Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp (Đồ án I) với đề tài "Tìm hiểu về hệ thống thông tin di động 5G" được thực hiện bởi sinh viên Phạm Hữu Thắng (MSSV: 20203578, lớp Điện tử 02-K65), dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Trần Quang Vinh tại Trường Điện - Điện tử, Đại học Bách khoa Hà Nội vào tháng 7 năm 2023.

Về bối cảnh thực tiễn, tác giả chỉ ra rằng sự bùng nổ của các cuộc cách mạng công nghệ số đã thúc đẩy sự phổ biến của hàng loạt thiết bị thông minh gắn liền với công việc và đời sống như điện thoại, đồng hồ, ti vi thông minh. Mặc dù mạng 4G hiện nay đã đáp ứng tốc độ dữ liệu từ hàng chục đến hàng trăm Mbps, nhưng tốc độ tăng trưởng nhanh chóng của phần cứng xử lý và mật độ thiết bị kết nối khiến hạ tầng 4G đối mặt với nguy cơ quá tải trong tương lai gần. Điều này đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc phát triển thế hệ thông tin di động thứ năm (5G) với tốc độ nhanh hơn (ước tính gấp khoảng 100 lần so với 4G), độ trễ thấp, hiệu suất cao và khả năng hỗ trợ hạ tầng mạng lưới vạn vật kết nối Internet (IoT).

Đồ án xác định các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được đánh số theo văn bản bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan lịch sử phát triển của các thế hệ thông tin di động từ 1G đến 4G.
  2. Phân tích các yêu cầu kỹ thuật, thách thức thực tế và cấu trúc kiến trúc nền tảng 3 lớp của hệ thống thông tin di động 5G.
  3. Khảo sát chi tiết 11 nhóm công nghệ cốt lõi hiện thực hóa 5 giá trị lớn của 5G.
  4. Tổng hợp các dịch vụ và ứng dụng tiêu biểu được triển khai trên nền tảng 5G.
  5. Đi sâu phân tích kỹ thuật công nghệ đa truy cập phi trực giao (NOMA) và công nghệ truyền thông kiểu máy (MTC) nhằm nâng cao năng lực ứng dụng IoT trong mạng 5G.
  6. Tổng kết toàn diện các kết quả nghiên cứu.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống thông tin di động thế hệ thứ năm (5G), bao gồm kiến trúc mạng vô tuyến, mạng lõi, các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến và phương thức đa truy cập. Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian và tài liệu tập trung vào các tiêu chuẩn quốc tế (ITU, 3GPP) và các công nghệ thành phần được triển khai trên quy mô mạng viễn thông toàn cầu; phạm vi thời gian đánh giá trải dài từ quá trình chuẩn hóa sơ khởi (IMT-2020, giai đoạn thương mại hóa năm 2020) cho đến thời điểm công bố báo cáo học thuật vào tháng 7 năm 2023. Đồ án thuần túy là công trình khảo cứu lý thuyết và phân tích kỹ thuật, không triển khai thực nghiệm phần cứng hay đo kiểm thực địa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về khung lý thuyết, đề tài dựa trên các chuẩn hóa viễn thông quốc tế và các mô hình mạng di động:

  • Khung tiêu chuẩn hóa của Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU): Đề án IMT-2000 (cho hệ thống 3G) và các khuyến nghị kỹ thuật thuộc dự án IMT-2020 (cho hệ thống 5G).
  • Khung kỹ thuật của Dự án Đối tác Thế hệ thứ 3 (3GPP): Các tiêu chuẩn phân chia song công FDD, TDD, các giao thức mạng All-IP (AIPN), và công nghệ LTE/LTE-Advanced.
  • Các mô hình kiến trúc mạng viễn thông hiện đại: Mạng điều khiển bằng phần mềm (SDN), Ảo hóa chức năng mạng (NFV), Mạng truy cập vô tuyến ảo hóa (Virtualized RAN - vRAN).
  • Lý thuyết truyền thông vô tuyến: Các phương thức đa truy nhập truyền thống (FDMA, TDMA, CDMA, OFDMA) và đa truy nhập phi trực giao (NOMA - miền công suất và miền mã); nguyên lý anten quy mô lớn (Massive MIMO), định hình chùm tia (Beamforming); thuật toán triệt nhiễu liên tiếp (SIC).

