Luận văn thạc sĩ về khả năng xử lý tín hiệu trên kênh PDSCH của hệ thống 5G MIMO

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu mô phỏng và đánh giá khả năng xử lý tín hiệu trên kênh pdsch của hệ thống 5g mimo, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải

• Tác giả: Tô Anh Quyền
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Hồng Quân
• Trường học: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
• Đề tài: Mô Phỏng Và Đánh Giá Khả Năng Xử Lý Tín Hiệu Trên Kênh PDSCH Của Hệ Thống 5G MIMO
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM
• 1.1. Tổng quan về hệ thống thông tin di động 5G
• 1.1.1. Giới thiệu tổng quan về hệ thống 5G
• 1.1.2. Các tiêu chuẩn của hệ thống 5G
• 1.1.3. Tổ chức viễn thông thế giới (ITU)
• 1.1.4. Tổ chức 3GPP
• 1.1.5. Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu âu (ETSI)
• 1.1.6. Kiến trúc mạng 5G
• 1.1.6.1. Kiến trúc tổng quan về mạng 5G
• 1.1.6.2. Các kịch bản của mạng 5G
• 1.1.7. Quá trình phát triển và các kỹ thuật cơ bản của 5G
• 1.1.7.1. Quá trình phát triển từ 1G-5G
• 1.1.7.2. Các kỹ thuật cơ bản của 5G
• 1.1.7.2.1. Sơ đồ truyền và phần băng thông
• 1.1.7.2.2. Khoảng cách song mang con và Cấu trúc khung
• 1.1.7.2.3. Chế độ song công
• 1.1.8. Các ứng dụng của 5G
• 1.1.9. Các kịch bản phát triển 5G tại một số nước đang phát triển và Việt Nam
• 1.1.9.1. Kịch bản phát triển tại các nước phát triển
• 1.1.9.2. Kịch bản phát triển tại Việt Nam
• 1.1.10. Một số giải pháp nâng cao hiệu năng của mạng 5G
• 1.1.10.1. Phân tách trạm gốc gNB theo chức năng
• 1.1.10.2. MIMO và Massive MIMO
• 1.1.10.3. Điện toán biên
• 1.1.11. Kết luận chương
• 2. CHƯƠNG 2: XỬ LÝ TÍN HIỆU TRÊN KÊNH PDSCH TRONG MẠNG 5G HIỆN NAY
• 2.1. Giới thiệu chung
• 2.1.1. Tổng quan các kênh trong mạng 5G
• 2.1.2. Các kênh logic trong mạng 5G
• 2.1.3. Các kênh truyền tải trong mạng 5G
• 2.1.4. Các kênh vật lý trong mạng 5G
• 2.1.4.1. Kênh vật lý 5G đường xuống
• 2.1.4.2. Kênh vật lý 5G đường lên
• 2.2. Các phương pháp xử lý tín hiệu trên kênh PDSCH của mạng 5G hiện nay
• 2.2.1. Tính toán CRC và thuật toán CRC
• 2.2.1.1. Lựa chọn LDPC base graph
• 2.2.1.2. Phân đoạn mã hóa khối và chèn CRC
• 2.2.1.3. Mã hóa kênh qua LDPC
• 2.2.1.4. Phân mảnh dữ liệu
• 2.2.1.5. Rate Matching và chức năng HARQ
• 2.2.1.6. Ghép nối dữ liệu
• 2.2.1.7. Bộ xáo trộn bit
• 2.2.1.8. Bộ điều chế
• 2.2.1.9. Tham chiếu tài nguyên vào các khối tài nguyên ảo VRB
• 2.2.1.9.1. Tài nguyên cấp phát PDSCH trong miền tần số
• 2.2.1.9.2. Tài nguyên cấp phát PDSCH trong miền thời gian
• 2.2.2. Ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp xử lý tín hiệu hiện nay
• 2.2.2.1. Nhược điểm
• 2.3. Kết luận chương
• 3. CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ TÍN HIỆU TRÊN KÊNH PDSCH TRONG 5G MIMO
• 3.1. Vấn đề tồn tại
• 3.2. Thiết kế khối xử lý LDPC dựa trên nền tảng FPGA
• 3.2.1. Khối LDPC Front-end
• 3.2.2. Khoảng cách song mang con và Cấu trúc khung
• 3.3. Mô phỏng và đánh giá kết quả
• 3.3.1. Sơ đồ mô phỏng và cấu hình mô phỏng
• 3.3.2. Một số kết quả mô phỏng đã đạt được
• 3.3.2.1. Kết quả mô phỏng khi thực hiện xử lý tín hiệu trên các mức điều chế khác nhau của hệ thống SISO
• 3.3.2.2. Kết quả mô phỏng khi thực hiện xử lý tín hiệu trên MIMO 2X2 với mức điều chế 64QAM
• 3.3.2.3. Kết quả mô phỏng khi thực hiện xử lý tín hiệu trên MIMO 4X4 với mức điều chế 64QAM
• 3.3.2.4. Kết quả mô phỏng khi thực hiện xử lý tín hiệu trên MIMO 4X4 và lưu lượng của 8 người dùng
• 3.4. Kết luận chương
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về kênh PDSCH trong hệ thống 5G MIMO

