Nghiên Cứu Giải Pháp Công Nghệ Truyền Thông Sử Dụng Ánh Sáng Nhìn Thấy Trong Mạng 5G

Giải pháp công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy trong mạng 5G, ứng dụng tiên tiến nâng cao hiệu suất và tốc độ truyền dữ liệu.

• Tác giả: Nguyễn Hồng Văn
• Người hướng dẫn: PGS. Đặng Thế Ngọc
• Trường học: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
• Đề tài: Giải Pháp Công Nghệ Truyền Thông Sử Dụng Ánh Sáng Nhìn Thấy Trong Mạng 5G
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG 5G
• 1.1. Giới thiệu chung về mạng di động 5G
• 1.2. Cấu trúc mạng 5G
• 1.3. Một số kịch bản trong mạng di động 5G
• 1.4. Những kịch trong mạng di động 5G
• 1.5. Những yêu cầu kỹ thuật trong mạng di động 5G
• 1.6. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG SỬ DỤNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY
• 2.1. Tổng quan về công nghệ VLC
• 2.2. Khái niệm về công nghệ VLC
• 2.3. Những ưu điểm của công nghệ VLC
• 2.4. Ứng dụng của công nghệ VLC
• 2.5. Giao tiếp giữa các phương tiện trong hệ thống giao thông thông minh
• 2.6. Giao tiếp dưới nước
• 2.7. Truyền thông trong môi trường đặc biệt
• 2.8. Mạng cục bộ WLAN
• 2.9. Mô hình hệ thống VLC
• 2.10. Bộ phát trong hệ thống VLC
• 2.11. Mô hình kênh thông tin trong VLC
• 2.12. Bộ thu trong hệ thống VLC
• 2.13. Những phương pháp điều chế sử dụng trong hệ thống
• 2.13.1. Cơ chế điều chế khóa đóng mở (OOK)
• 2.13.2. Phương pháp điều chế vị trí xung biến đổi (Variable Pulse Position Modulation – VPPM)
• 2.13.3. Phương pháp điều chế Khóa dịch màu (Color-Shift Keying)
• 2.14. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP TÍCH HỢP CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG SỬ DỤNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY VÀO TRONG MẠNG 5G
• 3.1. Giải pháp tích hợp VLC trong mạng 5G
• 3.2. Giới thiệu hệ thống giao thông thông minh (ITS). Truyền thông trong mạng lưới các phương tiện.
• 3.3. Ứng dụng VLC vao trong hệ thống giao thông thông minh
• 3.4. Thử nghiệm mạng 5G
• 3.5. Mô hình tích hợp VLC trong mạng 5G
• 3.6. Mô hình tích hợp VLC trong mạng 5G
• 3.7. VLC cho dịch vụ giao thông thông minh
• 3.8. Kiến trúc thử nghiệm tích hợp VLC trong mạng 5G
• 3.9. Phân tích và đánh giá
• 3.10. Kết luận chương 3
• DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về mạng 5G

Mạng 5G đại diện cho bước tiến lớn trong công nghệ truyền thông di động, với khả năng cung cấp tốc độ cao, độ trễ thấp và khả năng kết nối hàng triệu thiết bị. Công nghệ 5G không chỉ cải thiện hiệu suất của các dịch vụ hiện tại mà còn mở ra cơ hội cho các ứng dụng mới như Internet of Things (IoT) và các dịch vụ thực tế ảo. Theo dự báo, mạng 5G sẽ cung cấp công suất gấp 1000 lần so với các mạng di động hiện tại, cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ lên đến 10 Gbps. Điều này sẽ tạo điều kiện cho các ứng dụng như xe tự lái và thành phố thông minh phát triển mạnh mẽ. Mạng 5G cũng sử dụng công nghệ phân lớp mạng (Network Slicing) để cung cấp dịch vụ riêng biệt cho từng phân khúc khách hàng, từ đó tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu độ trễ.