Về phương pháp nghiên cứu, tác giả sử dụng phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu học thuật và tiêu chuẩn kỹ thuật viễn thông. Phương pháp so sánh định lượng được áp dụng để đối chiếu các chỉ số hiệu năng kỹ thuật giữa 4G và 5G, cũng như giữa các phương thức đa truy cập trực giao (OMA) và phi trực giao (NOMA). Bên cạnh đó, tác giả sử dụng phương pháp mô hình hóa toán học giải tích để diễn giải nguyên lý phân bổ công suất, truyền nhận tín hiệu đường lên (uplink), đường xuống (downlink) và quá trình trừ nhiễu của máy thu SIC trong hệ thống NOMA.

Nguồn dữ liệu của đồ án được trích xuất từ các tài liệu chuẩn hóa của ITU, 3GPP, các công trình học thuật đăng tải trên tạp chí IEEE (đặc biệt là các chuyên san về Massive MIMO và NOMA từ giai đoạn 2010 - 2015), cùng các báo cáo kỹ thuật ngành viễn thông.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về đề tài tìm hiểu

Chương này khái quát tiến trình phát triển của thông tin di động qua chu kỳ trung bình một thập kỷ cho mỗi thế hệ:

  • Hệ thống thế hệ thứ nhất (1G): Khởi đầu năm 1979 tại Nhật Bản, sử dụng kỹ thuật tương tự, điều chế tần số (FM), đa truy nhập FDMA, băng tần khoảng 150 MHz, chuyển mạch tương tự, dịch vụ đơn thuần là thoại. Nhược điểm chính là nhiễu giao thoa kênh lân cận và mỗi máy di động phải chiếm dụng một đôi kênh liên lạc suốt cuộc gọi. Các hệ thống tiêu biểu gồm NMT (NMT-450 dùng băng tần 450 MHz, NMT-900 dùng băng 900 MHz triển khai tại Bắc Âu năm 1982), TACS (Anh năm 1985, băng 900 MHz) và AMPS (Mỹ năm 1980, băng 800 MHz).
  • Hệ thống thế hệ thứ hai (2G): Phát triển từ đầu những năm 1990, đặc trưng bởi kỹ thuật số, chuyển mạch kênh, đa truy nhập TDMA và CDMA băng hẹp, nâng cao dung lượng và hiệu suất phổ so với 1G. Hệ thống điển hình là GSM triển khai năm 1990 tại Châu Âu, sử dụng TDMA với tốc độ truyền từ 6 đến 13 kb/s.
  • Hệ thống thế hệ thứ ba (3G): Xuất hiện từ năm 2001 tại Nhật Bản dưới đề án chuẩn hóa IMT-2000 của ITU, phục vụ thoại, dữ liệu tốc độ cao và đa phương tiện. Hai tiêu chuẩn chính được chấp thuận là WCDMA và CDMA-2000, đều sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA).
  • Hệ thống thế hệ thứ tư (4G): Thương mại hóa từ năm 2012, cung cấp dịch vụ truyền dữ liệu tốc độ cao vượt bậc so với 3G (tốc độ đạt hàng chục đến hàng trăm Mbps) trên nền tảng công nghệ LTE và OFDMA.

