Tìm hiểu công nghệ 5g và ứng dụng

MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH số hiệu 1.1 Tên hình ảnh Lộ trình phát triên hệ thống thơng tin di động Tra ng 1.2 Một mầu điện thoại thời 0G 1.4 [Phone 2G sản phâm tiêu biêu cho hệ thống thông tin thê hệ thứ Ví dụ đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) 1.5 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) 1.6 Lộ trình phát triển lên 3G 10 1.7 Hình ảnh tơng thê cùa OFDM 13 1.8 Khổi khả thong 5G tương lai 16 2.1 Kiên trúc hệ thong 5G (Nguồn: METIS) 18 1.3 2.2 21 2.3 Mạng di chuyên MN 22 2.4 Mạng dày đặc UDN 23 2.5 25 2.6 Các trường hợp can thiệp lẫn trung truyền thông D2D Mạng lõi Nano hệ thống 5G 2.7 Morph - Khái niệm công nghệ cho tương lai 29 2.8 Cảm biến Nano 30 2.9 Qubit 33 2.10 Nanodot 34 2.11 Mật mã lượng tử 35 2.12 Điện toán đám mây 37 2.13 Các lớp mạng hệ thống 5G 40 27 2.14 Lớp mạng (Network Layer) 42 2.15 Lịch sử trinh kết noi (Nguồn: Cisco) 44 2.17 So sánh công nghệ milimeter-wave công nghệ So sánh phương thức ghép kênh 2.18 Da truy nhập phân chia theo búp sóng BDMA 51 2.19 Nguyên lý hoạt động cùa BDMA 52 2.20 Cấu trúc khung TDD-BDMA 53 2.21 cầu trúc khung cùa FDD-BDMA 53 2.22 Sơ đô biền thê NOMA 55 2.23 Hệ thơng NOMA đường xuống sứ dụng q trình SIC cho người dùng Hệ thong NOMA đường lên sử dụng trình SIC cho người dùng So sánh OMA (OFDMA) vàNOMA đtrờns xuống 57 2.26 dư sdiui giừd vyivirt (VI unm) va I'tvyivirv uuviig, lêiì 60 2.27 63 2.28 MƠ hình kênh MIMO bàn với Nt Anten phát Nr Anten thu Anten Massive MIMO 2.29 Mơ hình Cell sử dụng Anten Massive MIMO 63 2.30 Phần mềm độc hại (Malware) 66 2.31 Hệ thống botnet 68 3.1 Internet of Thing 78 3.2 Ngôi nhà thông minh 80 3.3 Thử nghiệm tốc độ 5G cùa Samsung 83 2.S6 2.24 2.25 45 50 58 59 62 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 5G 5f/ĩ Generation Thế hệ 1G 2G The First Generation The Second Generation Hệ thong di dộng the hệ Hệ thống di động hệ 3G The Third Generation Hệ thống di động the hệ 4G The Fourth Generation Hệ thong dì động the hệ APSK Amplitude & Phase Shift Keying Khóa chuyên pha biên độ BS CĐM A CSI CQI Base Station Code Division Multiple Access Trạm gốc Đa truy nhập phân chia theo mã Chanel Statr Information Thông tin trạng thái kênh Chanel Quality Indicator Chi thị chất lượng kênh DL Downlink Đường xuống IoT Internet of things Vạn vật kết noi Internet NOM A OFDMA Non-Orthogonal Multiple Access Đa truy nhập không trực giao Orthogonal Frequency-Division Đa truy nhập phân chia theo tần so trực Multiple Access giao ực giao RAN Radio Access Network Mạng truy nhạp vơ tuyến sc Superposition Coding Mã hóa chong lan Spatial Division Multiple Access Đa truy nhập mã thưa Successive Interference Cancellation Loại bò nhiều ke cận OM SDM A S1C SNR UE UL OFD M FBMC G1D M Signal to-Noise Ratio User Equipment Uplink Orthogonal Frequency Division Tỷ so tín hiệu tạp âm Thiết bị người dung Đường