CAT 1 – CÔNG NGHỆ KẾT NỐI CELLULAR IOT THAY THẾ 2G/3G

                                                                Phan Hoài Hội - TT CLML&ĐMCN

Phạm Minh Tân - TT CLML&ĐMCN

Phan Mạnh Hùng – TT CLML&ĐMCN

Giới Thiệu

Mạng 2G/3G sẽ sớm ngừng hoạt động tại Việt Nam là không thể tránh khỏi, ngành công nghiệp IoT đang trải qua một giai đoạn chuyển đổi và chứng kiến ​​nó chuyển sang các hình thức kết nối mạng mới. Có nhiều sự lựa chọn có sẵn, bao gồm CAT-M1 và cả NB-IoT. Tuy nhiên, ngành công nghiệp IoT đang tìm kiếm một giải pháp kết nối đáp ứng tất cả các yêu cầu: phạm vi phủ sóng rộng đảm bảo độ tin cậy, bảo mật cao và có lợi thế về chi phí, công nghệ đã được chứng minh trong tương lai, giá cước dữ liệu tối ưu và phạm vi phủ sóng toàn cầu cho phép chuyển vùng, thoại qua LTE (VoLTE), v.v… LTE Category 1 (LTE Cat-1, hoặc chỉ CAT-1) tập hợp tất cả các thuộc tính này và điều này làm cho nó trở thành công nghệ kết nối không thể thiếu cho IoT.

Bài viết này nhằm đánh giá trong việc lựa chọn công nghệ kết nối CIoT phù hợp để triển khai, đồng thời sẽ đơn giản hóa quá trình ra quyết định của các công ty phát triển ứng dụng IoT trong việc lựa chọn công nghệ kết nối. Bài viết sẽ đề cập đến các công nghệ LTE khác nhau, nhưng sẽ đặc biệt chú ý đến LTE CAT-1, vì nó có tiềm năng là một trong những công nghệ để giải quyết vấn đề kết nối CIoT một cách tối ưu khi mạng 2G/3G ngừng hoạt động, đáp ứng các yêu cầu cho vấn đề kết nối trong vùng rộng lớn nhiều ứng dụng IoT khác nhau với hiệu quả về chi phí.

{cke_p    1. Sự Tiến Hóa LTE

LTE được giới thiệu như công nghệ kết nối cao cấp cho điện thoại thông minh. LTE sử dụng UE Cat (User Equipment catelogies) để xác định các thông số kỹ thuật về hiệu năng thiết bị, UE Cat càng cao thì tốc độ truyền dữ liệu càng cao. Tương tự, UE Cat càng thấp thì khả năng truyền dữ liệu của thiết bị càng thấp. Thiết bị LTE Cat cao hay 5G tiêu tốn nhiều năng lượng và phức tạp, do đó khó chế tạo như một hệ thống trên chip (SoC). Các loại thiết bị hỗ trợ kết nối LTE Cat cao thì đắt và chỉ phù hợp với các ứng dụng IoT yêu cầu độ trễ thấp và băng thông lớn. Ngược lại, các loại thiết bị hỗ trợ LTE Cat thấp yêu cầu bộ xử lý thấp hơn và do đó có chi phí hiệu quả hơn.

Để đáp ứng các yêu cầu cho nhiều trường hợp ứng dụng IoT, LTE Category 1 (LTE Cat-1, hoặc CAT-1) đã được giới thiệu trong 3GPP Release 8, và sau đó là phiên bản mới hơn được cải tiến với tính năng tiết kiệm công suất (Power Saving Mode) trong phiên bản Release 13 được phát hành năm 2016. CatM1/NB IoT được tối ưu hóa cho tốc độ dữ liệu thấp hơn và bao gồm tính năng tiết kiệm công suất. Hiện nay, theo thời gian giá của các thiết bị LTE bắt đầu giảm, công nghệ LTE ngày càng trở nên phù hợp và sẵn sàng để triển khai IoT hàng loạt.

2. So Sánh Công Nghệ

IoT là một thị trường rộng lớn với rất nhiều các ứng dụng khác nhau và có thể sử dụng công nghệ kết nối khác nhau cho nhiều lý do khác nhau. 
     Trong Hình 1, chúng ta thấy rằng tất cả các công nghệ di động được phát triển sau 3G có xu hướng chia thành hai nhóm. 