Kênh PDSCH (Physical Downlink Shared Channel) là một trong những kênh quan trọng trong hệ thống 5G, đặc biệt trong kiến trúc MIMO (Multiple Input Multiple Output). Kênh này cho phép truyền tải dữ liệu từ trạm gốc đến thiết bị đầu cuối, đóng vai trò then chốt trong việc cải thiện hiệu suất truyền tải. Xử lý tín hiệu trên kênh PDSCH cần được tối ưu hóa để đáp ứng yêu cầu về tốc độ và độ tin cậy. Hệ thống 5G với công nghệ MIMO cho phép sử dụng nhiều anten để tăng cường khả năng truyền tải, từ đó nâng cao hiệu suất hệ thống. Việc đánh giá khả năng xử lý tín hiệu trên kênh này không chỉ giúp cải thiện chất lượng dịch vụ mà còn tạo ra nền tảng cho các ứng dụng tiên tiến trong tương lai.

1.1 Tính năng của kênh PDSCH

Kênh PDSCH có nhiều tính năng nổi bật, bao gồm khả năng hỗ trợ nhiều người dùng đồng thời và tối ưu hóa băng thông. Tín hiệu vô tuyến được truyền tải qua kênh này có thể được điều chế bằng nhiều phương pháp khác nhau, như QPSK, 16QAM, và 64QAM, tùy thuộc vào yêu cầu về tốc độ và độ tin cậy. Việc sử dụng công nghệ MIMO cho phép tăng cường khả năng truyền tải dữ liệu, giảm thiểu hiện tượng suy giảm tín hiệu và tăng cường độ tin cậy. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa tốc độ truyền tải trên kênh PDSCH có thể đạt được thông qua các phương pháp như ghép kênh và điều chế thích ứng.

II. Phân tích và đánh giá hiệu suất xử lý tín hiệu

Đánh giá hiệu suất xử lý tín hiệu trên kênh PDSCH trong hệ thống 5G MIMO là một nhiệm vụ quan trọng. Các phương pháp xử lý tín hiệu hiện nay bao gồm mã hóa LDPC (Low-Density Parity-Check) và các thuật toán điều chế tiên tiến. Đánh giá hiệu suất không chỉ dựa trên tốc độ truyền tải mà còn phải xem xét đến độ tin cậy và khả năng phục hồi tín hiệu. Các mô phỏng cho thấy rằng việc áp dụng công nghệ MIMO có thể cải thiện đáng kể hiệu suất truyền tải, đặc biệt trong môi trường có nhiều nhiễu. Việc sử dụng các kỹ thuật như tối ưu hóa kênh và tín hiệu truyền cũng đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống.

2.1 Các phương pháp xử lý tín hiệu

Các phương pháp xử lý tín hiệu trên kênh PDSCH bao gồm mã hóa, điều chế và ghép kênh. Mã hóa LDPC được sử dụng để cải thiện khả năng phát hiện và sửa lỗi, trong khi điều chế thích ứng cho phép hệ thống điều chỉnh theo điều kiện kênh. Tín hiệu vô tuyến được tối ưu hóa để giảm thiểu độ trễ và tăng cường độ tin cậy. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng các phương pháp này có thể giúp đạt được tốc độ truyền tải tối ưu và cải thiện trải nghiệm người dùng. Hơn nữa, việc sử dụng tần số vô tuyến hiệu quả cũng là một yếu tố quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất của kênh PDSCH.

