kết nối vô tuyến giữa các vạn vật IoT, tại Hội nghị thông tin vô tuyến thế giới
WRC-15 năm 2015 đã quyết định đưa nội dung liên quan đến tiêu chuẩn kết nối và
sử dụng tần số vô tuyến điện vào chương trình nghị sự số 9.1.8 của Hội nghị WRC19 và giao cho các nhóm nghiên cứu của ITU-R triển khai nghiên cứu và báo cáo

kết quả. Trong khi đó, tại khu vực châu Á-Thái Bình Dương, nhóm nghiên cứu vô
tuyến APT/AWG cũng đang tiến hành nghiên cứu, xây dựng dự thảo báo cáo kỹ
thuật về băng tần số và điều kiện kỹ thuật, khai thác cho loại hình kết nối IoT vùng
phủ rộng trong khu vực châu Á-Thái Bình Dương. Mục tiêu nhằm khuyến nghị
băng tần hài hòa cho kết nối IoT để thúc đẩy hình thành và phát triển hệ sinh thái
thiết bị và ứng dụng IoT đa dạng với giá thành phù hợp với đại đa số người dùng.
Để có cơ sở lý luận khoa học tham mưu cho các Cơ quan quản lý Nhà nước
về khả năng sử dụng thiết bị IoT trên băng tần 915-925 MHz phù hợp cho phép
triển khai mạng kết nối lưới vạn vật kết nối Internet, cần tiến hành những nghiên
cứu cẩn thận dựa trên cơ sở phân tích và nghiên cứu kinh nghiệm phân bổ tần số


2

cho thiết bị IoT tại các quốc gia trong và ngoài khu vực. Đây cũng là lý do và mục
tiêu của Luận văn nghiên cứu.
Để đạt được mục tiêu trên, Luận văn đã tiến hành nghiên cứu lý thuyết về
công nghệ, kiến trúc, mô hình mạng kết nối vạn vật, đánh giá can nhiễu.. Theo đó,
kết quả nghiên cứu được trình bày với cấu trúc gồm ba chương:
Chương 1 trình bày nghiên cứu tổng quan về công nghệ IoT gồm nội dung về
kiến trúc, mô hình mạng và các tiêu chuẩn công nghệ kết nối và các kịch bản ứng
dụng của IoT, để có cái nhìn tổng quan về công nghệ.
Chương 2 nghiên cứu hiện trạng sử dụng băng tần 915-925 MHz tại Việt
Nam và nghiên cứu kinh nghiệm quốc tề về quản lý tần số đối với thiết bị IoT hoạt
động ở băng tần miễn cấp phép, để có sở cứ và học hỏi kinh nghiệm từ các quốc gia
trên thế giới áp dụng vào Việt Nam.
Trên cơ sở nghiên cứu ở các chương 1 và chương 2, Luận văn tham khảo Đề
tài Nhà nước “Nghiên cứu định hướng, phân bổ lại các băng tần 700/800/900/1800
MHz đáp ứng phát triển kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng” mã số ĐTĐL-CN01/16 để để đưa ra đề xuất và khả năng phân bổ băng tần 915-925MHz hỗ trợ thiết
bị IoT tại Việt Nam, kiến nghị một số hướng nghiên cứu tiếp theo của Luận văn.

3

1.

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG NGHỆ KẾT
NỐI VÔ TUYẾN INTERNET VẠN VẬT IOT
Trong chương này, Luận văn giới thiệu tổng quan về công nghệ kết nối vô

tuyến IoT, kiến trúc mô hình mạng kết nối. Luận văn cũng trình bày các tiêu chuẩn
kết nối IoT hiện tại và các kịch bản ứng dụng trong thực tế.

