1

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

Nguyễn Kim Dung

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG MẠNG UBIQUITOUS
VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM

Chuyênngành: Kỹ thuật điện tử
Mãsố: 60.52.70

Người hướng dẫn khoahọc: TS. LÊ NHẬT THĂNG

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI – 2012


2

LỜI NÓI ĐẦU
Hệ thống mạng Ubiquitous (mạng mọi lúc mọi nơi) đã bắt đầu và đang được các nhà khoa
học thế giới nghiên cứu và phát triển. Đây là hệ thống mạng sử dụng những công nghệ tiên
tiến nhất để cung cấp cho người sử dụng các dịch vụ một cách thuận lợi nhất. Đúng như
theo ý nghĩa của từ Ubiquitous mọi lúc mọi nơi hệ thống mạng này sử dụng hệ thống mạng
tiên tiến như mạng cảm biến, các thiết bị thông minh và công nghệ tối tân nhất để đáp ứng
nhu cầu của con người một cách tự động, cho dù người đó đang ở đâu và vào lúc nào. Ý
tưởng của mạng này đang rất được các nhà khoa học trên thế giới chú trọng và nghiên cứu
để áp dụng rộng rãi.

tiện nghi hơn, hữu ích hơn và tự động hơn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo, TS. Lê Nhật Thăng, các thầy cô trong
Khoa Viễn Thông 1, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn Thông và các bạn đồng nghiệp
trong Trung tâm Điện toán và Truyền số liệu VDC1 đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ tôi rất
nhiều trong suốt quá trình làm luận văn.
Do thời gian nghiên cứu có hạn nên luận văn không tránh khỏi sơ suất về nội dung và
hình thức. Kính mong nhận được sự góp ý của các thầy cô và các bạn bè đồng nghiệp.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2012

Người thực hiện

Nguyễn Kim Dung


4

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MẠNG UBIQUITOUS
Trong chương 1 tác giả giới thiệu và phân tích cấu hình của hệ thống mạng
Ubiquitous và ứng dụng của mạng này tại Hoa Kỳ và tại Nhật Bản.
Tại Hoa Kỳ, các ứng dụng của Ubiquitous đang được các nhà nghiên cứu quan tâm
và triển khai trong phạm vi từ nhỏ đến lớn. Công nghệ tối ưu nhất được áp dụng đặc biệt
trong lĩnh vực giao thông và sức khỏe.
Nhật Bản từ lâu đã được công nhận là nhà cách tân hàng đầu trong lĩnh vực ICT, và
hiện nay cũng là nước đi đầu trong việc phát triển tính toán và mạng khắp nơi (ubiquitous).
Với một tầm nhìn tổng thể, Nhật Bản đã đề xuất và triển khai thành công các chiến lược
quốc gia thích hợp với từng giai đoạn, có tính kế thừa cao như e-Japan, u-Japan, xây dựng

tuyến được sử dụng để phát triển các ứng dụng với giao diện trong suốt.

1.2 Các ứng dụng của mạng Ubiquitous
1.2.1 Ứng dụng mạng Ubiquitous tại Hoa Kỳ
Mỹ là một trong những đất nước đi đầu trong ứng dụng và phát triển công nghệ truyền
thông. Đây là một trong những quốc gia có tỷ lệ số người dùng Internet di động cao nhất, đi
đầu trong việc triển khai các ứng dụng mạng tiên tiến nhất. Với những lợi thế này, Mỹ đã
triển khai nhiều giải pháp để có thể phát triển mạng tính toán khắp nơi Ubiquitous.

1.2.1.1

Cấu trúc mạng Ubiquitous tại Hoa Kỳ

Hình 1.3: Kiến trúc hệ thống mạng Ubiquitous
Hệ thống mạng Ubiquitous bao gồm các thiết bị máy tính nhỏ, các thiết bị cảm biến
được đặt trong rất nhiều đối tượng và nơi khác nhau. Các thiết bị này liên lạc với nhau qua


