Trong số đó, sự tiến hóa của mạng di động qua các thế hệ từ 2G, 3G, 4G và nay là 5G không chỉ mang lại những cải tiến về tốc độ và khả năng kết nối mà còn thúc đẩy sự đổi mới trong nhiều
CẤU TRÚC VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA CỦA MẠNG 5G
Mạng truy cập vô tuyến (gNB)
RAN (Radio Access Network) là tiêu chuẩn toàn cầu cho giao diện vô tuyến trong mạng 5G, được phát triển bởi 3GPP Tiêu chuẩn này hỗ trợ tần số hoạt động từ dưới 1 GHz đến trên 40 GHz và có khả năng định dạng chùm MIMO lớn.
RAN, viết tắt của mạng truy cập vô tuyến, cung cấp quyền truy cập và điều phối tài nguyên mạng cho thiết bị người dùng (UE) RAN được chia thành hai phần: phần thấp hơn gồm đơn vị vô tuyến tích hợp ăng-ten (RU) và đơn vị phân tán (DU), và phần cao hơn với giao diện F1 tiêu chuẩn 3GPP giữa DU và đơn vị tập trung (CU) DU và CU cùng tạo thành đơn vị băng cơ sở (BBU).
Legacy LTE sử dụng Nút B đã phát triển (eNodeB hoặc eNB) tương tự như Trạm cơ sở (BTS) trong mạng GSM Trong khi đó, gNodeB (gNB – Node B thế hệ tiếp theo) là trạm gốc cho mạng 5G, được trang bị tính năng radio xác định bằng phần mềm (SDR) và hỗ trợ nhiều tùy chọn MIMO khác nhau.
Trong 5G NR, RU chịu trách nhiệm xử lý giao diện người dùng kỹ thuật số (DFE) và tạo nhiều chùm tia, bao gồm đầu vô tuyến từ xa (RRH) và hệ thống ăng-ten chủ động (AAS) Các ăng-ten trong AAS sử dụng kích thước phần tử ngắn hơn ở tần số cao để tăng số lượng phần tử bức xạ, rất cần thiết cho hoạt động tạo chùm tia MIMO trong hệ thống 5G RRH thực hiện các chức năng RF như ADC/DAC, chuyển đổi kỹ thuật số, lọc và truyền nhận tín hiệu tới BBU, bao gồm cả định dạng chùm tia, đồng thời cung cấp chức năng giám sát và điều khiển để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.
Trong các hệ thống LTE, RRH kết nối với ăng-ten qua cáp đồng trục RF và thường được lắp đặt gần ăng-ten để giảm thiểu suy hao tín hiệu Đối với công nghệ 5G NR, RRH và AAS đã được tích hợp vào một thiết bị có dạng nhỏ gọn hơn.
Giao diện vô tuyến công cộng chung (CPRI) là một tiêu chuẩn quan trọng dùng để truyền dữ liệu từ đơn vị thu phát vô tuyến (RRH) đến bộ xử lý băng tần cơ sở (BBU) CPRI cung cấp kết nối với tốc độ cao, đảm bảo hiệu suất tối ưu cho hệ thống mạng.
eCPRI là phiên bản nâng cao của CPRI, giúp giảm tải cho cáp quang Kết nối giữa RU và DU được gọi là fronthaul, và nó sử dụng cáp quang để truyền tải dữ liệu hiệu quả.
DU, hay Đơn vị Phân phối, hoạt động gần RU và chạy trên các giao thức RLC, MAC thuộc lớp vật lý Chức năng chính của DU bao gồm xử lý tín hiệu và truy cập mạng, đồng thời được điều khiển bởi CU (Đơn vị Tập trung) Ngoài ra, DU còn hỗ trợ các chức năng FFT/IFFT.
CU hỗ trợ các lớp cao hơn trong ngăn xếp giao thức như SDAP, PDCP và RRC, với một CU duy nhất cho mỗi gNB Một CU có khả năng điều khiển hơn 100 DU, và mỗi RU tương ứng với một ô trong mạng Trong hệ thống 5G, một gNB có thể quản lý hàng trăm ô, bao gồm femtocell, smallcell và macrocell Các nút vô tuyến di động nhỏ 5G có thể được lắp đặt trên tường hoặc trần, với kết nối mạng và nguồn điện qua Ethernet Midhaul kết nối CU với DU qua giao diện F1, trong khi backhaul kết nối lõi 5G với CU, có thể cách nhau tới 200 km.
RIC là bộ điều khiển thông minh RAN, đảm nhận vai trò quan trọng trong việc quản lý và tối ưu hóa các quy trình hoạt động của RAN Nó bao gồm quản lý kết nối vô tuyến, tài nguyên, di động và chất lượng dịch vụ (QoS), nhằm hỗ trợ vận hành mạng một cách hiệu quả nhất.
Có ba cách tiếp cận khác nhau để thiết kế một RAN như được tóm tắt trong bảng 1.1
Bảng 1 1 Bảng phân loại RAN
Mạng lõi 5G(core network)
Mạng lõi 5G là thành phần quan trọng trong hệ thống mạng 5G, đảm nhiệm việc quản lý kết nối và lưu lượng dữ liệu, đồng thời cung cấp các dịch vụ mạng So với mạng lõi 4G LTE, nó được nâng cấp với kiến trúc linh hoạt và hiệu quả cao, tích hợp nhiều công nghệ tiên tiến.
Theo 3GPP, 5G có hai chế độ kết nối mạng chính là SA (Độc lập) và NSA (Không độc lập) Cấu trúc dịch vụ của hệ thống 5G được thể hiện trong hình 1.2, cùng với các chức năng tương ứng được mô tả chi tiết trong bảng 1.2.
