Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghệ viễn thông phát triển nhanh chóng, mạng 5G được xem là bước tiến đột phá so với các thế hệ mạng trước đó. Tại Việt Nam, mạng 4G LTE/LTE-Advanced đã được triển khai rộng rãi với gần 60 triệu thuê bao di động băng rộng tính đến năm 2017, phủ sóng trên 63/64 tỉnh thành. Nhu cầu sử dụng dữ liệu di động tăng mạnh, đặc biệt với sự phổ biến của điện thoại thông minh chiếm khoảng 52% dân số, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển mạng 5G. Mạng 5G không chỉ cung cấp tốc độ dữ liệu nhanh hơn gấp 100 lần, độ trễ giảm 5 lần so với 4G mà còn hỗ trợ các dịch vụ mới như IoT, xe tự lái, y tế từ xa và thực tế ảo.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đề xuất các giải pháp kiến trúc mạng 5G NR phù hợp với điều kiện hạ tầng và chiến lược phát triển của các nhà mạng tại Việt Nam, đồng thời xây dựng lộ trình triển khai khả thi cho từng nhóm nhà mạng. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các lựa chọn kiến trúc mạng 5G theo tiêu chuẩn 3GPP, phân tích hiện trạng mạng 4G và thử nghiệm 5G tại Việt Nam trong giai đoạn 2019-2020. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc hỗ trợ các nhà mạng tối ưu hóa chi phí đầu tư, vận hành và khai thác mạng 5G, đồng thời thúc đẩy sự phát triển công nghệ viễn thông trong nước, góp phần vào cuộc cách mạng công nghiệp 4.0.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

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

  • Kiến trúc mạng thông tin di động thế hệ 2G, 3G, 4G: Trình bày cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến (RAN) và mạng lõi (CN) qua các thế hệ, làm nền tảng cho sự phát triển mạng 5G.
  • Kiến trúc mạng 5G NR theo tiêu chuẩn 3GPP: Bao gồm mạng truy nhập vô tuyến 5G (NG-RAN) và mạng lõi 5G (5GC) với các chức năng như phân tách mặt phẳng điều khiển và dữ liệu (CUPS), cắt lát mạng (Network Slicing), kiến trúc hướng dịch vụ.
  • Các lựa chọn kiến trúc mạng 5G: Phân loại thành kiến trúc riêng rẽ (Standalone - SA) và không riêng rẽ (Non-Standalone - NSA), với 8 phương án triển khai khác nhau dựa trên sự kết hợp giữa mạng lõi 4G EPC, mạng lõi 5G, mạng truy nhập 4G LTE và 5G NR.

Các khái niệm chính bao gồm: mạng truy nhập vô tuyến (RAN), mạng lõi (CN), mặt phẳng điều khiển (CP), mặt phẳng người dùng (UP), gNB (trạm thu phát 5G), eNB (trạm thu phát 4G), và các chức năng mạng lõi như AMF, SMF, UPF.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ các báo cáo kỹ thuật của 3GPP, ITU, các nhà mạng lớn tại Việt Nam (Viettel, VNPT, Mobifone), các hội thảo chuyên ngành và tài liệu nghiên cứu quốc tế.
  • Phương pháp phân tích: So sánh, đánh giá các lựa chọn kiến trúc mạng 5G dựa trên tiêu chí tận dụng hạ tầng hiện có, chi phí đầu tư, khả năng mở rộng và đáp ứng yêu cầu kỹ thuật. Phân tích hiện trạng mạng 4G và thử nghiệm 5G tại Việt Nam để đề xuất lộ trình triển khai phù hợp.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu tập trung vào giai đoạn 2019-2020, thời điểm các nhà mạng Việt Nam bắt đầu thử nghiệm và chuẩn bị triển khai mạng 5G thương mại.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm ba nhà mạng lớn tại Việt Nam và các tài liệu tiêu chuẩn quốc tế. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính đại diện và mức độ ảnh hưởng của các nhà mạng trong thị trường viễn thông Việt Nam.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng mạng 4G và thử nghiệm 5G tại Việt Nam: Tính đến năm 2017, Việt Nam có gần 60 triệu thuê bao băng rộng di động, trong đó 4G chiếm tỷ lệ tăng nhanh với hơn 36.000 trạm phát sóng của Viettel phủ sóng 95% dân số. Thử nghiệm 5G đã được thực hiện thành công với tốc độ downlink đạt 5,75 Gbps, vượt xa giới hạn lý thuyết của 4G LTE.

