MỤC LỤC Trang DANH MỤC HÌNH ẢNH IV DANH MỤC CÁC BẢNG VI DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VI LỜI NÓI ĐẦU XII CHƯƠNG 1: Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động 14 1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) 15 1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) 16 1.3 Hệ thống thông tin di động 2,5G 18 1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) 19 1.5 Hệ thống thông tin di động tiền 4G (pre4G) 21 1.6 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G) 23 1.7 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ năm (5G) 24 1.8 Kết luận chương 1 26 CHƯƠNG 2: Kiến trúc của hệ thống thông tin di động 5G 27 2.1 Số liệu thực tế và thách thức 27 2.1.1 Những số liệu thực tế 27 2.1.2 Thách thức đối với hệ thống thông tin di động thứ 5 29 2.2 Các yêu cầu chính cho hệ thống thông tin di động 5G 30 2.3 Khái niệm và Kiến trúc 33 2.3.1 Dịch vụ đổi mới 34 2.3.2 Nền tảng cho phép (Enabling Platform) 35 2.3.3 Cơ sở hạ tầng siêu kết nối 36 2.4 Các công nghệ cho phép 38 2.5 Kết luận chương 2 40 CHƯƠNG 3: Công nghệ cho phép và các dịch vụ 5G 41 3.1 Các công nghệ 5G 41 3.1.1 Trải nghiệm người dùng thực tế và xử lý nội dung 5G 41 3.1.2 Xử lý hiệu quả và truyền tải đa phương tiện 43 3.1.3 Mạng toàn cầu dựa trên nền tảng đám mây 45 3.1.4 Mạng thông minh và tối ưu hóa mạng dựa trên những phân tích 46 3.1.5 Mạng lưới vận tải linh hoạt nhanh 47 3.1.6 Kiến trúc mạng ngoài 49 3.1.6.1 Truyền thông Trực tiếp D2D 49 3.1.6.2 MultiRAT 51 3.1.6.3 Mạng di chuyển MN 53 3.1.7 Hoạt động nâng cao cho Multicell 55 3.1.8 Cell nhỏ, siêu dày đặc 56 3.1.9 Băng tần rộng RF chùm tia 3D 57 3.1.10 Tăng cường công nghệ nhiều anten và Massive MIMO 59 3.1.11 Nâng cao IoT và dạng sóng mới 63 3.2 Dịch vụ 66 3.2.1 Dịch vụ IoT (Internet of Things) 66 3.2.2 Hình ba chiều và dịch vụ gọi 3D hologram 67 3.2.3 Dịch vụ AR VR hấp dẫn quy mô lớn 68 3.2.4 Dịch vụ trễ cực thấp 69 3.2.5 Dịch vụ thông minh dựa trên phân tích dữ liệu 71 3.2.6 An toàn công cộng và dịch vụ cứu trợ tai hoạ 72 3.3 Phổ 73 3.3.1 Các băng tần số yêu cầu của 5G 73 3.3.2 Dự báo nhu cầu tương lai đối với băng tần 5G 74 3.4 Kết luận chương 3 75 CHƯƠNG 4: Đa truy cập không trực giao (NOMA) cho mạng 5G 76 4.1 Giới thiệu 76 4.2 Đa truy cập không trực giao (NOMA) 77 4.2.1 NOMA cho đường xuống 78 4.2.2 NOMA cho đường lên 81 4.3 Hiệu quả quang phổ và hiệu suất năng lượng 83 4.4 Kết quả 84 4.5 Kết luận chương 4 85 KẾT LUẬN 86 PHỤ LỤC 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 LỜI NÓI ĐẦU Hệ thống thông tin di động hiện tại đã đạt được nhiều thành tựu to lớn. Cho đến bây giờ mạng 4G đã được triển khai khắp cả nước, nhờ đó mà cuộc cách mạng công nghê thông tin ngày càng bùng nổ. Nhiều thiết bị thông minh đã gắn liến với công việc hay cuộc sống mỗi người như đồng hồ, tivi, đồ gia dụng, nhà thông minh... Mạng 4G đã đáp ứng được tốc độ dữ liệu nhanh hơn, lên đến chục thậm chí hàng trăm Mbps, khối lượng dữ liệu lớn hơn. Mặc dù vậy, với tốc độ phát triển các công nghệ phần cứng tăng lên chóng mặt về tốc độ xử lý và số lượng thiết bị hiện nay thì tương lai không xa mạng 4G vẫn sẽ không đáp ứng nổi. Đó là một thách thức lớn đối với nhà mạng, điều đó đặt ra hệ thống thông tin di động tiếp theo gọi tắt là 5G, phải đạt tốc độ nhanh hơn gấp nhiều lần so với 4G, độ trễ thấp, hiệu suất hoạt động cao hơn và mang đến những trải nghiệm tiến tiến hơn cho người dùng. 5G (Thế hệ mạng di động thứ 5 hoặc hệ thống không dây thứ 5) là thế hệ tiếp theo của công nghệ truyền thông di động sau thế hệ 4G. Theo các nhà phát minh, mạng 5G sẽ có tốc độ nhanh hơn khoảng 100 lần so với mạng 4G hiện nay, giúp mở ra nhiều khả năng mới và hấp dẫn. Lúc đó, xe tự lái có thể đưa ra những quyết định quan trọng tùy theo thời gian và hoàn cảnh. Tính năng chat video sẽ có hình ảnh mượt mà và trôi chảy hơn, làm cho chúng ta cảm thấy như đang ở trong cùng một mạng nội bộ. Các cơ quan chức năng trong thành phố có thể theo dõi tình trạng tắc nghẽn giao thông, mức độ ô nhiễm và nhu cầu tại các bãi đậu xe, do đó có thể gửi những thông tin này đến những chiếc xe thông minh của mọi người dân theo thời gian thực. Mạng 5G được xem là chìa khóa để chúng ta đi vào thế giới mạng lưới vạn vật kết nối internet, trong đó các bộ cảm biến là những yếu tố quan trọng để trích xuất dữ liệu từ các đối tượng và từ môi trường. 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 hơi và thiết bị đeo. Tuy nhiên, để cung cấp 5G, các nhà mạng sẽ cần phải tăng cường hạ tầng cơ sở hạ tầng (gọi là trạm gốc). Họ có thể bắt đầu bằng cách khai thác dải phổ hiện còn trống. Sóng tín hiệu với tần số đo MHz sẽ được nâng cao lên thành GHz hay thậm chí nhanh hơn. Mạng 5G được tung ra vào năm 2020 để đáp ứng nhu cầu kinh doanh và người tiêu dùng. Trên đây là những khó khăn thách thức thực sự cho các nhà mạng, và đây cũng lý do mà em chọn đề tài “NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G” làm đề tài cho đồ án tốt nghiệp đại học. Nội dung đồ án gồm: Chương 1: Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động Chương 2: Kiến trúc của hệ thống thông tin di động 5G Chương 3: Công nghệ cho phép và các dịch vụ 5G Chương 4: Đa truy cập không trực giao (NOMA) cho mạng 5G Em cảm ơn các thầy cô trong khoa Kỹ thuật và Công nghệ đã tạo điều kiện, giúp đỡ và trang bị cho em những kiến thức quý báu. Em cũng xin chân thành cảm ơn thầy ThS. Phạm Hồng Thịnh đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ em hoàn thành tốt đồ án này. Tuy nhiên, do hạn chế về mặt thời gian cũng như năng lực bản thân nên nội dung của đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong thầy cô nhiệt tình đóng góp ý kiến thêm để đồ án này được hoàn thiện hơn.
Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G)
Hệ thống thông tin di động 1G, ra đời năm 1979 tại Nhật Bản, là mạng điện thoại di động đầu tiên trên thế giới Hệ thống này sử dụng công nghệ truyền dẫn tương tự để truyền tín hiệu thoại, áp dụng phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) và điều chế tần số (FM).
- Sử dụng kỹ thuật chuyển mạch tương tự.
- Dịch vụ đơn thuần là thoại.
- Mỗi máy di động được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến.
- Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận là đáng kể.
- Trạm thu phát gốc phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi máy di động.
Một số hệ thống thông tin di động 1G điển hình:
NMT (Nordic Mobile Telephone) là hệ thống điện thoại di động được phát triển tại một số quốc gia Bắc Âu vào năm 1982, bao gồm hai tiêu chuẩn chính là NMT-450 và NMT-900 Trong đó, NMT-450 sử dụng dải tần 450MHz và là phiên bản đầu tiên, trong khi NMT-900, được phát triển sau, hoạt động trên dải tần 900MHz.
Hệ thống TACS (Total Access Communications System) được triển khai lần đầu tiên tại Anh vào năm 1985 và sau đó được phát triển ở một số quốc gia Trung Âu và Nam Âu, sử dụng dải tần 900MHz.
