Thiết kế anten vi dải mặt bức xạ tròn cho ứng dụng IIoT: Luận văn Thạc sĩ

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

---------------------------------------

NGUYỄN MẠNH CƯỜNG

NGHIÊN CỨU ANTEN VI DẢI CÓ MẶT BỨC XẠ TRÒN CHO TRUYỀN THÔNG IIoT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI – NĂM 2021

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

---------------------------------------

NGUYỄN MẠNH CƯỜNG

NGHIÊN CỨU ANTEN VI DẢI CÓ MẶT BỨC XẠ

TRÒN CHO TRUYỀN THÔNG IIoT

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:

TS. DƯƠNG THỊ THANH TÚ

HÀ NỘI – NĂM 2021

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung của luận văn “Thiết kế anten vi dải có mặt bức xạ

tròn cho ứng dụng IIoT” là sản phẩm do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS.

Dương Thị Thanh Tú. Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều được trình

bày hoặc là của cá nhân hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu. Tất cả các tài

liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp.

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy

định cho lời cam đoan của mình.

Hà Nội, ngày … tháng 12 năm 2021

Tác giả luận văn

Nguyễn Mạnh Cường

ii

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Tập thể các Thầy, Cô

giáo trong Khoa Viễn thông 1 - Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã giúp

đỡ tận tình và chu đáo để em có môi trường tốt cho việc học tập và nghiên cứu. Đặc

biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Cô giáo TS. Dương Thị Thanh Tú, người

đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo em tận tình trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn

thiện luận văn này. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến bố mẹ và

các thành viên yêu quý trong gia đình của mình, những người luôn động viên, ủng

hộ mọi mặt để em có thể hoàn thành luận văn tốt nhất.

Mặc dù đã có nhiều cố gắng, nhưng nội dung luận văn không tránh khỏi các

thiếu sót do còn có những hạn chế về trình độ và thời gian thực hiện. Em rất mong

nhận được nhiều sự góp ý, chỉ bảo của các Thầy, Cô để hoàn thiện hơn luận văn của

mình.

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày … tháng 12 năm 2021

Nguyễn Mạnh Cường

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i

LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii

MỤC LỤC ................................................................................................................. iii

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT ................................................ v

DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... vi

DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ vi

MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1

CHƯƠNG 1: IOT/IIOT ............................................................................................... 3

1.1.Tổng quan và công nghệ IoT/IIoT ........................................................................ 3

1.1.1. IoT ..................................................................................................................... 3

1.1.2. IIoT .................................................................................................................... 7

1.2. Các công nghệ truyền thông trong IIoT ............................................................. 13

1.2.1.Giới thiệu chung ............................................................................................... 13

1.2.2. WiFi ................................................................................................................. 17

1.2.3. Truyền thông qua hệ thống mạng diện thoại di động ..................................... 18

1.2.4. Bluetooth ......................................................................................................... 19

1.2.5. Zwave và ZigBee ............................................................................................. 21

1.3. Ứng dụng của IIoT trong kỷ nguyên công nghiệp 4.0 ....................................... 22

1.4. Anten cho thiết bị IoT/IIoT ................................................................................ 24

1.5. Kết luận chương 1 .............................................................................................. 26

CHƯƠNG 2: ANTEN VI DẢI CÓ MẶT BỨC XẠ TRÒN ..................................... 27

2.1.Tổng quan về anten vi dải ................................................................................... 27

2.1.1. Cấu tạo anten vi dải ........................................................................................ 27

2.1.2.Nguyên lý hoạt động của anten vi dải .............................................................. 28

2.1.3. Sóng trong cấu trúc anten vi dải ..................................................................... 28

2.2. Phân loại anten vi dải ......................................................................................... 29

2.2.1. Phân loại theo cấu trúc anten ......................................................................... 29

2.2.2. Phân loại theo hình dáng bức xạ .................................................................... 30

iv

2.3. Anten vi dải có mặt bức xạ tròn ......................................................................... 31

2.3.1. Cấu trúc ........................................................................................................... 31

2.3.2. Tính chất điện và từ của anten ........................................................................ 32

2.4. Các tham số thiết kế của anten vi dải có mặt bức xạ tròn .................................. 34

2.4.1. Tần số cộng hưởng .......................................................................................... 34

2.4.2. Bán kính bức xạ ............................................................................................... 35

2.4.3. Mật độ dòng tương đương và trường bức xạ .................................................. 36

2.4.4. Độ định hướng ................................................................................................ 37

2.4.5. Trở kháng đầu vào .......................................................................................... 38

2.5. Kết luận chương 2 .............................................................................................. 40

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI CÓ MẶT BỨC XẠ TRÒN CHO ỨNG

DỤNG IIoT ............................................................................................................... 41

3.1. Đặt vấn đề .......................................................................................................... 41

3.1.1. Lựa chọn công nghệ ........................................................................................ 41

3.1.2. Lựa chọn công cụ ............................................................................................ 42

3.2. Thiết kế anten IIoT sử dụng anten vi dải có mặt bức xạ tròn ............................ 45

3.2.1. Thiết kế phần tử bức xạ có cấu trúc vòng ring ............................................... 46

3.2.1. Thiết kế đa băng dựa trên vòng cộng hưởng SRR .......................................... 47

3.2.3. Thiết kế anten .................................................................................................. 48

3.3. Đánh giá và phân tích thiết kế thông qua các kết quả mô phỏng ....................... 48

3.3.1. Tham số tán xạ S11 ......................................................................................... 49

3.3.2. Phân tích dòng trên bề mặt của anten ............................................................ 49

3.3.3. Đồ thị bức xạ 2D/3D ....................................................................................... 52

3.4. Kết luận chương 3 .............................................................................................. 53

KẾT LUẬN ............................................................................................................. 54

DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................... 55

v

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

ASN Absolute Slot Number Số vị trí tuyệt đối

CCM Concentric Computing Model Mô hình điện toán đồng tâm

CoAP Constrained Application Protocol Giao thức ứng dụng ràng

CPS Cyber Physcial Systems buộc Hệ thống vật lý mạng

Carrier-sense Multiple Access with Đa truy cập theo cảm giác CSMA/CA Collision Avoidance nhà cung cấp dịch vụ với

DML Data Management Layer Lớp quản lý dữ liệu

GPA Groupwise Pair selection Algorithm Thuật toán lựa chọn cặp theo

H2M Humane-to-Machine nhóm Nhân đạo với máy móc

IAM Identification and Access Management Nhận dạng và Truy cập

IIoT Industrial Internet of Things Internet vạn vật công nghiệp

IOT Internet of Thing Internet vạn vật

LM Local Manager Người quản lý vùng LPS Local Pool Service

M2M Machine-to-Machine Dịch vụ hồ bơi địa phương Máy đến máy

MQTT Message Queue Telemetry Transport Vận chuyển từ xa hàng đợi PCA Prioritized Contention Access ắ Quyền truy cập cạnh tranh Spanning Tree-based Energy-efficient STETS được ưu tiên Cây năng lượng Time Synchronization

Timing-sync Protocol for Sensor Giao thức đồng bộ thời gian TPSN Networks

for Sensor SRR Split Ring Resonators cho cảm biến Vòng cộng hưởng hở

PAN Personal Area Network Mạng Khu vực Cá nhân

vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Phác thảo sự khác biệt chính giữa các hệ thống IoT và IIoT ..................... 8

Bảng 1.2: Các giao thức truyền thông trong IIoT ..................................................... 14

.............................................................................................. 46 Bảng 3.1: Giá trị

Bảng 3.2: Kích thước của anten vòng ring kép tái cấu hình ..................................... 48 𝑿𝒏𝒎

vii

DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Internet of Things ........................................................................................ 3 Hình 1.2: Sự gia tăng nhanh chóng của giao tiếp máy - máy ..................................... 4 Hình 1.3: Ứng dụng tủ lạnh trong IoT ........................................................................ 4 Hình 1.4: Ví dụ về MQTT ........................................................................................... 6 Hình 1.5: Ví dụ XMPP ................................................................................................ 7 Hình 1.6: Kiến trúc chung cho hệ thống IIoT ........................................................... 10 Hình 1.7: Tầm hoạt động của WIFI Halow so với các WIFI 2.4 và 5GHz .............. 18

Hình 1.8: Truyền thông 5G cho xây dựng nhà máy thông minh trong kỷ nguyên IIoT ............................................................................................................................ 19 Hình 1.9: Cấu trúc xếp lớp của Bluetooth ................................................................. 20

Hình 1.10: Mô hình chế tạo anten có hai nguồn cấp cho hệ thống cảm biến IoT/IIoT ................................................................................................................................... 24

Hình 1.11: Anten với khe chẻ hình vành khăn dựa trên nguyên lý bức xạ tròn ....... 25 Hình 2.1: Cấu tạo anten vi dải ................................................................................... 27 Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của anten vi dải ....................................................... 28 Hình 2.3: Sóng trong cấu trúc anten vi dải ............................................................... 28 Hình 2.4: Các hình dáng khác nhau của anten vi dải ................................................ 31 Hình 2.5: Cấu trúc hình học của anten vi dải có mặt bức xạ tròn ............................. 31 Hình 2.6: Mô hình lỗ trống và mật độ dòng điện từ tương đương cho anten microstrip bức xạ tròn ............................................................................................... 37 Hình 2.7: Bức xạ của anten patch tròn ...................................................................... 38

Hình 2.8: Sự phụ thuộc của độ dẫn điện theo bán kính hiệu dụng của anten patch 110 ........................................................................................... 39 tròn trong chế độ TMz

Hình 2.9: Sự phụ thuộc của trở kháng đầu vào theo bán kính hiệu dụng của anten patch tròn trong chế độ TMz 110 .................................................................................. 40 Hình 3.1: Truyền thông 4G/5G trong công trường thông minh ................................ 42 Hình 3.2: CST phiên bản miễn phí cho sinh viên ..................................................... 43 Hình 3.3: CST với các công cụ phong phú cho mô phỏng trường điện từ ............... 43

viii

Hình 3.4: CST có giao diện làm việc thân thiện và hiệu quả với người dùng .......... 44 Hình 3.5: Tiến trình thiết kế anten ............................................................................ 45

Hình 3.6: Cấu trúc vòng cộng hưởng phân chia SRR cho thiết kế siêu vật liệu từ tính ............................................................................................................................. 47 Hình 3.7: (a) (b) Cấu trúc anten tái cấu hình kết hợp vòng ring và trăng khuyết ..... 48 Hình 3.8: Kết quả mô phỏng tham số S11của anten đề xuất .................................... 49 Hình 3.9: (a) (b) (c) Phân tích mật độ dòng trên anten đề xuất ................................ 51 Hình 3.10: (a) (b) (c) Đồ thị bức xạ 2D/3D của anten đề xuất ................................. 53

1

MỞ ĐẦU

Việc truyền dữ liệu và Internet vạn vật (IoT). Những ứng dụng công nghệ đã

kết nối mạng các thiết bị thông minh với các hệ thống để thu thập, giám sát, trao đổi

và phân tích dữ liệu ở mọi cấp độ. Để kết nối các thiết bị với nhau, bài toán lựa

chọn những hệ thống anten có quy mô phù hợp luôn là thách thức với các nhà khoa

học. Industrial Internet of Things (IIoT) được phát triển từ (IoT) và là xu thế phát

triển tất yếu của con người hướng tới kỷ nguyên Công nghiệp 4.0. Với ưu điểm

vượt trội như: vòng đời rất dài, độ tin cậy cao,... các thiết bị thông minh trong IIoT

có thể truyền đạt các thông tin quan trọng theo cách tốt hơn, đồng thời phân tích và

nắm bắt dữ liệu theo thời gian thực.

Các thiết bị IoT/ IIoT không dây hiện nay có khá nhiều chuẩn truyền thông

được đề xuất như: Wifi, Bluetooth, EPC global, ZigBee, Z-wave, RFID, BLE, 4G-

LTE-A, 5G,… Tuy nhiên, mỗi công nghệ này lại có những những đặc tính, dải tần

hoạt động khác nhau. Vì vậy, việc cung cấp một giải pháp tích hợp các kết nối này

trên cùng một hệ thống/ thiết bị đang gặp phải những thách thức không nhỏ cho thiết

kế thiết bị thu phát vô tuyến nói chung và phần tử anten nói riêng. Đồng thời, đây cũng

là cơ hội cho các nhà nghiên cứu, phát triển các thiết kế anten cho thiết bị IoT/ IIoT.

Anten là phần tử quan trọng, không thể thiếu trong mỗi thiết bị thu phát vô

tuyến. Trong đó, anten vi dải là loại hình anten được đề xuất đầu tiên bởi G. A.

Deschamps vào năm 1953, sau đó nhanh chóng được phát triển. Với đặc điểm nhỏ

gọn, chi phí chế tạo thấp, độ lợi khá cao, anten vi dải được sử dụng khá phổ biến

trong các hệ thống thông tin vô tuyến hiện đại. Anten vi dải với độ linh hoạt trong

thiết kế mặt bức xạ như sử dụng cấu trúc hình chữ nhật, cấu trúc hình tam giác, cấu

trúc hình tròn và các biến thể của chúng tạo ra sự linh hoạt trong thiết kế băng thông

và băng tần cộng hưởng với độ khuếch đại và kiểu phân cực sóng khác nhau có thể

được thiết kế tùy theo từng ứng dụng cụ thể.

Do vậy, với mục tiêu nghiên cứu, tìm hiểu và nắm bắt công nghệ để thiết kế

anten vi dải bức xạ tròn, có độ lợi cao cho ứng dụng IIoT, em đã lựa chọn nội dung

“Nghiên cứu anten vi dải có mặt bức xạ tròn cho truyền thông IIoT”làm luận văn

2

nghiên cứu của mình.

Nội dung luận văn được trình bày trong 03 chương như sau:

 Chương 1: IoT/ IIoT  Chương 2: Anten vi dải có mặt bức xạ tròn  Chương 3: Thiết kế anten vi dải có mặt bức xạ tròn cho ứng dụng IIoT

3

CHƯƠNG 1: IOT/IIOT

1.1.Tổng quan và công nghệ IoT/IIoT

1.1.1. IoT

Internet of Things (IoT) là thuật ngữ dùng để chỉ các đối tượng có thể được

nhận biết cũng như sự tồn tại của chúng trong một kiến trúc mang tính kết nối. Đây

là một viễn cảnh trong đó mọi vật, mọi con vật hoặc con người được cung cấp các

định danh và khả năng tự động truyền tải dữ liệu qua một mạng lưới mà không cần

sự tương tác giữa con người-với-con người hoặc con người-với-máy tính. IoT tiến

hoá từ sự hội tụ của các công nghệ không dây, hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) và

Internet. Cụm từ này được đưa ra bởi Kevin Ashton vào năm 1999. Ông là một nhà

khoa học đã sáng lập ra Trung tâm Auto-ID ở đại học MIT.