Hình 1 2 Cấu trúc dựa trên dịch vụ hệ thống 5G với các chức năng mạng lõi
Mạng EPC (Evolved Packet Core) bao gồm các thành phần chính như MME (Thực thể quản lý di động), S-GW (Cổng dịch vụ) và cổng PDN EPC thực hiện các chức năng quan trọng như quản lý di động và kết nối, đảm bảo hiệu suất tối ưu cho các dịch vụ di động.
IP, quản lý QoS và quản lý thanh toán.
UE( thiết bị người dùng)
Thiết bị người dùng (UE) là bất kỳ thiết bị nào mà người dùng cuối sử dụng trực tiếp để giao tiếp, bao gồm điện thoại di động, laptop với bộ điều hợp băng thông rộng di động, và nhiều thiết bị khác Những thiết bị này kết nối với trạm gốc Node để thực hiện các chức năng truyền thông.
B /eNodeB như được chỉ định trong các thông số kỹ thuật ETSI 125/136-series và 3GPP 25/36-series Nó tương ứng với trạm di động (MS) trong hệ thống GSM
Nghiên cứu và phát triển công nghệ 5G đã được thúc đẩy bởi nhiều đột phá quan trọng trong các lĩnh vực khác nhau Các tiến bộ gần đây trong tập hợp sóng mang (CA), truy cập hỗ trợ được cấp phép (LAA), MIMO lớn (MaMi), kỹ thuật tạo chùm tia và cảm biến đã góp phần nâng cao hiệu suất và khả năng kết nối của mạng di động thế hệ mới này.
Bảng 1 2 Chức năng mạch lõi
Công nghệ 5G đang phát triển nhanh chóng, mang lại những hứa hẹn lớn trong việc giải quyết các thách thức của viễn thông không dây Tuy nhiên, thiết bị người dùng (UE) phải đối mặt với ngân sách thiết kế và tài nguyên phần cứng hạn chế, gây khó khăn trong việc triển khai các giải pháp đa tiêu chuẩn và đa chức năng Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) đã xác định ba kịch bản chính cho 5G: Băng thông rộng di động nâng cao (eMBB), Truyền thông có độ trễ thấp cực kỳ đáng tin cậy (uRLLC) và Truyền thông loại máy lớn (mMTC) Trong đó, uRLLC yêu cầu độ trễ chỉ 1 ms và độ tin cậy lên đến 99,999%, đặc biệt quan trọng cho các ứng dụng như xe tự lái, Công nghiệp 4.0, y tế điện tử và an ninh công cộng, nơi mà độ tin cậy và độ trễ là yếu tố quyết định cho sự an toàn và hiệu quả.
Dịch vụ mMTC hỗ trợ các ứng dụng nhạy cảm về hiệu quả năng lượng, với thành phố thông minh là một ví dụ điển hình, nơi có mật độ kết nối lên tới 1.000.000 thiết bị/km2 Điện toán biên di động (MEC) và các sơ đồ truyền thông không cần tế bào hội tụ cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS) tốt hơn cho các thành phố thông minh Tuy nhiên, việc triển khai các trạm gốc (BS) dày đặc để phục vụ số lượng lớn người dùng có thể dẫn đến chi phí cao, độ phức tạp lớn và tiêu thụ điện năng cao do yêu cầu lấy mẫu lớn theo định lý Nyquist Do đó, kỹ thuật cảm biến nén (CS) cung cấp phương pháp lấy mẫu phụ Nyquist, giúp giảm đáng kể khối lượng dữ liệu mà mỗi thiết bị tạo ra trong quá trình liên lạc mMTC.
Dịch vụ cho phép
Hệ thống di động 5G được kỳ vọng sẽ đáp ứng nhiều yêu cầu khắt khe, không chỉ cho các ứng dụng truyền thống của nhà mạng mà còn cho nhiều lĩnh vực khác Đặc biệt, 5G sẽ phục vụ nhu cầu của các phân khúc thị trường đa dạng, mở ra cơ hội mới cho sự phát triển công nghệ và dịch vụ.
Ngành công nghiệp mới như chăm sóc sức khỏe và sản xuất yêu cầu hệ thống 5G phải linh hoạt, năng động và có khả năng mở rộng Để đáp ứng các yêu cầu dịch vụ đa dạng, cần có khả năng quản lý và tùy chỉnh các thông số cung cấp dịch vụ Điều này chỉ khả thi khi các mạng hoạt động trên cùng một hạ tầng thông qua công nghệ ảo hóa chức năng mạng (network function virtualization), cho phép chia sẻ chi phí phát triển và cơ sở hạ tầng giữa các mạng khác nhau.
2.1 Hình ba chiều và dịch vụ gọi 3D hologram
Dịch vụ gọi hologram 3D mang đến trải nghiệm tương tác sống động, cho phép người dùng thấy hình ảnh ba chiều của người khác trong thời gian thực, giống như một cuộc gặp mặt trực tiếp Ứng dụng của công nghệ này rất đa dạng, từ hội nghị trực tuyến đến các sự kiện xã hội, giúp kết nối mọi người một cách hiệu quả hơn.
➢ Gọi video 3D: Mang lại hình ảnh sống động và rõ nét, giúp kết nối con người bất kể khoảng cách địa lý
Hội nghị ảo 3D cho phép các cuộc họp trực tuyến diễn ra trong không gian ba chiều, mang đến trải nghiệm tương tác tự nhiên hơn giữa các người tham gia Lợi ích của hình thức này là tăng cường sự kết nối và giao tiếp hiệu quả trong môi trường làm việc từ xa.