Hình 1. So sánh các công nghệ Cellular

Nhóm đầu tiên, được mô tả bằng một đường màu đỏ, tiếp tục xu hướng thiết lập bằng công nghệ 2G và 3G. Cụ thể, tất cả những công nghệ 
này được đặc trưng bởi tăng thông lượng (throughput), chi phí, tiêu thụ năng lượng và giảm độ trễ khi so sánh với công nghệ trước. 
Nhóm này đại diện cho sự phát triển của mạng di động theo hướng LTE nâng cao (LTE Cat-4, LTE Cat-6 và LTE Cat- 12,…) và mạng 5G. 
Nhóm thứ hai ngược lại, được đặc trưng bởi giảm thông lượng, chi phí, tiêu thụ năng lượng và tăng độ trễ. Nhóm này, được mô tả bởi 
một đường màu vàng, cho thấy sự phát triển theo hướng mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN), bao gồm LTE Cat-1, LTE Cat-M, NB-IoT 
và mạng 5G công suất thấp. Bài viết này sẽ chủ yếu nói về nhóm thứ hai, trọng tâm của bài viết là công nghệ CAT- 1 và mối quan hệ 
của nó với công nghệ 2G/3G và các mạng LPWAN khác. 

Theo một nghiên cứu vào tháng 4/2020 với việc khảo sát các chuyên gia công nghệ nhằm đánh giá so sánh các chỉ số chính của bốn công 
nghệ khác nhau là 2G, 3G, CAT-1 và CAT-M1. Mỗi chuyên gia được yêu cầu cho điểm từ 1 đến 10 cho mỗi tham số, với 1 là điểm thấp
 nhất và 10 điểm cao nhất, điểm càng cao thì tổng thể càng tốt.

Hình 2. Đánh giá các công nghệ

Kết quả là công nghệ 2G sẽ là lựa chọn tốt nhất nếu chi phí module là tham số quyết định. Dựa trên các chỉ số chính này, chúng ta có thể thấy
 rằng CAT-1 đạt kết quả tốt nhất hoặc tốt thứ hai cho hầu hết các thông số so với các công nghệ khác (Hình 2).

Phân tích vòng đời công nghệ thì công nghệ 2G/3G đang tiến dần đến sự kết thúc của vòng đời của chúng, công nghệ mới đang nổi lên và ngày càng trở nên phù hợp hơn cho các trường hợp sử dụng mới. Chúng ta có thể nhìn thấy rằng CAT-1 trở thành một công nghệ thiết yếu trong IoT.

Trước khi so sánh CAT-1 với các công nghệ LPWAN, chúng ta cùng điểm qua những đặc điểm chính của công nghệ này. CAT-1 hỗ trợ thiết bị đầu cuối có tốc độ đường xuống tối đa 10Mbps và tốc độ đường lên 5Mbps bằng cách sử dụng sóng mang 20MHz. CAT-1 cũng có thể hỗ trợ full-duplex FDD/TDD cũng như Voice Over LTE (VoLTE).

2.1  CAT 1 và NB IoT

     NB IoT đã được các nhà khai thác mạng di động và các nhà sản xuất áp dụng rộng rãi vì nó cung cấp các tính năng cải thiện phủ sóng trong nhà, hỗ trợ số lượng lớn các kết nối IoT truyền dữ liệu thấp, chi phí thiết bị cực thấp, tiêu thụ ít năng lượng do đó có tuổi thọ pin lâu hơn khi so sánh với các tiêu chuẩn di động hiện có khác.

     NB-IoT có tốc độ đường lên 66kbps và tốc độ tải xuống 26kbps ở chế độ bán song công, có nghĩa là dữ liệu đi theo một hướng tại một thời điểm. Nó cũng có độ trễ từ 1,6s đến 10s. NB-IoT hoạt động ở băng thông rất hẹp - 180 kHz - và có thể được triển khai trong phần băng tần bảo vệ của mạng LTE, nằm giữa các kênh trong một phần phổ không được sử dụng. Do đó, NB IoT rất phù hợp với các thiết bị IoT đơn giản với yêu cầu truyền dữ liệu nhỏ, không liên tục và  không quan trọng độ trễ.

     NB-IoT thích hợp cho các ứng dụng đo lường thông minh như gas, nước và điện; các ứng dụng thành phố thông minh như đèn đường thông minh, đổ xe thông minh và các ứng dụng giám sát từ xa khác không truyền lượng lớn dữ liệu thường xuyên. Tất cả các ứng dụng này đều ở trạng thái tĩnh hoặc yêu cầu tính di động cơ bản ở tốc độ thấp. Vì những lý do này, NB-IoT không được xem là đối thủ cạnh tranh trực tiếp của CAT-1 do CAT-1 được xem là quá mức cần thiết so với yêu cầu của các ứng dụng trên.

