Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghệ viễn thông phát triển nhanh chóng, mạng thông tin di động thế hệ thứ năm (5G) đã trở thành xu hướng tất yếu trên toàn cầu. Theo dự báo của các tổ chức quốc tế, đến năm 2024, thị phần thuê bao 5G sẽ chiếm khoảng 15%, trong khi mạng 4G LTE/LTE-Advanced vẫn giữ vị trí chủ đạo với gần 60%. Tại Việt Nam, mạng 4G đã được triển khai rộng rãi với hơn 48 triệu thuê bao di động băng rộng, trong đó tỷ lệ thâm nhập điện thoại thông minh đạt 72% ở khu vực đô thị và 53% ở nông thôn. Các nhà mạng lớn như Viettel, VNPT và MobiFone đã nhận giấy phép thử nghiệm 5G và bắt đầu triển khai các trạm thu phát 5G tại Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào việc đề xuất các giải pháp kiến trúc mạng 5G phù hợp với điều kiện hạ tầng hiện có của các nhà mạng Việt Nam, nhằm tận dụng tối đa cơ sở hạ tầng 4G LTE/LTE-Advanced, tiết kiệm chi phí đầu tư và vận hành, đồng thời đảm bảo chất lượng dịch vụ. Mục tiêu cụ thể là phân tích các lựa chọn kiến trúc mạng 5G theo tiêu chuẩn 3GPP, đánh giá hiện trạng mạng di động tại Việt Nam và đề xuất lộ trình triển khai phù hợp cho từng nhà mạng. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào giai đoạn 2019-2020, với các địa điểm chính là Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh, nơi các nhà mạng đã bắt đầu thử nghiệm 5G.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ các nhà mạng Việt Nam xây dựng chiến lược phát triển mạng 5G hiệu quả, góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành viễn thông và các lĩnh vực kinh tế - xã hội liên quan, đồng thời nâng cao trải nghiệm người dùng với tốc độ dữ liệu nhanh hơn, độ trễ thấp hơn và khả năng kết nối đa dạng.

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 kiến trúc mạng thông tin di động, tập trung vào các thế hệ mạng từ 2G đến 5G. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Kiến trúc mạng thông tin di động truyền thống: Phân chia mạng thành hai thành phần chính là mạng truy nhập vô tuyến (RAN) và mạng lõi (Core Network - CN). Mạng RAN chịu trách nhiệm thu phát tín hiệu với thiết bị đầu cuối, trong khi mạng lõi quản lý các chức năng điều khiển, xác thực, tính cước và kết nối với các mạng ngoài.

  2. Kiến trúc mạng 5G theo tiêu chuẩn 3GPP: Mạng 5G được thiết kế theo kiến trúc hướng đến dịch vụ (Service-Based Architecture), hỗ trợ kỹ thuật cắt lát mạng (Network Slicing) và phân tách mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu (CUPS). Mạng lõi 5G (5GC) bao gồm các chức năng như quản lý phiên làm việc (SMF), quản lý truy nhập và di động (AMF), điều khiển chính sách (PCF), quản lý dữ liệu thống nhất (UDM), bảo mật (NEF), kho chức năng mạng (NRF), xác thực (AUSF) và chức năng ứng dụng (AF). Mạng truy nhập vô tuyến 5G (NG-RAN) gồm các nút gNB với cấu trúc phân tách thành phần CU (Centralized Unit), DU (Distributed Unit) và RU (Radio Unit).

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: mạng truy nhập vô tuyến (RAN), mạng lõi (CN), kỹ thuật cắt lát mạng (Network Slicing), mặt phẳng điều khiển (Control Plane - CP), mặt phẳng dữ liệu (User Plane - UP), kiến trúc hướng đến dịch vụ (Service-Based Architecture), và các lựa chọn kiến trúc mạng 5G NR (Stand-Alone và Non-Stand-Alone).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích tổng hợp dựa trên các nguồn dữ liệu thứ cấp bao gồm tài liệu tiêu chuẩn quốc tế 3GPP, báo cáo kỹ thuật của các nhà mạng và tổ chức viễn thông, các nghiên cứu và hội thảo trong lĩnh vực mạng 5G, cùng với số liệu thực tế từ các nhà mạng tại Việt Nam.

