TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu hệ thống 5G ứng dụng cho IoT
PHẠM VĂN ĐỨC
Ngành: Kỹ thuật viễn thông

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Hữu Trung
Viện:

Điện tử - Viễn thông

HÀ NỘI, 2020


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu hệ thống 5G ứng dụng cho IoT
PHẠM VĂN ĐỨC
Ngành: Kỹ thuật viễn thông

Giảng viên hướng dẫn:

PGS. TS. Nguyễn Hữu Trung
Chữ ký của GVHD

Viện:

Điện tử - Viễn thông

HÀ NỘI, 2020


LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Phạm Văn Đức, Luận án “Nghiên cứu hệ thống 5G ứng dụng cho
IoT” này là công trình nghiên cứu của cá nhân tơi, được thực hiện dưới sự hướng
dẫn khoa học của PGS. TS. Nguyễn Hữu Trung. Các dữ liệu được nêu trong luận
án là hoàn toàn trung thực, phản ánh đúng kết quả đo đạc thực tế. Mọi thơng tin
trích dẫn đều tn thủ các quy định về sở hữu trí tuệ; các tài liệu tham khảo được
liệt kê rõ ràng.
Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về lời cam đoan này.
Tác giả luận án

Phạm Văn Đức


TĨM TẮT
Cơng nghệ mạng di động 5G là tương lai của công nghệ LTE hiện tại,
thúc đẩy cho tương lai của mạng khơng dây và mạng máy tính, vì tốc độ cao hơn
tốc độ của mạng LTE hiện tại, công nghệ sẽ đẩy lên một tầm cao mới. Công nghệ
này hỗ trợ cho các kênh vô tuyến với tốc độ truy cập dữ liệu lên rất cao. So sánh
với công nghệ LTE khác, nó có tốc độ và dung lượng cao, hỗ trợ đa phương tiện
tương tác, thoại, internet và tốc độ dữ liệu của nó lên tới Gbps, giúp nó nhanh
hơn những cơng nghệ của LTE khác. Bên cạnh đó, cuộc cách mạng cơng nghiệp
4.0 mang đến những cơng nghệ khiến cuộc sống con người ngày càng tiện nghi,
ngày càng thuận tiện. Và một trong những công nghệ hiện đại đó chính là những
hệ thống IOT (Internet of Things), nơi mà mọi thiết bị có thể kết nối với nhau.
Công nghệ này giúp cho con người xây dựng được những căn nhà thơng minh có
thể điều khiển một cách dễ dàng thông qua các sản phẩm thông minh như điện
thoại, máy tính bảng, thậm chí những chiếc đồng hồ thông minh và xa hơn là xây

dựng thành phố thông minh. Mạng 5G đã đến với thế giới và các nhà mạng từ
khắp các quốc gia đang nhanh như chớp thay đổi cách thức kinh doanh viễn
thông và cung cấp các khả năng mới và biến đổi trong không gian IoT (Internet
of Things).
Khi mạng 5G trở nên phổ biến hơn nữa vào năm 2020, tiêu chuẩn mới này
sẽ tăng thêm sức hấp dẫn của các giải pháp di động trong các lĩnh vực có sẵn. Và
khi phần cứng hỗ trợ 5G ra mắt, các cơng ty có thể sử dụng mạng để hỗ trợ
doanh nghiệp IoT của chính mình
Luận án với đề tài “Nghiên cứu hệ thống 5G ứng dụng cho IoT” này
cung cấp giải thích chi tiết về cơng nghệ 5G, cấu trúc, thách thức, ưu điểm và
nhược điểm, các vấn đề và kết thúc với tương lai của công nghệ 5G với xu thế
làm nền tảng cho IoT để mang lại những cơ hội mới rất khác biệt cho con người,
doanh nghiệp và xã hội trong tương lai..


MỤC LỤC
MỤC LỤC ............................................................................................................... i
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
1. Đặt vấn đề .......................................................................................................... 1
2. Tính cấp thiết của đề tài ..................................................................................... 3
3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................... 5
3.1. Mục tiêu nghiên cứu........................................................................................ 5
3.2. Đối tượng nghiên cứu...................................................................................... 6
3.3. Phạm vi nghiên cứu ......................................................................................... 6
4. Phương pháp và nhiệm vụ nghiên cứu ............................................................... 6
4.1. Phương pháp nghiên cứu................................................................................. 6
4.2. Các nhiệm vụ nghiên cứu ................................................................................ 7
5. Các đóng góp khoa học của luận án ................................................................... 7
6. Bố cục của luận án ............................................................................................. 7
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ................................... 9

1.1. Lịch sử phát triển hệ thống mạng thông tin di động ....................................... 9
1.1.1. Thế hệ mạng di động đầu tiên - 1G .............................................................. 9
1.1.2. Thế hệ mạng di động thứ 2-2G .................................................................... 9
1.1.3. Thế hệ mạng di động thứ 3-3G .................................................................. 10
1.1.4. Thế hệ mạng di động thứ 4-4G .................................................................. 11
1.2. Vấn đề triển khai công nghệ mạng di động thế hệ mới 5G .......................... 12
1.3. Xu thế phát triển công nghệ trên nền tảng ứng dụng hệ thống mạng 5G ..... 14
1.4. Xu hướng kết nối vạn vật-IoT ....................................................................... 15
1.5. Kết luận chương ............................................................................................ 16
CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG MẠNG 5G ................................................................ 17
2.1. Cấu trúc cơng nghệ mạng 5G ........................................................................ 17
2.1.1. Các tính năng chính của cấu trúc 5G ......................................................... 17
2.1.2. Cấu trúc cơ bản của 5G .............................................................................. 20
2.1.3. Cấu trúc mạng của mạng di động 5G ......................................................... 21
2.2. Nền tảng phần mềm mạng 5G....................................................................... 29
2.2.1. Mạng cục bộ không dây (WLAN) ............................................................. 29
2.2.2. LTE và LTE nâng cao ................................................................................ 40
i