lên Đa sóng mang trực giao Multiplexing Filter - bank Multicarrier Generalized Frenquency Division Multiplexing Bộ lọc ngân hàng Đa phân chia theo tan so tơng qt LỜI NĨI ĐẦU Thời điểm tại, mạng 4G mớí bắt đầu đưa vào sử dụng triến khai Việt Nam vào năm 2017, đến năm 2020, nhà phân tích cho ràng, liên tục xảy tình trạng tải thông tin Nguyên nhân, cho dù tăng vọt doanh sổ bán hàng loại điện thoại thơng minh (smartphone) máy tính bảng (tablet) đồng nghĩa với khối lượng dừ liệu ngày lởn, có phần nhỏ lượng truy cập thiết bị này, lại phần lớn lượng thông tin từ việc kết nối “vật thể’' với nhau, ví dụ tivi, đồng hồ, đồ gia dụng, máy điều nhiệt chí khóa cửa , tất sè số hóa,người sử dụng thực kết nổi, giao tiếp, điều khiẻn chúng lúc nơi Ưu điểm mạng 4G tải khối lượng dừ liệu lớn phức tạp so với hệ thống di động trước, nhiên, với tốc độ phát triển công nghệ chóng mãt hiên nav vài nàm nừa, cồng nghê 4G đáp ứng được, lại Đại hội giói g lobile World Congress 2012 (MWC 2012) tổ chức Barcelona - Tây Ban Nha vào tháng 2, chủ tịch Google, Eric Schmidt vẽ viễn cảnh, robot dự hội nghị truyền video HD qua mạng không dây, AT&T, Qualcomm, Sony Intel tạo "ngơi nhà kểt nối", nơi mà chí quần áo truyền tín hiệu Vì thể mạng khơng dây cần phải hiểu tính loại thiết bị biết phàì đáp ứng Đây khó khăn thực cho nhà mạng, điều đòi hói ngành cơng nghiệp di động giới cần phát triển mạng thơng minh xứ lý hàng ti kết nối mà ổn định có chất lượng dịch vụ tốt, đáng mong đợi Chính việc đời thê hệ thơng tin di dộng 5G điều diền tương lai không xa Và lý mà em chọn đề tài “TÌM HIỂU CƠNG NGHỆ 5G VẤ ỦNG Đí/AG”làm đề tài chobài báo cáo tốt nghiệp Bài báo cáo nêu yêu cầu đặt hệ thống thông tin di động 5G với nhừng kỳ thuật tiên tiến xem ứng viên sáng giá việc xây dựng triên khai cho hệ thống tương lai Nội dung đồ án gồm: Chirong 1: Quá trình phát triển cứa hệ thống thông tin di động Chuông 2: Kiến trúc hệ thống thống tin di động 5G Chuông 3: ủ ng dụng triển khai hệ thống thông tin di động 5G Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em nhận nhiều giúp đờ, đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình thầy cơ, gia đình bạn bè Em xin gửi lời cảm ơn đển thầy cô khoa ĐTVT tạo điều kiện, giúp đờ trang bị cho em nhùng kiến thức quý báu Em xin chân thành cảm ơn thầy THS ĐÀO XUÂN PHÚCđà hưởng dẫn tận tình giúp đờ em ho; Tuy nhiên, hạn chế mật thời gian nâng lực thân nên nội dung đồ án khơng tránh khởi nhùng thiếu sót Kính mong thấy giáo cấc bạn quan tâm đóng góp ý kiến thêm đề đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 20 J Sinh viên thực Nguyễn Hải Yến CHƯƠNG QUẤ TRÌNH PHÁT TRIÊN CỦA HỆ THỐNG THƠNG TIN DI ĐỘNG •Giới thiệu chương: Chương trình bày lịch sử phát triển hệ thống thơng tin di động thể giới Cho nhìn tồng quan tiêu chuẩn, ưu nhược điêm thể hệ thông tin di động phát triên thê giới Đồng thời chương đề cập cập đến yêu cầu đặt racủa hệ thống thông tin di đọng