CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG 5G 1. Giới thiệu chung về mạng di động 5G Cho đến nay, các mạng di động đã trải qua 4 thế hệ với nhiều thay đổi trong công nghệ và tính năng.1 thể hiện các thế hệ mạng di động cùng một số đặc điểm chính của chúng. Vào đầu những năm 1980 mạng thông tin di động không dây cơ bản đầu tiên trên thế giới xuất hiện và được gọi là mạng thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G), đây là hệ thống giao tiếp thông tin qua kết nối tín hiệu analog. Hệ thống này sử dụng các ăng -ten thu phát sóng gắn ngoài, kết nối theo tín hiệu analog tới các trạm thu phát sóng và nhận tín hiệu xử lý thoại thông qua các module gắn trong máy di động.
Chính vì thế mà các thế hệ máy di động đầu tiên trên thế giới có kích thước khá to và cồng kềnh do tích hợp cùng lúc 2 module thu tín hiệu và phát tín hiệu.1: Mạng di động qua các thế hệ Mạng di động không dây thế hệ thứ 2 (2G) được xuất hiện vào năm 1991, là thế hệ kết nối thông tin di động mang tính cải cách cũng như khác hoàn toàn so với thế hệ đầu tiên. Công nghệ này sử dụng các tín hiệu kỹ thuật số thay cho tín hiệu analog của thế hệ 1G. Mạng 2G mang tới cho người sử dụng di động 3 lợi ích tiến bộ trong suốt một thời gian dài: mã hoá dữ liệu theo dạng kỹ thuật số, phạm vi kết nối rộng hơn 1G và đặc biệt là sự xuất hiện của tin nhắn dạng văn bản đơn giản – SMS. Theo đó, các tín hiệu thoại khi được 4 thu nhận sẽ đuợc mã hoá thành tín hiệu kỹ thuật số dưới nhiều dạng mã hiệu, cho phép nhiều gói mã thoại được lưu chuyển trên cùng một băng thông, tiết kiệm thời gian và chi phí.
Song song đó, tín hiệu kỹ thuật số truyền nhận trong thế hệ 2G tạo ra nguồn năng lượng sóng nhẹ hơn và sử dụng các chip thu phát nhỏ hơn, tiết kiệm diện tích bên trong thiết bị hơn… Kế tiếp mạng di động 2G thế giới đã đột phá bằng mạng thông tin di động 3G vào khoảng những năm đầu của thế kỷ XXI. Đây là thế hệ truyền thông di động thứ ba, tiên tiến hơn hẳn các thế hệ trước đó. Hệ thống này cho phép người dùng di động truyền tải cả dữ liệu thoại và dữ liệu phi thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh, âm thanh, video clips. Giá tần số cho công nghệ 3G rất đắt tại nhiều nước, nơi mà các cuộc bán đầu giá tần số mang lại hàng tỷ Euro cho các chính phủ.
Bởi vì chi phí cho bản quyền về các tần số phải trang trải trong nhiều năm trước khi các thu nhập từ mạng 3G đem lại, nên một khối lượng vốn đầu tư khổng lồ là cần thiết để xây dựng mạng 3G. Đầu năm 2017 cả ba nhà mạng lớn tại Việt Nam đã khai thác thành công mạng di động thế hệ thứ 4. Đây chính là mạng thông tin di động 4G. Công nghệ này cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1 - 1,5 Gbit/s.
