Mạng thông tin di động thế hệ thứ 6

Bài báo Mạng thông tin di động thế hệ thứ 6 gồm năm phần: Phần một, giới thiệu tổng quan quan về mạng 6G. Phần hai trình bày các mục tiêu mạng 6G. Mô hình kiến trúc đề xuất trong phần ba. Phần bốn là các kỹ thuật mới cho mạng 6G. Cuối cùng là kết luận. Mời các bạn cùng tham khảo!

Kỷ yếu Hội thảo khoa học cấp Trường 2022 Tiểu ban Điện-ĐTVT-CNTT Mạng Thông Tin Di Động Thế Hệ Thứ Trần Văn Thọ Khoa Điện-Điện tử viễn thông Trường Đại học Giao thơng vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam vantho.tran@ut.edu.vn đình, camera gắn thể, v.v…) kết hợp với nhu cầu ngày tăng từ ứng dụng dịch vụ Vì mạng di động hệ cho năm 2030 - 6G phục vụ cho lưu lượng liệu di động lớn từ 100 x đến 1000 x so với 5G Các mục tiêu mạng 6G: Abstract - Mạng di động hệ 6G tảng xã hội loài người thập kỷ tới (2030), tạo tiến bền vững cho xã lội, phù hợp với mục tiêu phát triển bền vững Liên hiệp quốc Bài báo n giới thiệu yêu cầu kỹ thuật cần đáp ứng khái niệm dịch vụ công nghệ 6G  Kết nối thông minh: Nếu 5G thực hóa tầm nhìn kết nối vạn vật – “connect of everything” cho phép chuyển đổi kỹ thuật số doanh nghiệp theo chiều dọc 6G cho mở kỷ nguyên kết nối thông minh “Connecting Intelligence” với người kết nối, thứ kết nối trí thơng minh kết nối, giải thách thức người khía cạnh góp phần hồn thiện giới nhân loại Từ khóa - Chỉ số đánh giá hiệu suất chính, cơng nghệ mạng diện rộng xác định phần mềm, công nghệ chuỗi khối, Ultra Massive MIMO, internet công nghiệp kết nối vạn vật I GIỚI THIỆU Khi 5G bước vào giai đoạn triển khai thương mại, nghiên cứu thuộc nhiều tổ chức giới bắt đầu ý đến 6G, dự kiến triển khai vào khoảng năm 2030 Thế hệ di động 6G nâng cao hiệu suất truyền thơng tin - tốc độ liệu cao lên đến Tbps độ trễ cực thấp tính micro giây Sử dụng tần số terahertz kỹ thuật ghép kênh khơng gian, 6G cung cấp dung lượng cao 1000 lần so với mạng 5G Một mục tiêu 6G tiến đến kết nối phổ cập cách tích hợp mạng lưới thơng tin liên lạc vệ tinh mạng lưới thông tin liên lạc nước để mở rộng phạm vi phủ sóng tồn cầu Công nghệ thu gom lượng việc sử dụng vật liệu cải thiện đáng kể hiệu hệ thống lượng thực hóa mạng lưới xanh bền vững Ba lớp dịch vụ 6G phổ cập băng thông di động siêu (ubiquitous mobile ultrabroadband uMUB), truyền tốc độ cực nhanh độ trễ cực thấp (ultrahigh-speed-withlow- latency communications uHSLLC) mật độ liệu siêu cao (ultrahigh data density - uHDD) Bài báo gồm năm phần: Phần một, giới thiệu tổng quan quan mạng 6G Phần hai trình bày mục tiêu mạng 6G Mơ hình kiến trúc đề xuất phần ba Phần bốn kỹ thuật cho mạng 6G Cuối kết luận  Có thể lập trình: Cho phép điều khiển lập trình định hình mơi trường truyền khơng dây qua phần tử vô tuyến chủ động (active radiofrequency)  Khả định: Xử lí thơng tin xác định, tập trung vào tác vụ E2E, bao gồm cảm biến, truyền dẫn tính tốn xác định nhằm giảm độ trễ đảm bảo trải nghiệm dịch vụ từ cấp hệ thống  Cảm biến tích hợp: Thu thập thông tin từ thiết bị cảm biến, thu thập phân tích liệu  Tính bền vững: Nghiên cứu phát triển 6G cần thúc đẩy mục tiêu phát triển bền