Cỡ mẫu nghiên cứu tập trung vào ba nhà mạng lớn tại Việt Nam: Viettel, VNPT và MobiFone, với dữ liệu thu thập từ các báo cáo triển khai thử nghiệm 5G, số liệu thuê bao 3G/4G, và các kế hoạch phát triển mạng. Phương pháp chọn mẫu là chọn lọc các nhà mạng có vai trò chủ đạo và có hoạt động thử nghiệm 5G rõ ràng.

Phân tích dữ liệu được thực hiện bằng cách so sánh các lựa chọn kiến trúc mạng 5G theo tiêu chuẩn 3GPP với hiện trạng hạ tầng mạng 4G LTE/LTE-Advanced tại Việt Nam, đánh giá ưu nhược điểm, chi phí đầu tư, khả năng mở rộng và tương thích kỹ thuật. Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2019 đến 2020, tập trung vào giai đoạn thử nghiệm và đề xuất lộ trình triển khai mạng 5G.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng mạng di động tại Việt Nam: Tính đến năm 2019, Việt Nam có khoảng 48 triệu thuê bao di động băng rộng 3G/4G, với tỷ lệ thâm nhập điện thoại thông minh đạt 72% ở đô thị và 53% ở nông thôn. Mạng 4G LTE/LTE-Advanced đã phủ sóng 95% dân số với hơn 36.000 trạm thu phát của Viettel, 15.000 trạm của VNPT và 4.500 trạm của MobiFone. Tốc độ tăng trưởng thuê bao 4G dự kiến sẽ tiếp tục mạnh mẽ trong những năm tới.

  2. Thử nghiệm mạng 5G tại Việt Nam: Viettel đã triển khai thành công 20 trạm thu phát 5G tại Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh, đạt tốc độ kết nối từ 1,5 đến 1,7 Gbps, vượt xa giới hạn lý thuyết của mạng 4G LTE. VNPT và MobiFone cũng đang thiết lập phòng Lab nghiên cứu và thử nghiệm 5G với các đối tác quốc tế như Nokia và Ericsson, dự kiến triển khai thương mại trong năm 2020.

  3. Lựa chọn kiến trúc mạng 5G phù hợp: Các lựa chọn kiến trúc mạng 5G được phân thành hai nhóm chính: kiến trúc riêng rẽ (Stand-Alone - SA) và kiến trúc không riêng rẽ (Non-Stand-Alone - NSA). SA sử dụng một công nghệ mạng truy nhập vô tuyến duy nhất, trong khi NSA kết hợp cả 4G LTE và 5G NR để tăng tốc độ dữ liệu. Lựa chọn NSA được đánh giá cao về khả năng tận dụng hạ tầng 4G hiện có, giảm chi phí đầu tư và rút ngắn thời gian triển khai.