2.2.3. Mạng 5G .....................................................................................................46
2.3. Thách thức trong triển khai công nghệ mạng 5G ..........................................49
2.4. Kết luận chương .............................................................................................55
CHƯƠNG 3. HỆ SINH THÁI IOT ......................................................................56
3.1. Hệ sinh thái Internet of Things-IoT ...............................................................56
3.1.1. Kiến trúc IoT ...............................................................................................56
3.1.2. Đặc tính cơ bản của Internet of Things.......................................................57
3.1.3. Ứng dụng của Internet of Things ................................................................58
3.2. Mơ hình nhà thơng minh ................................................................................59
3.3. Một số mơ hình nhà thông minh tại Việt Nam ..............................................60

3.3.1. Bkav SmartHome Luxury [8] .....................................................................60
3.3.2. Nhà thông minh TIS SMART HOME [9] ..................................................61
3.3.3. Nhà thông minh Schneider- Wiser Home [10] ...........................................62
3.4. Các thành phần trong xây dựng mơ hình nhà thơng minh .............................63
3.4.1. ESP8266 ......................................................................................................63
3.4.2. Công nghệ RFID và module RFID RC522.................................................65
3.4.3. Hồng ngoại ..................................................................................................73
3.4.4. Wi-Fi ...........................................................................................................73
3.4.5. Giao thức truyền thông HTTP ....................................................................75
3.4.6. Firebase [7] .................................................................................................77
3.4.7. Hệ điều hành Android [6] ...........................................................................78
3.5. Kết luận chương .............................................................................................82
CHƯƠNG 4. PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ MƠ HÌNH ỨNG DỤNG IOT ........83
4.1. Tổng quan về hệ thống thực nghiệm .............................................................83
4.2. Thiết kế hệ module phần cứng .......................................................................84
4.2.1. Sơ đồ khối ...................................................................................................84
4.2.2. Sơ đồ mạch nguyên lý.................................................................................86
4.2.3. Mạch in và sản phẩm thực tế ......................................................................94
4.3. Thiết kế bộ ứng dụng điều khiển ...................................................................97
4.3.1. Phần mềm Android Studio ..........................................................................97
4.3.2. Phân tích hệ thống ứng dụng điều khiển.....................................................98
4.3.3. Yêu cầu chức năng ......................................................................................99
ii


4.3.4. Mơ hình hóa chức năng .............................................................................. 99
4.3.5. Mơ hình hóa hoạt động ............................................................................ 100
4.3.6. Thiết kế database ...................................................................................... 102
4.3.7. Thiết kế App Android .............................................................................. 103
4.4. Kiểm thử và đánh giá hệ thống ................................................................... 105

4.5. Kết luận chương .......................................................................................... 107
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ......................................................... 108
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................. 109

iii


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng Anh

5GF, 5GI,

5G Function,

5GD,

Infrastructure, Device,

5GSYS

System

1G, 2G, 3G,
4G, 5G
3GPP

ADC
AP

API

CDMA
CN
EDGE
FFT
GPRS

GSM

HSDP

HSPA

HSUP
HTTP

Tiếng Việt
Chức nặng, Cơ sở hạ tầng, thiết
bị, hệ thống mạng 5G
Thế hệ mạng di động thứ 1, thứ

Generation

2, thứ 3, thứ 4, thứ 5

3rd Generation
Partnership Project
Analog-to-digital


Dự án đối tác thế hệ thứ 3
Chuyển đổi tương tự-số

converter

Điểm truy cập

Access Point
Application Progmraming
Interface
Code Division Multiple
Access

Giao diện lập trình ứng dụng
Đa truy cập phân chia theo mã

Core Network

Mạng lõi

Enhanced Data rates for

Nâng cao tốc độ dữ liệu cho

GSM Evolution

GMS

Fast Fourier transform


Biến đổi Fourier nhanh

General Packet Radio
Service

Dịch vụ vơ tuyến gói tổng hợp

Global System for Mobile Hệ thống thông tin di động tồn
communications

cầu

High-Speed Downlink

Truy cập gói đường truyền

Packet Access

xuống tốc độ cao

High Speed Packet
Access

Truy cập gói tốc độ cao

High-Speed Uplink

Truy cập gói đường truyền lên

Packet Access


tốc độ cao

HyperText

Transfer Giao thức truyền siêu văn bản
iv


Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

Protocol
I/O
IDE

IEEE

Đầu vao/đầu ra

Input/Output
Intergrated Development
Environment
Institute of Electrical and
Electronics Engineers

Mơi trường phát triển tích hợp

Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử

IoT

Internet of Things

Vạn vật kết nối

IP

Internet Protocol

Giao thức kết nối

LTE

Long Term Evolution

Tiến hóa dài hạn

MCU

Micro Controller Unit

Bộ vi điều khiển

NFV

Network Functions
Virtualization


Ảo hóa các chứ năng mạng

Open Air Interface

Giao diện không gian mở

Orthogonal Frequency-

Ghép kênh phân chia theo tần số

Division Multiplexing

trực giao

PC

Personal Computer

Máy tính cá nhân

PDA

Personal Digital Assistant

Trợ lý kỹ thuật số cá nhân

QoE

Quality of experience


Chất lượng trải nghiệm

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

RAN

Radio Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến

RAT

Radio Access Technology Công nghệ truy cập vô tuyến

RN

Radio Network

OAI
OFDM

SDN
SNR
TCP/IP


Mạng vô tuyến

Software Defined

Mạng định nghĩa phần mềm

Network
Signal-to-Noise Ratio
Transport

Tỉ số tín hiệu cực đại trên nhiễu

Control Giao thức tải vận/giao thức kết

Protocol/Internet Protocol

nối

Tx, Rx

Transmitter, Receiver

Bên phát, Bên nhận

UDP

User Datagram Protocol

Giao thức datagram người dùng


UMTS

Universal Mobile

Hệ thống viễn thông di động
v


Viết tắt

Tiếng Anh
Telecommunications

Tiếng Việt
toàn cầu

Service
USB
WCDM

Wifi

WLAN
WPA

Universal Serial Bus
Wideband Code Division
Multiple Access
Wireless Fidelity
Wireless Local Area

