GIỚI THIỆU VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO
Giới thiệu
Chương này tổng quan về sự phát triển của hệ thống thông tin di động, bắt đầu với một trích dẫn từ cuộc trò chuyện qua mạng di động của Martin Cooper vào ngày 3 tháng 4 năm 1973.
Cuộc gọi đầu tiên từ một điện thoại di động cầm tay thực sự, Motorola DynaTAC, nặng khoảng 2.5 lbs và có giá khoảng 9.000 USD, đã đánh dấu một sự kiện lịch sử quan trọng Sự kiện này không chỉ thay đổi cuộc sống của nhiều người mà còn thúc đẩy sự phát triển của các thiết bị phức tạp như smartphone hiện đại Những thiết bị này không chỉ đáp ứng nhu cầu liên lạc dữ liệu và giọng nói mà còn cung cấp nhiều ứng dụng hữu ích, từ việc kết nối với bạn bè qua mạng xã hội đến tham gia trò chơi trực tuyến, sản xuất nội dung video, thực hiện các phép đo y tế và sử dụng dịch vụ dựa trên định vị.
Các thiết bị không dây, được phát triển dựa trên định luật Moore, tiếp tục giữ vai trò quan trọng trong việc giới thiệu các tính năng mới và đặc điểm hấp dẫn, mang lại lợi ích thiết thực cho người dùng cuối trong lĩnh vực công nghệ di động.
Chương này tập trung vào các công nghệ điều khiển quan trọng cho thiết kế hệ thống vô tuyến mới (NR) 5G, đặc biệt là các giải pháp hỗ trợ dịch vụ 5G trong truyền dẫn đường lên (UL) Các yêu cầu chính bao gồm độ trễ thấp, độ tin cậy cao, tiết kiệm năng lượng và khả năng ứng dụng gói nhỏ Tài nguyên không cần sự cho phép trong UL NR được gọi là “cho phép trước”, tức là các thông số kỹ thuật được cấu hình trước sẽ được sử dụng cho quá trình truyền.
UE UL mà không cần lập lịch/cho phép Ngoài ra trạm gốc (BS) trong mạng NR 5G được gọi là “NodeB thế hệ tiếp theo” hoặc “gNB”.
Thông tin di động tế bào: Nhập môn
Các tiêu chuẩn di động sử dụng nhiều kỹ thuật đa truy cập (MA) như FDMA, TDMA, CDMA và OFDMA Bài viết cũng đề cập đến các phương pháp song công cho thông tin hai chiều và tài nguyên vật lý dành cho người dùng Hai phương pháp song công chính là TDD và FDD.
Bảng 1.1: Đa truy cập trong các thế hệ của các mạng tế bào khác nhau
Thế hệ tế bào Kỹ thuật MA Phương pháp song công
1G FDMA FDD Tần số AMPS, NMT
2G TDMA FDD Các khe thời gian GSM, IS-54
Các khe thời gian/Các mã
4G OFDMA FDD/TDD Thời gian/tần số LTE, LTE-A
5G OFDMA FDD/TDD Thời gian/tần số 5G-NR
Tất cả các kỹ thuật đa truy cập đều thuộc dạng đa truy cập “trực giao” (OMA), cho phép người dùng truy cập mà không gây nhiễu lẫn nhau khi chia sẻ phương tiện không dây, mặc dù bị giới hạn bởi số lượng tài nguyên có sẵn Ngược lại, trong CDMA, việc truyền tín hiệu từ thiết bị không dây đến trạm gốc không mang tính trực giao.
Trong FDMA, tần số được chia thành các kênh cho nhiều người dùng khác nhau, trong khi TDMA phân chia thời gian thành các khe thời gian để cho phép nhiều người dùng truy cập vào hệ thống CDMA phân biệt người dùng bằng mã PN, cho phép tất cả cùng truyền trên toàn bộ kênh tần số OFDMA phân bổ người dùng cho các kênh tần số khác nhau tại các khe thời gian khác nhau Hệ thống 5G tiếp tục sử dụng OFDMA với khả năng linh hoạt trong khoảng cách giữa các sóng mang con và độ dài khe thời gian, nhằm đáp ứng các yêu cầu đa dạng Dự kiến, 5G sẽ áp dụng NOMA.
Hình 1.1 Một cái nhìn tổng quan về các kỹ thuật đa truy cập khác nhau
Hình 1.1 trình bày tổng quan về các kỹ thuật truy cập khác nhau sẽ được thảo luận, so sánh theo ba tiêu chí chính: công suất, thời gian và tần số.
Hiệu quả phổ là một chỉ số hiệu suất hệ thống ngày càng được cải thiện qua các thế hệ công nghệ Hình 1.2 minh họa hiệu quả phổ DL của các chuẩn di động 2G, 3G, 4G và 5G so với tốc độ dữ liệu đỉnh lý thuyết Mỗi tiêu chuẩn mới đều yêu cầu tốc độ dữ liệu cao hơn, làm nổi bật nhu cầu tăng cường hiệu quả phổ trong thời gian dài.
Mỗi thế hệ tế bào không chỉ mong đợi hiệu suất tăng mà còn mang đến các tính năng mới Hình 1.3 minh họa sự gia tăng khả năng của người dùng và các tính năng dự kiến theo cấp số nhân qua các thế hệ di động Ban đầu, chúng ta chỉ sử dụng tiếng nói, sau đó chuyển sang dịch vụ thoại và tin nhắn ngắn (SMS) trong công nghệ 2G Khả năng dữ liệu tiếp tục được cải thiện trong 3G với các dịch vụ chuyển mạch gói.