vững Liên hợp quốc (UN SDGs)  Sự tin cậy: Mức độ tin cậy 6G cần kết hợp viễn thông, bảo mật, quyền riêng tư nhiều lĩnh vực khác  Giá hợp lí khả mở rộng: Đảm bảo hệ thống 6G mở rộng giá phải sử dụng toàn giới Một hứa hẹn lớn thập kỷ tới giao tiếp nhập vai, viễn vọng ảnh ba chiều thực tế ảo hay thực tế ảo tăng cường (AR/VR), tương đương chất lượng độ phân giải 8K, cung cấp tốc độ trải nghiệm cho người dùng lên đến 10 Gbps Số lượng thiết bị di động ngày tăng, khơng có nghĩa II MỤC TIÊU MẠNG 6G Trong thập kỷ qua, lưu lượng liệu di động tăng trưởng từ 50% đến 100% hàng năm Chúng ta mong đợi gia tăng liên tục số lượng thiết bị kết nối (cảm biến, kết nối ô tô, thiết bị gia 76 Trần Văn Thọ mật độ thiết bị di động tăng lên 6G sử dụng nhỏ hơn, mật độ thiết bị cao Vì vậy, 6G hỗ trợ mật độ tối đa lên đến 10 thiết bị m2 Hơn nữa, lưu lượng liệu di động cho thiết bị tăng, dung lượng yêu cầu tăng theo Đối với tình khán giả sân vận động hay văn phịng tồ nhà có nhiều thiết bị thực tế tăng cường cần công suất khoảng 150 Tpbs/km2, nghĩa gấp 10 lần yêu cầu công suất 5G Điều trở thành xu hướng chủ đạo giao tiếp người Hình Các mục tiêu mạng 6G [1] mạng đảm bảo ràng buộc dung lượng cực cao, độ trễ cực thấp độ tin cậy cho ứng dụng tương lai Kiến trúc 6G thể qua ba mặt phẳng hình III MƠ HÌNH KIẾN TRÚC 6G Mạng 6G mong đợi để đạt hiệu lượng kết nối không dây liền mạch mặt xã hội phạm vi toàn cầu, kiến trúc Hình Ba mặt phẳng kiến trúc mạng 6G.[2]  Chi phí cho việc thiết lập mạng di động tồn cầu đắc đỏ A Mặt phẳng hội tụ phổ cập 3D (UBIQUITOUS 3D COVERAGE) Mục tiêu kiến trúc mạng hệ đảm bảo phạm vi phủ sóng rộng sâu Kiến trúc mạng - sở hạ tầng di động mặt đất - có hai nhược điểm sau: Để khắc phục nhược điểm trên, 6G tích hợp mạng phi mặt đất (Space Air Ground Sea) để cung cấp phạm vi phủ sóng khơng dây đầy đủ  Khơng có khả đáp ứng thông tin liên lạc độ cao biển sâu; thống vệ tinh dung lượng cao (High throughput satellite - HTS) có khả dịch vụ truy cập Internet 1) Mạng không gian (hệ thống vệ tinh LEO): Hệ 77 Mạng thông tin di động hệ thứ băng thông rộng tương đương với dịch vụ mặt đất giá băng thông Hầu hết thông tin liên lạc vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh (GEO) độ cao 35786 km, dẫn đến độ trễ mức khả tích hợp với mạng di động mặt đất không khả thi Hệ thống vệ tinh quỹ đạo phi địa tĩnh (NGSO) đề xuất cung cấp Internet tồn cầu có độ trễ thấp, tốc độ bit cao kết nối số chòm vệ tinh sửa bắt đầu thương mại hóa: tảng độ cao thấp (low altitude platforms - LAP) thường độ cao không vài km So với LAP, mạng HAP có khả phủ sóng rộng độ bền lâu hơn, lợi HAP trùng lặp với mạng lưới vệ tinh LEO mức độ Mặt khác, mạng LAP dựa máy bay không người lái (unmanned aerial vehicle - UAV) triển khai nhanh chóng, thiết lập cách rõ ràng để phù hợp với môi trường giao tiếp cho hiệu suất tốt giao tiếp tầm ngắn  Starlink: Công ty Mỹ SpaceX mắt Starlink, chòm gồm 4425 vệ tinh quỹ đạo thấp (LEO) 7518 vệ tinh VLEO khoảng quỹ đạo 340 km Kế hoạch liên bang cho phép Ủy ban Truyền thông (FCC) triển khai đầy đủ vào năm 2027; Mạng không dây UAV triển