1.1. Tổng quan về công nghệ kết nối vô tuyến IoT
IoT có thể được coi là một tầm nhìn sâu rộng của công nghệ và cuộc sống.
Từ quan điểm của tiêu chuẩn kỹ thuật, IoT có thể được xem như là một cơ sở hạ
tầng mang tính toàn cầu cho xã hội thông tin, tạo điều kiện cho các dịch vụ tiên tiến
thông qua sự liên kết các “Things”. IoT dự kiến sẽ tích hợp rất nhiều công nghệ
mới, chẳng hạn như các công nghệ thông tin machine-to-machine, mạng tự trị, khai
thác dữ liệu và ra quyết định, bảo vệ sự an ninh và sự riêng tư, điện toán đám mây.
Như hình 1.1, một hệ thống thông tin trước đây đã mang đến 2 chiều – “Any
TIME” và “Any PLACE” communication. Giờ IoT đã tạo thêm một chiều mới
trong hệ thống thông tin đó là “Any THING” Communication (Kết nối mọi vật).

Hình 1.1: Hệ sinh thái mạng kết nối Internet vạn vận IoT [24]

Trong hệ thống IoT, “Things” là đối tượng của thế giới vật chất (Physical)
hoặc các thông tin (Virtual). “Things” có khả năng nhận diện và có thể tích hợp vào
mạng thông tin. “Things” có liên quan đến thông tin, có thể là tĩnh hay động.
“Physical Things” tồn tại trong thế giới vật lý và có khả năng được cảm nhận, được

4

kích thích và kết nối. Ví dụ về “Physical Things” bao gồm các môi trường xung
quanh, robot công nghiệp, hàng hóa, hay thiết bị điện. “VirtualThings” tồn tại trong
thế giới thông tin và có khả năng được lưu trữ, xử lý, hay truy cập. Ví dụ về
“Virtual Things” bao gồm các nội dung đa phương tiện và cácphần mềm ứng dụng
[24].
“Things” trong IoT có thể là đối tượng vật lý (Physical) hoặc là đối tượng
thông tin (hay còn gọi là đối tượng ảo – Virtual). Hai loại đối tượng này có thể ánh
xạ (mapping) qua lại lẫn nhau. Một đối tượng vật lý có thể được trình bày hay đại
diện bởi một đối tượng thông tin, tuy nhiên một đối tượng thông tin có thể tồn tại
mà không nhất thiết phải được ánh xạ từ một đối tượng vật lý nào [24].

Hình 1.2: Tổng quan kỹ thuật của mạng IoT [24]

Trong hình 1.2, một “device” là một phần của hệ thống IoT. Chức năng bắt
buộc của một device là giao tiếp, và chức năng không bắt buộc là cảm biến, thực
thi, thu thập dữ liệu, lưu trữ dữ liệu và xử lý dữ liệu. Các thiết bị thu thập các
loại thông tin khác nhau và cung cấp các thông tin đó cho các network khác nơi
mà thông tin được tiếp tục xử lý. Một số thiết bị cũng thực hiện các hoạt động
dựa trên thông tin nhận được từ network [24].
Truyền thông thiết bị - thiết bị: Có 3 cách các devices sẽ giao tiếp lẫn
nhau.(a) Các devices giao tiếp thông qua các mạng lưới thông tin liên lạc gọi là
gateway, hoặc (b) các devices giao tiếp qua mạng lưới thông tin liên lạc mà không


