mở đầu của đề tài sẽ trình bày tổng quan về công nghệ thông tin di động thế hệ thứ 5 (5G). Đưa ra xu thế phát triển trên thế giới, toàn cảnh thị trường di động thế giới và kiến trúc đề xuất cho công nghệ mạng di động 5G. Tổng quan về 5G 5G là mạng di động thế hệ thứ năm được mong đợi sẽ là nền tảng di động hoàn hảo để kết mọi thiết bị, mọi lúc, mọi nơi. Một thế giới kết nối không dây thực sự, khi tất cả các thiết bị có thể kết nối với nhau mà không gặp rào cản nào về mặt không gian, thời gian.
Với sự bùng nổ của các thiết bị truy nhập mạng, có khoảng 46 tỷ thiết bị có khả năng kết nối mạng đến năm 2023 (theo Juniper Research), chúng ta đang thực sự bước vào kỷ nguyên IoT đã đặt ra bài toán về việc tìm kiếm một nền tảng di động mới có thể đáp ứng những nhu cầu trên. Đây cũng là tiền đề cho việc phát triển mạng di động công nghệ 5G. Hình 1: Các công nghệ trong mạng 5G [1] 1 Mạng 5G sẽ mang lại nhiều lợi ích kinh tế - xã hội khổng lồ. Trái tim của 5G New Radio là một bộ công nghệ cơ bản, làm cho 5G có khả năng cung cấp mạng lưới hiệu quả hơn nhiều so với các thế hệ trước, cho phép các dịch vụ mới, tạo ra thêm hệ sinh thái mới.
Các công nghệ tiếp tục được phát triển để mở rộng hệ sinh thái 5G và biến đổi các ngành kinh doan, cung cấp một cách xử lý toàn diện về hệ thống truyền thông di động 5G cũng như hệ thống truy cập không dây thế hệ tiếp theo (6G) [1]. Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, nghiên cứu vật liệu mới, chế tạo máy, thiết kế vi mạch, bán dẫn,. đã kéo theo sự phát triển sự phát triển của mạng thông tin di động. Nhu cầu thông tin của con người ngày càng tăng, không chỉ dừng lại ở mức trao đổi thông tin thoại với nhau, mà còn cả các dữ liệu khác như âm thanh, hình ảnh, video,.
đòi hỏi yêu cầu về tốc độ, dung lượng và độ trễ truyền thông tin. Để đáp ứng được nhu cầu đó, mạng thông tin di động đã trải qua nhiều thế hệ (Generation) phát triển khác nhau, đặc biệt là các cuộc cách mạng từ 2G lên 3G và từ 3G lên 4G, tương lai sắp tới tiến lên 5G – mạng di động thế hệ thứ 5. Mạng thông tin di động tế bào phát triển theo các chu kỳ khoảng 10 năm từ công nghệ mạng di động tế bào xuất phát từ công nghệ 1G xuất hiện vào khoảng đầu những năm 80s của thế kỷ XX, và tiếp tục phát triển lên 2G (~ năm 1990), 3G (~ năm 2000), 4G (~ năm 2010) và đến 2020 là 5G (~ năm 2020) [2]. 2 Di động WLAN ~1990 2G PDC GSM IS-136 IS-95A 802.11b (Japan) (Europe (US TDMA) (US CDMA) thị trường Phát triển 2.5G iMOD HSCSD GPR IS-95B 802.11a/g (US CDMA) Tăng hiệu quả, băng thông và tốc độ dữ liệu W-CDMA TD-SCDMA E-GPRS CDMA2000 802.5G HSDPA EDGE 1x EV- HSUPA Evolution DO WiBRO 3.11ac ~2010 4G LTE-Adv 802.11ay eMBB? mMTC? MCC ~2020 5G UR/LL? Hình 2: Sự phát triển của mạng không dây từ năm 1990 đến 2020 [2] Hình 3: Tốc độ các thế hệ mạng di động [3].
