Các ứng dụng của thành phố thông minh, vai trò của 5G và truyền thông D2D

Khái niệm thành phố thông minh đã được áp dụng rộng rãi như một giải pháp, nhưng phạm vi các dịch vụ được cung cấp trong thành phố thông minh khác nhau tùy theo thành phố và khu vực, do sự khác biệt về đặc điểm đô thị, nhu cầu xã hội và cơ cấu chính quyền. Trong bối cảnh này, công nghệ di động 5G, với sự phủ sóng rộng rãi của mình, sẽ đóng vai trò hạ tầng mạng quan trọng để cung cấp dịch vụ và giúp thành phố thông minh vượt qua những thách thức liên quan đến sự gia tăng tỉ lệ đô thị hóa trên toàn thế giới.

Thành phố thông minh được mô tả là một thành phố tương tác và tăng cường tính minh bạch cho người dân, cải thiện việc sử dụng các nguồn lực công, và tăng chất lượng dịch vụ cung cấp cho người dân trong khi giảm chi phí hoạt động của hành chính công [1]. Nguyên tắc cho một sáng kiến thành công về thành phố thông minh được xác định trong ba từ: con người, quy trình, và công nghệ. Một thành phố cần hiểu rõ về công dân và cộng đồng của mình; biết các quy trình, tạo ra các chính sách và mục tiêu để đáp ứng nhu cầu của công dân; và công nghệ có thể được thực hiện để nâng cao chất lượng cuộc sống và tạo cơ hội kinh doanh. Khái niệm về thành phố thông minh luôn được cập nhật, nâng cấp cùng với sự phát triển không ngừng của công nghệ.

Nhìn chung, các thành phố thông minh trên thế giới cung cấp nhiều dịch vụ giống nhau, chẳng hạn như lưới điện thông minh, cảm biến giao thông và dữ liệu đô thị mở, ngoài ra là các công nghệ đang phát triển như xe tự hành, mạng IoT và các nguồn năng lượng tái tạo. Có sự khác biệt rõ ràng giữa các khu vực khác nhau đó là các thành phố châu Âu nhấn mạnh tính bền vững, các thành phố châu Á vận hành nhiều dịch vụ liên quan đến giao thông, và các thành phố ở châu Mỹ coi tội phạm là một vấn đề quan trọng [2]. 

Đến thời điểm hiện tại, những ứng dụng, hay dịch vụ của thành phố thông minh có thể được phân vào sáu hạng mục như hình trên. Trong các kịch bản ứng dụng của thành phố thông minh, dữ liệu từ các cảm biến được gửi tới trung tâm thu thập dữ liệu và lưu trữ, sau đó là quá trình phân tích và xử lý dữ liệu. Các công nghệ được sử dụng có thể kể đến là điện toán đám mây, mạng, SDN/NFV, dữ liệu lớn, IoT và các kiến trúc an ninh mạng, ... [3]. Các dịch vụ đám mây và trí tuệ nhân tạo được sử dụng để phân tích dữ liệu lớn, từ đó đưa ra các quyết định có lợi cho cư dân. Để thực hiện quy trình trên một cách trơn tru và hiệu quả, nền tảng truyền thông đóng một vai trò rất quan trọng, và mạng thông tin di động (hiện tại là 5G), hạ tầng mạng không dây được sử dụng rộng rãi nhất, chính là ứng cử viên tiềm năng cho kết nối này [4].

Đời sống 

Trong lĩnh vực đời sống, các ứng dụng của thành phố thông minh tập trung vào các vấn đề liên quan đến chăm sóc sức khỏe, kiểm soát ô nhiễm, phúc lợi xã hội, quản lý các khu công cộng, đảm bảo an ninh an toàn cho cư dân, các vấn đề liên quan đến văn hóa,...

Việc quản lý chăm sóc sức khỏe theo cách truyền thống dần dần không thể đáp ứng được lượng dữ liệu tăng vọt cùng với sự bùng nổ dân số trên toàn thế giới. Việc tích hợp quy trình chăm sóc sức khỏe truyền thống với các công nghệ truyền thông hiện đại có thể tạo thành một hệ thống chăm sóc sức khỏe tốt hơn và các giải pháp sáng tạo cho sức khỏe cộng đồng đã ra đời: 

Chăm sóc xã hội tại nhà 24/7: dành cho người cao tuổi và người khuyết tật. Giải pháp này sẽ gửi thông báo cho nhân viên phụ trách các vấn đề liên quan đến tình hình sức khỏe bị suy yếu. Qua đó, người cần được chăm sóc vẫn có thể ở nhà và được kết nối liên tục với các trung tâm chăm sóc sức khỏe 24/7.