Hình 1.1: Internet of Things

"Thing" - sự vật - trong Internet of Things, có thể là một trang trại động vật

với bộ tiếp sóng chip sinh học, một chiếc xe ô tô tích hợp các cảm biến để cảnh báo

lái xe khi lốp quá non, hoặc bất kỳ đồ vật nào do tự nhiên sinh ra hoặc do con người

sản xuất ra mà có thể được gán với một địa chỉ IP và được cung cấp khả năng

truyền tải dữ liệu qua mạng lưới.

IoT phải có 2 thuộc tính: một là đó phải là một ứng dụng internet. Hai là, nó

phải lấy được thông tin của vật chủ.

4 Hình 1.2: Sự gia tăng nhanh chóng của giao tiếp máy - máy

Một ví dụ điển hình cho IoT là tủ lạnh thông minh, nó có thể là một chiếc tủ

lạnh bình thường nhưng có gắn thêm các cảm biến bên trong giúp kiểm tra được số

lượng các loại thực phẩm có trong tủ lạnh, cảm biến nhiệt độ, cảm biến phát hiện

mở cửa,...và các thông tin này được đưa lên internet. Với một danh mục thực phẩm

được thiết lập trước bởi người dùng, khi mà một trong các loại thực phẩm đó sắp

hết thì nó sẽ thông báo ngay cho chủ nhân nó biết rằng cần phải bổ sung gấp, thậm

chí nếu các loại sản phẩm được gắn mã ID thì nó sẽ tự động trực tiếp gửi thông báo

cần nhập hàng đến siêu thị và nhân viên siêu thị sẽ gửi loại thực phẩm đó đến tận

nhà.

Hình 1.3: Ứng dụng tủ lạnh trong IoT

5

Quá trình phát triển của IoT:

Ngày nay, các thiết bị như điện thoại thông minh, xe cộ, hệ thống công

nghiệp, máy ảnh, đồ chơi, tòa nhà, thiết bị gia dụng, các hệ thống công nghiệp và vô

số hệ thống khác đều có thể chia sẻ thông tin qua Internet. Bất kể kích thước của

chúng và chức năng, những thiết bị này có thể thực hiện tái tổ chức thông minh,

theo dõi, định vị, kiểm soát, giám sát thời gian thực và quy trình điều khiển. Trong

những năm qua, truyền thông đã chỉ ra rất nhiều các thiết bị có khả năng kết nối

Internet. Mặt tích cực nhất hiệu quả thương mại đáng kể đã được quan sát thấy

trong lĩnh vực điện tử tiêu dùng; tức là đặc biệt là cuộc cách mạng của điện thoại

thông minh và sự quan tâm đến thiết bị đeo được (đồng hồ,tai nghe, v.v.), kết nối

mọi người đã trở thành một mảnh vỡ của một phong trào lớn hơn hướng tới sự liên

kết của thế giới kỹ thuật số và vật lý.

Với tất cả những điều này, Internet of Things (IoT) là dự kiến sẽ tiếp tục mở

rộng phạm vi tiếp cận vì liên quan đến số lượng thiết bị và chức năng mà nó có thể

chạy. Đây là rõ ràng từ sự mơ hồ trong cách diễn đạt "Things" điều này gây khó

khăn cho việc vạch ra các giới hạn ngày càng tăng của IoT [4]. Trong khi thành

công thương mại tiếp tục hiện thực hóa, IoT liên tục cung cấp hầu như vô hạn cung

cấp các cơ hội, không chỉ trong các doanh nghiệp mà còn trong các nghiên cứu.

Theo đó, các cơ sở hạ tầng giải quyết các lĩnh vực tiềm năng để ứng dụng các lĩnh

vực IoT và nghiên cứu những thách thức liên quan đến các ứng dụng này.

Các giao thức trao đổi bản tin trong IoT

Trong IoT, các thiết bị phải giao tiếp được với nhau (D2D). Dữ liệu sau đó

phải được thu thập và gửi tới máy chủ (D2S). Máy chủ cũng có để chia sẻ dữ liệu

với nhau (S2S), có thể cung cấp lại cho các thiết bị, để phân tích các chương trình,

hoặc cho người dùng. Các giao thức có thể dùng trong IoT là:

- MQTT: Một giao thức cho việc thu thập dữ liệu và giao tiếp cho các máy

chủ (D2S).

- XMPP: Giao thức tốt nhất để kết nối các thiết bị với mọi người, một trường

hợp đặc biệt của mô hình D2S, kể từ khi người được kết nối với các máy chủ.

6

 DDS: Giao thức tốc độ cao cho việc tích hợp máy thông minh (D2D).  AMQP: Hệ thống hàng đợi được thiết kế để kết nối các máy chủ với nhau

(S2S).

* MQTT (Message Queue Telemetry Transport),mục tiêu thu thập dữ liệu và giao

tiếp D2S. Mục đích là đo đạc từ xa, hoặc giám sát từ xa, thu thập dữ liệu từ nhiều

thiết bị và vận chuyển dữ liệu đó đến máy trạm với ít xung đột nhất. MQTT nhắm

đến các mạng lớn của các thiết bị nhỏ mà cần phải được theo dõi hoặc kiểm soát từ

các đám mây.

MQTT hoạt động đơn giản, cung cấp nhiều lựa chọn điều khiển và QoS.

MQTT không có yêu cầu quá khắt khe về thời gian, tuy nhiên hiều quả của nó là rất

lớn, đáp ứng tính thời gian thực với đơn vị tính bằng giây.

Các giao thức hoạt động trên nền tàng TCP, cung cấp các đáp ứng đơn giản,

đáng tin cậy.

Hình 1.4: Ví dụ về MQTT * XMPP ban đầu được gọi là "Jabber."Nó được phát triển cho các tin nhắn tức

thời (IM) để kết nối mọi người với những người khác thông qua tin nhắn văn bản.

XMPP là viết tắt của Extensible Messaging và Presence Protocol.

7 Hình 1.5: Ví dụ XMPP

XMPP sử dụng định dạng văn bản XML, và cũng tương tự như MQTT chạy,

XMPP chạy trên nền tảng TCP, hoặc có thể qua HTTP trên TCP. Sức mạnh chính

của nó là một chương trình name@domain.comaddressing trong mạng Internet

khổng lồ.

1.1.2. IIoT

a. Khái niệm:

Mặc dù IoT được cho là có nhiều lợi ích trong nhiều ứng dụng IoT như nhà

thông minh, chăm sóc sức khỏe, giao thông và môi trường, nó cũng được cho là có

tác động đáng kể trong ngành bằng cách đạt được hiệu quả hơn, giám sát và kiểm

soát tối ưu hóa với giảm chi phí. IoT được kỳ vọng sẽ mang lại những đổi mới và

lợi ích cho ngành công nghiệp dẫn đến khái niệm IIoT. Hệ thống IIoT cho phép

ngành công nghiệp thu thập và phân tích một lượng lớn dữ liệu có thể được sử dụng

để cải thiện hiệu suất tổng thể của các hệ thống công nghiệp, cung cấp nhiều loại

dịch vụ khác nhau. Hệ thống IIoT cũng được cho là sẽ giúp giảm chi phí trong Chi

tiêu vốn (CAPEX) và Chi phí hoạt động (OPEX). Nhiều thuật ngữ tương tự được

đặt ra để mô tả khái niệm IoT thành Công nghiệp, ví dụ, Công nghiệp 4.0, IoT công

nghiệp và Sản xuất thông minh, v.v. Khái niệm cốt lõi đằng sau tất cả các thuật ngữ

này là việc sử dụng các công nghệ và ứng dụng tiên tiến (ví dụ: IoT, 5G, Điện toán

8

đám mây, Điện toán Edge / Fog, Máy học, v.v.) được tối ưu hóa đặc biệt cho các

quy trình công nghiệp. Vào năm 2011, một sáng kiến do chính phủ Đức đứng đầu,

được gọi là “Công nghiệp 4.0” hoặc đôi khi được gọi là “Công nghiệp 4.0”, đã được

đưa ra nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất trong ngành công nghiệp. Nó nhằm mục

đích trao đổi và thu thập thông tin trong toàn bộ vòng đời của bất kỳ sản phẩm nào.

IIoT được định nghĩa là: IOT công nghiệp (IIoT) là mạng lưới các thành

phần công nghiệp thông minh và có tính kết nối cao được triển khai để đạt được tốc

độ sản xuất cao với chi phí vận hành giảm thông qua giám sát thời gian thực, quản

lý và kiểm soát hiệu quả các quy trình công nghiệp, tài sản và hoạt động thời gian.

IIoT là một tập hợp con của IoT yêu cầu mức độ an toàn, bảo mật và giao

tiếp đáng tin cậy cao hơn mà không làm gián đoạn các hoạt động công nghiệp theo

thời gian thực do các môi trường công nghiệp quan trọng. Trọng tâm của IIoT là

quản lý hiệu quả các hoạt động và tài sản công nghiệp cùng với bảo trì dự đoán.

Bảng 1.1: Phác thảo sự khác biệt chính giữa các hệ thống IoT và IIoT

IIoT

IoT

Danh mục

Lĩnh vực trong tâm

Ứng dụng công nghiệp

Ứng dụng chung

Trọng tâm phát triển

Hệ thống công nghiệp

Thiết bị thông minh

Các biện pháp an ninh

Nâng cao và mạnh mẽ

Tập trung vào tiện ích

và rủi ro

Khả năng tương tác

CPS Tích hợp

Tự chủ

Khả năng mở rộng

Mạng quy mô lớn

Mạng quy mô thấp

Độ chính xác và sự

Được đồng bộ hóa đến ms

Được giám sát nghiêm ngặt

chính xác

Khả năng lập trình

Lập trình tại chỗ từ xa

Lập trình off-site dễ dàng

Đầu ra

Hiệu quả hoạt động

Thuận tiện và thuận lợi sử

dụng

Khả năng phục hồi

Yêu cầu khả năng chịu lỗi

Không yêu cầu

cao

Bảo dưỡng

Đã lên lịch và lên kế hoạch

Người tiêu dùng ưa thích

9

Mặt khác, Công nghiệp 4.0 là một tập hợp con của IIoT tập trung vào an toàn

và hiệu quả trong sản xuất. Sự phát triển của IIoT cũng được mong đợi rộng rãi

trong các mạng công nghiệp trong tương lai. IIoT sẽ cho phép các hệ thống Industry

5.0 thu hẹp khoảng cách giữa con người và máy móc và nó sẽ giúp đạt được tầm

nhìn cá nhân hóa lớn của Industry 6.0. Với những tiến bộ đáng chú ý trong lĩnh vực

IoT và IIoT, theo những ước tính sẽ có 70 tỷ thiết bị được kết nối Internet vào năm

2025 và vào năm 2023, thị phần của IIoT trên thị trường toàn cầu sẽ đạt khoảng

14,2 nghìn tỷ đô la Mỹ.

b. Kiến trúc và khung IIoT:

Một kiến trúc chung của các hệ thống IIoT đã được thảo luận bởi hiệp hội

internet công nghiệp [11], được trình bày trong Hình 1.6 trong đó các thiết bị IIoT

và các nguồn dữ liệu công nghiệp tạo ra các luồng dữ liệu liên tục ở Lớp-1 trong khi

các máy chủ biên và hệ thống điện toán đám mây trao quyền cho các ứng dụng IIoT

ở Lớp -2 và Lớp-3, tương ứng. Các ứng dụng doanh nghiệp được mô tả ở Lớp-4.

Hình 1.6 cũng cho thấy luồng dữ liệu và thông tin giữa các lớp khác nhau cũng như

nó cho thấy luồng điều phối để quản lý tài nguyên và luồng hoạt động để quản lý tài

sản trong mạng công nghiệp. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu khác nhau nhìn nhận

các kiến trúc này theo cách khác nhau khi xem xét các biến thể thiết kế về nhận

thức vị trí, mô hình giao tiếp, phân công tính toán, mô hình thực thi, kế hoạch quản

lý tài nguyên, an toàn, bảo mật, quyền riêng tư, khả năng giải quyết và khả năng

phục hồi, để kể tên một số.

G. Campobello và cộng sự. [11] đã đề xuất một giải pháp cho IIoT có tên là

Wireless EVolution for Automation (WEVA) dựa trên phần mềm mã nguồn mở và

các giao thức truyền thông. Kiến trúc của nó bao gồm các cảm biến, bo mạch truyền

động và hệ điều hành, giao thức, cổng truy cập, dịch vụ và ứng dụng. Hơn nữa,

WEVA sử dụng Easy WSN như một công cụ quản lý đồ họa. Các tác giả gợi ý rằng

IPv6 là một yêu cầu đối với IIoT về tính linh hoạt. Tuy nhiên, việc kết hợp các công

nghệ mạng này không phải là một công việc dễ dàng để đạt được IIoT hiệu suất cao

về mặt (độ trễ, bảo mật, v.v.). Tuy nhiên, nhiều nhà nghiên cứu đã đề xuất các giải

10

pháp, họ giải quyết một vấn đề hiệu suất cụ thể và bỏ qua việc tích hợp Mạng cảm

biến không dây (WSN) vốn đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng công

nghiệp.

Hình 1.6: Kiến trúc chung cho hệ thống IIoT

C. K. M. Lee và cộng sự. [11] đã đề xuất một bộ IIoT để đạt được tái công

nghiệp hóa cho Hồng Kông bằng cách giải quyết các thách thức khác nhau như xác

định đối tượng trong thời gian thực và vị trí của chúng trong suốt quá trình sản xuất,

thiết lập một hệ thống mạng cho phép các đối tượng giao tiếp giữa mạng và các đối

tượng khác trong thời gian thực, v.v. Các thành phần chính của kiến trúc bộ IIoT

bao gồm một trung tâm thông minh và một nền tảng đám mây. Trung tâm thông

minh hoạt động như một cổng cho các thiết bị IoT và quản lý các thiết bị IoT tại các

địa điểm khác nhau. Trung tâm thông minh dự định hoàn thành ba nhiệm vụ.Đầu

tiên, nó tạo điều kiện thuận lợi cho việc giao tiếp, trao đổi dữ liệu và xử lý dữ liệu

11

giữa các thiết bị IoT. Thứ hai, nó cung cấp các giải pháp thuận tiện khi mở rộng quy

mô hệ thống với các thiết bị IoT mới. Cuối cùng, nó cung cấp một kênh kết nối an

toàn giữa các thiết bị IoT và nền tảng đám mây bằng cách thực hiện thu thập, lọc,

xâm nhập và định dạng dữ liệu. Nền tảng đám mây của IIoT hoạt động giống như

bộ não của bộ IIoT và chịu trách nhiệm thực hiện Quản lý nhận dạng và truy cập

(IAM), cân bằng tải, khám phá / cấu hình thiết bị, thuật toán định tuyến, giám sát và

điều khiển các thiết bị IoT.

