Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu công nghệ truy cập vô tuyến mới trong 5G - Trần Xuân Tài

Tải đồ án tốt nghiệp nghiên cứu công nghệ truy cập vô tuyến mới trong 5G. Tìm hiểu tổng quan mạng 5G và mạng truy cập vô tuyến mới NR.

• Tác giả: Trần Xuân Tài
• Người hướng dẫn: Đại tá, PGS.TS Đỗ Quốc Trinh
• Trường học: Học viện Kỹ thuật Quân sự
• Chuyên ngành: Thông tin
• Đề tài: Nghiên cứu công nghệ truy cập vô tuyến mới trong 5G
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp đại học
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO
• 1.1. Thông tin di động tế bào: Nhập môn
• 1.2. Sự phát triển của công nghệ di động
• 1.3. Hệ thống tế bào thế hệ thứ nhất
• 1.4. Các hệ thống tế bào thế hệ thứ hai
• 1.5. Các hệ thống tế bào thế hệ thứ ba
• 1.6. Các hệ thống tế bào thế hệ thứ tư
• 1.7. Kết luận chương 1
• 2. Chương 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG 5G
• 2.1. Sơ đồ kiến trúc mạng của 5G
• 2.2. Động lực của 5G
• 2.3. Các công nghệ của 5G
• 2.4. Kết nối mạng bằng phần mềm
• 2.5. Điện toán cạnh đa truy cập
• 2.6. Sự phân chia RAN
• 2.7. Dải sóng mm và phổ tần 5G
• 2.8. Thiết kế dạng sóng cho 5G
• 2.9. Công nghệ đa truy cập từ 1G đến 5G
• 2.10. Đa truy cập không trực giao là gì?
• 2.11. Kết luận chương 2
• 3. Chương 3: MẠNG TRUY CẬP VÔ TUYẾN MỚI NR
• 3.1. Cấu trúc khung và tài nguyên
• 3.2. Kênh và tín hiệu đường lên
• 3.3. Kênh và tín hiệu đường xuống
• 3.4. Giám sát liên kết vô tuyến và các phép đo đạc
• 3.5. Các khía cạnh của RF
• 3.6. Điều khiển tài nguyên vô tuyến
• 3.7. Kết luận chương 3
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Khám phá 5G New Radio Công nghệ truy cập vô tuyến mới

Công nghệ 5G New Radio (NR) là nền tảng cốt lõi của mạng di động thế hệ thứ năm, đánh dấu một bước nhảy vọt so với 4G LTE. Đây không chỉ là một bản nâng cấp đơn thuần về tốc độ. 5G New Radio được thiết kế từ đầu để đáp ứng một loạt các yêu cầu sử dụng vô cùng đa dạng, từ băng thông siêu rộng cho di động (eMBB) đến các ứng dụng đòi hỏi độ trễ cực thấp và độ tin cậy siêu cao (URLLC). Nó cũng hỗ trợ kết nối hàng loạt thiết bị Internet vạn vật (mMTC). Sự ra đời của công nghệ truy cập vô tuyến mới này là tất yếu khi các mạng di động trước đó, dù rất thành công, đã bắt đầu bộc lộ những giới hạn. Tài liệu nghiên cứu của Trần Xuân Tài (2020) chỉ rõ, "Mặc dù công nghệ mạng 4G LTE/LTE-A rất phát triển, đem lại tốc độ truyền tương đối cao nhưng vẫn chưa đáp ứng các yêu cầu ngày càng tăng của người dùng". Kiến trúc của 5G NR mang tính linh hoạt cao, có khả năng hoạt động trên nhiều dải tần số khác nhau, từ băng tần thấp dưới 6 GHz đến dải sóng milimet (mmWave) tần số cực cao. Điều này cho phép các nhà mạng triển khai dịch vụ một cách linh hoạt, tối ưu hóa giữa vùng phủ sóng và dung lượng mạng. Nền tảng của 5G New Radio vẫn dựa trên kỹ thuật OFDMA (Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao), tương tự như 4G. Tuy nhiên, 5G NR cải tiến với cấu trúc số liệu (numerology) linh hoạt, cho phép điều chỉnh khoảng cách sóng mang con và độ dài khe thời gian để phù hợp với từng dịch vụ cụ thể. Chính sự linh hoạt này là chìa khóa giúp công nghệ truy cập vô tuyến mới có thể phục vụ đồng thời nhiều loại hình dịch vụ với các yêu cầu hiệu suất hoàn toàn khác nhau trên cùng một hạ tầng mạng.

1.1. Từ 4G LTE đến 5G NR Một sự tiến hóa công nghệ tất yếu

Sự chuyển đổi từ 4G LTE sang 5G New Radio là một quá trình tiến hóa bắt buộc, được thúc đẩy bởi nhu cầu ngày càng cao của xã hội số. Mạng 4G, với công nghệ OFDMA, đã mang lại cuộc cách mạng về internet di động, nhưng được thiết kế chủ yếu cho dịch vụ băng thông rộng. Khi các ứng dụng mới như xe tự lái, thực tế ảo (VR), và Internet vạn vật (IoT) quy mô lớn xuất hiện, những giới hạn của 4G về độ trễ, mật độ kết nối và dung lượng bắt đầu trở nên rõ ràng. 5G NR ra đời để giải quyết trực tiếp những thách thức này. Nó không chỉ tăng tốc độ dữ liệu đỉnh mà còn tập trung vào việc giảm độ trễ từ đầu đến cuối xuống mức mili giây, tăng mật độ kết nối lên hàng triệu thiết bị trên mỗi kilomet vuông, và cải thiện đáng kể hiệu quả sử dụng năng lượng. Sự tiến hóa này thể hiện rõ qua việc 5G New Radio được thiết kế để trở thành một nền tảng hợp nhất, có khả năng thay thế nhiều công nghệ kết nối riêng lẻ, tạo ra một mạng lưới liền mạch và thông minh hơn.

1.2. Tổng quan kiến trúc mạng 5G và vai trò của New Radio

Kiến trúc mạng 5G được thiết kế lại hoàn toàn để tăng cường sự linh hoạt và hiệu quả. Nó bao gồm hai thành phần chính: Lõi 5G (5GC) và Mạng truy cập vô tuyến thế hệ tiếp theo (NG-RAN). 5G New Radio (NR) chính là công nghệ được sử dụng trong NG-RAN, đóng vai trò là giao diện không dây kết nối thiết bị người dùng (UE) với phần còn lại của mạng. Khác với kiến trúc cứng nhắc của các thế hệ trước, kiến trúc 5G dựa trên dịch vụ (Service-Based Architecture - SBA) và các nguyên tắc kết nối mạng bằng phần mềm (SDN) và ảo hóa chức năng mạng (NFV). Điều này cho phép mạng được "cắt lát" (network slicing) thành nhiều mạng ảo độc lập. Mỗi lát mạng có thể được tùy chỉnh để phục vụ một yêu cầu cụ thể, chẳng hạn một lát cho eMBB với băng thông cao và một lát khác cho URLLC với độ trễ cực thấp. Trong kiến trúc này, NR không chỉ truyền dữ liệu mà còn cung cấp thông tin trạng thái kênh cần thiết để 5GC có thể tối ưu hóa và quản lý tài nguyên hiệu quả trên từng lát mạng.

II. Thách thức của 4G và yêu cầu cấp thiết cho công nghệ 5G

Sự bùng nổ của các thiết bị thông minh và ứng dụng đa dạng đã đẩy mạng 4G LTE đến giới hạn của nó. Thách thức lớn nhất là không thể đáp ứng đồng thời ba nhóm yêu cầu dịch vụ cốt lõi mà thế giới hiện đại đòi hỏi. Thứ nhất, nhu cầu về băng thông rộng di động ngày càng tăng (eMBB), đòi hỏi tốc độ gigabit để xem video 8K hoặc trải nghiệm thực tế ảo. 4G, mặc dù đã cải thiện, vẫn gặp khó khăn trong việc cung cấp tốc độ này một cách ổn định. Thứ hai, sự phát triển của công nghiệp 4.0 và các ứng dụng quan trọng như phẫu thuật từ xa hay xe tự lái yêu cầu kết nối có độ trễ cực thấp và độ tin cậy siêu cao (URLLC), điều mà kiến trúc của 4G không được thiết kế để tối ưu. Độ trễ vài chục mili giây của 4G là không thể chấp nhận được trong các kịch bản này. Thứ ba, kỷ nguyên Internet vạn vật (IoT) đòi hỏi khả năng kết nối hàng triệu cảm biến, thiết bị trên một diện tích nhỏ (mMTC). Các thiết bị này thường chỉ gửi lượng dữ liệu nhỏ nhưng yêu cầu kết nối ổn định và tiết kiệm pin. Mạng 4G không hiệu quả trong việc quản lý số lượng kết nối khổng lồ như vậy. Chính những thách thức này đã tạo ra yêu cầu cấp thiết cho một công nghệ truy cập vô tuyến mới. 5G New Radio phải được thiết kế với một khung cấu trúc linh hoạt để có thể "co giãn" và thích ứng, phân bổ tài nguyên một cách thông minh để phục vụ đồng thời cả ba kịch bản sử dụng trên cùng một hạ tầng vật lý.

