. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán + Chương 1 : Tổng quan về hệ thống thông tin di động + Chương 2 : Kiến trúc của hệ thống thông tin di động 5G + Chương 3 : Công nghệ đa truy nhập theo mã thưa SCMA + Chương 4 : Ứng dụng của SCMA trong 5G đa truy nhập mã thưa, SCMA, SCMA trong 5G, SCMA in 5G, Đồ án về đa truy nhập mã thưa, Project on sparse code multiple access in 5G.
QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3 1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G)
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 Thông tin di động 2G sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA và đa truy nhập phân chia theo mã CDMA Các kỹ thuật này cho phép sử dụng tài nguyên băng thông hiệu quả hơn nhiều so với 1G Hầu hết thuê bao di động hiện nay vẫn còn sử dụng công nghệ 2G này.
- 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
Corporation) đề xuất vào năm 1990 Chuẩn IS-136, được biết đến với cái tên khác là D- AMPS (Digital – Advanced Mobile Phone System), sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA), có 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 ra đời nhằm giải quyết những hạn chế của hệ thống thông tin di động 1G Hệ thống thông tin di động 2G co những ưu điểm sau:
- 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: Co-Channel Interference) và chống nhiễu kênh kề (ACI: Adjacent Channel Interference) hiệu quả hơn, làm tăng dung lượng hệ thống, 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 của hệ thống còn nhỏ nên các dịch vụ ứng dụng cũng bị hạn chế (không đáp ứng được các yêu cầu phát triển cho các dịch vụ thông tin di động đa phương tiện cho 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 được nâng cấp từ hệ thống thông tin di động 2G.
Sự nâng cấp này đôi khi được coi là sự chuẩn bị để tiến tới hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G).
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 là bước phát triển tiếp theo của GSM và IS-136 để cung cấp dịch vụ dữ liệu tốc độ cao cho người dùng do Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu ETSI (European Telecommunications Standards Institute) đưa ra vào năm 1999 GPRS có tốc độ dữ liệu từ 14,4 kb/s đến 115 kb/s nhưng theo lý thuyết thì GPRS có thể cung ứng tốc độ dữ liệu lên đến 171,2 kb/s GPRS là một giải pháp chuyển mạch gói Đây cũng là một bước đệm trong quá trình chuyển từ thế hệ 2G lên 3G của nhà cung cấp dịch vụ GSM/IS-136.
EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) Được triển khai tại Mỹ vào năm 2003, EDGE là một công nghệ di động được nâng cấp từ GPRS cho phép truyền dữ liệu với tốc độ có thể lên đến 384 kb/s cho người dùng cố định hoặc di chuyển chậm và 144 kb/s cho người dùng di chuyển tốc độ cao Trên quá trình tiến đến 3G, EDGE được biết đến như một công nghệ 2.75G.
IS-95B là hệ thống thông tin di động 2,5G được nâng cấp từ IS-95A và triển khai rộng rãi vào năm 1999 IS-95B là một tiêu chuẩn khá linh hoạt cho phép cung cấp dịch vụ số liệu tốc độ cao lên đến 115 kb/s.
CDMA2000 1xRTT là giai đoạn đầu của CDMA2000, được nâng cấp từ IS-95B và được triển khai từ năm 2000 nhằm cải thiện dung lượng thoại của IS-95B và hỗ trợ khả năng truyền số liệu ở tốc độ đỉnh lên tới 307,2 kb/s Tuy nhiên, các thiết bị đầu cuối thương mại của 1x mới chỉ cho phép tốc độ đỉnh lên tới 153,6 kb/s Cũng giống như EDGE, CDMA2000 1xRTT được xem như hệ thống 2,75G.
Ưu điểm của hệ thống thông tin di động 2,5G:
- Cung cấp các dịch vụ mạng mới và cải thiện các dịch vụ liên quan đến truyền số liệu như nén số liệu của người sử dụng, số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao, 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 như: dịch vụ định vị, tương tác với các hệ thống thông tin di động vệ tinh và hỗ trợ định tuyến tối ưu.
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G)
Để đáp ứng nhu cầu sử dụng thông tin di động ngày càng tăng cả về số lượng, tốc độ lẫn chất lượng của người sử dụng, Liên minh viễn thông quốc tế ITU (International Telecommunication Union) đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hóa thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) với tên gọi IMT-2000 (International Mobile Telecommunications for the Year
2000) nhằm nâng cao tốc độ truy nhập, mở rộng nhiều loại hình dịch vụ, đồng thời tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sự phát triển liên tục của thông tin di động.
Nhiều tiêu chuẩn cho IMT-2000 đã được đề xuất, trong đó có hai hệ thống WCDMA và CDMA-2000 đã được ITU chấp nhận và được đưa vào hoạt động vào những năm đầu của thập kỷ 2000 Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access) Điều này cho phép thực hiện 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 (đôi khi còn được gọi là 3GSM) sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) UMTS được chuẩn hóa bởi 3GPP (3rd Generation Partnership Project) WCDMA UMTS là công nghệ 3G được lựa chọn bởi hầu hết các nhà cung cấp dịch vụ GSM/GPRS để đi lên 3G Tốc độ dữ liệu tối đa UMTS cung cấp là 1920 kb/s, tuy nhiên thông thực tế tốc độ này chỉ khoảng 384 kb/s Để cải tiến tốc độ dữ liệu của 3G, hai kỹ thuật HSDPA và HSUPA đã được đề xuất Khi cả hai kỹ thuật này được triển khai, người ta 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): Tăng tốc độ đường lên (Uplink) đồng thời cải tiến QoS (Quality of Service) Kỹ thuật này cho phép người dùng Upload thông tin với tốc độ lên tới 5,8 Mb/s về mặt lý thuyết.