W. Z. Khan và cộng sự. [11] đã đề xuất một kiến trúc dựa trên IoT để kiểm

soát và giám sát các hoạt động của ngành dầu khí. Kiến trúc đề xuất có thể được áp

dụng cho hoạt động của cả ba lĩnh vực (tức là hạ nguồn, trung nguồn và thượng

nguồn) của ngành dầu khí. Kiến trúc bao gồm ba mô-đun bao gồm một đối tượng

thông minh, cổng và trung tâm điều khiển.

Mỗi mô-đun thực hiện chức năng đặc biệt và bao gồm ba lớp bao gồm lớp

ứng dụng, lớp mạng và lớp cảm biến. Các đối tượng thông minh được lắp đặt trên

các thiết bị dầu khí khác nhau (ví dụ: Đường ống, bể chứa, máy bơm và đầu giếng,

v.v.). Các đối tượng thông minh này được trang bị các loại cảm biến khác nhau (lưu

lượng, áp suất, nhiệt độ và âm thanh,…) để phát hiện các sự kiện khác nhau như rò

rỉ, cháy và mức chất lỏng,… Các đối tượng thông minh gửi dữ liệu cảm nhận của

chúng trực tiếp hoặc thông qua cổng vào trung tâm điều khiển. Các vật thể và cổng

thông minh cũng được trang bị bộ thu phát sóng vô tuyến (tầm ngắn và dài). Trung

tâm điều khiển bao gồm cơ sở dữ liệu để lưu trữ dữ liệu, ứng dụng quản lý, giao

diện đối tượng thông minh, công cụ phân tích dữ liệu và trực quan hóa dữ liệu.

Việc triển khai, cấu hình và tương tác giữa các thiết bị IIoT không đồng nhất

là một vấn đề quan trọng. Để đối phó với những vấn đề này, F. Tao et al. [11] đã đề

xuất một trung tâm dựa trên IIoT được gọi là IIHub. IIHub bao gồm ba mô-đun.

Mô-đun đầu tiên được gọi là Mô-đun truy cập tùy chỉnh (CA-Module) có nhiệm vụ

kết nối các thiết bị không đồng nhất được gọi là PMRs (Tài nguyên sản xuất vật lý)

thông qua một nhóm giao thức truyền thông. Mô-đun thứ hai được gọi là A-Hub

(Trung tâm truy cập) hoạt động như một cầu nối giữa công nhân nhà máy, thiết bị

12

đầu cuối thông minh và Mô-đun CA thông qua giao diện Wifi hoặc Ethernet và giao

thức Constrained Application Protocol (CoAP). Mô-đun thứ ba và quan trọng nhất

được gọi là LPS (Local Pool Service) hoặc các thiết bị đầu cuối thông minh. LPS

thực hiện các chức năng khác nhau và chịu trách nhiệm thu thập, xử lý dữ liệu, ra

quyết định thông minh và lưu trữ. Dựa trên dữ liệu do PMRs tạo ra, LPS thực hiện

xử lý dữ liệu thời gian thực và dự đoán tốc độ sản xuất dự kiến, tổng mức tiêu thụ

năng lượng và bảo trì dự đoán PMRs. Mỗi mô-đun IIHub được nhúng với các thư

viện mục đích đặc biệt. CA-Module có một nhóm các giao thức truyền thông tương

tác với nhau bằng cách sử dụng một thư viện được gọi là CPPLib (Thư viện Gói

Giao thức Truyền thông). A-Hub có một thư viện nhúng được gọi là MDIMLib

(Thư viện mô hình thông tin đa chiều) giúp kết nối. LPS có một thư viện nhúng

được gọi là DPALib (Thư viện thuật toán xử lý dữ liệu) thực hiện việc xử lý, phân

tích và ra quyết định dữ liệu.

B. Martinez và cộng sự. [11] đã đề xuất một nền tảng phần cứng công nghiệp

mở để cảm nhận và kết nối được gọi là I3Mote. Các thành phần chính của I3Mote

bao gồm các loại cảm biến khác nhau, bộ xử lý (MSP432), giao diện vô tuyến

không dây (CC2650) và hỗ trợ đa nguồn (pin, năng lượng mặt trời và nhiệt điện,...).

I3Mote về cơ bản là một phần cứng tạo mẫu nhằm cung cấp tất cả các tính năng

cảm biến và kết nối cần thiết cho IIoT và dẫn đến sản phẩm cuối cùng. Để phát triển

nhanh các ứng dụng công nghiệp, nền tảng I3Mote cũng cung cấp bộ gói phần

mềm. Các công cụ phần mềm có thể giúp xử lý dữ liệu, xử lý, phân tích và phát

triển ứng dụng nhanh chóng. I3Mote cũng cung cấp một tính năng độc đáo của phát

triển ứng dụng đơn giản bằng cách cung cấp hai bộ xử lý riêng biệt cho giao tiếp

(CC2650) và ứng dụng (MSP432). Hỗ trợ phần cứng và phần mềm mở của I3Mote

làm cho nó phù hợp để tự động hóa nhanh chóng và được áp dụng trong lĩnh vực

công nghiệp.

Z. Kaleem và cộng sự [11] đã đề xuất một kiến trúc ba lớp cho An toàn Công

cộng dựa trên LTE (Long Term Evolution) được gọi là DR-PSLTE. Trong kiến trúc

đề xuất, các tác giả đã sử dụng nhiều công nghệ gần đây khác nhau (ví dụ: SDN

13

(Mạng do phần mềm xác định), UAV (Phương tiện không người lái) dưới dạng

cloudlet, RAN (mạng truy cập vô tuyến) để đạt được khả năng chống lại thảm họa

và giảm độ trễ liên lạc. Kiến trúc đề xuất bao gồm gồm ba lớp. Lớp đầu tiên dựa

trên SDN, trong đó bộ điều khiển SDN chịu trách nhiệm quản lý đồng bộ hóa mạng,

tín hiệu điều khiển và tài nguyên. Lớp thứ hai dựa trên UAV đóng vai trò là

cloudlet. Các UAV này cung cấp hai dịch vụ cơ bản trong thảm họa hoặc các tình

huống khẩn cấp, tức là xử lý dữ liệu và giao tiếp dữ liệu. Cuối cùng, lớp thứ ba dựa

trên RAN chịu trách nhiệm về các dịch vụ truy cập vô tuyến cho người dùng cuối.

Các kiến trúc được đề xuất có thể được sử dụng trong môi trường IIoT để cung cấp

dữ liệu hiệu quả, chi phí thấp các dịch vụ xử lý và truyền thông dữ liệu về an toàn

công cộng trong các tình huống khẩn cấp / thiên tai. Tuy nhiên, mức tiêu thụ điện

năng, các vấn đề liên quan đến mạng quản lý, vị trí, quỹ đạo và dự đoán độ cao của

UAV là những thách thức mà các kiến trúc đề xuất này phải đối mặt.

1.2. Các công nghệ truyền thông trong IIoT

1.2.1.Giới thiệu chung

Z. Meng và cộng sự. et al. [11] đã đề xuất một mô hình thiết kế nhắn tin

ZMQ đại diện cho cơ chế nhắn tin Machine-to-Machine (M2M) chung và linh hoạt

giữa các máy để thông báo sự kiện và lệnh cũng như chia sẻ dữ liệu. Thử nghiệm sử

dụng nghiên cứu điển hình về cảm biến vi sóng kiểm tra chất lượng trong sản xuất

thực phẩm kết luận rằng kỹ thuật ZMQ được đề xuất là công cụ đầy hứa hẹn để xử

lý kết nối máy, sự hiện diện và phát hiện của máy và nhắn tin để cho phép truy cập

dữ liệu phổ biến và tương tác dữ liệu cho ứng dụng IoT cảm biến phong phú . Kỹ

thuật được đề xuất giải quyết các vấn đề về cấu trúc phức tạp và tính không đồng

nhất của các ứng dụng IIoT và góp phần vào khả năng đa nền tảng cho phép thực

hiện trên nhiều máy tính mạnh mẽ và thiết bị nhẹ khác nhau.

W. Yang và cộng sự. [11] đầu tiên đã đề xuất hai loại tấn công đồng bộ hóa

thời gian trong IIoT được gọi là tấn công Absolute Slot Number (ASN) và tấn công

Timeslot Template (TT) và sau đó hai thuật toán được gọi là thuật toán Sec ASN và

Bộ lọc ngưỡng (TOF) đã được đề xuất để chống lại đề xuất. hai cuộc tấn công sử

14

dụng ngăn xếp giao thức IIoT dựa trên IEEE802.15.4e. Khi các nút mới tham gia

mạng, chúng có thể nhận được các giá trị không chính xác của ASN, dưới sự tấn

công của ASN.

Bảng 1.2: Các giao thức truyền thông trong IIoT

Deign

Study

Industry

Protocol Hardware Software

Main Features

Type

IEEE

IRIS,

TinyOS,

Practical

The proposed architecture is

802.15.4,

TelosB,

Easy-

IPv6,

consisting of open source soft-

WEVA

General

CoAP,

ware and communication pro-

[12]

Industry

Chinese Re-

TP-Link

WSN,

Design

tocols are used. The network

mainder

MR3020

OpenWrt

set-up and maintenance is

Theorem

done through a GUI.

(CRT)

Conceptu

MQTT/

XML/

C. K. M. Manufacturing

Smart Hub

The proposed IIoT suite a

CoAP,

JSON,

smart hub and a cloud platform

Wi-Fi,

for re-industrialization in Hong

Blue-

RESTful

Kong. The proposed IIoT suite

Lee et al.

Industry

Design

tooth/BLE,

Web

helps in up-gradation and

[13]

ZigBee and

Service

achieving high production in

Z-Wave

manufacturing industry.

Conceptu

Wi-Fi,

Smart

Cloud

The proposed architecture can

Oil and Gas

Blue-

Objects,

based

W. Z. Khan

be applied to the operations of

et al. [14]

tooth,

Smart

all three sectors (i.e. down-

Industry

Design

Servers

ZigBee

Gateway

stream, midstream and up-

stream) of oil and gas industry.

RFID

The IIHub is proposed to slove

Wi-Fi,

labels,

the issue of deployment, con-

Manufacturing

XML,

IIHub [15]

Test-Bed

ZigBee,

Modbus-

figuration, and interaction be-

Industry

UML

CoAP

RTU, IIHub

tween heterogeneous IIoT de-

controller

vices.

15

Prototypi

IEEE

ARM -

Code

The I3Mote is an open Indus-

802.15.4,

MSP432,

Composer

Studio

I3Mote

General

V.7, GNU

6LoWPAN,

trial hardware platform for

[16]

Industry

Develop

CC2650,

ARM

Bluetooth

prototyping and final product

HART

GCC

ment

and BLE

development of IIoT.

compiler,

TI-RTOS

Conceptu

UAV,

Cloudlet

OpenFlow

The proposed architectures

eNodeB,

based

LTE, home

could be used in IIoT envi-

General

Z. Kaleem

eNBs

ronment to provide efficient,

Communication

et al [17]

and 3GPP

(HeNB),

low-cost data processing and

Architecture

Design

services

protocols

remote

data communication services

radio head

for public safety in emer-

(RRH)

gency/disaster situations.

Mặt khác, trong cuộc tấn công TT, nút độc hại dẫn đường nhầm cho nút hợp

pháp để tính toán độ lệch đồng hồ lỗi. Sec ASN là sự kết hợp của xác thực và một

phương pháp được gọi là 2s + 1. Việc xác thực được thực hiện thông qua hai bước,

đầu tiên xác minh thông tin về người gửi và sau đó kiểm tra thông tin được gửi để

giả mạo trong quá trình giao tiếp. Đối với phương pháp 2s + 1, một nút được chọn

từ các nút lân cận làm nút chia thời gian cho đồng bộ hóa. Thuật toán TOF được đề

xuất để ước lượng độ lệch đồng hồ sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất

thông qua sự khác biệt giữa thời gian nút bình thường và thời gian gửi của nút.

T. Qiu và cộng sự. [11] đã đề xuất một sơ đồ đồng bộ hóa thời gian mạnh mẽ

được gọi là R-Sync, loại bỏ các nút bị cô lập để làm cho tất cả các nút được đồng bộ

hóa và cũng giảm tiêu thụ năng lượng trên toàn bộ quá trình đồng bộ hóa. Hai bộ

hẹn giờ được sử dụng để kéo các nút bị cô lập tham gia vào các mạng được đồng bộ

hóa. Một bộ hẹn giờ dành cho đồng bộ hóa thời gian bằng cách sử dụng trao đổi tin

nhắn hai chiều và một bộ hẹn giờ khác khi bắt đầu quá trình đồng bộ hóa. Các tác

giả cũng đã giới thiệu một thuật toán lựa chọn nút gốc để cân bằng năng lượng tiêu

16

thụ giữa các nút cảm biến và kéo dài tuổi thọ của mạng cảm biến. Thuật toán đề

xuất được so sánh với ba thuật toán đồng bộ hóa thời gian hiện có, Giao thức đồng

bộ hóa thời gian cho mạng cảm biến (TPSN), Thuật toán lựa chọn cặp theo nhóm

(GPA) và Đồng bộ hóa thời gian tiết kiệm năng lượng dựa trên cây kéo dài

(STETS) và thông qua thử nghiệm, nó được hiển thị rằng các thuật toán R-Sync

được đề xuất có mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn các thuật toán GPA, TPSN và

STETS, đặc biệt là trong các mạng quy mô lớn và được kết nối dày đặc.

S. Katsikeas và cộng sự. [11] đã nghiên cứu việc triển khai bảo mật của giao

thức MQTT (Message Queue Telemetry Transport) sử dụng mã hóa trọng tải (với

AES, AES-CBC, AES-OCB) và lớp liên kết (với mã hóa AES-CCM) trong miền

công nghiệp. Các tác giả đã đánh giá và so sánh việc triển khai MQTT nhẹ và an

toàn bằng cách sử dụng WSN testbed (Raspberry Pi) và thông qua trình mô phỏng.

Hai nút được sử dụng trong quá trình đánh giá, Publisher để mô phỏng các cảm biến

IIoT và mã hóa dữ liệu, và Người đăng ký để mô phỏng các bộ truyền động IIoT và

giải mã dữ liệu. Để so sánh, độ trễ, mức sử dụng bộ nhớ và mức tiêu thụ năng lượng

được xem xét. Quan sát thấy rằng mã hóa trọng tải cấy ghép MQTT (với AES,

AES-CBC, AES-OCB) yêu cầu nhiều bộ nhớ, năng lượng và độ trễ cao hơn so với

cấy ghép MQTT với lớp liên kết (với mã hóa AES-CCM). Tuy nhiên, nếu kích

thước trọng tải là yếu tố hạn chế, AES-CBC có thể là một lựa chọn tốt hơn.