AMPS (Hệ thống Điện thoại Di động Tiên tiến) được ra mắt lần đầu tiên tại Bắc Mỹ vào năm 1978 và sau đó được phát triển tại một số quốc gia ở Nam Mỹ, Úc và New Zealand, sử dụng dải tần 800MHz.
Những hạn chế của hệ thống thông tin di động 1G:
- Phân bố tần số rất hạn chế, dung lượng nhỏ.
- Gây tiếng ồn khó chịu và nhiễu xảy ra khi máy di động dịch chuyển.
- Không đảm bảo tính bí mật cuộc gọi.
- Không đáp ứng được các dịch vụ mới hấp dẫn đối với khách hàng.
- Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau.
- Chất lượng thấp và vùng phủ sóng hẹp.
- Kích thước thiết bị di động lớn.
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G)
Hệ thống thông tin di động 2G được đặc trưng bởi công nghệ chuyển mạch kỹ thuật số, sử dụng các phương pháp đa truy nhập như TDMA và CDMA Những kỹ thuật này giúp tối ưu hóa việc sử dụng băng thông so với công nghệ 1G Đến nay, nhiều thuê bao di động vẫn tiếp tục sử dụng công nghệ 2G.
- Phương thức đa truy nhập: Sử dụng đa truy nhập TDMA và CDMA băng hẹp.
- Sử dụng chuyển mạch kênh.
- Dung lượng tăng, chất lượng thoại tốt hơn, hỗ trợ các dịch vụ truyền dữ liệu.
Một số hệ thống thông tin di động 2G điển hình:
GSM (Global System for Mobile Communication): được triển khai đầu tiên tại
Châu Âu vào năm 1990 GSM sử dụng kỹ thuật đa truy nhập TDMA có tốc độ từ 6,5 –
Các hệ thống GSM phổ biến:
- GSM 900: có dải tần cơ bản (890 – 960)MHz Trong đó:
Hệ thống này được sử dụng phổ biến ở Châu Âu và nhiều nước Châu Á.
- GSM 1800: có dải tần cơ bản (1.710 – 1.880)MHz Trong đó:
Hệ thống này cũng được sử dụng ở Châu Âu và nhiều nước Châu Á, tuy nhiên phổ biến nhất là ở Châu Mỹ và Canada.
- GSM 1900: có dải tần cơ bản (1.850 – 1.990)MHz Trong đó:
Hệ thống này được sử dụng phổ biến ở Bắc Mỹ.
IS-136 (Interim Standard – 136): Do AT&T (American Telephone and Telegraph
Chuẩn IS-136, hay còn gọi là D-AMPS (Digital – Advanced Mobile Phone System), được đề xuất bởi Corporation vào năm 1990 Công nghệ này sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) và có khả năng đạt tốc độ dữ liệu lên đến 30 kb/s.
IS-136 được nâng cấp từ hạ tầng mạng AMPS hoạt động ở băng tần 1900MHz, trong đó:
CdmaOne hay IS-95 (Interim Standard – 95A): là tiêu chuẩn thông tin di động
CDMA băng hẹp của Mỹ do Qualcomm đề xuất và được chuẩn hóa vào năm 1993.
IS-95 sử dụng dải tần (869 – 894)MHz và độ rộng kênh là 1,25MHz cho mỗi hướng lên và xuống Tốc độ dữ liệu tối đa của IS-95A là 14,4 kb/s.
Hệ thống này được sử dụng phổ biến ở Mỹ, Hàn Quốc, Hồng Kông, Nhật Bản, Singapore và một số nước Đông Á.
Ưu điểm của hệ thống thông tin di động 2G:
Hệ thống thông tin di động 2G được phát triển để khắc phục những hạn chế của hệ thống 1G, mang lại nhiều ưu điểm nổi bật.
- Sử dụng kỹ thuật điều chế số tiên tiến nên hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn.
Hệ thống số chống nhiễu kênh cùng tần số (CCI) và chống nhiễu kênh kề (ACI) hoạt động hiệu quả hơn, giúp tăng dung lượng hệ thống và đảm bảo chất lượng thông tin.
- Điều khiển động việc cấp phát kênh một cách liên tục giúp cho việc sử dụng tần số hiệu quả hơn.
- Điều khiển truy nhập và chuyển giao hoàn hảo hơn, dung lượng tăng, báo hiệu dễ dàng xử lý bằng phương pháp số.
- Có nhiều dịch vụ mới nhận thực hơn (kết nối với ISDN).
Nhược điểm của hệ thống thông tin di động 2G:
Độ rộng dải thông băng tần hạn chế của hệ thống dẫn đến việc các dịch vụ ứng dụng không thể phát triển, không đáp ứng được nhu cầu cho các dịch vụ thông tin di động đa phương tiện trong tương lai.
- Tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động 2G là không thống nhất, do đó việc chuyển giao toàn cầu khó thực hiện được.
Hệ thống thông tin di động 2,5G
Hệ thống thông tin di động 2,5G là phiên bản nâng cấp của hệ thống 2G, đánh dấu bước chuyển tiếp quan trọng hướng tới công nghệ di động thế hệ thứ 3 (3G) Sự nâng cấp này không chỉ cải thiện tốc độ truyền tải dữ liệu mà còn tạo nền tảng cho các ứng dụng di động tiên tiến hơn trong tương lai.
Đặc điểm của hệ thống thông tin 2,5G:
- Các dịch vụ số liệu được cải tiến:
+ Tốc độ bit cao hơn.
+ Hỗ trợ kết nối Internet.
- Hỗ trợ thêm phương thức chuyển mạch gói.
Một số hệ thống thông tin di động 2,5G điển hình:
GPRS (General Packet Radio Service)
GPRS, phát triển từ GSM và IS-136, cung cấp dịch vụ dữ liệu tốc độ cao với tốc độ từ 14,4 kb/s đến 115 kb/s, và lý thuyết có thể đạt tới 171,2 kb/s Được giới thiệu bởi Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu ETSI vào năm 1999, GPRS là giải pháp chuyển mạch gói, đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển tiếp từ công nghệ 2G sang 3G cho các nhà cung cấp dịch vụ.
EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) là công nghệ di động được triển khai tại Mỹ vào năm 2003, nâng cấp từ GPRS, cho phép truyền dữ liệu với tốc độ tối đa lên đến 384 kb/s cho người dùng cố định hoặc di chuyển chậm, và 144 kb/s cho người dùng di chuyển với tốc độ cao Trong quá trình phát triển về công nghệ di động, EDGE được biết đến như một bước chuyển tiếp giữa 2G và 3G, hay còn gọi là công nghệ 2.75G.
IS-95B là hệ thống thông tin di động 2,5G được nâng cấp từ IS-95A, được triển khai rộng rãi vào năm 1999 Tiêu chuẩn này mang lại tính linh hoạt cao, cho phép cung cấp dịch vụ dữ liệu với tốc độ lên đến 115 kb/s.
CDMA2000 1xRTT là giai đoạn đầu của công nghệ CDMA2000, được nâng cấp từ IS-95B và ra mắt vào năm 2000 Mục tiêu của nó là cải thiện dung lượng thoại so với IS-95B và hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu đạt tối đa 307,2 kb/s, mặc dù các thiết bị thương mại chỉ cho phép tốc độ tối đa 153,6 kb/s Tương tự như EDGE, CDMA2000 1xRTT được phân loại là hệ thống 2,75G.
Ưu điểm của hệ thống thông tin di động 2,5G:
Chúng tôi cung cấp các dịch vụ mạng mới và nâng cao hiệu quả của các dịch vụ truyền số liệu, bao gồm nén số liệu người dùng, chuyển mạch kênh tốc độ cao và dịch vụ vô tuyến gói đa năng.
- Cung cấp các dịch vụ bổ sung như: chuyển hướng cuộc gọi, hiển thị tên chủ gọi, chuyển giao cuộc gọi và các dịch vụ cấm gọi mới.
- Cải thiện các dich vụ liên quan đến SMS (Short Message Service) như: mở rộng bản chữ cái, mở rộng tương tác giữa các SMS.
- Tăng cường công nghệ SIM (Subcriber Indentification Module).
- Hỗ trợ các dịch vụ mạng thông minh.
Cải thiện các dịch vụ chung bao gồm nâng cao dịch vụ định vị, tối ưu hóa tương tác với các hệ thống thông tin di động vệ tinh và hỗ trợ định tuyến hiệu quả hơn.
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G)
To meet the growing demand for mobile information in terms of quantity, speed, and quality, the International Telecommunication Union (ITU) has introduced a standardization initiative for third-generation mobile information, known as IMT-2000 (International Mobile Telecommunications for the Year 2000).
Năm 2000, việc nâng cao tốc độ truy nhập và mở rộng đa dạng dịch vụ đã được thực hiện, đồng thời đảm bảo tính tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có, nhằm thúc đẩy sự phát triển liên tục của thông tin di động.