thể hệ thứ (5G) Thông tin di động lĩnh vực quan trọng đời sống xã hội Xã hội phát triển, nhu cầu thông tin di động người tang lên thông tin di động khắng định cần thiết tính tiện dụng Cho đến hệ thổng thông tin di động trái qua nhiều giao đoạn phát triển, từ hệ di động hệ đến hệ the hệ phát triển gi(' ■ ihế T ỉ ' kĩ " ' ì đặc tính chung cua cac nẹ mong mong un OI oọng Khi ngành thông tin quáng bá bẳng vô tuyến phát triển ý tưởng thiết bị điện thoại vô tuyến đời tiền thân mạng thông tin di động sau Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyển thử nghiệm ST Louis, bang Missouri Mỳ Sau năm 50, việc phát minh chất bán dần ảnh hưởng lớn đến lình vực thơng tin di động, ứng dụng linh kiện bán dẫn vào thông tin di động đả cải thiện số nhược điểm mà trước chưa làm Thuật ngừ thông tin di động tế bào đời vào nhừng năm 70, kết hợp vùng phủ sóng riêng lẻ thành cơng, giải tốn khó dung lượng / ' ' " ỊT tế bào Ll Công nghệ tương tự -0G 1G Có hai the hệ ngành cơng nghệ dí động coỉ tương lự Các công nghệ coi 0G 1G 1G công nghệ di động tố ong (cellular) đầu tiên, cịn OG cơng nghệ di động tiền tố ong (pre-celluỉar) Các thiết bị đầu cuối sử dụng OG khó gọi thiết bị di động Các mầu mã lớn thường gẳn vào xe tồ Sau đó, thiết bị cầm tay đời, OG bị thay thế hệ 1G Khía cạnh chủ yếu phân biệt OG 1G công nghệ 1G sử dụng mạng tổ ong (cellular network) Một mạng tổ ong mạng tạo nên số cell Mỗi cell phục vụ máy phát cố định, thường gọi trạm gốc Trên thực tế có vài ví dụ việc sử dụng mạng tố ong 0G, điều làm nên khác biệt 1G OG 1G hồ trợ việc kết liền mạch di chuyển từ cell sang cell khác Điểu có nghĩa là, người dùng khỏi tầm hoạt động trạm gốc thực gọi, sử dụng cơng nghệ OG người dung bị ngắt sv: NGUYỀN HẢI YÉN Lớp: ĐTVT K16 kết nối, sử dụng công nghệ 1G người dung không nhận thấy ngắt quãng Mặt khác, công nghệ OG thường bán song cơng (có nghĩa viêc thu phát âm không xảy đồng thời) Hình 1.2 MỘ! mẫu điện thoại thời OG Vào năm 1970, mạng sử dụng công nghệ 0G bị tái nghiêm trọng Một chuẩn tưong tự khác giới thiệu 1G Giống OG, 1( nh thực mà khơng có mã hóa giao diện vơ tuyến Điều có nghĩa bất cử có máy quét đơn giản nghe điện đàm Các cổ gắng nhà chức trách nhâm ngăn chặn việc xâm nhập bất họp pháp không giải vấn đề Bên cạnh việc bảo vệ thông tin cá nhân, nhược diem hệ thổng đưa đến vấn đe khác liệu truyền gửi mà khơng mã hóa, kỹ thuật bảo mật cịn thơ sơ dễ dàng lộ cho hacker Hình ỉ: Internet of Things ịloT) Với việc thứ liên kết với nhau, người gần có the làm việc họ muốn nơi lúc Sau vài ví dụ cho loE: ■ Tự động hóa: ta có thê trải nghiệm khà lái xe tự động cùa ô tô tham gia giao thông Những xe tích họp nhiều cơng nghệ, từ camera có khả cho tầm nhìn 360°, cảm biến lắp đặt xung quanh xe để xác định khoáng cách giừa phương tiện, nhận dạng người tính tự động lái theo lịch trình đề trước Bên cạnh đó, nhừng xe cịn có khả cung cấp dịch vụ đáp ứng nhu cầu giải trí người xe