Network
WiFi Protected Access

Chuẩn kết nối tuần tự đa dụng
Wideband CDMA
Mạng khơng dây sử dụng sóng
vơ tuyến
Mạng cục bộ không dây
Truy cập wifi được bảo mật

vi


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình M-1: Tiến sỹ Magnus Ewerbring giới thiệu Báo cáo mới nhất của Ericson
về 5G ...................................................................................................................... 2
Hình M-2: Tốc độ truyền tải dữ liệu của công nghệ 5G lên tới trên 5,7Gb/s ........ 2
Hình M-3: Truyền tải phim 4K rất mượt mà bằng công nghệ 5G ......................... 3
Hình M-4: Mơ hình bãi đỗ xe thơng minh ứng dụng IoT qua kết nối 5G ............. 4
Hình M-5: 5G và cơ hội gia tăng lợi ích cho các doanh nghiệp ............................ 5
Hình 1.1: Cơng nghệ mạng từ thế hệ 1G đến 5G [19] ......................................... 13
Hình 1.2: Chu kỳ cloud của thế hệ thứ 5 [1] ........................................................ 15
Hình 2.1: Cấu trúc cơ sở mạng 5G [1] ................................................................. 20
Hình 2.2: Cấu trúc mạng 5G [1]........................................................................... 22
Hình 2.3: Cấu trúc mạng di động 5G [1] ............................................................. 24
Hình 2.4: Các lát mạng 5G bổ sung trên cơ sở hạ tầng [1] .................................. 26
Hình 2.5: Sơ đồ khối và chức năng mã của mạng WLAN [1] ............................. 33
Hình 2.6: Code Testbench cho bộ thu phát WLAN [1] ....................................... 34
Hình 2.7: Code chức năng cho máy phát WLAN [1] .......................................... 35
Hình 2.8: Code chức năng cho mơ hình kênh WLAN [1] ................................... 36

Hình 2.9: Code chức năng Testbench độc lập cho mạng WLAN [1] .................. 37
Hình 2.10: Mơ phỏng WLAN [1] ........................................................................ 37
Hình 2.11: Phân tích phổ mạng WLAN [1] ......................................................... 38
Hình 2.12: Sơ đồ chịm sao cho mạng WLAN [1]............................................... 39
Hình 2.13: Sơ đồ khối và chức năng code của LTE/LTE A [1] .......................... 40
Hình 2.14: Code chức năng cho LTE/LTE A [1] ................................................ 40
Hình 2.15: Code chức năng máy phát cho LTE/LTE A [1]................................. 42
Hình 2.16: Code chức năng kênh cho LTE/LTE A [1] ........................................ 42
Hình 2.17: Code chức năng Testbench cho LTE/LTE A [1] ............................... 43
Hình 2.18: Mơ phỏng LTE/LTE A [1] ................................................................. 43
Hình 2.19: Trình tạo ví dụ của LTE/LTE A [1] ................................................... 44
Hình 2.20: Sơ đồ chịm sao cho LTE/LTE A [1] ................................................. 45
Hình 2.21: Biểu đồ chịm sao có giá trị SNR tốt hơn [1] ..................................... 45
Hình 2.22: Phân tích phổ của LTE/LTE A [1] ..................................................... 46
Hình 2.23: Code chức năng cho FBMC [1] ......................................................... 47
vii


Hình 2.24: Tạo dạng sóng cho FBMC [1] ............................................................48
Hình 2.25: Code chức năng cho UFMC [1]..........................................................48
Hình 2.26: Dạng sóng được tạo dành cho UFMC [1]...........................................49
Hình 3.1: Mơ hình IoT ..........................................................................................56
Hình 3.2: Các thành phần cơ bản của hệ thống nhà thơng minh ..........................60
Hình 3.4: Mơ hình nhà thơng minh TIS SMART HOME ....................................62
Hình 3.5: Bảng điều khiển nhà thơng minh Schneider - Wiser Home .................63
Hình 3.6: ESP8266 V12E .....................................................................................64
Hình 3.7: Sơ đồ chân của nodeMCU ESP8266 v12E...........................................65
Hình 3.8: Cơng nghệ RFID ...................................................................................65
Hình 3.9: Thành phần của hệ thống RFID ............................................................67
Hình 3.10: Thẻ Tag RFID .....................................................................................68

Hình 3.11: Đầu đọc RFID .....................................................................................69
Hình 3.12: Mơ hình truyền nhận RFID.................................................................70
Hình 3.13: Sơ đồ chân module RFID RC522 .......................................................72
Hình 3.14: Wifi .....................................................................................................74
Hình 3.15: Giao thức HTTP..................................................................................76
Hình 3.16: Biểu đồ thời gian kết nối HTTP khơng bền vững ..............................76
Hình 3.17: Các tầng của hệ điều hành Android [6] ..............................................79
Hình 4.1: Hình ảnh tổng quan hệ thống ................................................................83
Hình 4.2: Sơ đồ khối tổng quan hệ thống .............................................................84
Hìn 4.3: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển công suất ..............................................85
Hình 4.4: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cửa RFID ...........................................85
Hình 4.5: Sơ đồ mạch nguyên lý hệ thống điều khiển cơng suất .........................86
Hình 4.6: Sơ đồ mạch ngun lý khối nguồn .......................................................86
Hình 4.7: Bộ nguồn Hi-Link .................................................................................87
Hình 4.8: Sơ đồ mạch nguyên lý khối xử lý trung tâm.........................................87
Hình 4.9: Node MCU ESP8266 V12E .................................................................87
Hình 4.10: Sơ đồ mạch nguyên lý khối bắt điểm 0 ..............................................88
Hình 4.11: Sơ đồ mạch nguyên lý khối thu hồng ngoại .......................................88
Hình 4.12: Mắt thu hồng ngoại 1838T .................................................................88
Hình 4.13: Sơ đồ mạch nguyên lý khối cảm biến DHT11 ...................................89
viii


