Chương 1 sẽ giới thiệu về các kỹ thuật lưu trữ và truyền video trong mạng 5G siêu dày đặc (UDN – Ultra-dense Netwwork). Trong đó, các ưu điểm và những vấn đề cần được nghiên cứu của 5G UDN được trình bày, đặc biệt, kỹ thuật lưu trữ đa tầng và truyền video cộng tác tận dụng hiệu quả tài nguyên (dung lượng lưu trữ và phổ tần) được nhấn mạnh như là một giải pháp hiệu quả. Ngoài ra, các khái niệm, kết quả nghiên cứu liên quan, những công cụ và thuật giải cần thiết cũng được đề cập, phân tích và đánh giá một cách chi tiết. Từ đó, làm tiền đề cho những cơ chế mới được đề xuất trong các chương tiếp theo cũng như làm nổi bật ý nghĩa và đóng góp của luận án.
Giới thiệu về 5G UDN 1. Mô hình 5G UDN Mạng thông tin di động là một hình thức mạng truyền thông hiện đại cho phép con người có thể liên lạc, kết nối và chia sẻ thông tin với nhau ở bất kỳ đâu. Với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật và công nghệ, cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đã và đang diễn ra ở nhiều nơi, nhiều nước trên thế giới, cùng hàng tỉ thiết bị di động được kết nối không dây. Theo ước tính, sẽ có khoảng 50 tỷ thiết bị được kết nối vào mạng không dây để truyền thông tin và truy cập các dịch vụ tiên tiến [51].
Trong bối cảnh này, lượng lớn người dùng yêu cầu các dịch vụ tiên tiến sẽ khiến cho mạng không dây, đặc biệt là mạng di động thế hệ thứ 5 (5G – Fifth Generation), trở nên suy yếu bởi vấn đề tắt nghẽn lưu lượng tại các tuyến trục (backhaul link) của các trạm cơ sở lớn (MBS – Macro Base Station) và các trạm cơ sở nhỏ (SBS – Small cell Base Station). Gần đây, mạng 5G UDN [2] được xem là mô hình khả thi nhờ vào khả năng cung cấp lượng lớn kết nối các dịch vụ dữ liệu lớn và tốc độ cao cũng như trì hoãn thấp so với các thế hệ mạng di động trước đó. Mô tả kết nối giữa các thiết bị, các công nghệ và ứng dụng trong 5G UDN [2] Mô hình của 5G UDN gồm nhiều tầng, cung cấp cho người dùng di động (MU – Mobile User) nhiều dịch vụ và ứng dụng khác nhau, được mô tả trong Hình 1-1. Trong mô hình này, tầng trên sử dụng dãi phổ tần cao hơn, tín hiệu mạnh hơn với tốc độ truyền cao hơn, trong khi đó, không gian dịch vụ và diện tích phủ sóng sẽ được mở rộng hơn nhờ vào các tầng trung gian và tầng thấp [2, 52].
5G UDN sẽ cho phép kết hợp linh hoạt các kỹ thuật truyền thông dựa vào việc tận dụng và chia sẻ tài nguyên giữa các phần tử/nhóm phần tử trong mạng nhằm đảm bảo kết nối, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng. Cụ thể, những tính năng và yêu cầu chính của 5G UDN [2] bao gồm: - Tốc độ dữ liệu và độ trễ: cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao, lên đến vài Gbp/s và độ trễ chỉ khoảng 1 mili giây. - Giao tiếp đa thiết bị/máy: cho phép kết nối nhiều thiết bị cùng lúc và có thể chia sẻ những dữ liệu dùng chung từ các thiết bị như là điện thoại thông minh, thiết bị gia dụng, tivi, xe ôtô, thiết bị cảm ứng…. 11 - Phổ tần: sự gia tăng nhu cầu kết nối của các thiết bị đòi hỏi lưu lượng, tài nguyên phổ tần cho 5G UDN cũng tăng lên.