Hình 1.2 Hiệu quả phổ (bps/Hz) của sự phát triển tế bào số
Hình 1.3 Các khả năng người dùng trong các thế hệ tế bào
Công nghệ 4G đã mang đến Internet di động với nhiều ứng dụng mở rộng, bao gồm Internet vạn vật (IoT), phương tiện đến mọi thứ (V2X) và thiết bị đến thiết bị (D2D) Hệ thống di động thế hệ tiếp theo 5G dự kiến sẽ nâng cao khả năng sử dụng, mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các sản phẩm sáng tạo.
DL là hướng giao tiếp từ trạm gốc (BS) đến thiết bị cầm tay hoặc thiết bị người dùng (UE), trong khi UL là hướng giao tiếp từ các UE đến BS UL cũng bao gồm quyền truy cập ngẫu nhiên, nơi các UE cố gắng truy cập tài nguyên của hệ thống thông tin từ trạng thái khởi động hoặc khi bắt đầu một giao dịch mới.
Phương pháp song công được áp dụng để phân tách giao tiếp DL (downlink) và UL (uplink) Một ví dụ điển hình của phương pháp này là việc thực hiện trong miền thời gian.
TDD (Time Division Duplex) và FDD (Frequency Division Duplex) là hai phương pháp truyền thông Trong TDD, các khe thời gian được phân bổ cho tải xuống (DL) và tải lên (UL) một cách linh hoạt Ngược lại, FDD sử dụng tần số riêng biệt cho việc truyền tải lên và tải xuống, cho phép hai quá trình diễn ra đồng thời.
DL diễn ra đồng thời trên nhiều dải tần số khác nhau TDD mang lại lợi ích khi chỉ cần một phổ duy nhất được chia sẻ, không cần phổ ghép Hệ thống này cũng hỗ trợ các chế độ xem kênh đối xứng, cho phép sử dụng các phép đo UL trong kỹ thuật thông tin.
FDD có ưu điểm là yêu cầu đồng bộ thời gian ít hơn, nhưng do tần số DL và UL được phân tách, các phép đo UL có thể không hữu ích cho thông tin DL vì không đảm bảo tính tương hỗ.
Độ trễ, hay thời gian truy cập tài nguyên mạng, ngày càng trở thành một chỉ số quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất hệ thống, bất kể phương pháp sử dụng.
1.2.1 Sự phát triển của công nghệ di động
Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá các công nghệ truy cập vô tuyến di động (RATs) và những lợi ích cũng như tiềm năng phát triển của chúng Hình 1.1 minh họa sự tiến hóa của mạng di động từ 1G đến 4G, cho thấy sự gia tăng độ phức tạp của hệ thống trong giai đoạn 2G và 3G Tuy nhiên, ngành công nghiệp đã chuyển mình sang một tiêu chuẩn 4G thống nhất, dẫn đến sự gia tăng độ phức tạp trong mạng lưới di động.
Các kỹ thuật đa truy cập trực giao:
FDMA (đa truy cập phân chia theo tần số)
Việc gán nhiều sóng mang trên cùng một kênh là khó khăn
Các kênh băng hẹp (có băng thông nhỏ hơn băng thông kết hợp của kênh không dây) đang mong đợi
Các băng bảo vệ trong miền tần số là cần thiết để giảm sự phát xạ phổ đến các băng tần lân cận
Số lượng tài nguyên trực giao hữu hạn
TDMA (đa truy cập phân chia theo thời gian)
Việc bù (cân bằng) nhiễu xuyên symbol là cần thiết
Sử dụng các băng bảo vệ trong miền thời gian cho phép sự biến thiên độ trễ thời gian của truyền dẫn UL
Đồng bộ hóa các khe thời gian trên tất cả mục đích sử dụng là rất quan trọng để không phá hủy nguyên tắc OMA
Số lượng tài nguyên trực giao hữu hạn
CDMA (đa truy cập phân chia theo mã)
Sử dụng toàn bộ băng thông cùng lúc bằng cách sử dụng mã trải phổ
Số lượng tài nguyên trực giao hữu hạn
OFDMA (đa truy cập phân chia theo tần số trực giao)
Gán nhiều sóng mang con khác nhau cho nhiều người dùng khác nhau (tại các khe thời gian khác nhau)
Số lượng tài nguyên trực giao hữu hạn
Phổ tần đóng vai trò quan trọng đối với các nhà khai thác, cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về thông lượng hệ thống và số lượng người dùng Ngành công nghiệp hiện đang chuyển hướng không chỉ sử dụng phổ tần được cấp phép truyền thống mà còn khai thác phổ không được cấp phép, thường được sử dụng cho các thiết bị WiFi, cùng với phổ dùng chung khi có thể.
1.2.2 Hệ thống tế bào thế hệ thứ nhất
Kết luận chương 1
Chương 1: "Giới thiệu về thông tin di động tế bào" trình bày lịch sử phát triển và quá trình hình thành của hệ thống thông tin di động từ 1G đến 4G, bao gồm các công nghệ đa truy cập như FDMA, TDMA, và CDMA Bên cạnh đó, bài viết cũng phân tích ưu điểm và nhược điểm của các hệ thống này, đồng thời chỉ ra cơ hội và thách thức cho các thế hệ thông tin di động tiếp theo Thông qua đó, người đọc sẽ nắm bắt được những vấn đề cơ bản và cốt lõi của hệ thống thông tin di động, làm nền tảng cho việc tìm hiểu và nghiên cứu các hệ thống sau này.