2.1. Phân tích 3 kịch bản sử dụng eMBB URLLC và mMTC

Ba kịch bản sử dụng do Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) xác định là kim chỉ nam cho việc phát triển 5G New Radio. Băng thông rộng di động tăng cường (eMBB) tập trung vào việc cung cấp tốc độ dữ liệu cực cao, lên tới 20 Gbps, và dung lượng mạng lớn, phục vụ cho các ứng dụng như streaming video chất lượng cao, thực tế tăng cường (AR) và thực tế ảo (VR). Thông tin liên lạc tin cậy cao và độ trễ thấp (URLLC) là trụ cột cho các ứng dụng trọng yếu, yêu cầu độ trễ dưới 1ms và độ tin cậy "sáu số chín" (99.9999%). Các ứng dụng điển hình bao gồm điều khiển robot công nghiệp, lưới điện thông minh, và giao tiếp giữa các phương tiện (V2X). Cuối cùng, Kết nối máy số lượng lớn (mMTC) giải quyết bài toán của IoT, hỗ trợ kết nối lên đến 1 triệu thiết bị trên mỗi km², với yêu cầu về chi phí thấp và tuổi thọ pin kéo dài hàng năm. Việc đáp ứng đồng thời cả ba kịch bản này là một thách thức kỹ thuật lớn mà công nghệ truy cập vô tuyến mới của 5G phải vượt qua.

2.2. Hạn chế về băng thông và độ trễ của mạng di động cũ

Các mạng di động từ 1G đến 4G đều có những hạn chế cố hữu về băng thông và độ trễ. 4G LTE, mặc dù sử dụng băng thông kênh lên đến 20 MHz và kỹ thuật kết hợp sóng mang (CA), vẫn bị giới hạn bởi phổ tần sẵn có ở các băng tần thấp. Việc mở rộng băng thông lớn hơn gặp nhiều khó khăn. Về độ trễ, kiến trúc 4G có thời gian truyền (TTI) cố định là 1ms, cùng với các quy trình xử lý phức tạp trong mạng lõi EPC, khiến độ trễ từ đầu đến cuối thường dao động ở mức vài chục mili giây. Con số này là quá lớn đối với các ứng dụng thời gian thực. 5G New Radio giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng các băng tần số cao hơn với băng thông kênh lên tới hàng trăm MHz và áp dụng cấu trúc khe thời gian linh hoạt (mini-slot), cho phép giảm TTI xuống mức cực ngắn. Cùng với kiến trúc mạng được tối ưu hóa, công nghệ truy cập vô tuyến mới này có thể đạt được độ trễ giao diện vô tuyến dưới 1ms.

III. Top công nghệ đột phá trong 5G NR Massive MIMO Sóng mm

Để hiện thực hóa các mục tiêu đầy tham vọng của 5G, công nghệ truy cập vô tuyến mới (New Radio) tích hợp hàng loạt công nghệ đột phá. Hai trong số những công nghệ quan trọng nhất là Massive MIMO và việc sử dụng dải sóng milimet (mmWave). Massive MIMO (Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra số lượng lớn) là một bước tiến vượt bậc từ công nghệ MIMO truyền thống trên 4G. Thay vì sử dụng vài ăng-ten, các trạm gốc 5G có thể được trang bị hàng trăm, thậm chí hàng nghìn phần tử ăng-ten. Điều này cho phép tạo ra các búp sóng năng lượng cực kỳ hẹp và chính xác, tập trung tín hiệu trực tiếp đến từng người dùng. Kỹ thuật này, được gọi là tạo búp sóng (beamforming), không chỉ giúp tăng cường đáng kể cường độ tín hiệu và tốc độ dữ liệu cho người dùng mà còn giảm thiểu nhiễu xuyên nhiễu giữa các người dùng khác nhau. Nhờ đó, dung lượng tổng thể của một cell có thể tăng lên nhiều lần. Hơn nữa, Massive MIMO còn cho phép nhiều người dùng được phục vụ đồng thời trên cùng một tài nguyên thời gian-tần số thông qua kỹ thuật MIMO đa người dùng (MU-MIMO), một yếu tố then chốt để tăng hiệu quả phổ. Cùng với đó, việc khai thác dải sóng mmWave (từ 24 GHz trở lên) đã mở ra một nguồn tài nguyên phổ tần khổng lồ, vốn chưa được sử dụng cho viễn thông di động trước đây. Các dải tần này cung cấp băng thông kênh cực lớn, lên tới 400 MHz hoặc hơn cho mỗi sóng mang, là điều kiện tiên quyết để đạt được tốc độ dữ liệu hàng chục Gbps của 5G New Radio.

3.1. Kỹ thuật Massive MIMO Tăng dung lượng và hiệu quả phổ

Massive MIMO là công nghệ nền tảng giúp 5G New Radio cải thiện đáng kể hiệu quả sử dụng phổ tần. Với số lượng lớn ăng-ten, hệ thống có thể thu được thông tin chi tiết hơn về kênh truyền, cho phép nó phân biệt và phục vụ nhiều luồng dữ liệu độc lập cùng lúc. Điều này được gọi là ghép kênh không gian (spatial multiplexing). Trong kịch bản MU-MIMO, trạm gốc có thể truyền dữ liệu đến nhiều người dùng khác nhau trên cùng một băng tần. Mỗi người dùng sẽ nhận được một búp sóng riêng, được tối ưu hóa để tối đa hóa chất lượng tín hiệu của họ và vô hiệu hóa nhiễu từ các búp sóng khác. Theo tài liệu nghiên cứu, lợi ích của Massive MIMO bao gồm: mở rộng vùng phủ sóng, cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SINR) dẫn đến thông lượng cao hơn, và giảm công suất phát của cả trạm gốc và thiết bị đầu cuối, qua đó tăng hiệu quả năng lượng.

3.2. Khai thác dải sóng milimet mmWave cho băng thông cực rộng

Dải sóng milimet (mmWave) cung cấp một lượng lớn phổ tần liền kề, một tài sản quý giá để đạt được tốc độ dữ liệu cực cao của kịch bản eMBB. Các băng tần này có băng thông kênh rộng hơn nhiều so với các băng tần dưới 6 GHz được sử dụng trong 4G. Tuy nhiên, sóng mmWave có đặc tính lan truyền kém, dễ bị suy hao bởi vật cản như tường, tòa nhà và thậm chí cả cơ thể người. Để khắc phục nhược điểm này, 5G New Radio phải kết hợp chặt chẽ việc sử dụng sóng mmWave với công nghệ Massive MIMO và tạo búp sóng. Các mảng ăng-ten lớn có thể tạo ra các búp sóng với độ lợi (gain) rất cao, bù đắp cho sự suy hao trong quá trình truyền sóng. Các búp sóng này có thể được điều hướng linh hoạt để tìm đường đi tốt nhất đến người dùng, tránh các vật cản, đảm bảo kết nối ổn định và tốc độ cao.

