Tổng quan nghiên cứu

Mạng di động 5G được xem là bước tiến đột phá trong lĩnh vực viễn thông với tốc độ truyền dữ liệu lên tới 10 Gb/s, độ trễ chỉ còn khoảng 1ms và khả năng hỗ trợ mật độ thiết bị kết nối lên đến 1 triệu thiết bị trên mỗi km². Theo ước tính, 40% dân số thế giới sẽ sử dụng mạng 5G vào năm 2025, tạo ra nhu cầu cấp thiết về hạ tầng truyền tải mạng truy nhập 5G. Tại Việt Nam, đặc biệt là tại VNPT Hải Dương, việc triển khai mạng 5G đang được đẩy mạnh nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế xã hội và nâng cao chất lượng dịch vụ viễn thông. Tuy nhiên, việc xây dựng giải pháp truyền tải cho mạng truy nhập 5G còn nhiều thách thức do đặc điểm sóng milimet có tầm phủ sóng ngắn, yêu cầu nhiều trạm phát sóng nhỏ (small cell) và sự phức tạp trong kiến trúc mạng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích, đánh giá thực trạng mạng di động tại VNPT Hải Dương, từ đó đề xuất các giải pháp truyền tải tối ưu cho mạng truy nhập vô tuyến 5G, đảm bảo hiệu năng cao, độ trễ thấp và khả năng mở rộng linh hoạt. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào kiến trúc mạng truy nhập 5G, các giao thức truyền tải và ứng dụng thực tiễn tại VNPT Hải Dương trong giai đoạn 2020-2021. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ triển khai mạng 5G hiệu quả, góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ và thúc đẩy phát triển kinh tế số tại địa phương.

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 về mạng viễn thông thế hệ mới, tập trung vào:

  • Kiến trúc mạng 5G (5G NR và 5G RAN): Bao gồm kiến trúc mạng độc lập (Standalone - SA) và không độc lập (Non-Standalone - NSA), phân tách mặt phẳng điều khiển (Control Plane - CP) và mặt phẳng người dùng (User Plane - UP), cũng như phân chia các đơn vị tập trung (CU) và phân tán (DU).
  • Các công nghệ truyền tải chính: Công nghệ Massive MIMO, beamforming, small cell, và các giao thức truyền tải như SDAP, PDCP, RLC, MAC được tối ưu hóa cho mạng 5G.
  • Mô hình đa kết nối (Multi-Connectivity): Tích hợp 5G với LTE và Wi-Fi nhằm tăng cường hiệu suất và độ tin cậy mạng.
  • Mạng định nghĩa bằng phần mềm (SDN) và ảo hóa chức năng mạng (NFV): Hỗ trợ cấu hình linh hoạt và quản lý tài nguyên mạng hiệu quả.

Các khái niệm chính bao gồm: kiến trúc ngăn xếp giao thức 5G, các chức năng mạng logic (NF) dành riêng và bao trùm, các tùy chọn phân tách chức năng RAN theo chiều ngang và chiều dọc, cũng như các chỉ số hiệu năng chính như tốc độ dữ liệu, độ trễ và mật độ kết nối.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích tổng hợp dựa trên:

  • Nguồn dữ liệu: Tài liệu kỹ thuật chuẩn 3GPP, báo cáo ngành viễn thông, số liệu thực tế từ VNPT Hải Dương về hạ tầng mạng di động 2G, 3G, 4G và kế hoạch triển khai 5G.
  • Phương pháp phân tích: Phân tích kiến trúc mạng, đánh giá các giao thức truyền tải, so sánh các giải pháp công nghệ truyền dẫn phù hợp với đặc điểm sóng milimet và yêu cầu kỹ thuật của mạng 5G.
  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Tập trung vào hệ thống mạng và hạ tầng của VNPT Hải Dương, bao gồm các trạm gốc, thiết bị truyền dẫn và các kịch bản triển khai mạng 5G thực tế.
  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện trong năm 2021, với các giai đoạn khảo sát thực trạng, phân tích lý thuyết, đề xuất giải pháp và đánh giá ứng dụng tại VNPT Hải Dương.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn nhằm đảm bảo tính khả thi và hiệu quả của các giải pháp truyền tải cho mạng truy nhập 5G.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thực trạng mạng di động tại VNPT Hải Dương: Hệ thống hiện tại cung cấp dịch vụ 2G, 3G, 4G với hạ tầng truyền dẫn chủ yếu dựa trên công nghệ quang và vô tuyến truyền thống. VNPT Hải Dương đang trong quá trình xây dựng hạ tầng chuẩn bị cho triển khai mạng 5G, với yêu cầu nâng cấp hệ thống truyền dẫn để đáp ứng tốc độ dữ liệu đỉnh lên tới 10 Gb/s và độ trễ dưới 1ms.