Hình 4.14: Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 ..................................................... 89
Hình 4.15: Sơ đồ mạch nguyên lý khối điều khiển .............................................. 89
Hình 4.16: MOC3021 (Trái) và BTA16 (Phải).................................................... 90
Hình 4.17: Sơ đồ mạch nguyên lý khối thời gian thực ........................................ 90
Hình 4.18: IC thời gian thực DS1307 .................................................................. 90
Hình 4.19: Sơ đồ mạch nguyên lý khối cảnh báo ................................................ 91
Hình 4.20: Cịi Buzzer 5V DC ............................................................................. 91

Hình 4.21: Sơ đồ mạch nguyên lý hệ thống điều khiển cửa RFID ...................... 91
Hình 4.22: Sơ đồ mạch nguyên lý khối xử lý trung tâm ...................................... 92
Hình 4.23: Sơ đồ mạch nguyên lý khối điều khiển thiết bị ................................. 92
Hình 4.24: Sơ đồ mạch nguyên lý hệ thống điều khiển đèn cầu thang ................ 93
Hình 4.25: Module thu phát hồng ngoại .............................................................. 94
Hình 4.26: Mạch in 2 lớp của mạch điều khiển công suất ................................... 94
Hình 4.27: Lớp Top và Bottom của mạch in (mạch điều khiển cơng suất) ......... 95
Hình 4.28: Mơ hình mạch 3D (mạch điều khiển cơng suất) ................................ 95
Hình 4.29: Mơ hình mạch 3D (mạch điều khiển cửa RFID) ............................... 96
Hình 4.30: Sản phẩm mạch điều khiển cơng suất ................................................ 96
Hình 4.31: Sản phẩm mạch điều khiển cửa RFID ............................................... 96
Hình 4.32: File AndroidMandifest.xml................................................................ 97
Hình 4.33: Thiết kế giao diện trong Android Studio ........................................... 98
Hình 4.34: Các Class trong Android Studio ........................................................ 98
Hình 4.35: Activity Diagram hệ thống................................................................. 99
Hình 4.36: Sơ đồ use case hệ thống ................................................................... 100
Hình 4.37: Biểu đồ tuần tự hoạt động đăng nhập .............................................. 101
Hình 4.38: Biểu đồ tuần tự hoạt động điều khiển .............................................. 101
Hình 4.39: Biểu đồ tuần tự hoạt động quản lý tài khoản và quản lý quyền điều
khiển ................................................................................................................... 102
Hình 4.40: Giao diện chính App cho thiết bị treo tường ................................... 103
Hình 4.41: Giao diện điều khiển cơng suất ........................................................ 104
Hình 4.42: Giao diện cài đặt ngưỡng thơng số .................................................. 104
Hình 4.43: Giao diện chức năng điều khiển bằng giọng nói.............................. 105

ix


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Sự khác nhau giữa các thế hệ mạng di động ........................................14

Bảng 3.1: Thông số cơ bản của module ESP8266 ................................................64
Bảng 4.1: Test lần 1 ngày lúc 10h00 ngày 01/06/2020 ......................................106
Bảng 4.2: Test lần 2 lúc 15h00 ngày 06/06 ........................................................106
Bảng 4.3. Test lần 3 lúc 14h00 ngày 8/06 ..........................................................106
Bảng 4.4: Test lần 4 lúc 18h00 ngày 11/06 ........................................................106

x


MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Do nhu cầu của con người và những thách thức, thế giới mạng di động
luôn thay đổi phát triển để đạt được mục tiêu. Dưới đây là những mục tiêu quan
trọng:
+ Giải quyết tốc độ truyền dữ liệu: tốc độ của 5G sẽ nhanh hơn 4G gấp
khoảng 100 lần đồng thời độ trễ cũng giảm đi rất nhiều.
+ Cải thiện chất lượng dịch vụ: mạng 5G dùng kỹ thuật song cơng tồn
phần (Full Duplex) thu và phát tín hiệu gần như cùng một lúc. Hơn nữa, kỹ thuật
sóng milimet và sự lắp đặt càng nhiều ăng-ten dành cho tế bào nhỏ làm cho các
thiết bị kết nối truyền tải với chất lượng tốt hơn rất nhiều so với các thế hệ mạng
trước.
+ Kết nối nhiều thiết bị: đó là kỹ thuật MIMO quy mơ lớn sẽ hỗ trợ càng
nhiều cổng cho trạm gốc.
+ Tiết kiệm điện năng: làm tăng lên tuổi thọ pin của các thiết bị như điện
thoại di động, máy tính xách tay …
Ngày nay, các cụm từ “nhà thông minh” và “Internet vạn vật” thường
xuyên được nhắc đến như là một xu hướng tiên tiến, hướng con người đến với
cuộc sống tiện nghi và thoải mái do công nghệ mang lại. Nhà thông minh là khái
niệm kết nối vạn vật thông qua internet của kỷ nguyên 4.0, các thiết bị như thiết
bị chiếu sáng, rèm cửa điều hòa, máy lọc nước, thiết bị âm thanh, camera, tivi....