IV. Hướng dẫn tối ưu kiến trúc mạng 5G Lát cắt mạng và MEC

Kiến trúc của 5G New Radio không chỉ dừng lại ở giao diện vô tuyến, mà còn được cách mạng hóa ở tầng mạng lõi và mạng truy cập. Hai khái niệm kiến trúc then chốt là lát cắt mạng (Network Slicing) và điện toán cạnh đa truy cập (MEC). Chúng phối hợp với nhau để tạo ra một mạng lưới thông minh, linh hoạt và đáp ứng nhanh. Lát cắt mạng là một kỹ thuật cho phép tạo ra nhiều mạng logic ảo, độc lập trên một hạ tầng vật lý chung. Dựa trên các nguyên tắc của SDN và NFV, mỗi "lát" mạng có thể được cấu hình với các đặc tính riêng về băng thông, độ trễ, mức độ bảo mật và tài nguyên tính toán để phục vụ một loại hình dịch vụ hoặc một nhóm khách hàng cụ thể. Ví dụ, một nhà mạng có thể tạo ra một lát mạng cho người dùng di động thông thường (eMBB), một lát khác cho các nhà máy thông minh (URLLC), và một lát thứ ba cho hệ thống đồng hồ đo điện thông minh (mMTC). Điều này cho phép tối ưu hóa tài nguyên và cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS) được đảm bảo, điều mà kiến trúc "một kích cỡ cho tất cả" của 4G không làm được. Trong khi đó, điện toán cạnh đa truy cập (MEC) giải quyết bài toán độ trễ bằng cách đưa tài nguyên tính toán và lưu trữ từ các trung tâm dữ liệu tập trung ra gần hơn với người dùng, ngay tại rìa của mạng truy cập vô tuyến. Bằng cách này, dữ liệu không cần phải di chuyển quãng đường dài đến mạng lõi và quay trở lại, giúp giảm đáng kể độ trễ từ đầu đến cuối.

4.1. Lát cắt mạng Network Slicing Đáp ứng đa dạng dịch vụ

Lát cắt mạng là câu trả lời của 5G cho bài toán kinh doanh đa dạng. Nó cho phép các nhà mạng cung cấp các dịch vụ tùy chỉnh thay vì chỉ bán kết nối dữ liệu thô. Mỗi lát mạng là một mạng đầu cuối hoàn chỉnh, bao gồm các chức năng từ mạng truy cập 5G New Radio đến mạng lõi 5GC. Các tài nguyên như băng thông vô tuyến, khả năng xử lý của gNodeB (trạm gốc 5G), và các chức năng mạng lõi đều có thể được phân bổ riêng cho từng lát. Điều này đảm bảo rằng hoạt động trên một lát mạng, ví dụ như lưu lượng video tăng đột biến, sẽ không ảnh hưởng đến hiệu suất của một lát mạng khác dành cho các dịch vụ URLLC quan trọng. Sự linh hoạt này mở ra nhiều mô hình kinh doanh mới, cho phép nhà mạng hợp tác với các ngành công nghiệp khác nhau để cung cấp các giải pháp kết nối chuyên biệt.

4.2. Điện toán cạnh đa truy cập MEC Giảm độ trễ tối đa

Điện toán cạnh đa truy cập (MEC) là một yếu tố không thể thiếu để hiện thực hóa các ứng dụng URLLC. Bằng cách xử lý dữ liệu ngay tại trạm gốc hoặc các điểm tổng hợp gần đó, MEC giảm đáng kể thời gian di chuyển của dữ liệu. Theo tài liệu nghiên cứu, "độ trễ < 1 ms là cần thiết để hỗ trợ robot công nghiệp và ứng dụng lái xe tự động". Để đạt được điều này, chỉ tối ưu hóa giao diện vô tuyến 5G New Radio là không đủ. MEC cho phép các ứng dụng nhạy cảm với độ trễ chạy trực tiếp trên các máy chủ tại biên mạng, giảm tải cho mạng đường trục và cải thiện trải nghiệm người dùng. Nó cũng cho phép xử lý dữ liệu tại chỗ, tăng cường bảo mật và quyền riêng tư, đặc biệt quan trọng đối với các ứng dụng công nghiệp và y tế.

V. Phân tích cấu trúc mạng truy cập vô tuyến mới NR chi tiết

Nền tảng của công nghệ truy cập vô tuyến mới là một cấu trúc vật lý được thiết kế để đạt được sự linh hoạt tối đa. Không giống như 4G LTE với các thông số tương đối cố định, 5G New Radio giới thiệu một khái niệm gọi là "numerology" hay bộ số liệu linh hoạt. Điều này cho phép mạng điều chỉnh động các tham số truyền dẫn cốt lõi để phù hợp với các dịch vụ khác nhau và các dải tần khác nhau. Cụ thể, khoảng cách giữa các sóng mang con (Sub-Carrier Spacing - SCS) có thể thay đổi, từ 15 kHz (tương tự LTE) lên đến 240 kHz cho các băng tần sóng mmWave. Khi SCS tăng lên, thời lượng của một symbol OFDM sẽ giảm xuống, giúp giảm độ trễ truyền dẫn. Cấu trúc khung của NR cũng rất linh hoạt. Một khung có độ dài 10ms, được chia thành các khung con 1ms. Tuy nhiên, khác với LTE, các khung con này lại được chia thành các khe (slot) có độ dài thay đổi tùy thuộc vào SCS. Hơn nữa, NR còn giới thiệu khái niệm "mini-slot", cho phép truyền dữ liệu trong khoảng thời gian ngắn hơn một slot tiêu chuẩn, một tính năng cực kỳ quan trọng để đạt được độ trễ cực thấp cho các dịch vụ URLLC. Sự linh hoạt này cho phép 5G New Radio phân bổ tài nguyên một cách cực kỳ chi tiết và hiệu quả, đảm bảo rằng dữ liệu khẩn cấp có thể được gửi đi ngay lập tức trong khi các dịch vụ yêu cầu băng thông lớn vẫn có thể được lên lịch một cách hiệu quả.

5.1. Cấu trúc khung và tài nguyên vật lý linh hoạt của 5G NR

Tài nguyên trong 5G New Radio được tổ chức theo cả miền thời gian và tần số. Đơn vị tài nguyên cơ bản nhất là Phần tử tài nguyên (RE), tương ứng với một sóng mang con trong một symbol OFDM. Một nhóm 12 sóng mang con liên tiếp trong một slot tạo thành một Khối tài nguyên vật lý (PRB). Tuy nhiên, điểm khác biệt lớn của NR là khái niệm Phần băng thông (Bandwidth Part - BWP). Một thiết bị người dùng không cần phải giám sát toàn bộ băng thông rộng của sóng mang (ví dụ 100 MHz). Thay vào đó, nó có thể được cấu hình để hoạt động trong một BWP hẹp hơn, giúp tiết kiệm đáng kể năng lượng. Thiết bị có thể chuyển đổi linh hoạt giữa các BWP khác nhau tùy theo nhu cầu lưu lượng. Ví dụ, sử dụng BWP hẹp khi ở chế độ chờ và chuyển sang BWP rộng khi cần tải dữ liệu tốc độ cao. Cấu trúc linh hoạt này là chìa khóa để 5G NR hỗ trợ hiệu quả cả thiết bị IoT năng lượng thấp và smartphone hiệu suất cao.

5.2. Kênh vật lý đường lên Uplink và đường xuống Downlink

Giống như các thế hệ trước, 5G New Radio sử dụng một tập hợp các kênh vật lý để truyền dữ liệu và thông tin điều khiển. Ở đường xuống (từ trạm gốc đến thiết bị), các kênh chính bao gồm: Kênh chia sẻ đường xuống vật lý (PDSCH) để truyền dữ liệu người dùng, Kênh điều khiển đường xuống vật lý (PDCCH) để mang thông tin lập lịch, và Kênh quảng bá vật lý (PBCH) để phát thông tin hệ thống cơ bản. Ở đường lên (từ thiết bị đến trạm gốc), các kênh tương ứng là: Kênh chia sẻ đường lên vật lý (PUSCH) cho dữ liệu người dùng và Kênh điều khiển đường lên vật lý (PUCCH) cho thông tin phản hồi như ACK/NACK và báo cáo chất lượng kênh. Một điểm cải tiến quan trọng trong NR là thiết kế các kênh điều khiển linh hoạt hơn, cho phép chúng được đặt ở bất kỳ đâu trong băng thông và có các định dạng khác nhau để tối ưu hóa hiệu suất cho các kịch bản khác nhau, từ đó nâng cao hiệu quả tổng thể của công nghệ truy cập vô tuyến mới.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của xã hội hiện đại, thông tin di động đã trở thành một thành phần thiết yếu của hạ tầng viễn thông toàn cầu. Sự bùng nổ về số lượng thiết bị kết nối cùng nhu cầu đa dạng hóa các loại hình dịch vụ chất lượng cao đã đặt ra áp lực lớn đối với nguồn tài nguyên vô tuyến vốn hữu hạn và đắt đỏ. Dù các thế hệ mạng tiền nhiệm, điển hình là mạng 4G LTE/LTE-A, đã mang lại tốc độ truyền dữ liệu tương đối cao dựa trên kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDMA), nhưng vẫn bộc lộ những giới hạn nhất định trước các yêu cầu ngày càng khắt khe về độ trễ, mật độ kết nối, hiệu quả năng lượng và tính linh hoạt của phổ tần.