  2. Kiến trúc mạng truyền dẫn 5G: Mạng truyền dẫn 5G bao gồm mặt phẳng người dùng (User Plane) và mặt phẳng điều khiển (Control Plane), được phân tách rõ ràng để tối ưu hóa hiệu năng. Các giao thức truyền tải như SDAP, PDCP, RLC và MAC được thiết kế lại nhằm giảm độ trễ và tăng hiệu quả xử lý, hỗ trợ đa kết nối và các dịch vụ đa dạng như eMBB, URLLC và mMTC.

  3. Giải pháp công nghệ truyền tải: Sử dụng kết hợp công nghệ truyền tải quang và vô tuyến, trong đó truyền tải quang đảm bảo băng thông lớn và độ trễ thấp cho các kết nối backhaul và fronthaul, còn truyền tải vô tuyến hỗ trợ linh hoạt cho các trạm nhỏ (small cell). Công nghệ beamforming và Massive MIMO giúp tăng cường chất lượng tín hiệu và giảm nhiễu, đặc biệt trong môi trường đô thị phức tạp.

  4. Ứng dụng tại VNPT Hải Dương: Đề xuất triển khai kiến trúc mạng truyền dẫn phân tán với các đơn vị tập trung (CU) và phân tán (DU) phù hợp với đặc điểm địa lý và hạ tầng hiện có. Sử dụng đa kết nối 5G/(e)LTE và tích hợp 5G/Wi-Fi để tăng cường độ phủ sóng và khả năng chịu tải. Các giải pháp này giúp giảm thiểu tắc nghẽn mạng, nâng cao chất lượng dịch vụ và đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của mạng 5G.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên xuất phát từ đặc điểm sóng milimet có tầm phủ sóng ngắn và dễ bị suy hao, đòi hỏi phải bố trí nhiều trạm nhỏ và sử dụng công nghệ truyền dẫn quang để đảm bảo kết nối ổn định. So với các nghiên cứu trước đây, luận văn đã làm rõ hơn về việc phân tách mặt phẳng điều khiển và người dùng trong kiến trúc mạng 5G, cũng như tối ưu hóa ngăn xếp giao thức để giảm độ trễ và tăng hiệu quả xử lý.

Việc áp dụng đa kết nối và tích hợp Wi-Fi giúp tăng cường khả năng chịu lỗi và mở rộng vùng phủ sóng, phù hợp với xu hướng phát triển mạng không đồng nhất hiện nay. Các biểu đồ so sánh tốc độ truyền dữ liệu và độ trễ giữa 4G và 5G, cũng như sơ đồ kiến trúc mạng truyền dẫn phân tán, sẽ minh họa rõ nét hiệu quả của các giải pháp đề xuất.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao, góp phần hỗ trợ VNPT Hải Dương trong việc triển khai mạng 5G hiệu quả, đồng thời cung cấp cơ sở lý thuyết và kỹ thuật cho các nhà khai thác mạng khác trong nước.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai kiến trúc mạng truyền dẫn phân tán: Đề nghị VNPT Hải Dương áp dụng mô hình phân tách CU và DU để tối ưu hóa xử lý tín hiệu và giảm độ trễ, đồng thời linh hoạt trong việc mở rộng mạng lưới. Thời gian thực hiện trong vòng 12 tháng, do bộ phận kỹ thuật mạng đảm nhiệm.

  2. Tăng cường sử dụng công nghệ truyền dẫn quang: Ưu tiên đầu tư hạ tầng cáp quang cho các kết nối backhaul và fronthaul nhằm đảm bảo băng thông lớn và độ trễ thấp, đặc biệt tại các khu vực đô thị và trung tâm kinh tế. Kế hoạch triển khai trong 18 tháng, phối hợp với nhà cung cấp dịch vụ hạ tầng quang.

  3. Áp dụng đa kết nối 5G/(e)LTE và tích hợp 5G/Wi-Fi: Tận dụng khả năng đa kết nối để nâng cao độ tin cậy và hiệu suất mạng, đồng thời tích hợp Wi-Fi để giảm tải cho mạng di động. Thời gian thực hiện 6-9 tháng, phối hợp giữa các phòng ban kỹ thuật và phát triển dịch vụ.

  4. Tối ưu hóa ngăn xếp giao thức và quản lý tài nguyên mạng: Nâng cấp phần mềm điều khiển mạng để hỗ trợ các giao thức SDAP, PDCP, RLC, MAC được tối ưu cho 5G, đồng thời áp dụng các giải pháp SDN và NFV để quản lý tài nguyên linh hoạt và hiệu quả. Thời gian triển khai 12 tháng, do phòng nghiên cứu và phát triển đảm nhận.