khai đến nơi tình sở hạ tầng bị xâm phạm nghiêm trọng chí khơng có sở hạ tầng, đặc biệt trường hợp thảm họa tình khẩn cấp Bên cạnh đó, trạm sở bay UAV hoạt động nút chuyển tiếp liên lạc đường dài để thúc đẩy hội nhập mạng mặt đất mạng phi mặt đất Những tính làm cho mạng không dây dựa UAV trở thành thành phần tiềm thiếu hệ thống thông tin di động hệ Kiến trúc dọc nhiều lớp tích hợp đầy đủ cho mạng 6G bao gồm mặt đất, LAP dựa UAV, HAP, vệ tinh LEO vệ tinh GEO kiến trúc mạng vượt trội hạ tầng giao thức có  OneWeb: Vào ngày 27 tháng năm 2019, OneWeb thành cơng phóng 06 vệ tinh vào quỹ đạo Chòm bao gồm 720 vệ tinh tầm thấp LEO ủy quyền từ Vương quốc Anh FCC;  Hongyan: Gồm 320 vệ tinh tầm thấp LEO Tập đồn Khoa học Cơng nghệ Hàng khơng Vũ trụ Trung Quốc (CASC) hoàn thành vào năm 2025 2) Mạng khơng (AERIAL NETWORK): Mạng khơng phân loại rộng rãi thành hai loại, tảng độ cao (high altitude platforms HAP) thường hoạt động tầng bình lưu Hình Mạng thơng tin biển [3] 3) Mạng biển (Undersea): Có nhiều tranh cãi việc liệu mạng lưới biển trở thành phần mạng 6G tương lai Dưới biển, giao tiếp không dây chủ yếu liên quan đến RF, âm thông tin liên lạc quang học (hình 3) Sự so sánh ba công nghệ truyền thông thể bảng I 78 Trần Văn Thọ BẢNG I SO SÁNH CÁC KỸ THUẬT TRUYỀN DƯỚI BIỂN Thông số STT Sự suy hao Tốc độ truyền Độ trễ Khoảng cách truyền Công suất tiêu thụ Tần số vô tuyến Âm Quang Cao Thấp Độ đục Mbps Kbps Gbps Vừa phải Cao Thấp < 10m < 100Km < 100m Vừa phải Cao Thấp Môi trường nước phức tạp khó lường dẫn đến triển khai mạng phức tạp, tín hiệu suy giảm lớn Vì vậy, mạng biển cịn nhiều vấn đề cần giải theo nội dung (content driven routing) Trên tầng ứng dụng 6G Block chain dùng cho an ninh mạng, tầng dynamic spectrum access tầng management plane Trên lớp ứng dụng 6G B Mặt phẳng kết nối thông minh (Intelligent connection) IV CÁC KỸ THUẬT MỚI CHO 6G 1) Khía cạnh thời gian thực thông minh (REALTIME INTELLIGENT EDGE – RTIE): Mạng hệ yêu cầu hỗ trợ tương tác dịch vụ từ AI số dịch vụ lái xe tự động nhạy với độ trễ Điều cần tương tác thông minh với môi trường chúng thời gian thực RTIE cần thiết cho dự đốn, suy luận định thơng minh thực liệu trực tiếp A Terahertz (THz) communication 2) Vô tuyến thông minh (INTELLIGENT RADIO – IR): Đây khái niệm gần giống với khái niệm vô tuyến nhận thức IR cho phép thiết bị truy cập phổ tần lúc nơi tùy theo mơi trường nhu cầu nó, ngồi khả giao tiếp cịn có vấn đề tính tốn, bảo mật, v.v… Hình Băng tần THz [4] Dải THz dải quang phổ vi sóng dải quang học, với tần số khác nhau, từ 0.1 THz đến 10 THz Hệ thống liên lạc THz hứa hẹn hỗ trợ liệu tốc độ từ 100 Gbps đến Tbps Sóng THz giao tiếp an tồn chùm tia hẹp chu kì xung ngắn nên hạn chế đáng kể xác suất nghe trộm Sóng THz xuyên qua số vật liệu với suy hao thấp Với đặc điểm vậy, sóng THz ứng dụng rộng rãi truyền thông không dây truyền thông không gian tốc độ cực cao Do đó, quan quản lý tồn cầu cố gắng xúc tiến tiêu chuẩn để phát triển công nghệ truyền thông phổ tần THz Tuy nhiên, dãi THz gặp nhiều trở ngại việc triển khai hạn chế vật lý công nghệ bán dẫn đóng