2.2   CAT 1 và CAT M1

     CAT M1, còn được gọi là LTE-Machine-to-Machine, giao tiếp kiểu máy chi phí thấp (MTC) hoặc MTC - LTE nâng cao (eMTC) được giới thiệu trong 3GPP Release 16. CAT M1 nhằm mục đích đáp ứng nhu cầu của các thiết bị IoT dựa trên các sóng mang LTE hiện có. CAT M1 hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao nhất là 1Mbps cho đường lên và đường xuống.

     Có một số khác biệt về VoLTE giữa CAT-1 và CAT M1. Như đã nói, CAT-1 có thể hỗ trợ đầy đủ VoLTE ở băng thông cao của nó, nhưng CAT M1 thuộc loại băng thông hẹp nên không thể cung cấp trải nghiệm người dùng tốt nhất.

     CAT-1 và CAT M1 chủ yếu khác nhau ở ba khía cạnh: băng thông, yêu cầu công suất và độ phức tạp.

Bảng 1. So sánh Cat-1 và Cat-M1

     Việc triển khai CAT M1 cần quy hoạch lại tài nguyên tần số hiện có của mạng, đồng thời cần nâng cấp phần mềm cho cả trạm gốc và mạng lõi. CAT-1 được coi là thuộc tính trong LTE, trong khi CAT-M1 phải được mua bởi các nhà khai thác mạng di động (MNO) như một tiện ích bổ sung. CAT 1 không yêu cầu nâng cấp phần mềm và phần cứng cho trạm gốc, vì vậy không có chi phí phủ sóng mạng. Các nhà khai thác mạng viễn thông của Trung Quốc và Ấn Độ đã chọn CAT-1 vì họ ủng hộ rằng bất cứ điều gì CAT-M1 có thể cung cấp là đã được tích hợp trong CAT-1. Chúng ta cũng có thể thấy rằng, trong trường hợp vùng phủ mạng CAT- M1 không có thì CAT-1 vẫn là kết nối thay thế tối ưu cho nhiều ứng dụng IoT.

{C}2.3 {C}{C}{C} CAT 1 và CAT 4

     Sự phát triển của các thế hệ di động dẫn đến tốc độ dữ liệu nhanh hơn, cao hơn và kết nối an toàn giữa các thiết bị. Tuy nhiên, bước nhảy vọt về tốc độ dữ liệu này cũng dẫn đến mức tiêu thụ công suất cao hơn, chi phí phần cứng và phí mạng lớn hơn. Nhiều thiết bị được kết nối dựa trên kết nối an toàn, không yêu cầu tốc độ dữ liệu cao để triển khai dễ dàng hơn, chi phí thấp và công suất tiêu thụ cũng thấp hơn.

     Sự khác biệt chính giữa hai mạng LTE CAT1 và LTE CAT4 là về tốc độ truyền dữ liệu đường lên/đường xuống và mức tiêu thụ năng lượng. CAT-4 chủ yếu tập trung vào thị trường tốc độ cao, trong khi CAT-1 phù hợp với thị trường tốc độ trung bình.      CAT-1 hỗ trợ tốc độ đường xuống tối đa 10Mbps và tốc độ đường lên 5Mbps, trong khi CAT-4 có tốc độ tải xuống tối đa 150Mbps và tốc độ đường lên 50 Mbps (Bảng 2)

    
.Bảng 2. So sánh tốc độ truyền Cat-1 và Cat4

     Bảng 3 cho thấy mức tiêu thụ điện năng của hai công nghệ ở các trạng thái khác nhau. Ta thấy khi dữ liệu đang được truyền và cuộc gọi đang diễn ra, có rất ít sự khác biệt về mức tiêu thụ năng lượng. Sự khác biệt thực sự là khi các thiết bị ở chế độ idle trong đó LTE CAT1 sử dụng bằng một phần mười công suất mà các thiết bị LTE Cat 4 sử dụng. Khi hầu hết các thiết bị được kết nối dành phần lớn thời gian ở chế độ idle chỉ lắng nghe và chờ gửi/nhận dữ liệu, những lợi thế mà LTE CAT1 mang lại trở nên rõ ràng.