➢ Tạo ra trải nghiệm giao tiếp gần gũi như gặp mặt trực tiếp
➢ Tăng hiệu quả trong các cuộc họp, giảm bớt sự phụ thuộc vào các cuộc họp vật lý
2.2 Dịch vụ AR/VR hấp dẫn quy mô lớn
Dịch vụ AR/VR mang đến cho người dùng cơ hội tham gia vào các trò chơi, sự kiện và trải nghiệm trong những môi trường ảo quy mô lớn với chất lượng hình ảnh cao Ứng dụng của công nghệ này đang ngày càng trở nên phổ biến.
➢ Giải trí: Tham gia vào các trò chơi AR/VR đỉnh cao, cuộc thi thể thao, và sự kiện âm nhạc trực tiếp qua các thiết bị AR/VR
➢ Giáo dục: Sử dụng AR/VR trong các lớp học trực tuyến, mang lại trải nghiệm học tập thực tế và sinh động
➢ Cải thiện trải nghiệm người dùng trong các lĩnh vực giải trí và giáo dục
➢ Tạo ra môi trường tương tác trực quan, mang lại cảm giác như thật
2.3 Dịch vụ trễ cực thấp
5G mang đến khả năng giảm độ trễ xuống mức gần như không đáng kể, giúp cung cấp các dịch vụ yêu cầu thời gian phản hồi nhanh Ứng dụng:
➢ Xe tự lái: Xe tự lái có thể hoạt động hiệu quả nhờ vào khả năng xử lý thông tin nhanh chóng, giúp tránh các tình huống nguy hiểm
Chăm sóc y tế từ xa cho phép các bác sĩ thực hiện phẫu thuật từ xa nhờ vào độ trễ thấp và khả năng truyền tải thông tin thời gian thực từ các thiết bị y tế.
➢ Đảm bảo các ứng dụng thời gian thực hoạt động ổn định
➢ Tạo ra các cơ hội mới trong các lĩnh vực như y tế, giao thông, và an ninh.
Đặc điểm
Mạng di động 5G, thế hệ kế tiếp của công nghệ truyền thông di động, hoạt động ở các băng tần 28, 38 và 60 GHz, hứa hẹn tốc độ nhanh gấp 10 lần so với 4G Công nghệ này không chỉ mở ra nhiều khả năng mới mà còn giảm độ trễ xuống chỉ còn 1ms hoặc thấp hơn, lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu phản hồi tức thì Ngoài ra, 5G còn cho phép truyền tải lượng dữ liệu lớn hơn nhờ vào băng thông rộng hơn và công nghệ anten tiên tiến.
Mạng 5G đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối và phát triển Internet vạn vật (IoT), với các bộ cảm biến là yếu tố thiết yếu giúp thu thập dữ liệu từ các đối tượng và môi trường xung quanh.
Hàng tỷ bộ cảm biến sẽ được tích hợp vào các thiết bị gia dụng, hệ thống an ninh, thiết bị theo dõi sức khỏe, khóa cửa, xe
Các thiết bị đeo và hơi có thể tận dụng dải phổ tần số hiện còn trống để cải thiện hiệu suất Sóng tín hiệu với tần số đo bằng MHz sẽ được nâng cấp lên GHz hoặc thậm chí cao hơn Hiện tại, tần số giao tiếp của điện thoại chỉ dưới 3 GHz, nhưng mạng 5G sẽ cần sử dụng băng tần cao hơn để đáp ứng nhu cầu kết nối.
Theo báo cáo của Cisco, số lượng thiết bị kết nối mạng di động dự kiến sẽ đạt 5,3 tỷ vào năm 2023 Mạng 5G sẽ đáp ứng nhu cầu cao về tốc độ dữ liệu, mang đến một kỷ nguyên mới cho truyền thông không dây với nhiều tính năng vượt trội so với thế hệ 4G.
Hình 1 3 Tổng băng thông kết nối internet quốc tế năm 2017 (Mbps)
Mạng không dây sử dụng các "cell" để truyền dữ liệu qua sóng radio, với công nghệ 4G (LTE) làm nền tảng cho 5G 5G sẽ triển khai trụ tháp di động lớn và công suất cao, cùng với nhiều trạm di động nhỏ được lắp đặt ở các vị trí như cột đèn hay mái nhà Mạng 5G tận dụng các ô nhỏ để phát sóng milimet, sử dụng dải tần giữa 30GHz và 300GHz nhằm đạt tốc độ cao hơn Những ưu điểm nổi bật của mạng 5G bao gồm tốc độ truyền dữ liệu nhanh chóng và khả năng kết nối nhiều thiết bị cùng lúc.
Theo lý thuyết, tốc độ 5G có thể đạt tới 10 Gbp/s, và ngay cả ở vùng rìa phủ sóng, tốc độ vẫn duy trì từ 1 đến vài trăm Mbp/s Với tốc độ này, người dùng có thể tải một bộ phim dài 2 giờ chỉ trong chưa đầy 10 giây.
Độ trễ (ping) có thể đạt mức thấp tới 10 ms, thậm chí là 0 ms trong điều kiện lý tưởng Độ trễ thấp mang lại trải nghiệm chơi game đồ họa với phản hồi tức thì, giúp bạn cảm nhận sự khác biệt rõ rệt so với mạng 4G.