6

mạng vô tuyến và xử lý thông tin một cách tự động để cung cấp những dịch vụ hữu dụng
cho người sử dụng như là điều khiển hiệu năng môi trường và cung cấp thông tin tự động.
Như kiến trúc hệ thống mạng Ubiquitous chỉ ra trong hình 1.3, với ba lớp mạng: mạng cảm
biến hay các thẻ nhận diện, mạng truy nhập và mạng lõi.
Hệ thống mạng Ubiquitous có thể cung cấp nhiều dịch vụ khác nhau. Ví dụ như hệ
thống điều khiển điều hòa để tạo ra môi trường thoải mái cho từng cá nhân. Hệ thống
Ubiquitous tự động kiểm tra sự liên quan của các thuốc để đưa ra lời khuyên cho các bé một
cách hiệu quả nhất. Hệ thống hiểu nơi nào và khi nào một vật phẩm được sản xuất. Hệ thống
hiểu được bạn đang ở đâu. Thậm chí hệ thống có thể hỗ trợ tiếng nước ngoài cho các du
khách nước ngoài. Hệ thống có thể hiểu chính xác vị trí của đối tượng để cung cấp cho

tế hóa được mục tiêu này, tập trung vào ba lĩnh vực công nghệ: công nghệ mạng vi xử lý,
công nghệ nhận thực mạng Ubiquitous và công nghệ quản lý và điều khiển mạng
Ubiquitous. Khái niệm U-Japan được hình thành dựa trên 4 nguyên tắc cơ bản: Ubiquitous,
Universal, Unique, User – Oriented.


8

Hình 1.11 Mô hình phân lớp của mạng Ubiquitous

Chúng ta có thể thấy mô hình phân lớp chi tiết của mạng Ubiquitous qua hình 1.11 sau
với lớp mạng, lớp đầu cuối, lớp nền và lớp giải pháp.
Lộ trình của dự án triển khai mạng Ubiquitous tại Nhật từ năm 2002 đến 2010 cho thấy
Nhật Bản thực sự là một trong những nước đi đầu trong sự phát triển mạng Ubiquitous cùng
với Mỹ. Việt Nam sẽ phải học tập nhiều để có được lộ trình phát triển nhanh và hiệu quả
như vậy.

1.2.2.2 Hệ thống mạng Ubiquitous Ucode tại Tokyo
Hình 1.14 chỉ ra mô hình ứng dụng của mạng Ubiquitous tại Nhật Bản. Dự án
Ubiquitous Ucode này là dự án hỗ trợ việc du lịch một cách tự động và đã được triển khai
và kiểm nghiệm tại Tokyo. Dự án còn xây dựng rất nhiều dịch vụ Ubiquitous để phục vụ
trong cả công nghiệp cũng như cá nhân những người khiếm thị hay khiếm thính, là công cụ
hỗ trợ tự động rất tốt cho người nước ngoài đến đây du lịch.


9

Đối với bất kỳ đối tượng nào như sản phẩm product, chúng ta cần phải tích hợp thiết bị
nhận dạng ví dụ như RFID trong sản phẩm đó, để thiết bị nhận dạng này có thể gửi thông tin
của đối tượng như vị trí, đặc tính hay bất kỳ đặc điểm nào khác đến thiết bị giao tiếp

Ngày nay với sự phát triển của khoa học công nghệ các nhà khoa học bắt đầu tạo ra
những thiết bị cảm biến với kích thước siêu nhỏ và đa tính năng để đáp ứng được việc nhận
diện môi trường xung quanh nhiều hơn. Các thiết bị cảm biến này được đặt trong các đối
tượng hoặc vị trí để nhận biết sự thay đổi của đối tượng hay môi trường. Thông tin cảm biến
có thể là nhiệt độ, vị trí, tốc độ, sự di chuyển hay là khoảng cách.Mạng cảm biến trong hệ
thống ubiquitous (Ubiquitous Sensor Network - USN) sử dụng các thiết bị cảm biến để phát
hiện và nhận biết sự thay đổi trạng thái của đối tượng và môi trường xung quanh.

2.2Công nghệ RFID
Khái niệm
RFID (Radio Frequency Identification) là công nghệ nhận dạng bằng sóng radio.
Công nghệ này cho phép các máy tính nhận biết các đối tượng thông qua hệ thống thu nhận


