Cơ sở hạ tầng kết nối cáp cho IoT

 Thế giới đang thay đổi nhanh chóng từng ngày, khi công nghệ đã dần trở nên gắn bó với thói quen của con người. Công nghệ chính là lĩnh vực phát triển mạnh mẽ nhất trong những năm qua và chắc chắn sẽ không ngừng cải tiến trong tương lai. Đi cùng với sự phát triển của công nghệ, con người trở nên thông minh hơn nhờ việc nắm bắt và cập nhật được nhiều thông tin. Tuy nhiên, điều này sẽ khiến cho chúng ta trở nên phụ thuộc vào các thiết bị công nghệ nhiều hơn.

Hiện nay, các thiết bị thông minh sẽ tạo ra một cơ sở hạ tầng mạng mới, một hệ thống mạng thông minh được xây dựng dựa trên Internet of Things (IoT).

​

Thiết bị kết nối và cơ sở hạ tầng cho IoT
Khi xét đến hệ thống hạ tầng mới trong môi trường tòa nhà thương mại này, chúng ta cần xem xét kỹ hai thuật ngữ sau để hiểu rõ hơn về những tác động của IoT đến việc thiết kế cơ sở hạ tầng:

- “Thiết bị kết nối”: Đề cập đến các thiết bị như máy điều hòa thông minh, điện thoại, camera an ninh, hệ thống điều khiển… Những thiết bị này hỗ trợ các ứng dụng khác nhau, thu thập các dữ liệu cần thiết nhờ vào các công nghệ hiện có, sau đó tự động thực hiện trao đổi giữa các thiết bị với nhau mà không cần sự tác động của con người. Các thiết bị này thường kết nối với nhau thông qua IP, trong đó có nhiều thiết bị có thể được cấp nguồn và kết nối mạng đồng thời trên cùng một sợi cáp bằng công nghệ PoE (Power over Ethernet).

- “Cơ sở hạ tầng hỗ trợ”: Đề cập đến cấu trúc kết nối giúp hệ thống IoT khả thi, nó bao gồm các nền tảng đơn giản sử dụng ngôn ngữ chung cho phép các thiết bị giao tiếp tự do. Trong đó, thu thập và hành động là yếu tố chính trong sự phát triển của IoT và các thiết bị hỗ trợ như PoE, thiết bị truy cập không dây WAP, các thiết bị định tuyến và thiết bị chuyển mạch. Bên cạnh đó, cơ sở hạ tầng kết nối cáp cấu trúc sẽ giúp tăng thêm khả năng triển khai về mặt vật lý và cung cấp một nền tảng cần thiết để hỗ trợ cho các ứng dụng IoT.

​

Sự hội tụ của nguồn điện và dữ liệu
Dữ liệu: Với các thiết bị và ứng dụng sử dụng giao thức IP để giao tiếp và Ethernet cung cấp phương pháp chuẩn để truyền dữ liệu, chúng ta sẽ thấy được sự hội tụ của các thiết bị kết nối thông qua Ethernet. Điều này cho phép các mạng IoT được thiết kế và quản lý theo các tiêu chuẩn công nghiệp hiện tại và tương lai, bao gồm cả các tiêu chuẩn của TIA và IEEE, nhằm đảm bảo sư hoạt động an toàn và nhất quán cho các thiết bị đang sử dụng chung một cơ sở hạ tầng.

PoE: Một công nghệ kết nối Ethernet tự cấp nguồn, sử dụng khả năng sẵn có của các kết nối cáp đồng xoắn đôi để truyền tải cả dữ liệu và nguồn điện cho các thiết bị thông qua một sợi cáp duy nhất theo các tiêu chuẩn mà IEEE đưa ra. Ngoài ra, còn có các giải pháp khác trên thị trường hỗ trợ truyền tải đồng thời cả điện và dữ liệu như giải pháp UPOE (Universal Power Over Ethernet) của Cisco và PoH (Power over HDBase-T) của ngành công nghiệp AV.