P. Ferrari và cộng sự. [11] đã điều tra độ trễ của giao thức MQTT cho IIoT

bằng cách quan sát thời gian khứ hồi (RTT) thông qua việc chuyển dữ liệu từ thực

địa đến đám mây và ngược lại. Các tác giả đã sử dụng thiết bị nhúng IoT2040 của

Siemens, tiết kiệm năng lượng Intel Quark x1020 (+ khởi động an toàn), RAM 1

GB, 2 cổng ethernet, giao diện 2xRS232 / 485, pin dự phòng RTC, Yocto Linux và

PC công nghiệp Intel i3-5000 với Windows 7 để thử nghiệm. Các công trình thử

nghiệm kết luận rằng độ trễ khứ hồi liên lục địa nhỏ hơn 300ms, trong khi độ trễ

khứ hồi cục bộ đạt được dưới 50ms. Sự chậm trễ của cả hai chiều là do Clouds miễn

phí được sử dụng, kết nối internet và phần cứng đã sử dụng. Tuy nhiên, việc triển

khai bộ lọc làm giảm các giá trị một cách hiệu quả.

17

M. Kiran và cộng sự. [11] đã đề xuất một mô hình lý thuyết /phân tích dựa

trên chuỗi Markov mới để phân tích hiệu suất của truy cập tranh chấp ưu tiên không

có vạch kẻ (PCA) và Đa truy cập theo cảm giác sóng mang với tính năng Tránh va

chạm (CSMA/CA) trong PAN không hỗ trợ beacon và PCA có rãnh và CSMA/CA

trong báo hiệu đã kích hoạt Mạng Khu vực Cá nhân (PAN). Độ tin cậy và hiệu suất

của mô hình đề xuất với sai số dưới 5% được xác nhận bằng cách sử dụng mô

phỏng Monte Carlo và giường thử nghiệm thời gian thực. Kết quả đạt được của

PCA có rãnh khẳng định rằng mức độ trễ và tiêu thụ điện năng giảm lần lượt là

63,3% và 97% so với CSMA / CA có rãnh, trong khi PCA không có rãnh đạt được

mức giảm tương ứng là 53,3% và 96% cho độ trễ và tiêu thụ điện năng so với

CSMA / CA không có rãnh mà không làm mất độ tin cậy đáng kể.

Công nghệ Truyền thông thông tin (ICT) là một bước đột phá về con người

với con người, con người với sự vật và sự vật với sự truyền tải thông tin. .

Nhiều công nghệ không dây có sẵn ngày nay đã, đang và sẽ tiếp tục được sử

dụng để kết nối các thiết bị IoT/IIoT và internet, bao gồm nhiều phạm vi WPAN và

WLAN như Wi-Fi, Hồng ngoại, Bluetooth, Bee, M-bus, v.v. Các giao thức truyền

thông có thể được phân loại rộng rãi vào các tiêu chuẩn Wi-Fi, Bluetooth, Satellite,

NFC và RFID.

1.2.2. WiFi

Đối với nhiều nhà phát triển, kết nối Wi-Fi thường là một lựa chọn hiển

nhiên, đặc biệt là với sự phổ biến của Wi-Fi trong môi trường mạng LAN gia đình,

cơ quan, xí nghiệp, nhà máy, ... Đó là mạng cục bộ sử dụng tiêu chuẩn IEE 802.11

trong dải bước sóng tần số 2.4 và 5GHz. Wi-Fi là công nghệ tầm ngắn và cung cấp

phạm vi khoảng 60 feet tính từ điểm truy cập.

Wi-Fi là một giao thức không dây được thiết kế để thay thế Ethernet bằng

phương tiện không dây. Mục tiêu của nó là cung cấp khả năng tương tác giữa nhiều

người bán với kết nối không dây tầm ngắn, dễ thực hiện, dễ sử dụng.

Wi-Fi tiêu chuẩn thường không phải là công nghệ IoT/IIoT tốt nhất , nhưng

một số ứng dụng IoT/IIoT có thể tận dụng tính năng hỗ trợ Wi-Fi tiêu chuẩn, đặc

18

biệt cho môi trường trong phòng điều khiển hoặc trong khuôn viên nhà máy, xí

nghiệp. Các trường hợp rõ ràng bao gồm tự động hóa khu làm việc và công xưởng

cũng như quản lý năng lượng trong khu văn phòng, nơi Wi-Fi có thể được sử dụng

làm kênh liên lạc và các thiết bị có thể được kết nối với các ổ cắm điện.

Mặt khác, Wi-Fi 802.11ah còn được gọi là “HaLow” được thiết kế đặc biệt

cho IoT/IIoT và yêu cầu các máy khách và cơ sở hạ tầng duy nhất. Các thiết bị được

hoạt động trong băng tần 900 MHz. Ta có thể thấy phạm vi phủ sóng trong hình 1.7

của chuẩn Wifi HaLow gấp đôi so với tiêu chuẩn 2.4 GHz nhưng lại tiêu tốn ít năng

lượng hơn và có khả năng xuyên qua các vật cản tốt hơn. Các chuyên gia đánh giá

tiêu chuẩn WiFi Hallow là chìa khóa của IoT/IIoT. Bên cạnh đó, các nhà cung cấp

công nghệ Wi-Fi vẫn đang tiếp tục cải tiến và đang cố gắng cung cấp công nghệ tốt

hơn mỗi ngày. Phiên bản 802.11ax còn được gọi là WiFi 6 được đặc biệt dùng cho

ứng dụng “machine to machine” trong môi trường công nghiệp, là ứng cử viên đầy

tiềm năng cho truyền thông trong IIoT.

Hình 1.7: Tầm hoạt động của WIFI Halow so với các WIFI 2.4 và 5GHz 1.2.3. Truyền thông qua hệ thống mạng diện thoại di động

Thông tin liên lạc qua hệ thống mạng điện thoại di động cho phép điện thoại

di động liên lạc với anten gần nhất trong khoảng 10-15 dặm. Chúng được gọi là

GSM, GPRS / GSM, 3G, 4G / LTE, 5G và các loại khác tùy thuộc vào tốc độ truyền

thông. Giao tiếp này còn được gọi là giao tiếp Máy với Máy trong IoT/IIoT vì nó

cho phép giao tiếp giữa các thiết bị di động.

19

Truyền thông này được thiết kế theo yêu cầu dường như là giải pháp khả thi

duy nhất cho hạn chế truyền thông là kết nối với nhau trên diện rộng của các thiết bị

IoT/IIoT. Công nghệ truyền thông di động thông qua vệ tinh có thể giúp lĩnh vực

IoT/IIoT phát triển và dễ dàng xử lý thách thức kết nối trên phạm vi rộng.

Hình 1.8: Truyền thông 5G cho xây dựng nhà máy thông minh trong kỷ nguyên IIoT

Tốc độ truyền dữ liệu có thể là một mối quan tâm đối với đặc tính dữ liệu

cao trong IoT/IIoT. Tuy nhiên, việc các giải pháp sáng tạo ra đời như 5G băng tần

milimet hay 6G, đây chỉ còn là vấn đề thời gian.

Bên cạnh đó, ác nhà cung cấp 5G và thông tin vệ tinh cho di động hiện đang

hợp tác với nhau để cung cấp các dịch vụ và thiết bị có khả năng phát huy hết tiềm

năng của IoT/ IIoT. Một giải pháp khác cũng đang được nghiên cứu để tích hợp

mạng cáp quang, vệ tinh và không dây. Bản chất toàn cầu của các hệ thống vệ tinh

và khả năng phát sóng đồng thời đến nhiều điểm khiến nó trở thành hệ thống truyền

tín hiệu hiệu quả nhất trên Trái đất. Để đạt được phạm vi phủ sóng toàn cầu, thẻ

truyền dẫn vệ tinh cùng với mạng mặt đất.

1.2.4. Bluetooth

Công nghệ Bluetooth đã có một chặng đường dài kể từ khi được Ericsson

phát minh ra vào năm 1994. Bluetooth được phát triển như một giải pháp thay thế

cho cáp RS tiêu chuẩn sau đó được sử dụng để kết nối các thiết bị bên ngoài với

20

PC. Bluetooth được sử dụng trong IoT để theo dõi thiết bị trong các lĩnh vực thương

mại, giáo dục hoặc chăm sóc sức khỏe. Nó cũng có thể được phát triển để theo dõi

các thiết bị trong lĩnh vực sản xuất.

Các ứng dụng Bluetooth rất hiệu quả cho các tình huống theo dõi trong nhà,

trong công xưởng hay văn phòng làm việc, .. có yêu cầu điện năng thấp hơn. Tuy

nhiên, kết nối Bluetooth thuộc loại kết nối tầm ngắn và không hỗ trợ truyền hoặc

theo dõi dưới nước. Hơn nữa, kết nối Bluetooth không được khuyên dùng cho các

giải pháp bảo mật yêu cầu thông tin hình ảnh hoặc âm thanh được truyền qua mạng.

Ra mắt vào năm 2009, Bluetooth năng lượng thấp đã tạo cơ hội cho IoT/IIoT

sử dụng Bluetooth làm phương tiện giao tiếp. BLE là một tiêu chuẩn đặc biệt giải

quyết các triển khai IoT/IIoT quy mô nhỏ như thiết bị đeo được và đèn hiệu cho

phép các thiết bị gửi một lượng nhỏ dữ liệu sử dụng năng lượng tối thiểu.

Hình 1.9: Cấu trúc xếp lớp của Bluetooth

Theo như hình 1.10 thì Bluetooth sử dụng truyền dẫn vô tuyến bước sóng

ngắn, băng tần 2.4GHz. Phạm vi phủ sóng của nó (khoảng 100 mét) tức là gấp mười

lần độ phủ của công nghệ Bluetooth thông thường trong khi độ trễ của nó giảm đi

15 lần. BLE có thể được vận hành ở mức năng lượng truyền tải từ 0.01 mW đến

10mW. Sử dụng BLE là một phương án tốt để đảm bảo truyền thông hai chiều giữa

các thiết bị không dây khác nhau với sự kéo dài tuổi thọ pin đáng kinh ngạc. BLE

21

cũng có thể làm việc liên tục với các điện thoại thông minh và cung cấp các giao

diện phong phú cho người dùng. Tính khả thi của việc sử dụng tiêu chuẩn này đã

được chứng minh trong phương thức truyền thông vehicle-to-vehicle cũng như các

mạng cảm biến không dây. So với ZigBee, BLE hiệu quả hơn trong việc giảm năng

lượng tiêu thụ và tỷ lệ năng lượng truyền cho mỗi bit truyền.

1.2.5. Zwave và ZigBee

Zwave:

Để có thể mang lại được tốc độ truyền tải nhanh, dung lượng đảm bảo đồng

thời giảm thiểu công suất tiêu thụ, rất nhiều công trình nghiên cứu về IIoT đã đề

xuất giải pháp là công nghệ Z-wave. Z-Wave ban đầu là một giao thức truyền thông

không dây công suất thấp cho mạng gia đình tự động (Home Automation Networks)

đã được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điều khiển từ xa trong ngôi nhà thông

minh cũng như các lĩnh vực thương mại cỡ nhỏ. Giao thức này ban đầu được phát

triển bởi ZenSys (hiện nay Sigma Designs) và sau đó được tận dụng và cải thiện

bằng Z-Wave Alliance. Z-Wave hoạt động trong băng tần ISM (khoảng 900 MHz)

và cho phép tốc độ truyền tải là 40 kbps. Các phiên bản mới cũng hỗ trợ tốc độ lên

đến 200 kbps. Lớp MAC của nó mang lại thêm lợi ích bằng cơ chế phòng chống

xung đột. Giao thức này tạo được một cơ chế truyền tin đáng tin cậy bằng trường

tùy chọn ACK trong các tin nhắn. Tại những vùng trống tầm hoạt động của Z-wave

có thể lên đến 30m. Tuy nhiện, khi phải truyền xuyên qua vật cản thì khoảng cách

đó giảm đi đáng kể. Ứng dụng chủ yếu cho Z-Wave là hệ thống điều khiển tự động

trong giới hạn ngắn, điều khiển ánh sáng, đo nhiệt độ, máy phát hiện khói, khóa cửa

điện tử, thiết bị văn phòng và hệ thống an ninh.

ZigBee:

Để các thiết bị IoT có thể hoạt động dựa trên nhiều giao thức được thiết kế

để có thể sử dụng được trong nhiều loại cấu trúc mạng vô tuyến khác nhau như

điểm-điểm, điểm-đa-điểm, rẽ nhánh hay hình sao. Đặc trưng chính của IoT là khả

năng tạo ra những mạng lưới cảm biến giám sát quy mô lớn. Và quan trọng là nó có

thể quản lý tới 65000 node mạng. Một trong những giải pháp tốt nhất cho vấn đề

22

này hiện nay là ZigBee, chuẩn được đưa ra bởi hiệp hội ZigBee. Đây là tên của một

giao thức phần mềm và là tên một công nghệ với nền tảng dựa trên chuẩn IEEE

802.15.4.

Hiệp hội ZigBee cũng hỗ trợ sẵn những thiết lập hoặc trình quản lý dưới

dạng phần mềm để dùng vào một số ứng dụng cụ thể trong công nghệ tự động trong

gia đình, trong xây dựng và điều khiển công nghiệp trong IIoT. Ví dụ về công nghệ

tự động trong xây dựng là hệ thống điều khiển ánh sáng hoặc hệ thống HVAC

(Heat, Ventilation and Air Conditioning – Điều hòa nhiệt độ, không khí và hệ thống

thông hơi), cũng như các hệ thống đo lường thông minh (là sự kết hợp giữa công

nghệ mạng gia đình và hệ thống đo lường).

1.3. Ứng dụng của IIoT trong kỷ nguyên công nghiệp 4.0

IIoT cho phép ra quyết định nhanh hơn. Nó kết nối con người, thiết bị và ứng

dụng để chúng có thể tương tác với độ tin cậy cao hơn và hiệu quả hoạt động tốt

hơn. Nó thúc đẩy điều kiện làm việc tốt hơn và kéo dài tuổi thọ của máy. IIoT cũng

có thể tối ưu hóa việc sử dụng tài sản và dự đoán điểm hỏng hóc. Khi được sử dụng

đúng cách, IIoT có thể: Cải thiện kết nối, tăng hiệu quả hoạt động, tăng năng suất,

tối ưu hóa tài sản, giúp mở rộng quy mô kinh doanh, cho phép chẩn đoán từ xa, tiết

kiệm chi phí, giảm thiểu lãng phí.