Cách đây không lâu thì một nhóm gồm 26 công ty trong đó có Vodafone (Anh), Siemens (Đức), Alcatel (Pháp), NEC và DoCoMo (Nhật Bản), đã ký thỏa thuận cùng nhau phát triển một tiêu chí cao cấp cho điện thoại di động, một thế hệ thứ 4 trong kết nối di động – đó chính là nền tảng cho kết nối 4G. Công nghệ 4G được hiểu là chuẩn tương lai của các thiết bị không dây. Các nghiên cứu đầu tiên của NTT DoCoMo cho biết, điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100 Mbps khi di chuyển và tới 1 Gbps khi đứng yên, cũng như cho phép người sử dụng có thể tải và truyền lên các hình ảnh, video clips chất lượng cao.2 dưới đây dự đoán nhu cầu gia tăng dung lượng người dùng trên toàn cầu đến năm 2022, qua hình dưới đây ta thấy dung lượng người dùng ngày càng tăng nhanh và đến năm 2022 sẽ đạt mức gần 77 Exabytes/tháng.2: Lưu lượng di động toàn cầu Theo thống kê mới nhất từ GSA[17] tính đến tháng 02/2019, có 201 nhà mạng thuộc 83 quốc gia trên thế giới đã và đang tiến hành đầu tư vào công nghệ 5G (bao gồm thử nghiệm, kiểm thử, chứng minh công nghệ, cấp phép băng tần cho 5G hoặc triển khai dịch vụ 5G. Trong số đó, các nhà mạng đã công bố tiến hành 562 thử nghiệm, kiểm thử, chứng minh công nghệ 5G.
Các tiêu chuẩn 3GPP cho mạng 5G NR có khả năng hoạt động cùng với các mạng LTE hiện có, sử dụng chế độ không độc lập (NSA) cho trường hợp nâng cao di động băng thông rộng (eMBB), đã được thống nhất vào tháng 12/2017. Các tiêu chuẩn 3GPP Release 15 cho mạng 5G NR sử dụng chế độ độc lập (SA) dành cho trường hợp eMBB đã được hoàn thành vào tháng 6/2018. Phát triển tiêu chuẩn 5G trong bản Release 16 của 3GPP hoàn thành vào tháng 12/2019 với các tiêu chuẩn hoàn thiện cho cả chế độ NSA và SA. Vì thế, việc chính thức triển khai thương mại hóa mạng 5G của hầu hết các nhà mạng trên thế giới đều sẽ diễn ra vào năm 2021 sau khi đã hoàn thiện các tiêu chuẩn cần thiết cho công nghệ 5G.
Các công nghệ nổi bật sử dụng trong mạng 5G đó là sử dụng công nghệ bước sóng milimet NR (mmWave New Radio) cho phép thiết bị hoạt động ở băng tần rất cao (vài chục GHz), và công nghệ phân lớp mạng NS (Network Slicing) giúp cung cấp riêng từng dịch vụ cụ thể cho từng phân khúc khách hàng khác nhau. Ba yếu tổ nổi bật đặc trưng cho mạng 5G so với mạng thế hệ trước đó là tốc độ cao, độ trễ thấp và mật độ kết nối thiết bị cực kỳ lớn. Công nghệ massive MIMO kết hợp với điều khiển búp sóng 6 (Beamforming), ghép sóng mang (Carrier Aggregation) cho phép tăng dung lượng mạng và tốc độ dữ liệu. Tiếp theo đó, sự phát triển về backhaul, công nghệ truyền dẫn mới kết hợp với thực hiện các xử lý tính toán phân tán (cloud-computing và edge-computing) cho phép giảm độ trễ E2E, tăng độ tin cậy của thiết bị.
Khả năng hỗ trợ mật độ kết nối dày đặc của 5G giúp phát triển các ứng dụng IoT, đặc biệt là IoT mạng tế bào (Cellular IoT) như NB-IoT, LTE-M. Cấu trúc mạng 5G Mạng 5G cần đáp ứng được những đòi hỏi của một xã hội di động và hoàn toàn kết nối. Sự gia tăng của các đối tượng và thiết bị kết nối sẽ mở đường cho một loạt các dịch vụ mới và các mô hình kinh doanh liên quan cho phép tự động hóa trong các ngành công nghiệp khác nhau và các thị trường dọc (ví dụ như năng lượng, sức khỏe điện tử, thành phố thông minh, xe hơi kết nối, sản xuất công nghiệp, v. Ngoài các ứng dụng tập trung vào con người, phổ biến hơn cả là thực tế ảo và thực tế tăng cường, truyền video 4K, v., mạng 5G sẽ hỗ trợ các nhu cầu liên lạc của các ứng dụng kiểu “máy và máy” để làm cuộc sống của chúng ta trở nên an toàn hơn và thuận tiện hơn.