Bảng 3. So sánh công suất tiêu thụ Cat-1 và Cat-4

     Chuẩn LTE Cat 1 release 8, giống như công nghệ di động tốc độ cao khác, yêu cầu 2 anten thu để hỗ trợ truyền dữ liệu, khiến nó khó phù hợp với các ứng dụng hạn chế không gian. Cat 0/Cat M1/ ​Cat NB1 thiết kế với 1 anten nhưng chúng cũng không đủ khả năng đáp ứng yêu cầu tốc độ của thiết bị đeo thông minh. Các thiết bị đeo rất nhạy cảm với kích thước, do đó đã gặp thách thức trong việc tìm kiếm các giải pháp truyền thông không dây phù hợp. 3GPP Release 13 định nghĩa CAT-1 bis cho phép thiết bị CAT-1 sử dụng 1 anten đơn trở thành giải pháp phù hợp nhất cho các thiết bị đeo thông minh. Ngoài ra, việc sử dụng thiết kế anten đơn cũng giúp các nhà sản xuất tiết kiệm chi phí sản phẩm, hiện tại chi phí module LTE Cat 1 chỉ bằng một nữa so với module LTE Cat 4.

3.    Thị Trường Cat 1

     Hiện nay, thị trường mô-đun CIoT bị thống trị bởi các nhà cung cấp Trung Quốc như Quectel, Fibocom và SUNSEA AioT. Quectel đã mở 
rộng vị trí dẫn đầu thị trường về tổng doanh thu và cung cấp module CIoT năm 2020. 

        Hình 3. Thị trường Module CIoT

Thị trường kết nối IoT trên LTE theo tốc độ dữ liệu thì khoảng 60% các trường hợp sử dụng thuộc về phân khúc tốc độ thấp, trong khi chỉ 10% cần tốc độ rất cao. Thị trường tốc độ trung bình, trong đó LTE Cat-1 đóng vai trò quan trọng chiếm 30%. Thống kê này phù hợp với dự đoán của Ericsson rằng cuối năm 2025, số lượng kết nối CIoT sẽ vượt quá 5 tỷ, trong đó 28% sẽ là kết nối broadband IoT với chủ yếu là 4G LTE.

Hình 4. Thị trường kết nối CIoT

     Theo nghiên cứu của IoT Analytics research (2021) khả năng thâm nhập LTE-Cat 1 mạnh hơn nhiều so với khả năng thâm nhập NB IoT. Module Cat 1 chiếm 23% thị trường bên ngoài Trung Quốc và chiếm  12% ở Trung Quốc (Trung Quốc là thị trường lớn nhất về NB-IoT với  90% tổng số module kết nối NB-IoT).

Hình 5. Thị trường kết nối CIoT

     Sự nổi lên của LTE-Cat 1 bắt đầu ở Bắc Mỹ cách đây vài năm. Đó là khi LTE-Cat 1 bắt đầu trở thành lựa chọn thay thế cho các ứng dụng 2G/3G IoT khi mạng 2G bị các nhà khai thác mạng ngừng hoạt động vào 2018. Trong khi đó, NB-IoT đã trở thành giải pháp thay thế mới cho các ứng dụng 2G IoT ở Trung Quốc. Tuy nhiên, sự vắng mặt của LTE-M ở Trung Quốc và những hạn chế kỹ thuật trong NB-IoT đã dẫn đến sự gia tăng nhu cầu đối với một phân khúc mới: module LTE-Cat 1 bis chi phí thấp. Cat 1 bis được 3GPP release 13 phát hành đặc trưng bởi một anten duy nhất và được tối ưu hóa cho các ứng dụng tiêu thụ điện năng thấp. LTE Cat 1 bis trái ngược với tiêu chuẩn LTE-Cat 1 được áp dụng ở Bắc Mỹ, được định nghĩa bởi 3GPP Release 8 và được hỗ trợ bởi hai ăng-ten thu (Rx).  Trung bình, chi phí module LTE-Cat 1 của Release 8 cao hơn 10 USD so với module LTE-Cat 1 Release 13

     Theo nghiên cứu của TSR, tổng module CAT-1 năm 2018 vượt 22 triệu đơn vị trên toàn thế giới, trong khi Berg Insight ước tính gần 28 triệu đơn vị trong cùng năm. Trong cùng một báo cáo, Berg Insight dự báo rằng module CAT-1 sẽ vượt quá 55 triệu chiếc trên toàn thế giới vào 2020. Trong khi ABI research dự báo rằng Cat 1 sẽ tiếp tục phát triển và sẽ vượt quá 212 triệu module vào 2023. Các nghiên cứu cho thấy LTE CAT-1 sẽ đóng một vai trò quan trọng trong kết nối các thiết bị IoT trong những năm tới.