1.1. Giới thiệu chung về mạng di động 5G

Mạng di động đã trải qua nhiều thế hệ, từ 1G đến 5G, với mỗi thế hệ mang lại những cải tiến đáng kể về công nghệ và tính năng. Mạng 5G được thiết kế để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về băng thông và tốc độ truyền tải dữ liệu. Công nghệ 5G sử dụng các tần số cao hơn, cho phép truyền tải dữ liệu nhanh hơn và hiệu quả hơn. Các nhà mạng trên toàn cầu đã bắt đầu triển khai mạng 5G từ năm 2021, với nhiều thử nghiệm và ứng dụng thực tế. Sự phát triển của công nghệ 5G không chỉ dừng lại ở việc cải thiện tốc độ mà còn mở ra nhiều cơ hội cho các ứng dụng mới trong các lĩnh vực như y tế, giao thông và giải trí.

II. Công nghệ truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy

Công nghệ truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy (VLC) đang nổi lên như một giải pháp tiềm năng cho các vấn đề băng thông trong mạng 5G. VLC cho phép truyền tải dữ liệu qua ánh sáng LED, mang lại tốc độ cao và tiêu thụ năng lượng thấp. Công nghệ này có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, từ giao thông thông minh đến truyền thông trong môi trường đặc biệt. Công nghệ VLC không chỉ giúp giảm tải cho mạng vô tuyến mà còn cung cấp một phương thức truyền thông an toàn và hiệu quả hơn trong các khu vực đông đúc. Các nghiên cứu cho thấy rằng VLC có thể đạt được tốc độ truyền tải lên đến 1 Gbps, mở ra nhiều khả năng cho các ứng dụng như truyền thông giữa các phương tiện và giao tiếp trong các hệ thống giao thông thông minh.

2.1. Tổng quan về công nghệ VLC

Công nghệ VLC sử dụng ánh sáng nhìn thấy để truyền tải thông tin, mang lại nhiều lợi ích so với các phương thức truyền thông truyền thống. Công nghệ VLC có thể hoạt động trong các môi trường mà sóng vô tuyến không thể sử dụng, như trong bệnh viện hoặc trên máy bay. Bên cạnh đó, VLC còn có khả năng cung cấp tốc độ truyền tải cao và độ tin cậy tốt hơn. Việc sử dụng ánh sáng LED không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn tạo ra một phương thức truyền thông an toàn hơn, giảm thiểu nguy cơ nhiễu sóng. Các ứng dụng của VLC đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ, từ giao tiếp giữa các phương tiện đến truyền thông trong các hệ thống giao thông thông minh.

III. Giải pháp tích hợp công nghệ truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy vào trong mạng 5G

Việc tích hợp công nghệ VLC vào mạng 5G có thể mang lại nhiều lợi ích cho cả hai công nghệ. Giải pháp công nghệ này không chỉ giúp tăng cường khả năng truyền tải dữ liệu mà còn giảm thiểu độ trễ và tăng cường độ tin cậy của mạng. Mô hình tích hợp VLC trong mạng 5G cho phép truyền thông giữa các phương tiện và các thiết bị thông minh, tạo ra một hệ sinh thái kết nối mạnh mẽ. Các thử nghiệm cho thấy rằng việc sử dụng VLC trong mạng 5G có thể cải thiện hiệu suất truyền tải dữ liệu và giảm thiểu độ trễ, từ đó nâng cao trải nghiệm người dùng. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng như giao thông thông minh, nơi mà độ tin cậy và tốc độ truyền tải là rất quan trọng.

3.1. Giải pháp tích hợp VLC trong mạng 5G

Giải pháp tích hợp VLC vào mạng 5G không chỉ đơn thuần là việc kết hợp hai công nghệ mà còn là việc tối ưu hóa hiệu suất của cả hai. Việc sử dụng VLC trong mạng 5G có thể giúp giảm tải cho mạng vô tuyến, đồng thời cung cấp một phương thức truyền thông an toàn và hiệu quả hơn. Các mô hình thử nghiệm cho thấy rằng việc tích hợp VLC có thể cải thiện đáng kể tốc độ truyền tải dữ liệu và giảm thiểu độ trễ, từ đó nâng cao trải nghiệm người dùng. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho các ứng dụng mới trong các lĩnh vực như giao thông thông minh và Internet of Things (IoT).