Kiến trúc mạng 5G theo phân vùng và kiểu kết nối 7 Tất cả các thay đổi của các thế hệ di động cho đến nay đều được dựa trên một khái niệm liên kết vô tuyến mới và đã cung cấp sự gia tăng tốc độ dữ liệu đỉnh khoảng hai bậc độ lớn. Hệ thống 5G phải đáp ứng các yêu cầu về tỷ lệ tăng và năng lực cần thiết trong những năm 2021 và các yêu cầu về độ trễ giảm. Tuy nhiên, việc tích hợp các dịch vụ và lĩnh vực ứng dụng mới cũng quan trọng như tăng tỷ lệ và giảm độ trễ vậy. Hệ thống 5G sẽ là môi trường không dây thúc đẩy Internet of Things và, ngoài phục vụ nhu cầu của con người, 5G phải phục vụ cho các giao tiếp kiểu máy khác nhau với các yêu cầu khác nhau.
Tựu chung lại, phạm vi yêu cầu sẽ tăng lên đáng kể so với các công nghệ Mobile Broad Band (MBB) hiện tại. Ví dụ, tốc độ dữ liệu sẽ dao động từ rất thấp đối với dữ liệu cảm biến đến mức rất cao cho video độ nét cao. Độ trễ sẽ dao động từ cực kỳ thấp đối với các ứng dụng quan trọng về an toàn đến các ứng dụng mà độ trễ không thực sự là một hạn chế. Kích thước gói sẽ thay đổi từ nhỏ, ví dụ: ứng dụng dành cho điện thoại thông minh, cho đến kích thước lớn, ví dụ: chuyển tập tin.
5G sẽ là một hệ thống công nghệ đa truy nhập vô tuyến, Hình 1.3, tích hợp hiệu quả các khối xây dựng cơ bản như sau: - Băng thông rộng di động được phát triển (eMBB) sẽ cung cấp tốc độ dữ liệu cao và truyền thông độ trễ thấp cải thiện chất lượng trải nghiệm (QoE) cho người dùng. - Truyền thông kiểu máy số lượng lớn (MMC) sẽ cung cấp các giải pháp kết nối có thể mở rộng và khả năng mở rộng cho hàng chục tỷ thiết bị hỗ trợ mạng, trong đó khả năng kết nối có thể mở rộng là quan trọng đối với các hệ thống liên lạc di động và không dây trong tương lai. - Phương tiện cho xe cộ, thiết bị và cơ sở hạ tầng (V2X) và dịch vụ hỗ trợ lái xe yêu cầu sự hợp tác giữa xe cộ với nhau và với môi trường của chúng (ví dụ: giữa xe và người dùng dễ bị tổn thương trên điện thoại thông minh) để cải thiện an toàn giao thông và hiệu quả giao thông trong tương lai. Các dịch vụ V2X cho mạng di chuyển (moving networks) yêu cầu các liên kết truyền thông đáng tin cậy cho phép truyền các gói dữ liệu với độ trễ tối đa được đảm bảo ngay cả ở tốc độ xe cao.
- Truyền thông siêu tin cậy (URC) sẽ cho phép mức độ sẵn sàng cao. Nó được yêu cầu để cung cấp các giải pháp có thể mở rộng và tiết kiệm chi phí cho các mạng hỗ trợ các dịch vụ có yêu cầu cao về tính khả dụng và độ tin cậy. Phân tích dịch vụ đáng tin cậy cung cấp các cơ chế để giảm tốc độ và tăng độ trễ, thay vì bỏ các kết nối, khi số lượng người dùng 8 tăng lên, bằng cách sử dụng kiến trúc hệ thống hỗ trợ triển khai truyền thông D2D (device to device) và mạng mật độ siêu cao (UDN).