Các băng tần cao thuộc bước sóng xăng-ti-mét (cmWave) và milimét (mmWave) là các băng tần tiềm năng vì chúng có khả năng cung cấp kênh băng thông lớn. Do đó, cung cấp được tốc độ dữ liệu cao, cho phép truyền tải với băng thông rộng hơn băng thông 20MHz của mạng 4G. - Kết hợp nhiều công nghệ: 5G UDN không phải là sự thay đổi công nghệ mới, mà nó hỗ trợ và phát triển thêm nhiều công nghệ. 5G UDN kết hợp nhiều hệ thống như GSM, HSPA (phương thức kết nối gói tốc độ cao), LTE và các hệ thống hỗ trợ truy cập với hiệu suất cao hơn.
- 5G UDN hoạt động gồm nhiều tầng như được mô tả trong Hình 1-1, gồm MBS, SBS, và các kết nối từ thiết bị đến thiết bị (D2D – Device-to- Device). Việc chia thành nhiều tầng sẽ đảm bảo hiệu suất hệ thống (năng lượng, phổ tần và không gian) tốt hơn. - Hỗ trợ tối đa khai thác dữ liệu: trong quá trình khai thác, mỗi thiết bị truy cập có các yêu cầu khác nhau về tốc độ, độ trễ, nội dung truy cập. Trong 5G UDN, vấn đề này sẽ được giải quyết linh hoạt và thông minh bởi vì các tầng có thể hỗ trợ nhau để chuyển tải đến người dùng nội dung tốt nhất.
Dữ liệu có thể được truy xuất từ MBS, từ SBS, hoặc từ người dùng khác qua truyền thông D2D. - Hiệu suất dụng tài nguyên cao: một trong những thách thức chính của 5G UDN là nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng của các thiết bị kết nối mạng, làm sao để nâng cao thời gian sử dụng của pin, cải thiện hiệu quả năng lượng với năng lượng tiêu thụ thấp kết hợp hấp thu năng lượng (energy harvesting) từ môi trường xung quanh (sóng/năng lượng vô tuyến) ở khoảng cách gần, cụ thể là từ các MBS [53]. Các thách thức của 5G UDN Tuy nhiên, 5G UDN vẫn còn những thách thức về vật lý cũng như quá trình sử dụng và khai thác dữ liệu của MU như: - Mật độ kết nối dày đặc từ những phạm vi truy cập và lưu lượng truy cập khác nhau tại các vị trí khác nhau. Điều đó có thể gây tắt nghẽn cục bộ, làm mất cân bằng hiệu suất và quyền hạn truy cập của các thiết bị.
- Những giới hạn truy cập riêng hoặc chung ở các tầng khác nhau sẽ tạo ra nhiều mức can nhiễu khác nhau. Ví dụ: các phiên truyền thông D2D khác nhau có thể ảnh hưởng can nhiễu cho nhau và thậm chí làm gián đoạn quá trình truy cập. - Vấn đề ưu tiên truy cập các kênh ở các tần số khác nhau và ưu tiên trong các chiến lược phân bổ tài nguyên. Để khắc phục các thách thức đó, 5G UDN phải thiết kế và xây dựng đảm bảo các yếu tố sau: - Tối ưu đa tầng: đồng bộ và tối ưu theo mô hình đa tầng để quản lý và cộng tác nhằm truyền tải dữ liệu đến người dùng tốt nhất với phân bổ tài nguyên hợp lý nhất.
Quản lý và cộng tác hiệu quả liên tầng (inter-tier) và trong tầng (intra-tier) sẽ đảm bảo sự linh hoạt trong quá trình truyền dữ liệu, làm giảm thiểu sự can thiệp nhau trong vận hành. Một thiết bị có thể đồng thời tải dữ liệu ở các tầng khác nhau hoặc từ các thiết bị khác gần đó. Tuy nhiên, điều này cần phải tích hợp chặt chẽ giữa các nút mạng thành một hệ thống sử dụng và chia sẻ tin cậy và nhanh chóng. - Thiết kế các phương pháp hiệu quả để hỗ trợ đồng thời nhiều thiết bị kết nối: 5G UDN đa tầng sẽ tăng thông lượng hệ thống và giảm tỷ lệ hao hụt, tăng hiệu quả tài nguyên cho những người sử dụng gần nhau.
