CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 5G 1. Giới thiệu chung Mạng 5G là thế hệ thứ 5 của mạng di động tiếp theo sau công nghệ di động 4G. 5G có tốc độ kết nối, truyền tải dữ liệu cao, độ trễ gói tin nhỏ. Với tốc độ kết nối 4G hiện tại độ trễ có thể kéo dài khoảng 20ms, với mạng 5G độ trễ ước tính sẽ giảm xuống chỉ còn 1ms tương đương với thời gian nháy sáng của đèn flash máy ảnh.
Độ trễ nhỏ giúp tiết kiệm năng lượng, nâng cao chất lượng dịch vụ. Cơ quan Liên minh Viễn thông Quốc tế ITU đưa ra tiêu chuẩn của mạng 5G hỗ trợ một triệu thiết bị kết nối với nhau trên 1km 2. Theo tính toán, tốc độ 5G nhanh hơn 4G từ 40 đến 100 lần. 5G là công nghệ quan trọng của ngành viễn thông, 40% dân số thế giới sẽ sử dụng 5G vào năm 2025.
[1] Mạng 5G sử dụng sóng milimét đại diện cho phổ tín hiệu RF giữa các tần số từ 20GHz đến 300GHz với bước sóng từ 1~15mm. Hiện tại các dải tần được sử dụng gồm 24GHz, 38GHz, 60GHz, 70GHz, 80 GHz. Một số quốc gia tiên phong triển khai mạng 5G dùng dải tần 73 GHz. Việc sử dụng tần số cao giúp cải thiện tốc độ truyền, nhận dữ liệu, cho phép các kênh băng thông rộng hỗ trợ tốc độ truy cập lên tới 10 Gb/s.
Tuy nhiên, điểm yếu là khoảng cách truyền dữ liệu sẽ bị thu hẹp, đồng nghĩa với việc phải có rất nhiều trạm phát sóng 5G được xây dựng. So sánh tốc độ 3G, 4G, 5G Trong công nghệ mạng 2G, 3G và 4G chỉ sử dụng các trạm thu phát đặt trên 4 mặt đất. Mạng 5G sử dụng các trạm thu phát trên không - HAPS. Các trạm HAP là những chiếc máy bay treo lơ lửng ở một vị trí cố định trong khoảng cách từ 7km đến 22km so với mặt đất và hoạt động như một vệ tinh, cách này giúp đường tín hiệu được truyền thẳng hơn và giảm tình trạng bị cản trở bởi những kiến trúc cao tầng.
Ngoài ra, nhờ độ cao, trạm gốc có khả năng bao phủ diện tích rộng lớn, tăng diện tích vùng phủ sóng, thậm chí cả trên biển, nơi các trạm phát sóng trên đất liền không thể tới vẫn có tín hiệu mạng 5G. Ăng-ten thu phát tín hiệu trong mạng 5G được cải tiến bằng cách sử dụng ăng- ten MIMO. Về bản chất, kích thước vật lý tổng thể của ăng ten MIMO 5G tương tự như 4G, đây là loại ăng ten tích hợp nhiều ăng-ten thu, phát sóng gồm các phần tử ăng ten nhỏ kết nối 4 mặt x 4 mặt để gửi và nhận nhiều dữ liệu cùng lúc, duy trì băng thông cao ở mọi thời điểm và đạt tốc độ tối đa khi truy cập mạng. Tất cả các thiết bị 5G bao gồm cả điện thoại di động sẽ được tích hợp công nghệ ăng ten MIMO.
Kiến trúc mạng 5G gồm các máy chủ trung tâm và các máy chủ phân tán trên toàn hệ thống mạng, ứng dụng mô hình điện toán đám mây. Ở các máy chủ chứa phần mềm dịch vụ quản lý các kết nối thoại, dữ liệu và internet di động. Nhiều tính năng nâng cao của 5G bao gồm ảo hóa chức năng mạng, chia sẽ tài nguyên mạng cho các ứng dụng và dịch vụ khác nhau sẽ được thực hiện tại bất kỳ điểm mạng nào trong hệ thống. Công nghệ mạng 5G sử dụng phổ tần cao, tầm phủ sóng sẽ ngắn, chỉ cần gặp phải vật cản cực mỏng cũng có thể làm nhiễu sóng tín hiệu.