11

sóng radio, từ đó có thể giám sát, quản lý và lưu vết từng đối tượng riêng rẽ khi chúng được
di chuyển giữa các vị trí vật lý khác nhau.
Để quản lý một đối tượng, người ta gắn vào nó một thẻ có khả năng thu/phát tín hiệu
radio, đồng thời sử dụng một anten để tiếp nhận tín hiệu này. Nội dung của tín hiệu thu
được sẽ được anten chuyển về hệ thống thông tin quản lý đối tượng, thông thường là một hệ
thống máy tính phân tán. Dựa vào thông tin đó, hệ thống có thể biết được đối tượng đang ở
đâu, trạng thái ra sao, đồng thời có thể cập nhật các thông tin cần thiết lên thẻ.
Công nghệ RFID sử dụng giao tiếp không dây để truyền dữ liệu từ thẻ RFID (RFID
tag) đến bộ đọc. Thẻ RFID được gắn vào đồ vật cần được nhận dạng. Bộ đọc sẽ đọc dữ liệu
lưu trên thẻ và gửi thông tin đến cơ sở dữ liệu như chỉ ra trong hình 2.6.

Hình 2.6. Các thành phần chính của một hệ thống RFID
Sử dụng công nghệ RFID trong hệ thống mạng Ubiquitous.
Hệ thống Ubiquitous có thể thực thi công nghệ RFID để tích hợp vào trong các thiết bị

nhận được.
Các phương pháp định vị trong tính toán khắp nơi về cơ bản có thể được phân loại
thành: phương pháp phân tích cảnh, phương pháp tiệm cận một số phương pháp hình học
như giao giao đường tròn, giao góc, giao hyperbolic… Để đạt được độ chính xác cao hơn,
một số hệ thống định vị thường kết hợp sử dụng các phương pháp trên. Ngoài ra, hệ thống
Ubiquitous cũng có thế sử dụng các thông tin định vị từ hệ thống định vị toàn cầu GPS.


13

2.4Cơ sở dữ liệu thông minh
Với hệ thống cơ sở dữ liệu đủ lớn và xử lý dữ liệu thông minh để cung cấp dữ liệu và
tài nguyên cho các ứng dụng một cách hiệu quả nhất (như ví dụ chỉ ra trong hình 2.12). Cơ
sở dữ liệu thông minh sẽ bao gồm các thông tin nhận dạng môi trường và đối tượng để cung
cấp cho các ứng dụng trong mạng Ubiquitous. Một ví dụ của cơ sở dữ liệu thông minh là hệ
thống cơ sở dữ liệu để lưu vết và lưu trữ thông tin về các đối tượng được gắn thẻ RFID.
Thông tin lưu trữ trong cơ sở dữ liệu có thể là ID của đối tượng, các thông tin mô tả
về đối tượng, nhà sản xuất ra đối tượng, sự di chuyển và vị trí của đối tượng. Loại thông tin
lưu trữ trong cơ sở dữ liệu thay đổi theo từng ứng dụng cụ thể. Các cơ sở dữ liệu có thể kết
nối với nhau. Sự liên kết này cho phép chia sẻ dữ liệu một cách có hiệu quả.

Hình 2.12: Ví dụ cơ sở dữ liệu thông minh

Có thể ứng dụng cơ sở dữ liệu thông minh bằng cách sử dụng RFID để tập hợp thông
tin liên kết với dữ liệu cá nhân. Sự liên kết này có thể là trực tiếp hoặc gián tiếp. Ví dụ một
siêu thị có thể sử dụng RFID để nhận xác khách hàng theo tên và bản ghi về thói quen trong
siêu thị, bao gồm các loại hàng họ hay đi xem và số lần chỉ xem hàng mà không mua. Ứng
dụng này sử dụng thẻ RFID để lưu trữ dữ liệu cá nhân.
2.5 Công nghệ bảo mật
Công nghệ bảo mật là một công nghệ quan trọng cần được áp dụng trong mạng