Thiết bị đeo và Gọi điện video tới bác sĩ: Bác sĩ có thể tư vấn từ xa bằng cách sử dụng hội nghị truyền hình. Bệnh nhân có thể được khám từ xa bằng thiết bị đeo giám sát sức khỏe có khả năng liên tục theo dõi và truyền các tín hiệu quan trọng như nhịp tim, chuyển động cơ, hoạt động của não, mức độ hydrat hóa và nhiệt độ. Hơn nữa, đơn thuốc cũng có thể được tự động gửi đến một mạng lưới hiệu thuốc để phân phối thuốc tự động, từ đó giảm đáng kể việc đi khám sức khỏe tại các trung tâm chăm sóc sức khỏe cộng đồng. 

Phẫu thuật từ xa: cho phép bệnh nhân ở bất cứ đâu đều có thể tiếp cận được với chuyên gia và các dịch vụ chăm sóc sức khỏe mà không cần đến các cơ sở dịch vụ chăm sóc sức khỏe truyền thống, miễn là kết nối Internet giữa bệnh nhân và chuyên gia y tế đáp ứng các yêu cầu về độ trễ, cần thiết để thực hiện một số phẫu thuật.

Tài nguyên thiên nhiên và năng lượng 

Các ứng dụng trọng lĩnh vực này liên quan đến quản lý năng lượng điện, năng lượng tái tạo, chiếu sáng công cộng, quản lý rác thải, quản lý nước,… 

Sử dụng năng lượng một cách hiệu quả đang là một vấn đề mang tính toàn cầu khi 13 thành phố lớn ở châu Âu đã sử dụng hệ thống điều chỉnh mức tiêu thụ năng lượng thích ứng, như lưới điện thông minh và hệ thống chiếu sáng đường phố theo cảm biến chuyển động. 

Lưới điện thông minh giúp làm hài hòa giữa cung và cầu của các nhà vận hành lưới điện, các bên liên quan đến thị trường điện và người tiêu dùng, để quản lý mạng lưới điện hiệu quả nhất có thể trong thành phố thông minh. Công nghệ truyền thông giúp kết nối đồng hồ điện thông minh, thiết bị thông minh và tài nguyên năng lượng tái tạo với trung tâm điều khiển nhằm giảm mức tiêu thụ cao điểm và tích hợp tài nguyên năng lượng tái tạo (nguồn năng lượng có độ biến thiên cao như điện mặt trời hay điện gió) vào lưới điện một cách tốt hơn.

Vận tải và di động 

Lĩnh vực này bao gồm các ứng dụng liên quan đến vận hành giao thông, thông tin và an toàn giao thông, thông tin về các bãi đỗ xe thông minh, dịch vụ vận chuyển hậu cần trong thành phố, và cả các ứng dụng dành cho người khuyết tật và người có nhu cầu đặc biệt, cũng như khái niệm giao thông thông minh… 

Chúng ta không còn xa lạ với các dịch vụ thông tin giao thông trong cả thập kỷ nay, nhưng gần đây, chúng ta đã thấy thông tin này được tích hợp vào các hệ thống định vị dẫn đường, cho phép tài xế lựa chọn tuyến đường tối ưu và phân tán bớt lưu lượng giao thông. Trước mỗi hành trình từ nhà tới công sở, người sử dụng có thể bật ứng dụng định vị và quan sát tình trạng giao thông trên lộ trình mình chuẩn bị di chuyển được thể hiện qua màu sắc: xanh cho sự thông thoáng, vàng cho lưu lượng cao, và đỏ cho tắc nghẽn, ngoài ra ứng dụng cũng sẽ đưa ra thêm những lộ trình khác thông thoáng hơn cho người dùng ước lượng thời gian và lựa chọn. Những dịch vụ này đặc biệt hữu ích đối với các thành phố ở châu Á với mật độ tham gia giao thông cao. 