III. Kết luận và hướng phát triển

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng khả năng xử lý tín hiệu trên kênh PDSCH trong hệ thống 5G MIMO có thể được cải thiện thông qua việc áp dụng các công nghệ tiên tiến và tối ưu hóa quy trình xử lý. Đánh giá hiệu suất cho thấy rằng việc sử dụng MIMO không chỉ giúp tăng cường tốc độ truyền tải mà còn cải thiện độ tin cậy của tín hiệu. Hướng phát triển trong tương lai cần tập trung vào việc tối ưu hóa các thuật toán xử lý tín hiệu và phát triển các giải pháp mới để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng. Việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới sẽ là chìa khóa để nâng cao hiệu suất hệ thống và đáp ứng các yêu cầu khắt khe của mạng 5G.

3.1 Đề xuất giải pháp

Để nâng cao khả năng xử lý tín hiệu trên kênh PDSCH, cần nghiên cứu và phát triển các giải pháp mới như sử dụng trí tuệ nhân tạo trong việc tối ưu hóa quy trình xử lý. Việc áp dụng các công nghệ mới như tính toán đám mây và mạng ảo hóa cũng có thể giúp cải thiện hiệu suất và giảm thiểu chi phí. Hơn nữa, việc hợp tác giữa các nhà nghiên cứu và các công ty công nghệ sẽ tạo ra cơ hội để phát triển các giải pháp sáng tạo, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường viễn thông.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ mạng di động 5G đang trở thành xu hướng phát triển chủ đạo trên toàn cầu với hơn 118 nhà khai thác đã triển khai dịch vụ 5G tính đến giữa năm 2020. Tại Việt Nam, 5G được kỳ vọng sẽ thúc đẩy mạnh mẽ các ứng dụng trong cách mạng công nghiệp 4.0, như nhà máy thông minh, y tế từ xa, và giao thông thông minh. Tuy nhiên, việc chuyển đổi từ hệ thống SISO sang MIMO trong 5G đặt ra nhiều thách thức về xử lý tín hiệu, đặc biệt trên kênh PDSCH – kênh chia sẻ đường xuống vật lý quan trọng trong truyền dữ liệu. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là mô phỏng và đánh giá khả năng xử lý tín hiệu trên kênh PDSCH của hệ thống 5G MIMO, nhằm đề xuất các giải pháp tối ưu cho việc xử lý tín hiệu trong mạng 5G tại Việt Nam. Nghiên cứu tập trung trong phạm vi hệ thống 5G MIMO với các mức điều chế phổ biến như 64QAM, 256QAM, và các cấu hình MIMO 2x2, 4x4, được mô phỏng trên nền tảng FPGA và phần mềm chuyên dụng. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cải thiện hiệu suất xử lý tín hiệu, giảm độ trễ và tăng thông lượng mạng, góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ 5G trong bối cảnh phát triển hạ tầng viễn thông tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

• Mô hình kiến trúc mạng 5G theo 3GPP Release 16: Bao gồm kiến trúc phân tách trạm gốc gNB thành các thành phần CU, DU và RU, hỗ trợ các giao diện F1, F2, F3 nhằm tối ưu hóa xử lý và ảo hóa mạng.
• Lý thuyết MIMO và Massive MIMO: Sử dụng nhiều anten thu phát để tăng dung lượng và vùng phủ sóng, đồng thời cải thiện hiệu suất phổ tần.
• Thuật toán mã hóa LDPC (Low Density Parity Check): Áp dụng cho kênh PDSCH nhằm sửa lỗi hiệu quả, với hai base graph lựa chọn dựa trên kích thước khối dữ liệu và tỷ lệ mã hóa.
• Thuật toán CRC (Cyclic Redundancy Check): Phương pháp kiểm tra lỗi dữ liệu truyền tải, được tối ưu hóa bằng thuật toán tính CRC song song để giảm thời gian xử lý.
• Quy trình xử lý tín hiệu trên kênh PDSCH: Bao gồm các bước tạo khối CRC, phân đoạn mã hóa, mã hóa LDPC, rate matching, xáo trộn bit, điều chế và ánh xạ tài nguyên vật lý.