15

Cơ sở hạ tầng mạng đang được các nhà cung cấp dịch vụ nâng cấp để cung cấp các
dịch vụ Ubiquitous. Các mạng viễn thông hiện nay đang ngày càng hội tụ để cung cấp đến
người sử dụng các dịch vụ khác nhau mà không cần quan tâm đến sự khác biệt của cơ sở hạ
tầng và phương tiện truyền thông. Chính sự hội tụ này có thể cung cấp bất kỳ dịch vụ nào từ
bất kỳ nơi nào tới bất kỳ đối tượng nào dễ dàng hơn. Mạng toàn cầu được hoàn thiện bằng
cách kết nối liên thông nhiều công nghệ truy nhập và truyền tải khác nhau, như kiến trúc IP,
mạng không dây và di động, mạng băng rộng, mạng cáp đồng và sợi quang, mạng truyền
hình và các kiến trúc mạng được xây dựng dựa vào yêu cầu người sử dụng (mạng gia đình).
Mạng thế hệ kế tiếp (NGN) sẽ bao gồm hàng triệu các thiết bị đầu cuối với khả năng luôn
luôn cho phép hội tụ ứng dụng và dịch vụ sử dụng phương tiện truyền thông mới.
Sự phát triển của công nghệ mạng mới, và thị trường di động, thiết bị thông minh,
mạng hội tụ băng rộng đã đẩy sự phát triển của mạng Ubiquitous trên thế giới nên một bước
mới. Các chính sách của chính phủ như Nhật Bản, Mỹ, Hàn Quốc đã có những định hướng
phát triển và cung cấp được những ứng dụng thiết thực cho xã hội hoặc chuẩn bị những
nghiên cứu về môi trường thông minh cho sự phát triển tương lai của con người.

3.2 Đánh giá khả năng và đề xuất triển khai hệ thống mạng và dịch vụ
Ubiquitous tại Việt Nam
3.2.1 Đánh giá khả năng triển khai hệ thống mạng Ubiquitous tại Việt Nam
Mạng điện thoại di động: phát triển lên 4G
Dịch vụ viễn thông: các dịch vụ gia tăng trực tuyến trong thương mại điện tử như thẻ tín
dụng, chứng minh thư số (dùng để truy nhập, thanh toán mọi khoản tiền: mua hàng, mua vé
máy bay, tàu hỏa, thanh toán trong siêu thị ....), chìa khóa bảo mật ...
Xu hướng phát triển mạng là “tích hợp thoại với dữ liệu” thông qua sự kết nối của mạng
điện thoại chuyển mạch công cộng (PSTN), mạng NGN và dữ liệu.
Mạng ngoại vi: Phát triển theo hướng ngầm hóa, cáp quang hóa.
Mạng chuyển mạch: Phát triển công nghệ NGN.
Mạng truyền dẫn: Phát triển theo hướng cáp quang hóa, áp dụng các công nghệ ghép


3.2.2 Đề xuất triển khai hệ thống mạng và dịch vụ Ubiquitous tại Việt Nam
So với Mỹ hay Nhật Bản, hệ thống mạng viễn thông của Việt Nam vẫn còn đang phát
triển và có một khoảng cách khá lớn. Mỹ và Nhật có chiến lược phát triển công nghệ thông
tin và cơ sở hạ tầng viễn thông từ rất sớm và có sự đầu tư lớn để có được những bước phát
triển mạnh mẽ như hiện nay. Cơ sở hạ tầng mạng truy nhập nhập đáp ứng tốc độ truy cập
băng rộng lên tới vài trục Mbps. Công nghệ di động đã tiến tới thế hệ 3G, 4G. Mạng vô
tuyến băng rộng hình thành và có sự hội tụ giữa cố định và di động. Đó là cơ sở tạo điều
kiện thuận lợi cho sự hình thành phát triển một xã hội Ubiquitous.

Hình 3.8: Cấu trúc mạng Ubiquitous
Để có thể triển khai mạng Ubiquitous ngoài việc phát triển các kỹ thuật tính toán thì cần
phải có một cơ sở hạ tầng vững trắc đáp ứng nhiều loại hình mà mạng Ubiquitous đưa ra.
Xét về mặt tổng thể chúng ta chưa thể xây dựng một mô hình mạng Ubiquitous rộng khắp
trên cả nước như Nhật Bản và Hàn Quốc đã làm. Hiện tại chúng ta phải tiến hành từng bước
để xây dựng cơ sở hạ tầng vững chắc, đáp ứng được yêu cầu của mạng Ubiquitous và tiến
hành nghiên cứu nhiều hơn nữa để đưa ra những ứng dụng mạng Ubiquitous từ phạm vi nhỏ
trong mỗi gia đình đến những phạm vi lớn như toàn nước.
Theo các mô hình phát triển Ubquitous của Nhật Bản và Hàn Quốc thì mô hình xây
dựng mạng Ubiquitous có kiến trúc phân lớp, có thể tổng hợp theo 4 lớp cơ bản như chỉ ra
trong hình 3.8: hạ tầng mạng; đầu cuối Ubiquitous; lớp nền; và lớp giải pháp. Tiến trình
phát triển theo hướng từ dưới lên trên với việc đầu tiên là thiết lập cơ sở hạ tầng mang và