TV, Internet Người sử dụng việc ngồi tận hưởng chuyến hoàn toàn tự động, thoải mái mà đảm bào an tồn ■ Ngơi nhà thơng minh: Mọi thứ nhà thông minh hóc vât dụng ™ định 'TV ’ạnh máy điểu hòa ) cho đen câv vạt UI4I1& vu IIIIUII ựiidy Ulin Advil tay, VI1VII mvại, 1LIUJ tính bảng ), chí hệ thống an ninh, hệ thống chiếu sáng, tất kết nối với với người sử dụng Ngôi nhà thông minh có thê tự động quàn lý lưu lượng truy cập kết nối, tăng giám phù hợp thiết bị để đám bảo tiết kiệm lượng nhà Không thế, chủ ngơi nhà thực thao tác thiết bị nhà thơng qua di động/máy tính xách tay/máy tính bảng lúc đâu mà muốn họ Hình 3.2 Ngơi nhà thơng minh ■ Thành phố thơng minh: thành phổ có: Tịa nhà thơng minh: Những tịa nhà có khả nhà thông minh quy mô lớn rng tiện giao thông, tuyến đường, tăng cường an tồn giao thơng, giám thiêu tắt nghẽn, hạn chế chất thái từ phương tiện nhừng yêu cầu hệ thống giao thông thông minh Nãng lượng thơng minh: Có khả nãng tự điều tiết nhu cầu lượng đến người sử dụng đê nâng cao hiệu suất lượng, khả quản lý tiết kiệm chi phí ■ Chăm sóc sức khóe: Người bệnh khơng thiết phải bênh viện, họ đưa nhà giám sát, chàm sóc từ xa thơng qua hệ thống kểt nối thơng minh Bên cạnh đó, vật dụng cá nhận tích hợp chức giám sát sức khoe phát triển mạnh mẽ Chăng hạn chiểc đồng hồ đeo tay tích hợp khả náng giám sát nhịp tim người sử dụng, kểt giấm sát sè truyền tải đến bác ■ Giáo dục thơng minh: Việc học có the thực đâu Mọi người truy cập, kết nối với hình thành lớp học online, kết hợp với nhừng thiết bị, công cụ tương tác thông minh, việc học thực hành thực trờ nên dề dàng thuận tiện het Triển khai hệ thống thông tin di động 5G Những thách thức phái đối mặt Sự đời hệ thống thơng tin 5G có thê xem cách mạng lớn ngành viền thông thiết bị sử dụng lẫn phương thức truyền dẫn Không the phủ nhận ưu điểm tiềm tàng cũa mạng 5G, nhiên, việc triến khai vào thực tiền khơng phải chuyện dễ dàng, phải đối mặt với rẩt nhiều thách thức Thách thức cơng nghệ: ■ jqhi£>i V1IV0T1 Vânh* rìơv /-'hình R> mÁt trfynrr nhirnrr V'ùn rti* bât kì hệ thịng FiCii thõng ilao, 5G khơng phui IU ngoại lộ x\ỉọí diều đáng nói, mạng 5G, số lượng kết nối gia tăng cách khủng khiếp, việc xuất nhiều số lượng kênh truyền diện tích nhỏ điều tất yểu, điều khiển cho vấn đề giài nhiễu xuyên kênh trở nên quan trọng hết ■ Khả Điều khiển truy nhập môi trường MAC: Việc xuất với mật độ dày đặc điểm truy cập thiểt bị đầu cuối dẫn đến thông lượng người sử dụng bị giảm (do giới hạn tài ngun), độ trễ cao Chính vậy, việc đời mạng 5G phải với khả Điều khiển truy nhập môi trường hiệu quả, đảm bào thông lượng độ trễ cho người dụng sử ■ Quán lý lưu lượng: Việc lượng lớn thiết bị, hệ thống liên kết, truycn thông với ngồi Cell phải đảm bảo ln sẵnsàng không phép xảy tầc nghẽn, tải Đây thách thức lớn mà hệ thong 5G phải giải Thách thức triền khai: ■ Đa dịch vụ: Một nhừng yêu cầu cho mạng 5G khả nãng cung cấp đa dịch vụ cho mạng