Hình 6. Dự báo LTE-CAT-1 Module của ABI research

     Xu hướng Cat 1 được dự báo tiếp tục phát triển chủ yếu do sự phát triển tại thị trường Trung Quốc, tiếp theo là Ấn Độ. Ngoài ra, việc Trung Quốc áp dụng LTE-Cat 1 bis cũng đang bắt đầu thu hút được sức hút ở châu Âu vì vùng phủ LTE-M vẫn còn phân mảnh chưa liền mạch trên quy mô đa quốc gia trên toàn châu Âu. Theo thống kê GSMA tháng 3/2021 hiện mới có 61 nhà khai thác cung cấp LTE-M trên toàn cầu, trong khi gần như tất cả các quốc gia đều đã triển khai LTE. Theo tổng hợp của Hiệp hội Dịch vụ GSA vào đầu năm 2020 đã có 791 nhà khai thác thương mại mạng LTE. LTE là mạng phổ biến nhất từng thấy, như vậy về cơ bản đảm bảo rằng các thiết bị CAT-1 có thể triển khai trên toàn cầu.

{C}4.     {C}{C}{C}Các Ứng Dụng Cho CAT-1

     CAT-1 đã được chứng minh là phù hợp với nhiều ứng dụng CIoT, có thể kế thừa hàng triệu thiết bị đã được kết nối qua các ứng dụng đang tồn tại như smart grid, tracking, fleet management, wireless payments. Đối với các vùng CAT-M1 không khả dụng, CAT-1 có thể được sử dụng để thay thế do tính ưu việt về tính năng kỹ thuật và thuận lợi về chi phí. Cùng với sự phát triển của CAT-1, các ứng dụng mới sử dụng kết nối qua CAT-1 sẽ xuất hiện trong tương lai gần như: low-end cameras, vehicle telemetric, push to talk over cellular, voice over LTE (VoLTE), smart wearables,…

Hình 7. Các ứng dụng cho các công nghệ kết nối LTE

5. Kết Luận

     Với các tiêu chuẩn LTE IoT mới (LTE Cat M1 và NB IoT) vẫn đang trong quá trình triển khai thương mại ở một số khu vực trên thế giới, LTE Cat 1 được triển khai rộng rãi trên tất cả các mạng LTE trên toàn thế giới, và điều đó cho phép các thiết bị IoT Cat 1 chuyển vùng toàn cầu và hỗ trợ tính di động.

     LTE Cat 1 hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao với vài megabit mỗi giây ở đường xuống và đường lên, điều này thậm chí còn phù hợp để phát trực tuyến video. LTE Cat 1 cũng hỗ trợ thoại qua LTE (VoLTE) với chất lượng dịch vụ được đảm bảo. Cuối cùng, tất cả các tính năng LTE Cat M1 đều có trên thế hệ modem LTE Cat 1 bis với mức giá phải chăng cho các nhà phát triển IoT. Khảo sát cho thấy giá module Cat 1 hiện gần tiệm cận module Cat M1 (hiện tại chi phí module NB IoT/Cat M1 khoảng 4-5 USD, chi phí module Cat 1 khoảng 7 USD), khi số lượng module Cat 1 phát triển thì giá sẽ tiếp tục giảm.

    Xu thế dự báo toàn cầu cho thấy Cat 1 có mật độ thâm nhập cao và tiềm năng phát triển rất lớn trong thời gian tới, đặc biệt tại Trung Quốc, Ấn Độ (các quốc gia này không triển khai LTE M) và các nước Châu Âu.

     Từ quan điểm của nhà khai thác mạng di động (MNO), LTE-Cat 1 đi kèm với lợi ích là nó không yêu cầu nâng cấp phần mềm và phần cứng cho trạm gốc, do đó không phải trả thêm chi phí phủ sóng mạng. Trong khi chi phí license để triển khai thử nghiệm LTE M đối với thiết bị Nokia là 900 USD/Cell.

     Với sự phổ biến, chi phí và các tính năng độc đáo của LTE Cat 1, chúng ta có thể thấy rằng cùng với công nghệ kết nối NB IoT phù hợp cho các ứng dụng đo lường thông minh ở trạng thái tĩnh hoặc yêu cầu tính di động thấp, tiết kiệm năng lượng thì CAT-1 là công nghệ phù hợp nhất để thay thế các ứng dụng IoT kết nối 2G/3G khi các công nghệ này ngừng thương mại. CAT-1 hoàn toàn có thể thay thế cho tất cả các ứng dụng sử dụng kết nối CAT-M 1 trong trường hợp vùng phủ sóng CAT-M 1 kém. Ngay cả trong trường hợp vùng phủ sóng CAT-M 1 đảm bảo, CAT-1 cũng là lựa chọn phù hợp nhất cho các ứng dụng như pleet management, ATM, Kiosks, Video Surveullance, e-scooters, smart wearables; các ứng dụng push to talk over cellular hay voice over LTE (VoLTE) cần thực hiện cuộc gọi trong trường hợp khẩn cấp.