Theo 3GPP mạng 5G có tốc độ tải xuống có thể đạt mức 20 Gbps và tốc độ tải lên đạt 10 Gbps [3]. Với tốc độ này ta có thể tải một bộ phim Full HD chỉ với vài giây. Với các ưu điểm về tốc độ truy cập cao, khả năng kết nối vạn vật, độ trễ nhỏ, mật độ truy cập lớn. Mạng 5G là tiền đề để phát triển các hệ thống tiên tiến công 3 nghệ cao như là hệ thống lưới điện thông minh, giao thông thông minh, y tế, thực tế ảo và đặc biệt là trong hệ thống IoT.
Các ứng dụng trên dựa trên các kỹ thuật tiên tiến của mạng 5G gồm: kỹ thuật băng thông rộng tăng cường (eMBB), kỹ thuật truyền thông độ trễ thấp, độ tin cậy siêu cao (uRLLC) và kỹ thuật truyền thông dạng máy hàng loạt (mMTC). 5G được thiết kế với mục tiêu tăng cường khả năng kết nối tốt nhất có thể, đặc biệt là kết nối tốc độ cao với độ trễ và tiêu thụ điện năng thấp hơn đáng kể. Điều này mở ra cánh cửa mới cho một thế giới được kết nối tại khắp mọi nơi. Trong tương lai, chúng ta sẽ có các thiết bị IoT điều khiển từ xa có thể chạy trong nhiều năm mà không cần sự can thiệp của con người, chẳng hạn như máy bay không người lái, ô tô tự lái, cho phép con người tương tác trong thời gian sớm nhất.
Một đặc điểm thú vị khác của 5G là băng thông di động rất lớn, mạng lưới kết nối vạn vật IoT, và thông tin liên lạc siêu bền. Tất cả tạo nên nền tảng cực kỳ quan trọng cho công cuộc hiện thực hóa mạng lưới năng lượng thông minh, công tác phân tích điều khiển từ xa và các ứng dụng tiên tiến khác. Một mạng 5G trong được hình dung là một hệ thống mạng mới có tốc độ và dung lượng cao hơn rất nhiều và có độ trễ thấp hơn các nền tảng mạng di động hiện tại. Hiện nay, các công nghệ sử dụng trong 5G vẫn đang được nghiên cứu, nhưng có nhiều ưu điểm của mạng 5G mà được công nhận.
Đó là, mạng 5G sẽ có số lượng lớn dịch vụ tiện ích, kết nối nhanh, linh hoạt, thời gian thực, tất cả mọi thứ đều được kết nối, mạng lưới được tập trung hóa như trong hình sau: 4 Cloud Hình 4: Mạng 5G trong tương lai (Nguồn: Internet) Một khía cạnh khác của 5G là sẽ kết nối nhiều thiết bị hơn. Hiện nay, các mô đun 4G đều rất đắt, tốn điện năng và đòi hỏi nhiều kế hoạch phức tạp, nên mạng kết nối vạn vật (Internet of Things) đều đang bị mắc kẹt lại với Wi-Fi và các công nghệ truyền thông không dây năng lượng thấp khác như Bluetooth, Zigbee, Zwave,. Mạng lưới 5G sẽ chấp nhận các thiết bị nhỏ hơn, rẻ tiền và tiêu tốn ít năng lượng hơn, nên nó sẽ kết nối được nhiều vật thể và các loại cảm biến trên Internet hơn. Mạng 5G sử dụng tần số hoạt động rất cao giúp giảm thiểu kích thước anten, và đồng thời là để mở rộng dung lượng của mạng lưới, bởi vì ở dải tần số cực kỳ cao thì tài nguyên băng thông sử dụng sẽ rất lớn giúp dung lượng hệ thống tăng lên.
Tổ chức viễn thông thế giới ITU và 3GPP đưa ra kế hoạch và lộ trình phát triển mạng 5G như sau: ITU-R đã đưa ra các chỉ tiêu kỹ thuật của mạng 5G (IMT- 2020) gồm: các yêu cầu vào năm 2017, các đề xuất đưa vào năm 2019 và hệ thống IMT-2020 chính thức được đưa ra vào năm 2020. Tương tự ITU-R, tổ chức 3GPP cũng đưa ra lộ trình cho mạng 5G gồm 3 giai đoạn: giai đoạn nghiên cứu tại đưa ra tại Release 14 năm 2017, Pha đầu tiên nghiên cứu về 5G được đưa ra tại Release 15 và pha 2 đã được chính thức đưa ra vào năm 2020 [4]. 5 Hình 5: Lộ trình phát triển mạng 5G của ITU và 3GPP [4] Trước đó, tháng 6-2016, 3GPP đã có một số hội thảo phát triển RAN thế giới được tổ chức với nội dung tập trung về 5G và các khái niệm kỹ thuật chính thức được định nghĩa [5]. Vấn đề đầu tiên được xác định đó là tên gọi, để có thể dễ dàng giúp liên tưởng đến công nghệ 5G.