được kết nối và giao tiếp với nhau tạo ra mơ hình khơng dây kết nối qua điện
thoại, với giá thành đầu tư cho hệ thống không quá đắt, phù hợp với tình hình
thực tế tại Việt Nam, mặc dù chưa được phát triển mạnh mẽ song hứa hẹn nhiều
kết quả tốt trong tương lai.
Tại Hội thảo “Xu hướng công nghệ 5G và IoT hướng tới cách mạng công
nghiệp 4.0” do Ericsson và Cục Tần số vô tuyến điện (ARFM) vừa tổ chức đã
trình diễn cơng nghệ 5G và những ứng dụng hiệu quả mà công nghệ này mang
lại.
Tiến sỹ Magnus Ewerbring, Giám đốc Công nghệ Ericsson khu vực châu
Á-Thái Bình Dương cho biết: Số liệu mới nhất từ Báo cáo Di động của Ericsson
1


cho thấy, cơng nghệ 5G đang phát triển nhanh chóng và sẽ có nửa tỉ th bao vào
năm 2022.

Hình M-1: Tiến sỹ Magnus Ewerbring giới thiệu Báo cáo mới nhất của
Ericson về 5G
5G chính là nền tảng để khai thác tối đa tiềm năng của Xã hội Nối mạng
(Networked Society). 5G sẽ mở ra những thị trường kinh doanh mới cho các
doanh nghiệp, tạo ra những nguồn doanh thu mới với những mơ hình kinh doanh
và hình thức sử dụng khác biệt, bao gồm cả các ứng dụng IoT (Internet of
Things).

Hình M-2: Tốc độ truyền tải dữ liệu của cơng nghệ 5G lên tới trên
5,7Gb/s
Trọng tâm của việc tạo ra một hệ sinh thái 5G là 5G plug-ins của Ericsson,
qua đó sẽ đưa các chức năng 5G sớm hơn vào các mạng 4G / LTE hiện có và cho
phép lưu lượng cao trong môi trường tải cao như nhà máy, trung tâm mua sắm và


2


tạo nền tảng vững chắc cho việc sử dụng vạn vật kết nối (IoT) trở thành hiện
thực.
2. Tính cấp thiết của đề tài
Băng thông rộng và Đa phương tiện ở mọi nơi: Với 5G, người dùng sẽ trải
nghiệm truy cập băng thơng rộng tại những khu vực có mật độ người dùng cao
như các buổi hòa nhạc, sự kiện thể thao và lễ hội, loại bỏ các vấn đề về dung
lượng, độ nhiễu và độ tin cậy. Khách hàng sử dụng 5G sẽ được tận hưởng các bộ
phim 4K được tải về trong vịng vài giây mà khơng cần kết nối Wi-Fi, trong khi
các chương trình truyền hình và sự kiện thể thao trực tiếp sẽ mang lại trải nghiệm
thực tế ảo, giống như bạn đang có mặt trực tiếp tại nơi diễn ra sự kiện. Đối với
khách hàng, 5G cũng sẽ tối đa hóa chất lượng trải nghiệm của họ với kết nối cả
trong nhà và ngoài trời, đồng thời cung cấp kết nối băng thơng rộng có chất
lượng cao ngay cả trong các điều kiện khó khăn về mạng.

Hình M-3: Truyền tải phim 4K rất mượt mà bằng cơng nghệ 5G
Tương tác con người-máy móc: Hiệu năng cao của các mạng 5G sẽ giúp
con người tiếp cận IoT dễ dàng hơn thông qua nâng cao nhận thức về bối cảnh
sống của con người.
Kiểm soát chặt chẽ các thiết bị ở xa: Mạng 5G cho phép kiểm soát từ xa
các máy móc hạng nặng. Từ đó mở ra những khả năng mới như nâng cao hiệu
suất và hạ thấp chi phí, rủi ro trong những mơi trường nguy hiểm, độc hại.
Mạng cảm biến: Công nghệ 5G sẽ mở rộng cơ hội và mơ hình kinh doanh
thơng qua chức năng giám sát, theo dõi và tự động hóa trên quy mô lớn. Từ
những nông trại và cánh đồng được kết nối cho tới những thành phố và tòa nhà
3



thơng minh, cơng nghệ 5G góp phần hạ thấp chi phí, nâng cao hiệu suất và cung
cấp dữ liệu thời gian thực theo những cách thức mới, ấn tượng.
Giao thông vận tải thông minh: Việc chuyển đổi hướng tới 5G đồng nghĩa
với việc cơng nghệ Truyền thơng Máy móc trên Quy mô lớn (massive Machine
Type Communications - mMTC) sẽ cho phép các thành phố, hệ thống giao thông
và cơ sở hạ tầng giao thông truyền dữ liệu theo thời gian thực, để nâng cao hiệu
quả bảo trì và hoạt động.

Hình M-4: Mơ hình bãi đỗ xe thơng minh ứng dụng IoT qua kết nối 5G
Kiểm soát các dịch vụ trọng yếu và cơ sở hạ tầng: Độ tin cậy cao và độ trễ
thấp của cơng nghệ 5G giải phóng năng lực để kiểm soát các dịch vụ và cơ sở hạ
tầng trọng yếu. Từ đó mang lại nhiều cơ hội mới cho các lĩnh vực an tồn xã hội,
chính phủ, quản lý thành phố và các công ty dịch vụ công cộng.
Ericsson đã công bố một báo cáo về Tiềm năng kinh doanh 5G trong đó
phân tích kỹ lưỡng về cơ hội kinh doanh 5G của thị trường số hóa công nghiệp
căn cứ vào 8 thách thức lớn trong ngành. Báo cáo cho thấy:
Phần lớn thị trường số hóa cơng nghiệp sẽ được công nghệ 5G hỗ trợ.
Chúng tôi ước tính một thị trường có quy mơ 1,2 nghìn tỉ USD vào năm 2026 cần
được khai thác cho các công ty ICT.
Ngồi ra, đến năm 2026, sẽ có một cơ hội thị trường toàn cầu trị giá 582
tỷ USD khi các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông sử dụng cơng nghệ 5G để số hóa
cơng nghiệp.
Đối với các nhà mạng viễn thơng, điều đó tương ứng với tiềm năng bổ
sung thêm 34% tăng trưởng doanh thu vào năm 2026. Trong một nghiên cứu tiếp
4


đó, Ericsson chỉ ra rằng, ngành sản xuất, năng lượng/dịch vụ cơng cộng có cơ hội
cao nhất để tạo ra hoặc nâng cao doanh thu nhờ 5G.