Các khái niệm chính bao gồm: kênh PDSCH, LDPC base graph, CRC song song, MIMO 2x2 và 4x4, điều chế 64QAM và 256QAM, FPGA.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng và đánh giá thực nghiệm trên nền tảng FPGA kết hợp phần mềm mô phỏng chuyên dụng. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các cấu hình MIMO 2x2 và 4x4 với các mức điều chế QPSK, 64QAM, 256QAM. Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn các cấu hình phổ biến trong thực tế triển khai 5G để đảm bảo tính ứng dụng cao.

Nguồn dữ liệu thu thập từ các kết quả mô phỏng trên phần mềm Keysight Vector Signal Analyzer và FPGA thực nghiệm. Phân tích dữ liệu dựa trên các chỉ số kỹ thuật như thời gian xử lý tín hiệu, tỷ lệ lỗi bit (BER), và khả năng xử lý lưu lượng của nhiều người dùng đồng thời.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2021, bao gồm giai đoạn thiết kế khối xử lý LDPC, mô phỏng các trường hợp điều chế và cấu hình MIMO, đánh giá kết quả và đề xuất giải pháp tối ưu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu suất xử lý tín hiệu trên hệ thống SISO: Chuỗi xử lý tín hiệu lớp vật lý hoàn thành trong thời gian dưới 400 micro giây, đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật về độ trễ và thông lượng.

2. Ảnh hưởng của MIMO đến thời gian xử lý: Khi chuyển sang cấu hình MIMO 2x2 với điều chế 64QAM, thời gian xử lý tăng khoảng 1.5 lần so với SISO, trong khi với MIMO 4x4 cùng mức điều chế, thời gian xử lý tăng lên gần gấp đôi. Điều này cho thấy sự gia tăng số lượng anten làm tăng đáng kể khối lượng tính toán.

3. Khả năng xử lý lưu lượng đa người dùng: Mô phỏng với MIMO 4x4 và lưu lượng của 8 người dùng đồng thời cho thấy hệ thống vẫn duy trì được tỷ lệ lỗi bit dưới 10^-5, đảm bảo chất lượng dịch vụ trong điều kiện tải cao.

4. Tối ưu hóa thuật toán CRC song song: Thuật toán CRC song song giúp giảm thời gian tính toán CRC xuống khoảng 60% so với phương pháp tuần tự truyền thống, góp phần giảm tổng thời gian xử lý tín hiệu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự gia tăng thời gian xử lý khi áp dụng MIMO là do số lượng luồng dữ liệu tăng lên theo tỷ lệ số anten, dẫn đến khối lượng tính toán mã hóa LDPC và giải mã phức tạp hơn. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trong ngành viễn thông, cho thấy cần có các giải pháp phần cứng và thuật toán tối ưu để đáp ứng yêu cầu thời gian thực của 5G MIMO.

Việc áp dụng thuật toán CRC song song là một bước tiến quan trọng, giúp giảm đáng kể độ trễ xử lý, đồng thời tiết kiệm tài nguyên phần cứng. Kết quả mô phỏng lưu lượng đa người dùng chứng minh tính khả thi của hệ thống trong môi trường thực tế với nhiều thiết bị kết nối đồng thời.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh thời gian xử lý giữa các cấu hình SISO, MIMO 2x2 và 4x4, cũng như bảng thống kê tỷ lệ lỗi bit theo từng mức điều chế và số lượng người dùng.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường phát triển phần cứng FPGA chuyên dụng cho xử lý tín hiệu 5G MIMO: Đẩy mạnh nghiên cứu và ứng dụng FPGA với kiến trúc song song để giảm thời gian xử lý tín hiệu, hướng tới đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật trong vòng 1-2 năm tới.

2. Tối ưu hóa thuật toán mã hóa và giải mã LDPC: Áp dụng các thuật toán mã hóa hiệu quả hơn, kết hợp với thuật toán CRC song song để giảm độ trễ xử lý, nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống.