Bảng so sánh các thế hệ thông tin di động từ 1G đến 4G được tổng hợp như sau:

Thế hệ Thời điểm xuất hiện Kỹ thuật truyền dẫn Phương thức đa truy nhập Dịch vụ chính Tốc độ / Băng thông tiêu biểu Hệ thống đại diện
1G Cuối 1970 - 1979 Tương tự (Analog), FM FDMA Thoại Băng tần ~150 MHz NMT-450/900, TACS, AMPS
2G Đầu 1990 Kỹ thuật số (Digital) TDMA, CDMA băng hẹp Thoại, tin nhắn, dữ liệu thấp 6 - 13 kb/s (GSM) GSM, IS-95
3G 2001 (chuẩn IMT-2000) Kỹ thuật số WCDMA, CDMA-2000 Thoại, dữ liệu, đa phương tiện Lên tới vài Mbps WCDMA, CDMA-2000
4G 2012 Kỹ thuật số băng rộng OFDMA, SC-FDMA (LTE) Dữ liệu tốc độ cao, video HD Hàng chục đến hàng trăm Mbps LTE, LTE-Advanced

Chương 2: Kiến trúc nền tảng của hệ thống thông tin di động 5G

Chương 2 phân tích các số liệu thực tế, thách thức và chuẩn kỹ thuật tối thiểu của 5G. Nhằm đáp ứng lưu lượng dữ liệu tăng gấp 1000 lần so với 4G, các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống 5G bao gồm:

Thông số kỹ thuật Yêu cầu tối thiểu theo tiêu chuẩn 5G
Tốc độ dữ liệu đỉnh (Peak data rate) Đường xuống: 20 Gbps; Đường lên: 10 Gbps
Hiệu suất sử dụng phổ tần đỉnh Đường xuống: 30 bit/s/Hz; Đường lên: 15 bit/s/Hz
Tốc độ dữ liệu trải nghiệm người dùng Đường xuống: 100 Mbps; Đường lên: 50 Mbps
Lưu lượng theo vùng 10 Mb/s/m² (đối với Hotspot trong nhà)
Độ trễ giao diện người dùng 4 ms cho eMBB; 1 ms cho URLLC
Độ trễ giao diện điều khiển 20 ms
Mật độ kết nối 1.000.000 thiết bị / km²
Băng thông hoạt động Tối thiểu 100 MHz; hỗ trợ lên đến 1 GHz ở băng tần trên 6 GHz

Từ các chỉ tiêu trên, tác giả phân tích kiến trúc nền tảng 3 lớp của 5G:

  1. Lớp Dịch vụ đổi mới (Innovation Services): Cung cấp trải nghiệm người dùng vượt qua giới hạn không gian và thời gian, hỗ trợ truyền dữ liệu tốc độ Gbps ở mọi nơi, nội dung UHD, 4K, y tế từ xa, thực tế ảo và IoT.
  2. Lớp Nền tảng cho phép (5G Enabling Platform): Khung định hướng phần mềm cung cấp mô hình Network-as-a-Service (NaaS), hệ sinh thái giao diện lập trình ứng dụng (API) cho IoT, kiến trúc mạng All-IP, công nghệ SDN, NFV và Virtualized RAN (vRAN - tập trung và ảo hóa khối xử lý số DU của trạm gốc).
  3. Lớp Cơ sở hạ tầng siêu kết nối (Hyper-connected Infrastructure): Hạ tầng phần cứng hỗ trợ lưu lượng gấp 1000 lần thông qua phân chia cell cực nhỏ, truyền thông D2D, Massive MIMO, mở rộng băng thông dải tần cao (cm/mm wave), Multi-RAT và mạng tự tổ chức SON.

Kiến trúc này hướng tới 5 giá trị cốt lõi: Trải nghiệm người dùng (User experience), Khả năng kết nối (Connectivity), Hiệu quả (Efficiency), Độ thông minh (Intelligence) và Độ tin cậy (Reliability), được hiện thực hóa qua 11 nhóm công nghệ chính.