Vì vậy, các công ty cung cấp dịch vụ viễn thông đã khắc phục bằng phần mềm và các thủ thuật phát sóng để đảm bảo mạng 5G duy trì kết nối ổn định. Một số chuẩn công nghệ mới trong mạng 5G Tiêu chuẩn 5G NR: đây là tiêu chuẩn chính thức của mạng viễn thông 5G tại Mỹ. 5G NR hoạt động trên dải tần 50 GHz đảm bảo tốc độ truyền dữ liệu nhanh, chính xác, việc mã hóa và giải mã các gói tin kế thừa các tiêu chuẩn 4G và có một số cải tiến. Phổ tần Sub-6GHz: xuất phát từ những hạn chế của băng tần cao, các công ty 5 viễn thông đã sử dụng phổ tần Sub-6GHz, đây là giải pháp giúp mạng 5G tương thích với phổ tần thấp hơn 6GHz, các nhà cung cấp dịch vụ mạng sử dụng phổ tần Sub-6GHz để tăng phạm vi phủ sóng 5G.
Gigabit LTE: là tiêu chuẩn kết nối đầu tiên của 5G, có tốc độ cao hơn nhiều so với mạng 4G/LTE hiện nay (tốc độ tải xuống tối đa khoảng 1Gb/s). Gigabit LTE được coi là điểm chuyển tiếp, là nền tảng phục vụ mạng 5G trong tương lai. Tập hợp sóng mang (Ca): đây là giải pháp pháp được các nhà mạng sử dụng để liên kết các dải tần vô tuyến với nhau, các thiết bị có thể kết nối với tốc độ nhanh nhất, giảm thiểu tối đa nghẽn mạng 1. Các chỉ số hiệu năng chính của mạng 5G Một số thông số chỉ tiêu hiệu năng chính của mạng 5G được chỉ ra trong bảng 1.1 Các chỉ số hiệu năng chính của mạng 5G Yêu cầu Giá trị kỳ vọng Tốc độ dữ liệu đỉnh Đường lên: 20 Gb/s Đường xuống: 10 Gb/s Độ trễ eMBB: 4ms URLLC: 1ms Thiết bị kết nối 3000000/ AP Mật độ kết nối 1 Triệu thiết bị /km2 Khối lượng dữ liệu 9 Gb/host (chu kỳ bận) 500 Gb/thuê bao/người đăng kí Băng thông 60GHz Băng tần 1,8GHz và 2,6GHz (kỳ vọng 30-300GHz) Tốc độ di chuyển tối đa của thuê bao 500km/h Độ tin cậy 99.99% Với những cải tiến đáng kể so với 4G, tiềm năng của 5G là vô cùng lớn.
Nó không đơn giản chỉ là thế hệ mạng tiếp theo mà còn là công nghệ có khả năng cung cấp cơ sở hạ tầng cần thiết để truyền tải một số lượng lớn dữ liệu, cho phép tạo nên một thế giới thông minh, tiện ích và kết nối nhanh hơn. Bên cạnh đó, công việc hoàn thiện và triển khai mạng 5G gặp nhiều hạn chế và khó khăn. Các sơ đồ phân biệt lưu lượng truy nhập không giống như các thế hệ mạng kế thừa trước lại là một yêu cầu chính trong mạng 5G để đáp ứng các yêu cầu 6 QoS từ đầu đến cuối. Các dịch vụ đa dạng trong 5G sẽ được lưu trữ trong nhiều miền cần được hỗ trợ bằng việc cung cấp linh hoạt các chức năng mạng.
Hơn nữa, để đảm bảo cung cấp dịch vụ cho người dùng cuối mà không gặp phải giá trị gia tăng (OTT) trong khi gửi lưu lượng truy cập trên nhiều mạng, cần phải có nền tảng quản lý mạng tự động phù hợp. Khối lượng dữ liệu lớn đối với UDN và xử lý dữ liệu lớn trong mạng 5G cần quản lý mạng hiệu quả để đảm bảo QoS ngay cả khi bối cảnh mạng thay đổi. Ngoài ra, trong backhaul (là thuật ngữ chỉ kết nối giữa mạng trung tâm và các mạng con từ xa), chi phí để vận chuyển lưu lượng truy cập vào mạng lõi tăng do yêu cầu thông lượng của người dùng (dao động từ 20G cho đường xuống và 10G cho đường lên). Do đó, việc tải dữ liệu rất lớn dẫn đến mất cân bằng tải và tắc nghẽn trong mạng.