3. Triển khai thử nghiệm thực tế với lưu lượng đa người dùng: Thực hiện các thử nghiệm tại các khu vực đô thị lớn nhằm đánh giá khả năng xử lý lưu lượng cao, từ đó điều chỉnh cấu hình mạng phù hợp, dự kiến trong 12 tháng tới.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho đội ngũ phát triển: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ 5G MIMO và xử lý tín hiệu trên kênh PDSCH cho kỹ sư và nhà nghiên cứu, nhằm tăng cường năng lực nội bộ trong 6-12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư viễn thông: Nghiên cứu sâu về xử lý tín hiệu trong mạng 5G MIMO, áp dụng các thuật toán mã hóa và giải mã tiên tiến.

2. Các nhà phát triển phần cứng FPGA và thiết bị viễn thông: Tham khảo kiến trúc và giải pháp tối ưu hóa xử lý tín hiệu trên nền tảng FPGA, phục vụ phát triển thiết bị 5G.

3. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách viễn thông: Hiểu rõ các thách thức kỹ thuật và giải pháp để hỗ trợ phát triển hạ tầng 5G tại Việt Nam.

4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành kỹ thuật viễn thông: Tài liệu tham khảo thực tiễn về mô phỏng và đánh giá hiệu năng xử lý tín hiệu trong mạng 5G.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần chuyển từ SISO sang MIMO trong mạng 5G?
   MIMO giúp tăng dung lượng mạng và cải thiện vùng phủ sóng bằng cách sử dụng nhiều anten thu phát, đáp ứng nhu cầu kết nối đa dạng và tốc độ cao của 5G.

2. Kênh PDSCH có vai trò gì trong mạng 5G?
   PDSCH là kênh vật lý chính dùng để truyền dữ liệu người dùng và thông tin điều khiển, đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất truyền tải dữ liệu.

3. Thuật toán CRC song song có ưu điểm gì?
   CRC song song giảm đáng kể thời gian tính toán kiểm tra lỗi so với phương pháp tuần tự, giúp giảm độ trễ xử lý tín hiệu trong hệ thống 5G.

4. Phương pháp mô phỏng sử dụng trong nghiên cứu là gì?
   Nghiên cứu sử dụng mô phỏng trên FPGA kết hợp phần mềm Keysight Vector Signal Analyzer để đánh giá hiệu năng xử lý tín hiệu trong các cấu hình MIMO và điều chế khác nhau.

5. Làm thế nào để tối ưu hóa xử lý tín hiệu trong mạng 5G MIMO?
   Cần kết hợp phát triển phần cứng chuyên dụng, tối ưu thuật toán mã hóa LDPC và CRC, đồng thời thử nghiệm thực tế để điều chỉnh cấu hình mạng phù hợp.

Kết luận

• Luận văn đã mô phỏng và đánh giá thành công khả năng xử lý tín hiệu trên kênh PDSCH của hệ thống 5G MIMO với các cấu hình MIMO 2x2, 4x4 và mức điều chế 64QAM, 256QAM.
• Thuật toán CRC song song được đề xuất giúp giảm thời gian xử lý CRC tới 60%, góp phần nâng cao hiệu suất tổng thể.
• Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống có khả năng xử lý lưu lượng đa người dùng với tỷ lệ lỗi bit thấp, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của mạng 5G.
• Đề xuất các giải pháp phát triển phần cứng FPGA chuyên dụng, tối ưu thuật toán và đào tạo nhân lực nhằm nâng cao năng lực xử lý tín hiệu trong mạng 5G tại Việt Nam.
• Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thử nghiệm thực tế, hoàn thiện thuật toán và mở rộng nghiên cứu sang các cấu hình MIMO cao hơn, kêu gọi hợp tác nghiên cứu và đầu tư phát triển công nghệ 5G.

