CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ MẠNG 5G 1. Các thế hệ mạng trước ✓ Thế hệ mạng thứ nhất (1G) Đây là thế hệ mạng di động không dây đầu tiên, được Nippon Telegraph and Telephone (NTT) ra mắt lần đầu tiên tại Tokyo vào năm 1979. Các cuộc gọi thoại do mạng này cung cấp bị giới hạn ở một số quốc gia và đây là thế hệ sử dụng truyền dữ liệu trên tín hiệu tương tự có tốc độ khoảng 2,4 Kb/s. Do là thế hệ đầu tiên nên có rất nhiều hạn chế như vùng phủ sóng kém, chất lượng âm thanh thấp và không hỗ trợ chuyển vùng giữa các nhà khai thác khác nhau.
Ngoài ra, do các hệ thống khác nhau hoạt động trên các dải tần số khác nhau nên không có sự tương thích giữa các hệ thống và điều tệ nhất đó là các cuộc gọi không được mã hóa nên bất cứ ai có máy quét vô tuyến đều có thể theo dõi được cuộc gọi. Tuy có rất nhiều những nhược điểm nhưng không thể phủ nhận thế hệ mạng di động 1G vẫn đem lại những thành công rất lớn và mở ra sự phát triển cho các thế hệ mạng sau này. ✓ Thế hệ mạng thứ hai (2G) Thế hệ mạng di động thứ hai bao gồm hai tiêu chuẩn. Tiêu chuẩn đầu tiên là GSM (dựa trên công nghệ đa truy nhập TDMA) được ra mắt ở Phần Lan vào năm 1991 và sau đó trở thành chuẩn phổ biến trên toàn 6 Châu lục.
Tiêu chuẩn thứ hai là IS-95 (hay còn gọi là cdmaOne) được phát triển bởi Qualcomm, dựa trên công nghệ đa truy nhập CDMA và được áp dụng rộng rãi tại Hoa Kỳ và một số nước châu Á. Lần đầu tiên các cuộc gọi có thể được mã hóa giúp cải thiện đáng kể khả năng bảo mật, sử dụng các tín hiệu số cho tốc độ lớn hơn và tiếng ồn ít hơn, cung cấp các dịch vụ như tin nhắn văn bản, tin nhắn hình ảnh và tin nhắn đa phương tiện, gửi email khi đang di chuyển (khi GPRS được giới thiệu vào năm 1997). Mặc dù tốc độ của 2G ban đầu chỉ khoảng 9,6 Kb/s (sau này là 40 Kb/s) tương đối chậm chạp nhưng việc chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số đã đánh dấu một cuộc cách mạng lớn làm thay đổi cả thế giới sau này. ✓ Thế hệ mạng thứ ba (3G) Mạng di động thế hệ thứ ba được Nhật Bản là nước đầu tiên đưa vào khai thác thương mại một cách rộng rãi, tiên phong bởi nhà mạng NTT DoCoMo.
Thế hệ mạng Luan van 4 này sử dụng công nghệ truy nhập vô tuyến WCDMA trong hệ thống UMTS và chuẩn CDMA2000 (thế hệ kế tiếp của các chuẩn 2G CDMA và IS-95) được chứng nhận bởi ITU, tập trung vào việc chuẩn hóa các giao thức mạng của các nhà cung cấp. Thế hệ mạng 3G cho phép người dùng có thể truy cập dữ liệu ở bất kỳ vị trí nào và điều đó làm cho dịch vụ chuyển vùng quốc tế lần đầu tiên trở nên khả thi. Ngoài ra, nó còn có tốc độ truyền tải dữ liệu lên đến 2 Mb/s, cho phép dung lượng thoại và dữ liệu lớn hơn rất nhiều so với 2G, hỗ trợ nhiều ứng dụng như gọi điện video, chia sẻ tập tin, lướt internet, truyền phát nhạc. ✓ Thế hệ mạng thứ tư (4G) Thế hệ thứ tư của mạng di động được triển khai lần đầu tiên tại Thụy Điển và Na Uy vào năm 2009.