Hình M-5: 5G và cơ hội gia tăng lợi ích cho các doanh nghiệp
5G mang lại cơ hội tiếp cận những tiềm năng kinh doanh còn chưa được
nắm bắt. Đây là lúc xây dựng hoạt động kinh doanh mạng 5G của các công ty.
Với những cơ hội như IoT nằm trong tầm tay, chúng ta không cần phải chờ đợi
để bắt đầu đánh giá những mơ hình kinh doanh mới và tạo ra các luồng doanh thu
mới. Ericsson là một đối tác chiến lược trên hành trình tới 5G.
3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Mục tiêu nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu của luận án nhằm vào ba mục tiêu chính sau đây:
 Xác định tiêu chuẩn 5G rộng hơn, xác định điểm mạnh và điểm yếu
của nó so với các tiêu chuẩn hiện có, những thách thức cũng như đưa ra mốc thời
gian để triển khai và kỳ vọng trong ngành công nghiệp không dây.
 Xem xét các thực tiễn mới mà 5G sẽ kích hoạt trong IoT, đặc biệt tập
trung vào khả năng phân tích từ xa trên băng thông cao, cũng như khả năng sử
dụng các trung tâm xử lý từ xa cho các dịch vụ quan trọng. Và kiểm tra các khu
vực nơi 5G sẽ để lại những khoảng trống và cách các công ty sẽ cần đối phó với
những hạn chế ban đầu. Trong thực tế, ở một số trường hợp, 5G thậm chí khơng
phải là tốt nhất trong số các giải pháp di động. Các công ty sử dụng các thiết bị
IoT và nhà cung cấp dịch vụ và giải pháp dựa trên IoT cần sáng suốt trong việc
xác định nơi nào 5G sẽ khả thi và nơi nào sẽ không.
5


 Đề xuất ý tưởng xây dựng, phát triển một mơ hình ứng dụng cho nhà
thơng minh với các nội dung chính sau:
− Tìm hiểu, xây dựng một hệ thống tồn diện có tính ứng dụng thực tiễn.
− Xây dựng được một cơ sở dữ liệu đáp ứng đủ các tiêu chí đặt ra với một
hệ thống, đa nền tảng, có tính kế thừa cao.
− Phần mềm điều khiển trực quan, dễ dàng sử dụng.
− Phần cứng có thể dễ dàng triển khai, giảm thiểu chi phí phát sinh.

3.2. Đối tượng nghiên cứu
Từ các mục tiêu đã đặt ra, luận án sẽ tập trung nghiên cứu các đối
tượng như sau:
+

Sự triển khai của thế hệ mạng di động thứ 5 (5G)

+

Cấu trúc công nghệ mạng 5G

+

Nền tảng phần mềm mạng 5G

+

Công nghệ mong đợi trong 5G

+

Hệ sinh thái Internet of Things- IoT

3.3. Phạm vi nghiên cứu
Với các mục tiêu và đối tượng nghiên cứu đã được xác định, phạm vi
nghiên cứu của luận án sẽ bao gồm:
+ Thông tin vô tuyến, hệ thống thông tin di động
+ Cơ sở lý thuyết về công nghệ mạng 5G
+ Cơ sở lý thuyết về mơ hình IoT
+ Phân tích thiết kế hệ thống ứng dụng nền tảng 5G cho IoT

4. Phương pháp và nhiệm vụ nghiên cứu
4.1. Phương pháp nghiên cứu
+ Nghiên cứu lý thuyết thông tin vô tuyến, hệ thống di động để có cái
nhìn tổng quan về các thế hệ mạng qua các thời kỳ phát triển, đánh giá xu thế
cũng như tiềm năng triển khai lên thế hệ mạng mới tiên tiến hơn.
+ Nghiên cứu lý thuyết về hệ sinh thái IoT, cho cái nhìn tổng quan về xu
thế phát triển mới dựa trên nền tảng hệ thống 5G.
+ Phân tích các cơ hội và thách thức để triển khai 5G cũng như ứng dụng
cho IoT trong tương lai.
6


4.2. Các nhiệm vụ nghiên cứu
“IoT cần một nền tảng di động mới để kết nối. Trong vòng hai năm tới,
công nghệ 5G sẽ bùng nổ, tốc độ băng thông nhờ đó sẽ được tối ưu hóa. Bản thân
dịch vụ đám mây trong vịng 1-2 năm tới cũng có sự thay đổi về truyền dẫn, cấu
trúc, chia sẻ băng thông”. Và đó cũng là lý do để luận án đưa ra các nhiệm vụ
nghiên cứu cụ thể cho đề tài như sau:
+ Khảo sát, phân loại, đánh giá (lý thuyết, mơ hình, tiêu chí, phương
pháp) các mơ hình mạng di động hiện tại, cơ sở hạ tầng cần chuẩn bị để triển
khai 5G.
+ Phân tích những khó khăn, thách thức khi triển khai ứng dụng 5G cho
hệ sinh thái IoT, xây dựng lộ trình phát triển phù hợp.
+ Xây dựng mơ hình phân tích thiết kế hệ thống ứng dụng 5G cho IoT để
minh chứng các luận điểm lý thuyết và đánh giá tính khả thi trong triển khai thực
tế.
5. Các đóng góp khoa học của luận án
Thực hiện các nhiệm vụ nghiên cứu đã trình bày ở phía trên, từ khía cạnh
phương pháp luận tiếp cận vấn đề, có thể tóm tắt các đóng góp của luận án như
sau:

+ Xác định 5G là gì ? Nó hoạt động như thế nào?
+ Phần mềm sử dụng và các đặc điểm kỹ thuật quan trọng trong hệ thống
mạng 5G.
+ Xác định hệ sinh thái IoT là gì ? Phân tích, đánh giá tiềm năng phát
triển của IoT
+ Đưa ra các kết quả phân tích, đánh giá khả năng triển khai hệ thống
mạng 5G, những yếu tố cần chuẩn bị để tiến lên 5G.
+ Đề xuất và phân tích thiết kế mơ hình IoT ứng dụng hệ thống mạng 5G
để kết nối và tương tác.
6. Bố cục của luận án
Trên cơ sở các nhiệm vụ và kết quả nghiên cứu đã được trình bày ở trên,
tác giả trình bày luận án theo năm chương với các nội dung được tóm tắt như sau
như sau:
Chương 1: Tổng quan về đề tài nghiên cứu
7


Chương này sẽ giới thiệu tổng quan về lịch sử phát triển hệ thống mạng
thông tin di động, vấn đề triển khai công nghệ mạng thế hệ mới 5G cùng với xu
thế phát triển công nghệ trên nền tảng áp dụng mạng 5G. Và đó là nền tảng cho
xu thế kết nối vạn IoT ra đời.
Chương 2: Hệ thống mạng 5G
Các nội dung chi tiết về hệ thống, công nghệ mạng 5G sẽ được trình bày ở
chương này, bao gồm: cấu trúc công nghệ mạng, nền tảng phần mềm, và thách
thức trong công cuộc triển khai mạng 5G.
Chương 3: Hệ sinh thái IoT
Chương này sẽ nghiên cứu chi tiết về hệ sinh thái IoT, mơ hình ứng dụng
của IoT đó là các mơ hình nhà thơng minh và theo đó sẽ tìm hiểu về các thành
phần trong xây dựng mơ hình nhà thơng minh.
Chương 4: Phân tích và thiết kế mơ hình ứng dụng IoT

Nội dung chính của chương này sẽ trình bày về phương án phân tích và
thiết kế mơ hình ứng dụng IoT, bao gồm: tổng quan về hệ thống thực nghiệm,
thiết kế hệ module phần cứng, thiết kế bộ ứng dụng điều khiển, kiểm thử và đánh
giá hệ thống.

8


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1. Lịch sử phát triển hệ thống mạng thông tin di động
1.1.1. Thế hệ mạng di động đầu tiên - 1G
Đầu thế kỷ 20, thông tin vô tuyến di động đã được sử dụng cho việc liên
lạc trong quân sự. Điện thoại trên xe hơi đã được thử nghiệm vào năm 1946. Hệ
thống này đã sử dụng máy phát lớn trên mái của một tòa nhà cao tầng. Một kênh
duy nhất được sử dụng như hệ thống bán song công được gọi là hệ thống Pushto-talk của Cameron vào năm 1950. Năm 1960 IMPS (Hệ thống điện thoại di
động cải tiến) được giới thiệu có thể xử lý nói và nghe cùng một lúc. IMPS đã sử
dụng hai kênh, một kênh để gửi và một kênh để nhận trong viễn thông cho chế độ
song cơng tồn phần.
Mở đầu của Viễn thơng: Năm 1970, các công ty tư nhân bắt đầu phát triển
các hệ thống của riêng họ, các tổ chức tư nhân đó là hệ thống điện thoại di động
tương tự (AMPS) được sử dụng ở Hoa Kỳ, hệ thống liên lạc truy cập tổng thể
(TACS), điện thoại di động Bắc Âu (NMT) được sử dụng ở các khu vực thuộc
Châu Âu và Nhật Bản và tổng hệ thống liên lạc truy cập (J-TACS) được sử dụng
ở Nhật Bản và Hồng Kông. Các hệ thống này được gọi là các mạng thế hệ thứ
nhất được giới thiệu vào năm 1982 bởi BELL Labs, thường được gọi là hệ thống
điện thoại di động tiên tiến (AMPS).
Ý tưởng cơ bản trong AMPS là sử dụng các vị trí địa lý có thể được coi là
các tế bào nhỏ và sau đó có thể được sử dụng lại nhiều lần, có thể hỗ trợ người
dùng nhiều hơn gấp 5 đến 10 lần, sau đó được gọi là 1N IMPS (Hệ thống điện
thoại di động cải tiến). Mối quan tâm chính trong 1G là bảo mật yếu, chế độ giao

tiếp hồn tồn tương tự và khơng chuyển vùng.
1.1.2. Thế hệ mạng di động thứ 2-2G
Để có thể chuyển vùng, sự hình thành của ETSI (Viện tiêu chuẩn viễn
thơng châu Âu) đã được tạo ra, đó là sự khởi đầu của thế hệ thứ hai. Các mạng
được ra mắt thương mại vào năm 1991 tại Phần Lan dựa trên GSM (Hệ thống
toàn cầu cho thiết bị di động). Mạng thế hệ thứ hai có thể cung cấp tốc độ dữ liệu
lên tới 9,6kbps. Lợi ích chính là các cuộc hội thoại được mã hóa kỹ thuật số, hiệu
quả hơn trên phổ tần và thâm nhập điện thoại di động rộng hơn và giới thiệu về
dịch vụ dữ liệu (SMS).
9