Trước thực tế đó, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ năm (5G) được nghiên cứu và chuẩn hóa nhằm tạo ra bước nhảy vọt về năng lực mạng, hỗ trợ đồng thời nhiều kịch bản dịch vụ khác nhau như băng rộng di động nâng cao, liên lạc máy quy mô lớn và truyền thông độ trễ cực thấp. Để hiện thực hóa các tiêu chí này, công nghệ truy cập vô tuyến mới (New Radio - NR) đã được Tổ chức phát triển tiêu chuẩn 3GPP đề xuất và phát triển. Đồ án tốt nghiệp đại học với đề tài “Nghiên cứu công nghệ truy cập vô tuyến mới trong 5G” được thực hiện nhằm mục tiêu làm rõ các giải pháp công nghệ then chốt của giao diện vô tuyến NR.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm:

1. Tổng hợp lịch sử phát triển, đặc tính kỹ thuật và các kỹ thuật đa truy cập của các thế hệ thông tin di động tế bào từ 1G đến 4G LTE.
2. Phân tích tổng quan kiến trúc mạng 5G, các động lực phát triển, tiêu chuẩn IMT-2020 của ITU và các công nghệ nền tảng của 5G.
3. Đi sâu khảo sát cấu trúc khung, tài nguyên, các kênh và tín hiệu vô tuyến đường lên/đường xuống, cơ chế quản lý tài nguyên và các khía cạnh vô tuyến (RF) của mạng truy cập vô tuyến mới NR.

Đối tượng nghiên cứu trọng tâm của đề tài là công nghệ giao diện vô tuyến 5G New Radio (NR) trong các phiên bản Release 15 và Release 16 của 3GPP. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào phân tích lý thuyết các đặc tính lớp vật lý, kiến trúc mạng truy cập vô tuyến thế hệ tiếp theo (NG-RAN), các cơ chế phân bổ tài nguyên đường lên/đường xuống và cấu trúc mạng lõi 5G (5GC). Đồ án được hoàn thành vào tháng 11 năm 2020 tại Bộ môn Thông tin, Khoa Vô tuyến Điện tử, Học viện Kỹ thuật Quân sự.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nội dung dựa trên hệ thống khung lý thuyết chuẩn hóa quốc tế của Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) và Dự án Đối tác Thế hệ thứ ba (3GPP). Các chuẩn kỹ thuật trọng tâm bao gồm yêu cầu IMT-2000 cho mạng 3G, IMT-2010 cho mạng 4G và khuyến nghị IMT-2020 cho mạng 5G. Đi kèm với đó là các bộ thông số kỹ thuật thuộc 3GPP Release 15 và Release 16 xác định chi tiết các tham số vật lý cho giao diện vô tuyến NR.

Cơ sở lý thuyết của nghiên cứu bao gồm:

• Lý thuyết xử lý tín hiệu số và thông tin vô tuyến: Các phương pháp điều chế số (GMSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM), lý thuyết trải phổ trong CDMA, kỹ thuật biến đổi Fourier nhanh (FFT/IFFT) trong điều chế đa sóng mang OFDMA và SC-FDMA.
• Các kỹ thuật đa truy cập qua các thế hệ: Đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA), theo thời gian (TDMA), theo mã (CDMA), theo tần số trực giao (OFDMA) và định hướng đa truy cập không trực giao (NOMA).
• Lý thuyết anten mảng và truyền sóng: Kỹ thuật nhiều đầu vào nhiều đầu ra quy mô lớn (Massive MIMO), ghép kênh không gian, tạo búp sóng (beamforming) và đặc tính truyền sóng dải tần số dưới 6 GHz (FR1) cũng như dải sóng milimet (FR2).
• Khung kiến trúc mạng viễn thông hiện đại: Khái niệm mạng điều khiển bằng phần mềm (SDN), ảo hóa chức năng mạng (NFV), lát cắt mạng (Network Slicing), điện toán cạnh đa truy cập (MEC) và kiến trúc phân chia mạng truy cập vô tuyến (RAN Slicing/RAN Splitting).

Phương pháp nghiên cứu được áp dụng là phương pháp phân tích, tổng hợp tài liệu học thuật và tiêu chuẩn kỹ thuật chuyên ngành viễn thông. Tác giả tiến hành thu thập, dịch thuật và đối chiếu các thông số từ các tài liệu chuẩn hóa 3GPP, sách chuyên khảo và báo cáo kỹ thuật. Dữ liệu trong đồ án chủ yếu là số liệu định lượng về các chỉ tiêu kỹ thuật của ITU (băng thông, độ trễ, hiệu quả phổ, tốc độ đỉnh), các tham số cấu hình lớp vật lý (khoảng cách sóng mang con, kích thước khối tài nguyên, cấu trúc khung truyền dẫn) và các đặc tả giao thức mạng.

Kỹ thuật đa truy cập	Thế hệ mạng	Phương pháp song công	Tài nguyên vật lý	Tiêu chuẩn tiêu biểu
FDMA	1G	FDD	Tần số (Kênh 30 kHz hoặc 10/25 kHz)	AMPS, NMT, TACS
TDMA / CDMA	2G	FDD	Khe thời gian / Mã PN	GSM, IS-54 (TDMA), IS-95 (CDMA)
CDMA	3G	FDD / TDD	Khe thời gian / Mã kênh OVSF	WCDMA (UMTS), CDMA2000
OFDMA / SC-FDMA	4G	FDD / TDD	Khối tài nguyên PRB (Thời gian / Tần số)	LTE, LTE-Advanced
OFDMA linh hoạt	5G	FDD / TDD	Khối tài nguyên PRB, BWP linh hoạt	5G NR (Release 15/16)

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu về thông tin di động tế bào

Chương 1 trình bày bức tranh tổng thể về quá trình hình thành và phát triển của các thế hệ thông tin di động từ 1G đến 4G. Tác giả điểm lại mốc lịch sử ngày 3 tháng 4 năm 1973 khi cuộc gọi di động đầu tiên được thực hiện bởi Martin Cooper bằng thiết bị Motorola DynaTAC nặng 2.5 lbs. Từ khởi đầu phục vụ liên lạc thoại đơn thuần, các thế hệ mạng đã từng bước phát triển vượt bậc về cả tốc độ truyền dẫn và tính năng dịch vụ.

Thế hệ thứ nhất (1G) sử dụng điều chế tương tự FM với kỹ thuật đa truy cập FDMA và song công FDD. Các hệ thống tiêu biểu gồm AMPS (Mỹ, kênh 30 kHz, sau cải tiến thành N-AMPS 10 kHz), NMT (Bắc Âu, kênh 25 kHz hoặc 12.5 kHz) và TACS (Anh, kênh 30 kHz). Mạng 1G hoạt động trên cơ chế chuyển mạch kênh (CS) thông qua vị trí chuyển mạch điện thoại di động (MTSO) kết nối trạm thu phát gốc (BTS) với mạng PSTN.