Đối với các thành phố ở châu Âu, các ứng dụng về logistics lại rất được chú trọng với vai trò rất lớn của chính quyền trong việc vận chuyển hàng hóa thông minh. Liên minh châu Âu EU cũng tích cực trong việc hỗ trợ thiết lập một mạng lưới hậu cần tích hợp và thông minh. Việc chia sẻ phương tiện cũng trở nên phổ biến, cùng với việc áp dụng những công nghệ mới cho bãi đỗ xe thông minh và hệ thống chiếu sáng thông minh cho đường phố [5]. 

Sự kết hợp giữa phương tiện với sự di chuyển thông minh cho thấy sức mạnh của khái niệm giao thông thông minh. Dựa trên các kết nối giữa phương tiện với hạ tầng (V2I), phương tiện với phương tiện (V2V), và phương tiện với mọi thứ (V2X), việc phân tích dữ liệu lớn sẽ giúp trung tâm điều khiển vẽ được một bức tranh toàn cảnh về hệ thống giao thông trong thành phố theo thời gian thực, bao gồm mật độ giao thông, hệ thống đèn tín hiệu, các tuyến xe buýt, hệ thống chắn tàu hỏa, hệ thống tàu điện ngầm,… và tất cả đều được gửi đến điện thoại thông minh của tài xế hay người đi bộ. Một số tiện ích khác có thể kể đến là các hệ thống camera giám sát quá tốc độ, trốn thu phí, lái xe vào làn đường xe buýt, vượt đèn đỏ, phát hiện tội phạm và an ninh,…

Hạ tầng và tòa nhà 

Bao gồm các ứng dụng liên quan đến quản lý hạ tầng, quản lý tòa nhà, hạ tầng truy cập Internet,... Việc số hóa với hệ thống quản lý tòa nhà thông minh và mạng cảm biến không dây giúp kiểm soát tốt hơn các thiết bị của tòa nhà. Từ hệ thống sưởi, làm mát, hệ thống chiếu sáng, hay camera giám sát… đều có thể được quản lý và vận hành một cách hợp lý, tối ưu trong hiệu quả sử dụng. Bên cạnh đó, giải pháp nhà thông minh với nền tảng truyền thông không dây sẽ giữ mối liên kết giữa chủ nhà và căn hộ của họ ngay cả khi họ không ở nhà. Mọi thao tác, cảnh báo, tiện ích, đều có thể gói gọn trong lòng bàn tay, với sức mạnh của công nghệ thông tin và truyền thông.

Quản trị 

Bao gồm chính phủ điện tử, sự tham gia của người dân, thông tin mở,... nhìn chung là cần bao trùm nhận thức về chính trị, các dịch vụ mang tính xã hội, và quản trị hiệu quả, minh bạch. Các thành phố ở châu Âu và châu Á cung cấp những nền tảng điện tử giúp cho người dân có thể tham gia vào các hoạt động của chính phủ. Ứng dụng trên điện thoại kết nối Internet giúp người dân đưa ra ý kiến xây dựng, phản ánh về các vấn đề tồn tại, bình chọn cho một chính sách nào đó, truy cập vào những thông tin mở,… từ đó giúp việc quản trị của chính phủ tốt hơn, phục vụ nhiều hơn cho lợi ích của công dân.

Kinh tế và giáo dục 

Nhiều thành phố đang kết nối các dịch vụ của thành phố thông minh với nền kinh tế khu vực. Kinh tế thông minh cần dựa trên những ý tưởng sáng tạo giúp tăng năng suất, giảm chi phí, và tận dụng công nghệ thông tin và truyền thông để có một nền kinh tế số cởi mở, cạnh tranh mang lại tỷ lệ tăng trưởng cao. Ngoài ra, trình diễn công nghệ với sự ra đời của các phòng thí nghiệm cũng đang mang lại những giải pháp công nghệ tiềm năng đóng góp vào sự phát triển của xã hội. Tính đến thời điểm hiện tại, Việt Nam có khoảng 16 phòng thí nghiệm chế tạo (FAB-LAB) thuộc 5 tỉnh, thành: Hà Nội, TP. HCM, Đà Nẵng, Bình Dương và Cần Thơ, góp phần thúc đẩy sự mày mò sáng tạo, phát triển các sáng kiến, các sản phẩm mới phục vụ cộng đồng.