Hiện tại, các tiêu chuẩn IEEE cho phép các thiết bị dưới 30W được cấp nguồn và kết nối mạng chỉ với một sợi cáp duy nhất. Thực chất, với mức công suất này thì việc truyền tải điện và dữ liệu vẫn có thể diễn ra trên cơ sở hạ tầng kết nối cáp truyền thống đang được sử dụng trong các tòa nhà thương mại hiện nay. Hầu hết, hệ thống điện thoại IP (Voice over Internet Protocol-VoIP) trong những văn phòng làm việc đều đang sử dụng công nghệ này để truyền tải điện và dịch vụ thoại (dữ liệu) trên cùng một sợi cáp. Hiện nay, tiêu chuẩn mới nhất của IEEE về PoE là IEEE 802.3bt, cho phép truyền tải đồng thời cả dữ liệu và điện lên đến 100W từ các thiết bị cấp nguồn.

Tăng công suất tăng nhiệt độ
Với tiêu chuẩn IEEE 802.3bt, nguồn điện cung cấp qua cáp xoắn đôi tăng lên đến 100W sẽ đòi hỏi nghiêm ngặt hơn về các yêu cầu kết nối cáp, cũng như cơ sở hạ tầng cần thiết để hỗ trợ các ứng dụng IoT. Thế nên, khi công suất tải tăng đòi hỏi hệ thống tản nhiệt phải hoạt động hiệu quả để đảm bảo đúng hiệu suất của cáp. Khi đó nhiệt độ môi trường xung quanh máng cáp, cũng như nhiệt độ hoạt động trên sơi cáp phải được tính đến. Theo Hiệp hội Công nghiệp Viễn thông (TIA) khuyến cáo: “Nhiệt độ trên sợi cáp khi truyền tải đồng thời cả điện và dữ liệu sẽ không được tăng quá 15°C so với nhiệt độ môi trường xung quanh sợi cáp”. Cùng với đó, số lượng sợi cáp trong một bó cũng là yếu tố có tác động trực tiếp đến sự gia tăng nhiệt độ. Vì vậy, khi lựa chọn loại cáp sử dụng, chúng ta cần phải tính toán kỹ về giới hạn nhiệt độ này nhằm đảm bảo nhiệt độ hoạt động của cáp luôn luôn không tăng quá 15°C kể cả khi bó cáp có kích thước lớn nhất và truyền tải nguồn lên đến 100W mà vẫn không vượt quá giới hạn cho phép.

Khi triển khai các ứng dụng IoT sử dụng cáp xoắn đôi cần xem xét đến là mức công suất điện và dữ liệu mà thiết bị yêu cầu. Ví dụ như các ứng dụng như đèn LED yêu cầu mức công suất cao hơn, nhưng đòi hỏi về băng thông dữ liệu thấp. Trong khi đó, các ứng dụng như thiết bị truy cập không dây đa băng tần và đa ăng-ten lại yêu cầu băng thông cao hơn.

​

Mô hình thiết kế Tập trung và Phân tán
Khi triển khai các thiết bị trên cơ sở hạ tầng kết nối cáp cấu trúc để truyền tải dữ liệu và nguồn điện, hai mô hình thiết kế Tập trung và Phân tán cần được xem xét để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của toàn bộ hệ thống.