không đồng nhất, cho thiết bị hoạt động địa hình khác Việc triển khai hệ thống 5G phái đí kèm với đời tiêu chuấn để cung cấp linh hoạt, bao quát dồi dịch vụ không dây đáp ứng kỳ vọng cùa người sử dụng ■ Cơ sở hạ tầng: Hệ thống 5G đặt yêu cầu ỉởn công nghệ trang thiết bị Anten Massive MIMO, thiết bị hỗ trợ ghép kênh, điều chế mới, điện thoại 5G tất phải thiết ke nhỏ gọn, tiết kiệm phải đàm bảo yêu cầu chất lượng Cơng nghệ NANO xem hướng giải quyết, nhiên, nay, việc phát triển cơng nghệ NANO cịn ■ Truyền thông, hàng hải viễn thám: Đế hướng đến mạng truyền thông không dây “thực sự”, hệ thống 5G phải đáp ứng khía cạnh ■ Bảo mật an ninh mạng: Đây vấn đề tơi quan trọng hệ thống viễn thơng Hệ thống 5G cần phải đám bảo khả báo vệ an toàn dừ liệu cá nhân người sử dụng, phải phát hiện, xử lý ngàn chặn mối đe dọa an ninh mạng bối cành mà số lượng bỊ kết noi lên đen hàng chục tỳ Thực tế triển khai hệ thống thông tin di dộng 5G thiết Hiện nay, nhiều tố chức, quốc gia tiến hành đưa nhùng dụ định tiến hành thử nghiệm cho hệ thống thông tin di động 5G tương laỉ Năm 2013, Samsung tiến hành thứ nghiệm mạng 5G tẩn sổ 28 GHz với 64 Anten truyền dẫn tín hiệu Trong thử nghiệm này, Samsung đả đạt tới mốc download 940 MB/s (7,5 Gb/s) đứng yên 150 MB/s (1,2 Gb/s) di chuyển với tốc độ khoảng 110 km/h Samsung công bố họ sẵn sang công đoạn đế tiến hành mắt “5G RF Integrated Circuit” (RFIC) - chip xừ lý 5G thể hệ kết nối di động, mệnh danh cột mốc quan trọng cơng phát triển tiến tới tích hợp 5G tiêu chuẩn chung cùa xã hội công nghệ Gần đây, NTT DoCoMo, nhà mạng động lớn Nhật Bản công bố trở thành nhà mạng giới tiến hành thừ nghiệm mạng 5G môi trường thực tế đạt tốc độ lên tới Gb/s Nhà mạng sử dụng kỹ thuật beamforming, beam-tracking bước sóng milimel dải tần 70 GHz để đạt thành Theo DoCoMo, việc sử dụng beamforming theo dõi thiết bị đổi quan trọng đê sv: NGUYỀN HẢI YÉN 83 Lớp: ĐTVT K16khắc phục vẩn đề truyền sóng di động milimet bước đột phá giúp mạng 5G đạt tốc độ cao khơng mơi trường phịng thí nghiệm mơi trường thực tể bên ngồi Trong năm 2015, hãng Huawei (Trung Quốc) DoCoMo kểt họp với để tiến hành thử nghiệm kết không dây 5G quy mô rộng, sử dụng băng tần GHz Địa điểm thừ nghiệm Thành Đô (Trung Quốc), thử nghiệm nhàm kiêm thứ công nghệ Massive MIMO đa người dùng đầu tiên, thực kết nối đồng thời 24 thiết bị môi trường thông tin di động macro cell để truyền trực tiếp hình ảnh video hoạt động thử nghiệm đến gian hàng Triền lãm CEATEC JAPAN 2015 diễn Chiba (Nhật Bản) Cuộc thử nghiệm đem lại thành công đáng ke, tốc độ tải xuống trung bình lên đen 3,6 Gb/s kênh băng tần siêu rộng 100 MHz Ngày 28/09/2015, Đối thoại Cấp cao Kinh tê - Thưong mại Trung Quốc- ên minh châu Âu (EU) ký thoả thuận họp tác chiến lược phát triển tiêu chuẩn công nghệ cho mạng di động 5G Verizon, nhà mạng không dây lớn nước Mỷ, lên kế hoạch thử nghiệm công nghệ 5G thực tế vào năm 2016 Hiện Verizon xây