5

có gateway, hoặc (c) các device liên lạc trực tiếp với nhau qua mạng nội bộ.Trong
hình 1.2, mặc dù ta thấy chỉ có sự tương tác diễn ra ở Physical Things (các thiết bị
giao tiếp với nhau). Thực ra vẫn còn hai sự tương tác khác đồng thời diễn ra. Đó là
tương tác Virtual Things (trao đổi thông tin giữa cácvirtual things), và tương tác
giữa Physical Things và Virtual Things.Các ứng dụng IoT rất đa dạng, ví dụ, “hệ
thống giao thông thông minh”,“Lưới điện thông minh”, “sức khỏe điện tử”, hoặc
“nhà thông minh”. Các ứng dụng có thể được dựa trên một nền tảng riêng biệt,cũng
có thể được xây dựng dựa trên dịch vụ chung, chẳng hạn như chứng thực, quản lý
thiết bị, tính phí,thanh toán…Các “Communication networks” chuyển dữ liệu được
thu thập từ devices đến các ứng dụng và device khác, và ngược lại, các network này
cũng chuyển các mệnh lệnh thực thi từ ứng dụng đến các device. Vai trò của
communicationnetwork là truyền tải dữ liệu một cách hiệu quả và tin cậy [24].
Yêu cầu tối thiểu của các “device” trong IoT là khả năng giao tiếp. Thiết bị
sẽ được phân loại vào các dạng như thiết bị mang thông tin, thiết bị thu thập dữ liệu,
thiết bị cảm ứng (sensor), thiết bị thực thi: Thiết bị mang dữ liệu (Data carrierring
device): Một thiết bị mang thông tin được gắn vào một Physical Thing để gián tiếp
kết nối các Physical Things với các mạng lưới thông tin liên lạc.– Thiết bị thu thập
dữ liệu (Data capturing device): Một device thu thập dữ liệu có thể được đọc và ghi,
đồng thời có khả năng tương tác với Physical Things. Sự tương tác có thể xảy ra
một cách gián tiếp thông qua device mang dữ liệu, hoặc trực tiếp thông dữ liệu gắn
liền với Physical Things. Trong trường hợp đầu tiên, các device thu thập dữ liệu sẽ
đọc thông tin từ một device mang tin và có ghi thông tin từ các network và các
device mang dữ liệu.– Thiết bị cảm ứng và thiết bị thực thi (sensing device and
actuationdevice): Một device cảm nhận và device thực thi có thể phát hiện hoặc đo
lường thông tin liên quan đến môi trường xung quanh và chuyển đổi nó sang tín
hiệu dạng số. Nó cũng có thể chuyển đổi các tín hiệu kỹ thuật số từ các mạng thành
các hành động (như tắt mở đèn, hù còi báo động …). Nói chung, thiết bị và thiết bị
thực thi kết hợp tạo thành một mạng cục bộ giao tiếp với nhau sử dụng công nghệ
truyền thông không dây hoặc có dây và các gateway.General device đã được tích

6

hợp các network thông qua mạng dây hoặc không dây. General device bao gồm các
thiết bị và dùng cho các domain khác nhau của IoT, chẳng hạn như máy móc, thiết
bị điện trong nhà, và smart phone.

Hình 1.3: Phân loại, so sánh massive IoT và critical IoT [25]
Dựa vào loại ứng dụng cung cấp, hệ sinh thái IoT phân ra hai loại là critical
IoT và massive IoT (hình 1.3). Massive IoT là các ứng dụng yêu cầu công suất, chi
phí, dữ liệu thấp, số lượng kết nối lớn. Critical IoT là các ứng dụng yêu cầu độ tin
cậy siêu cao, độ trễ cực thấp và độ khả dụng rất cao [25].

1.2. Kiến trúc và mô hình mạng kết nối vô tuyến IoT
Ở phần mạng truy cập, kiến trúc mạng chung mạng kết nối vô tuyến Internet
vạn vật - IoT sử dụng các công nghệ không dây khác nhau, trong đó các thành phần
IoT đa dạng đang được kết nối với các thành phần mạng 3GPP. Sự hình thành các
mạng IoT là từ các kết nối máy tới máy (Machine to Machine – M2M hoặc MTC Machine Type Communications), các thiết bị kết nối tới gateway và máy chủ IoT.
Trong đó tất cả các thiết bị chuyển dữ liệu thu thập nhận thông tin của họ đến máy
chủ IoT thông qua một thực thể trung gian là một IoT gateway [7]. Kiến trúc chung
của một mạng kết nối IoT được đưa ra ở hình 1.4.


7

Hình 1.4: Kiến trúc chung mạng kết nối IoT [7]

IoT có khả năng kết nối hàng tỷ thiết bị không đồng nhất qua Internet. Do
đó, cần có kiến trúc lớp linh hoạt, số lượng kiến trúc mạng đề xuất ngày càng tăng
nhưng chưa có một kiến trúc mạng IoT chuẩn tham chiếu. Hình 1.5 đưa ra bốn mô

hình mạng kết nối vạn vật IoT.