Kết nối đồng thời từ 10 đến 100 lần số lượng thiết bị như điện thoại thông minh, máy móc hạng nặng và mạng cảm biến trong các tòa nhà, thành phố, nông trại, hệ thống giao thông và cơ sở hạ tầng Tạo ra sự kết nối giữa các thiết bị cá nhân và máy móc, đồng thời giảm thiểu tối đa tình trạng gián đoạn giữa các thiết bị.
- Về khả năng truyền tín hiệu, để không bị nhiễu sóng, phần mềm trong ăngten sẽ truyền tín hiệu tập trung tới các thiết bị
Phổ tần 5G đang gia tăng do nhu cầu kết nối của các thiết bị, với các băng tần cao như cmWave và mmWave cung cấp tốc độ dữ liệu cao nhờ vào độ rộng kênh lớn mmWave, với tần số từ 24 GHz đến 300 GHz, nằm giữa sóng vi ba và tia hồng ngoại, hiện được áp dụng trong nghiên cứu khoa học, hệ thống vũ khí và súng bắn tốc độ Đặc biệt, băng tần từ 24 GHz đến 100 GHz mang lại cơ hội lớn cho mạng di động, giúp các nhà khai thác tăng cường khả năng phục vụ nhu cầu dữ liệu và mở rộng ứng dụng 5G Ngành di động đã phân chia sóng vô tuyến thành hai loại: tần số dưới 6 GHz và trên 6 GHz, trong đó tần số dưới 6 GHz được sử dụng cho các hệ thống di động 2G, 3G, 4G và 5G, thường nằm trong khoảng từ 600 MHz đến 4 GHz Bên cạnh đó, các tần số không cần cấp phép trong băng tần 5 GHz - 6 GHz cũng có thể hỗ trợ mạng di động nhằm nâng cao hiệu suất cho người dùng.
Cho phép truyền tải rộng hơn băng thông thông thường 20MHz của mạng 4G
Mạng 5G không chỉ đơn thuần là một công nghệ mới, mà còn là nền tảng hỗ trợ và phát triển nhiều công nghệ tiên tiến khác Để đạt được các mục tiêu của 5G, có thể kết hợp nhiều công nghệ như liên lạc vô tuyến nhận thức (CRC), liên lạc hợp tác (CC), mạng không đồng nhất (HetNets), liên lạc sóng milimet (mm-Wave), liên lạc ánh sáng nhìn thấy được (VLC), nhiều đầu ra đa đầu vào (m-MIMO), giao tiếp dưới nước (UWC), máy bay không người lái (UAV) và các công nghệ mới như học sâu (DL), học máy (ML), học tăng cường (RL), ảo hóa đám mây (CV), mạng sương mù (FN) và mạng biên (EN).
CRC sử dụng kiến trúc vô tuyến được xác định bằng phần mềm (SDR), cho phép cấu hình một radio duy nhất để hoạt động trên nhiều băng tần và tần số khác nhau Phần mềm trong SDR có khả năng thay đổi mô-đun lớp vật lý như tần số vô tuyến, đặc điểm dạng sóng, mức công suất, xử lý điều chế và bảo mật Đài phát thanh nhận thức (CR) có khả năng thích ứng thông minh với các dạng sóng mới sau khi đánh giá các tùy chọn khác nhau, nhờ vào khả năng nhận thức môi trường xung quanh Những ưu điểm của CRC bao gồm cải thiện sử dụng phổ tần, hiệu quả, chi phí thấp hơn và giảm độ phức tạp Tuy nhiên, thách thức lớn nhất vẫn là đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) và biến các quan sát thành hành động (Liang và cộng sự, 2020).
Trong CC, việc sử dụng hiệu quả các tài nguyên truyền thông thông qua sự cộng tác giữa các nút hoặc thiết bị đầu cuối mang lại năng lực cao hơn, đa dạng không gian và thông lượng Tuy nhiên, một thách thức lớn là sự gia tăng can thiệp (Bayrakdar, 2020) HetNet bao gồm các thành phần như microcell, femtocell, picocell, điểm truy cập Wi-Fi và rơle, kết hợp với trạm gốc macro (MBS) có công suất cao và kích thước lớn, giúp nâng cao dung lượng mạng và giảm thiểu độ trễ (Shahzadi et al., 2021).
Trong giao tiếp sóng mm, phổ tần 30–300 GHz đáp ứng nhu cầu hiện đại cho trò chơi trực tuyến và ứng dụng đa phương tiện với tốc độ dữ liệu cao Sóng mm có đặc tính lan truyền khác biệt so với sóng vi ba, cho phép sử dụng nhiều ăng-ten nhỏ trong một khu vực hạn chế, hỗ trợ phân tập không gian hiệu quả (Bogale et al., 2017).
Trong VLC, máy phát và máy thu giao tiếp thông qua ánh sáng có bước sóng từ 380 đến 750 nm Để truyền tín hiệu, các nguồn đi-ốt phát quang (LED) và đi-ốt quang được sử dụng một cách hiệu quả.
Công nghệ VLC (Visible Light Communication) yêu cầu có đường ngắm (LOS) giữa máy phát và máy thu để hoạt động hiệu quả Công nghệ này không chỉ nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng mà còn cải thiện khả năng bảo mật bằng cách giảm thiểu sự can thiệp từ các nguồn sáng nền và tạo bóng (Singla et al., 2017).