18

cuối cùng là từng bước triển khai ứng dụng các giải pháp Ubiquitous trong các lĩnh vực đời
sống xã hội.
Có thể thấy rằng nếu chúng ta thực hiện theo cách mà Nhật Bản và Mỹ đã làm thì
phải mất hàng chục năm nữa mới có thể phát triển mạnh ứng dụng của Ubiquitous. Do vậy

19

kết nối các thành viên lại với nhau từ đó dần phát triển trong toàn xã hội trên cơ sở hạ tầng
đã hoàn tất.
Các lĩnh vực cần được nghiên cứu triển khai Ubiquitous bao hàm:
-

Là thế mạnh của Việt Nam đang được nhà nước và cả xã hội quan tâm.

-

Cần thiết để đảm bảo an toàn đời sống dân sinh cơ bản trong xã hội.

-

Có giá trị thiết thực trong phát triển kinh tế đất nước.

Liên quan đến ứng dụng thiết thực mang lại hiệu quả kinh tế chúng ta có thể triển khai
Ubiquitous trong xây dựng ngôi nhà thông minh trong nông nghiệp, các cảm biến được sử
dụng thu thập thông tin về điều kiện môi trường và dĩnh dưỡng như: nhiệt độ, độ ẩm, ánh
sáng, nồng độ chất dinh dưỡng… để điều khiển các máy bơm, quạt gió…tạo điều kiện thuận
lợi cho cây trồng phát triển.
Một ứng dụng Ubiquitous với quy mô lớn hơn đó là triển khai hệ thống quản lý hàng
hóa, động vật …với công nghệ RFID (nhận dạng đối tượng qua sóng vô tuyến mà không
cần tầm nhìn thẳng) để nhận dạng mã sản phẩm điện tử EPC (Electric Product Code) trên hệ
thống hạ tầng sẵn có là Internet. Qua đó các mã sản phẩm (EPC) ghi trên thẻ RFID có thể
được chuyển đổi sang dạng địa chỉ Internet và trỏ đến các trang thông tin, cơ sở dữ liệu
cung cấp các thông tin về đối tượng được gắn thẻ. Dựa trên các thông tin này các nhà sản
suất đưa ra định hướng phát triển thị trường cho hợp lý.
Để các dịch vụ Ubiquitous có thể triển khai được thành công, việc áp dụng những biện

Đo Tốc độ,
Nhiệt độ

Đo Tốc độ,
Nhiệt độ

Server

Hình 3.2: Kiến trúc của ứng dụng Ubiquitous “Ngăn ngừa tai nạn cho trẻ em”
Tác giả thu được kết quả của các thiết bị cảm biến như sau:


21

Thu được kết quả nhận được ở phía bố mẹ và server như sau:

Hình 3.3: Kết quả của ứng dụng “Ngăn ngừa tai nạn cho trẻ em”
Chương trình đã mô phỏng một mô hình đơn giản của mạng Ubiquitous bằng cách sử
dụng thiết bị cảm biến Sunspot để nhận biết sự thay đổi của môi trường, sự thay đổi của
việc mở cửa hay nhiệt độ trong phòng để tự động gửi cảnh báo cho các bậc cha mẹ.
Ứng dụng này cho thấy hệ thống mạng Ubiquitous thực sự mang lại cho cuộc sống của
chúng ta thuận tiện hơn và hơn hết có thể cung cấp những dịch vụ thực sự cần thiết cho từng
gia đình.


22

KẾT LUẬN
Hệ thống mạng Ubiquitous là một hệ thống mạng tiên tiến, giúp nền khoa học công
nghệ trở nên phát triển hơn. Với hướng đang phát triển của Việt Nam, việc nghiên cứu hệ

Tác giả đưa ra khuyến nghị cho lộ trình phát triển và triển khai mạng Ubiquitous tại
Việt Nam.

-

Tác giả thực thi một chương trình mô phỏng đơn giản của Ubiquitous là “Ngăn ngừa
tai nạn cho trẻ em”. Ứng dụng này cho thấy việc thực thi các dịch vụ của mạng
Ubiquitous thực sự mang lại cho cuộc sống của chúng ta lên một tầm cao mới trong
sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Kim Dung


23