TỔNG QUAN VỀ MẠNG 5G
Sơ đồ kiến trúc mạng của 5G
Sơ đồ khối kiến trúc mạng 5G được thể hiện trong Hình 2.1, với lõi 5G (5GC) thay thế EPC Mạng truy cập vô tuyến thế hệ tiếp theo (NG-RAN) bao gồm nhóm đơn vị phân tán (DU) và nhóm đơn vị tập trung (CU), trong đó gNodeB thay thế eNodeB Việc xây dựng một kiến trúc mạng khả thi và có thể mở rộng là rất quan trọng cho 5G Phần này giới thiệu sự kết hợp giữa DU và CU nhằm hỗ trợ các tùy chọn phân tách RAN khác nhau, mang lại nhiều lợi ích cho mạng Các phần tử của 5GC đóng vai trò quan trọng trong kiến trúc này.
Chức năng quản lý truy cập và di động (AMF): thực hiện mã hóa và bảo vệ tính toàn vẹn, quản lý di động, xác thực và ủy quyền, v.v
Chức năng quản lý phiên (SMF): thực hiện phân bổ và quản lý địa chỉ IP UE, lựa chọn và kiểm soát UPF, chuyển vùng, v.v
Quản lý dữ liệu thống nhất (UDM): thực hiện quản lý thuê bao, dữ liệu người dùng, đăng ký và quản lý di động, v.v
Hình 2.1 Sơ đồ khối kiến trúc mạng 5G
Chức năng kiểm soát chính sách (PCF): thực hiện các quy tắc chính sách cho các chức năng CP, v.v
Chức năng ứng dụng (AF): tương tác với khung chính sách để kiểm soát chính sách, v.v
Chức năng mặt phẳng người dùng (UPF): thực hiện kết nối bên ngoài với mạng dữ liệu, xử lý QoS của UP, v.v.
Động lực của 5G
Các hệ thống mạng tế bào 5G cần cải thiện tính năng và hiệu suất thông qua LTE để giảm thiểu chi phí đầu tư cho các nhà khai thác trong việc triển khai dịch vụ 5G Điều quan trọng là chúng ta đã duy trì một tiêu chuẩn di động toàn cầu duy nhất Các động lực chính của 5G bao gồm việc nâng cao hiệu suất và khả năng kết nối.
Tốc độ dữ liệu người dùng tăng
Tăng dung lượng hệ thống
Số lượng lớn các kết nối
Giảm độ trễ từ đầu đến cuối
Hỗn hợp dịch vụ không đồng nhất
Triển khai băng thông linh hoạt
Sự linh hoạt của mạng
Di chuyển đến các giao tiếp hiệu quả hơn về năng lượng
ITU đã cung cấp các mục tiêu 5G dưới dạng các yêu cầu IMT-2020, chúng được thể hiện trong bảng 2.1
NR 5G hỗ trợ cả hai phương thức triển khai độc lập và không độc lập Triển khai NSA sử dụng LTE để mở rộng vùng phủ sóng, kết hợp mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu, đồng thời kết nối với EPC đang phát triển Các dịch vụ 5G cung cấp tốc độ dữ liệu cao thông qua kết nối kép, trong khi triển khai độc lập đảm bảo phân luồng dữ liệu và điều khiển hiệu quả.
ITU đã cung cấp một sơ đồ để xác định các dịch vụ 5G, như thể hiện trong Hình 2.2 Ba trường hợp sử dụng chính, được thể hiện ở các góc của tam giác, đại diện cho các ứng dụng tiềm năng của 5G trong tương lai.
Băng rộng di động tăng cường (eMBB)
Liên lạc kiểu máy với số lượng lớn (mMTC)
Thông tin với độ trễ thấp và cực kỳ tin cậy (URLLC)
Các ứng dụng của 5G bao gồm nhà thông minh, máy bay không người lái kết nối, năng lượng kết nối, ô tô tự lái, và thực tế ảo/trò chơi thực tế tăng cường thời gian thực Việc triển khai các kỹ thuật độ trễ thấp đã bắt đầu từ LTE nhằm chuẩn bị cho việc chuyển đổi mạng và hỗ trợ các dịch vụ 5G đa dạng Hệ thống mạng tế bào 5G dự kiến sẽ đáp ứng các ứng dụng này thông qua việc áp dụng các công nghệ tiên tiến.
Sự triển khai phổ linh hoạt: phổ được cấp phép, không được cấp phép và chia sẻ, băng thông lớn hơn và liền kề, đa RAT, v.v
Hình 2.2 Các kịch bản sử dụng của IMT-2020
Bộ số liệu linh hoạt cung cấp hỗ trợ cho nhiều trường hợp sử dụng và triển khai phổ tần, bao gồm cả băng tần dưới và trên 6 GHz Với các khe thời gian linh hoạt và băng thông truyền tải rộng, giải pháp này đáp ứng nhu cầu đa dạng trong các ứng dụng hiện đại.
Kiến trúc mạng hiện đại đang được cải thiện để hỗ trợ xu hướng đám mây trong ngành CNTT, bao gồm các công nghệ như SDN/NFV, lát cắt mạng, và tính toán cạnh đa truy cập, giúp giảm độ trễ và nâng cao hiệu suất.