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ truyền thông không dây, mạng di động thế hệ thứ năm (5G) được kỳ vọng sẽ mang lại những bước tiến vượt bậc về tốc độ truyền dữ liệu, độ trễ thấp và khả năng kết nối thiết bị cực lớn. Theo báo cáo của ngành, hoạt động thương mại của 5G dự kiến bắt đầu toàn cầu từ năm 2021, với khả năng cung cấp công suất gấp 1000 lần và hỗ trợ thiết bị thông minh gấp 100 lần so với mạng 4G hiện tại. Tuy nhiên, việc sử dụng phổ tần sóng vô tuyến đang dần cạn kiệt và gặp nhiều hạn chế trong các môi trường đặc biệt như bệnh viện, máy bay. Trong khi đó, công nghệ truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy (VLC) với nguồn phát là đèn LED vừa có thể chiếu sáng vừa truyền thông tin, hứa hẹn là giải pháp bổ sung hiệu quả cho mạng 5G.

Luận văn tập trung nghiên cứu giải pháp tích hợp công nghệ VLC vào mạng 5G nhằm nâng cao hiệu năng truyền thông, đặc biệt trong các ứng dụng giao thông thông minh. Mục tiêu cụ thể bao gồm: nắm bắt tổng quan về mạng 5G, phân tích công nghệ VLC và khảo sát hiệu năng hệ thống truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy trong mạng 5G. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào công nghệ VLC ứng dụng trong mạng di động 5G, với dữ liệu và mô phỏng thực hiện trong giai đoạn gần đây.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc mở rộng băng thông truyền thông không dây, giảm thiểu nhiễu sóng vô tuyến và nâng cao độ tin cậy truyền thông trong các môi trường đặc biệt. Các chỉ số hiệu suất như tốc độ dữ liệu, độ trễ và mật độ kết nối được cải thiện rõ rệt khi tích hợp VLC, góp phần thúc đẩy phát triển các ứng dụng IoT, giao thông thông minh và các dịch vụ mạng 5G đa dạng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: mạng di động 5G và công nghệ truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy (VLC). Mạng 5G được xây dựng trên các tiêu chuẩn IMT-2020 với các chỉ số hiệu suất như tốc độ dữ liệu đỉnh lên đến 20 Gbps, độ trễ đầu cuối 1 ms, mật độ kết nối 10^6 thiết bị/km² và hiệu suất năng lượng cải thiện 100 lần so với thế hệ trước. Các công nghệ nền tảng bao gồm mmWave, massive MIMO, beamforming, network slicing và edge computing.

Công nghệ VLC sử dụng ánh sáng nhìn thấy trong dải bước sóng 380-750 nm làm sóng mang để truyền dữ liệu. Các khái niệm chính bao gồm: điều chế cường độ ánh sáng (IM/DD), các phương pháp điều chế như On-Off Keying (OOK), Variable Pulse Position Modulation (VPPM) và Color-Shift Keying (CSK). Hệ thống VLC gồm ba thành phần chính: bộ phát (đèn LED), kênh truyền (ánh sáng trong không gian) và bộ thu (photodiode với bộ tập trung quang CPC và bộ lọc quang Bandpass). Các đặc điểm nổi bật của VLC là băng thông lớn, tiêu thụ năng lượng thấp, an toàn sức khỏe và khả năng truyền thông trong môi trường đặc biệt như dưới nước hay bệnh viện.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng thực nghiệm. Nguồn dữ liệu bao gồm các tài liệu khoa học, tiêu chuẩn kỹ thuật 3GPP, ITU và các báo cáo ngành về mạng 5G và VLC. Phân tích được thực hiện trên tập dữ liệu mô phỏng hiệu năng truyền thông VLC tích hợp trong mạng 5G, tập trung vào các chỉ số như độ trễ, tỷ lệ lỗi bit (BER) và công suất yêu cầu.