Nhiều tiêu chuẩn cho IMT-2000 đã được đề xuất, trong đó WCDMA và CDMA-2000 được ITU chấp nhận và hoạt động từ đầu những năm 2000 Cả hai hệ thống này đều sử dụng công nghệ Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA, cho phép thiết lập tiêu chuẩn toàn cầu cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin di động 3G.
Một số hệ thống thông tin di động 3G điển hình:
UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)
UMTS, còn được biết đến với tên gọi 3GSM, sử dụng công nghệ WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) để thực hiện đa truy nhập phân chia theo mã Công nghệ này được chuẩn hóa bởi 3GPP (3rd Generation Partnership Project) và là lựa chọn phổ biến của các nhà cung cấp dịch vụ GSM/GPRS để nâng cấp lên 3G Mặc dù UMTS có khả năng cung cấp tốc độ dữ liệu tối đa lên đến 1920 kb/s, tốc độ thực tế thường chỉ đạt khoảng 384 kb/s Để cải thiện tốc độ dữ liệu cho mạng 3G, hai kỹ thuật HSDPA và
HSUPA đã được đề xuất và khi cả hai kỹ thuật này được triển khai, chúng được gọi chung là HSDPA HSDPA thường được biết đến như là hệ thống thông tin di động 3,5G.
- HSDPA (High Speed Downlink Packet Access): Tăng tốc độ đường xuống
(Downlink) lên tốc độ tối đa trên lý thuyết là 14,4 Mb/s, nhưng trong thực tế nó chỉ đạt tầm 1,8 Mb/s đến 3,6 Mb/s.
HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) là công nghệ cải tiến tốc độ đường lên (Uplink) và chất lượng dịch vụ (QoS), cho phép người dùng tải lên thông tin với tốc độ lý thuyết đạt tới 5,8 Mb/s.
CDMA2000, được triển khai dựa trên CDMA2000 1xRTT, bao gồm các chuẩn công nghệ cao như CDMA2000 EV-DO (Evolution – Data Optimized) và CDMA2000 EV-DV (Evolution – Data and Voice) Công nghệ này đã được chuẩn hóa bởi 3GPP2 và là lựa chọn 3G của nhiều nhà cung cấp mạng sử dụng CdmaOne.
CDMA2000 EV-DO sử dụng kênh dữ liệu 1,25MHz chuyên biệt, cho phép đạt tốc độ tối đa 2,4 Mb/s cho đường xuống và 153 Kb/s cho đường lên Phiên bản 1xEV-DO Rev A cải thiện tốc độ đường xuống lên đến 3,1 Mb/s và tốc độ đường lên đạt 1,2 Mb/s, trong khi 1xEV-DO Rev B cho phép ghép 15 kênh 1,25MHz, mang lại tốc độ truyền dữ liệu lên đến 73,5 Mb/s.
- CDMA2000 EV-DV: tích hợp thoại và dữ liệu trên cùng một kênh 1,25MHz.
CDMA2000 EV-DV cung cấp tốc độ tối đa 4,8 Mb/s cho đường tải xuống và 307 Kb/s cho đường tải lên Tuy nhiên, từ năm 2005, Qualcomm đã ngừng phát triển 1xEV-DV do hầu hết các nhà mạng CDMA như Verizon Wireless và Sprint đã chuyển sang sử dụng công nghệ EV-DO.
TD-SCDMA (Time Division – Synchronous Code Division Multiple Access)
TD-SCDMA là chuẩn di động 3G do CCSA (Hiệp hội Tiêu chuẩn Truyền thông Trung Quốc) đề xuất và được ITU phê duyệt vào năm 1999 Chuẩn này sử dụng kỹ thuật song công TDD (Time Division Duplex) và có khả năng hoạt động trên dải tần hẹp 1,6MHz với tốc độ 2 Mb/s hoặc 5MHz với tốc độ 6 Mb/s.
Hệ thống thông tin di động tiền 4G (pre-4G)
4G technology serves as a transitional phase from 3G to 4G, often referred to as 3.9G in certain regions Notable pre-4G technologies include LTE (Long Term Evolution), WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access), and UMB (Ultra Mobile Broadband).
3GPP LTE là bước tiến quan trọng trong hệ thống mạng không dây 3G, được phát triển dựa trên công nghệ di động GSM/UMTS Đây là một trong những công nghệ hứa hẹn nhất cho truyền thông di động thế hệ thứ tư (4G).
Công nghệ 3GPP LTE cung cấp khả năng cấp phát phổ tần linh động và hỗ trợ dịch vụ đa phương tiện với tốc độ vượt trội, đạt trên 100 Mb/s khi di chuyển với tốc độ 3 km/h và 30 Mb/s khi di chuyển với tốc độ cao khoảng 120 km/h Tốc độ này nhanh hơn gấp 7 lần so với công nghệ HDSPA, cho phép người dùng trải nghiệm các dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao ngay cả khi đang di chuyển.
3GPP LTE employs Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) technology and Multi-input Multi-output (MIMO) techniques to enhance data transmission efficiency and capacity.
+ Dung lượng truyền trên kênh đường xuống có thể đạt 100 Mb/s và trên kênh đường lên có thể đạt 50 Mb/s.
+ Tăng tốc độ truyền trên cả người sử dụng và các mặt phẳng điều khiển.
+ Sẽ không còn chuyển mạch kênh Tất cả sẽ dựa trên IP VoIP sẽ được sử dụng cho dịch vụ thoại.
Kiến trúc mạng LTE đơn giản hơn so với mạng 3G hiện tại, nhưng vẫn có khả năng tích hợp dễ dàng với các mạng 3G và 2G đã có Điều này rất quan trọng cho các nhà cung cấp mạng khi triển khai 3GPP LTE, vì họ không cần phải thay đổi toàn bộ cơ sở hạ tầng mạng.
WiMax là hệ thống truy cập vi ba toàn cầu dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16, do Viện Kỹ nghệ Điện và Điện tử IEEE phát triển Tiêu chuẩn này cung cấp các yêu cầu và chỉ tiêu kỹ thuật nhằm giải quyết các vấn đề trong mạng vô tuyến băng rộng điểm – đa điểm (PMP), tập trung vào giao diện vô tuyến, bao gồm lớp điều khiển truy cập môi trường (MAC) và lớp vật lý (PHY).
WiMax là một chuẩn không dây tạo ra khả năng kết nối băng thông rộng tốc độ cao cho cả mạng cố định lẫn mạng không dây di động.
Chuẩn UMB được phát triển bởi 3GPP2 nhằm hỗ trợ cho mạng CDMA2000.
- Một số đặc điểm kỹ thuật:
+ Có các kỹ thuật Multiple Radio và Anten tiên tiến.
+ Sử dụng kỹ thuật MIMO, Đa truy nhập phân chia theo không gian SDMA (Space Division Multiple Access).
+ Sử dụng các kỹ thuật quản lý nhiễu tiên tiến.
+ Tốc độ dữ liệu cao nhất có thể lên tới 288 Mb/s đối với đường lên và 75 Mb/s đối với đường xuống.
Nhược điểm của hệ thống thông tin di động 3G:
- Việc đạt được tốc độ truyền số liệu cao là rất khó đối với công nghệ CDMA do can nhiễu giữa các dịch vụ.
Việc tạo ra một dải dịch vụ đa tốc độ đầy đủ với yêu cầu về hiệu năng và chất lượng dịch vụ (QoS) khác nhau gặp khó khăn do các hạn chế của mạng lõi, liên quan đến tiêu chuẩn giao diện vô tuyến.
- Yêu cầu băng thông lớn.
- Phí dịch vụ tương đối cao.
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G)
Vào tháng 3 năm 2008, tổ chức ITU-R đã công bố các tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G), gọi là IMT – Advanced Hệ thống 4G theo IMT – Advanced cần đáp ứng một loạt yêu cầu cụ thể để đảm bảo hiệu suất và chất lượng dịch vụ.
- Xây dựng dựa hệ thống mạng IP chuyển mạch gói.
Đạt tốc độ dữ liệu tối đa 100 Mb/s khi di chuyển nhanh và 1 Gb/s khi di chuyển chậm hoặc đứng yên.
- Có thể linh hoạt trong việc sử dụng và chia sẽ tài nguyên mạng để hỗ trợ số lượng lớn người sử dụng đồng thời trong một Cell.
- Độ rộng băng thông có thể thay đổi được một cách linh hoạt, phạm vi thay đổi có thể lên đến 40 MHz.
Hiệu suất sử dụng phổ tần của hệ thống đạt đỉnh 15 b/s/Hz cho đường xuống và 6,75 b/s/Hz cho đường lên Điều này có nghĩa là nếu tốc độ đường xuống đạt 1 Gb/s, chỉ cần khoảng 67 MHz băng thông.
