Cân bằng giữa tính bền vững và an ninh: Tổng quan về 5G và Internet vạn vật (IoT) trong các đô thị thông minh
Balancing sustainability and security: A review of 5G and IoT in smart cities
| Tác giả |
Ghadah Aldehim Sunawar Khan Tariq Shahzad Muhammad Amir Khan Yazeed Yasin Ghadi Weiwei Jiang Tehseen Mazhar Habib Hamam |
| Ngày đăng tải | 30/06/2025 |
| DOI | https://doi.org/10.1016/j.dcan.2025.06.007 |
| Nguồn bài nghiên cứu | Science Direct |
| Từ khóa |
Internet vạn vật (IoT) Đô thị thông minh Hạ tầng đô thị Phát triển bền vững Kết nối Quản lý dữ liệu |
1 – GIỚI THIỆU
Quá trình đô thị hóa nhanh chóng trong thế kỷ XXI đã tạo ra những thách thức sâu sắc đối với quản trị đô thị, tính bền vững và quản lý tài nguyên. Sự gia tăng dân số đô thị làm gia tăng nhu cầu về năng lượng, nước, giao thông, y tế và xử lý chất thải, trong khi các mô hình hạ tầng và quản lý truyền thống ngày càng bộc lộ sự hạn chế trong việc đáp ứng những yêu cầu phức tạp này. Trước bối cảnh đó, khái niệm đô thị thông minh đã nổi lên như một hướng tiếp cận mang tính chuyển đổi, tận dụng các công nghệ tiên tiến nhằm tạo ra các không gian đô thị hiệu quả hơn, bền vững hơn và đáng sống hơn.
Trong số các công nghệ nền tảng của đô thị thông minh, Internet vạn vật (IoT) và mạng di động thế hệ thứ năm (5G) đóng vai trò trung tâm. IoT cung cấp hạ tầng để kết nối số lượng lớn các cảm biến, thiết bị và bộ truyền động phân bố rộng khắp đô thị, cho phép thu thập dữ liệu thời gian thực với mức tiêu thụ năng lượng thấp. Dữ liệu này, khi được phân tích và xử lý, hỗ trợ các quyết định dựa trên dữ liệu nhằm nâng cao hiệu quả, an toàn và chất lượng sống đô thị. Trong khi đó, 5G mang lại tốc độ truyền dữ liệu cực cao, độ trễ siêu thấp và khả năng kết nối mật độ thiết bị rất lớn, cho phép các hệ thống IoT hoạt động đồng bộ và gần như tức thời.
Bài tổng quan này phân tích vai trò của kiến trúc phân tầng IoT kết hợp với kết nối 5G trong việc tối ưu hóa các hệ thống đô thị, nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên và giải quyết các thách thức về bền vững. Nghiên cứu tổng hợp tài liệu học thuật, báo cáo công nghiệp và các nghiên cứu trường hợp tiêu biểu như Barcelona và Singapore nhằm làm rõ tiềm năng, lợi ích cũng như những rủi ro về khả năng mở rộng, khả năng tương tác và an ninh mạng. Bên cạnh đó, bài viết còn xem xét các xu hướng mới nổi như trí tuệ nhân tạo (AI), blockchain và mạng 6G, đồng thời nhấn mạnh vai trò của các khung chính sách nhằm đảm bảo tiếp cận công bằng, bảo vệ dữ liệu và tuân thủ các nguyên tắc đạo đức trong phát triển đô thị thông minh.
2 – MÔ TẢ HỆ THỐNG
Hệ thống đô thị thông minh được trình bày trong nghiên cứu được xây dựng dựa trên kiến trúc phân tầng của Internet vạn vật (IoT), kết hợp chặt chẽ với hạ tầng kết nối của mạng 5G nhằm đảm bảo khả năng vận hành theo thời gian thực, quy mô lớn và độ tin cậy cao. Kiến trúc này không chỉ phản ánh cấu trúc kỹ thuật mà còn thể hiện logic quản trị và dòng chảy dữ liệu trong toàn bộ hệ sinh thái đô thị thông minh.