Hình 1.5: Mô hình mạng kết nối IoT [9]


8

Lớp thực thể (Objects) hoặc lớp nhận thức (Preception), là các cảm biến vật
lý của IoT nhằm thu thập và xử lý thông tin. Dữ liệu được tạo ra nhiều nhất ở lớp
này, nó bao gồm các cảm biến và bộ dẫn động để thực hiện các chức năng khác
nhau như truy vấn vị trí, nhiệt độ, trọng lượng, chuyển động, rung, tăng tốc, độ
ẩm… Lớp nhận thức cơ chế plug an play được sử dụng để cấu hình các thiết bị
không đồng nhất. Tại các lớp này các thông tin được số hóa và truyền đến lớp thực
thể trừu tượng (Abstraction) thông qua các kênh bảo mật [9].
Lớp thực thể trừu tượng (Object Abstractions) truyền dữ liệu do lớp thực thể
tạo ra tới tầng quản lý dịch vụ (Service Management) thông qua các kênh bảo mật.
Dữ liệu có thể được truyền qua nhiều công nghệ khác nhau như RFID, 3G, GSM,
UMTS, WiFi, Bluetooth Low Energy, hồng ngoại, ZigBee…. Ngoài ra, các chức
năng khác như điện toán đám mây và tiến trình quản lý dữ liệu cũng được xử lý ở
lớp này [9].
Lớp quản lý dịch vụ (Service Management) hoặc lớp Middleware ghép nối
một dịch vụ với người dùng dựa vào địa chỉ và tên. Lớp này cho phép lập trình viên
ứng dụng IoT làm việc với các đối tượng không đồng nhất mà không xem xét đến
một nền tảng phần cứng cụ thể. Ngoài ra, lớp này xử lý dữ liệu nhận được, đưa ra
quyết định và phân phối các dịch vụ được yêu cầu qua các giao thức mạng hữu
tuyến [9].
Lớp ứng dụng cung cấp các dịch vụ mà khách hàng yêu cầu. Ví dụ, lớp ứng
dụng có thể cung cấp các phép đo nhiệt độ và độ ẩm không khí cho khách hàng yêu
cầu dữ liệu đó. Tầm quan trọng của lớp này cho IoT là nó có khả năng cung cấp các
dịch vụ thông minh chất lượng cao để đáp ứng nhu cầu của khách hàng. Lớp ứng

dụng bao gồm nhiều thị trường dọc như nhà thông minh, tòa nhà thông minh, giao
thông vận tải, tự động hóa công nghiệp và chăm sóc sức khỏe thông minh [9].
Lớp nghiệp vụ quản lý các hoạt động và dịch vụ tổng thể của hệ thống IoT.
Trách nhiệm của lớp này là xây dựng một mô hình nghiệp vụ, đồ thị, sơ đồ… dựa
trên dữ liệu nhận được từ lớp ứng dụng. Nó cũng được thiết kế, phân tích, đánh giá,
theo dõi và phát triển các phần tử liên quan đến hệ thống IoT. Lớp nghiệp vụ giúp


9

có thể hỗ trợ các quy trình ra quyết định dựa trên phân tích dữ liệu lớn. Ngoài ra,
việc giám sát và quản lý bốn lớp cơ bản đạt được ở lớp này. Hơn nữa, lớp này so
sánh đầu ra của mỗi lớp với đầu ra dự kiến để nâng cao dịch vụ và duy trì quyền
riêng tư của người dùng [9].

1.3.

Các tiêu chuẩn công nghệ kết nối IoT trong băng tần thông tin di
động
Hiện nay 3GPP đã nghiên cứu, phát triển 03 tiêu chuẩn công nghệ IoT gồm:

LTE-M (hay eMTC); NB-IoT (NarrowBand IoT) và EC-GSM-IoT (Extended
Coverage-GSM-IoT). Các tiêu chuẩn này đã được công bố vào tháng 6 năm 2016
tại Release 13 của 3GPP [26]. Tuy nhiên việc lựa chọn công nghệ nào để phát triển
tại mỗi quốc gia là khác nhau tùy vào quan điểm và khả năng của từng quốc gia đó.
* EC-GSM: IoT cho tất cả thị trường GSM
Công nghệ EC-GSM IoT là một giải pháp kết nối IoT trên nền công nghệ
GSM. Đây là phiên bản tiến hóa của công nghệ di động 2G GSM với độ rộng một
kênh tần số 200 kHz. EC-GSM IoT là một cấu thành của hệ thống GSM và mang
lưu lượng thông tin của các dịch vụ IoT. Hiện nay, GSM vẫn là công nghệ di động