Massive MIMO và Trạm gốc thông minh
Massive MIMO là công nghệ tiên tiến sử dụng mảng anten lớn với hàng trăm phần tử, nhằm tăng dung lượng truyền dẫn và cải thiện hiệu suất của anten Công nghệ này mở rộng khái niệm MU-MIMO bằng cách gia tăng số lượng anten tại trạm gốc, cho phép phục vụ nhiều người dùng đồng thời trên cùng một khối tài nguyên tần số Hiệu suất sử dụng phổ có thể tăng từ 5 đến 10 lần, với hàng trăm anten phục vụ hàng chục người dùng có lưu lượng cao Đặc biệt, quá trình mã hóa yêu cầu tín hiệu của mỗi người dùng được giảm, giúp đơn giản hóa việc tạo búp kết hợp.
Thách thức trong việc thu thập thông tin kênh tại máy phát được giải quyết bằng cách triển khai song công phân chia theo thời gian, cho phép sử dụng cùng một phổ tần cho cả đường xuống và đường lên Điều này đảm bảo rằng kênh đường xuống gần giống với kênh đường lên, tương đương với đường truyền đối xứng trong thông tin quang Hình 2.1 mô tả nhiều cấu hình khác nhau cho các anten MIMO, từ hệ thống anten phân tán đến các mảng hình trụ và mảng phẳng.
Dựa trên công nghệ massive MIMO, việc điều chỉnh pha và biên độ tín hiệu trên từng phần tử anten thông qua phần mềm SDR tại trạm gốc, kết hợp với đặc tính phổ hẹp của sóng milimet (mmWave), cho phép tạo ra các chùm sóng tập trung Kỹ thuật beamforming tự động hướng chùm sóng tới các thiết bị đầu cuối khi có kết nối, đồng thời thiết lập cường độ tín hiệu phù hợp với yêu cầu và điều kiện môi trường Trạm gốc áp dụng kỹ thuật beamforming được gọi là trạm gốc thông minh, giúp nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần và cải thiện đáng kể hiệu suất hệ thống.
Hình 2 1 Các cấu hình anten mảng cho việc triển khai massive MIMO
Truyền thông thiết bị đến thiết bị (Devide to Devide – D2D)
Truyền thông thiết bị đến thiết bị (D2D) cho phép các thiết bị gần nhau giao tiếp trực tiếp thông qua các liên kết tế bào hoặc ad-hoc Điều này không chỉ nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần mà còn tối ưu hóa băng thông hệ thống và tiết kiệm năng lượng cho mạng.
Trong mạng 5G, số lượng thiết bị truy cập rất lớn có thể gây ra tình trạng thắt cổ chai hệ thống khi trạm gốc không đáp ứng đủ yêu cầu kết nối Công nghệ D2D giúp giảm thiểu kết nối tới trạm gốc, mang lại lợi ích về độ trễ truyền thông thấp hơn, tăng tốc độ dữ liệu và giảm tiêu thụ năng lượng nhờ khoảng cách truyền thông ngắn hơn.
D2D cho phép xây dựng mô hình mạng phân cấp với các đám mây di động tự động, tối ưu hóa năng lượng và phổ tần của hệ thống Mạng di động 5G trở thành một mạng cảm biến không dây WSN đa năng, hỗ trợ giao tiếp trực tuyến thời gian thực và truyền tải dữ liệu tốc độ cao Các thiết bị tham gia sẽ hoạt động như các nút cảm biến, chia sẻ kết nối và thông tin, góp phần tạo ra một thế giới Internet vạn vật IoT tiện lợi và an toàn.
Hình 2 2 Trạm gốc thông minh sử dụng massive MIMO
19 được cấu hình thành một đám mây di động tương đương với cụm trong WSN, trong đó các nút thành viên chia sẻ vai trò làm nút chủ (Cloud Head - CH) hoặc nút chuyển tiếp (Relay Node) để chuyển tiếp kết nối và lưu lượng đến trạm gốc hoặc các nút khác Nhờ vào các thuật toán thông minh, thiết bị trong mạng luôn được tối ưu hóa để sử dụng những kết nối tốt nhất.
Kết nối giữa các thiết bị và trạm gốc có thể diễn ra theo hai hình thức: kết nối trực tiếp hoặc kết nối chuyển tiếp đa chặng thông qua các thiết bị khác trong mạng D2D (Device-to-Device) mang lại khả năng kết nối thành công cao hơn so với mạng truy cập thông tin thông thường Khi trạm gốc gặp sự cố, trong mạng không có D2D, các nút trong vùng phủ sóng sẽ mất kết nối hoàn toàn Ngược lại, với mạng sử dụng D2D, các đám mây di động sẽ hình thành và duy trì khả năng giao tiếp, cho phép các nút giữ vai trò CH tìm kiếm kết nối với các nút khác trong vùng phủ khả dụng hoặc kết nối với trạm gốc gần đó để khôi phục liên lạc.
Hình 2 3 Mô hình truyền thông D2D trong mạng 5G
Nhận thức bối cảnh mạng
Các mạng cần thông tin về bối cảnh để cung cấp tài nguyên phù hợp cho nhiều thiết bị và ứng dụng Nhận thức về bối cảnh giúp mạng điều chỉnh theo nhu cầu ứng dụng trong khuôn khổ chính sách vận hành Hơn nữa, khả năng nhận thức bối cảnh của mạng và thiết bị người dùng (như vị trí, mô hình truyền thống dựa trên nghiên cứu lịch sử, sở thích của thuê bao) có thể nâng cao trải nghiệm người dùng Điều này cho phép người dùng tiếp cận thông tin liên quan và kịp thời hơn, thay vì phải tìm kiếm và lọc thông tin không cần thiết trên Internet Nhận thức về bối cảnh bao gồm nhiều yếu tố quan trọng.