Lớp cảm nhận (perception layer) là nền tảng của hệ thống, bao gồm các cảm biến, bộ truyền động và thiết bị đầu cuối được triển khai rộng khắp không gian đô thị. Các thiết bị này thu thập liên tục dữ liệu đa dạng như lưu lượng giao thông, mức tiêu thụ điện – nước, chất lượng không khí, tiếng ồn, nhiệt độ môi trường, tình trạng cơ sở hạ tầng và các chỉ số liên quan đến an toàn công cộng. Đặc điểm quan trọng của lớp này là khả năng hoạt động lâu dài với mức tiêu thụ năng lượng thấp, cho phép giám sát đô thị một cách liên tục và không gián đoạn.
Dữ liệu thu thập được truyền qua lớp mạng (network layer), trong đó mạng 5G đóng vai trò trung tâm. So với các công nghệ truyền thông không dây thế hệ trước, 5G cung cấp băng thông lớn, độ trễ siêu thấp và khả năng kết nối mật độ thiết bị rất cao, đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng đô thị quy mô lớn như giao thông tự hành, y tế từ xa hay điều hành khẩn cấp. Các công nghệ như network slicing, massive MIMO và millimeter wave cho phép phân tách tài nguyên mạng theo từng loại dịch vụ, đảm bảo các ứng dụng trọng yếu luôn được ưu tiên và hoạt động ổn định.
Tiếp theo là lớp biên và sương mù (edge & fog layer), nơi dữ liệu được xử lý cục bộ gần nguồn phát sinh. Việc đưa năng lực tính toán xuống gần thiết bị đầu cuối giúp giảm tải cho hệ thống đám mây trung tâm, rút ngắn thời gian phản hồi và tăng độ tin cậy cho các ứng dụng thời gian thực. Đây là lớp đặc biệt quan trọng đối với các chức năng đòi hỏi phản ứng tức thời như điều khiển đèn giao thông, phát hiện sự cố hạ tầng hay hỗ trợ cứu hộ khẩn cấp.
Lớp ứng dụng (application layer) chuyển hóa dữ liệu đã xử lý thành các dịch vụ đô thị thông minh cụ thể. Các ứng dụng tiêu biểu bao gồm quản lý giao thông thông minh, lưới điện và lưới nước thông minh, quản lý chất thải, giám sát môi trường, an ninh công cộng và chăm sóc sức khỏe từ xa. Lớp này thường tích hợp các thuật toán phân tích dữ liệu lớn và trí tuệ nhân tạo nhằm dự báo xu hướng, tối ưu vận hành và hỗ trợ ra quyết định.
Cuối cùng, lớp nghiệp vụ/quản trị (business layer) đóng vai trò chiến lược, nơi dữ liệu và kết quả phân tích được sử dụng cho công tác hoạch định chính sách, quản trị đô thị và phân bổ nguồn lực. Lớp này kết nối công nghệ với quản trị công, cho phép chính quyền đô thị giám sát hiệu quả hoạt động, đánh giá tác động chính sách và điều chỉnh chiến lược phát triển theo hướng bền vững.
3 – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu áp dụng phương pháp tổng quan học thuật có hệ thống, kết hợp với phân tích định tính dựa trên nghiên cứu trường hợp, nhằm xây dựng một cái nhìn toàn diện về vai trò của IoT và 5G trong đô thị thông minh. Trước hết, nhóm tác giả tiến hành rà soát sâu rộng các công trình khoa học, báo cáo kỹ thuật, tài liệu chính sách và nghiên cứu công nghiệp liên quan đến đô thị thông minh, IoT, 5G, an ninh mạng và phát triển bền vững. Quá trình này giúp xác định các xu hướng nghiên cứu chủ đạo, khoảng trống tri thức và các thách thức chưa được giải quyết đầy đủ trong tài liệu hiện có.
Trên nền tảng tổng hợp lý thuyết, nghiên cứu tiếp tục triển khai phân tích nghiên cứu trường hợp tại các đô thị tiên phong như Barcelona, Singapore và Songdo. Các trường hợp này được lựa chọn do mức độ triển khai thực tế cao, đa dạng lĩnh vực ứng dụng và có dữ liệu minh chứng rõ ràng về hiệu quả vận hành. Thông qua việc phân tích các hệ thống giao thông thông minh, lưới điện thông minh, quản lý nước và chất thải, nghiên cứu đánh giá tác động của IoT–5G đối với hiệu quả tài nguyên, chất lượng dịch vụ công và mức độ bền vững môi trường.