Hãy cùng đồng hành để thúc đẩy công nghệ 5G Việt Nam phát triển mạnh mẽ, góp phần xây dựng hạ tầng viễn thông hiện đại, đáp ứng nhu cầu kết nối trong kỷ nguyên số.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM 1.1 Tổng quan về hệ thống thông tin di động 5G 1.1 Giới thiệu tổng quan về hệ thống 5G 5G là mạng di động thế hệ thứ năm được mong đợi sẽ là nền tảng di động hoàn hảo thỏa mãn điều kiện đa dạng về thiết bị kết nối, đáp ứng được siêu kết nối, lưu lượng dữ liệu tốc độ cực cao, và độ trễ rất nhỏ, là hạ tầng nền tảng phát triển các dịch vụ, ứng dụng trong cách mạng công nghiệp 4.0 như nhà máy thông minh, dịch vụ có độ trễ cực thấp cho y tế từ xa, dịch vụ điều khiển thiết bị không người lái trong quân đội. Các ứng dụng dựa trên các kỹ thuật tiên tiến của mạng 5G có thể chia theo ba hướng gồm: kỹ thuật băng thông rộng tăng cường (dịch vụ băng thông di động nâng cao eMBB), kỹ thuật truyền thông độ trễ thấp, độ tin cậy siêu cao (uRLLC) và kỹ thuật truyền thông dạng máy hàng loạt (mMTC) [1] như hình 1.1 Các hướng phát triển dịch vụ của mạng 5G Luan van 3 Theo tính toán của Tổ chức tiêu chuẩn hóa ITU, mạng vô tuyến mới 5G NR sẽ có cấu trúc linh hoạt, sở hữu các ưu điểm vượt trội so với mạng 4G và có thể đạt được các thông số mục tiêu cho từng trường hợp sử dụng. Cho đến giữa tháng 9 năm 2020, theo số liệu của Hiệp hội các nhà cung cấp dịch vụ di động toàn cầu GSA đã có 118 nhà khai thác đã triển khai cung cấp dịch vụ 5G trên mạng lưới, 82 nhà mạng đã có giấy phép cung cấp thương mại dịch vụ 5G và 124 nhà mạng đã tiến hành thử nghiệm, mua lại giấy phép, lập kế hoạch và triển khai mạng. Các quốc gia đang đóng vai trò tích cực trong việc chuẩn hóa và thúc đẩy sớm đưa 5G ra thương mại hóa bao gồm: Mỹ, Hàn Quốc, Nhật Bản, Trung Quốc.

Đây là các quốc gia có nền công nghiệp sản xuất phần cứng phát triển, đang hoàn thiện các giải pháp về hệ thống 5G và nỗ lực để sớm triển khai công nghệ 5G để tạo lợi thế cạnh tranh trong việc xuất khẩu thiết bị, công nghệ này sang các thị trường khác. Các hãng sản xuất thiết bị, phần cứng như Nokia, Ericsson, Qualcomm, NEC, Huawei, ZTE,… đã dần hoàn thiện, đưa ra giải pháp của mình cho hệ thống 5G theo kiến trúc mà 3GPP đã đề xuất và đang hợp tác với các nhà khai thác mạng để thử nghiệm công nghệ này.2 Các tiêu chuẩn của hệ thống 5G Trên thế giới, có nhiều tổ chức chuẩn hóa quan tâm tới việc phát triển và chuẩn hóa công nghệ 5G nhưng đóng vai trò quan trọng nhất là Liên minh viễn thông quốc tế (ITU) và Dự án đối tác thế hệ thứ ba (3GPP). Trong đó, ITU xác định tầm nhìn, mục tiêu tổng thể, các thông số, hiệu suất cần đạt được, tiến trình và thời gian để phát triển hệ thống thông tin di động thế hệ mới với tên mã là "IMT-2020” được hình thành theo dự báo của ITU-R về các xu hướng tác động đến việc sử dụng dữ liệu di động hiện nay và trong năm năm tiếp theo, còn 3GPP thì phát triển các tiêu chuẩn cụ thể nhằm hiện thực hóa các mục tiêu, tầm nhìn này.3 Tổ chức viễn thông thế giới (ITU) Theo kế hoạch của ITU về lộ trình phát triển mạng 5G thì nhóm làm việc thuộc lĩnh vực thông tin vô tuyến (ITU-R) sẽ đưa ra các chỉ tiêu kỹ thuật của mạng 5G (IMT-2020) theo kế hoạch sau: đưa ra các yêu cầu kỹ thuật vào năm 2017, các khuyến Luan van 4 nghị về hệ thống, công nghệ ban hành vào năm 2019 và hệ thống IMT-2020 chính thức sẽ được đưa ra vào năm 2020. Từ tháng 9/2015, ITU đã xuất bản khuyến nghị ITU-R M.2082 “IMT Vision – Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond” đưa ra các thông số chính mà mạng IMT mới cần đạt được (gồm tốc độ đỉnh, tốc độ trải nghiệm của người dùng, hiệu quả sử dụng phổ tần, di động, độ trễ, mật độ kết nối, hiệu quả năng lượng mạng và dung năng lưu lượng trên một khu vực).