Cỡ mẫu mô phỏng được lựa chọn phù hợp với các kịch bản giao tiếp trong hệ thống giao thông thông minh, với các tham số kỹ thuật dựa trên các thiết bị LED và photodiode thực tế. Phương pháp chọn mẫu dựa trên mô hình kênh truyền ánh sáng và các điều kiện môi trường thực tế. Phân tích số liệu sử dụng các công cụ thống kê và mô hình phân phối xác suất phù hợp như Gaussian trắng cộng (AWGN) và phân phối tích lũy (CDF). Timeline nghiên cứu kéo dài trong giai đoạn 2020-2021, đảm bảo cập nhật các tiêu chuẩn và công nghệ mới nhất.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tích hợp VLC vào mạng 5G giúp giảm độ trễ truyền thông đáng kể: Kết quả mô phỏng cho thấy độ trễ tối đa của hệ thống tổng thể (liên kết 5G và VLC) giảm xuống còn khoảng 1 ms, so với độ trễ tối đa trên 3 ms khi chỉ sử dụng mạng 5G truyền thống. Phân phối thực nghiệm độ trễ cũng cho thấy sự cải thiện rõ rệt với CDF lỗi độ trễ giảm hơn 20%.

2. Tỷ lệ lỗi bit (BER) của hệ thống VLC thấp hơn đáng kể so với các phương pháp truyền thống: Với phương pháp điều chế OOK, BER đạt mức 10^-6 khi công suất quang trung bình đạt khoảng 2 mW, thấp hơn 30% so với các phương pháp điều chế khác như VPPM và CSK trong cùng điều kiện.

3. Công suất tiêu thụ của hệ thống VLC thấp hơn 40% so với sóng vô tuyến mmWave trong mạng 5G: Nhờ sử dụng đèn LED hiệu quả chiếu sáng cao (trên 260 lm/W) và khả năng điều chế cường độ ánh sáng, VLC giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng trong các kịch bản giao tiếp ngắn hạn.

4. Ứng dụng VLC trong hệ thống giao thông thông minh (ITS) nâng cao độ an toàn và hiệu quả giao thông: Mô hình tích hợp VLC với đèn giao thông kết nối mạng 5G cho phép truyền thông tin hai chiều giữa phương tiện và hạ tầng với khoảng cách truyền lên đến 100 m, giúp giảm tai nạn giao thông và cải thiện hiệu quả điều khiển đèn tín hiệu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện hiệu năng là do VLC tận dụng phổ tần ánh sáng nhìn thấy rộng lớn, không bị giới hạn như phổ sóng vô tuyến, đồng thời giảm thiểu nhiễu và tăng tính bảo mật nhờ đặc tính không xuyên thấu của ánh sáng. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này khẳng định tiềm năng của VLC như một công nghệ bổ sung cho mạng 5G, đặc biệt trong các môi trường yêu cầu độ trễ thấp và an toàn cao như giao thông thông minh.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân phối độ trễ (CDF) và bảng so sánh BER giữa các phương pháp điều chế, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của giải pháp tích hợp. Ngoài ra, biểu đồ công suất tiêu thụ so sánh giữa VLC và mmWave cũng làm nổi bật ưu điểm tiết kiệm năng lượng của VLC.

Kết quả nghiên cứu góp phần mở rộng ứng dụng của mạng 5G không chỉ trong truyền thông di động mà còn trong các lĩnh vực đặc thù như IoT, giao thông thông minh và truyền thông dưới nước, đồng thời thúc đẩy phát triển các giải pháp truyền thông bền vững và an toàn.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai thử nghiệm thực tế hệ thống VLC tích hợp mạng 5G trong các đô thị lớn: Tập trung vào các khu vực có mật độ giao thông cao để đánh giá hiệu quả cải thiện độ trễ và an toàn giao thông trong vòng 12 tháng, do các cơ quan quản lý giao thông và nhà mạng phối hợp thực hiện.

2. Phát triển tiêu chuẩn kỹ thuật và quy chuẩn vận hành cho VLC trong mạng 5G: Xây dựng các quy định về công suất phát, điều chế và bảo mật nhằm đảm bảo tính tương thích và an toàn, hoàn thành trong 18 tháng, do các tổ chức tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế chủ trì.

3. Đầu tư nghiên cứu nâng cao công suất và độ nhạy của thiết bị thu phát VLC: Tăng cường hiệu suất photodiode và bộ tập trung quang để mở rộng phạm vi truyền thông, giảm tỷ lệ lỗi bit, thực hiện trong 24 tháng bởi các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

4. Tích hợp VLC với các công nghệ mạng khác như mmWave và Wi-Fi để tạo hệ thống truyền thông đa kênh linh hoạt: Phát triển giải pháp chuyển đổi thông minh giữa các kênh truyền nhằm tối ưu hóa băng thông và độ tin cậy, triển khai trong 18 tháng, do các nhà cung cấp thiết bị mạng và nhà khai thác dịch vụ thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật viễn thông: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mạng 5G và công nghệ VLC, hỗ trợ phát triển các đề tài nghiên cứu và ứng dụng thực tế.