chiếm ưu thế ở nhiều thị trường và phần lớn các ứng dụng kết nối máy-máy (M2M)
ngày nay vẫn sử dụng công nghệ GPRS/EDGE để kết nối. GSM sẽ vẫn giữ vai trò
then chốt trong IoT trong tương lai, do phạm vi phủ sóng toàn cầu và lợi thế về chi
phí đầu tư. Vì thế, trong tiêu chuẩn 3GPP Release 13 đã định nghĩa tiêu chuẩn ECGSM để cải thiện hơn nữa GSM phục vụ cho IoT. EC-GSM cho phép cải thiện
vùng phủ lên đến 20dB so với GPRS trên băng tần 900 MHz.EC-GSM một mặt cho
phép mở rộng vùng phủ dịch vụ, mặt khác đáp ứng yêu cầu về tiêu thụ năng lượng
thấp cho các dịch vụ kết nối IoT mật độ lớn [26].
* LTE-M hỗ trợ nhiều trường hợp sử dụng Massive IoT [27]
LTE là công nghệ di động băng rộng hàng đầu và phạm vi phủ sóng của nó
đang mở rộng nhanh chóng. Cho đến nay, việc đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn về
dữ liệu di động với các thiết bị có khả năng cao để sử dụng phổ mới đang được tập


10

trung nghiên cứu. Với các tính năng như Carrier Aggregation, MIMO và Lean
Carrier, tế bào LTE đã đạt đến phẩm chất cỡ Gigabit trên giây, có thể tạo ra trải
nghiệm người dùng băng rộng di động tuyệt vời.
Sự ra đời của LTE-M là một bước quan trọng trong việc giải quyết các yêu
cầu MTC qua LTE. LTE-M mang đến chức năng tiết kiệm năng lượng mới phù hợp
để phục vụ cho một loạt các ứng dụng IoT; Chế độ tiết kiệm năng lượng và eDRX
kéo dài tuổi thọ pin cho LTE-M lên 10 năm trở lên. Lưu lượng LTE-M được ghép
lên một sóng mang LTE đầy đủ và do đó có thể khai thác hết dung lượng của LTE.
Ngoài ra, chức năng mới cho phép giảm đáng kể giá thành thiết bị và mở rộng vùng
phủ cho LTE-M cũng được chỉ định trong 3GPP.
* NB-IoT hỗ trợ các ứng dụng Massive IoT Ultra-Low-End [27]
Công nghệ kết nối IoT băng hẹp mới đã được chuẩn hóa (công nghệ NBIoT). NB-IoT là một giao diện vô tuyến mới sử dụng điều chế (OFDMA) ở đường
xuống và điều chế (SC-FDMA) ở chiều lên. Băng thông kênh là 200 kHz và băng
thông chiếm dụng chỉ vào khoảng 180 kHz. Do vậy mỗi sóng mang sẽ có một đoạn
băng tần bảo vệ 10 kHz ở mỗi bên, tương đương với một khối tài nguyên LTE. NBIoT sử dụng cả băng thông cố định 180 kHz ở đường xuống và đường lên với cấu

hình triển khai không kết hợp. Ngoài ra, nó có thể sử dụng các khối tài nguyên của
chính hệ thống LTE hoặc một phần băng tần không sử dụng trong khoảng bảo vệ
của sóng mang LTE (cấu hình triển khai Guard-band).
NB-IoT cho phép tăng vùng phủ lên đến 20dB và các tính năng tiết kiệm pin,
chế độ tiết kiệm năng lượng cho phép tuổi thọ pin kéo dài hơn 10 năm. NB-IoT
được thiết kế bảo đảm tính tương thích ngược với công nghệ LTE, đem lại sự linh
hoạt tuyệt vời khi triển khai. Sóng mang NB-IoT có thể được triển khai trong băng
tần bảo vệ của sóng mang LTE, triển khai trong sóng mang con LTE, hoặc như triển
khai độc lập.
NB-IoT hoạt động trong sóng mang con của LTE: Khi triển khai NB-IoT
trên sóng mang LTE, công nghệ NB-IoT sẽ sử dụng một số khối tài nguyên của