  4. Đề xuất lộ trình triển khai: Đối với các nhà mạng chưa có mạng 4G, nên triển khai mạng 5G NR riêng rẽ (SA) để xây dựng hạ tầng mới đồng bộ. Đối với các nhà mạng đã có mạng 4G LTE/LTE-Advanced, nên áp dụng kiến trúc NSA với mạng lõi 4G EPC kết hợp mạng truy nhập 5G NR, đồng thời nâng cấp dần lên mạng lõi 5G để đảm bảo khả năng mở rộng và hỗ trợ các dịch vụ mới.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của sự khác biệt trong lựa chọn kiến trúc mạng 5G xuất phát từ hiện trạng hạ tầng và chiến lược phát triển của từng nhà mạng. Các nhà mạng lớn như Viettel và VNPT đã có mạng 4G phủ sóng rộng, do đó việc tận dụng hạ tầng này thông qua kiến trúc NSA giúp tiết kiệm chi phí và tăng tốc độ triển khai. Trong khi đó, các nhà mạng mới hoặc có hạ tầng yếu hơn có thể lựa chọn SA để xây dựng mạng 5G đồng bộ, tránh phức tạp trong tích hợp.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, việc áp dụng kiến trúc hướng đến dịch vụ và kỹ thuật cắt lát mạng giúp mạng 5G tại Việt Nam có thể đáp ứng đa dạng yêu cầu dịch vụ từ băng rộng di động tăng cường đến các ứng dụng IoT và truyền thông độ trễ thấp. Việc phân tách mặt phẳng điều khiển và dữ liệu (CUPS) cũng tạo điều kiện thuận lợi cho việc mở rộng mạng và nâng cấp linh hoạt.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện tỷ lệ thuê bao 3G, 4G và dự báo 5G tại Việt Nam từ 2016 đến 2024, cùng bảng so sánh các lựa chọn kiến trúc mạng 5G về ưu nhược điểm, chi phí và khả năng triển khai.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai kiến trúc mạng 5G NSA cho các nhà mạng đã có 4G: Khuyến nghị các nhà mạng như Viettel, VNPT và MobiFone áp dụng kiến trúc NSA, tận dụng mạng lõi 4G EPC kết hợp mạng truy nhập 5G NR để tăng tốc độ dữ liệu và giảm chi phí đầu tư. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm, bắt đầu từ năm 2020.

  2. Xây dựng mạng 5G SA cho nhà mạng mới hoặc chưa có 4G: Đối với các nhà mạng mới hoặc có hạ tầng yếu, nên triển khai mạng 5G NR riêng rẽ (SA) để xây dựng hệ thống đồng bộ, đảm bảo khả năng mở rộng và hỗ trợ các dịch vụ tiên tiến. Lộ trình triển khai trong 3-4 năm, ưu tiên các khu vực đô thị lớn.

  3. Nâng cấp hạ tầng mạng lõi theo kiến trúc hướng đến dịch vụ: Các nhà mạng cần đầu tư nâng cấp mạng lõi theo kiến trúc 5G Core (5GC) để hỗ trợ kỹ thuật cắt lát mạng và phân tách mặt phẳng điều khiển - dữ liệu, giúp tối ưu hóa tài nguyên và nâng cao chất lượng dịch vụ. Thời gian thực hiện từ 2021 đến 2023.

  4. Tăng cường hợp tác với các đối tác công nghệ quốc tế: Khuyến khích các nhà mạng hợp tác với các nhà cung cấp thiết bị và công nghệ như Ericsson, Nokia để nghiên cứu, thử nghiệm và triển khai các giải pháp mạng 5G phù hợp với điều kiện Việt Nam. Đầu tư xây dựng phòng Lab nghiên cứu và đào tạo nguồn nhân lực trong 3 năm tới.

  5. Phát triển các dịch vụ ứng dụng trên nền tảng 5G: Đẩy mạnh phát triển các ứng dụng như y tế từ xa, giao thông thông minh, thực tế ảo (VR/AR), IoT công nghiệp nhằm khai thác tối đa tiềm năng của mạng 5G, tạo ra giá trị gia tăng cho người dùng và doanh nghiệp. Thời gian triển khai song song với việc xây dựng hạ tầng mạng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà mạng viễn thông tại Việt Nam: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn để lựa chọn kiến trúc mạng 5G phù hợp, giúp tối ưu hóa chi phí đầu tư và vận hành, đồng thời nâng cao chất lượng dịch vụ.