Các giải pháp trên cần được thực hiện đồng bộ và có kế hoạch đánh giá hiệu quả định kỳ để điều chỉnh phù hợp với thực tế vận hành mạng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà khai thác mạng viễn thông: Nhóm này sẽ nhận được kiến thức chuyên sâu về kiến trúc và giải pháp truyền tải mạng 5G, giúp họ tối ưu hóa hạ tầng và nâng cao chất lượng dịch vụ.

  2. Các kỹ sư và chuyên gia kỹ thuật viễn thông: Luận văn cung cấp các phân tích kỹ thuật chi tiết về giao thức truyền tải và công nghệ mạng 5G, hỗ trợ công tác thiết kế, triển khai và vận hành mạng.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành viễn thông: Tài liệu là nguồn tham khảo quý giá cho việc nghiên cứu chuyên sâu về mạng 5G, các công nghệ mới và ứng dụng thực tiễn tại Việt Nam.

  4. Các nhà hoạch định chính sách và quản lý viễn thông: Giúp hiểu rõ các yêu cầu kỹ thuật và thách thức trong triển khai mạng 5G, từ đó xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển hạ tầng viễn thông hiện đại.

Mỗi nhóm đối tượng có thể áp dụng các kiến thức và giải pháp trong luận văn để nâng cao hiệu quả công việc và thúc đẩy sự phát triển của ngành viễn thông.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mạng 5G khác gì so với 4G về mặt truyền tải?
    Mạng 5G có tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn 4G từ 40 đến 100 lần, độ trễ giảm xuống còn khoảng 1ms so với 20ms của 4G, và hỗ trợ mật độ thiết bị kết nối cao hơn gấp 100 lần. Công nghệ truyền tải cũng được cải tiến với Massive MIMO, beamforming và small cell giúp tăng hiệu quả sử dụng phổ tần.

  2. Tại sao cần phân tách mặt phẳng điều khiển và người dùng trong mạng 5G?
    Phân tách này giúp tối ưu hóa vị trí và xử lý riêng biệt cho các chức năng điều khiển và truyền dữ liệu, giảm chi phí nâng cấp, tăng tính linh hoạt và hiệu quả quản lý mạng, đồng thời hỗ trợ các dịch vụ đa dạng với yêu cầu khác nhau về độ trễ và băng thông.

  3. Giải pháp truyền tải nào phù hợp cho mạng truy nhập 5G tại VNPT Hải Dương?
    Kết hợp truyền tải quang cho backhaul và fronthaul với truyền tải vô tuyến cho small cell, áp dụng kiến trúc phân tán CU/DU, đa kết nối 5G/(e)LTE và tích hợp Wi-Fi là giải pháp tối ưu để đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và thực tiễn tại địa phương.

  4. Đa kết nối 5G/(e)LTE và 5G/Wi-Fi có lợi ích gì?
    Đa kết nối giúp tăng độ tin cậy, giảm tắc nghẽn mạng và nâng cao hiệu suất truyền tải bằng cách sử dụng đồng thời nhiều kênh vô tuyến. Tích hợp Wi-Fi giúp giảm tải cho mạng di động, mở rộng vùng phủ sóng và cải thiện trải nghiệm người dùng.

  5. Các thách thức chính khi triển khai mạng 5G là gì?
    Bao gồm tầm phủ sóng ngắn của sóng milimet, yêu cầu nhiều trạm phát sóng nhỏ, chi phí đầu tư hạ tầng cao, phức tạp trong quản lý tài nguyên mạng và đảm bảo chất lượng dịch vụ đa dạng với độ trễ thấp và băng thông lớn.

Kết luận

  • Mạng 5G mang lại tốc độ truyền dữ liệu cực cao, độ trễ thấp và khả năng kết nối mật độ lớn, đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế số và IoT.
  • Kiến trúc mạng 5G với phân tách mặt phẳng điều khiển và người dùng, cùng với mô hình CU/DU phân tán, giúp tối ưu hiệu năng và linh hoạt triển khai.
  • Giải pháp truyền tải kết hợp công nghệ quang và vô tuyến, đa kết nối 5G/(e)LTE và tích hợp Wi-Fi là hướng đi phù hợp cho VNPT Hải Dương.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực tiễn quan trọng cho việc triển khai mạng 5G tại Việt Nam, góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ viễn thông.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thử nghiệm giải pháp truyền tải, đánh giá hiệu quả thực tế và mở rộng quy mô mạng 5G trong thời gian tới.

Đề nghị các nhà khai thác và chuyên gia kỹ thuật tiếp tục nghiên cứu, ứng dụng và phát triển các giải pháp truyền tải mạng 5G để khai thác tối đa tiềm năng công nghệ này.