- Hiệu suất sử dụng phổ tần của hệ thống, trường hợp trong nhà, là 3 b/s/Hz/cell cho đường xuống và 2,25 b/s/Hz/cell cho đường lên.
- Dễ dàng thực hiện chuyển giao giữa những mạng phức tạp.
- Khả năng cung cấp các dịch vụ chất lượng cao cho thế hệ đa phương tiện tiếp theo.
Hiện nay, chỉ có hai hệ thống thông tin di động 4G được ITU công nhận, bao gồm LTE-Advanced do 3GPP phát triển và WirelessMAN-Advanced do IEEE phát triển.
4G mang lại chất lượng dịch vụ (QoS) và tốc độ phát triển vượt trội so với 3G, không chỉ cung cấp truy cập băng rộng mà còn hỗ trợ các dịch vụ như tin nhắn đa phương tiện (MMS), chat video, và TV di động Ngoài ra, 4G còn cho phép cung cấp dịch vụ HDTV và các dịch vụ cơ bản như thoại, dữ liệu, cùng nhiều dịch vụ khác Công nghệ này cũng cho phép chuyển giao giữa các mạng vô tuyến trong khu vực cục bộ và kết nối với hệ thống phát sóng video số.
Nhược điểm của hệ thống thông tin di động 4G:
- Yêu cầu thiết bị tương thích để có thể kết nối với mạng 4G.
- Thiết bị di động tiêu hao năng lượng hơn.
- Yêu cầu thành phần hệ thống phức tạp.
- Chi phí dịch vụ và giá thành thiết bị tương đối cao.
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ năm (5G)
Vào tháng 2 năm 2013, ba tổ chức của Trung Quốc gồm Bộ Công nghiệp và Công nghệ Thông tin (MIIT), Ủy ban Phát triển và Cải cách Quốc gia (NDRC) và Bộ Khoa học và Công nghệ (MOST) đã hợp tác thành lập nhóm “IMT-2020 (5G) Promotion” Nhóm này được xây dựng trên nền tảng của nhóm “IMT-Advanced Promotion” nhằm mục tiêu phát triển hệ thống thông tin di động thế hệ thứ năm (5G).
Theo IMT 2020, hệ thống 5G phải đáp ứng được những tiêu chí sau:
- Tốc độ dữ liệu cao hơn hệ thống hiện tại từ 10 đến 100 lần.
- Độ trễ gần như bằng 0.
- Đáp ứng phục vụ được số lượng lớn thiết bị (hàng triệu thiết bị trên 1 km 2 ).
- Đáp ứng được Thông lượng cao hơn, khoảng vài chục Tbps/km 2
- Đảm bảo kết nối liên tục với các thiết bị di chuyển với tốc độ cực nhanh, lên tới hơn 500 km/h.
- Nâng cao hiệu quả sử dụng phổ lên từ 5 đến 15 lần.
- Giảm chi phí tiêu hao trên mỗi bit dữ liệu khoảng 100 lần.
Để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng lên hơn 100 lần, cần phát triển các nền tảng kỹ thuật mới nhằm cải thiện quá trình xử lý và truyền dữ liệu trong hệ thống di động hiện tại Nhiều kỹ thuật đã được đề xuất để đạt được mục tiêu này.
Công nghệ truyền dẫn không dây đang phát triển mạnh mẽ với các kỹ thuật tiên tiến như Massive MIMO, cho phép tối ưu hóa khả năng truyền tải dữ liệu Đa truy nhập với các phương pháp như NOMA và BDMA giúp cải thiện hiệu suất mạng Bên cạnh đó, việc nâng cao kỹ thuật đa sóng mang thông qua FBMC và UBMC cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường khả năng truyền dẫn Cuối cùng, các kỹ thuật điều chế và mã hóa tiên tiến như WAN và tiền mã hóa giúp nâng cao độ tin cậy và hiệu quả của hệ thống truyền dẫn không dây.
- Công nghệ mạng không dây: o Mạng truy cập vô tuyến đám mây C-RAN. o Mạng di động MN. o Truyền thông D2D.
Bảng 1.1: Tổng quan hệ thống thông tin di động
824- 894Mhz 840-1900Mhz 1.8-2.5Ghz 2-8Ghz 30-300Ghz
Tốc độ 2.4Kbps 64Kbps 144kbps-
Tốc độ mong muốn 10Gbps
Tín hiệu Tương tự Số Số Số Số
GSM based, GPRS, EDGE UMTS/HSPA
LTE/ LTE nâng cao, Wimax, Wifi
Mạch điện tử, Gói dữ liệu
Gói dữ liệu (không cho giao tiếp không khí)
Tất cả các gói tin
Tất cả các gói tin
PSTN PSTN Gói N/W Internet Internet
Hợp nhất theo chiều ngang
Hợp nhất theo chiều ngang
Hợp nhất theo chiều ngang
Hợp nhất theo chiều ngang và chiều dọc
Hợp nhất theo chiều ngang và chiều dọc
Thoại kĩ thuật số, tin nhắn kí tự, sức chứa dữ liệu gói tin cao hơn
Tích hợp với dịch vụ thoại, video và dữ liệu chất lượng cao
Khả năng kết nối dữ liệu năng động, các thiết bị có thể đeo được
Khả năng kết nối thông tin cao, các thiết bị đeo được và trí tuệ nhân tạo.
Kiến trúc của hệ thống thông tin di động 5G
Số liệu thực tế và thách thức
2.1.1 Những số liệu thực tế
Thời điểm hiện tại, mạng 4G mới bắt đầu được đưa vào sử dụng, nhưng đến năm
Năm 2020, tình trạng quá tải thông tin dự kiến sẽ gia tăng do sự bùng nổ doanh số bán hàng của smartphone và tablet, dẫn đến khối lượng dữ liệu ngày càng lớn Theo thống kê từ statista.com và Cục viễn thông Việt Nam, lĩnh vực viễn thông đang trải qua sự tăng trưởng mạnh mẽ.
Số lượng người dùng smartphone trên toàn thế giới từ 2014 đến 2020 (tính bằng tỷ) [1] :
Hình 2.1: Số lượng người dùng smartphone trên toàn thế giới từ 2014 đến 2020 (tính bằng tỷ).
Các lô hàng điện thoại thông minh toàn cầu dự báo từ năm 2010 đến năm 2021 (triệu đơn vị) [2] :
Hình 2.2: Các lô hàng điện thoại thông minh toàn cầu dự báo từ năm 2010 đến năm 2021 (triệu đơn vị).
Tổng băng thông kết nối internet trong nước Việt Nam năm 2017 (Mbps) [3] :
Hình 2.3: Tổng băng thông kết nối internet trong nước năm 2017 (Mbps).
Tổng băng thông kết nối internet Việt Nam đi quốc tế năm 2017 (Mbps) [4] :
Hình 2.4: Tổng băng thông kết nối internet quốc tế năm 2017 (Mbps).
Trên đây là một số thống kê tiêu biểu cho thị trường viễn thông tính đến năm
2017 và một số dự đoán cho các năm tiếp theo.
2.1.2 Thách thức đối với hệ thống thông tin di động thứ 5
Kể từ khi mạng Viettel và các nhà mạng khác hoàn thành việc triển khai mạng 4G vào tháng 4 năm 2017 tại Việt Nam, lượng dữ liệu đi quốc tế đã gia tăng đáng kể Đồng thời, số lượng người dùng và thiết bị smartphone cũng tiếp tục tăng trưởng ổn định.
Khi thiết bị người dùng ngày càng phát triển và dữ liệu gia tăng, người dùng có xu hướng chọn lưu trữ điện toán đám mây Tuy nhiên, việc upload các tập tin lớn có thể mất nhiều thời gian, gây khó chịu cho người dùng Đây là thách thức cho hệ thống thông tin di động cần nâng cấp mạnh mẽ hơn so với 4G, với khả năng tương tác linh hoạt và hỗ trợ nhiều loại thiết bị khác nhau Ngoài kết nối với điện thoại thông minh và máy tính bảng, hệ thống còn cần hỗ trợ thiết bị đeo tay, smartwatch, bộ theo dõi sức khỏe và các tiện ích smart-home như bộ điều ổn nhiệt và cảm biến khác.
Tuy nhiên, một thách thức lớn là xác định công nghệ nào sẽ được áp dụng trong 5G và lượng dữ liệu cần thiết cho tất cả các thiết bị Cải thiện hiệu suất "end-to-end" cũng là một vấn đề quan trọng, được định nghĩa là khả năng duy trì kết nối vô tuyến từ điện thoại đến máy chủ cung cấp thông tin Mục tiêu của 5G là cung cấp kết nối liên tục cho người dùng, bất kể họ ở đâu, từ dưới lòng đất, trên cao cho đến ngoài khơi.