Chương 3: Các loại công nghệ thực hiện 5G

Chương 3 trình bày chi tiết 11 nhóm công nghệ thực hiện 5G:

  1. Tăng cường công nghệ nhiều anten và Massive MIMO: Sử dụng số lượng lớn anten (hàng trăm đến hàng ngàn anten) nhằm tập trung năng lượng vào vùng không gian hẹp thông qua kỹ thuật Beamforming. Hệ thống hoạt động chủ yếu ở chế độ song công TDD và áp dụng MU-MIMO. Thách thức kỹ thuật gồm: độ phức tạp của thuật toán xử lý tín hiệu thời gian thực, khó khăn trong ước lượng kênh truyền đường xuống gây ra hiện tượng lây nhiễm tín hiệu giám sát (pilot contamination), và yêu cầu thiết kế phần cứng chống tạp âm.
  2. Mạng toàn cầu dựa trên nền tảng đám mây: Triển khai vận hành mạng lõi ảo qua NFV, ảo hóa trạm gốc qua Virtualized RAN (DU ảo hóa xử lý thời gian thực) và điều phối mạng thông qua SDN.
  3. Kiến trúc mạng ngoài: Bao gồm truyền thông trực tiếp giữa các thiết bị D2D (Device to Device) và mạng lấy nội dung làm trung tâm (CCN). D2D hỗ trợ kết nối đa bước (multi-hop), chia sẻ tài nguyên tần số, giảm tải cho trạm gốc và vận hành qua 2 cơ chế: D2D Discovery (khám phá lân cận) và D2D Communication (liên lạc trực tiếp qua giao diện vô tuyến LTE).
  4. Multi-RAT: Tích hợp nhiều công nghệ truy cập vô tuyến khác nhau (Bluetooth, WiFi, 3G, 4G/LTE) trong cùng thiết bị, cho phép lựa chọn linh hoạt điểm truy cập nhằm giải quyết vấn đề dung lượng.
  5. Trải nghiệm người dùng thực tế và xử lý nội dung 5G: Công nghệ nhận diện đối tượng/không gian 2D và 3D thời gian thực (tương tự như mở rộng của Face ID), hiển thị nhập vai trên kính/không gian và tái tạo hình ảnh 3D Hologram 360 độ.
  6. Mạng thông minh và tối ưu hóa dựa trên phân tích: Kết hợp điện toán đám mây, bộ nhớ đệm và công nghệ mạng tự tổ chức SON (Self Organizing Network) để tự động phát hiện bất thường, tối ưu hóa qua phân tích dữ liệu lớn thời gian thực.
  7. Mạng lưới vận tải linh hoạt/nhanh: Sử dụng công nghệ truyền tải gói quang POTN (Packet Optical Transport Network), Transport SDN và kiến trúc mạng IP phẳng hoàn toàn (AIPN - All IP Network) giúp loại bỏ phân cấp mạng, giảm độ trễ và quản lý di động hiệu quả.
  8. Xử lý hiệu quả và truyền tải đa phương tiện: Áp dụng chuẩn MPEG Media Transport (MMT) để giảm thiểu trễ truyền dẫn trên mạng All-IP, cung cấp dịch vụ True UHD (TRHD) thời gian thực và mã hóa hiển thị siêu đa điểm từ nhiều góc nhìn.
  9. Hoạt động nâng cao cho Multi-Cell: Công nghệ Elastic cell (tự động chọn cell tối ưu theo kênh truyền thực tế) và tập hợp các mạng không đồng nhất, triển khai di động trên dải tần không cấp phép (LA-LTE) để tăng tốc độ truyền dữ liệu.
  10. Cell nhỏ, siêu dày đặc: Ứng dụng HetNet SON và kiểm soát điều phối can thiệp động nhằm cải thiện chất lượng tín hiệu tại biên cell trong môi trường tế bào nhỏ có mật độ cực cao.
  11. Băng tần rộng RF, chùm tia 3D và Dạng sóng mới: Khai thác băng tần sóng milimet (mmWave) kết hợp chùm tia 3D đa hướng (SDMA) để cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng tạp âm (SINR); nghiên cứu các dạng sóng mới như FBMC (đa sóng mang lọc băng tần) và NOMA, cùng kỹ thuật truyền thông song công đồng thời dựa trên cơ chế tự hủy giao thoa.