Đầu tiên, cách tiếp cận theo mô hình thiết kế Tập trung sẽ sử dụng một vị trí trung tâm làm nơi lưu trữ, phân tích và tính toán. Các thiết bị IoT sẽ được kết nối về trung tâm này thông qua phòng viễn thông, mặc dù các dịch vụ điện toán đám mây hoặc trung tâm dữ liệu ở xa cũng có thể được sử dụng. Bên cạnh đó, số lượng thiết bị được kết nối ngày càng tăng nên không gian cho vị trí trung tâm này cũng cần tăng theo. Tủ chứa thiết bị cũng cần được bổ sung thêm để hỗ trợ số lượng kết nối ngày càng tăng này, mỗi tủ sẽ được sử dụng riêng cho các chức năng và ứng dụng IoT khác nhau. Phần lớn các ứng dụng kết nối mạng ngày nay đều sử dụng mô hình này và cách tiếp cận này được xem là phương pháp triển khai thích hợp cho các thiết bị truy cập không dây. Một số hệ thống đèn LED cũng đang sử dụng mô hình thiết kế Tập trung để triển khai cấp nguồn PoE cho các đèn chiếu sáng. Việc tập trung các chức năng trung tâm dữ liệu vào một vị trí duy nhất sẽ dễ dàng hơn trong việc quản lý các thiết bị chủ động, nhưng sẽ gây khó khăn cho việc mở rộng các dịch vụ và thiết bị mới sau này.

Kế đến, cách tiếp cận theo mô hình Phân tán còn được gọi là cách tiếp cận theo khu vực, sử dụng các thiết bị phân phối đặt trên trần nhà hoặc các tủ treo tường trong toàn bộ tòa nhà để phân tích, lưu trữ và xử lý dữ liệu từ các thiết bị IoT lân cận. Điều này giúp đưa ra các quyết định nhanh và hiệu quả hơn nhờ khoảng cách ngắn hơn, cũng như giảm tải được khối lượng công việc cho các thiết bị trung tâm. Do đó, mỗi khu vực có thể có một hoặc nhiều tủ rack chứa các thiết bị mạng, thiết bị xử lý, thiết bị lưu trữ và thiết bị cấp nguồn cho khu vực đó, nhưng chỉ có một hoặc một vài đường cáp kết nối về phòng viễn thông của tầng. Thông qua đó sẽ giảm được số lượng cáp kết nối và giúp tăng cao hiệu quả khi cần di chuyển, thay đổi hay thêm các thiết bị trong các khu vực này. Việc phân phối các thiết bị chủ động thích hợp sẽ giảm chiều dài cáp kết nối đến các ứng dụng, giúp nâng cao hiệu quả hoạt động, đặc biệt là các ứng dụng cần truyền tải nguồn công suất cao. Chiều dài của cáp càng ngắn, công suất truyền tải trên sợi cáp càng cao để cung cấp cho các thiết bị đầu cuối. Vì thế, các ứng dụng đèn LED thông minh, camera an ninh và nhiều thiết bị khác nữa có thể được hưởng lợi từ mô hình này.

Cuối cùng, một mô hình mới được tạo ra dựa trên sự kết hợp của cả hai mô hình trên sẽ có khả năng đáp ứng tốt hơn với các điều kiện thực tế. Chẳng hạn như các thiết bị truy cập không dây sẽ sử dụng một mô hình tập trung và các ứng dụng có nhiều thiết bị kết nối như đèn chiếu sáng hỗ trợ PoE được hưởng lợi từ cách tiếp cận theo mô hình Phân tán.

Kết luận
Hiện nay, trong các hệ thống mạng văn phòng và tòa nhà thương mại có rất nhiều dịch vụ và ứng dụng khác nhau cùng hoạt động. Với những tiến bộ về công nghệ và sự phát triển của các tiêu chuẩn, chúng ta đang chứng kiến sự thay đổi mạnh mẽ trong cơ sở hạ tầng mạng hỗ trợ cho toàn bộ hệ thống mạng của tòa nhà. Trong tương lai, hệ thống đèn chiếu sáng cùng với camera an ninh, HVAC, điện thoại và nhiều ứng dụng khác cùng hội tụ trên một cơ sở hạ tầng kết nối cáp sẽ không còn là điều xa vời. Điều quan trọng là chúng ta phải hiểu rõ các nhu cầu và lập kế hoạch triển khai phù hợp để hệ thống hoạt động đúng công suất và đạt được hiệu quả cao nhất.