Các yêu cầu chính cho hệ thống thông tin di động 5G
Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) đã hoàn thành dự thảo các yêu cầu kỹ thuật tối thiểu cho hệ thống IMT-2020, hay còn gọi là hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 5 (5G) Dự thảo này được xây dựng bởi các nhà công nghiệp hàng đầu thế giới, tổ chức tiêu chuẩn kỹ thuật, cơ quan quản lý, nhà khai thác, nhà sản xuất thiết bị, cùng với các học giả và viện nghiên cứu.
The IMT-2020 framework encompasses three key application categories: Enhanced Mobile Broadband (eMBB), which focuses on advanced mobile connectivity; Ultra-Reliable and Low-Latency Communications (URLLC), designed for critical communication with minimal delays; and Massive Machine Type Communications (mMTC), aimed at facilitating communication for a vast number of devices.
Hình 2.5: Các nhóm ứng dụng 5G (theo ITU). eMBB sẽ cung cấp dữ liệu tốc độ cực cao, tốc độ đường xuống là 10Gbps gấp
Mạng LTE đạt tốc độ sóng mang đơn lên tới 100 Mbps nhờ vào việc áp dụng các kỹ thuật tiên tiến Những kỹ thuật này bao gồm việc sử dụng băng thông rộng hơn 2GHz, khai thác tần số mới ở băng tần cao (sóng milimet) và kết hợp các băng tần cấp phép.
URLLC được ứng dụng trong việc phát triển thành phố thông minh, giúp kết nối giao tiếp giữa đèn giao thông, ô tô tự động và đường cao tốc để tối ưu hóa quản lý giao thông Trong bối cảnh này, các yếu tố như mật độ nút, tiêu thụ năng lượng và chi phí trở nên cực kỳ quan trọng Bên cạnh đó, mMTC cũng đặt ra hai yêu cầu thiết yếu cho kết nối không dây là độ trễ và độ tin cậy Hãy tưởng tượng một bác sĩ thực hiện phẫu thuật từ xa qua robot kết nối không dây; lúc này, độ tin cậy của đường truyền sẽ quyết định sự thành công của ca phẫu thuật.
Nhóm nghiên cứu 5D của ITU-R vừa hoàn thành cuộc họp đầu tiên tại Bắc Kinh, Trung Quốc, với nhiệm vụ quan trọng là xây dựng tiêu chuẩn IMT-2020 (5G) Tiêu chuẩn này dựa trên các đóng góp từ các cơ quan quản lý, nhà mạng, nhà sản xuất thiết bị và tổ chức tiêu chuẩn quốc gia, khu vực Sau cuộc họp, vào ngày 23 tháng 2 năm 2017, ITU-R đã công bố văn bản về các yêu cầu tối thiểu liên quan đến hiệu suất kỹ thuật cho giao diện vô tuyến IMT-2020, tóm tắt các vấn đề cơ bản liên quan.
Tốc độ dữ liệu đỉnh đường xuống là 20 Gbps và đường lên là 10 Gbps.
Hiệu suất sử dụng phổ tần đỉnh đường xuống là 30 bit/s/Hz và đường lên là 15 bit/s/Hz.
Tốc độ dữ liệu người dùng trải nghiệm đường xuống là 100 Mbps và đường lên là
Lưu lượng đường xuống theo vùng 10Mb/s/m 2 đối với Hotspot trong nhà.
Độ trễ trên giao diện người dùng cho ứng dụng eMBB là 4 mili giây (ms), trong khi đối với ứng dụng URLLC, độ trễ chỉ là 1 ms Ngoài ra, độ trễ trên giao diện điều khiển đạt 20 ms.
Mật độ kết nối: 1 triệu thiết bị / km 2
Băng thông tối thiểu là 100 MHz và cho phép hỗ trợ băng thông lên đến 1 GHz khi hoạt động ở băng tần trên 6 GHz.
Tốc độ di chuyển tối đa của thuê bao là 500 km/h.
Ngoài ra còn có các yêu cầu khác để đánh giá đạt tiêu chuẩn công nghệ IMT-
2020 trong các vấn đề sử dụng khác nhau như: Hiệu quả sử dụng năng lượng, độ tin cậy, thời gian gián đoạn khi di động, tổng lưu lượng vùng.
Các yêu cầu kỹ thuật cho hệ thống thông tin di động 5G có thể được tóm gọn trong 5 điều kiện chính, bao gồm: tốc độ truyền tải dữ liệu cao, độ trễ thấp, khả năng kết nối đồng thời nhiều thiết bị, khả năng mở rộng mạng linh hoạt và bảo mật thông tin tốt.
Quan điểm người sử dụng: "Tốc độ siêu cao và độ trễ thấp".
Tốc độ truyền dữ liệu của công nghệ mới đạt gấp 1000 lần so với LTE, với độ trễ cực thấp chỉ dưới một vài phần nghìn giây, mang đến khả năng kết nối hàng loạt thiết bị một cách hiệu quả.
Hệ thống có khả năng chứa hơn 1000 thiết bị, cho phép lưu lượng truy cập an toàn và kết nối liền mạch Người dùng có thể kết nối mọi lúc, mọi nơi, với bất kỳ ai và bất kỳ thiết bị nào.
Kiến trúc nhận thức: "Mạng linh hoạt, thông minh".
- Đáp ứng nhu cầu di chuyển nhanh, liên lục phân tích dữ liệu trong thời gian thực và cung cấp dịch vụ thông minh, cá nhân hóa.
Quan điểm hoạt động: "Hoạt động tin cậy, an toàn".
- Bảo vệ hơn 99% mạng sẵn có và độ tin cậy cũng như tự phục hồi, cấu hình lại.
Quan điểm quản lý: "Năng lượng, chi phí, hiệu quả chi phí".
- Đạt được hiệu quả năng lượng cao hơn 50-100 lần so với LTE và cơ sở hạ tầng, thiết bị có chi phí thấp.
Khái niệm và Kiến trúc
Hiện nay, các kiến trúc 5G được đề xuất từ các trang công nghệ nổi tiếng vẫn chưa được ITU công nhận, chủ yếu tập trung vào cơ sở hạ tầng 5G Tuy nhiên, theo báo cáo của ITU, 5G không chỉ giới hạn ở cơ sở hạ tầng mà còn bao gồm các dịch vụ khác, đặc biệt là Internet of Things (IoT) Để triển khai IoT, cần có một nền tảng phù hợp Để đáp ứng 5 điều kiện đã phân tích, mục tiêu và nhu cầu của hệ thống 5G sẽ bao gồm 3 thành phần, tạo nên kiến trúc tổng quát của 5G.
1 - Các dịch vụ 5G sáng tạo
2 - Nền tảng cho phép để thực hiện các dịch vụ sáng tạo
3 - Cơ sở hạ tầng tốc độ siêu cao
Hệ thống 5G sẽ được cấu trúc gồm ba lớp chính: Dịch vụ Đổi mới, Nền tảng Cho phép và Cơ sở hạ tầng Siêu kết nối, theo phân tích kiến trúc mức cao.
Hình 2.6: Cấu trúc tổng quát của hệ thống 5G
Dịch vụ đổi mới 5G cung cấp trải nghiệm người dùng mới, nằm trên cùng của cấu trúc Dưới đó là nền tảng phần mềm cho phép thực hiện các chức năng mạng viễn thông phức tạp và tích hợp động cơ thông minh Ở vị trí thấp hơn, cơ sở hạ tầng siêu kết nối là phần cứng của mạng viễn thông, hỗ trợ kết nối tốc độ cao và siêu cao qua mạng lưới kết nối mật độ cao.
Hệ thống thông tin di động 5G sẽ tạo ra một bước đột phá trong dịch vụ mạng, tách biệt với các thế hệ công nghệ viễn thông trước đó nhờ vào trải nghiệm khách hàng vượt xa giới hạn thời gian và không gian Với tốc độ truyền dữ liệu giga-bit sẵn có mọi lúc, mọi nơi trên các thiết bị đa phương tiện có độ phân giải cao như UHD và 4K, công nghệ 5G sẽ mang đến cho người dùng những dịch vụ thực tế tiên tiến, bao gồm chăm sóc sức khỏe từ xa, thực tế ảo, hình ba chiều và các dịch vụ IoT (Internet of Things).
Hình 2.7: Ví dụ về các dịch vụ 5G 2.3.2 Nền tảng cho phép (Enabling Platform)
Nền tảng 5G Enabling Platform cung cấp khung phần mềm và giao diện dựa trên nguyên tắc của các hệ điều hành phổ biến như iOS, Android và Microsoft, nhằm tạo ra giá trị khác biệt thông qua các dịch vụ sáng tạo Một trong những chức năng cốt lõi của nền tảng này là cung cấp dịch vụ Network-as-a-Service, cho phép cấu hình và thay đổi linh hoạt tất cả các chức năng viễn thông và dịch vụ.