Bảng 2.1: Sự so sánh của các yêu cầu IMT-2010 và IMT-2020
Tiêu chí hệ thống IMT-2010 IMT-2020 Chú thích
Tốc độ dữ liệu đỉnh
Tốc độ dữ liệu đạt được lớn nhất dưới các điều kiện lý tưởng Dung lượng lưu lượng khu vực
Tổng lưu lượng cung cấp cho mỗi khu vực địa lý
Hiệu suất năng lượng mạng
Số lượng bit thông tin cho mỗi đơn vị của sự tiêu thụ năng lượng Mật độ kết nối
(thiết bị/km 2 ) 10 4 10 6 Tổng số thiết bị kết nối trên mỗi khu vực đơn vị Độ trễ (ms) 10 1
Thời gian từ khi bắt đầu gửi một gói dữ liệu đến khi nhận được tại đích (một đường từ đầu đến cuối)
(kmph) 350 500 Tốc độ lớn nhất mà một
QoS có thể đạt được
Thông lượng dữ liệu trung bình trên mỗi đơn vị của phổ và cho mỗi tế bào Tốc độ dữ liệu người dùng mong đợi (Mbps)
Tốc độ dữ liệu đạt được ở khắp nơi qua khu vực bao phủ
Điều chế QAM mang lại sự cân bằng giữa hiệu quả phổ tần và công suất với chi phí hợp lý, đồng thời kết hợp với mã phân cực và các mã sửa lỗi tiên tiến khác.
Các kỹ thuật tiên tiến: NOMA, song công, định hình phổ tần
Các công nghệ của 5G
Mạng di động 5G, dự kiến thương mại hóa vào khoảng năm 2019/2020, đang phát triển mạnh mẽ với khả năng hỗ trợ dung lượng hệ thống lớn hơn, độ trễ thấp hơn và khả năng kết nối tới 1000 thiết bị trên mỗi km² Để đáp ứng các yêu cầu này, nhiều công nghệ mới như massive MIMO, mạng định nghĩa bằng phần mềm, sóng mm, mạng truy cập vô tuyến đám mây (RAN), đa truy cập không trực giao, kỹ thuật thông tin M2M, điện toán cạnh di động, bộ nhớ đệm không dây, mạng cực kỳ dày đặc và giao tiếp song công đã được phát triển Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu sâu hơn về những công nghệ này.
Khi tìm hiểu về massive MIMO, chúng ta sẽ giải quyết thuật ngữ đầu tiên
Massive MIMO là công nghệ sử dụng hơn 64 ăng ten để xử lý tín hiệu, giúp cải thiện hiệu suất mạng Nó dựa vào định luật số lớn, cho phép giảm thiểu các nhược điểm của kênh và phần cứng như nhiễu và pha đinh Với nhiều ăng ten, Massive MIMO có thể cung cấp hai tùy chọn: đầu tiên, tạo chùm tín hiệu bằng cách tập trung năng lượng vào hướng mong muốn và vô hiệu hóa tín hiệu không mong muốn; thứ hai, gửi các luồng dữ liệu độc lập trên mỗi ăng ten để tăng cường khả năng ghép kênh không gian.
Kỹ thuật này có thể được sử dụng để tăng tốc độ dữ liệu của người dùng hoặc hệ thống Cả hai tùy chọn được thể hiện trong Hình 2.3
Massive MIMO là công nghệ quan trọng trong việc phát triển mạng 4G và 5G, cho phép tạo búp sóng hiệu quả với các mảng ăng ten được sắp xếp theo nhiều hình dạng khác nhau như tuyến tính, hình chữ nhật hoặc hình tròn Việc sử dụng các dải tần số cao giúp tạo ra các mảng ăng ten quy mô lớn và nhỏ gọn nhờ vào bước sóng ngắn Hệ thống massive MIMO có thể được triển khai thông qua các phương pháp song công FDD hoặc TDD, trong đó TDD cho phép người dùng áp dụng định lý tương hỗ để tận dụng tối đa các thông tin quan sát được.
Việc áp dụng massive MIMO cho ghép kênh không gian đã trở thành một xu hướng phổ biến trong công nghệ 4G và tiếp tục được triển khai cho 5G Để thực hiện ghép kênh không gian, yêu cầu tối thiểu là hạng của ma trận kênh giữa anten phát và thu phải lớn hơn 1 Đối với hệ thống MIMO 4 × 4, toàn bộ công suất chỉ có thể đạt được khi hạng ma trận kênh đầy đủ, tức là bằng 4.
Ghép kênh không gian trong LTE đã chứng minh hiệu quả, vì vậy việc áp dụng nó trong 5G với quy mô lớn hơn là hợp lý Tuy nhiên, thách thức lớn là kích thước MIMO tăng lên sẽ dẫn đến việc ít người dùng có thể trải nghiệm dịch vụ đầy đủ Điều này đặt ra yêu cầu phải thiết kế một mảng MIMO hiệu quả hơn.
Việc gửi 256 lớp cho một người dùng trong hệ thống 5G là một thách thức lớn, do giới hạn chỉ cho phép 8 lớp DL trên mỗi người dùng Sự phức tạp trong việc triển khai massive MIMO trong miền số đóng vai trò quan trọng Chùm tia lai được phát triển nhằm cân bằng giữa hiệu suất và độ phức tạp Khi số lớp tối đa là 8, câu hỏi đặt ra là cách sử dụng các mức độ tự do còn lại Một phần có thể được dùng để tạo chùm và phần còn lại để ghép kênh cho các người dùng khác qua mảng ăng ten, được gọi là MIMO nhiều người dùng (MU-MIMO) Trong MU-MIMO, nhiều người dùng truyền tải và nhận các tín hiệu như thể chúng đến từ một nguồn ghép kênh duy nhất, với các trọng số chùm tia có khả năng tạo ra chùm tia theo phương vị và hướng độ cao.