gói đại Các vật liệu (như graphene - bao gồm than chì, ống nano carbon fulleren) giải hạn chế Những thách thức khác để đáp ứng yêu cầu phạm vi phủ sóng tính di động 6G gồm: Mơ hình kênh THz mới, sơ đồ điều chế dạng sóng mới, giao 3) Trí tuệ nhân tạo phân tán (DISTRIBUTED AI): Mạng tương lai hệ thống phi tập trung lớn, nơi định thông minh đưa cấp độ khác Để đẩy nhanh việc học cải thiện độ tin cậy theo cấp số nhân, AI phân tán thúc đẩy nguồn tài nguyên (tính toán, giao tiếp, lưu vào nhớ đệm điều khiển) mạng thơng qua q trình đào tạo song song địi hỏi tách liệu mơ hình theo cách thích hợp Mặt phẳng phân tầng nâng cao (Enhanced stratification) C Mặt phẳng phân tầng 6G chia thành tầng Tầng vật lí: Sử dụng phổ tần terahertz (THz), (visible light communications VLC –Thơng tin ánh sáng nhìn thấy) Tiếp theo tầng truy cập phổ động (dynamic spectrum access), tầng mặt phẳng quản lí (management plane), tầng định tuyến 79 Mạng thơng tin di động hệ thứ thức MAC mới, mơ hình hóa giảm thiểu trường hợp phi tuyến tính nhiễu pha, q trình ADC/DAC cho hàng chục mẫu Giga/giây với mức tiêu thụ điện hợp lý, … Hình Các kỹ thuật cho 6G [5] B Ultra-Massive MIMO & Graphene hạn chế vật liệu bán dẫn Graphene nguyên tố carbon vật liệu, có khả hoạt động chất siêu bán dẫn Để tăng cường kết nối khơng dây Terahertz, ngun tố hóa học Graphene đóng vai trị giải Hình Các lĩnh vực ứng dụng vật liệu Graphene [5] Sử dụng Graphene để sản xuất anten nano plasmonic siêu nhỏ gọn tạo UM-MIMO (Ultra Massive MIMO) hoạt động miền THz với cấu hình hàng nghìn anten Kỹ thuật UM-MIMO cho phép truyền nhận lên tới tốc độ Tbps C Truyền thông không dây quang (Optical Wireless Communications - OWC) Truyền thông không dây quang (OWC) xem công nghệ bổ sung cho truyền thông di động dựa RF dải tần hồng ngoại Quang phổ ánh sáng khả kiến (430-790THz) phổ tần lý tưởng 80 Trần Văn Thọ  Truyền thông máy ảnh quang học (Optical Camera Communications – OCC); OWC tiến công nghệ áp dụng rộng rãi đèn LED Một khía cạnh bật đèn LED khác với cơng nghệ chiếu sáng trước chuyển mức cường độ ánh sáng khác nhanh chóng, cho phép liệu mã hóa dạng ánh sáng theo nhiều cách khác Các loại OWC:  Kết nối mạng không dây với ánh sáng (Light Fidelity or Wireless Networking with Light - LiFi); Hiện tại, công nghệ micro-LED đạt tốc độ truyền tải 10 Gbps Công nghệ hi vọng đạt tốc độ truyền liệu hàng trăm Gbps, chí Tbps kỷ nguyên 6G  Truyền thông quang không gian tự (FSO Free Space Optical Communications); D Bảo mật chuỗi khối cho 6G (Blockchain Security  Truyền thơng ánh sáng nhìn thấy (VLC Visible Light Communications); Model for 6G) Hình Mơ hình bảo mật Blockchain [5] Tại Blockchain công nghệ đủ điều kiện để cung cấp phương pháp xác thực cho 6G? Cơng nghệ chuỗi khối, cịn gọi “sổ phân tán” (Distributed Ledger Technology – DLT), cho phép truyền liệu an toàn qua Internet thông qua ghi vô hạn, ghi nhận thay đổi xảy liệu theo cách phi tập trung thời gian thực cho tất người dùng liệu Mơ hình DLT cung cấp cho phép xây dựng mạng không dây đáng tin cậy, đồng thời phi tập trung việc trao đổi liệu điều chỉnh Một