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

NGUYỄN THỊ QUYÊN

NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP KẾT NỐI
VẠN VẬT IoT TRONG MẠNG THÔNG TIN
DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI

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

HÀ NỘI – 2018


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

NGUYỄN THỊ QUYÊN

NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP KẾT NỐI
VẠN VẬT IoT TRONG MẠNG THÔNG TIN
DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI
Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
Mã số: 8.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRƢƠNG TRUNG KIÊN
HÀ NỘI - 2018


NGUYỄN THỊ QUYÊN


iii

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
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC MẠNG THÔNG
TIN DI ĐỘNG THEO HỌ CÔNG NGHỆ 3GPP .......................................................4
1.1 Giới thiệu chƣơng .............................................................................................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

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 chƣơng ..............................................................................................57
KẾT LUẬN ...............................................................................................................59
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................60


v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

Architecture Enhancements

Tăng kiến trúc cho dung lƣợng

AESE

for Services Capability
Exposure

dịch vụ

BCCH


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

DL

Downlink

Đƣờng xuống

EC

Extended Coverage
(Channels)

Mở rộng độ bao phủ

eDRX


Ch số thực hiện chính

M2M

Machine to Machine

Máy tới máy

MTC

Machine Type
Communications

Thông tin dạng máy

Narrowband

Băng hẹp

Narrowband IoT

IoT băng hẹp

NB
NB-IoT


vi


xuống

Packet Data Network

Đóng gói dữ liệu mạng

Packet Switched

Chuyển mạch gói

Physical
Channel

Uplink

Shared Kênh chia sẻ vật lý đƣờng xuống

Quality of Service

Chất lƣợng dịch vụ

Quadrature Phase Shift

Dịch pha cầu phƣơng

Keying

RAN

Radio Access Network

Cổng dịch vụ

TM

Transmission Mode

Chế độ phát

UE

User Equipment

Thiết bị ngƣời dùng

UL

Uplink

Đƣờng lên

Voice Over LTE

Thoại qua LTE

VoLTE


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Hình 3.11. Kiến trúc M2M trình độ cao ...................................................................52
Hình 3.12. Các đặc điểm kỹ thuật 5G cho các trƣờng hợp sử dụng IoT chính.........54


1

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. Bƣớc 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 trƣởng 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 đƣợc 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 trƣớc đây cũng không
thể phụ thuộc vào độ tin cậy và độ trễ thấp truyền thông. Mặc dù thị trƣờng 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 tƣơng tác để thúc đẩy quá trình chuyển đổi băng thông
rộng di động, nhƣng 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 đƣợc xác định bởi phần mềm và các phƣơng 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 ngƣời, các kết nối không dây sẽ là những kết
nối duy nhất mà mọi ngƣời cần. Các mạng lƣới này cũng sẽ cung cấp nền tảng cho

Phƣơng pháp nghiên cứu:
Phƣơng 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 đƣa ra các đề xuất và khuyến nghị.


3
Bố cục luận văn:
Luận văn gồm các nội dung đƣợc tổ chức nhƣ sau:
Chƣơng 1- Tổng quan về sự phát triển của các mạng thông tin di động theo họ
công nghệ 3GPP

Những nội dung chính của chƣơng này bao gồm:


Giới thiệu chƣơng.



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.




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 chƣơng.


4

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA
CÁC MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
THEO HỌ CÔNG NGHỆ 3GPP
1.1 Giới thiệu chƣơng

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 tƣ mạng gia tăng. Với phạm vi cơ sở hạ tầng
không dây toàn cầu, đƣợc đo bằng hàng trăm tỷ đô la, cung cấp cho ngƣời dùng
dịch vụ giá cả phải chăng nhất đòi hỏi các nhà khai thác phải tận dụng các khoản
đầu tƣ mà họ đã thực hiện. 5G cuối cùng sẽ đóng một vai trò quan trọng, nhƣng nó
phải đƣợc tính thời gian một cách hợp lý để khả năng nhảy lên có thể biện minh cho
việc đầu tƣ mới. Nhiều tính năng đƣợc lên kế hoạch cho 5G trên thực tế có thể đƣợc
triển khai dƣới dạng mở rộng của LTE-Advanced Pro trƣớc 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 lƣợng lớn ngƣời dùng do tăng dung lƣợng đáng kể.
Với sự sắp xếp một cách có trật tự các tế bào, mỗi khu vực dịch vụ đƣợc bao
phủ bởi một tế bào lớn, mỗi tế bào lớn và một phần của các tế bào làm tăng dung
lƣợng của hệ thống.
Sử dụng chuyển mạch kênh.
Hỗ trợ chuyển giao (Hand-over).

1.2.2. Hệ thống thông tin di động 2,5G
Sử dụng chuyển mạch gói
Hệ thống cho phép kết nối Internet đạt tốc độ cao hơn 2G.

1.2.3. Hệ thống thông tin di động 3G
Là hệ thống mà có nhiều giao diện với nhau. Các chuẩn 3G cho phép các
dịch vụ truyền thông đa phƣơng tiện tốc độ cao (thoại, tin nhắn, email, fax, chat,
xem phim, nghe nhạc,…) qua Internet.

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

bao gồm: các liên kết ngắn không dây ở đầu sợi cáp quang tại địa phƣơng.