11

sóng mang LTE. Như trong hình vẽ bên dưới, cấu hình NB-IoT triển khai trong
băng là trường hợp sóng mang của 180 KHz NB-IoT được đặt bên trong một kênh
LTE, trong dải tần số được phân bổ cho một nhà mạng nhất định. Chế độ này cho
phép phân bổ tài nguyên linh hoạt giữa LTE và NB-IoT (hình 1.6).
Hệ thống A

Hệ thống B

Khối tài nguyên LTE
Khối tài nguyên vật lý NB-IoT 180 kHz
Băng thông của LTE

Hình 1.6: NB-IoT hoạt động trong băng của hệ thống khác [27]

NB-IoT triển khai trong đoạn băng tần bảo vệ của sóng mang LTE: Trên

thực tế, các sóng mang LTE có băng thông tín hiệu hẹp hơn băng thông kênh truyền
vì vậy có thể tận dụng khoảng dư thừa của băng thông kênh truyền để triển khai cho
các hệ thống NB-IoT băng hẹp như minh họa tại hình 1.7.

Hình 1.7: NB-IoT hoạt động trong băng phòng vệ của hệ thống khác [27]


12

NB-IoT triển khai độc lập: Trong trường hợp sóng mang NB-IoT triển khai
độc lập được mô tả như hình vẽ bên dưới. Trong trường hợp này, hệ thống cần được
phân bổ các đoạn băng tần dành riêng có độ rộng tối thiểu 200 kHz như trường hợp
của hệ thống GSM (hình 1.8).
Băng tần đường xuống

Băng tần đường lên

Khoảng cách song công
Hình 1.8: NB-IoT triển khai độc lập [27]

Các chỉ tiêu kỹ thuật chính của ba tiêu chuẩn công nghệ IoT được thể hiện
trong Bảng 1.1. dưới đây.
Bảng 1.1: Chỉ tiêu kỹ thuật chính ba công nghệ IoT của 3GPP [11]

eMTC (LTE Cat
M1)

NB-IoT

EC-GSM-IoT

Cùng băng LTE, băng
Triển khai

cùng băng LTE

phòng vệ LTE, đứng cùng băng GSM
riêng
164 dB với công suất

Vùng phủ

155.7 dB

164 dB

33

dBm

154 dB với công suất
23 dBm

Đường

OFDMA

xuống

cách 15 kHz, mã cách 15 kHz, TBCC, GMSK và 8PSK (tùy

khoảng OFDMA,

khoảng TDMA/FDMA,


13

chọn), 1 Rx

Turbo, 16 QAM, 1 1 Rx
Rx
Một

SC-FDMA,
Đường lên

khoảng

cách

15

kHz, mã Turbo, 16
QAM

sóng

mang,

khoảng cách 15 và TDMA/FDMA,
3.75 kHz. SC-FDMA, GMSK và 8PSK (tùy
khoảng cách 15 kHz, chọn)
mã Turbo.
200 kHz/kênh. Băng
thông điển hình là 2.4

Băng thông

1.08 MHz

MHz (có thể giảm

180 kHz

nhỏ tới 600 kHz trong
Rel.13)
DL:

~250

kbps Cả DL và UL ( 4 khe

Tốc độ đỉnh 1 Mbps cho DL và UL: ~250 kbps đa thời gian): ~70 kbps
DL/UL

Song công
Công suất

UL

FD và HD (type B)
FDD và TDD
23 dBm. 20 dBm

tone, ~20 kbps đơn (GMSK), ~240 kbps
tone

(8PSK)

HD (type B), FDD

HD, FDD

23 dBm

33 dBm, 23 dBm

LTE-M, NB-IoT và EC-GSM đều là các giải pháp vượt trội để đáp ứng các
yêu cầu của các ứng dụng Massive IoT và có thể bổ sung cho nhau dựa trên tính khả
dụng của công nghệ. LTE-M bao gồm Cat 1, Cat 0 và Cat M hỗ trợ một loạt các
ứng dụng IoT, bao gồm các ứng dụng có nội dung phong phú; NB-IoT bao gồm các
ứng dụng IoT với lợi thế chi phí và vùng phủ so với LTE-M; và EC-GSM cung cấp
các dịch IoT cho tất cả các thị trường GSM.