Hình 2 4 Mô hình truyền thông D2D với một trạm gốc bị gặp sự cố
❖ Phân tích mạng: bao gồm các lựa chọn RATs, lớp mạng (macrocell, smallcell, Wi- Fi), mức độ tắc nghẽn, khả năng và đặc tính hoạt động
Phân tích thuê bao bao gồm việc xem xét các thuộc tính của thuê bao, mức độ hoạt động, trạng thái quản lý, và kinh nghiệm sử dụng Ngoài ra, việc phân tích cũng xem xét hoạt động lịch sử của thuê bao, lịch sử vị trí, vị trí hiện tại, địa chỉ liên lạc, cũng như bối cảnh vị trí như công việc và gia đình, cùng với các ứng dụng mà thuê bao sử dụng.
Các thuộc tính của thiết bị và khả năng của chúng bao gồm thông tin về thiết bị đơn chức năng và đa chức năng, thiết bị hỗ trợ cho các ứng dụng chuyên ngành, MTC, thiết bị thuê bao, cùng với khả năng tối ưu hóa mạng.
Ứng dụng yêu cầu các tiêu chí chất lượng dịch vụ QoS như độ trễ, thông lượng và thời gian chờ, đồng thời cần đảm bảo độ tin cậy của kết nối, giá truy cập hợp lý, tiêu thụ năng lượng thấp và mức độ bảo mật cao.
❖ Các thuê bao ưu tiên: bao gồm tùy chọn truy cập ưu tiên, tiết kiệm điện năng so với hiệu suất và chi phí truy cập
Các chính sách điều hành và đăng ký bối cảnh bao gồm dịch vụ cho phép, thuộc tính dịch vụ và QoS, với thông tin bối cảnh được thu thập từ thiết bị giám sát, phần tử mạng, cơ sở dữ liệu và phân tích nền tảng Hệ thống mạng xử lý thông tin này, trong đó thuộc tính dịch vụ truy cập như chi phí, độ tin cậy, điện năng tiêu thụ, mức độ bảo mật, QoS và tính di động có thể được ánh xạ tới các đặc tính cấu hình 5G do mạng cung cấp.
Kiến trúc ô nhỏ (Small cell network – SCN)
Sự phát triển của các dịch vụ mới trong 5G đã tạo ra yêu cầu cao về tốc độ bit trên mỗi đơn vị diện tích, khiến các nhà khai thác mạng di động phải tìm kiếm giải pháp để cải thiện vùng phủ sóng và tăng cường năng lực mạng Một giải pháp tiềm năng là triển khai các kiến trúc ô nhỏ (SCNs), bao gồm các trạm phát sóng có công suất thấp, phục vụ cho các khu vực trong nhà hoặc khu phố nhỏ Việc áp dụng SCNs sẽ giúp mạng 5G cung cấp tốc độ dữ liệu cao hơn, đồng thời giảm thiểu chi phí đầu tư và vận hành.
SCNs cung cấp giải pháp tải lưu lượng truy cập từ các ô lớn (macrocell) và dung lượng dành riêng cho gia đình, doanh nghiệp, cũng như các điểm nóng đô thị Hệ thống này bao gồm nhiều loại ô nhỏ như microcell, picocell và femtocell, cùng với các công nghệ chuyển tiếp không dây tiên tiến và anten phân tán, cho phép triển khai linh hoạt ở nhiều vị trí khác nhau.
Việc áp dụng kiến trúc ô nhỏ trong mạng giúp hình thành một mô hình phân cấp với nhiều lớp thứ cấp bao phủ bởi ô lớn, từ đó tối ưu hóa việc sử dụng phổ tần Kiến trúc này giảm thiểu đáng kể các kết nối tập trung vào trạm gốc, đồng thời đảm bảo khoảng cách từ người dùng đến các trạm gốc là tương đương, giúp tốc độ dữ liệu được phân bố đồng đều hơn ở mọi vị trí trong ô Điều này được thể hiện rõ trong mô hình phân bố lưu lượng 2.5.
Truy nhập phổ tần chia sẻ
Ủy ban Truyền thông Liên bang (FCC) đã tích cực tạo ra phổ tần mới cho truyền thông di động, theo kế hoạch băng thông rộng quốc gia 2010 Phổ tần mới từ 1.2GHz đến 1.7GHz được yêu cầu để đáp ứng sự mở rộng lưu lượng dữ liệu vô tuyến FCC đang theo đuổi truy cập phổ tần chia sẻ nhằm giải phóng phổ tần hiệu quả hơn.
Hình 2 5 Phân bố lưu lượng toàn mạng 5G
Người dùng thứ cấp có quyền sử dụng phổ tần khi người dùng chính hoặc khách hàng đặc thù không sử dụng phổ tần đó tại một vị trí địa lý cụ thể FCC đã công bố một thông báo đề xuất cho phổ tần ba tầng trong băng tần 3.5GHz, bao gồm khách hàng đặc thù, được bảo vệ và truy cập chứng thực chung Một máy chủ truy cập sẽ quản lý việc phân chia phổ tần giữa các tầng này.
Một số yêu cầu cần thiết cho mạng di động để sử dụng phổ tần chia sẻ:
RAN cần có khả năng giao tiếp với SAS để yêu cầu và nhận phân chia phổ tần, đồng thời cung cấp thông tin nhận biết phổ tần từ trạm gốc Trạm gốc cần có khả năng nhận biết và quản lý phổ tần nhanh để giám sát kênh tần số cho người dùng chính Với phổ tần nhanh, người dùng có thể được chuyển sang kênh mới khi SAS yêu cầu, trong khi kênh đầu tiên sẽ dừng phát để bảo vệ khách hàng Điều này có thể thực hiện thông qua công nghệ vô tuyến thích ứng băng rộng, cho phép chuyển đổi kênh một cách mượt mà mà người dùng không nhận thấy sự gián đoạn, nhờ vào các kịch bản kết hợp kênh, giúp truyền thông tiếp tục trên các kênh còn lại khi một kênh bị chặn tạm thời.