2. Các nhà phát triển và cung cấp thiết bị mạng 5G: Thông tin về tích hợp VLC giúp thiết kế sản phẩm mới, nâng cao hiệu năng và mở rộng thị trường ứng dụng.

3. Cơ quan quản lý giao thông và đô thị thông minh: Nghiên cứu giải pháp truyền thông an toàn, giảm thiểu tai nạn và tắc nghẽn giao thông, hỗ trợ hoạch định chính sách và đầu tư hạ tầng.

4. Doanh nghiệp phát triển hệ thống IoT và truyền thông không dây: Tận dụng công nghệ VLC để mở rộng khả năng kết nối, giảm tiêu thụ năng lượng và tăng tính bảo mật trong các ứng dụng đặc thù.

Câu hỏi thường gặp

1. Công nghệ VLC là gì và có ưu điểm gì so với sóng vô tuyến?
   VLC là truyền thông không dây sử dụng ánh sáng nhìn thấy từ đèn LED để truyền dữ liệu. Ưu điểm gồm băng thông lớn gấp 10,000 lần sóng vô tuyến, tiêu thụ năng lượng thấp, không gây nhiễu thiết bị y tế và an toàn sức khỏe.

2. Tại sao tích hợp VLC vào mạng 5G lại cần thiết?
   Mạng 5G cần băng thông rộng, độ trễ thấp và mật độ kết nối cao. VLC bổ sung phổ tần rộng, giảm tải sóng vô tuyến và tăng độ tin cậy truyền thông, đặc biệt trong môi trường giao thông thông minh.

3. Phương pháp điều chế nào được sử dụng trong VLC?
   Các phương pháp chính gồm On-Off Keying (OOK), Variable Pulse Position Modulation (VPPM) và Color-Shift Keying (CSK), mỗi phương pháp có ưu nhược điểm về tốc độ truyền và độ phức tạp.

4. VLC có thể ứng dụng trong những môi trường nào?
   Ngoài mạng 5G, VLC phù hợp với môi trường hạn chế sóng vô tuyến như bệnh viện, máy bay, truyền thông dưới nước và hệ thống giao thông thông minh.

5. Làm thế nào để đảm bảo an toàn và bảo mật khi sử dụng VLC?
   Do ánh sáng không xuyên thấu vật thể, VLC tự nhiên hạn chế rò rỉ tín hiệu. Việc quản lý truyền dẫn trong phạm vi hẹp giúp giảm nguy cơ do thám và không cần các phương pháp bảo mật phức tạp như sóng vô tuyến.

Kết luận

• Nghiên cứu đã khẳng định tiềm năng tích hợp công nghệ truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy (VLC) vào mạng 5G nhằm cải thiện hiệu năng truyền thông, đặc biệt về độ trễ và tiêu thụ năng lượng.
• Các phương pháp điều chế OOK, VPPM và CSK được phân tích và đánh giá phù hợp với các kịch bản ứng dụng khác nhau trong mạng 5G.
• Giải pháp tích hợp VLC trong hệ thống giao thông thông minh giúp nâng cao an toàn giao thông và hiệu quả điều khiển đèn tín hiệu.
• Đề xuất các giải pháp triển khai thực tế, phát triển tiêu chuẩn kỹ thuật và nghiên cứu thiết bị nhằm thúc đẩy ứng dụng rộng rãi công nghệ VLC trong mạng 5G.
• Các bước tiếp theo bao gồm thử nghiệm thực tế, hoàn thiện tiêu chuẩn và phát triển thiết bị thu phát VLC, mời các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp cùng hợp tác để hiện thực hóa tiềm năng công nghệ này.

Hãy cùng đồng hành để khai thác tối đa lợi ích của công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy trong kỷ nguyên mạng 5G!

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 e 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 e 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 e 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 e 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).