  2. Các lựa chọn kiến trúc mạng 5G phù hợp với Việt Nam: Đối với nhà mạng chưa có 4G, kiến trúc Standalone 5G NR với mạng lõi 5G và mạng truy nhập 5G NR được đề xuất nhằm xây dựng mạng 5G mới hoàn toàn. Đối với nhà mạng đã có 4G, lộ trình chuyển đổi từ kiến trúc 4G hiện có sang các lựa chọn NSA như lựa chọn 3 hoặc 3a giúp tận dụng hạ tầng 4G, giảm chi phí đầu tư ban đầu.

  3. Lợi ích của kiến trúc NSA: Việc sử dụng đồng thời mạng truy nhập 4G LTE và 5G NR giúp tăng tốc độ dữ liệu cho thiết bị đầu cuối, đồng thời giảm thiểu rủi ro khi triển khai mạng 5G mới. Ví dụ, lựa chọn 3a cho phép truyền dữ liệu trực tiếp từ 5G NR đến mạng lõi 4G EPC, nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần.

  4. Thách thức kỹ thuật và quản lý: Các nhà mạng cần nâng cấp mạng truy nhập 4G để hỗ trợ trao đổi dữ liệu với mạng 5G NR, đồng thời chuẩn bị hạ tầng mạng lõi để chuyển đổi sang mạng lõi 5G trong giai đoạn sau. Việc này đòi hỏi đầu tư về phần cứng, phần mềm và nguồn nhân lực.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên xuất phát từ thực tế hạ tầng mạng 4G đã được triển khai rộng rãi tại Việt Nam, tạo điều kiện thuận lợi cho việc áp dụng kiến trúc NSA nhằm tiết kiệm chi phí và thời gian. So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với xu hướng toàn cầu khi các nhà mạng ưu tiên tận dụng hạ tầng 4G hiện có trong giai đoạn đầu triển khai 5G.

Việc lựa chọn kiến trúc mạng phù hợp có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng dịch vụ, giảm thiểu gián đoạn và tăng khả năng mở rộng mạng trong tương lai. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh tỷ lệ thuê bao 4G và 5G theo từng năm, bảng đánh giá ưu nhược điểm các lựa chọn kiến trúc, và sơ đồ lộ trình triển khai mạng 5G cho từng nhóm nhà mạng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai kiến trúc mạng 5G NR riêng rẽ cho nhà mạng mới: Khuyến nghị các nhà mạng chưa có hạ tầng 4G xây dựng mạng 5G độc lập (Standalone) với mạng lõi 5G và mạng truy nhập 5G NR để tận dụng tối đa công nghệ mới, dự kiến thực hiện trong giai đoạn 2021-2023.

  2. Lộ trình chuyển đổi cho nhà mạng đã có 4G: Đề xuất các nhà mạng như Viettel, VNPT, Mobifone áp dụng lộ trình ba pha từ 2021 đến 2024, bắt đầu bằng việc bổ sung gNB 5G NR và nâng cấp mạng truy nhập 4G để hỗ trợ NSA (lựa chọn 3 hoặc 3a), sau đó chuyển đổi dần sang mạng lõi 5G.

  3. Nâng cấp hạ tầng mạng truy nhập và lõi: Thực hiện nâng cấp phần mềm và phần cứng cho mạng truy nhập 4G LTE/LTE-Advanced để hỗ trợ trao đổi dữ liệu với mạng 5G NR, đồng thời chuẩn bị hạ tầng mạng lõi 5G với các chức năng như cắt lát mạng và phân tách mặt phẳng điều khiển - dữ liệu, hoàn thành trong vòng 3-5 năm.

  4. Đào tạo và phát triển nguồn nhân lực: Tăng cường đào tạo kỹ thuật viên và chuyên gia về công nghệ 5G, quản lý mạng lõi 5G và các dịch vụ mới, phối hợp với các đối tác công nghệ quốc tế, thực hiện liên tục trong suốt quá trình triển khai.