Thế hệ thứ hai (2G) đánh dấu bước chuyển sang kỹ thuật số với khả năng mã hóa thoại, bảo mật và cung cấp tin nhắn SMS. Ba tiêu chuẩn cạnh tranh lớn gồm: GSM tại châu Âu (TDMA, điều chế GMSK, băng thông kênh 200 kHz, khung 4.615 ms gồm 8 khe thời gian, tốc độ 270.833 Kbps); IS-54/IS-136 tại Mỹ (TDMA, điều chế $\pi/4$-DQPSK, kênh 30 kHz, 6 khe/khung, tốc độ 48.6 Kbps); và IS-95/CDMA-One (CDMA, điều chế QPSK/O-QPSK, khung 20 ms, tốc độ 115 Kbps). Hệ thống GSM sau đó mở rộng sang chuyển mạch gói với GPRS (2.5G) và EDGE (2.75G), hình thành kiến trúc hoàn chỉnh gồm phân hệ trạm gốc (BSS: BTS và BSC), phân hệ mạng lõi (MSC, HLR, VLR, GMSC) và các nút hỗ trợ dữ liệu gói (SGSN, GGSN).

Thế hệ thứ ba (3G) hợp nhất kỹ thuật đa truy cập trên nền tảng CDMA theo tiêu chuẩn IMT-2000 của ITU. Hai nhánh phát triển chính gồm WCDMA/UMTS (chuẩn hóa bởi 3GPP, băng thông kênh 5 MHz, tốc độ chip 3.84 Mcps, khung 10 ms gồm 15 khe) và CDMA2000 (3GPP2, băng thông 1.25 MHz $\times$ 3). Kiến trúc mạng UTRAN thay thế BTS bằng NodeB và BSC bằng RNC. 3G áp dụng máy thu RAKE đa nhánh nhằm thu gom năng lượng đa đường, chống pha đinh và tích hợp điều khiển công suất để xử lý hiệu ứng gần-xa. Tiếp đó, công nghệ truy cập gói tốc độ cao (HSPA: HSDPA và HSUPA) ra đời với thời gian khoảng truyền dẫn (TTI) rút ngắn xuống 2 ms, áp dụng điều chế thích ứng AMC, yêu cầu phát lại tự động lai (HARQ) và nâng bậc điều chế lên 256-QAM.

Thế hệ thứ tư (4G LTE/LTE-A) chuẩn hóa hoàn toàn trên kiến trúc chuyển mạch gói thuần túy (PS) theo yêu cầu IMT-2010. Hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDMA cho đường xuống và SC-FDMA cho đường lên nhằm giảm tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR). Băng thông triển khai linh hoạt (1.4, 3, 5, 10, 15 và 20 MHz), TTI giảm xuống 1 ms. Khối tài nguyên vật lý (PRB) có băng thông 180 kHz gồm 12 sóng mang con (khoảng cách SCS 15 kHz) và 7 symbol OFDM (với tiền tố vòng CP ngắn 4.7 $\mu$s chiếm 8% chu kỳ symbol). Kiến trúc mạng được tinh giản thành lõi gói tiến hóa (EPC) và trạm gốc eNodeB thuộc E-UTRAN. Mặc dù đạt tốc độ dữ liệu lớn hơn 1 Gbps thông qua kết hợp sóng mang (CA) và MIMO, 4G vẫn gặp một số hạn chế của OFDM như: suy giảm hiệu quả phổ do chi phí CP, độ nhạy cao với dịch pha/tần số gây nhiễu sóng mang con (ICI), phát xạ ngoài băng (OOB) lớn và tỷ số PAPR cao (lên tới 12 dB).

Chương 2: Tổng quan về mạng 5G

Chương 2 phân tích các yếu tố thúc đẩy sự ra đời của mạng 5G, kiến trúc mạng thế hệ mới và các công nghệ đột phá được triển khai nhằm đáp ứng tiêu chuẩn IMT-2020 của ITU. Kiến trúc mạng 5G phân tách rõ rệt giữa mạng lõi 5G (5GC) và mạng truy cập vô tuyến thế hệ tiếp theo (NG-RAN). Trong đó, gNodeB (gNB) thay thế cho eNodeB, mạng lõi 5GC được cấu thành từ các khối chức năng dựa trên dịch vụ:

• AMF: Quản lý truy cập và di động, xử lý xác thực, ủy quyền và bảo vệ tính toàn vẹn.
• SMF: Quản lý phiên, cấp phát địa chỉ IP cho thiết bị người dùng (UE) và điều khiển UPF.
• UPF: Chức năng mặt phẳng người dùng, xử lý định tuyến gói và đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS).
• UDM, PCF, AF: Quản lý dữ liệu người dùng thống nhất, thực thi chính sách điều khiển và tương tác với các ứng dụng bên ngoài.

Mạng 5G phục vụ ba kịch bản dịch vụ cốt lõi: Băng rộng di động tăng cường (eMBB), Liên lạc kiểu máy số lượng lớn (mMTC) và Truyền thông độ trễ cực thấp và độ tin cậy cao (URLLC). Chuẩn hỗ trợ cả hai mô hình triển khai: Không độc lập (NSA - kết hợp giao diện vô tuyến 5G NR với mạng lõi 4G EPC hiện hữu) và Độc lập (SA - sử dụng toàn diện gNB và mạng lõi 5GC).

Tiêu chí hệ thống	Yêu cầu IMT-2010 (4G)	Yêu cầu IMT-2020 (5G)	Chú thích so sánh
Tốc độ dữ liệu đỉnh	DL: 1 Gbps, UL: 0.5 Gbps	DL: 20 Gbps, UL: 10 Gbps	Tốc độ lý tưởng trong điều kiện tối ưu
Dung lượng lưu lượng khu vực	0.1 Mbps/m²	10 Mbps/m²	Mức lưu lượng cấp trên một đơn vị diện tích
Hiệu suất năng lượng mạng	1x	100x (tiết kiệm hơn)	Số bit truyền trên mỗi đơn vị Joule tiêu thụ
Mật độ kết nối thiết bị	10⁴ thiết bị/km²	10⁶ thiết bị/km²	Tổng số lượng thiết bị kết nối trên một km²
Độ trễ truyền dẫn từ đầu đến cuối	10 ms	1 ms	Thời gian chuyển tiếp gói tin hai chiều
Tính lưu động tối đa	350 km/h	500 km/h	Vận tốc tối đa vẫn đảm bảo chất lượng QoS
Hiệu suất phổ	1x	3x (cao hơn)	Thông lượng trung bình trên mỗi đơn vị phổ
Tốc độ trải nghiệm người dùng	10 Mbps	100 Mbps	Tốc độ thực tế đạt được khắp vùng phủ

Chương này cũng phân tích sâu các công nghệ then chốt của 5G:

• Massive MIMO: Sử dụng mảng anten lớn hơn 64 phần tử (lên tới 256 anten phía phát và 32 anten phía thu) để tạo búp sóng hẹp, tăng độ lợi mảng và ghép kênh không gian MU-MIMO. Do giới hạn về hạng ma trận kênh trong thực tế, 5G quy định tối đa 8 lớp không gian đường xuống cho một UE.
• SDN/NFV và Lát cắt mạng (Network Slicing): Ảo hóa các chức năng mạng trên nền tảng phần cứng dùng chung, tạo ra các mạng logic riêng biệt tối ưu cho từng loại dịch vụ (ví dụ: lát cắt URLLC ưu tiên độ trễ, lát cắt mMTC ưu tiên dung lượng kết nối).
• Điện toán cạnh đa truy cập (MEC): Dịch chuyển chức năng tính toán và lưu trữ từ mạng lõi/đám mây về gần các khối vô tuyến từ xa (RRH) tại biên mạng. Giải pháp này giúp giảm độ trễ ứng dụng xuống dưới 1 ms đối với robot công nghiệp/xe tự hành, dưới 10 ms cho thực tế tăng cường (AR) và dưới 100 ms cho hệ thống lái xe hỗ trợ.
• Phân chia RAN (RAN Splitting): Tách trạm gNB thành đơn vị tập trung (CU) và đơn vị phân tán (DU) nhằm giải quyết nút thắt băng thông của giao thức CPRI truyền thống khi truyền mẫu IQ, cho phép thay thế bằng giao thức Ethernet tốc độ cao hoặc phân tách tại tầng PDCP.
• Phổ tần số và sóng milimet (mmWave): Mở rộng băng thông truyền dẫn lên tới 100 MHz cho các dải tần dưới 6 GHz (FR1), kết hợp khai thác dải sóng mm (FR2: 24 - 52.6 GHz, 64 - 71 GHz) và phổ dùng chung CBRS (3.55 - 3.7 GHz với băng thông 150 MHz).