Tự động hóa trong sản xuất

Ứng dụng giải pháp IIoT trong sản xuất công nghiệp có thể hình dung đơn

giản là: máy móc trở nên thông minh hơn nhờ được gắn những cảm biến; được kết

nối internet và liên kết với nhau qua một hệ thống để có thể tự động nắm bắt toàn

bộ quy trình sản xuất rồi đưa ra quyết định; sản phẩm cũng chất lượng hơn nhờ các

cảm biến; thông báo cho máy móc biết chúng cần được xử lý như thế nào. Các thiết

bị trong sản xuất làm việc với nhau qua mạng không dây hoặc thông qua đám mây;

các cảm biến có cơ cấu hoạt động và điều khiển cho phép máy móc liên kết với

nhau; liên kết đến các hệ thống mạng khác và giao tiếp với con người. Phần lớn các

công ty sản xuất đang xem số hóa như là một yếu tố trong chiến lược sản xuất của

họ. Có nhiều cách tiếp cận để tự động hóa và số hóa nhà máy. Một hạ tầng IIoT bao

23

gồm những cảm biến; các hệ thống mạng và phần mềm;… được thiết lập tại những

bộ phận nhà máy bằng rất nhiều cách khác nhau. Thông thường chủ nhà máy sẽ đầu

tư vào việc mua các cảm biến; hệ thống mạng và phần mềm để quản lý độc lập. Tuy

nhiên, IIoT cho phép giám sát từ xa và mô hình doanh nghiệp mới khuyến khích sự

hợp tác và có thể đầu tư mà không cần nhiều vốn. Ứng dụng IIoT trong nhà máy sẽ

tiết kiệm được thời gian, cải thiện năng suất, tăng hiệu quả và tiết kiệm.

Sử dụng xe tự hành AGV

Việc vận chuyển nguyên liệu, thành phẩm trong nhà máy hoặc sản phẩm đến

kho có thể được thực hiện bằng các phương tiện tự hành. Xe tự hành AGV có khả

năng di chuyển xung quanh nhà máy bằng các cảm biến. Được điểu khiển bởi máy

tính hoặc máy tính bảng.

Tối ưu hóa hiệu suất máy móc thiết bị

Máy móc, thiết bị tự động hóa trong nhà máy là những công cụ chính tạo ra

giá trị cho doanh nghiệp. Nhờ cảm biến và xử lý dữ liệu, có thể tối ưu hóa thời gian

sử dụng máy móc bên trong nhà máy sản xuất. Bảo dưỡng đúng thời điểm, giảm

thời gian ngừng sản xuất,…

Giảm thiểu sai sót của con người

Con người vẫn là yếu tố thiết yếu trong nhiều nhiệm vụ trong nhà máy thông

minh. Nhưng các thiết bị, công cụ họ sử dụng được kết nối với hệ thống mạng IIoT

để tiết kiệm thời gian và tránh sai sót.

Theo dõi quá trình phân phối tới cùng

Các sản phẩm được lưu trữ tích hợp các cảm biến cung cấp dữ liệu thời gian

thực về vị trí của chúng. Thậm chí về nhiệt độ và các điều kiện xung quanh. Điều

này sẽ đặc biệt hữu ích trong quá trình phân phối, chẳng hạn như phân phối vắc-xin

COVID-19.

Giảm số vụ tai nạn

Các thiết bị đeo được, chẳng hạn như kính bảo hộ, vòng đeo tay và găng

tay,… khi những thiết bị này cũng được kết nối mạng Internet sẽ cho phép thu thập

dữ liệu từ người lao động đeo chúng. Ví dụ về dữ liệu này có thể là:

24

 Khoảng cách với máy móc không đủ an toàn  Nhiệt độ, nhịp tim, huyết áp của con người…

1.4. Anten cho thiết bị IoT/IIoT

Trong thời gian qua, khá nhiều thiết kế anten cho thiết bị IoT/IIoT đã được

công bố. A. Kuhn và các cộng sự [8] đã đề xuất anten hai băng tần GSM

(900/1800), và Wi-Fi (2.4GHz) với mục đích thu năng lượng RF cung cấp năng

lượng cho các thiết bị cảm biến năng lượng thấp hoạt động. Với mục đích tương

tự,B. J Bito và cộng sự [8] đề xuất anten trong hệ thống thu năng lượng hoạt động ở

băng tần ISM WLAN 2,4 GHz, cung cấp năng lượngcảm biến thông qua hoạt động

tự động của mạch công suất thấpvận hành cho thiết bị cảm biến hoạt động không

dây. Như chỉ ra trong hình 1.11, anten thiết kế có cấu trúc patch hình chữ nhật hai

cổng với hai khe chẻ trên mặt bức xạ.

Hình 1.10: Mô hình chế tạo anten có hai nguồn cấp cho hệ thống cảm biến IoT/IIoT

C. Palazzi và các cộng sự [8] lại đưa ra một cách tiếp cận khác cho anten

IoT/IIoT. Anten được được chế tạo trên chất nền giấy, hoạt động ỏ dải tần 0,79–

0,96 GHz; 1,71–2,17 GHz; và 2,5–2,69 GHz. Bên cạnh đó anten sử dụng các khe

chẻ hình vành khăn dựa trên nguyên lý bức xạ của anten có mặt bức xạ tròn như chỉ

ra trong hình 1.11.

25 Hình 1.11: Anten với khe chẻ hình vành khăn dựa trên nguyên lý bức xạ tròn

Albert Sabban sử dụng cấu trúc bức xạ tròn kết hợp với khe chẻ cũng có thiết

kế hình tròn để tạo anten hoạt động ở băng tần 2.6 GHz cho các ứng dụng cảm biến

trên cơ thể người, áp dụng cho IoT trong lĩnh vực y tế [7]. Akash k. Gupta cùng các

cộng sự với nghiên cứu về xu hướng thiết kế cho anten trong ứng dụng IoT cũng chỉ

ra trong đó anten có phần bức xạ tròn hoặc khe chẻ có cấu trúc hình tròn là một

trong các hình dáng được các nhà khoa học, thiết kế anten ưu tiên lựa chọn cho

anten trong ứng dụng IoT [8].

Bên cạnh việc sử dụng cấu trúc mặt bức xạ truyền thống có chẻ khe tròn hay

bức xạ tròn, một số anten còn sử dụng các cấu trúc phức tạp hơn như cấu trúc

fractal A. Anguera, J., Picher [8], B. Lee, J., Kum [8] hay anten tái cấu hình A.

Christodoulou, C. G., Tawk, Y., Lane [8] nhằm làm giảm kích thước anten.

Anten IIoT có khả nhiều điểm tương đồng với anten kích thước nhỏ nhưng

nó cũng có một số điểm khác biệt cơ bản như sau:

 Anten IIoT phải có độ linh hoạt trong việc sử dụng các băng tần để phù

hợp với nhiều chuẩn truyền thông không dây khác nhau.

 Phải có độ tin cậy cao để cung cấp phạm vi phủ sóng liên tục trong thời

gian thực.

 Phải có độ bền lớn để chống chọi với điều kiện khắc nghiệt của môi

trường công nghiệp.

Theo Mobile Mark [9], hiện nay một số các giải pháp anten IIoT sử dụng

công nghệ 4G LTE cho truyền thông đang chuyển dần sang 5G nhưng phần nhiều

các ứng dụng IIoT chuyển sang đa công nghệ không sử dụng băng tần thông tin di

26

động như GPS, GNSS, IMS, SigFax, LoraWan, ….

1.5. Kết luậnchương 1

Nội dung chương 1 đã mang đến một cái nhìn tổng quan về IoT/IIoT, các

kiến trúc, giao thức truyền thông cho IIoT. Các công nghệ truyền thông trong

IoT/IIoT và ứng dụng của IIoT trong kỷ nguyên công nghiệp 4.0. Đồng thời cũng

tìm hiểu được một số loại anten đã đề xuất sử dụng cho các thiết bị IoT/IIoT là cơ

sở để nghiên cứu sâu hơn về anten vi dải có mặt bức xạ tròn trong chương tiếp theo.

27

CHƯƠNG 2: ANTEN VI DẢI CÓ MẶT BỨC XẠ TRÒN

2.1.Tổng quan về anten vi dải

Anten vi dải là một trong những anten bức xạ mặt. Anten có cấu trúc phẳng,

bao gồm bốn phần chính: một lớp kim loại ở mặt trên gọi là mặt bức xạ, một lớp

kim loại ở mặt dưới gọi là mặt đất (màn chắn kim loại), một lớp điện môi giữa hai

lớp kim loại và bộ phận tiếp điện. Anten vi dải phù hợp với cấu trúc mảng anten

(array antenna) cho phép tăng độ lợi, độ định hướng và có thể kết hợp với các giải

thuật xử lý số tín hiệu để tạo thành các anten thông minh trong nhiều ứng dụng kĩ

thuật cao. Anten vi dải cũng thường được lựa chọn trong các thiết bị đầu cuối vô

tuyến nhỏ gọn do có cấu trúc phẳng, có thể thiết kế tích hợp trên cùng một bo mạch

điện tử.

2.1.1. Cấu tạo anten vi dải

Anten vi dải gồm có các phần chính là phiến kim loại, lớp đế điện môi, màn

chắn kim loại, và bộ phận tiếp điện. Phiến kim loại được gắn lên trên lớp đế điện

môi tạo lên một kết cấu tương tự như một mảng của mạch in vì thế anten vi dải còn

được gọi là anten mạch in.

Hình 2.1: Cấu tạo anten vi dải

Các thông số cấu trúc cơ bản của một phần tử anten vi dải là chiều dài L,

chiều rộng W, độ dày t của miếng patch. Độ dày h và hằng số điện môi của lớp đế

điện môi. Hằng số điện môi đóng vai trò quan trọng nhất với hoạt động của anten,

nó ảnh hưởng trực tiếp đến trở kháng đặc tính, tần số cộng hưởng, dải tần và hiệu

suất làm việc của anten. Anten vi dải có hai cách tiếp điện chính là: Tiếp điện bằng

28

đường chuyền vi dải hoặc cáp đồng trục.

2.1.2.Nguyên lý hoạt động của anten vi dải

Hoạt động dựa trên nguyên lý bức xạ mặt. Nguyên lý bức xạ mặt là: Các bề

mặt được kích thích bởi trường điện từ bức xạ từ một nguồn sơ cấp nào đó. Trường

kích thích sẽ tạo ra trên bề mặt ấy các thành phần điện trường E và từ trường H

vuông góc với nhau, lúc đó bề mặt này sẽ trở thành nguồn bức xạ thứ cấp và gọi là

mặt bức xạ của anten.

Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của anten vi dải

2.1.3. Sóng trong cấu trúc anten vi dải

Có 4 loại sóng trong cấu trúc anten vi dải đó là: Sóng không gian, sóng mặt,

sóng rò, sóng trong ống dẫn sóng. Hầu hết năng lượng sẽ được biến đổi thành sóng

trong không gian, nếu với cấu trúc dẫn sóng thì phần lớn năng lượng được giữ trong

ống dẫn sóng. Còn hai loại sóng còn lại là sóng mặt và sóng rò là những suy hao

không mong muốn.

Hình 2.3: Sóng trong cấu trúc anten vi dải

29

+ Sóng trong ống dẫn sóng (tia A) đó là sóng tồn tại trong lớp đế điện môi

giữa màn chắn dẫn điện và miếng patch.

+ Sóng không gian (tia B) được phát xạ lên phía trên bề mặt phiến kim loại,

những sóng này có thể bức xạ đi xa, biên độ trường giảm nhanh theo khoảng cách

với tỉ lệ 1/r. Sóng không gian chỉ tồn tại ở nửa không gian phía trên bởi vì màn chắn

kim loại đã ngăn cản việc bức xạ xuống nửa không gian phía dưới.

+ Sóng rò (sóng C) phát sinh khi sóng truyền trong lớp điện môi tới màn

chắn theo góc tới nhỏ hơn góc giới hạn. Sau khi phản xạ từ màn chắn một bộ phận

của sóng sẽ khúc xạ qua mặt giới hạn điện môi-không khí khiến cho một phần năng

lượng rò ra khỏi lớp điện môi. Vì vậy sóng này được gọi là sóng rò. Có một số

anten hoạt động dựa trên cơ chế lợi dụng sóng này (anten sóng rò).

+ Sóng mặt (tia D) là các sóng có năng lượng chủ yếu tập trung chủ yếu trên

bề mặt và bên trong lớp điện môi. Chúng được phản xạ toàn phần trên lớp điện môi

không khí. Sóng này có thể gây xuyên nhiễu hoặc làm méo dạng đồ thị phương

hướng do tán xạ và phản xạ tại bờ của lớp điện môi. Nhưng cũng có một số anten

dựa trên cơ chế lợi dụng sóng mặt (anten sóng mặt).

2.2. Phân loại anten vi dải

2.2.1. Phân loại theo cấu trúc anten

Anten vi dải dạng tấm:

Một anten patch vi dải dạng tấm bao gồm một patch dẫn điện dưới dạng hình

học phẳng hay không phẳng trên một mặt của miếng đế điện môi và mặt phẳng đất

nằm trên mặt phẳng còn lại của đế. Anten patch vi dải có nhiều dạng khác nhau

nhưng đặc tính bức xạ của chúng hầu như giống nhau do chúng hoạt động

giống như mộtdipole. Trong số các loại anten patch vi dải, anten có dạng hình

vuông và hình tròn là hai dạng thông dụng và sử dụng rộng rãi.

Anten vi dải lưỡng cực:

Dipole vi dải có hình dạng giống với anten vi dải patch hình vuông nhưng

chỉ khác nhau tỷ số L/W. Bề rộng của dipole thông thường bé hơn 0.05 lần bước

sóng trong không gian tự do. Đồ thị bức xạ của dipole vi dải và anten patch vi

30

dải giống nhau tuy nhiên ở các đặc tính khác như: điện trở bức xạ, băng

thông và bức xạ phân cực chéo (cross- polar ) thì chúng hầu như khác nhau. Anten

dipole vi dải thì thích hợp với các ứng dụng ở tần số cao do chúng sử dụng miếng

đế điện môi có bề dày tương đối dày do vậy chúng đạt được băng thông đáng kể.

Việc lựa chọn mô hình cấp nguồn rất quan trọng và phải tính đến khi phân

tích anten dipole vidải.

Anten khe vi dải:

Printed Slot Antenna có cấu tạo bao gồm một khe trong mặt phẳng đất của

một đế được nối đất (ground substrat). Khe này có thể có nhiều hình dạng khác

nhau như là: hình chữ nhật, hình tròn, hình nến,.. Anten loại này bức xạ theo hai

hướng nghĩa là chúng bức xạ trên hai mặt của khe, chúng ta có thể tạo ra

bức xạ đơn hướng bằng cách sử dụng một mặt phản xạ ở một phía của khe.