Ví dụ khi chúng ta nhắc đến LTE là ngay lập tức sẽ nghĩ ngay nó chính là công nghệ 4G, điều này cũng cần thiết cho 5G. Tại hội nghị, tên chính thức được dùng cho 5G là NR, có thể hiểu là Mạng vô tuyến mới (New Radio). Mặc dù vẫn chưa thể chắc chắn các tiêu chuẩn sử dụng cho 5G có sử dụng công nghệ vô tuyến mới (NR) hay không, nhưng đến nay NR hiện tại chính là tên gọi đại diện cho 5G. Theo các tài liệu của 3GPP, công nghệ mạng 5G NR là một tập hợp các công nghệ từ tầng vật lý (Physical Layer) đến mạng lõi (Core Network) từ nền tảng của 4G LTE với 3 đặc điểm kỹ thuật chính cần đạt được: - Kỹ thuật di động băng rộng tăng cường (eMBB) + Sử dụng kỹ thuật gộp sóng mang (CA) + Nâng cao hiệu quả sử dụng phổ.
- Kỹ thuật truyền thông dạng máy hàng loạt (mMTC) + Cải thiện Quỹ đường truyền (Link budget) + Độ phức tạp của thiết bị thấp, kích thước thiết bị nhỏ gọn, đơn giản hơn + Tiêu thụ ít năng lượng, kéo dài vòng đời của pin sử dụng cho thiết bị 6 + Triển khai sản phầm mật độ cao như Small-Cell, mạng HetNets. - Kỹ thuật truyền thông độ trễ thấp, và độ tin cậy siêu cao (uRLLC) + Độ linh hoạt cao, tỉ lệ lỗi gói thấp + Độ trễ cực kỳ thấp (cỡ 1ms), có thể xây dựng hệ thống giao thông đô thị thông minh đảo bảo an toàn công cộng. eMBB mMTC uRLLC - Thông tin ứng - Mạng lưới thấp (uRLLC) Truyền thông độ tin cậy cao và độ trẽ - Advanced CA cứu khẩn cấp (mMTC) Truyền thông kiểu máy hàng loạt Nâng cao di động băng thông rộng (eMBB) - Massive thiết bị cảm - An toàn công MIMO biến cộng - LTE-U và - NB-IoT Cat- - LTE V2X LAA NB1 - Phân tập tần - M2M, D2D - eMTC Cat M1 số, anten - SmallCell và - NOMA - Truyền song HetNet - D2D sử dụng công (Full - FeICIC/CoMP Relay cho IoT Duplex) - 256 QAM - SDN/NFV - C-RAN Hình 6: Phát triển 5G lấy nền tảng 4G theo các tài liệu 3GPP R12, 13, 14 [2] Với lộ trình như trên, mạng 5G đã chính thức được thương mại hóa vào năm 2020. Tuy nhiên, mặc dù chuẩn 5G vẫn chưa chính thức được đưa ra, các nhà mạng, tổ chức cũng như các nhà sản xuất thiết bị hàng đầu đã tiến hành nghiên cứu và phát triển mạng di động 5G.
Một số nhà mạng và công ty đi đầu hiện nay theo đánh giá của Gartner [6] gồm: • SK Telecom - nhà mạng Hàn Quốc là nhà mạng đi đầu trong việc tài trợ và nghiên cứu mạng 5G. SK Telecom có ý định thương mại hóa mạng 5G vào năm 2018 và phục vụ tại thế vận hội Olympic mùa đông diễn ra vào năm 2018. Theo thiết kế mạng 5G của nhà mạng này sử dụng băng tần 28 GHz. • NTT Docomo - nhà mạng của Nhật hiện đang hợp tác với Huawei để tiến hành nghiên cứu và thử nghiệm mạng 5G.