Chương 3: Mạng truy cập vô tuyến mới NR

Chương 3 trình bày các đặc tính kỹ thuật chuyên sâu của giao diện vô tuyến NR. Để đáp ứng tính không đồng nhất của các dịch vụ, NR áp dụng bộ số liệu linh hoạt (numerology) dựa trên khoảng cách sóng mang con biến đổi $\Delta f = 15 \times 2^\mu\text{ kHz}$ ($\mu = 0, 1, 2, 3, 4$). Kéo theo đó, độ dài khe thời gian và cấu trúc symbol được co giãn linh hoạt, cho phép mạng cấu hình các khe truyền dẫn ngắn nhằm phục vụ dịch vụ URLLC độ trễ thấp. Khái niệm phần băng thông (BWP - Bandwidth Part) được chuẩn hóa, cho phép thiết bị chỉ cần hoạt động trên một dải phổ hẹp hơn tổng băng thông kênh của trạm gốc để tiết kiệm năng lượng tiêu thụ.

Cấu trúc kênh và tín hiệu vô tuyến được phân định cụ thể cho cả hai chiều:

• Đường lên (UL): Hỗ trợ hai dạng sóng là CP-OFDM (cho hiệu năng cao khi điều kiện kênh tốt) và DFT-s-OFDM (giúp giảm PAPR, tiết kiệm nguồn phát cho thiết bị). Các kênh vật lý gồm kênh chia sẻ đường lên (PUSCH), kênh điều khiển đường lên (PUCCH với các định dạng từ Format 0 đến Format 4) và kênh truy cập ngẫu nhiên (PRACH). Quy trình truy cập ngẫu nhiên được tối ưu hóa từ 4 bước (Release 15) sang quy trình 2 bước (Release 16) để giảm tối đa độ trễ thiết lập liên kết. Tín hiệu tham chiếu gồm SRS và DMRS.
• Đường xuống (DL): Sử dụng dạng sóng CP-OFDM. Các kênh vật lý chính gồm kênh chia sẻ đường xuống (PDSCH), kênh điều khiển đường xuống (PDCCH với các định dạng DCI) và kênh quảng bá vật lý (PBCH). Khối chuỗi đồng bộ (SSB) tích hợp tín hiệu đồng bộ sơ cấp (PSS), tín hiệu đồng bộ thứ cấp (SSS) và kênh PBCH giúp thiết bị nhanh chóng hòa mạng và ước lượng kênh. Tín hiệu tham chiếu đường xuống gồm DMRS, CSI-RS và CSI-IM phục vụ quản lý chùm tia và đo đạc can nhiễu.
• Quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) và điều khiển liên kết: Định nghĩa các phép đo chất lượng kênh phục vụ chuyển giao và giám sát liên kết vô tuyến. Tầng điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC) giới thiệu trạng thái mới RRC Inactive bên cạnh hai trạng thái RRC Connected và RRC Idle, giúp thiết bị nhanh chóng tiếp tục truyền dữ liệu mà không cần thực hiện toàn bộ thủ tục báo hiệu thiết lập phiên phức tạp.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu đề ra về việc nghiên cứu công nghệ truy cập vô tuyến mới 5G NR với các kết quả cụ thể:

1. Hệ thống hóa đầy đủ cơ sở khoa học và tiến trình lịch sử của thông tin di động qua 5 thế hệ, làm rõ nguyên lý của các kỹ thuật đa truy cập OMA (FDMA, TDMA, CDMA, OFDMA) và phân tích các nhược điểm cố hữu của OFDM trong 4G LTE.
2. Tổng hợp và phân tích chi tiết bộ chỉ tiêu kỹ thuật IMT-2020 của ITU, chỉ rõ sự vượt trội về tốc độ đỉnh (20 Gbps DL / 10 Gbps UL), hiệu suất năng lượng (cải thiện 100 lần), mật độ kết nối ($10^6$ thiết bị/km²) và độ trễ (1 ms) so với chuẩn IMT-2010 của 4G.
3. Làm sáng tỏ kiến trúc mạng 5G dựa trên các khối chức năng dịch vụ của 5GC (AMF, SMF, UPF), cấu trúc mạng phân tách NG-RAN (CU/DU), cùng nguyên lý vận hành của các công nghệ đột phá: Massive MIMO (tối đa 256 anten DL, 8 lớp truyền dẫn), Lát cắt mạng trên nền SDN/NFV, và Điện toán cạnh đa truy cập MEC.
4. Trình bày chi tiết cấu trúc lớp vật lý của 5G NR theo tiêu chuẩn 3GPP Release 15 và 16, bao gồm bộ số liệu sóng mang linh hoạt numerology, kỹ thuật phân chia băng thông BWP, cấu tạo chuỗi xử lý các kênh truyền dẫn PUSCH, PDSCH, PBCH, định dạng tín hiệu điều khiển DCI, PUCCH và cơ chế quản lý trạng thái RRC.

Về mặt đóng góp, đồ án đã cung cấp một tài liệu kỹ thuật có tính hệ thống cao, cập nhật đầy đủ các đặc tả kỹ thuật vô tuyến 5G NR mới nhất tại thời điểm nghiên cứu (năm 2020). Công trình liên kết mạch lạc giữa lý thuyết đa truy cập truyền thống với các cơ chế thích ứng tiên tiến trong 5G, giúp người đọc nắm bắt bản chất của sự chuyển dịch kiến trúc mạng viễn thông.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Mặc dù đã đạt được những kết quả toàn diện về mặt lý thuyết và cấu trúc hệ thống, đồ án vẫn tồn tại một số hạn chế nhất định do điều kiện và thời gian thực hiện:

• Nội dung đồ án chủ yếu dừng lại ở mức độ nghiên cứu tài liệu, phân tích tổng quan và mô tả lý thuyết kỹ thuật dựa trên các bộ tiêu chuẩn của ITU và 3GPP, chưa xây dựng được các mô hình mô phỏng định lượng chi tiết (ví dụ: mô phỏng đường truyền lớp vật lý trên MATLAB hoặc mô phỏng hiệu năng mạng trên phần mềm NS-3).
• Chưa có điều kiện tiếp cận các thiết bị phần cứng gNodeB thực tế để tiến hành đo kiểm, đánh giá các chỉ số chất lượng dịch vụ (QoS) trên các băng tần FR1 và FR2 trong môi trường vô tuyến thực tế.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được mở ra từ đề tài bao gồm:

• Xây dựng mô hình mô phỏng đánh giá hiệu năng của các thuật toán định thời, phân bổ tài nguyên vô tuyến trong môi trường đa BWP và đa dịch vụ (eMBB kết hợp URLLC).
• Nghiên cứu sâu hơn về các giải pháp xử lý tín hiệu chùm tia lai (Hybrid Beamforming) và thuật toán ước lượng kênh trong hệ thống Massive MIMO quy mô lớn.
• Đánh giá thực nghiệm các kịch bản triển khai mạng 5G SA và NSA trên các dải băng tần được quy hoạch tại Việt Nam.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và kỹ thuật đối với:

• Sinh viên, học viên cao học thuộc các ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Công nghệ Thông tin, Kỹ thuật Mạng truyền thông cần một nguồn tổng hợp có hệ thống về quá trình phát triển của mạng di động từ 1G đến 5G.
• Các kỹ sư viễn thông, chuyên viên tối ưu hóa mạng vô tuyến đang nghiên cứu về quá trình chuyển đổi hạ tầng từ 4G LTE sang 5G NR, đặc biệt là các phần nội dung liên quan đến cấu trúc kênh vật lý, phân tách mạng truy cập CU-DU và cấu hình phân chia băng thông BWP.
• Các nhà nghiên cứu quan tâm đến kiến trúc mạng thế hệ mới, cơ chế lát cắt mạng (Network Slicing) và tích hợp điện toán cạnh (MEC) nhằm giảm độ trễ truyền dẫn.