Khi xem xét chùm tia, tăng ích mảng mang lại nhiều lợi ích đa dạng Nó có thể mở rộng vùng phủ sóng, giảm công suất phát của thiết bị trên UL, và cải thiện tỷ lệ nhiễu tín hiệu trên nhiễu tạp âm (SINR), từ đó nâng cao thông lượng người dùng Đồng thời, việc giảm công suất truyền trên DL cũng giúp cải thiện hiệu quả công suất tổng thể.
Số lượng phần tử ăng ten cần thiết phụ thuộc vào một vài yếu tố:
Tăng ích của mảng (vùng phủ sóng, giảm công suất, v.v.)
Các lớp ghép kênh cần thiết
Nhiều người dùng dự kiến sẽ được phục vụ
Dải tần số được sử dụng
Độ phức tạp xử lý tín hiệu (ước tính CSI, tương tự so với miền số, v.v.)
Tăng hiệu suất hệ thống (SINR, dung lượng, tốc độ dữ liệu, v.v.)
Sử dụng nhiều kỹ thuật ăng ten mang lại lợi ích lớn trong việc giảm thiểu sự thay đổi kênh, điều này rất quan trọng để chống lại pha đinh đa đường Để đạt được hiệu quả này, cần ít nhất 64 ăng ten trong mảng Các trường hợp triển khai 5G do 3GPP đưa ra cho thấy sự đa dạng trong các dịch vụ eMBB, uRLLC và mMTC, với số lượng ăng ten tối đa cho DL và UL lần lượt là 256 và 32.
2.3.2 Kết nối mạng bằng phần mềm
Các chức năng mạng ảo (NFV) và kết nối mạng bằng phần mềm (SDN) đang thúc đẩy sự chuyển mình sang mạng tập trung vào phần mềm, mang lại cải tiến về hiệu suất hệ thống và tiết kiệm chi phí cho các nhà mạng Những công nghệ này giúp quản lý mạng dễ dàng hơn, hỗ trợ các tính năng mới và cải thiện tính linh hoạt của mạng Đồng thời, chúng cũng tạo cơ hội cho các nhà cung cấp dịch vụ mới, như các gã khổng lồ Internet và nhà cung cấp dịch vụ cáp, thiết lập sự hiện diện trong lĩnh vực mạng không dây Việc áp dụng NFV và SDN bắt đầu từ việc ảo hóa các chức năng quan trọng như EPC (vEPC) và dần chuyển xuống các lớp phần mềm giao thức ở phía vật lý.
Việc chuyển sang SDN giúp các nhà khai thác mạng chủ động triển khai nhiều trường hợp sử dụng khác nhau, với lợi ích nổi bật là lát cắt mạng Kỹ thuật này cho phép mạng tự động kết hợp các chức năng truy cập và mạng lõi để đáp ứng yêu cầu cụ thể như độ trễ và băng thông Xu hướng này đã bắt đầu từ 4G, khi một bộ dịch vụ đa dạng xuất hiện, và 3GPP đang giải quyết nhu cầu này trong quá trình phát triển LTE Chúng ta dự đoán nhu cầu sẽ tiếp tục tăng, tạo ra các yêu cầu đa dạng hơn Kiến trúc mạng LTE cần linh hoạt và mở rộng hơn để hỗ trợ dịch vụ 5G, và lát cắt mạng chính là giải pháp cho các trường hợp sử dụng phong phú này.
Lát cắt mạng tạo ra kiến trúc mạng ảo dựa trên nguyên tắc SDN và NFV, cho phép tối ưu hóa hạ tầng vật lý chia sẻ để đáp ứng yêu cầu của ứng dụng và dịch vụ Các mạng ảo này bao gồm tập hợp chức năng mạng, cung cấp mạng logic hoàn chỉnh từ đầu đến cuối, đáp ứng yêu cầu hiệu suất cụ thể Chẳng hạn, kỹ thuật thông tin mMTC yêu cầu dung lượng người dùng mà không cần độ trễ thấp, trong khi xe tự lái lại phụ thuộc vào độ trễ thấp mà không cần dịch vụ eMBB với thông lượng cao nhất.
Hình 2.4 Ví dụ về một phần mạng hỗ trợ dịch vụ uR-LLC, eMBB và mMTC
Hình 2.4 cung cấp ví dụ sơ đồ khối làm thế nào để mạng có thể được cắt để hỗ trợ các dịch vụ 5G khác nhau được đưa ra ở trên
2.3.3 Điện toán cạnh đa truy cập Để hỗ trợ các yêu cầu về độ trễ thấp hơn, chỉ tối ưu hóa trong giao diện vô tuyến 5G là không đủ mà chúng ta cần phải tối ưu hóa mạng Điện toán cạnh đa truy cập (MEC) là một phương pháp dịch chuyển các chức năng trung tâm của mạng lõi hoặc trung tâm dữ liệu gần với cạnh của mạng (về phía ăng ten), nơi mà dữ liệu sẽ được vận hành theo Phương pháp này được thể hiện bằng cách sử dụng nguyên tắc dịch chuyển, độ trễ từ đầu đến cuối của người dùng có thể được giảm đáng kể Ngoài ra, lưu lượng đường trục cũng có thể được giảm đi vì các dung lượng đường trục đã được giảm đáng kể bởi điều này
MEC (Mobile Edge Computing) cho phép điện toán đám mây gần gũi hơn với người dùng thông qua mạng truy cập, được hỗ trợ bởi điện toán sương mù Cạnh mạng được xem như ăng ten trong các đầu vô tuyến từ xa (RRH) kết nối với mạng truy cập vô tuyến (RAN) Việc triển khai tính toán ở rìa mạng chủ yếu nhằm giảm độ trễ mà ứng dụng di động phải chịu khi kết nối với máy chủ Độ trễ càng thấp khi máy chủ MEC gần rìa mạng, giúp loại bỏ thời gian cần thiết để gói dữ liệu vào mạng không dây Ví dụ, độ trễ < 1 ms là cần thiết cho robot công nghiệp và lái xe tự động, < 10 ms cho ứng dụng thực tế tăng cường, và < 100 ms cho ứng dụng lái xe hỗ trợ.