Vì vậy, cần tăng cường sử dụng các thiết bị mới sử dụng công nghệ hiện đại, đảm bảo tiêu thụ ít năng lượng và cho phép kết nối một lúc nhiều thiết bị với nhau. 13 Các thiết bị mới phải tối ưu trong mỗi điểm mạng để đảm bảo quá trình khai thác và sử dụng không gián đoạn. - Quản lý can nhiễu trong 5G UDN đa tầng cho các người dùng khác nhau được tái sử dụng tài nguyên với sự sắp xếp can nhiễu hợp lý, đảm bảo được sự linh hoạt, không trùng lặp dữ liệu và quá tải tại một điểm/phần tử mạng nào đó. Các thiết kế phải vượt qua những hạn chế này để trở thành một mạng tối ưu nhất có thể.
Như vậy, những nghiên cứu nhằm đưa ra các giải pháp khắc phục các vấn đề thách thức nêu trên trong 5G UDN là cấp thiết để sử dụng tối ưu nguồn tài nguyên, nâng cao chất lượng mạng di động và cải thiện sự hài lòng của người dùng. Mô hình lưu trữ và truyền video trong 5G UDN Một trong những giải pháp có thể nhìn thấy để giải quyết vấn đề tắc nghẽn do mật độ kết nối dày đặc đó là nâng cấp các tuyến trục (backhaul link) như được mô tả trong Hình 1-1. Tuy nhiên, đây là giải pháp tốn kém và cần phải thay đổi nhiều trong kiến trúc hệ thống. Thay vào đó, kỹ thuật lưu trữ để mang các dịch vụ/ứng dụng/nội dung, đặc biệt là các dịch vụ và ứng dụng có dung lượng lớn và tốc độ dữ liệu cao như truyền video (VAS – Video Appications and Service), đến gần với MU hơn cũng giải quyết được bài toán tắt nghẽn nhưng lại không làm thay đổi kiến trúc hệ thống.
Kỹ thuật lưu trữ trong 5G UDN sẽ cho phép MU truy suất nội dung video ngay trong nội bộ mạng (khu vực phát của MBS hoặc của SBS) mà không cần phải truy cập đến máy chủ lưu trữ trong mạng lõi (core network). Thậm chí, MU không cần phải truy xuất nội dung video từ MBS và SBS, mà truy xuất từ những MU khác đã lưu trữ nội dung thông qua truyền thông D2D trong khoảng cách ngắn. Dĩ nhiên, trong kỹ thuật lưu trữ sẽ có những yêu cầu hỗ trợ của các kỹ thuật khác trong truyền thông, ví dụ như kỹ thuật chia sẻ tài nguyên phổ tần, để nâng cao hiệu quả lưu trữ. Kỹ thuật lưu trữ và chia sẻ tài nguyên phổ tần đã và đang thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước để mang lại lợi ích cho các nhà cung cấp 14 dịch vụ Internet (ISP – Internet Service Provider) và nhà cung cấp nội dung (CP – Content Provider) cũng như đáp ứng nhu cầu cao của MU trong việc truy xuất các dịch vụ tiên tiến tốc độ cao như truyền video.
Các mô hình lưu trữ kết hợp chia sẻ tài nguyên phổ tần cho các ứng dụng và dịch vụ truyền video trong 5G UDN được trình bày như sau. Cơ chế lưu trữ và chia sẻ tài nguyên cho các dịch vụ và ứng dụng video trong 5G UDN 1. Lưu trữ và truyền video đơn tầng Lưu trữ và truyền video đơn tầng là kỹ thuật cho phép hệ thống lưu trữ các video tại tầng MBS (tại macro tier) hoặc tại tầng SBS (femto tier) hoặc tại tầng người dùng di động (user tier) có khả năng lưu trữ (CU – Caching User) như được mô tả trong Hình 1-2.