Để đạt được việc sử dụng tài nguyên hiệu quả, quản lý lưu lượng là điều cần thiết trong khung thời gian 5G để xử lý lượng lưu lượng khổng lồ với yêu cầu QoE nghiêm ngặt. Ưu nhược điểm của mạng 5G a. Ưu điểm Mạng 5G có tốc độ truyền cực nhanh, gấp tốc độ của 4G từ 20 lần đến 100 lần. Thế hệ mạng không dây mới có khả năng truyền một lượng lớn dữ liệu trong thời gian rất ngắn, giúp giảm đáng kể độ trễ.
Sự khác biệt đủ lớn này có thể đem lại những thay đổi căn bản. Có sức chứa lớn, 5G cho phép hàng triệu thiết bị được kết nối cùng một lúc mà không xảy ra tình trạng “nghẽn mạng”, điều mà 4G với khả năng băng thông bị hạn chế không thể làm được. Do nhu cầu về chất lượng và âm thanh của con người ngày càng cao. Nhiều chương trình trên Netflix và các nền tảng phát trực tuyến khác đã có tùy chọn chất lượng hình ảnh 4K.
Tuy nhiên, do tốc độ 4G không đủ, rất ít người có thể xem video ở độ phân giải cực cao này. 5G có thể giải quyết vấn đề này. Bên cạnh đó, các trò chơi hiện đại cũng đòi hỏi tốc độ truyền cao và độ trễ thấp. 5G lại trở thành một sự lựa chọn hoàn hảo.
Nhược điểm Mạng 5G sử dụng các dải tần số phụ 6GHz và sóng milimet. Đây đều là những 7 dải tần số cao, đặc biệt là sóng milimet. Những tần số này của 5G dễ bị nhiễu, do đó, nó yêu cầu cần có nhiều trạm gốc hơn mạng 4G để đạt được mức độ phủ sóng tiêu chuẩn. Nhu cầu về các trạm gốc 5G nhiều hơn làm tăng chi phí lặp đặt.
Ngoài ra, giá thành thiết bị đầu cuối đắt. [1],[4] Để đánh giá cụ thể hơn về mạng 5G, ta so sánh các thông số kỹ thuật giữa mạng 4G và 5G (bảng 1. Bảng so sánh các thông số kỹ thuật giữa 4G và 5G Mạng 5G Mạng 4G - Theo lý thuyết, tốc độ ước tính - Theo lý thuyết, tốc độ đạt 1 – đạt 10Gb/s (10 gigabit mỗi giây), 1. gấp 10 lần mạng 4G.
- Độ trễ (ping) có thể xuống tới 4 - Độ trễ (ping) là 75Mb/s. Tốc độ Mb/s, thậm chí là 1 Mb/s. Ví dụ: Tốc độ 5G cho phép xem Ví dụ: Tốc độ 4G cho phép video “8k” và tải một bộ phim 3D xem video “8k” và tải một bộ chỉ mất 30 giây. phim 3D là 6 phút.
Băng tần Tần số cao của băng tần không dây Tần số thấp của băng tần 700 sử dụng nằm khoảng 30 GHz - 300 GHz. Độ phủ Rộng, do sử dụng trạm HAPS treo Bị giới hạn, vì sử dụng trạm sóng lơ lửng trên không trung. được xây trên mặt đất. Kết nối gấp 10-100 lần số lượng Kết nối giữa các thiết bị cá thiết bị kết nối cùng một lúc như: nhân người dùng ở khu vực - Điện thoại thông minh.
Hỗ trợ kết -Mạng cảm biến sử dụng trong các nối thiết tòa nhà, thành phố, nông trại,… bị -Hệ thống giao thông, cơ sở hạ tầng. =>Kết nối giữa các thiết bị cá nhân người dùng và giữa các thiết bị máy móc với nhau. Giảm thiểu tuyệt đối tình trạng Khó kiểm soát được tình trạng An toàn gián đoạn giữa các thiết bị. gián đoạn, chuyển mạng giữa các thiết bị.
Giảm tới 90% tiêu hao điện năng Không có nổi bật về hiệu quả Tiết kiệm cho việc sử dụng mạng. Nên giúp sử dụng năng lượng của thiết điện năng tăng 10 năm tuổi thọ pin cho các bị. điện thoại dung lượng pin thấp… 8 1.