Chương 4: Các dịch vụ và ứng dụng của 5G

Chương 4 phân loại và làm rõ các nhóm ứng dụng thực tiễn của mạng 5G:

  • Dịch vụ IoT (Internet of Things): Được xác định là ứng dụng quan trọng nhất, cung cấp khả năng kết nối khối lượng lớn (Massive IoT) trong các lĩnh vực quản lý, mua sắm, thiết bị thông minh, giám sát bảo trì và điều khiển tự động.
  • Hình 3 chiều và dịch vụ gọi 3D Hologram: Mở rộng từ gọi video độ nét cao sang truyền dẫn hình ảnh 4K-UHD và 8K-UHD, hỗ trợ hiển thị không gian 3D tương tác thời gian thực 5 giác quan.
  • Dịch vụ AR/VR quy mô lớn: Ứng dụng AR dựa trên nhận dạng không gian/vật thể và điện toán đám mây; ứng dụng VR hỗ trợ "dịch vụ triển lãm nhập vai", cho phép tham quan bảo tàng, sự kiện từ xa với trải nghiệm âm thanh và hình ảnh đa chiều.
  • Dịch vụ trễ cực thấp (URLLC):
    • Điều khiển robot từ xa trong các môi trường làm việc độc hại, nguy hiểm.
    • Dịch vụ y tế và phẫu thuật từ xa kết hợp giữa robot điều khiển và hình ảnh ba chiều.
    • Dịch vụ xe kết nối: Tự động lái xe thông qua giao tiếp giữa xe với xe (V2V) và xe với cơ sở hạ tầng (V2I), hỗ trợ cảnh báo tai nạn và điều hướng giao thông thông minh.

Chương 5: Công nghệ đa truy cập phi trực giao NOMA và Công nghệ MTC giúp nâng cao ứng dụng IoT trong 5G

Chương 5 tập trung vào giải pháp kỹ thuật giải quyết bài toán kết nối IoT mật độ cao:

  • So sánh OMA và NOMA: Các hệ thống trước dùng đa truy cập trực giao OMA (TDMA phân chia khe thời gian, FDMA phân chia tần số, CDMA phân chia mã, OFDMA phân chia sóng mang con trực giao). Ngược lại, NOMA cho phép nhiều người dùng sử dụng chung tài nguyên thời gian và tần số, phân biệt nhau qua mức công suất hoặc chuỗi mã.
  • Nguyên lý tách sóng triệt nhiễu liên tiếp (SIC): Tại máy phát, tín hiệu được chồng chập mã hóa. Tại máy thu SIC, tín hiệu mạnh nhất được giải mã đầu tiên trong khi các tín hiệu còn lại được xem là nhiễu; sau đó tín hiệu đã giải mã được trừ đi khỏi tín hiệu tổng nhận được. Quá trình giải mã và trừ nhiễu lặp lại liên tiếp cho đến khi tách được tín hiệu mong muốn.
  • NOMA miền công suất: Cấp phát công suất khác nhau dựa trên chất lượng kênh truyền của người dùng. Trạm gốc (BS) phục vụ $k$ người dùng phát tín hiệu tổng với công suất $P$. Người dùng ở gần trạm gốc (kênh tốt) được cấp công suất thấp hơn, người dùng ở biên cell (kênh xấu) được cấp công suất cao hơn. Cơ chế này tận dụng chênh lệch độ lợi kênh để triệt tiêu hiện tượng gần-xa, tối ưu hiệu quả phổ và đảm bảo thông lượng cho người dùng biên cell. Tác giả trình bày các biểu thức toán học xác định tín hiệu phát, tín hiệu thu $y_i$, và tốc độ truyền dữ liệu ở cả hai hướng downlink và uplink.
  • NOMA miền mã: Phát triển từ nền tảng CDMA, phân biệt người dùng bằng chuỗi trải phổ thưa (LDS) hoặc chuỗi phi trực giao có độ tương quan chéo thấp. Văn bản phân tích hệ thống LDS-CDMA, sau đó mở rộng thành LDS-OFDM, SCMA, MUSA, SAMA. Trong hệ thống LDS-CDMA, ký tự phát được điều chế vào các chuỗi trải phổ thưa, mỗi người dùng chiếm dụng số lượng chip nhỏ, giúp giảm số lượng tín hiệu chồng chập trên mỗi chip và giảm đáng kể nhiễu đa truy cập khi dùng thuật toán tách sóng đa người dùng (MUD).
  • Công nghệ truyền thông kiểu máy (MTC - Machine-Type Communications): Đóng vai trò xử lý dữ liệu và hỗ trợ truy cập dung lượng cao cho IoT. Các yêu cầu then chốt gồm độ trễ siêu thấp và tính khả dụng cao. Kiến trúc mạng MTC phải giải quyết các thách thức về tải lưu lượng báo hiệu và xung đột truy cập ngẫu nhiên khi hàng triệu thiết bị truyền thông đồng thời.