Anten vi dải sóng chạy:

MTA được cấu thành bởi một loạt các vật dẫn xích lại với nhau hay

một đoạn đường truyền vi dải đủ dài và đủ rộng để có thể hổ trợ chế độ truyền TE .

Trong đó, đầu của anten được nối đất và đầu còn lại được phối hợp trở kháng để

tránh hiện tượng sóng đứng trên anten. Anten MTA có thể được thiết kế để

hướng búp song chính trong bất kỳ phương nào.

2.2.2. Phân loại theo hình dáng bức xạ

Anten vi dải còn có tên gọi khác là anten patch, với miếng bức xạ (patch) có

thể là hình vuông, hình chữ nhật, dải mỏng (lưỡng cực), hình tròn, hình elip, hình

tam giác hay bất kỳ hình dạng nào khác như được chỉ ra trong hình 2.4. Trong đó,

các hình dáng đều cố gắng được qui về để phân tích hoạt động theo nguyên lý của

một trong các loại cơ bản sau:

 Anten patch chữ nhật  Anten patch lưỡng cực  Anten patch tròn  Anten patch tam giác

Trong đó, anten lưỡng cực thường được sử dụng nhiều trong các thiết kế

31

mảng do đặc tính băng thông rộng và chiếm dụng ít không gian. Anten patch vuông,

chữ nhật và tròn thường phổ biến hơn cả vì đặc tính bức xạ cũng như khả năng phân

tích, chế tạo thuận lợi hơn các loại hình patch khác.

Hình 2.4: Các hình dáng khác nhau của anten vi dải

2.3. Anten vi dải có mặt bức xạ tròn

2.3.1. Cấu trúc

Hình dạng anten vi dải bức xạ tròn cơ bản bao gồm patch tròn mỏng, dẫn

điện trên một chất điện môi được hỗ trợ bởi một mặt phẳng đất như chỉ ra trong

hình 2.5.

Hình 2.5: Cấu trúc hình học của anten vi dải có mặt bức xạ tròn

Có thể phân tích các đặc tính của ăng-ten mặt bức xạ tròn bằng cách phân

tích mặt bức xạ, mặt phẳng đất và vật liệu cách điện hay chất diện môi. Tương tự

như khi phân tích anten patch hình chữ nhật, các chế độ của một ăng-ten vi dải tròn được giới hạn trong điều kiện chiều cao bề mặt nhỏ (h <<λ) theo TMz trong đó z

32

được lấy vuông góc với mặt bức xạ. Theo các kích thước của miếng patch, có hai

tham số để điều khiển (chiều dài và chiều rộng) cho anten microstrip hình chữ nhật.

Do đó các chế độ, đặc tính của anten có thể được thay đổi bằng cách thay đổi kích

thước tương đối của chiều rộng và chiều dài của miếng patch cũng như tỷ lệ chiều

rộng trên chiều dài. Tuy nhiên, đối với miếng patch hình tròn chỉ có một tham số để

kiểm soát (bán kính của mặt bức xạ). Điều này không thay đổi thứ tự của các chế độ

hoạt động của anten nhưng lại làm ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng cũng như cách

thức xác đinh tần số cộng hưởng.

Bên cạnh đó, khi phân tích toàn sóng cho anten mặt bức xạ hình tròn bằng

cách sử dụng mô hình khoang với quy trình tương tự như đối với mặt bức xạ hình

chữ nhật nhưng sử dụng tọa độ trụ. Khoang được cấu tạo bởi hai dây dẫn điện hoàn

hảo ở trên cùng và dưới cùng để đại diện cho miếng patch và mặt phẳng đất, và bởi

một hình trụ dẫn từ hoàn hảo xung quanh ngoại vi hình tròn của khoang. Tuy nhiên,

trong phần tính toán này chưa tính đến hằng số điện môi của vật liệu chất nền.

Vì h « nên các trường không biến thiên theo phương z. Do đó, điện trường

bên trong chất nền chỉ có thành phần z, và từ trường về cơ bản chỉ có p. Thành phần

của dòng điện bình thường đến mép của anten patch tròn tiếp cận 0 ở mép. Điều này

ngụ ý rằng thành phần tiếp tuyến của từ trường ở rìa patch là rất nhỏ. Với những giả

định này, patch tròn có thể được mô phỏng như một khoang hình trụ, được bao bọc

ở phía trên và phía dưới của nó bởi các bức tường điện và ở cạnh của nó bởi một

bức tường từ tính. Do đó, các trường bên trong vùng điện môi của khoang

microstrip, tương ứng với chế độ TMnm, có thể được xác định bằng cách giải

phương trình sóng cho khoang.

2.3.2. Tính chất điện và từ của anten

Để xác định các trường bên trong khoang, người ta thường sử dụng phương pháp tiếp vectơ. Đối với TMz trước tiên cần phải tìm vectơ từ Az, trong trụ tọa độ,

phương trình sóng được xác định như sau:

2 Az(ρ , , z) + k2Az(ρ , , z) = 0

(2.1)

Nó được chỉ ra rằng đối với các chế độ TMz, mối tương quan giữa điện ∇

33

trường và từ trường theo vectơ Az được xác định theo công thức:

1 𝜇 1 𝜌 𝜕𝐴𝑧 𝜕∅ 1 𝜔𝜇𝜖 (2.2) 𝐻𝜌 =  𝐸𝜌 = −𝑗  𝐴𝑧 𝜕 𝜕𝜌𝜕𝑧 2

𝐻 𝐸 = −𝑗 1 𝜇 𝜕𝐴𝑧 𝜕𝜌 1 𝜔𝜇𝜖 1 𝜌 = − 𝐴𝑧 𝜕 𝜕∅𝜕𝑧 2

2 + 𝑘

( 𝐸𝑧 = −𝑗 ) 𝐴𝑧 𝐻𝑧 = 0 Với các điều kiện biên bao gồm: 1 𝜔𝜇𝜖

𝜕 𝜕𝑧 Eρ(0 ≤ ρ’≤ a, 0 ≤ ’≤ 2π, z’ = 0) = 0

(2.3) Eρ(0 ≤ ρ’≤ a, 0 ≤ ’≤ 2π, z’ = h) = 0

H(ρ’= a, 0 ≤ ’≤ 2π, 0 ≤ z’≤ h) = 0

Vectơ từ trường Az giảm xuống:

(2.4)

với phương trình ràng buộc:

rµ€

r= ω2

(kp)2 + (kz)2 = k2 (2.4a)

Tọa độ trụ với ρ/, φ/, z/ được sử dụng để đại diện cho các trường trong khoang trong

khi Jm (x) là hàm Bessel của loại bậc nhất m, được xác định theo::

(2.4b) kp = χ’mn/a

kz = pπ/h (2.4b)

m = 0, 1, 2,... (2.4d)

n = 1, 2, 3,... (2.4e)

mn đại diện cho bậc 0 của đạo hàm của hàm Bessel Jm (x),và

p = 0, 1, 2,... (2.4f)

mn,theo thứ tự tăng dần, là:

Trong (2.4b) χ/

′

thường được dùng để xác định các tần số cộng hưởng. Bốn giá trị đầu tiên của χ/

′

𝑥 (2.5)

11 = 1.8412 21 = 3.0542 01 = 3.8318 ′ 11 = 4.2012

𝑥 ′ 𝑥

𝑥

34

2.4. Các tham số thiết kế của anten vi dải có mặt bức xạ tròn

2.4.1. Tần số cộng hưởng

Các tần số cộng hưởng của khoang tròn cũng là tần số cộng hưởng của anten

microstrip có mặt bức xạ tròn có thể được tính toán gần đúng thông qua công thức

(2.4a)-(2.4f). Vì đối với hầu hết các anten microstrip điển hình, chiều cao h của vật

mn0 có thể được tính

liệu điện môi thường rất nhỏ là rất nhỏ (thường h <0,05λ0) vì vậy các trường dọc

theo phương z về cơ bản là không đổi và được xác định theo (2.4f) với p = 0 và trong (2.4c) với kz = 0. Do đó tần số cộng hưởng tại chế độ TMz

gần đúng như sau:

′

𝑚𝑛

(2.6)

210, TMz

010, vàTMz

110, TMz

310.Tần số cộng hưởng trong

110 được xác định gần đúng theo công thức:

𝑥 ( (𝑓𝑟)𝑚𝑛0 = 𝑎 1 2𝜋√𝜇𝜖 ) Dựa trên các giá trị được xác định trong (2.5), bốn chế độ hoạt động đầu tiên,

theo thứ tự tăng dần, là TMz chế độ TMz

(2.7)

(𝑓𝑟)110 = = 1.8412 2𝜋𝑎√𝜇𝜖 trong đó υ0 là tốc độ truyền ánh sáng trong không gian.

1.8412 2𝜋𝑎√∈𝑟 Tần số cộng hưởng được xác định trong (2.7) chưa tính đến ảnh hưởng của

đường viền. Như được phân tích trong phần 2.1 cho anten vi dải có mặt bức xạ hình

chữ nhật, đường viền làm cho miếng patch trông lớn hơn về mặt điện và vì thế cần

hiệu chỉnh độ dài bởi hệ số cho trước. Tương tự như vậy đối với miếng patch hình

tròn, để tính toán gần đúng được tần số cộng hưởng của anten, cần phải sử dụng

tham số hiệu chỉnh với bán kính hiệu dụng ae được dùng để thay thế cho bán kính

thực tế a. Bán kính hiệu dụng này được xác định theo công thức:

1/2

(2.8)

) + 1.7726]} 𝑎𝑒 = 𝑎 {1 + 𝜋𝑎 2ℎ

110 được xác định trong công thức

2ℎ 𝜋𝑎𝜖𝑟 [ln ( Do đó tần số cộng hưởng trong chế độ TMz

35

(2.7) sẽ được hiệu chỉnh theo công thức sau:

1/2

(2.9)

) + 1.7726]} 2ℎ 𝜋𝑎𝜖𝑟 [ln ( 𝜋𝑎 2ℎ 𝑎𝑒 = 𝑎 {1 + 2.4.2. Bán kính bức xạ

Dựa trên mô hình khoang, để có thể thiết kế được anten có mặt bức xạ tròn,

cần xác định được bán kính thực tế của miếng bức xa dựa trên các tham số yêu cầu

của thiết kế bao gồm: hằng số điện môi của chất nền (Ir), tần số cộng hưởng (fr) và

chiều cao của chất nền h. Giả thiết tính toán này được thực hiện trong chế độ

110. Các thủ tục giả định rằng thông tin được chỉ định bao gồm các thủ tục như

TMz

Cách thức xác định: Tính toán gần đúng a để tìm ra ae dựa trên công thức

(2.8) và (2.9).

1 2

(2.10)

𝑎 =

2ℎ 𝜋𝜖𝑟𝐹 [ln (

{1 + 𝐹 𝜋𝐹 2ℎ) + 1.7726]} Trong đó:

(2.11)

𝐹 = 8.791 × 10 √𝜖𝑟 𝑓𝑟 Đơn vị tính của h trong (2.10) phải tính bằng cm

Ví dụ: Thiết kế một anten vi dải tròn sử dụng chất nền (RT/duroid 5880) với chất

điện môi hằng số 2,2, h = 0,1588 cm (0,0625 in.) để cộng hưởng ở tần số 10 GHz.

Giải pháp: Sử dụng công thức tính:

8.791 × 10 = 0.593 𝐹 = 10 × 10 √2.2 Do đó sử dụng (2.10)

1 2 = 0.525 𝑐𝑚(0.207 𝑖𝑛. )

𝑎 =

2ℎ 𝜋𝜖𝑟𝐹 [ln (

𝐹 𝜋𝐹 2ℎ) + 1.7726]} {1 + Đây cũng chính là phương thức để dựa trên đó sẽ xác định bán kính của thiết

36

kế anten trong chương 3.

2.4.3. Mật độ dòng tương đương và trường bức xạ

Như đã được thực hiện đối với mặt bức xạ hình chữ nhật bằng cách sử dụng

mô hình khoang, các trường bức xạ thu được từ mặt bức xạ hình tròn có thể được

xác định theo cách tương đương, theo đó thành chu vi của khoang được thay thế

110, các trường điện và từ

bằng mật độ dòng điện từ tương đương như hiển thị Hình 2.6. Dựa trên công thức (2.3) và (2.5) với điều kiện sử dụng phân bố chế độ TMz

trong khoang được xác định như sau:

(2.12a)

′

𝐸𝜌 = 𝐸∅ = 𝐻𝑧 = 0 (2.12b)

′

)𝑐𝑜𝑠∅′ 𝐸𝑧 = 𝐸0𝐽1(𝑘𝜌 (2.12c)

′

𝐽1(𝑘𝜌 𝐻𝜌 = 𝑗 1 𝜌 )𝑠𝑖𝑛∅′ (2.12d)

𝐻∅ = 𝑗 )𝑐𝑜𝑠∅ (𝑘𝜌 trong đó = ∂/∂ρ và Ø/ là góc phương vị dọc theo chu vi của miếng bức xạ. 𝐸0 𝜔𝜇0 𝐸0 𝜔𝜇0 𝐽1

Dựa trên (2.12b) có thể xác định được chiều dài điện tương đương của miếng bức xạ hình tròn (ρ/ = ae), do đó mật độ dòng điện từ có thể được tính toán như sau:

′

(2.13)

=𝑎𝑒 = 𝑎̂𝜙2𝐸0𝐽1(𝑘𝑎𝑒)𝑐𝑜𝑠𝜙 đều dọc theo hướng z, chúng ta có thể xác định gần đúng dòng từ trường như sau:

′

Vì chiều cao của bề mặt rất nhỏ và mật độ dòng điện tính theo (2.13) là đồng 𝑀𝑠 = −2𝑛̂ × 𝐸𝑎|𝑝

(2.13a) ℎ

Trong đó V0 = hE0J1(kae) tại Ø/= 0. = 𝑎̂𝜙2𝑉0𝑐𝑜𝑠𝜙 𝑀𝑠 = 𝑎̂𝜙2ℎ𝐸0𝐽1(𝑘𝑎𝑒)𝑐𝑜𝑠𝜙

𝐼𝑚 = Sử dụng công thức (2,13a), anten microstrip có thể được coi như một vòng

lặp do đó phương trình bức xạ ta có thể xác định như sau:

′

(2.14a)

−𝑗𝑘0𝑟

𝐸𝑟 = 0 (2.14b)

02}

{𝑐𝑜𝑠𝜙𝐽 𝐸𝜃 = −𝑗 (2.14c) 𝑘0𝑎𝑒𝑉0𝑒 2𝑟 −𝑗𝑘0𝑟

{𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑖𝑛𝜙𝐽02} 𝐸𝜃 = 𝑗 𝑘0𝑎𝑒𝑉0𝑒 2𝑟

37

′

(2.14d)

(2.14e) 02 = 𝐽0(𝑘0𝑎𝑒𝑠𝑖𝑛𝜃) − 𝐽2(𝑘0𝑎𝑒𝑠𝑖𝑛𝜃) 𝐽

𝐽02 = 𝐽0(𝑘0𝑎𝑒𝑠𝑖𝑛𝜃) + 𝐽2(𝑘0𝑎𝑒𝑠𝑖𝑛𝜃)

Hình 2.6: Mô hình lỗ trống và mật độ dòng điện từ tương đương cho anten microstrip

bức xạ tròn

Trong đó ae bán kính hiệu dụng như đã cho (2.10). Các trường trong các mặt

phẳng chính được xác định như sau:

°

′

E-plane ( ° ° °

𝝓 = 𝟎 , 𝟏𝟖𝟎 , 𝟎 (2.15a) ) −𝑗𝑘0𝑟

[𝐽02 ] 𝐸𝜃 = 𝑗 (2.15b) ≤ 𝜽 ≤ 𝟗𝟎 𝑘0𝑎𝑒𝑉0𝑒  2𝑟

°

H-plane ( ° ° ° 𝐸 = 0

(2.15a) 𝝓 = 𝟗𝟎 , 𝟐𝟕𝟎 , 𝟎 )



−𝑗𝑘0𝑟

2𝑟

(2.15b) [ ≤ 𝜽 ≤ 𝟗𝟎 𝐸𝜃 = 0 𝑘0𝑎𝑒𝑉0𝑒

𝑐𝑜𝑠𝜃𝐽02] Các trường này được tính toán cho anten có mặt bức xạ hình tròn trong ví dụ = 𝑗 𝐸

của mục 2.4.2 với diện tích mặt phẳng đất là15 cm x 15 cm.