Mạng ảo hóa và tập trung
Điện toán đàn hồi và lưu trữ trong trung tâm dữ liệu đã tạo ra nhu cầu cho mạng xác định bằng phần mềm (SDN) SDN là một cấu trúc mới giúp hệ thống mạng linh động và tiết kiệm chi phí hơn Khái niệm SDN tách biệt mặt phẳng điều khiển phân tán khỏi mặt phẳng chuyển tiếp, đưa các chức năng điều khiển vào mặt phẳng tập trung Trong mạng truyền thống, các tác vụ như cấu hình giao thức gateway được thực hiện trên cùng một thiết bị, dẫn đến việc các nút hoạt động độc lập dựa trên cấu hình nội bộ Điều này cho thấy rằng hiệu quả của mạng phụ thuộc vào cấu hình của từng nút, bất kể sự linh động và hiệu quả của cấu trúc mạng.
24 nhiều (1000, 10000 nút) thì đồng nghĩa các nhà vận hành mạng phải quản lý toàn bộ (1000,
Các ứng dụng của SDN trong 5G không chỉ giới hạn ở việc kiểm soát tài nguyên truyền tải mà còn mở rộng đến khung chính sách của mạng không dây Hơn nữa, khung SDN có thể được áp dụng cho nhiều chức năng điều khiển không dây, chẳng hạn như quản lý di động, an ninh, sạc pin và tối ưu hóa ứng dụng.
Mạng chức năng ảo hóa (NFV) là quá trình trừu tượng hóa các thiết bị mạng như router và gateway, cho phép chuyển đổi chức năng mạng từ phần cứng chuyên dụng sang máy chủ chung NFV giúp quản lý thông tin hiệu quả hơn bằng cách sử dụng phần mềm trên phần cứng đa năng, tạo ra một cơ sở hạ tầng thông tin ảo hóa hoàn toàn Giải pháp này bao gồm máy chủ ảo, hệ thống lưu trữ và mạng, giúp đơn giản hóa việc triển khai và quản lý cho các nhà cung cấp dịch vụ mạng và viễn thông.
Hình 2 6 Mô hình 3 lớp của SDN
25 Hình 2 7 Kiến trúc của SDN
Hình 2 8 Kiến trúc của NFV
NFV và SDN sẽ cách mạng hóa hạ tầng mạng thế hệ tiếp theo, mang lại tính linh hoạt, khả năng mở rộng và sự thông minh cho hệ thống mạng Sự kết hợp của chúng giúp tối ưu hóa và tái sử dụng hầu hết mọi khía cạnh của mạng, nâng cao hiệu suất và khả năng quản lý.
Truyền dẫn phi trực giao (Non-Orthogonal Multiple Access - NOMA)
Đối với đa truy cập trực giao (OMA), người dùng được cấp phát tài nguyên theo tần số, thời gian hoặc mã, giúp tránh nhiễu giữa các người dùng Tuy nhiên, số lượng người dùng bị hạn chế bởi tài nguyên khả dụng trong hệ thống Để khắc phục vấn đề này, kỹ thuật NOMA (Đa truy nhập phi trực giao) ra đời, cho phép hỗ trợ số lượng người dùng lớn hơn số khe tài nguyên nhờ việc cấp phát tài nguyên phi trực giao NOMA là một trong những kỹ thuật hứa hẹn đáp ứng đầy đủ nhu cầu cho mạng di động không dây thế hệ mới.
5 Kỹ thuật này có thể kết hợp với các kỹ thuật khác như ghép kênh phân chia tần số trực tiếp (OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing), và hệ thống nhiều anten phát nhiều anten thu (MIMO: Multiple Input Multiple Output) Công nghệ MIMO cho phép nhiều người dùng chia sẻ cùng một tài nguyên mạng đồng thời Việc áp dụng các kỹ thuật MIMO cho các hệ thống NOMA là rất quan trọng để nâng cao tăng hiệu suất của NOMA
MIMO-NOMA là một chủ đề nghiên cứu nổi bật, trong đó trạm gốc và người dùng được trang bị nhiều ăng-ten, cho phép nhiều người dùng chia sẻ cùng một kênh trong miền công suất Hệ thống MIMO-NOMA đơn giản được minh họa qua hình 2.9, với một trạm gốc và bốn người dùng.
NOMA mang lại lợi ích lớn khi cho phép nhiều người dùng truy cập đồng thời với tần số và mã khác nhau, nhưng ở các mức công suất khác nhau Điều này tạo ra hiệu quả phổ đáng kể, vượt trội hơn so với phương pháp đa truy cập trực giao thông thường.
Trong NOMA, người dùng có mức tăng kênh hiệu quả cao nhất được ưu tiên trong chuỗi, trong khi những người có mức tăng thấp nhất sẽ xếp cuối hàng NOMA mang lại lợi ích lớn cho người dùng có tín hiệu yếu bằng cách phân bổ công suất cao hơn cho họ Khác với các hệ thống OMA, nơi người dùng không thể truy cập khung đã được phân bổ, NOMA cho phép người dùng có tín hiệu mạnh truyền dữ liệu qua khe của người dùng có tín hiệu yếu hơn mà không ảnh hưởng đến hiệu suất của họ Điều này giúp tránh nhiễu từ tín hiệu kém nhờ vào hoạt động hủy nhiễu liên tiếp (SIC), từ đó nâng cao tốc độ dữ liệu chung của hệ thống.