Chương 6: Tổng kết

Chương này tóm lược lại các kết quả khảo sát của đồ án: từ việc hệ thống hóa lịch sử các thế hệ mạng 1G - 4G, phân tích các chỉ tiêu kỹ thuật và kiến trúc 3 lớp của 5G, làm rõ 11 nhóm công nghệ then chốt, đến việc phân tích chuyên sâu hai giải pháp NOMA và MTC trong việc mở rộng khả năng phục vụ của hạ tầng IoT trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Về kết quả kỹ thuật, đồ án đã tổng hợp và trích xuất đầy đủ hệ thống chỉ tiêu kỹ thuật định lượng của mạng 5G theo chuẩn quốc tế:

  • Tốc độ truyền dẫn: Tốc độ đỉnh đường xuống đạt 20 Gbps, đường lên đạt 10 Gbps; tốc độ trải nghiệm thực tế đạt 100 Mbps (đường xuống) và 50 Mbps (đường lên).
  • Hiệu suất phổ tần: Đạt 30 bit/s/Hz đối với đường xuống và 15 bit/s/Hz đối với đường lên.
  • Độ trễ và mật độ: Độ trễ giao diện người dùng đạt 1 ms cho dịch vụ URLLC và 4 ms cho eMBB; độ trễ điều khiển 20 ms; hỗ trợ mật độ kết nối 1.000.000 thiết bị/km² và lưu lượng vùng đạt 10 Mb/s/m² tại các điểm nóng trong nhà.
  • Băng thông: Băng thông tối thiểu 100 MHz và hỗ trợ lên đến 1 GHz ở các dải tần trên 6 GHz.

Về giải pháp và đề xuất kỹ thuật, tác giả chỉ ra các định hướng then chốt:

  • Chuyển dịch toàn diện hạ tầng mạng truyền tải sang mô hình mạng IP phẳng (All-IP/AIPN) kết hợp công nghệ POTN và Transport SDN để triệt tiêu độ trễ phân cấp.
  • Tận dụng ảo hóa phần cứng qua NFV và Virtualized RAN nhằm linh hoạt hóa việc vận hành và giảm chi phí đầu tư trạm gốc.
  • Kết hợp Massive MIMO, Beamforming 3D và mạng tế bào nhỏ siêu dày đặc để giải quyết triệt để bài toán suy hao trên dải tần số cao sóng milimet.
  • Triển khai kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA (cả miền công suất với máy thu SIC và miền mã với chuỗi trải phổ thưa LDS) phối hợp cùng công nghệ MTC nhằm giải quyết nghẽn lưu lượng trong các mạng IoT quy mô lớn.

Đóng góp tự thân của tác giả trong đồ án là việc hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết viễn thông thế hệ mới, phân tích mối quan hệ logic giữa 3 lớp kiến trúc nền tảng và 11 nhóm công nghệ thành phần, đồng thời thiết lập mô hình toán học giải thích nguyên lý hoạt động của NOMA và máy thu triệt nhiễu SIC.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Về hạn chế, theo nội dung văn bản thể hiện:

  • Đồ án dừng lại ở cấp độ nghiên cứu tổng quan lý thuyết, khảo sát tài liệu và mô hình hóa giải tích; chưa tiến hành mô phỏng số chi tiết (chưa có kết quả chạy code mô phỏng trên các phần mềm chuyên ngành như MATLAB hoặc NS-3).
  • Chưa có dữ liệu thực nghiệm đo kiểm hiệu năng trên môi trường phần cứng thật hoặc trên các trạm phát sóng 5G thương mại.
  • Các phân tích về thuật toán tách sóng SIC trong NOMA mới dừng ở mô hình lý thuyết lý tưởng, chưa đánh giá định lượng sai số giải mã khi kênh truyền có nhiễu phức tạp hoặc hiện tượng lệch đồng bộ.