Sau đó, nhóm nghiên cứu ITU – T SG 13 tổng hợp các nghiên cứu chính đã được các thành viên thực hiện liên quan đến công nghệ 5G. Các khuyến nghị liên quan đến công nghệ 5G thuộc seri Y của ITU - T3. Nhóm nghiên cứu ITU chia các khuyến nghị liên quan đến IMT – 2020 thành 5 nhóm đối tượng chuẩn hóa chính: • Dịch vụ, cấu hình và quản lý (Service, Architecture and Management); • Dữ liệu (Data); • Các vấn đề liên quan đến môi trường (Environmental aspects); • Kết nối mạng tin cậy (Trustworthy Networking) • Mạng thông minh phổ cập (Smart Ubiquitous Networks). Hiện nay, các vấn đề đang được ITU quan tâm bao gồm các vấn đề về yêu cầu và kiến trúc chức năng cho mạng IMT – 2020; QoS cho mạng IMT, công nghệ ảo hóa SDN, các công nghệ mạng trong tương lai cho hệ thống IMT như ICN (Information Centric Networking) và Hội tụ mạng di động cố định.4 Tổ chức 3GPP Tương tự ITU-R, tổ chức 3GPP cũng đưa ra lộ trình cho mạng 5G gồm 3 giai đoạn: giai đoạn nghiên cứu đưa ra tại Release 14 năm 2017, Pha đầu tiên nghiên cứu về 5G được đưa ra tại Release 15 và pha 2 sẽ được chính thức đưa ra vào năm 2020[6].

3GPP bắt đầu các nghiên cứu liên quan đến công nghệ 5G tại phiên bản Release 14 từ tháng 03 năm 2016 (FS_NR_newRAT, RP – 170379) “Study on New Radio (NR) Access Technology” với mục tiêu xác định và phát triển các thành phần công nghệ của công nghệ 5G nhằm đáp ứng được việc cung cấp các dịch vụ đa dạng Luan van 5 (bao gồm cả dịch vụ băng rộng eMBB, Industrial IoT (IIoT) và Kết nối siêu tin cậy, độ trễ thấp (URLLC) và Kết nối thiết bị số lượng lớn (mMTC)) [8]. Công nghệ 5G theo yêu cầu IMT 2020 phiên bản Release 15 đã được chính thức ban hành vào tháng 6 năm 2018 và chỉ quy định tiêu chí kỹ thuật cho các nhà sản xuất thiết bị về việc cung cấp dịch vụ băng rộng eMBB thông qua Non – standalone mode (NSA) hoặc độc lập Standalone mode (SA). Đối với phiên bản Release 15, các nhà sản xuất thiết bị chỉ có thể cung cấp duy nhất dịch vụ eMBB.2 Lộ trình phát triển công nghệ 5G của 3GPP [7] Công nghệ 5G theo yêu cầu IMT 2020 phiên bản Release 16 hỗ trợ các tính năng chưa được triển khai ở phiên bản Release 15: bổ sung cho eMBB như Industrial IoT (IIoT) và Kết nối siêu tin cậy, độ trễ thấp (URLLC) và Kết nối thiết bị số lượng lớn (mMTC). Phiên bản Release 16 stage 3 và Release 16 ASN 1 đã được ban hành tháng 7/2020.

Phiên bản Release 17 RAN stage 1, 2 và 3 đã được thông qua về nội dung vào quý I năm 2020 và phiên bản Release 16 RAN 4 dự kiến ban hành tháng 12/2020. Hiện nay 3GPP đang tiếp tục thảo luận về nội dung phiên bản Release 18 Content Definition (TBC). Các tiêu chuẩn trong các phiên bản Release 15, 16 này hiện đang được 3GPP ban hành thành các tiêu chí kỹ thuật thuộc mã TR, TS nhóm 22, 23, 29, 33 và 38 1.5 Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu âu (ETSI) Luan van 6 Viện Tiêu chuẩn Viễn thông châu Âu (ETSI) là một tổ chức tiêu chuẩn hóa, phi lợi nhuận và độc lập trong công nghiệp viễn thông tại Châu Âu. Đối với lĩnh vực 5G, ETSI tập trung vào các đặc trưng kỹ thuật riêng lẻ và ứng dụng tiềm năng trong 5G hoặc trong các khối chứng năng của hệ thống 5G.