Hình 2 9 MIMO-NOMA đơn giản hệ thống với một trạm gốc và bốn người dùng
III, HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI CỦA MẠNG 6G
Mạng 6G, thế hệ mạng di động thứ 6, đang được phát triển nhằm trở thành nền tảng kết nối cho các công nghệ tiên tiến trong tương lai, với mục tiêu vượt qua những giới hạn hiện tại của mạng 5G.
Tăng tốc độ truyền tải và giảm độ trễ
Tốc độ: Tốc độ truyền dữ liệu có thể đạt đến 1 Tbps (terabit mỗi giây), nhanh gấp 10-
Mạng 6G dự kiến sẽ đạt tốc độ nhanh gấp 100 lần so với 5G, với mục tiêu giảm độ trễ xuống dưới 1 ms Điều này sẽ mở ra khả năng cho các ứng dụng thời gian thực phức tạp như phẫu thuật từ xa, xe tự lái và thực tế ảo tăng cường (AR/VR).
Phổ tần số cao hơn (Terahertz Band)
Sử dụng phổ tần Terahertz (THz) từ 100 GHz đến 10 THz cung cấp băng thông rộng và tốc độ truyền dữ liệu cao Tuy nhiên, tín hiệu trong dải tần này dễ bị suy giảm khi đi qua không khí, do đó cần thiết phải phát triển các công nghệ mới nhằm khắc phục vấn đề này.
Trí tuệ nhân tạo tích hợp (AI-Integrated Networks)
Mạng 6G sẽ kết hợp trí tuệ nhân tạo (AI) nhằm tự động hóa quản lý mạng, tối ưu hóa tài nguyên và dự đoán nhu cầu sử dụng Việc ứng dụng AI sẽ cho phép mạng phân bổ tài nguyên theo thời gian thực, từ đó nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.
Tăng cường kết nối toàn cầu
Internet toàn cầu: Công nghệ 6G sẽ kết hợp vệ tinh và trạm bay không người lái, mang đến kết nối cho những khu vực hẻo lánh mà không có hạ tầng mặt đất.
Kết nối mọi thứ (Internet of Everything - IoE) là khả năng kết nối hàng tỷ thiết bị thông minh, từ cảm biến nano cho đến các hệ thống điều khiển trong không gian, tạo ra một mạng lưới thông tin và dữ liệu phong phú.
Ứng dụng thực tế mở rộng (XR - Extended Reality)
Mạng 6G sẽ cung cấp khả năng hỗ trợ các ứng dụng thực tế ảo (VR), thực tế tăng cường (AR) và thực tế hỗn hợp (MR) với độ phân giải cực cao và độ trễ gần như bằng 0 Điều này mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các lĩnh vực giáo dục, chăm sóc sức khỏe, giải trí và công nghiệp.
Công nghệ cảm biến và truyền thông tích hợp
Mạng 6G không chỉ đơn thuần truyền tải dữ liệu mà còn có khả năng cảm nhận môi trường, bao gồm nhận diện vật thể, xác định vị trí và điều kiện thời tiết Tính năng này sẽ hỗ trợ các hệ thống an ninh, xe tự lái và phát triển thành phố thông minh.
Hỗ trợ công nghệ lượng tử (Quantum Communication)
Truyền thông lượng tử trong mạng 6G sẽ tích hợp công nghệ lượng tử nhằm nâng cao bảo mật, đặc biệt là khả năng chống lại các cuộc tấn công từ máy tính lượng tử Công nghệ này cho phép truyền dữ liệu với tốc độ ánh sáng và đảm bảo độ bảo mật tối ưu cho người dùng.
Tính bền vững và tiết kiệm năng lượng
Mạng 6G sẽ giảm tiêu thụ năng lượng cho mỗi bit dữ liệu truyền đi, hướng tới các mạng
"xanh" và bền vững 6G có thể phát triển, sử dụng vật liệu mới và các hệ thống quản lý năng lượng hiệu quả hơn.
Hỗ trợ công nghệ y sinh và y tế thông minh
Cảm biến y sinh nhỏ gọn kết nối mạng 6G sẽ cung cấp dữ liệu y tế theo thời gian thực, hỗ trợ chẩn đoán và điều trị bệnh từ xa Công nghệ tích hợp cảm biến nano và trí tuệ nhân tạo (AI) giúp phân tích dữ liệu y tế một cách chính xác, nâng cao hiệu quả trong việc chăm sóc sức khỏe.
Mạng an toàn và bảo mật cao
Với sự gia tăng nhanh chóng của thiết bị và ứng dụng, mạng 6G cần nâng cao bảo mật thông qua việc áp dụng các giao thức mã hóa tiên tiến và trí tuệ nhân tạo Giải pháp này sẽ giúp đảm bảo an toàn thông tin trong môi trường số ngày càng phức tạp.
AI để phát hiện và ngăn chặn các mối đe dọa an ninh mạng theo thời gian thực
Mạng 6G sẽ là nền tảng kết nối cho kỷ nguyên công nghệ mới, cải thiện tốc độ và độ trễ, đồng thời mở ra khả năng vượt trội so với 5G Sự kết hợp giữa trí tuệ nhân tạo, cảm biến, truyền thông lượng tử và các giải pháp bền vững hứa hẹn mang lại những thay đổi lớn trong cuộc sống và các ngành công nghiệp.