  2. Các nhà hoạch định chính sách và quản lý nhà nước: Tài liệu giúp hiểu rõ về xu hướng phát triển mạng 5G, nhu cầu ứng dụng và các giải pháp kỹ thuật, từ đó xây dựng chính sách phát triển viễn thông phù hợp, thúc đẩy chuyển đổi số quốc gia.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành viễn thông, công nghệ thông tin: Luận văn cung cấp kiến thức nền tảng về kiến trúc mạng di động các thế hệ, đặc biệt là mạng 5G theo tiêu chuẩn 3GPP, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển công nghệ mới.

  4. Các doanh nghiệp công nghệ và nhà cung cấp thiết bị viễn thông: Tài liệu giúp hiểu rõ yêu cầu kỹ thuật và lộ trình triển khai mạng 5G tại Việt Nam, từ đó phát triển sản phẩm và 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 đỉnh tối thiểu 20 Gbps, gấp 20 lần 4G, độ trễ chỉ 1 ms, bằng 1/10 so với 4G, và hiệu quả sử dụng phổ tần gấp 3 lần. Điều này giúp hỗ trợ các dịch vụ băng rộng tăng cường, IoT mật độ cao và truyền thông độ trễ thấp.

  2. Tại sao cần lựa chọn kiến trúc mạng 5G phù hợp với hạ tầng hiện có?
    Việc tận dụng hạ tầng 4G LTE/LTE-Advanced giúp giảm chi phí đầu tư, rút ngắn thời gian triển khai và đảm bảo tính tương thích kỹ thuật, đồng thời nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng.

  3. Kiến trúc NSA và SA khác nhau như thế nào?
    NSA (Non-Stand-Alone) kết hợp mạng 4G và 5G để truyền dữ liệu, giúp tăng tốc độ và tận dụng hạ tầng hiện có. SA (Stand-Alone) xây dựng mạng 5G độc lập, phù hợp với nhà mạng mới hoặc chưa có 4G.

  4. Lộ trình triển khai mạng 5G tại Việt Nam như thế nào?
    Các nhà mạng lớn triển khai NSA trước, đồng thời nâng cấp mạng lõi lên 5GC trong giai đoạn 2020-2023. Nhà mạng mới có thể triển khai SA trong 3-4 năm tới, tập trung tại các đô thị lớn.

  5. 5G sẽ mang lại lợi ích gì cho người dùng và doanh nghiệp?
    5G giúp tăng tốc độ truy cập internet, giảm độ trễ, hỗ trợ các ứng dụng như y tế từ xa, xe tự lái, thực tế ảo, IoT công nghiệp, từ đó nâng cao trải nghiệm người dùng và tạo ra cơ hội kinh doanh mới.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích chi tiết kiến trúc mạng 5G theo tiêu chuẩn 3GPP và các lựa chọn triển khai phù hợp với điều kiện hạ tầng mạng di động tại Việt Nam.
  • Đã đánh giá hiện trạng mạng 3G/4G và thử nghiệm 5G của các nhà mạng lớn, làm cơ sở đề xuất lộ trình triển khai mạng 5G hiệu quả.
  • Đề xuất kiến trúc NSA cho nhà mạng đã có 4G và kiến trúc SA cho nhà mạng mới, đồng thời khuyến nghị nâng cấp mạng lõi theo kiến trúc hướng đến dịch vụ.
  • Nhấn mạnh vai trò hợp tác quốc tế và phát triển ứng dụng trên nền tảng 5G để khai thác tối đa tiềm năng công nghệ.
  • Khuyến khích các nhà mạng và cơ quan quản lý sớm triển khai các giải pháp đề xuất nhằm thúc đẩy phát triển mạng 5G tại Việt Nam, góp phần vào sự phát triển kinh tế - xã hội và chuyển đổi số quốc gia.

Hành động tiếp theo là triển khai các dự án thử nghiệm mở rộng, đào tạo nguồn nhân lực và xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển mạng 5G trong giai đoạn 2021-2025. Các nhà mạng và tổ chức nghiên cứu được khuyến khích tham khảo và áp dụng các giải pháp trong luận văn để đạt hiệu quả cao nhất.