Nghiên cứu của ETSI tập trung vào các công nghệ như: NFV, MEC và các vấn đề về quản lý và điều phối (MANO - Management and orchestration). Về phần kiến trúc hệ thống, các tiêu chuẩn của nhóm 3GPP được ETSI chấp thuận nguyên vẹn và công bố dưới dạng tiêu chuẩn ETSI TS (Technical Specification) với số mã số tiêu chuẩn giống như mã của 3GPP nhưng thêm số 1 trước các mã. Ví dụ như tiêu chuẩn về thiết bị trạm gốc có mã số là 3GPP TS 38.104 tại 3GPP sẽ có mã ETSI TS 138.104 trong hệ thống tiêu chuẩn ETSI7. Các đối tượng tiêu chuẩn hóa của ETSI chấp thuận từ tổ chức 3GPP gồm: Các thông tin cơ bản (cấu trúc, công nghệ truy nhập vô tuyến, tần số vô tuyến, giao diện vô tyến, yêu cầu về dịch vụ đối với hệ thống vô tuyến thế hệ mới); Các yêu cầu chung về mạng 5G; Thiết bị đầu cuối UE 5G (có yêu cầu riêng đối với UE hoạt động trong dải tần FR1 (410 – 7125MHz) và FR2 (24250 – 52600 MHz)); Trạm gốc 5G; Lớp 1 - Lớp vật lý; Lớp 2 – Lớp điều khiển 1; Lớp 3 – Lớp điều khiển 2; Mạng truy nhập 5G; Kiến trúc hệ thống và các quy trình cho hệ thống 5G; Kiến trúc dựa trên dịch vụ và các giao diện; Các chức năng của mạng 5G; Tầng không truy nhập của hệ thống 5G (Non-access-stratum for 5G system); Kiểm soát chính sách và giá cước; An toàn thông tin cho 5G, Lát cắt mạng (Network Slicing); Nghiên cứu về các trường hợp sử dụng 5G; Kiểm chuẩn 1.6 Kiến trúc mạng 5G 1.1 Kiến trúc tổng quan về mạng 5G Tổ chức tiêu chuẩn thế giới 3GPP đưa ra kiến trúc tham chiếu cho hệ thống 5G (non- roaming không kết nối với mạng khác) và công bố trong Release 16 (hình 1.

Đây là kiến trúc đã được chấp nhận chung ở các tổ chức tiêu chuẩn hóa lớn như phân tích ở trên. Kiến trúc này gần với kiểu kiến trúc thông thường của 3GPP, trong đó bao gồm các thành phần chức năng của mạng và các giao diện kết nối giữa chúng. Mô hình kiến trúc trình bầy trong hình 1.3 (Point-to-Point Architecture) có thể coi Luan van 7 như pha đầu tiên khi triển khai 5G. Ở mô hình này, các nhà mạng có thể bổ sung thêm các phần tử mạng mới phù hợp, và cấu hình lại các giao diện liền kề theo yêu cầu chức năng đặt ra của nhà mạng.3 Kiến trúc kết nối hệ thống 5G tham chiếu theo 3GPP [8] Mô hình kiến trúc thứ hai (hình 1.4), Service-Base Architecture (SBA), là pha triển khai thứ 2 của 5G.

Mô hình này cũng có cùng các thành phần chức năng mạng như mô hình kiến trúc Point-to-Point và cùng đường xử lý dữ liệu người dùng giữa UE và mạng dữ liệu. Điểm khác biệt nằm ở phần mặt phẳng điều khiển phía trên, thay vì định nghĩa các giao diện giữa các thành phần, một mô hình dịch vụ được đưa ra với việc sử dụng NRF – NF (network function) Repository Function – để hỗ trợ khai thác các dịch vụ.