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,


7
tốc độ dữ liệu cao, thời gian trễ ngắn cũng nhƣ sự linh hoạt trong tần số và băng
thông. Tiêu chuẩn LTE đƣợc phát triển bởi dự án đối tác thế hệ thứ 3. 3GPP (3 rd
Generation Partnership Project) và đƣợc quy định trong loạt tài liệu phiên bản Rel 8
của nó với những cải tiến trong phiên bản Rel 9.
LTE đƣợc thƣơng mại hóa trên thị trƣờng 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 tƣ 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, LTEAdvanced 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 lƣợng 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.
Dƣới đây là một số các đặc điểm kỹ thuật chính của các thế hệ mạng viễn thông

Cho phép các nhà khai thác tung ra gói tin thoại dựa trên hạ tầng mạng 4G
LTE mà không phải định tuyến thoại về phía mạng 3G hoặc mạng 2G.
Bằng cách chuyển gọi thoại thành các gói IP, VoLTE cho phép các nhà khai
thác viễn thông có thể cung cấp chất lƣợng gọi thoại cao hơn. VoLTE cho phép
vòng đời pin thiết bị cao hơn so với dịch vụ gọi thoại OTT (Over-the top) nhƣ
Skype và tiêu thụ điện năng ít hơn so với một cuộc gọi thoại qua Skype.
VoLTE còn cho phép các nhà viễn thông có thể chuyển giao một tập hợp
mới các dịch vụ dựa trên các tiêu chuẩn nhƣ RCS (Rich Communications Services).


9
Các dịch vụ này thƣờng bao gồm nhiều thứ nhu gọi thoại video, chuyển giao tập tin,
dịch thuật ngôn ngữ theo thời gian thực, thƣ 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 đƣợc một kết nối tốt. Ví dụ
nhƣ 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 đƣợc tín hiệu tốt của thiết bị đó.
Tƣơng tự nhƣ 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 nhƣ một mảng ăng-ten ảo sẽ cùng nhau
xử lý tín hiệu thu đƣợc để loại bỏ lỗi. Hoặc thiết bị có thể tải dữ liệu lên qua cell
nhỏ ở gần bên, giúp giảm năng lƣợng phát trong khi vẫn nhận tín hiệu tải xuống tốt
từ một trạm thu phát lớn hơn.


sẽ tạo ra các cell nhỏ (small cell) nằm chồng lên mạng lƣới các cell lớn (macro cell)
do các trạm thu phát thông thƣờng có công suất lớn tạo ra. Các trạm thu phát nhỏ
với nhiều mức kích c

(còn đƣợc gọi bằng các tên metro, micro, pico, hay

femtocell) để tăng mức tải dữ liệu trong các vùng nóng (hots pot) nhƣ vùng đô thị
đông đúc. Những bộ thu phát này có kích thƣớc nhỏ gọn, giá thành rẻ, không cồng
kềnh, và lắp đặt thì dễ dàng hơn. Nhƣng 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 đƣợc 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).


11
Năm 2016, HetNet tích hợp các cell kích thƣớc rất nhỏ và các cell kích thƣớc
nhỏ. Một tính năng quan trọng là tăng cƣờng 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 ngƣời 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) đƣợc 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 ƣu hóa chúng. Các
phƣơng pháp cụ thể của nhà cung cấp là phổ biến đối với mạng 3G, và các thử
nghiệm hiện đang diễn ra đối với phƣơng pháp tiếp cận dựa trên tiêu chuẩn 4G

ngƣời với con ngƣời hoặc con ngƣời 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 trƣờng IoT
Phần lớn những ngƣời tham gia ngành công nghiệp nhận ra rằng M2M, và
bây giờ là IoT, đại diện cho một trong những cơ hội tăng trƣởng 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 đƣợc đặt ra bởi những ngƣời tham gia ngành công
nghiệp trong giai đoạn đầu của việc xem xét để gia nhập vào lĩnh vực M2M và IoT
là nhƣ sau: Các thị trƣờng chính cho IoT là gì? Quy mô thị trƣờng cho các ứng dụng
theo ngành dọc cụ thể là gì?


13

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 đƣợc 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 ngƣời 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 đƣợc dùng thay cho cả thuật ngữ M2M.







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


14



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




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 nhƣ chi phí đầu tƣ cố định (CAPEX), bảo trì, nhân công và điện năng.
Ví dụ, các công ty hy vọng tiết kiệm đƣợc 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 nhƣ một động lực tăng doanh
thu dựa trên các sản phẩm và dịch vụ mới. Ví dụ, dịch vụ kết nối ô tô, đƣợc
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 đƣợc xây dựng với sự hỗ trợ của LTE, cho phép các


15
phƣơng tiện hoạt động nhƣ một điểm truy cập Wi-Fi với kết nối cho một vài
thiết bị, cũng nhƣ 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
đƣợc 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 đƣợc kết nối, không
giới hạn ở Mạng Internet di động (CIoT):






Hầu hết các thiết bị mạng hiện nay đều hỗ trợ IPv6, phiên bản mới nhất của
tiêu chuẩn Giao thức Internet (IP) đƣợc 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. Ngƣợc lại, IPv6 có thể hỗ trợ địa ch 128-bit, tức là
khoảng xấp x 3,4 x 1038 địa ch - một số lƣợng gần nhƣ vô hạn có thể xử lý
tất cả các thiết bị IoT có thể hiểu đƣợc.