Câu hỏi thường gặp

1. Các chỉ tiêu kỹ thuật chính của 5G (IMT-2020) vượt trội như thế nào so với 4G (IMT-2010)?
Theo bảng so sánh tiêu chuẩn ITU, 5G đạt tốc độ truyền dữ liệu đỉnh 20 Gbps đường xuống và 10 Gbps đường lên (gấp 20 lần so với mức 1 Gbps và 0.5 Gbps của 4G). Độ trễ truyền dẫn từ đầu đến cuối giảm 10 lần (từ 10 ms xuống còn 1 ms). Mật độ kết nối thiết bị tăng 100 lần (từ $10^4$ lên $10^6$ thiết bị/km²). Hiệu suất năng lượng mạng cải thiện 100 lần và hiệu quả sử dụng phổ tần tăng gấp 3 lần so với 4G.

2. Tại sao chuẩn 5G NR giới hạn số lớp truyền dẫn đường xuống tối đa là 8 cho mỗi người dùng trong kỹ thuật Massive MIMO?
Mặc dù hệ thống Massive MIMO có thể trang bị mảng anten rất lớn (lên tới 64, 128 hoặc 256 phần tử), nhưng trong môi trường truyền sóng thực tế, hạng của ma trận kênh truyền giữa trạm phát và một thiết bị người dùng hiếm khi đạt được mức tối đa. Do đó, việc gửi quá nhiều luồng dữ liệu độc lập cho một người dùng đơn lẻ là không khả thi về mặt kỹ thuật và gây phức tạp lớn cho việc xử lý tín hiệu ở máy thu. 5G chuẩn hóa giới hạn tối đa 8 lớp cho mỗi UE và tận dụng các bậc tự do còn lại của mảng anten để phục vụ nhiều người dùng đồng thời (MU-MIMO) và tạo búp sóng (beamforming).

3. Sự khác nhau cơ bản giữa hai mô hình triển khai mạng 5G NSA và SA là gì?
Mô hình không độc lập (NSA - Non-Standalone) kết hợp trạm vô tuyến 5G NR với hạ tầng mạng lõi 4G EPC hiện hữu, sử dụng mạng 4G để duy trì mặt phẳng điều khiển và vùng phủ sóng, trong khi 5G cung cấp truyền dữ liệu tốc độ cao qua kết nối kép. Ngược lại, mô hình độc lập (SA - Standalone) sử dụng hoàn toàn trạm gốc gNodeB mới kết nối trực tiếp với mạng lõi 5G Core (5GC), cung cấp đầy đủ cả mặt phẳng điều khiển lẫn mặt phẳng dữ liệu mà không phụ thuộc vào hạ tầng 4G.

4. Điện toán cạnh đa truy cập (MEC) giải quyết bài toán độ trễ trong mạng 5G như thế nào?
MEC dịch chuyển các chức năng xử lý tính toán và lưu trữ dữ liệu từ các trung tâm dữ liệu đám mây tập trung hoặc mạng lõi về sát vị trí biên mạng (gần các khối vô tuyến từ xa RRH và trạm gNB). Cơ chế này loại bỏ thời gian truyền dẫn gói tin qua toàn bộ mạng đường trục, giúp giảm độ trễ xuống dưới 1 ms cho các ứng dụng điều khiển thời gian thực (như xe tự lái, robot công nghiệp) và giảm áp lực tải cho đường truyền mạng lõi.

5. Những hạn chế nào của kỹ thuật OFDM trong 4G LTE đã thúc đẩy các cải tiến trên 5G NR?
Trong 4G LTE, điều chế OFDM có một số nhược điểm lớn: chi phí tiền tố vòng CP gây lãng phí tài nguyên phổ; độ nhạy cao với lệch tần số gây nhiễu sóng mang con (ICI); xung hình chữ nhật tạo thùy bên lớn dẫn đến phát xạ ngoài băng (OOB) cao; và tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) cao (lên tới 12 dB) làm giảm hiệu suất của bộ khuếch đại công suất. 5G NR khắc phục các điểm này bằng cách sử dụng bộ số liệu sóng mang linh hoạt, áp dụng dạng sóng DFT-s-OFDM cho đường lên và tích hợp các kỹ thuật lọc/định hình phổ tiên tiến.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp “Nghiên cứu công nghệ truy cập vô tuyến mới trong 5G” của tác giả Trần Xuân Tài đã hệ thống hóa một cách khoa học và chi tiết toàn bộ tiến trình tiến hóa của các thế hệ thông tin di động từ 1G đến 4G LTE, đồng thời làm sáng tỏ kiến trúc và các công nghệ nền tảng của mạng 5G. Công trình tập trung phân tích sâu các đặc tính lớp vật lý của giao diện vô tuyến mới 5G NR theo tiêu chuẩn 3GPP Release 15 và 16, từ bộ tham số sóng mang linh hoạt, cấu trúc kênh truyền dẫn đến cơ chế quản lý tài nguyên và phân chia mạng. Đây là tài liệu tham khảo học thuật giá trị, cung cấp bức tranh toàn diện và nền tảng kỹ thuật vững chắc cho việc nghiên cứu, triển khai và tối ưu hóa hạ tầng thông tin di động thế hệ mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO 1.1 Giới thiệu Chương này cung cấp một cái nhìn tổng quan về sự phát triển của các hệ thống thông tin di động. Chúng ta bắt đầu với một trích dẫn từ một cuộc trò chuyện được tổ chức qua mạng di động từ Martin Cooper vào ngày 3 tháng 4 năm 1973. “Tôi gọi cho bạn từ một điện thoại di động, một điện thoại di động cầm tay thực sự”. Thiết bị di động được sử dụng trong suốt cuộc trò chuyện này là Motorola DynaTAC có trọng lượng khoảng 2.5 lbs với chi phí khoảng 9.

Sự kiện lịch sử này đã kích hoạt một phong trào thay đổi cuộc sống của rất nhiều người. Sự thay đổi cuộc sống này là rất lớn, lớn hơn nhiều so với việc hỗ trợ người dùng di động, nó thúc đẩy việc tạo ra các thiết bị cực kỳ phức tạp (điện thoại thông minh hiện nay) giúp chúng ta kết nối với thế giới. Các thiết bị này không chỉ thực hiện các nhu cầu liên lạc dữ liệu và giọng nói rất cần thiết với chúng ta mà còn có rất nhiều ứng dụng hỗ trợ như thông báo cho bạn bè thông qua phương tiện truyền thông xã hội, cạnh tranh với trò chơi trực tuyến, tiêu thụ và sản xuất nội dung video, thực hiện các phép đo y tế, sử dụng các dịch vụ dựa trên định vị, v. Khi các thiết bị không dây này được thừa hưởng từ định luật Moore, các công nghệ di động tế bào có thể vẫn là tâm điểm để giới thiệu các tính năng mới và những đặc điểm thú vị mang lại lợi ích cho người dùng cuối.

Chương này nhằm giải quyết các công nghệ điều khiển quan trọng đằng sau các thiết kế hệ thống vô tuyến mới (NR) 5G, tập trung vào các giải pháp hỗ trợ các dịch vụ mới 5G trong truyền dẫn đường lên (UL) với các yêu cầu như độ trễ thấp và độ tin cậy cao, tiết kiệm năng lượng và các ứng dụng gói nhỏ. Các tài nguyên không cần sự cho phép (GF) trong UL NR được gọi là “cho phép trước”, có nghĩa là các thông số kỹ thuật được cấu hình trước sẽ được sử dụng để truyền 4 UE UL mà không cần lập lịch/cho phép. Ngoài ra trạm gốc (BS) trong mạng NR 5G được gọi là “NodeB thế hệ tiếp theo” hoặc “gNB”.2 Thông tin di động tế bào: Nhập môn Các tiêu chuẩn di động sử dụng nhiều kỹ thuật đa truy cập (MA) được nhấn mạnh trong bảng 1. Những kỹ thuật này bao gồm đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA), đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA), đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) và đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA).

Chúng ta cũng đề cập phương pháp song công liên quan được sử dụng cho thông tin hai chiều và các tài nguyên vật lý thực tế có sẵn để gán cho mỗi người dùng. Các phương pháp song công là song công phân chia theo thời gian (TDD) và song công phân chia theo tần số (FDD).1: Đa truy cập trong các thế hệ của các mạng tế bào khác nhau. Phương pháp Tài nguyên Ví dụ đáng Thế hệ tế bào Kỹ thuật MA song công vật lý chú ý 1G FDMA FDD Tần số AMPS, NMT Các khe thời 2G TDMA FDD GSM, IS-54 gian Các khe thời 3G CDMA FDD/TDD gian/Các mã WCDMA PN Thời gian/tần 4G OFDMA FDD/TDD LTE, LTE-A số Thời gian/tần 5G OFDMA FDD/TDD 5G-NR số Tất cả các kỹ thuật đa truy cập ở trên có thể được xem như một dạng của đa truy cập “trực giao” (OMA), trong đó về mặt lý thuyết thì sự truy cập của người dùng không gây nhiễu cho nhau khi họ chia sẻ phương tiện không dây. Tuy nhiên chúng được giới hạn bởi số lượng tài nguyên có sẵn, điều này làm cho chúng trực giao với nhau.