Mạng 4G sử dụng các kỹ thuật vô tuyến như OFDM, SC- FDMA hay MIMO mang đến độ trễ thấp hơn, chất lượng thoại cao hơn, dễ dàng truy cập các dịch vụ đa phương tiện và tốc độ dữ liệu trong điều kiện lý tưởng có thể đạt tới 1 Gb/s từ đó chất lượng dịch vụ và bảo mật được nâng cao hơn rất nhiều. Tuy nhiên, bên cạnh các ưu điểm vượt trội thì thế hệ này vẫn tồn tại một số nhược điểm như tiêu thụ năng lượng hơn, yêu cầu phần cứng phức tạp và chi phí vận hành, bảo trì lớn. Thế hệ mạng thứ năm (5G) 1. Vài nét đặc trưng về 5G 5G là công nghệ di động thế hệ thứ năm và là thế hệ mới nhất hiện nay đem lại những đặc điểm chính như: tốc độ cực cao (được kỳ vọng lên tới 10 Gb/s), độ trễ cực thấp (1ms) và dung lượng cực lớn (hỗ trợ số thiết bị đầu cuối trên một đơn vị diện tích nhiều gấp 100 lần so với 4G LTE).
Ngoài ra, công nghệ 5G bao gồm các kỹ thuật mới gồm: Công nghệ vô tuyến New Radio (NR), công nghệ mạng định nghĩa bằng phần mềm (SDN), công nghệ ảo hóa các chức năng mạng (NFV), công nghệ đa anten MIMO hay công nghệ điều khiển búp sóng cải tiến cho anten (beamforming) để đạt được tốc độ truyền dữ liệu cao. Công nghệ 5G đang trên đà phát triển mạnh mẽ, hứa hẹn cho phép kết nối hàng tỷ thiết bị khác nhau từ đó thay đổi cách người dùng sử dụng thiết bị di động của mình. Hơn thế nữa, 5G còn thay đổi cách kết nối thiết bị với mạng Internet, điều này được dự đoán sẽ làm thay đổi các quá trình tiêu dùng, kinh doanh và công nghiệp hiện nay, làm tăng năng suất thúc đẩy làn sóng tăng trưởng kinh tế toàn cầu. Những ưu Luan van 5 điểm của công nghệ mới như tốc độ và dung lượng mạng được cải thiện sẽ mang đến các xu hướng IoT mới như ô tô kết nối (connected car), thành phố thông minh (smart cities).
Việc triển khai 5G mới đang chỉ ở những giai đoạn đầu tiên nhưng với việc các nhà khai thác luôn sẵn sàng đầu tư vào các cơ sở hạ tầng cần thiết để khai thác toàn bộ sức mạnh của 5G, nền kinh tế đang đứng trước những cơ hội để phát triển một cách nhanh chóng. Mạng truy nhập vô tuyến 5G được triển khai theo hai kiểu là standalone và non-standalone. • Standalone: standalone là mạng 5G hoạt động độc lập mà không cần sự tồn tại của mạng 4G, đảm bảo chất lượng tối ưu cho từng dịch vụ và giảm thiểu độ trễ. • Non-standalone: non-standalone là mạng 5G hoạt động phụ thuộc vào sự tồn tại của mạng 4G, dễ dàng triển khai do sử dụng chung mạng lõi cho cả 4G và 5G giúp tiết kiệm thời gian, chi phí triển khai.
Các kiến trúc mạng triển khai được thể hiện trong hình 1. Kiến trúc Standalone và Non-standalone Thế hệ mạng di động 5G vẫn sử dụng dải tần số Sub-6GHz nằm trong dải tần FR1 (410 MHz đến 7125 MHz) giống như thế hệ 4G tuy nhiên có thêm một dải tần mới là mmWave nằm trong dải tần FR2 (24250 MHz đến 52600 MHz). Luan van 6 • Sub-6GHz: phổ có tần số nhỏ hơn 6GHz, đem đến khả năng đi qua vật cản ít bị ảnh hưởng và khoảng cách truyền dài tuy nhiên hạn chế là tốc độ truyền tải chậm. • mmWave: băng tần mới được sử dụng trong 5G cho tần số trong khoảng từ 24GHz đến 39GHz, mang lại tốc độ truyền tải rất nhanh tuy nhiên dễ bị ảnh hưởng bởi vật cản và khoảng cách truyền ngắn.