  5. Thúc đẩy hợp tác nghiên cứu và phát triển: Khuyến khích các nhà mạng hợp tác với các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp công nghệ để phát triển các ứng dụng 5G phù hợp với thị trường Việt Nam, đồng thời xây dựng hệ sinh thái 5G bền vững.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà mạng viễn thông tại Việt Nam: Hỗ trợ lựa chọn kiến trúc mạng 5G phù hợp với điều kiện hạ tầng và chiến lược phát triển, từ đó xây dựng lộ trình triển khai hiệu quả.

  2. Cơ quan quản lý nhà nước về viễn thông: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách, quy hoạch tần số và cấp phép triển khai mạng 5G, đảm bảo phát triển bền vững ngành viễn thông.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật viễn thông: Là tài liệu tham khảo chuyên sâu về kiến trúc mạng 5G, các lựa chọn triển khai và xu hướng phát triển công nghệ viễn thông hiện đại.

  4. Doanh nghiệp công nghệ và nhà cung cấp thiết bị: Giúp hiểu rõ yêu cầu kỹ thuật và kiến trúc mạng 5G tại Việt Nam, từ đó phát triển sản phẩm, dịch vụ phù hợp với thị trường trong nước.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mạng 5G khác gì so với 4G LTE?
    Mạng 5G cung cấp tốc độ dữ liệu nhanh hơn gấp 100 lần, độ trễ giảm xuống còn 1ms, hỗ trợ mật độ kết nối lớn hơn và các dịch vụ mới như IoT, xe tự lái, thực tế ảo. Ví dụ, tốc độ tải phim HD từ 2 tiếng trên 4G giảm còn 15 giây trên 5G.

  2. Tại sao cần lựa chọn kiến trúc mạng 5G phù hợp với hạ tầng hiện có?
    Việc tận dụng hạ tầng 4G giúp giảm chi phí đầu tư, rút ngắn thời gian triển khai và đảm bảo chất lượng dịch vụ trong giai đoạn đầu phát triển 5G, đồng thời tạo điều kiện chuyển đổi linh hoạt sang mạng lõi 5G.

  3. Kiến trúc NSA và SA khác nhau như thế nào?
    NSA sử dụng đồng thời mạng truy nhập 4G và 5G để truyền dữ liệu, giúp tăng tốc độ và tận dụng hạ tầng hiện có. SA là kiến trúc mạng 5G độc lập, phù hợp với nhà mạng mới hoặc khi mạng 4G chưa được triển khai.

  4. Lộ trình triển khai mạng 5G tại Việt Nam được đề xuất ra sao?
    Lộ trình gồm ba pha: từ 2021-2024 nâng cấp mạng 4G để hỗ trợ NSA, sau đó chuyển đổi dần sang mạng lõi 5G và cuối cùng triển khai mạng 5G độc lập khi số lượng thuê bao và dịch vụ 5G tăng cao.

  5. Những thách thức chính khi triển khai mạng 5G là gì?
    Bao gồm nâng cấp hạ tầng mạng lõi và truy nhập, đảm bảo tương thích thiết bị đầu cuối, phát triển nguồn nhân lực kỹ thuật, và xây dựng hệ sinh thái ứng dụng 5G phù hợp với nhu cầu thị trường.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích chi tiết kiến trúc mạng 5G NR theo tiêu chuẩn 3GPP và các lựa chọn triển khai phù hợp với điều kiện Việt Nam.
  • Đề xuất lộ trình triển khai mạng 5G cho nhà mạng mới và nhà mạng đã có 4G, giúp tận dụng hạ tầng hiện có và giảm chi phí đầu tư.
  • Nghiên cứu làm rõ vai trò của kiến trúc NSA trong giai đoạn đầu phát triển 5G tại Việt Nam, đồng thời chuẩn bị chuyển đổi sang kiến trúc SA trong tương lai.
  • Khuyến nghị nâng cấp hạ tầng mạng lõi và truy nhập, phát triển nguồn nhân lực và thúc đẩy hợp tác nghiên cứu để đảm bảo thành công triển khai 5G.
  • Tiếp theo, cần triển khai thử nghiệm thực tế các lựa chọn kiến trúc đề xuất, đánh giá hiệu quả và điều chỉnh lộ trình phù hợp với diễn biến thị trường và công nghệ.

Hành động tiếp theo là các nhà mạng và cơ quan quản lý cần phối hợp xây dựng kế hoạch chi tiết, đầu tư nâng cấp hạ tầng và đào tạo nhân lực để sẵn sàng cho triển khai mạng 5G thương mại tại Việt Nam.