Hình 2.5 minh họa khái niệm phân phối chức năng từ mạng lõi và trung tâm dữ liệu (điện toán đám mây) đến cạnh (điện toán sương mù) Việc này không chỉ giúp giảm độ trễ ứng dụng mà còn giảm lưu lượng đường trục bằng cách tránh gửi đồng thời các gói lớn vào mạng để xử lý, sau đó mới gửi tất cả các đường trở lại cạnh.
MEC sẽ thực hiện chức năng tính toán và lưu trữ với một số mục tiêu của thị trường để triển khai MEC là:
Giảm tổng chi phí sở hữu (OPEX và CAPEX)
Tăng doanh thu bằng cách áp dụng công nghệ mới, như trí thông minh nhân tạo và mạng phân phối nội dung, để tạo ra các dịch vụ mới.
Di chuyển tự nhiên khi ảo hóa tạo ra mạng truy cập (cạnh và sương mù)
Cải thiện hiệu suất (độ trễ thấp hơn, giảm lưu lượng tái sinh)
Hình 2.5 Sơ đồ mạng thể hiện chức năng điện toán phân tán đối với cạnh
Dải sóng mm và phổ tần 5G
LTE có băng thông tối đa 20 MHz, cho phép tăng tốc độ dữ liệu người dùng nhờ vào các công nghệ như HOM, MIMO và kỹ thuật CA Mặc dù hiện tại chỉ hỗ trợ tối đa 5 CA, nhưng các thông số kỹ thuật LTE 3GPP có khả năng hỗ trợ lên đến 32 nhà mạng, mở ra cơ hội tăng tốc độ dữ liệu đáng kể Để đạt được tốc độ Gbps, các nhà khai thác cần tổng hợp phổ tần được cấp phép và không được cấp phép thông qua truy cập hỗ trợ giấy phép Băng tần 46 (B46) với phổ tần từ 5.15-5.925 GHz đã được xác định cho mục đích này.
Hình 2.6 Sự xem xét băng tần 5G
5G có băng thông tối đa 100 MHz cho các dải tần số dưới 6 GHz, với băng thông lớn mang lại tốc độ dữ liệu cao, nhưng băng thông thấp hơn cũng có thể cung cấp dịch vụ 5G Điều này, kết hợp với việc phân bổ phổ tần phân mảnh, cho thấy nhu cầu về tính linh hoạt trong các tham số OFDMA Ngoài việc sử dụng phổ tần được cấp phép và không được cấp phép (5-5.9, 64-71 GHz), một tùy chọn khác là sử dụng phổ tần dịch vụ vô tuyến băng rộng của băng dân sự (CBRS) với phạm vi 3.55-3.7 GHz, tổng băng thông 150 MHz, được điều chỉnh bởi khung ủy quyền phổ ba tầng để chia sẻ với người dùng liên bang và không liên bang Hình 2.6 tóm tắt các mục cần xem xét khi sử dụng các dải tần 5G.
Trong bối cảnh triển khai TDD, việc sử dụng các tần số mới được hỗ trợ là rất quan trọng Chúng ta không chỉ mong đợi băng thông ở các dải tần số thấp, trung bình và cao, mà còn cần phương pháp song công được cải tiến Một số nhà khai thác đang tập trung vào việc cung cấp dịch vụ 5G tốc độ cao qua truy cập không dây, thay vì triển khai 5G ban đầu trong các dải sóng mm, nhằm hỗ trợ các ứng dụng băng rộng di động Cách tiếp cận này sẽ thúc đẩy phát triển hệ sinh thái dựa trên sóng mm cho các thiết bị chạy bằng pin Nghiên cứu về các tập hợp phổ tần không đồng nhất cho thấy phổ tần được cấp phép luôn được sử dụng, đồng thời có sáng kiến hỗ trợ các dịch vụ sử dụng phổ tần không được cấp phép như WiFi Liên minh MulteFire cho phép công nghệ LTE và 5G hoạt động độc lập trong phổ tần dùng chung và không được cấp phép, tạo điều kiện cho các dịch vụ riêng biệt và kiến trúc mạng linh hoạt.
Bảng 2.2: Các băng tần số 5G mới
6 GHz Châu Âu 3.4-3.8 400 MHz 24.25-27.35 3.1 GHz Trung Quốc 3.3-3.6 300 MHz
Phổ tần cho dịch vụ 5G đang gặp nhiều thách thức, với một số dải tần số mới được xem xét trong NR 5G theo vùng Các nhà khai thác và nhà sản xuất thiết bị phải lựa chọn giữa các tùy chọn như tái canh, mua mới hoặc hợp tác Hiện nay, sự kết hợp hiệu quả hướng tới sự hài hòa toàn cầu tập trung chủ yếu vào các dải tần số 3-4GHz, trong khi tại Hoa Kỳ, sự phát triển này vẫn còn hạn chế hơn.