trạm thu phát sóng 5G trung tâm nghiên cứu Waltham, Massachusetts vàSan Francisco Tham gia Verizon dự án phát triến công nghệ cao đổi tác Nokia, Qualcomm Cisco, Samsung Alcatel-Lucent Hầu hết tố chức, quổc gia dự định thương mại hóa hồn tồn hệ thống thơng tin di động hệ thứ (5G) vào năm 2020 *ĩ* Kêt luận chưtmg: Hiện nay, tô chức, quổc gia lớn thê giới riết tiến hành nghiên cứu, thừ nghiệm hệ thong 5G Mặc dù phái đối mặt với nhừng thách thức lớn, với phát sv: NGUYỀN HẢI YÊN 84 Lớp: ĐTVT K16 triển khoa học kỹ thuật, việc triển khai thành công hệ thong thông tin di động 5G tồn giới điều hồn tồn năm tới KÉT LUẬN Đồ án trình bày yêu cầu đặt hộ thống thông tin di động thẻ hệ thử (5G) công nghệ, kỳ thuật tiên tiên cho úng viên sáng giá việc xây dựng triển khai hệ thống Đồng thời đồ án đê cập đen thách thức việc triên khai hệ thống 5G vào thực te thực trạng triển khai hệ thống quốc gia lớn Dựa kỳ thuật đề cập, có the tiến hành nghiên cửu chuyên sâu nguyên lý, che hoạt động chúng, từ định hướng q trình phát tricn hộ thống thông tin di động hệ Việt Nam TÀI LIỆU THAM KHẢO ■ Tàỉ liệu tiếng Việt: [ ] Trần Xuân Nam, Đinh Thế Cường, Nguyễn Tuấn Minh (Học viện Kỳ thuật Quân sự), Nguyễn Vĩnh Hạnh (Phòng Kỹ thuật, Bộ tư lệnh Lăng), “M1M0 - Công nghệ truyền dần vô tuyến tốc độ cao”, Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ, số (42), nãm 2007 • Tài liệu tiếng Anh: [1 ] Jonathan Rodriguez, Fundamentals oF 5G mobile networks, Wiley, 2015 121 Ma Zheng, Zhang ZhengQuan, Ding ZhiGuo, Fan PingZhi, Li HengChao, “Key techniques for 5G wireless communicationsmetwork architecture, physical layer,and MAC layer perspectives”, Science China Information Sciences, Vol 58, April 2015 [3] Asvin Gohil, Hardik Modi, Shobhit K Patel, “5G Technology of Mobile Communication: A Survey”, International Conference on Intelligent Systems and Signal Processing (ISSP), 2013 |4]Yuya Saito, Yoshihisa Kishiyama, Anass Benjebbour, Takehiro Na mal Multiple Access (NOMA) for Future Radio Access”, Vehicular Technology Conference (VTC Spring), 2013 IEEE 77*.20! ■ Tài liệu diện từ: [ ] www.pcworld.com.vn [2] www.hucotu.wordpress.com [3] www.company.nokia.com [4] www.arxiv.org 15 Ị www.telecoms.com [6] www.huawei.com [71 www.en.wikipedia.org [8] www.ieeexplore.ieee.org [9] www.itu.int Và cấc tài liệu khấc ... gian thê hệ 2,5 sử dụng cơng nghệ TDMA kết hợp nhiều khe nhiều tần sổ sừ dụng công nghệ CDMA cố thếchồng lên phổ tần thể hệ không sử dụng phố tần mới, bao gồm mạng đưa vào sứ dụng như: GPRS, EDGE... biết đen với tên Công nghệ Nano phân từ MNT (Molecular NanoTechnology) Công nghệ Nano trở thành cách mạng công nghệ, mục tiêu hướng tới hệ thống viễn thông thời gian tới Công nghệ Nano dã cho... trạm gốc thực gọi, sử dụng cơng nghệ OG người dung bị ngắt sv: NGUYỀN HẢI YÉN Lớp: ĐTVT K16 kết nối, sử dụng công nghệ 1G người dung không nhận thấy ngắt quãng Mặt khác, công nghệ OG thường bán