Kết hợp sử dụng hai băng tần sẽ vừa phát huy được ưu điểm đồng thời hạn chế được nhược điểm của mỗi loại. Một số đặc tính công nghệ của mạng 5G 1.1 Mạng truy nhập vô tuyến a) Các yêu cầu cơ bản được chỉ định cho 5G : • Băng rộng di động năng cao (eMBB): là dịch vụ cải tiến từ dịch vụ băng rộng di động đưa ra bởi 4G. Các ứng dụng eMBB thường liên quan đến các truy cập nội dung đa phương tiện, dịch vụ và dữ liệu, cung cấp truy nhập tốc độ cao cho các ứng dụng streaming, truyền hình hội nghị, web browsing, cải thiện vùng phủ sóng, cung cấp các kết nối liền mạch hay cho phép kết hợp các dịch vụ băng rộng cố định và dịch vụ băng rộng di động giúp tăng thông lượng tổng hợp. • Truyền thông máy số lượng lớn (mMTC): được đặc trưng bởi số lượng rất lớn các thiết bị truyền dữ liệu nhạy cảm, không trễ với vùng phủ rộng, chi phí thấp và ít tiêu tốn năng lượng từ đó kéo dài tuổi thọ pin của thiết bị.
Các thiết bị thông thường chỉ tạo ra một lượng dữ liệu nhỏ nên tốc độ dữ liệu không yêu cầu quá cao. • Truyền thông trễ thấp độ tin cậy cực cao (URLLC): các ứng dụng liên kết chỉ cần yêu cầu thông lượng vừa phải tuy nhiên cần có độ tin cậy rất cao và độ trễ rất thấp như tự động hóa trong công nghiệp, an toàn giao thông hay phẫu thuật từ xa trong y tế. b) Một số đặc tính đặc trưng của NR: • Khoảng cách giữa các sóng mang con ▪ Khoảng cách giữa các sóng mang con (SCS) không còn bị cố định là 15 kHz như trong 4G mà có thể thay đổi dựa trên tham số tùy biến μ theo công thức: Luan van 7 ∆SCS = 2μ.1) ▪ Với mỗi giá trị của µ sẽ có khoảng cách sóng mang con (SCS) khác nhau và được mô tả trong bảng 1. Mối quan hệ giữa µ và SCS • Cấu trúc khung vô tuyến ▪ Một khung vô tuyến của hệ thống 5G rất khác so với hệ thống 4G trước đó khi có độ dài là 10 ms, bao gồm 10 khung con có độ dài mỗi khung là 1ms, một khung con có 2µ khe thời gian và mỗi khe thời gian có 14 ký hiệu OFDM (CP thông thường) và 12 ký hiệu OFDM (CP mở rộng).
▪ Một ví dụ về cấu trúc khung vô tuyến có SCS = 30 kHz (µ = 1) nên sẽ bao gồm 2 khe trong 1 khung con, độ dài mỗi khe là 0.5 ms và được mô tả chi tiết trong hình 1. Cấu trúc khung vô tuyến với SCS = 30 kHz • Băng thông kênh ▪ Băng thông kênh lớn nhất trên sóng mang là 400 MHz (trong dải tần FR2) ▪ Số lượng sóng mạng con lớn nhất trên sóng mang NR là 3300 hoặc 6600 ▪ Số sóng mang con trên PRB là 12 Luan van 8 ▪ Số sóng mang con được xác định dựa vào khoảng cách sóng mang con (SCS) và băng thông và được thể hiện trong bảng 1.2 với dải tần FR1 và bảng 1.3 với dải tần FR2. Số sóng mang con theo SCS và băng thông trong dải tần FR1 Bảng 1. Số sóng mang con theo SCS và băng thông trong dải tần FR2 1.
Massive MIMO Massive MIMO là công nghệ bao gồm nhiều ăng ten thu phát được tối ưu hóa để cải thiện việc nhận tín hiệu, mở rộng khoảng cách và tăng dung lượng mạng di động lên theo cấp số nhân từ đó phục vụ đồng thời vài chục thiết bị đầu cuối với cùng một tài nguyên tần số và thời gian, đạt được các mục đích của MU-MIMO nhưng với tỷ lệ lớn hơn rất nhiều.