Giao diện lập trình ứng dụng API (Application Programming Interface) cho phép các hệ thống máy tính và ứng dụng tương tác với nhau, tạo điều kiện cho việc gửi yêu cầu dịch vụ và trao đổi dữ liệu Ví dụ, các chương trình thường sử dụng hàm API của hệ điều hành để quản lý bộ nhớ và truy xuất tập tin Đặc biệt, với sự phát triển của 5G, các nhà phát triển cần xây dựng một hệ sinh thái API mới để hỗ trợ cho các ứng dụng IoT tiên tiến.
Ngoài Network-as-a-Service và API, nền tảng mạng đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ 5G Các ứng dụng, trò chơi điện tử và dịch vụ đổi mới hiện nay đang kết nối người dùng một cách hiệu quả Tại Việt Nam, dịch vụ truyền hình đang chuyển mình sang hình thức truyền hình số, hay còn gọi là truyền hình IP Vì vậy, bức tranh tổng thể về mạng internet hiện nay chủ yếu xoay quanh các dịch vụ số và dịch vụ IP.
The All-IP framework and All-IP technology represent a significant advancement, while Software Defined Networks (SDN) will serve as crucial support for the 5G Enabling Platform This proposal introduces two additional technologies to serve as foundational elements for the 5G Enabling Platform.
- NFV (Network Functions Virtualization) là một công nghệ để xây dựng đám mây bằng ảo hóa một phần cứng.
Virtualized RAN là công nghệ tiên tiến cho phép tập trung và ảo hóa đơn vị số (DU) của trạm gốc, chuyển đổi chúng thành một đám mây dựa trên phần cứng tiêu chuẩn Công nghệ này giúp xử lý tín hiệu RAN một cách hiệu quả và trong thời gian thực, mang lại nhiều lợi ích cho mạng di động hiện đại.
Tổng quan 5G Enabling Platform được mô tả trong hình 2.8:
Để đáp ứng lưu lượng dữ liệu gấp 1000 lần so với 4G và hỗ trợ kết nối Massive, cơ sở hạ tầng siêu kết nối cần tích hợp các công nghệ 5G tiềm năng Việc phát triển các công nghệ thành phần 5G như tăng cường phân chia cell, cải thiện hiệu quả quang phổ, mở rộng băng thông tần số và nâng cao hiệu suất hoạt động của mạng là rất quan trọng Các kiểu cấu tạo cell như cell nhỏ cực nhỏ, thiết bị di động và D2D sẽ giúp tối đa hóa khả năng vùng phủ, đáp ứng yêu cầu tăng 1000 lần sức chứa dữ liệu Ngoài ra, việc áp dụng các công nghệ như điều chế mới, massive MIMO và phối hợp nhiễu sóng sẽ nâng cao hiệu suất quang phổ và mở rộng băng thông ở các dải tần số cao hơn Cuối cùng, các công nghệ như Multi-RAT, SON tiên tiến và IoT dựa trên nền di động sẽ cải thiện độ tin cậy và hiệu quả năng lượng của hệ thống mạng 5G.
Hình 2.9: Cơ sở hạ tầng 5G hỗ trợ tốc độ dữ liệu cực cao và kết nối lớn
Phần tử moving cell được tách biệt khỏi cell thông thường, điều này được minh chứng khi thiết bị người dùng (UE) di chuyển trên tàu điện với tốc độ hàng trăm km/h Khi UE liên tục chuyển từ cell này sang cell khác, hiện tượng này làm tăng độ trễ, trái ngược với tiêu chuẩn IMT-2020 yêu cầu độ trễ trên giao diện người dùng không vượt quá 4 mili giây.
So sánh kiến trúc giữa 4G-LTE với 5G:
Mô hình kiến trúc 4G được thể hiện trong hình 2.10.
Sự khác biệt chính giữa mô hình tổng thể 4G và 5G nằm ở nền tảng hỗ trợ 4G dựa vào các nền tảng hiện có để cung cấp dịch vụ, trong khi 5G yêu cầu một nền tảng hoàn toàn mới để đáp ứng nhu cầu của các dịch vụ tiên tiến.
Lớp dịch vụ đổi mới của 5G thể hiện sự khác biệt rõ rệt với các dịch vụ IoT, ghi nhận và truyền tải hình ba chiều, AR/VR, và dịch vụ y tế từ xa Đây là một sự nâng cấp toàn diện và mới mẻ, phục vụ tốt hơn cho nhu cầu con người, trong khi dịch vụ 4G chỉ tập trung vào việc nâng cao tốc độ truyền tải.
Sự khác biệt chính giữa 4G và 5G nằm ở cơ sở hạ tầng, trong đó 5G được nâng cấp từ 4G với các công nghệ như anten MIMO được cải tiến thành Massive MIMO Bên cạnh đó, 5G còn áp dụng các thay đổi về cell, dạng sóng mới và các phương thức truyền thông hiện đại như D2D và multi-RAT.
Các công nghệ cho phép
Dịch vụ đổi mới, Nền tảng cho phép và Cơ sở hạ tầng siêu kết nối là ba lớp chính cấu thành công nghệ 5G, tạo nền tảng cho việc đạt được năm giá trị lớn Dựa trên các chi tiết kỹ thuật như kiến trúc, tiêu chuẩn và yêu cầu tối thiểu, bài viết đã chỉ ra tổng cộng 11 công nghệ chính được rút ra từ kiến trúc, mỗi công nghệ tương ứng với năm yêu cầu chính như thể hiện trong hình 2.11.
Kết nối Hiệu quả Độ tin cậy
Xử lý hiệu quả và truyền tải đa phương tiện
Mạng toàn cầu dựa trên nền tảng đám mây
Mạng thông minh và tối ưu hóa mạng dựa trên công nghệ phân tích
Mạng lưới vận tải linh hoạt / nhanh
Nâng cao IoT và dạng sóng mới
Tăng cường công nghệ nhiều anten và Massive MIMO
Băng tần rộng RF & chùm tia 3D Cell nhỏ, siêu dày đặc
Kiến trúc mạng ngoài Hoạt động nâng cao cho Multi-cell
Trải nghiệm người dùng thực tế và xử lý nội dung 5G
Đối với trải nghiệm người dùng, các công nghệ cốt lõi bao gồm xử lý nội dung và truyền dẫn đa phương tiện Các công nghệ kết nối chủ yếu là cell nhỏ siêu dày đặc, tần số cao/MIMO băng rộng và các chương trình nâng cao hiệu quả quang phổ Công nghệ thông minh và độ tin cậy dựa trên nền tảng cho phép, với các hệ thống vận hành và kiểm soát thông minh thông qua phân tích ảo hóa Cuối cùng, các công nghệ đa dạng nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động trên nền tảng và lớp cơ sở hạ tầng kết nối hiệu quả.
Công nghệ cho phép và các dịch vụ 5G
Các công nghệ 5G
3.1.1 Trải nghiệm người dùng thực tế và xử lý nội dung 5G
Công nghệ tiên tiến giúp nhận diện nhanh chóng các đối tượng và không gian xung quanh thông qua máy ảnh và cảm biến của thiết bị người dùng.
Công nghệ hiển thị thời gian thực cho phép trình bày thông tin chất lượng liên quan đến đối tượng được ghi nhận ngay lập tức Bên cạnh đó, công nghệ hiển thị nhập vai, bao gồm cả kính hiển thị và không gian, mang đến trải nghiệm tương tác phong phú cho người dùng.
Xử lý ảnh ba chiều thời gian thực: Công nghệ để tái tạo hình ảnh thực sự của một đối tượng 360 độ trong không gian 3D.
Công nghệ thực tế tăng cường (AR) hiện chưa đủ phát triển để mang đến trải nghiệm nhập vai đa dạng cho người dùng, do phụ thuộc vào tốc độ mạng và hiệu suất xử lý dữ liệu của dịch vụ 5G Để nội dung AR được xử lý và cung cấp trong thời gian thực, 5G hứa hẹn sẽ cung cấp băng thông và thời gian phản hồi cần thiết cho các dịch vụ AR/VR quy mô lớn Tuy nhiên, cần phải tiếp tục phát triển công nghệ nhận dạng, theo dõi và hiển thị để tối ưu hóa trải nghiệm người dùng.
Việc xử lý AR quy mô lớn cần công nghệ nhận dạng tiên tiến để nhận diện đa dạng các đối tượng và thông tin, bao gồm hình ảnh 2D, vật thể 3D, không gian 3D, khuôn mặt người dùng, biểu hiện và giọng nói Hiện nay, công nghệ đã phát triển để nhận diện các đối tượng thông qua các thuật toán dựa trên tính năng độc đáo của từng đối tượng, như công nghệ Face ID trên iPhone X của Apple Tuy nhiên, công nghệ này chỉ áp dụng cho khuôn mặt con người, trong khi vẫn còn nhiều vật thể khác cần được nhận diện với độ chính xác tương tự như cảm giác của con người.