Để tạo ra tốc độ dữ liệu cao hơn, các nhà mạng GSM đã bắt đầu phát triển
một dịch vụ có tên General Packet Radio Service (GPRS) đề cập đến 2.5G. Nó
được phát triển vào năm 1995 và chủ yếu là mạng chuyển mạch gói với GSM.
GPRS có thể truyền dữ liệu với tốc độ lên tới 160 Kbps. Giai đoạn sau GPRS
được tăng tốc độ dữ liệu cho GSM Evolution (EDGE) được gọi là 2.7G vào năm
1997. Nó đã giới thiệu về điều chế 8PSK và có thể cung cấp tốc độ dữ liệu lên tới
500 Kbps khi sử dụng cùng một phạm vi GPRS. Trong thời gian này, internet đã
trở nên phổ biến 2.5G bắt đầu phát triển và điện thoại bắt đầu hỗ trợ duyệt web.
Đây là một sự bùng nổ Internet vào năm 1998.
1.1.3. Thế hệ mạng di động thứ 3-3G
Nhu cầu này đã thiết lập 3GPP UMTS (Hệ thống viễn thơng di động tồn
cầu) vào năm 1999. Hệ thống này sử dụng CDMA băng rộng, đó là W-CDMA
(UMTS). Năm 2000, sự hình thành 3GPP của các cơ quan chủ quản đã được phát
triển. Vì lợi ích của việc sản xuất các tiêu chuẩn toàn cầu, sự hợp tác cho GSM
và UMTS đã được mở rộng hơn nữa từ ETSI để bao gồm phát triển tiêu chuẩn
khu vực của nó như ARIB và TTC từ Nhật Bản, TTA từ Hàn Quốc, ATIS từ Mỹ
và CCSA từ Trung Quốc. Việc tạo ra thành công cho một đặc tả hệ thống lớn và
phức tạp như vậy đòi hỏi một tổ chức có cấu trúc tốt. Như thế 3GGP đã sinh ra,

cũng là nơi sinh ra sự quan sát của ITU.
ITU-R quản lý phổ tần số vô tuyến quốc tế, đảm bảo sử dụng phổ hiệu
quả, xác định họ công nghệ, phân bổ phổ và yêu cầu đề xuất cho công nghệ vô
tuyến. Ba tổ chức bắt đầu phát triển để đáp ứng các yêu cầu do ITU-R đề xuất là
3GPP, 3GPP2 và IEEE. Sự phát triển của 3GPP bắt đầu từ GSM (Hệ thống tồn
cầu cho thơng tin di động), GPRS (Dịch vụ vơ tuyến gói tổng hợp), EDGE,
UMTS (Hệ thống viễn thơng di động tồn cầu), HSDPA (Truy cập gói đường
xuống tốc độ cao), HSUPA (Truy cập gói đường lên tốc độ cao), HSPA (Truy
cập gói tốc độ cao), LTE (Tiến hóa dài hạn) và LTE tiên tiến.
Sự phát triển của 3GPP2 bắt đầu từ IS-95, CDMA 2000, CDMA EVDO,
CDMA EVDO REV A đến CDMA EVDO REV B. Sự phát triển của IEEE bắt
đầu từ 802.16 FIXED WIMAX, 802.16 MOBILE WIMAX đến 802.16M. Chỉ có
3GGP được chi phối và được chấp nhận rộng rãi.

10


Mục tiêu của 3GPP (UMTS) là cung cấp tốc độ dữ liệu 2 Mbps cho người
dùng đứng yên hoặc đi bộ và 384 Kbps cho phương tiện di chuyển. Việc nâng
cấp là PHÁT HÀNH thứ 4 của tiêu chuẩn 3GGP được cung cấp để sử dụng hiệu
quả tất cả IP trong lõi vào năm 2001. Đây là yếu tố quyết định chính đặt nền tảng
cho HSPA.
Vào năm 2002, PHÁT HÀNH thứ 5 đã được giới thiệu là HSDPA cốt lõi.
Nó cung cấp việc sử dụng để tải xuống gói với tốc độ dữ liệu lên tới 14 Mbps
bằng cách giảm độ trễ (Delay). Hơn nữa, PHÁT HÀNH thứ 6 đã được giới thiệu
bao gồm việc phát hành HSUPA vào năm 2004 với việc giảm tốc độ dữ liệu liên
kết bị trì hỗn tăng lên 5,74 Mbps bằng cách giảm độ trễ. Phát hành này cũng là
sự ra đời của MBMS cho các dịch vụ phát song. Sau đó, PHÁT HÀNH thứ 7 tiếp
tục được giới thiệu, cũng giới thiệu MIMO và điều chế bậc cao hơn lên đến 64
QAM. Công nghệ HSPA+ đã phát triển vào năm 2007 cung cấp tốc độ dữ liệu

của liên kết tải xuống (D/L) lên tới 28 Mbps và tốc độ dữ liệu của liên kết tải lên
(U/L) lên tới 11 Mbps.
1.1.4. Thế hệ mạng di động thứ 4-4G
Ban đầu, mục tiêu của viễn thông là tính di động và kết nối tồn cầu. Tồn
bộ kiến trúc mới đã được phát triển trong LTE SAE (System Architecture
Evolution) và cổng phát thanh. Tiêu chuẩn hóa Tiến hóa dài hạn (LTE) bắt đầu
vào năm 2004 và RELEASE 8 cuối cùng đã được kết tinh vào tháng 6 năm 2005
sau một loạt tinh chế.
Những đặc điểm quan trọng trong PHÁT HÀNH thứ 8 của LTE:
+ Làm giảm trễ cho thiết lập kết nối và độ trễ truyền
+ Tăng thông lượng dữ liệu
+ Tăng tốc độ bit của Cell-EDGE
+ Giảm chi phí trong mỗi bit
+ Đơn giản hóa cấu trúc mạng
+ Khả năng di động liền mạch, kết hợp giữa các công nghệ truy nhập vô
tuyến
+ Tiêu thụ điện năng hợp lý dành cho các thiết bị di động
Những tính năng này đã tạo ra một tiến bộ trong công nghệ vô tuyến.
11