Đối với CDMA thì ngược lại, việc truyền từ thiết bị không dây đến đế trạm gốc vốn đã không trực giao. Trong FDMA, tần số được chia thành các kênh được sử dụng bởi nhiều người dùng khác nhau. Trong TDMA, thời gian được phân chia thành các khe 5 thời gian tức là cho phép nhiều người dùng khác nhau có thể truy cập hệ thống tế bào. Trong CDMA, các người dùng được phân biệt với nhau bằng các mã PN và truyền tất cả cùng một lúc trên toàn bộ kênh tần số.

Trong OFDMA các người dùng được phân bổ cho các kênh tần số khác nhau (các nhóm sóng mang con) tại các khe thời gian khác nhau. Đối với hệ thống tế bào số thế hệ tiếp theo 5G, vẫn sử dụng OFDMA trong đó khoảng cách giữa các sóng mang con và độ dài khe thời gian thì mềm dẻo và có thể hỗ trợ các yêu cầu thay đổi rộng rãi khác nhau. 5G dự kiến sẽ sử dụng NOMA. Một cái nhìn tổng quan về các kỹ thuật đa truy cập khác nhau.1 cung cấp một cái nhìn tổng quan để giới thiệu các kỹ thuật truy cập khác nhau sẽ được thảo luận trong phần này.

Chúng được so sánh theo ba chiều hoặc miền: công suất, thời gian và tần số. Một chỉ số hiệu suất hệ thống tiếp tục được cải thiện trong các thế hệ là hiệu quả phổ.2 cho thấy hiệu quả phổ DL của các chuẩn di động số 2G, 3G, 4G và 5G so với tốc độ dữ liệu đỉnh theo lý thuyết. Lưu ý rằng với mỗi tiêu chuẩn mới, nhu cầu về tốc độ dữ liệu cao hơn và cao hơn trong một thời gian dài dẫn đến nhu cầu tăng hiệu quả phổ trở nên rõ rệt hơn. Với mỗi thế hệ tế bào, không chỉ có sự kỳ vọng về hiệu suất tăng mà còn có thêm các tính năng mới.3 cho thấy khả năng của người dùng (và các 6 tính năng dự kiến) đã tăng theo cấp số nhân qua sự phát triển của các thế hệ di động.

Chúng ta bắt đầu chỉ bằng tiếng nói và sau đó chuyển sang khả năng dịch vụ thoại và tin nhắn ngắn (SMS) trong 2G. Khả năng dữ liệu được cải thiện trong 3G bao gồm các dịch vụ chuyển mạch gói. Hiệu quả phổ (bps/Hz) của sự phát triển tế bào số. Các khả năng người dùng trong các thế hệ tế bào.

4G cung cấp Internet di động với các trường hợp sử dụng được mở rộng cho Internet vạn vật (IoT), phương tiện đến mọi thứ (V2X), thiết bị đến thiết bị (D2D), v. Hệ thống di động thế hệ tiếp theo 5G dự kiến sẽ chỉ tăng các khả năng trường hợp sử dụng, do đó mở ra nhiều cánh cửa cho việc cung cấp các sản phẩm sáng tạo. DL là hướng giao tiếp từ BS đến thiết bị cầm tay hoặc thiết bị người dùng (UE). UL là hướng giao tiếp từ các UE đến BS.

UL cũng bao gồm quyền truy 7 cập ngẫu nhiên trong đó các UE cố gắng truy cập tài nguyên của hệ thống thông tin từ trạng thái bật nguồn hoặc bắt đầu một giao dịch mới. Phương pháp được sử dụng để phân tách giao tiếp DL và UL được gọi là song công. Ví dụ: thao tác này có thể được thực hiện trong miền thời gian (TDD)/hoặc tần số (FDD). Trong TDD, các khe thời gian nhất định được phân bổ cho DL và các khe thời gian khác cho UL.

Trong FDD, việc truyền UL và DL xảy ra đồng thời ở các dải tần số khác nhau. Các ưu điểm của TDD là chỉ cần một phổ duy nhất và được chia sẻ (không cần phổ ghép) và có các chế độ xem kênh đối xứng (các phép đo UL có thể được sử dụng cho kỹ thuật thông tin DL và ngược lại). Ưu điểm của FDD là cần ít các yêu cầu đồng bộ thời gian hơn; tuy nhiên do sự phân tách tần số giữa DL và UL, các phép đo UL có thể không hữu ích cho kỹ thuật thông tin DL vì không thể đảm bảo tính tương hỗ. Dù sử dụng phương pháp nào, độ trễ (thời gian để truy cập tài nguyên mạng) ngày càng trở nên quan trọng như là một chỉ số hiệu suất hệ thống.1 Sự phát triển của công nghệ di động Trong phần này, chúng ta sẽ giới thiệu các công nghệ truy cập vô tuyến di động (RATs) và hiểu được ưu điểm và lợi thế phát triển của chúng.1 cho thấy sự phát triển tiêu chuẩn của mạng tế bào từ 1G đến 4G.

Chúng ta nhận thấy khi 2G và 3G phát triển đã có sự gia tăng độ phức tạp của hệ thống theo nhiều tiêu chuẩn. Điều này đã thay đổi khi ngành công nghiệp hội tụ thành một tiêu chuẩn 4G duy nhất với độ phức tạp gia tăng. Các kỹ thuật đa truy cập trực giao:  FDMA (đa truy cập phân chia theo tần số)  Việc gán nhiều sóng mang trên cùng một kênh là khó khăn  Các kênh băng hẹp (có băng thông nhỏ hơn băng thông kết hợp của kênh không dây) đang mong đợi  Các băng bảo vệ trong miền tần số là cần thiết để giảm sự phát xạ phổ đến các băng tần lân cận  Số lượng tài nguyên trực giao hữu hạn. 8  TDMA (đa truy cập phân chia theo thời gian)  Việc bù (cân bằng) nhiễu xuyên symbol là cần thiết  Sử dụng các băng bảo vệ trong miền thời gian cho phép sự biến thiên độ trễ thời gian của truyền dẫn UL  Đồng bộ hóa các khe thời gian trên tất cả mục đích sử dụng là rất quan trọng để không phá hủy nguyên tắc OMA  Số lượng tài nguyên trực giao hữu hạn.

 CDMA (đa truy cập phân chia theo mã)  Sử dụng toàn bộ băng thông cùng lúc bằng cách sử dụng mã trải phổ  Số lượng tài nguyên trực giao hữu hạn.  OFDMA (đa truy cập phân chia theo tần số trực giao)  Gán nhiều sóng mang con khác nhau cho nhiều người dùng khác nhau (tại các khe thời gian khác nhau)  Số lượng tài nguyên trực giao hữu hạn. Phổ tần là rất có giá trị đối với các nhà khai thác và vẫn cần thiết để đáp ứng thông lượng hệ thống và người dùng tăng lên. Có một phong trào toàn ngành công nghiệp là không chỉ sử dụng phổ tần được cấp phép truyền thống, mà còn sử dụng phổ không được cấp phép (theo truyền thống được sử dụng bởi các thiết bị WiFi) và phổ dùng chung bất cứ khi nào có thể.2 Hệ thống tế bào thế hệ thứ nhất Hệ thống di động thế hệ đầu tiên (1G) cho phép liên lạc bằng giọng nói và hỗ trợ người dùng di động khi một cuộc gọi tiếng nói sẽ “chuyển giao” cho trạm gốc (hoặc tế bào) khác khi người dùng di động đi qua môi trường tế bào một cách vật lý.

Công nghệ được sử dụng là điều chế tần số (FM) tương tự và phổ được chia thành các phân đoạn 30 kHz gọi là các kênh.