Dịch vụ này yêu cầu công nghệ tiên tiến để phân phối và xử lý song song lượng lớn dữ liệu trong môi trường lưu trữ đám mây, hệ thống video, cùng với các công nghệ tối ưu hóa dữ liệu nhằm thực hiện nhiều thuật toán nhận dạng hiệu quả.
Hiện nay, máy ảnh trên thiết bị là công cụ chính để nhập hình ảnh, nhưng các cảm biến như máy ảnh Lytro và cảm biến độ sâu 3D cũng ngày càng phổ biến, giúp thu thập thông tin chiều sâu 3D từ vật thể và không gian Các công ty lớn như Google, Intel và Apple đang phát triển các cảm biến này, dẫn đến sự gia tăng nhanh chóng của các dịch vụ AR/VR Việc cải tiến sức mạnh tính toán sẽ cho phép xử lý dữ liệu lớn, theo dõi đối tượng thời gian thực, và truyền tải thông tin hình ảnh đến máy chủ Đặc biệt, cần có công nghệ để truyền tải chính xác các phương tiện và thông tin chất lượng cao như (U)HD Audio/Video và 3D, đảm bảo video được chuyển đổi và phát trực tiếp ở định dạng phù hợp cho từng thiết bị.
Chụp ảnh toàn cảnh là công nghệ hứa hẹn mang lại trải nghiệm người dùng mới, yêu cầu truyền dữ liệu siêu cao Để đáp ứng nhu cầu này, 5G cần có công nghệ xử lý dữ liệu thời gian thực với tốc độ cao trên hạ tầng của nó Đồng thời, công nghệ hình ba chiều cần phải thân thiện với người dùng để tạo ra và hiển thị các hình ảnh ba chiều một cách hiệu quả.
Hình 3.1: Công nghệ UX thực tế và xử lý nội dung 5G 3.1.2 Xử lý hiệu quả và truyền tải đa phương tiện
Công nghệ MMT (MPEG Media Transport) là một tiêu chuẩn xử lý hình ảnh kỹ thuật số do MPEG định nghĩa, nhằm giảm thiểu độ trễ trong quá trình truyền tải qua mạng All-IP.
Mã hóa đa phương tiện hiệu quả cao, như công nghệ MVC (Multi-view Video Encoding), giúp tối ưu hóa việc truyền tải nội dung đa phương tiện 3D và video 3D.
Điện toán đám mây và bộ nhớ đệm là công nghệ quan trọng trong việc phân bổ và sắp xếp tài nguyên một cách linh hoạt, giúp xử lý hiệu quả các khối lượng đa phương tiện lớn.
Công nghệ mạng 5G sẽ cung cấp dịch vụ True UHD (TRHD) thời gian thực, cho phép truyền tải nội dung UHD mà không có độ trễ Để đạt được streaming liền mạch với đa phương tiện lớn, cần phát triển giao thức truyền thông mới và tối ưu hóa công nghệ truyền dữ liệu Việc giảm thiểu độ trễ trong truyền tải nội dung, tối đa hóa tốc độ truyền dữ liệu và hiệu quả sử dụng tài nguyên là rất quan trọng, với sự hỗ trợ của giao thức streaming MMT và công nghệ Edge Multicast Cải thiện hiệu suất mạng thông qua ảo hóa CDN và phân phối dịch vụ tối ưu cũng là những yếu tố cần thiết.
Dịch vụ hiển thị siêu đa điểm, một ứng dụng tiêu biểu của công nghệ 5G, cho phép người dùng trải nghiệm video từ nhiều góc độ khác nhau theo ý muốn Để triển khai dịch vụ này, cần sử dụng các công nghệ tiên tiến.
1) Phương pháp mã hóa để tích hợp nhiều hình ảnh có độ phân giải cao được ghi lại từ các góc nhìn khác nhau vào một luồng đơn.
2) Kỹ thuật truyền và lưu trữ dữ liệu khối lượng lớn vào máy chủ đám mây trong thời gian thực.
3) Kỹ thuật để tạo một hình ảnh động trực tuyến sử dụng thông tin từ một điểm người dùng muốn xem
Dịch vụ hiển thị đa truy cập có thể triển khai hạn chế trên hệ thống 4G và mạng có dây, nhưng với mạng 5G, hình ảnh thực tế chất lượng cao sẽ được cung cấp trong thời gian thực nhờ vào cơ sở hạ tầng hỗ trợ truyền dữ liệu tốc độ cao và khối lượng lớn Kỹ thuật mã hóa như MVC (Mã hóa Đa Video) và MPEG 3D đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu thông tin trùng lặp bằng cách kết hợp các dòng ảnh đa chiều vào một luồng duy nhất.
Ví dụ về các kỹ thuật như vậy sẽ là:
1) Công nghệ xử lý dữ liệu hình ảnh để tạo ra hiệu quả hình ảnh 3D sử dụng nhiều hình ảnh 2D, thông tin độ sâu và siêu dữ liệu.
2) Công nghệ xử lý dữ liệu ảnh số lượng lớn (ví dụ, tạo ra một hình ảnh 360 độ từ hình ảnh các luồng được ghi lại từ nhiều chế độ xem) thường không được hỗ trợ bởi các thiết bị.
3) Các công nghệ bao gồm NFV, SDN để hỗ trợ vận hành mạng đám mây một cách năng động, linh hoạt và có thể mở rộng
3.1.3 Mạng toàn cầu dựa trên nền tảng đám mây Điều này có thể được thực hiên trên nền tảng kỹ thuật NFV (ảo hóa mạng) / SDN (mạng phần mềm xác định).
Dịch vụ
Trong chương này, bài viết sẽ khám phá các dịch vụ 5G đa dạng và các ứng dụng tiềm năng của công nghệ 5G, được hình thành từ sự phát triển công nghệ hiện tại.
3.2.1 Dịch vụ IoT (Internet of Things)
Trong kỷ nguyên 5G, dịch vụ Internet of Things (IoT) sẽ phát triển mạnh mẽ, tạo ra một hệ sinh thái kết nối rộng rãi Các dịch vụ IoT kết nối hàng loạt sẽ xuất hiện, cho phép tất cả các đối tượng trong xã hội được kết nối với nhau.
IoT được ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực:
- Quản lí và lập kế hoạch quản lí đô thị
- Phản hồi trong các tình huống khẩn cấp
- Quản lí các thiết bị cá nhân
- Đồng hồ đo thông minh
- Tự động hóa ngôi nhà
- Bảo trì, dự đoán, giám sát hoạt động y tế
- Tăng cường kiểm soát khách hàng, dễ dàng cung cấp các thông tin liên quan trong thời gian thực
Hình 3.15: Kỷ nguyên mọi vật kết nối internet
Dịch vụ IoT là nền tảng cở sở để các dịch vụ khác ra đời
3.2.2 Hình ba chiều và dịch vụ gọi 3D hologram
Dịch vụ gọi điện video HD và thoại âm thanh chất lượng cao đang trở nên phổ biến trong mạng 4G, nhưng vẫn còn nhiều cách để cải thiện trải nghiệm người dùng, giúp họ cảm nhận như đang trò chuyện trực tiếp Tương lai với công nghệ 5G hứa hẹn sẽ mang đến những bước tiến đáng kể trong việc phát triển năm giác quan, tạo ra trải nghiệm giao tiếp thực tế hơn, khiến người dùng cảm thấy như thể người khác đang ở ngay bên cạnh họ.
Mạng 5G mang lại khả năng truyền tải thông tin với tốc độ cực nhanh, cho phép truyền hình ảnh có độ phân giải cao như 4K-UHD, gấp 4 lần độ phân giải UHD và 8K-UHD, đồng thời mở rộng khả năng sang hình ảnh 3D và các dịch vụ ba chiều Với sự cải thiện về chất lượng hình ảnh, các dịch vụ tương tác thời gian thực hỗ trợ năm giác quan dưới dạng đa phương tiện sẽ được triển khai.
Hình 3.16: Khối lượng dữ liệu yêu cầu theo loại hình ảnh
Dịch vụ streaming nội dung đa phương tiện UHD theo thời gian thực, cho phép người xem trải nghiệm các buổi hòa nhạc và sự kiện thể thao từ nhiều góc nhìn khác nhau, đang trở thành xu hướng mới trong lĩnh vực truyền trực tuyến độ nét cao.
3.2.3 Dịch vụ AR / VR hấp dẫn quy mô lớn
Dịch vụ AR/VR hiện nay chủ yếu tập trung vào việc thu thập và tạo nội dung để người dùng tái sử dụng Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ 5G, các nội dung AR và VR sẽ có khả năng tương tác trong thời gian thực, cho phép việc truyền tải và phát trực tiếp đến người xem một cách mượt mà và sống động hơn.