2.4.4. Độ định hướng

Độ dẫn phụ thuộc vào công suất bức xạ và khả năng định hướng của anten vi

dải có mặt bức xạ tròn và có thể được xác định bằng cách sử dụng các định nghĩa

tương ứng của chúng. Dựa trên các trường củamô hình khoang có thể được xác định

′

như sau:

𝜋 2⁄

(2.16)

2 𝐽02

2 ∫ [𝐽02 0

2 (𝑘0𝑎𝑒) 960

+ 𝑐𝑜𝑠 𝜃 ]𝑠𝑖𝑛𝜃𝑑𝜃 𝑃𝑟𝑎𝑑 = |𝑉0|

38

(a) Mặt phẳng E (b) Mặt phẳng H

Hình 2.7: Bức xạ của anten patch tròn

Hình 2.7 thể hiện kết quả đo và tính toán (dựa trên phương pháp momen

trong mô hình khoang. Các giản đồ bức xạ của anten trên mặt phẳng E và H của

anten có mặt bức xạ tròn với các thông số thiết kế a = 0,525 cm, ae = 0,598 cm, ρf =

0,1cm, €r = 2,2, h = 0,1588 cm, f0 = 10 GHz, λ0 = 3 cm.

Độ dẫn trong chất điện môi giữa mặt phẳng bức xạ và mặt phẳng đất tại Ø/=

′

0 được xác định như sau:

𝜋 2⁄

(2.17)

2 𝐽02

+ 𝑐𝑜𝑠 𝜃 ]𝑠𝑖𝑛𝜃𝑑𝜃 𝐺𝑟𝑎𝑑 = (𝑘0𝑎𝑒) 2 ∫ [𝐽02 2.4.5. Trở kháng đầu vào 0 480

Trở kháng đầu vào được định nghĩa là trở kháng của anten tại các đầu cấp

nguồn hoặc tỷ số giữa điện áp và dòng điện tại một cặp cấp nguồn hoặc tỷ số của

các thành phần của điện trường và từ trường tại một điểm. Nếu trở kháng vào là một

số thực, tức là dòng điện sẽ cùng pha với điện áp. Trở kháng vào ảnh hưởng đến suy

hao và hiệu suất nên khi tính toán thiết kế phải đặc biệt lưu ý đến tham số này.

Ngoài ra trở kháng vào cũng phụ thuộc và tần số.

Khi xem xét một anten vi dải patch tròn được cung cấp bởi tiếp điện cáp đồng trục. Điểm tham chiếu được lấy tại tâm với Ø/=00, trở kháng đầu vào tại

39

khoảng cách ’=0 tính từ tâm miếng patch, được xác định như sau:

(2.18)

Trong đó Gt là độ dẫn tổng được xác định theo công thức:

(2.19)

Grad được xác định trong công thức (2.17), Gc và Gd được xác định như sau:

(2.20)

(2.21)

Sự phụ thuộc của độ dẫn điện và trở kháng đầu vào theo bán kính hiệu dụng

của anten được minh họa trực quan hơn thông qua đồ thị được thể hiện trên hình 2.8

và 2.9.

Hình 2.8: Sự phụ thuộc của độ dẫn điện theo bán kính hiệu dụng của anten patch

110 tròn trong chế độ TMz

40 Hình 2.9: Sự phụ thuộc của trở kháng đầu vào theo bán kính hiệu dụng của anten

110 patch tròn trong chế độ TMz

2.5. Kết luận chương 2

Chương 2 đã tìm hiểu tổng quan về anten vi dải bao gồm cấu tạo, nguyên lý

hoạt động, sóng trong cấu trúc của anten vi dải. Đồng thời cũng phân loại anten vi

dải theo cấu trúc anten và hình dáng bức xạ. Bên cạnh đó nội dung về tính chất điện

và từ, cấu trúc của anten vi dải có mặt bức xạ tròn cũng được giới thiệu cùng với

các tham số thiết kế anten làm cơ sở bước vào chương 3 Thiết kế anten vi dải có

mặt bức xạ tròn ứng dụng cho IIoT.

41

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI CÓ MẶT BỨC XẠ

TRÒN CHO ỨNG DỤNG IIoT

3.1. Đặt vấn đề

Như đã giới thiệu trong chương 1, kỷ nguyên mới với vạn vật kết nối Internet

(IoT) đã tạo ra những thay đổi mạnh mẽ trong đời sống xã hội. IoTcó thể kết nối

mọi đối tượng với Internet thông qua hệ thống cảm biến không dây và trao đổi dữ

liệu đó thông qua các hạ tầng truyền thông khác nhau. Anten sử dụng nguyên lý bức

xạ tròn kết hợp đặc tính vòng cộng hưởng từ để tạo đa băng, có thể điều chỉnh tần

số hoạt động theo chuẩn truyền thông mong muốn đã, đang và vẫn ngày càng thu

hút thu hút sự tập trung nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước cho

các ứng dụng khác nhau, đặc biệt trong truyền thông IIoT. Các nghiên cứu về anten

sử dụng nguyên lý bức xạ tròn kết hợp đặc tính vòng cộng hưởng từ để tạo đa băng

đã được công bố trên các tạp chí khoa học có uy tín trên thế giới. Trên xu hướng

phát triển đó, phần tiếp theo đề tài sẽ đề xuất một cấu trúc anten sử dụng nguyên lý

bức xạ tròn kết hợp đặc tính vòng cộng hưởng từ SRR ứng dụng cho IIoT.

3.1.1. Lựa chọn công nghệ

Như đã trình bầy trong chương 1, IIoT bao phủ miễn truyền thông từ máy

móc đến máy móc (machine to machine) cùng như truyền thông IoT cho công

nghiệp với công nghệ truyền thông có thể tuân theo chuẩn công nghiệp như

WirelessHART, ISA.100.11a hay theo chuẩn truyền thông như 802.11n, ac,

4G/5G,…. Sự khác nhau về công nghệ truyền thông đã dẫn tới các thiết biết IIoT có

thể hoạt động ở các tần số khác nhau. Điều này dẫn tới yêu cầu anten đa băng, đáp

ứng đa công nghệ cho thiết bị IIoT nhằm làm tăng độ linh động cho các thiết bị IIoT

khi triển khai trên thực tế.

Cũng như đã được phân tích trong chương 1, công nghệ truyền thông đi động

4G/5G ngày nay không chỉ có thuận lợi về vùng phủ sóng, gia tăng khoảng cách thu

thập thông tin cho các thiết bị mà còn không bị giới hạn về tốc độ cũng như băng

thông như trước đây. Bên cạnh đó, công nghệ 5G 802.11n, ac tuy hạn chế về

khoảng cách nhưng với việc được phổ biến rộng rãi, sóng WiFi gần như có mặt tại

42

khắp mọi nơi không chỉ trong đời sống sinh họat thường ngày của con người như

trong nhà, trong văn phòng, trong khu thương mại, … tạo nên tòa nhà thông minh,

thành phố thông minh mà còn hiện hữu trong cả các khu công nghiệp tạo nên các

nhà máy thông minh, khu sản xuất thông minh.

Hình 3.1: Truyền thông 4G/5G trong công trường thông minh

Chính vì vậy, các băng tần phổ dụng của truyền thông 4G/5G và 802.11n, ac

thường được chọn trong các thiết kế anten đa băng để tăng độ linh hoạt cho thiết bị,

đây cũng chính là lý do em cũng lựa chọn các băng tần phổ dụng này cho thiết kế

anten trong luận văn của mình.

3.1.2. Lựa chọn công cụ

Đáp ứng nhu cầu nghiên cứu và chế tạo thiết bị công nghệ điện tử viễn thông

ngày càng gia tăng, hàng loạt các công cụ hỗ trợ thiết kế và mô phỏng trong lĩnh

vực này ra đời và phát triển mạnh mẽ. Trong đó không thể không kể đến hai phần

mềm được sử dụng rộng rãi để thiết kế, mô phỏng anten và mạch phổ biển nhất là

Ansoft HFSS và CST MICROWAVE STUDIO. Hai công cụ này có chức năng

tương tự nhau tuy nhiên CST MICROWAVE STUDIO với giao diện đồ họa, thân

43

thiện với người sử dụng, cho hình ảnh 2D, 3D đẹp với các hỗ trợ nhanh về tùy chọn

thông số, giảm thiểu thời gian thiết kế cũng như tối ưu anten.

Hình 3.2: CST phiên bản miễn phí cho sinh viên

Bên cạnh đó CST có bản miễn phí student-CST với tài liệu hướng dẫn đầy

đủ, chi tiết, tạo điều kiện rất lớn cho người học. Chính vì vậy CST là sự lựa chọn

của em cho việc chế tạo anten.

Hình 3.3: CST với các công cụ phong phú cho mô phỏng trường điện từ

44

CST (Computer Simulation Technology) là một phần mềm khá linh hoạt

trong thiết kế. Ngay giao diện đầu vào, CST đã giới thiệu rất nhiều các công cụ

như: CST MICROWAVE STUDIO, CST EM STUDIO, CST PARTICLE

STUDIO… như thể hiện trong hình 3.3.CST cung cấp các giải pháp tính toán hiệu

quả chính xác cho việc thiết kế và phân tích. CST còn cho phép lựa chọn các

phương pháp thích hợp nhất cho việc thiết kế và tối ưu hóa các thiết bị hoạt động

trong một phạm vi tần số rộng.

CST MICROWAVE STUDIO (CST MWS) là một công cụ chuyên cho các

mô phỏng 3D EM của các thành phần tần số cao (HF). CST MWS cho phép phân

tích nhanh và chính xác các thiết bị tần số cao như ăng ten, bộ lọc, bộ ghép… CST

MWS có giao diện đồ họa trực quan rất thân thiện. Giao diện các phần tử thiết kế và

kết quả mô phỏng được sắp xếp dạng hình cây (Navigation Tree) giúp quá trình

kiểm tra và so sánh kết quả trực quan và thuận tiện.

Hình 3.4: CST có giao diện làm việc thân thiện và hiệu quả với người dùng

Đặc biệt, CST có chế độ chỉnh sửa theo thời gian bằng công cụ History list.

Với công cụ này, ta có thể thực hiện chỉnh sửa, xóa tạm thời, khôi phục các chi tiết

theo thứ thứ tự thiết kế. Điều này đặc biệt hữu dụng khi mẫu anten thiết kế qua

nhiều giai đoạn mà không phải thiết kế lại từ đầu.

CST còn có các clip hướng dẫn trực quan kèm file nguồn các thiết kế mẫu.

45

CST không chỉ là phần mềm hỗ trợ công tác nghiên cứu đơn thuần, CST còn là một

công cụ được các công ty thiết kế, chế tạo thiết bị kỹ thuật, viễn thông như Viettel

Core, Errison,.. tin dùng.

3.2. Thiết kế anten IIoT sử dụng anten vi dải có mặt bức xạ tròn

Luận văn tập trung thiết kế một anten đơn dựa trên kiến trúc anten có mặt

bức xạ tròn (một loại hình anten phẳng) để phù hợp cho ứng dụng trong các thiết bị

cảm biến hay các thiết bị đầu cuối IIoT có kích thước nhỏ gọn. Do mục tiêu anten

này có thể hoạt động trong các dải tần 4G-LTE/ 5G (băng tần 2.6GHz), WiFi (băng

tần 5GHz) với kích thước anten nhỏ phù hợp với các thiết kế nhỏ gọn nên anten kết

hợp thêm nguyên lý vòng cộng hưởng từ đa băng CSR kết hợp với cấu trúc ring với

tiến trình thiết kế được chỉ ra như trong hình 3.5

Hình 3.5: Tiến trình thiết kế anten

46 3.2.1. Thiết kế phần tử bức xạ có cấu trúc vòng ring

Chiều dài của phần tử bức xạ có vai trò quan trọng trong việc xác định tần

số hoạt động của anten. Vì vậy, để giảm kích thước anten một trong những giải

pháp cơ bản là thay đổi chiều dài điện của anten mà không làm thay đổi kích thước

tổng thể của phần tử bức xạ. Dựa trên nguyên lý này, anten đề xuất sẽ sử dụng

nguyên lý bức xạ mặt những có cấu trúc vòng ring. Điều này vẫn đảm bảo được đặc

tính bức xạ của anten nhưng lại tăng chiều dẫn điện dẫn đến anten ring có thể đạt

được kích thước nhỏ gọn hơn anten patch tròn truyền thống khi giữ nguyên tần số

cộng hưởng.