số tiềm Blockchain mang lại cho mạng 6G: thiết bị thông minh tạo tiền đề cho phát triển không dây phía 6G Bài báo đề cập đến mục tiêu kiến trúc mạng di động hệ thứ Đi với công nghệ phổ tần mới, giao tiếp THz VLC, mơ hình giao tiếp mới, kỹ thuật UM-MIMO với vật liệu Graphene cho phép giao tiếp tốc độ lên tới hàng Tbps mạng 6G Mặt khác, việc tái cấu trúc phân tầng kết hợp kết nối thông minh thời gian thực thông minh, vơ tuyến thơng minh, trí tuệ nhân tạo giúp mạng 6G có khả tương tác thơng minh với mơi trường, định thông minh cấp độ khác nhau, đồng thời tạo kiến trúc dọc nhiều lớp vượt trội so với kiến trúc mạng Đây tiền đề quan trọng tiến tới xã hội 5.0, tạo tiến bền vững cho xã lội, phù hợp với mục tiêu phát triển bền vững Liên hiệp quốc  Cung cấp quản lý tài ngun thơng minh;  Cung cấp quyền kiểm sốt truy cập cho 6G xác thực user;  Chống lại công DDoS (Distributed Denial of Service) TÀI LIỆU THAM KHẢO V KẾT LUẬN [1] The 5G Infrastructure Association, “European Vision for the 6G Network Ecosystem”, 2021 Availbale: https://5g-ppp.eu/wp- Sự gia tăng gần theo cấp số nhân liệu không dây, đặc biệt liệu đa phương tiện 81 Mạng thông tin di động hệ thứ content/uploads/2021/06/WhitePaper-6G-Europe.pdf Accessed on: 30/12/2021 shihada/projectarticle/what-should-6g-be, on: 20/08/2022 Accessed [5] P S R Henrique, Ramjee Prasad, “6G The Road to the Future Wireless Technologies 2030”, in 6G The Road to the Future Wireless Technologies 2030, Gistrup, Denmark: River Publishers, 2021, pp i-xxvi [2] T Huang, W Yang, J Wu, J Ma, X Zhang, D Zhang, “A Survey on Green 6G Network: Architecture and Technologies”, IEEE Access, vol.7, pp.175758175768, 2019 DOI: 10.1109/ACCESS.2019.2957 648 [6] M Z Asghar, S A Memon, J Hämäläinen, “Evolution of Wireless Communication to 6G: Potential Applications and Research Directions”, Sustainability, vol 14, no.10, 2022 DOI:10.3390/su14106356 [3] Nasir Saeed, Abdulkadir Çelik, Tareq Y Al-Naffouri, Mohamed-Slim Alouini, “Underwater Optical Wireless Communications, Network, and Location: A servey”, Ad Hoc Network 94:101935, 2019, DOI:10.1016/j.adhoc.2019.101935 [7] S Barmpounakis, et al., “Dynamic Infrastructure-AsA-service: A key paradigm for 6G networks and application to maritime communications”, ITU Journal on Future and Evolving Technologies, vol 3, issue 1, 2022 [4] Mohamad-Slim Alouini, Osama Amin, Shuping Dang, “What should 6G be?”, 2019-2022, https://shihada.com/basem- 82 ... LEO): Hệ 77 Mạng thông tin di động hệ thứ băng thông rộng tương đương với dịch vụ mặt đất giá băng thông Hầu hết thông tin liên lạc vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh (GEO) độ cao 357 86 km, dẫn đến độ trễ... Blockchain mang lại cho mạng 6G: thiết bị thông minh tạo tiền đề cho phát triển không dây phía 6G Bài báo đề cập đến mục tiêu kiến trúc mạng di động hệ thứ Đi với công nghệ phổ tần mới, giao tiếp... biệt liệu đa phương tiện 81 Mạng thông tin di động hệ thứ content/uploads/2021/ 06/ WhitePaper-6G-Europe.pdf Accessed on: 30/12/2021 shihada/projectarticle/what-should-6g-be, on: 20/08/2022 Accessed