Thiết kế dạng sóng cho 5G
CP-OFDM mặc dù có một số hạn chế không phù hợp cho mọi ứng dụng 5G, nhưng vẫn là dạng sóng chính nhờ vào những ưu điểm và khả năng tương thích ngược Để khắc phục những hạn chế như SCS cố định trong 4G LTE, chi phí CP và sự phát xạ OOB cao, một số sửa đổi đã được đề xuất nhằm tối ưu hóa CP-OFDM cho các ứng dụng 5G.
Internet vạn vật (IoT) đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển nhanh chóng của người dùng 5G Các thiết bị IoT, như cảm biến, thường gửi các gói dữ liệu ngắn với công suất hạn chế, trong khi eMBB yêu cầu truyền tải khối lượng dữ liệu lớn trong thời gian ngắn Sự khác biệt trong các xung đột vận chuyển khiến CP-OFDM với SCS cố định tạo ra dạng sóng không chính xác Đối với ứng dụng IoT, 5G cần hỗ trợ chế độ truyền với độ trễ giao diện vô tuyến rất thấp thông qua các khung ngắn Để đạt được truyền độ trễ thấp, cần có TTI ngắn và giảm thiểu thời gian của các thiết bị giá rẻ để đảm bảo hiệu quả năng lượng Việc phát xạ OOB có thể được cải thiện bằng cách áp dụng cửa sổ miền thời gian, giúp làm mượt quá trình chuyển đổi giữa các symbol.
Các tham số OFDM đã được thiết lập nhằm hỗ trợ triển khai các phổ tần khác nhau Hiện tại, giá trị SCS được sử dụng là 15, 30 và 60.
120, 240 và 480 kHz Kích thước FFT tối đa hiện được đặt thành 4096 và số khối tài nguyên (RB) tối đa có thể được truyền cũng tăng lên đến 275 (hoặc
Sóng mang con 3300 mang lại nhiều lợi thế trong việc triển khai phổ tần và cho phép truyền tải hiệu quả hơn Chẳng hạn, trong công nghệ LTE, chúng ta áp dụng những lợi ích này để cải thiện khả năng truyền dữ liệu.
Với việc áp dụng bộ số liệu mới, chúng ta có thể sử dụng tới 99 MHz trong phổ tần 100 MHz có sẵn, mặc dù chỉ có 18 MHz từ phổ tần 20 MHz Ví dụ, khi triển khai 100 MHz, các tham số như SCS = 30 kHz và kích thước FFT = 4096 sẽ dẫn đến tần số lấy mẫu đạt 122.88 MHz, gấp hơn 4 lần so với LTE trong khi sử dụng phổ tần gấp 5 lần.
Hệ thống OFDMA linh hoạt là yếu tố quan trọng cho việc triển khai hiệu quả các dịch vụ 5G Các dải tần số thấp hơn sẽ được sử dụng cho triển khai rộng rãi với SCS nhỏ và độ dài khung phụ lớn, trong khi dải tần số cao hơn sẽ phục vụ cho các triển khai dày đặc với SCS lớn hơn Khả năng triển khai này có thể được phát huy từ một hệ thống số học linh hoạt Để giảm phát xạ OOB, các giải pháp như lọc và cửa sổ được áp dụng cho OFDM, bao gồm F-OFDM, Wola-OFDM và UF-OFDM, cùng với các bộ lọc đa sóng mang.
(FBMC) và các giải pháp khác đã được đề xuất cho dạng sóng mới trong 5G và hơn thế nữa.
Công nghệ đa truy cập từ 1G đến 5G
Trong lịch sử phát triển của các hệ thống tế bào, nhiều kỹ thuật đa truy cập đã được áp dụng Thế hệ đầu tiên sử dụng FDMA, trong đó dải tần số được chia thành các kênh tần số dành riêng cho từng người dùng Thế hệ thứ hai chuyển sang TDMA và CDMA, với TDMA sử dụng khe thời gian làm tài nguyên và CDMA sử dụng chuỗi PN Độ phức tạp của máy thu TDMA tăng lên đáng kể khi tốc độ dữ liệu, thứ tự điều chế và số lượng anten tăng Thế hệ thứ ba đã triển khai CDMA với băng thông lớn hơn, đồng thời giới thiệu khái niệm kênh chia sẻ, nơi tài nguyên vật lý được phân bổ cho người dùng thông qua khe thời gian và mã PN Tuy nhiên, độ phức tạp công nghệ CDMA cũng tăng theo tốc độ dữ liệu, dẫn đến việc băng thông trải rộng WCDMA yêu cầu khả năng xử lý cao hơn để triệt tiêu nhiễu hiệu quả.
Hình 2.7 Kỹ thuật thông tin đường lên và đường xuống
Thế hệ thứ tư của các hệ thống tế bào đã triển khai công nghệ OFDMA, giữ nguyên khái niệm kênh chia sẻ với tài nguyên vật lý là các khe thời gian và sóng mang con tần số Công nghệ này đảm bảo tính khả dụng của tài nguyên và duy trì băng thông thông tin ở mức mong muốn Nhờ vào việc sử dụng xử lý tín hiệu miền tần số và tần số tuần hoàn, độ phức tạp của máy thu được quản lý hiệu quả Đây cũng là lý do mà thế hệ thứ năm quyết định tiếp tục áp dụng OFDMA.