Phương pháp tiếp cận kết hợp này cho phép nghiên cứu vừa đảm bảo chiều sâu học thuật, vừa gắn kết chặt chẽ với thực tiễn triển khai, từ đó đưa ra các kết luận và khuyến nghị có giá trị ứng dụng cao cho các nhà hoạch định chính sách và quản lý đô thị.
4 – KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Kết quả nghiên cứu cho thấy sự tích hợp giữa IoT và 5G tạo ra những cải thiện đáng kể về hiệu quả vận hành và tính bền vững đô thị. Trong lĩnh vực quản lý năng lượng, các hệ thống đo đếm thông minh và lưới điện thông minh cho phép giám sát tiêu thụ theo thời gian thực, cân bằng cung – cầu và tích hợp hiệu quả các nguồn năng lượng tái tạo. Nhờ đó, mức tiêu thụ năng lượng và phát thải carbon tại các đô thị nghiên cứu được ghi nhận giảm đáng kể.
Trong quản lý giao thông, dữ liệu thời gian thực từ cảm biến và phương tiện kết nối giúp điều chỉnh linh hoạt tín hiệu giao thông, giảm ùn tắc và tai nạn, đồng thời cải thiện chất lượng không khí. Các nghiên cứu trường hợp cho thấy hệ thống giao thông thông minh có thể giảm đáng kể thời gian di chuyển và lượng nhiên liệu tiêu thụ.
Quản lý chất thải và nước cũng được cải thiện thông qua các cảm biến IoT và phân tích dữ liệu, cho phép phát hiện sớm rò rỉ, tối ưu hóa lịch trình thu gom và giảm lãng phí tài nguyên. Trong lĩnh vực y tế, các ứng dụng giám sát sức khỏe từ xa giúp mở rộng khả năng tiếp cận dịch vụ, đặc biệt đối với các nhóm dân cư dễ bị tổn thương.
Tuy nhiên, nghiên cứu cũng chỉ ra các rủi ro và hạn chế. Việc gia tăng nhanh chóng số lượng thiết bị IoT làm tăng bề mặt tấn công mạng, dẫn đến nguy cơ mất an toàn dữ liệu và gián đoạn dịch vụ. Đồng thời, hạ tầng 5G và các trung tâm dữ liệu đi kèm tiêu thụ lượng năng lượng đáng kể, có thể làm suy giảm lợi ích môi trường nếu không được quản lý bằng các giải pháp tiết kiệm năng lượng và năng lượng tái tạo.
5 – KẾT LUẬN
Nghiên cứu kết luận rằng IoT và 5G là trụ cột công nghệ cốt lõi của đô thị thông minh, có khả năng thúc đẩy mạnh mẽ tính bền vững, hiệu quả quản lý và chất lượng sống đô thị. Kiến trúc phân tầng của IoT kết hợp với khả năng kết nối ưu việt của 5G tạo điều kiện cho việc thu thập, xử lý và khai thác dữ liệu quy mô lớn theo thời gian thực, qua đó hỗ trợ ra quyết định chính xác và linh hoạt.
Tuy nhiên, để khai thác tối đa tiềm năng này, các đô thị cần tiếp cận một cách toàn diện và cân bằng, trong đó đổi mới công nghệ phải song hành với bảo đảm an ninh mạng, hiệu quả năng lượng và quản trị dữ liệu. Nghiên cứu nhấn mạnh vai trò của các công nghệ bổ trợ như trí tuệ nhân tạo, blockchain và trong tương lai là 6G trong việc tăng cường an ninh, khả năng mở rộng và hỗ trợ các mô hình phát triển kinh tế tuần hoàn.
Cuối cùng, bài viết khẳng định rằng sự thành công của đô thị thông minh không chỉ phụ thuộc vào công nghệ, mà còn vào khung chính sách, thể chế và đạo đức. Các chính sách cần đảm bảo tiếp cận công bằng, bảo vệ quyền riêng tư và thúc đẩy sự tham gia của người dân. Chỉ khi kết hợp hài hòa giữa công nghệ, quản trị và chính sách, các đô thị thông minh mới có thể phát triển theo hướng bền vững, an toàn và bao trùm trong dài hạn.