Mạng 5G trong tương lai sẽ có khả năng thu thập thông tin cảm biến đa dạng như hình ảnh, dữ liệu chiều sâu 3D và con quay hồi chuyển từ các thiết bị như điện thoại thông minh, xe hơi và camera quan sát Với công suất siêu cao và kết nối masive, mạng 5G cho phép nhận diện thông tin trong thời gian thực thông qua phân tích dữ liệu Những thông tin này sẽ được xử lý và tối ưu hóa theo sở thích người dùng, mang đến trải nghiệm mới kết hợp với thực tế trong thời gian thực trên nhiều loại màn hình khác nhau.
Dịch vụ AR quy mô lớn sử dụng công nghệ điện toán đám mây để nhận diện các đối tượng như mốc, tòa nhà, sản phẩm và áp phích trong môi trường xung quanh người dùng Qua đó, dịch vụ này xử lý và truyền tải thông tin cùng với phương tiện chất lượng cao, bao gồm âm thanh và video 3D (U)HD, đến thiết bị của người sử dụng, nhằm mang đến trải nghiệm thực tế gia tăng tối ưu.
Công nghệ VR kết hợp với 5G hứa hẹn mang đến dịch vụ triển lãm nhập vai, cho phép người dùng trải nghiệm các tác phẩm, hình ảnh và đồ tạo tác từ bảo tàng hoặc show diễn ngay tại nhà Với chỉ một khoản phí trước, người xem có thể sử dụng thiết bị VR để tận hưởng trải nghiệm hình ảnh và âm thanh sống động, từ 3D đến 7D, như thể họ đang có mặt tại sự kiện thực tế.
Dịch vụ chăm sóc hàng ngày AR cung cấp thông tin chi tiết về số lượng và loại thực phẩm trong tủ lạnh, cùng với thời hạn sử dụng của chúng, giúp người dùng quản lý thực phẩm hiệu quả hơn.
Hình 3.18: Dịch vụ VR streaming 3.2.4 Dịch vụ trễ cực thấp
Các hoạt động không thể thực hiện trong mạng có dây do hạn chế về không gian sẽ được thay thế bằng dịch vụ điều khiển từ xa có độ trễ thấp, như trong trường hợp kiểm soát robot từ xa Robot có thể được triển khai tại các địa điểm xây dựng nguy hiểm để thay thế con người, với khả năng phản ứng nhanh nhờ vào hình ảnh và thông tin độ phân giải cao trong thời gian thực Truyền thông D2D sẽ được sử dụng để kết nối trực tiếp giữa các thiết bị đầu cuối gần nhau, như robot và bộ điều khiển từ xa Việc này không chỉ giúp cải thiện khả năng giao tiếp mà còn giảm thiểu tương tác trung gian không cần thiết, từ đó giảm độ trễ đầu cuối.
Hình 3.19: Ví dụ về robot cứu hộ và điều khiển từ xa
Việc điều trị bệnh nhân ở các khu vực xa xôi đang trở nên khả thi nhờ vào công nghệ robot Các dịch vụ chăm sóc y tế và phẫu thuật từ xa với độ trễ thấp sẽ được triển khai mạnh mẽ Bệnh nhân chỉ cần đến trạm y tế gần nhất có trang thiết bị hiện đại, và các bác sĩ sẽ sử dụng robot cùng hình ảnh 3D để tiến hành khám và chữa bệnh hiệu quả.
Hình 3.20: Dịch vụ y tế từ xa cần kiểm soát độ trễ thấp
Dịch vụ kết nối ô tô tận dụng độ trễ thấp của 5G để hỗ trợ tự động lái xe thông qua nhận dạng hình ảnh và truyền thông V2V (Xe đến xe) cũng như V2I (Xe đến cơ sở hạ tầng) Ngoài ra, dịch vụ này còn cung cấp khả năng gửi báo động tai nạn, thông tin tình trạng đường và xây dựng cơ sở hạ tầng giao thông thông minh, giúp các thiết bị giao tiếp hiệu quả ngay cả khi mạng mất kết nối Cuối cùng, sự cải tiến này cũng sẽ nâng cao trải nghiệm trong các dịch vụ thông tin giải trí ô tô như thực tế ảo, trò chơi 3D và gọi điện 3D.
Hình 3.21: Các dịch vụ xe kết nối 3.2.5 Dịch vụ thông minh dựa trên phân tích dữ liệu
Trong kỷ nguyên 5G, công nghệ dữ liệu sẽ phát triển mạnh mẽ nhờ việc thu thập nhiều thông tin, từ đó thúc đẩy sự gia tăng các dịch vụ thông minh Trước đây, các dịch vụ này chủ yếu phục vụ cho báo cáo với lượng dữ liệu hạn chế Tuy nhiên, công nghệ phân tích dữ liệu đã có những bước tiến vượt bậc, cho phép phân tích thông tin quá khứ, hiện tại và dự đoán xu hướng tương lai Hiện nay, phân tích dữ liệu chủ yếu được áp dụng để cải thiện hiệu quả kinh doanh và quản lý mạng lưới một cách tổng thể.
Sự kết hợp giữa 5G và công nghệ dữ liệu lớn sẽ không chỉ cung cấp thông tin như dịch vụ điều hướng và khuyến nghị về sản phẩm, mà còn cải thiện cuộc sống hàng ngày của người dân bằng cách lồng ghép các dịch vụ cá nhân hóa, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí, tạo ra một cuộc sống thông minh và tiện lợi hơn.
Phổ
3.3.1 Các băng tần số yêu cầu của 5G
Phân tích yêu cầu tần số cho 5G do lưu lượng truy cập gia tăng chỉ ra rằng cần băng thông lên đến 1960 MHz Do đó, cần xem xét các băng tần khác nhau, bao gồm cả băng tần siêu cao trên 6GHz, để phục vụ cho truyền thông 5G.
ITU-R đang xem xét các băng tần dưới và trên 6GHz như những ứng cử viên tiềm năng cho 5G tại mỗi quốc gia Nhiều công ty đã đề xuất các băng tần IMT dưới 6GHz để phục vụ cho nhu cầu phát triển mạng 5G.
Tại ITU-R WP5D, Hàn Quốc đã đề xuất các băng tần ứng cử viên cho 5G tại WRC-15, bao gồm 1452-1492 MHz, 1980-2010 MHz, 2170-2200 MHz, 3,6-4,2 GHz và 4,4-5,0 GHz Trong số đó, băng tần 1,5 GHz và 3,6-4,2 GHz được xem là những ứng cử viên mạnh nhất, đáp ứng yêu cầu về tần số hiện tại, nhu cầu 5G và sự hài hòa toàn cầu.
Dải tần số siêu cao trên 6GHz đang được xem xét và dự kiến sẽ được thảo luận tại WRC-18 Hàn Quốc đã đề xuất các băng tần 13.25-14 GHz, 18.1-18.6 GHz, 24.25-29.5 GHz và 38-39.5 GHz cho ITU-R, nhưng chưa đạt được thỏa thuận Các băng tần 27-29 GHz và 70-80 GHz được xem là có tiềm năng cao trong việc phát triển các phổ ứng viên trong METIS và FCC.
3.3.2 Dự báo nhu cầu tương lai đối với băng tần 5G
Dự đoán vào năm 2020, tổng yêu cầu phổ do sự gia tăng lưu lượng truy cập trong thời kỳ 5G sẽ dao động từ 1340 MHz đến 1960 MHz, dựa trên phân tích mật độ người dùng, nhu cầu thị trường, và tiến bộ công nghệ Bên cạnh đó, cần có băng thông bổ sung để đáp ứng nhu cầu này.
1000 MHz ở băng siêu cao tần, nhưng điều này có thể khác nhau tùy thuộc vào lưu lượng truy cập thực tế.
ITU-R dự báo rằng dải tần từ 1340 đến 1960 MHz sẽ cần được phân tích các yêu cầu của nhóm kỹ thuật truy cập radio RATG 1 (IMT-2000) và RATG 2 (IMT-Advanced) Việc này sẽ được thực hiện dựa trên nhu cầu thị trường, tiến bộ công nghệ và việc xây dựng mạng, như đã thể hiện trong Bảng 3.2.
Cần bổ sung một dải tần 1000 MHz cho các băng tần siêu cao (cmWave, mmWave) trên 6 GHz, giả định 30% tải của mạng WLAN Điều này dựa trên phân tích yêu cầu phổ cho các băng tần hiện tại dưới 6 GHz.
Bảng 3.2: Dự báo yêu cầu phổ tần theo ITU-R (2020)
Phân loại Yêu cầu phổ tần
Yêu cầu phổ tần RATG 2
Tổng phổ yêu cầu Cài đặt mật độ người dùng thấp hơn
Cài đặt mật độ người dùng cao hơn