Hình 2.8 Miền tốc độ của hai người dùng DL và UL
Hình 2.7 minh họa sự khác biệt giữa các liên kết thông tin DL và UL, trong đó DL bắt đầu với tín hiệu chung cho tất cả các UE trong tế bào, mỗi UE ở vị trí khác nhau và trải qua pha đinh đa đường khác nhau, ký hiệu là h i, cùng với tạp âm cộng tính riêng n i Ngược lại, UL bắt đầu với tín hiệu riêng lẻ bị suy hao do pha đinh khác nhau và được tổng hợp tại ăng ten thu trạm gốc, nơi tạp âm cộng tính được thêm vào Hình 2.8 thể hiện vùng tốc độ của đa truy cập DL và UL cho hai người dùng, với các phép đo OMA được thể hiện bằng đường liền nét và sự chống lại mã hóa chồng chất bằng đường đứt nét; đường cong bên trái biểu thị dung lượng DL và bên phải là dung lượng UL.
Đa truy cập không trực giao là gì?
Trong hệ thống đa truy cập trực giao (OMA) như TDMA và FDMA, tài nguyên được phân bổ để tránh nhiễu giữa người dùng, làm giới hạn số lượng người dùng có thể hỗ trợ Ngược lại, đa truy cập không trực giao (NOMA) cho phép sử dụng nhiễu trong phân bổ tài nguyên, và áp dụng các kỹ thuật loại bỏ nhiễu như loại bỏ nhiễu liên tiếp (SIC) và bộ tách nhiều người dùng (MUD) để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu NOMA đang được 3GPP xem xét trong Phiên bản 16.
Hình 2.9 Sự phân bố phổ và công suất của NOMA và OMA
NOMA, hay Non-Orthogonal Multiple Access, là công nghệ cho phép nhiều người dùng chia sẻ tài nguyên mà không cần trực giao, từ đó nâng cao thông lượng của từng người dùng và toàn bộ hệ thống Công nghệ này có thể được triển khai trong các miền khác nhau như miền công suất, miền mã, và nhiều miền khác.
Miền công suất NOMA tận dụng sự khác biệt cường độ kênh giữa người dùng, cho phép đạt được lưu lượng tối ưu trong mạng đơn bào, như thể hiện trong Hình 2.7 và 2.8 Đồ họa trong Hình 2.9 so sánh phân bổ phổ tần và công suất của NOMA với OMA Trong các hệ thống NOMA, hai người dùng có thể chia sẻ cùng một dải phổ tần với công suất khác nhau được phân bổ cho mỗi người dùng.
Các sơ đồ NOMA miền mã tận dụng các phương pháp phát hiện đa người dùng với độ phức tạp thấp Một số ví dụ tiêu biểu bao gồm đa truy cập mã thưa (SCMA), đa truy cập phân chia xen kẽ (IDMA) và phân tán mật độ thấp (LDS)-CDMA.
Một số lợi ích có thể có khi sử dụng NOMA là:
NOMA vượt trội hơn OMA vì không bị giới hạn bởi số lượng tài nguyên trực giao, cho phép hỗ trợ số lượng người dùng không giới hạn.
Độ trễ thấp hơn là một trong những ưu điểm của OMA, khi nó phải chờ các khối tài nguyên có sẵn để truyền đi, điều này yêu cầu phải chờ cấp quyền truy cập Ngược lại, NOMA hỗ trợ truyền lịch biểu linh hoạt và truyền miễn phí, giúp giảm thiểu thời gian chờ đợi và cải thiện hiệu suất truyền tải.
Hiệu suất phổ tần của NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access) được cải thiện đáng kể so với OMA (Orthogonal Multiple Access), với mỗi người dùng NOMA có khả năng sử dụng toàn bộ băng thông Điều này cho phép tốc độ dữ liệu của những người dùng được phân nhóm đúng tăng lên, mang lại lợi thế rõ rệt so với OMA, nơi người dùng chỉ có thể sử dụng một lượng băng thông hạn chế.
Các thành phần hệ thống tế bào của NOMA là:
Nhóm nhiều người dùng, tức là quyết định những người dùng nào sẽ được nhóm lại với nhau để triển khai NOMA
Phân bổ tài nguyên (công suất, mã, v.v.), ví dụ đối với trường hợp NOMA miền công suất, người dùng có chênh lệch công suất lớn là thuận lợi
Các kỹ thuật khử nhiễu SIC hoặc MUD để loại bỏ sự thêm vào NOMA được điều khiển
Với sự hỗ trợ của SIC hoặc MUD, NOMA có khả năng thúc đẩy khái niệm đa truy cập, giúp tăng cường dung lượng hệ thống và thông lượng người dùng trong tương lai Tuy nhiên, sự gia tăng này cũng đặt ra những thách thức mới, yêu cầu chúng ta nghiên cứu các giải pháp sáng tạo Lựa chọn công nghệ truy cập vô tuyến sẽ đóng vai trò then chốt, và NOMA được xem là một giải pháp tiềm năng để đáp ứng nhu cầu của các hệ thống trong tương lai.
Kết luận chương 2
Trong chương này, chúng ta sẽ khám phá tổng quan về mạng tế bào 5G, tập trung vào các kỹ thuật đa truy cập trực giao và không trực giao, cũng như kiến trúc mạng trong các thế hệ công nghệ khác nhau Yêu cầu IMT-2020 cho 5G bao gồm tăng cường băng thông rộng di động, độ tin cậy cao và độ trễ thấp, với các giải pháp như OFDM linh hoạt được thảo luận để đáp ứng những yêu cầu này Ngoài ra, các thành phần kỹ thuật chính của mạng không dây 5G như massive MIMO, RAN và SDN cũng đã được đề cập Cuối cùng, chúng ta sẽ xem xét các ưu điểm và thách thức của CP-OFDM, cùng với các hướng đi khả thi cho thiết kế sóng mới.