Nền tảng truyền thông 5G và D2D 

Các ứng dụng nêu trên của thành phố thông minh đều được xây dựng trên nền tảng truyền thông là mạng di động 5G và kết nối thiết bị tới thiết bị (D2D), một mô hình trong mạng di động, cho phép tương tác trực tiếp giữa các thiết bị người dùng gần nhau (UE), giảm thiểu việc truyền dữ liệu trong mạng truy cập vô tuyến. 

Giải pháp chăm sóc sức khỏe 24/7 và khám bệnh từ xa chỉ yêu cầu một kết nối Internet liên tục với thông lượng đủ để đáp ứng dịch vụ. Còn giải pháp phẫu thuật từ xa sẽ yêu cầu rất ngặt nghèo về độ trễ và độ tin cậy của kết nối Internet, và những tiêu chuẩn của mạng 5G chính là một giải pháp có thể đáp ứng được những yêu cầu về truyền thông cho một hệ thống sức khỏe công cộng trong thành phố thông minh. 

Trong lưới điện thông minh, đồng hồ điện thông minh và các nút cảm biến khác có thể được kết nối cục bộ với điểm truy cập thông qua kết nối D2D để được cấp quyền truy cập vào mạng di động. Sau đó, các kỹ thuật SDN, như cắt lớp mạng, có thể được sử dụng để đảm bảo QoS theo yêu cầu của lưới điện thông minh. Các giải pháp cho vấn đề này đều tập trung vào 5G như là một nền tảng truyền thông để phát triển lưới điện thông minh. Từ đó, độ tin cậy, tính hiệu quả, và sự linh hoạt chính là những lợi ích đạt được so với sử dụng lưới điện truyền thống. 

Đối với một hệ thống giao thông thông minh với nhiều phân đoạn, vô số kết nối, và hàm lượng dữ liệu khổng lồ cần được xử lý bằng hàng loạt thuật toán phức tạp, truyền thông D2D và hạ tầng 5G với sự đảm bảo về tốc độ, chất lượng truyền dẫn và độ trễ, chính là sự lựa chọn hoàn hảo đáp ứng nhu cầu cập nhật trạng thái theo thời gian thực. 

Chính phủ điện tử với nền tảng kết nối 5G giúp người dân tương tác với chính phủ mọi lúc mọi nơi, người dân có thể cập nhật kịp thời những chính sách mới, truy xuất thông tin mở nhanh chóng, giúp chính phủ có phản ứng kịp thời với những thông tin nhận được từ người dân, đảm bảo tính hiệu quả trong quản lý.

Các công nghệ sẽ được kết hợp với nhau tùy thuộc vào từng kịch bản thành phố thông minh. Bài viết này đã đề cập đến 5G do phạm vi phủ sóng rộng rãi của mạng di động với những tiêu chuẩn về tốc độ và độ trễ đáp ứng được cả các nhu cầu khắt khe nhất của các loại dịch vụ, và truyền thông D2D là một cầu nối quan trọng giữa IoT với mạng di động. Trong bối cảnh mạng 5G được đưa vào thương mại hóa ngày càng rộng rãi trên toàn thế giới cũng như ở Việt Nam, việc tích hợp các ứng dụng thành phố thông minh với mạng 5G vẫn tiếp tục được triển khai theo đúng lộ trình.

Tài liệu tham khảo:

[1] Zanella A., Bui N., Castellani A. et al., Internet of things for smart cities, IEEE Internet of Things Journal 1 (1): 22–32, 2014.

[2] Jeyun Y., Youngsang K., Daehwan K., Regional Smart City Development Focus: The South Korean National Strategic Smart City Program, IEEE Access, Vol. 9, 7193-7210, Dec. 2020.

[3] Mosa Ali Abu-Rgheff, 5G Physical Layer Technologies, First Edition, 2020 John Wiley & Sons Ltd.

[4] Munoz R., et al., The CTTC 5G end-to-end experimental platform: Integrating heterogeneous wireless/optical networks, distributed cloud, and IoT devices, IEEE Vehicular Technology Magazine 11(1), 50–63, 2016.

[5] E. E. Tsiropoulou, J. S. Baras, S. Papavassiliou, and S. Sinha, RFIDbased smart parking management system, Cyber-Phys. Syst., vol. 3, nos. 1–4, pp. 22–41, Oct. 2017.

(Bài viết đăng ấn phẩm in Tạp chí TT&TT số 9 tháng 9/2021)