Về hướng nghiên cứu tiếp được đề cập và suy biến từ phạm vi đề tài:

  • Nghiên cứu sâu các thuật toán ước lượng kênh truyền nhằm khắc phục hiện tượng lây nhiễm tín hiệu giám sát (pilot contamination) trong hệ thống Massive MIMO đa người dùng.
  • Xây dựng chương trình mô phỏng đánh giá hiệu năng dung lượng và tỷ lệ lỗi bit (BER) của các biến thể NOMA miền mã (SCMA, MUSA, SAMA) trong môi trường fading đa đường.
  • Khảo sát các giải pháp tối ưu hóa định tuyến và quản lý tài nguyên vô tuyến trong kiến trúc mạng MTC thực tế phục vụ các đô thị thông minh.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo phù hợp cho:

  • Sinh viên và học viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Công nghệ Thông tin, Kỹ thuật Mạng khi thực hiện đồ án môn học, Đồ án tốt nghiệp hoặc nghiên cứu các học phần liên quan đến Thông tin di động, Mạng truyền thông không dây.
  • Kỹ sư viễn thông cần tài liệu tổng hợp hệ thống hóa về các chuẩn giao tiếp vô tuyến 5G, nguyên lý ảo hóa mạng (NFV, SDN, vRAN) và các kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến.

Phần nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn cao nhất trong đồ án bao gồm:

  • Bảng chỉ tiêu kỹ thuật tối thiểu và mô hình phân tầng kiến trúc 3 lớp tại Chương 2.
  • Cơ chế phân loại 11 công nghệ cấu thành 5 giá trị cốt lõi tại Chương 3.
  • Cơ sở toán học của kỹ thuật đa truy cập NOMA miền công suất, quy trình giải mã của máy thu SIC và cấu trúc chuỗi trải phổ thưa LDS-CDMA tại Chương 5.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống 5G đặt ra các yêu cầu kỹ thuật tối thiểu nào về độ trễ, tốc độ và mật độ kết nối?

Theo số liệu chuẩn hóa được tác giả trình bày tại Chương 2, hệ thống 5G yêu cầu tốc độ dữ liệu đỉnh đường xuống là 20 Gbps và đường lên là 10 Gbps; tốc độ trải nghiệm người dùng đường xuống là 100 Mbps và đường lên là 50 Mbps. Độ trễ giao diện người dùng phải đạt mức tối thiểu 1 ms đối với dịch vụ truyền thông độ trễ cực thấp (URLLC) và 4 ms đối với dịch vụ băng rộng di động nâng cao (eMBB); độ trễ giao diện điều khiển là 20 ms. Mật độ kết nối yêu cầu đạt 1 triệu thiết bị trên mỗi kilômét vuông ($10^6 \text{ thiết bị/km}^2$).

2. Kiến trúc nền tảng của hệ thống 5G gồm các thành phần nào?

Kiến trúc nền tảng 5G trong đồ án được cấu thành từ 3 lớp chính:

  • Lớp Dịch vụ đổi mới (Innovation Services): Cung cấp các dịch vụ trải nghiệm tốc độ Gbps, nội dung UHD, 4K, y tế từ xa, thực tế ảo và IoT.
  • Lớp Nền tảng cho phép (5G Enabling Platform): Khung phần mềm hỗ trợ mô hình Network-as-a-Service (NaaS), hệ sinh thái API, nền tảng All-IP, SDN, NFV và Virtualized RAN.
  • Lớp Cơ sở hạ tầng siêu kết nối (Hyper-connected Infrastructure): Phần cứng hỗ trợ lưu lượng dữ liệu gấp 1000 lần thông qua phân chia cell cực nhỏ, Massive MIMO, tần số cao mmWave và Multi-RAT.