Để tính bán kính của vòng ring, sử dụng công thức gần đúng cho anten patch

tròn như đã được trình bầy trong chương 2 vì chúng có cùng loại trường bức xạ. Đối

với chế độ , tần số cộng hưởng của anten có thể được đánh giá từ công thức:

𝑇𝑀𝑛𝑚 (3.1)

𝑋𝑛𝑚𝑐 𝑓𝑛𝑚 = là bán kính Trong đó c là tốc độ ánh sáng trong môi trường chân không, √𝜖𝑟

2𝜋𝑎𝑒 là hằng số điện môi của chất nền. hiệu dụng của vòng ring và là chế độ cộng 𝑎𝑒

hưởng không thứ m của hàm Bassel bậc n Jn’(ka). 𝜖𝑟 𝑋𝑛𝑚

Một số chế độ bậc thấp hơn được liệt kê theo thứ tự tăng dần của các giá trị

được trình bày trong Bảng 3.1.

Bảng 3.1: Giá trị

𝑋𝑛𝑚

Mode (n,m)

0,1

𝑿𝒏𝒎 0 𝑿𝒏𝒎 1.84118

1,1

2,1 3.05424

0,2 3.83171

3,1 4.20119

4,1 5.317

1,2 5.331

47

Từ giá trị của cho các chế độ khác nhau, rõ ràng chế độ chiếm ưu thế là

chế độ tương ứng với sẽ cho anten có bán kính tối thiểu hoặc tần số

𝑋𝑛𝑚 cộng hưởng thấp nhất. Do đó, chọn chế độ để xác định bán kính của vòng 𝑛 = 𝑚 = 1

( ) cho tần số cộng hưởng nhất định theo phương trình : 𝑇𝑀11

1 2

𝑎𝑒 (3.2)

𝑎𝑒 = 𝑎 {1 + ) + 1.7726)} Trong đó h là độ dày của chất điện môi, a được tính từ mối quan hệ cơ bản 2ℎ 𝜋𝑎𝜖𝑟 (ln ( 𝜋𝑎 2ℎ

trong phương trình (3.3):

(3.3)

Với k được xác định theo : 𝑋𝑛𝑚 = 𝑘. 𝑎

(3.4)

𝑘 =

3.2.2. Thiết kế đa băng dựa trên vòng cộng hưởng SRR

2𝜋√𝜖𝑟 𝜆0

Để tạo đa băng, thiết kế anten đề xuất sử dụng nguyên lý cộng hưởng từ của

vòng cộng hưởng phân chia SRR (Split Ring Resonator).

Một cấu trúc SRR đơn là một cặp vòng kim loại kèm theo phần khe nhỏ chẻ

ở hai đầu. Các vòng được làm bằng kim loại và có một khoảng cách nhỏ giữa

chúng, trên các vòng kim loại sinh ra dòng điện xoay chiều trong các vòng. Như

được chỉ ra trong hình 3.6, do có khoảng cách giữa các vòng nên có thể hỗ trợ các

bước sóng cộng hưởng lớn hơn nhiều hơn đường kính của chúng.

Hình 3.6: Cấu trúc vòng cộng hưởng phân chia SRR cho thiết kế siêu vật liệu từ tính

48

Các vòng kim loại là chất nền trắng và điện môi có màu xám. Các khe và

dòng điện cảm ứng cộng hưởng phía trên và nửa SRR dưới được mô tả như trong

hình.

3.2.3. Thiết kế anten

Thiết kế chi tiết của anten đề xuất dược trình bày trong hình 3.7, cấu trúc của

anten vòng ring SRR bao gồm 3 phần : miếng patch bức xạ phía trên, mặt đất

khuyết và chất nền. Lớp chất nền được làm từ vật liệu FR4 có hằng số điện môi 4.3

và độ dày 1.6 mm, kích thước của anten được tính toán và tối ưu bằng phần mềm

CST, được trình bày trong Bảng 3.2. Tổng kích thước của anten đề xuất khá nhỏ

. gọn, đạt

Bảng 3.2: Kích thước của anten vòng ring kép tái cấu hình

30𝑥30𝑥1.6 𝑚𝑚

Tham số D Kích thước (mm) 1.5 Tham số R1 Kích thước (mm) 13.5

Dr1 2.5 R2 6.6

Dr2 1.5 W 30

L 30 Wg 3

Lt 6 Wt 2

(a) Mặt trước (b) Mặt sau

Hình 3.7: (a) (b) Cấu trúc anten tái cấu hình kết hợp vòng ring và trăng khuyết

3.3. Đánh giá và phân tích thiết kế thông qua các kết quả mô phỏng

49 Tham số của anten có có cấu trúc ring SRR đề xuất được mô phỏng và

tối ưu bằng phần mềm mô phỏng CST. Trong phần này, các đặc tính của

anten như tham số tán xạ S11, mật độ dòng điện và đồ thị bức xạ 2D/3D được

phân tích để thể hiện rõ nguyên lý hoạt động cũng như đặc tính của anten đề

xuất.

3.3.1. Tham số tán xạ S11

Tham số tán xạ (S11) của anten được thể hiện như trong hình 3.8. Có thể

thấy anten đề xuất có thể hoạt động ở ba băng tần với các dải hoạt động là 2.46-2.92

GHz (460 MHz), 3.75-5.83 (2.08 GHz) và 6.22-7.61 GHz (1.39 GHz). Các băng tần

này bao gồm một số băng tần 4G LTE như băng tần số 12-14, số 38 và 41 và 5G

dưới 10 GHz như băng 3.336 GHz, 3.8-4.2 GHz, 2.4-5 GHz, 6.4-7.25 GHz. Đồng

thời băng tần hoạt động của anten cũng bao phủ băng tần 5GHz của công nghệ 5G

WiFi.

Hình 3.8: Kết quả mô phỏng tham số S11của anten đề xuất

3.3.2. Phân tích dòng trên bề mặt của anten

Để giải thích nguyên lý hoạt động, mô phỏng phân bố dòng điện bề mặt được

phân tích như chỉ ra trong hình 3.9. Có thể thấy, dòng điện chạy từ đường cấp điện

vi dải đến vòng lớn và tập trung vào vòng lớn cũng như tác động một phần lên vòng

nhỏ theo nguyên lý công hưởng từ SRR, do đó hiệu suất của anten có thể đạt được

chế độ hoạt động đa băng tần.

50

Độ cộng hưởng 2.6 GHz tương ứng với bán kính hiệu dụng hình thành từ rìa

trong của vòng lớn và rìa ngoài của vòng nhỏ được tính xấp xỉ trong phương trình

(3.5).

(3.5)

1.84118 × 3.10 −3 = 2.4 (𝐺𝐻𝑧) 𝑓2 = Cộng hưởng 5.2 GHz được xác định theo cách tương tự. Rõ ràng có thể thấy 2𝜋 × (11 + 6.6) × 10

× √4.3 dòng điện chạy từ đường cấp vi dải đến vòng tròn lớn và cảm ứng từ sang vòng

nhỏ, tập trung ở mép ngoài của vòng nhỏ. Bán kính hiệu dụng của anten vòng là 8.1

mm, chịu trách nhiệm cho cộng hưởng ở băng tần này và được tính toán như sau:

(3.6)

−3

1.84118 × 3.10 𝑓1 = = 5.23 (𝐺𝐻𝑧) 2𝜋 × 8.1 × 10 × √4.3

(a) f=2.66 GHz

51

(b) f= 5.2 GHz

52

Cộng hưởng 6.6 GHz được tạo ra từ cạnh trong của vòng nhỏ được tính toán

xấp xỉ theo công thức (3.7):

(3.7)

−3

1.84118 × 3.10 𝑓3 = = 6.4 (𝐺𝐻𝑧) Ngoài ra, với cùng bán kính vòng ngoài của anten được đề xuất, anten patch 2𝜋 × 6.6 × 10 × √4.3 tròn thông thường chỉ có thể hoạt động ở một băng tần 3.14 GHz như theo công

thức :

(3.8)

−3

1.84118 × 3.10 = 3.14 (𝐺𝐻𝑧) 𝑓4 = Có thể thấy rằng anten được đề xuất không chỉ đạt được chế độ ba băng tần 2𝜋 × 13.5 × 10 × √4.3 mà còn giảm tần số hoạt động thấp hơn ở mức 2.6 GHz. Điều đó có nghĩa là anten

đề xuất có kích thước bằng 82.8% so với anten patch tròn thông thường.

3.3.3. Đồ thị bức xạ 2D/3D

Hình 3.10 cho ta thấy các đồ thị bức xạ 2D/3D của anten ring SRR đề xuất ở

ba tần số cộng hưởng. Rõ ràng là phân cực dipole đạt được trong tất cả các tần số

cộng hưởng. Bên cạnh đó, anten có hệ số khuếch đại cũng như hiệu suất bức xạ ở

mức chấp nhận được.

(a) Tại băng 2.6GHz

53 (b) Tại băng 5GHz

(c) Tại băng 6.6GHz Hình 3.10: (a) (b) (c) Đồ thị bức xạ 2D/3D của anten đề xuất

3.4. Kết luận chương 3

Trong chương này, đề tài đã đề xuất thiết kế anten dựa trên nguyên lý của

anten có mặt bức xạ tròn kết hợp cấu trúc vòng cộng hưởng từ nhằm tạo ra anten ba

băng, băng rộng với kích thước nhỏ gọn, phù hợp cho các thiết bị đầu cuối IIoT sử

dụng chuẩn truyền thông WiFi 802.11n, ac, Wimax, LTE, 5G băng tần dưới

10GHz.

54

KẾT LUẬN

Nội dung đề tài “Thiết kế anten vi dải có mặt bức xạ tròn cho ứng dụng

IIoT” đã đạt được những kết quả sau:

- Tìm hiểu được công nghệ IoT/IIoT với các đặc tính, yêu cầu, chuẩn truyền

thông cũng như một số đề xuất anten cho hệ thông IoT/IIoT hiện nay.

- Tìm hiểu được nguyên lý hoạt động cũng như các loại hình anten vi dải từ

đó đi sâu vào phân tích các tham số hoạt động của anten vi dải có mặt bức xạ tròn

- Đề xuất mẫu anten vi dải có cấu trúc vòng ring dựa trên nguyên lý hoạt

động của anten có mặt bức xạ tròn kết hợp với nguyên lý của vòng cộng hưởng từ

SRR. Anten đề xuất có thể hoạt động tại ba băng tần chủ đạo của hệ thống truyền

thông tiên tiến với kích thước nhỏ gọn, có thể ứng dụng cho các thiết bị IIoT.

55

DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Deschamps, G. A., (1953), “Microstrip microwave antennas,”

Proceedings of Third USAF Symposium on Antennas.

[2]. Wong, K. L., for Wireless (2003), “Planar Antennas

Communications”, Chap. 5, Wiley, New York.

[3]. T. G. Abo-Elnaga, E. A. F. Abdallah, and H. El-Hennawy,

(2010),“UWB Circular Polarization RFID Reader Antenna for 2.4 GHz Band”,

Progress In Electromagnetics ResearchPIERS Proceedings, Xi'an, China, March 22

– 26.

[4]. Dau-Chyrh Chang, Bing-Hao Zeng, and JiChyun Liu, (2010), “High In Performance Antenna Array with Patch Antenna Elements”, Progress

Electromagnetics ResearchPIERS Proceedings, Xi'an, China, March 22 – 26.

[5]. V. G. Kasabegoudar and K. J. Vinoy, (2009), “A broadband In antenna for suspended microstrip circular polarization”, Progress

Electromagnetics Research, PIER 90, 353 – 368.

[6]. Bayana L. V. Kumar et al., (2021), “Design and Analysis of Circular

Patch Antenna”, Journal of Physics: Conference Series, pp.1804.

[7]. Albert Sabban, (2020), “New Compact Wearable Metamaterials Circular Patch Antenna for IoT, Medical and 5G Applications”, Applied System

Innovation, vol 3, no. 42.

[8]. Akash K. Gupta, (2020), “Trend in IoT Antenna Design – A Brief

Review”, Test Engineering and Management, vol. 83, pp.14198-14203.

[9]. “Antenna solusion for Industry IoT”, Mobile Mark, Antenna Sulotion. [10]. Constantine A.Balanis, “Antenna Theory: Analysis and Design”,A

JohnWiley & Sons, INC., Publication, 2005.

[11]. Wazir Zada Khan, (2019), “Industrial Internet of Thing: Recent

Advances, Enabling Technologies, and Open Challenges”, Article in Computer &

Engineering. November 2019.

Luận văn Thạc sĩ: Thiết kế anten vi dải có mặt bức xạ tròn cho ứng dụng IIoT

Luận văn nghiên cứu anten vi dải bức xạ tròn cho truyền thông IIoT, ứng dụng trong kỷ nguyên công nghiệp 4.0, thiết kế anten hiệu quả, tin cậy.

Chủ đề:

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Đề thi Vệ sinh chuồng trại

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

---------------------------------------

NGUYỄN MẠNH CƯỜNG

NGHIÊN CỨU ANTEN VI DẢI CÓ MẶT BỨC XẠ TRÒN CHO TRUYỀN THÔNG IIoT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

(Theo định hướng ứng dụng)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

---------------------------------------

NGUYỄN MẠNH CƯỜNG

NGHIÊN CỨU ANTEN VI DẢI CÓ MẶT BỨC XẠ

TRÒN CHO TRUYỀN THÔNG IIoT

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

Mã số: 8.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

(Theo định hướng ứng dụng)

TS. DƯƠNG THỊ THANH TÚ

i

LỜI CAM ĐOAN

ii

LỜI CẢM ƠN

iii

MỤC LỤC

iv

v

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT

vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

vii

viii

1

MỞ ĐẦU

2

3

CHƯƠNG 1: IOT/IIOT

1.1.Tổng quan và công nghệ IoT/IIoT

1.1.1. IoT

Hình 1.1: Internet of Things

4

Hình 1.2: Sự gia tăng nhanh chóng của giao tiếp máy - máy

Hình 1.3: Ứng dụng tủ lạnh trong IoT

5

6

Hình 1.4: Ví dụ về MQTT * XMPP ban đầu được gọi là "Jabber."Nó được phát triển cho các tin nhắn tức

7

Hình 1.5: Ví dụ XMPP

1.1.2. IIoT

8

Bảng 1.1: Phác thảo sự khác biệt chính giữa các hệ thống IoT và IIoT

IIoT

IoT

Danh mục

9

10

Hình 1.6: Kiến trúc chung cho hệ thống IIoT

11

12

13

1.2. Các công nghệ truyền thông trong IIoT

1.2.1.Giới thiệu chung

14

Bảng 1.2: Các giao thức truyền thông trong IIoT

Deign

Study

Industry

Protocol Hardware Software

Main Features

Type

15

16

17

1.2.2. WiFi

18

Hình 1.7: Tầm hoạt động của WIFI Halow so với các WIFI 2.4 và 5GHz 1.2.3. Truyền thông qua hệ thống mạng diện thoại di động

19

Hình 1.8: Truyền thông 5G cho xây dựng nhà máy thông minh trong kỷ nguyên IIoT