3. Nguyên lý tách tín hiệu của bộ thu triệt nhiễu liên tiếp (SIC) trong NOMA miền công suất hoạt động như thế nào?

Trong NOMA miền công suất, các tín hiệu từ nhiều người dùng được gộp chung trên cùng tần số và thời gian với các mức công suất khác nhau. Tại máy thu SIC, tín hiệu có công suất thu mạnh nhất sẽ được giải mã đầu tiên, trong khi toàn bộ tín hiệu còn lại tạm thời được coi là nhiễu. Sau khi giải mã thành công, dạng sóng của tín hiệu này sẽ được tái tạo và trừ trực tiếp khỏi tín hiệu tổng nhận được. Quá trình giải mã và trừ nhiễu tiếp tục lặp lại tuần tự cho đến khi bộ thu tách được tín hiệu mong muốn của chính người dùng đó mà không còn bị ảnh hưởng bởi tín hiệu công suất lớn hơn.

4. Công nghệ Massive MIMO mang lại ưu điểm gì và gặp phải những thách thức kỹ thuật nào?

Ưu điểm của Massive MIMO là tăng mạnh dung lượng truyền dữ liệu ở cả hai đường uplink và downlink, giảm độ trễ và hạn chế tác động của hiện tượng fading nhờ kỹ thuật Beamforming và tiền mã hóa, đồng thời tiết kiệm năng lượng phát trên mỗi anten (sử dụng công suất cỡ miliWatt thay vì hàng chục Watt). Tuy nhiên, công nghệ này gặp phải 3 thách thức lớn: độ phức tạp tính toán rất cao của các thuật toán xử lý tín hiệu băng cơ sở trong thời gian thực; khó khăn trong việc ước lượng kênh truyền đường xuống dẫn đến hiện tượng lây nhiễm tín hiệu giám sát (pilot contamination); và yêu cầu thiết kế phần cứng cho hàng trăm/hàng ngàn anten đơn lẻ nhằm hạn chế tạp âm.

5. Sự khác biệt cơ bản giữa NOMA miền công suất và NOMA miền mã là gì?

Trong NOMA miền công suất, các người dùng sử dụng chung tài nguyên thời gian, tần số và chuỗi mã, nhưng được phân bổ các mức công suất phát khác nhau căn cứ vào độ lợi kênh truyền (người dùng ở gần trạm phát có kênh tốt nhận công suất nhỏ, người dùng biên cell có kênh xấu nhận công suất lớn) và sử dụng máy thu SIC để tách tín hiệu. Trong khi đó, NOMA miền mã phân tách người dùng bằng các chuỗi trải phổ thưa (LDS) hoặc chuỗi phi trực giao có độ tương quan chéo thấp (như trong LDS-CDMA, SCMA); số lượng chip phát thưa giúp giảm số tín hiệu bị chồng chập trên mỗi chip và giảm đáng kể lượng nhiễu đa truy cập.

Kết luận

Đồ án "Tìm hiểu về hệ thống thông tin di động 5G" của sinh viên Phạm Hữu Thắng là một công trình học thuật tổng quan, phản ánh chi tiết lộ trình tiến hóa của các thế hệ thông tin di động từ 1G đến 5G. Báo cáo đã làm rõ các chỉ tiêu kỹ thuật định lượng khắt khe của 5G, cấu trúc phân tầng 3 lớp và 11 nhóm công nghệ viễn thông then chốt tạo nên 5 giá trị cốt lõi của mạng thế hệ mới. Trọng tâm học thuật nổi bật của đề tài nằm ở việc phân tích sâu cơ chế hoạt động của kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA và công nghệ truyền thông kiểu máy MTC, cung cấp cơ sở lý thuyết đầy đủ cho việc giải quyết thách thức kết nối quy mô lớn trong kỷ nguyên Internet vạn vật.