CDMA2000 được triển khai trên cơ sở CDMA2000 1xRTT, đại diện cho họ công nghệ cao gồm các chuẩn: CDMA2000 EV-DO (Evolution – Data Optimized) vàCDMA2000 EV-DV (Evolution – Data and Voice) CDMA2000 được chuẩn hóa bởi
3GPP2 CDMA2000 là công nghệ 3G được lữa chọn bởi các nhà cung cấp mạng sử dụng CdmaOne.
- CDMA2000 EV-DO: sử dụng một kênh dữ liệu 1,25MHz chuyên biệt và có thể cho tốc độ dữ liệu lên đến 2,4 Mb/s cho đường xuống và 153 Kb/s cho đường lên 1xEV-
DO Rev A hỗ trợ truyền thông gói IP, tăng tốc độ đường xuống đến 3,1 Mb/s và đặc biệt có thể đẩy tốc độ đường lên đến 1,2 Mb/s Bên cạnh đó, 1xEV-DO Rev B cho phép ghép
15 kênh 1,25MHz lại để truyền dữ liệu với tốc độ 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 đỉnh lên đến 4,8 Mb/s cho đường xuống và 307 Kb/ s cho đường lên Tuy nhiên từ năm 2005, Qualcomm đã dừng vô thời hạn việc phát triển của 1xEV-DV vì đa phần các nhà cung cấp mạng CDMA như Verizon Wireless hay Sprint đều đã chọn EV-DO.
TD-SCDMA (Time Division – Synchronous Code Division Multiple Access)
TD-SCDMA là chuẩn di động được đề nghị bởi CCSA (China CommunicationsStandards Accociation) và được ITU duyệt vào năm 1999 Đây là chuẩn 3G của TrungQuốc, dùng kỹ thuật song công TDD (Time Division Duplex) TD-SCDMA có thể hoạt động trên một dải tần hẹp 1,6MHz (cho tốc độ 2 Mb/s) hay 5MHz (cho tốc độ 6 Mb/s).
Hệ thống thông tin di động tiền 4G (pre-4G)
Công nghệ tiền 4G là bước chuẩn bị để nâng cấp từ công nghệ 3G lên 4G, ở một số nơi, người ta còn gọi đây là mạng 3,9G Một số công nghệ tiền 4G có thể kể đến là: LTE (Long Term Evolution), WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access), UMB (Ultra Mobile Broadband).
3GPP LTE là hệ thống tiếp theo cần hướng tới của hệ thống mạng không dây 3G dựa trên công nghẹ di động GSM/UMTS, và là một trong những công nghệ tiềm năng nhất cho truyền thông di động thế hệ thứ tư (4G)
3GPP LTE có khả năng cấp phát phổ tần linh động và hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện với tốc độ trên 100 Mb/s khi di chuyển với tốc độ 3km/h, và đạt 30 Mb/s khi di chuyển với tốc độ cao khoảng 120km/h, tốc độ này nhanh hơn gấp 7 lần so với tốc độ truyền dữ liệu của công nghệ HDSPA Do đó công nghệ này cho phép sử dụng các dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao trong khi di chuyển.
3GPP LTE sử dụng công nghệ Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) và kỹ thuật MIMO (Multi- input Multi-output).
+ 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 sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện tại Tuy nhiên, mạng LTE vẫn có thể tích hợp một cách dễ dàng với mạng 3G và 2G sẵn có Điều này hết sức quan trọng cho nhà cung cấp mạng triển khai 3GPP LTE vì không cần thay đổi toàn bộ cơ sở hạ tầng mạng.
WiMax là hệ thống truy nhập vi ba có tính tương thích toàn cầu dựa trên cơ sở tiêu chuẩn IEEE 802.16 do Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) đề xuất Tiêu chuẩn IEEE 802.16 đưa ra những yêu cầu, chỉ tiêu kỹ thuật nhằm tập trung giải quyết các vấn đề trong mạng vô tuyến băng rộng điểm – đa điểm PMP (Point – MultiPoint) về giao diện vô tuyến bao gồm: Lớp điều khiển truy cập môi trường MAC (Medium Access Control) và lớp vật lý PHY (Physical Layer).
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.
- 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.
- Khó có thể tạo ra một dải đầy đủ các dịch vụ đa tốc độ với yêu cầu về hiệu năng và QoS khác nhau do những hạn chế đối với mạng lõi gây ra bởi 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 đưa ra các yêu cầu tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G) với tên gọi IMT – Advanced Theo IMT – Advanced, hệ thống thông tin di động 4G phải đáp ứng được các yêu cầu sau:
- Xây dựng dựa hệ thống mạng IP chuyển mạch gói.
- Đáp ứng được tốc độ dữ liệu đỉnh lên đến 100 Mb/s khi di chuyển với tốc độ nhanh, và 1 Gb/s khi di chuyển với tốc độ chậm (hoặc đứng yên).
- Có thể linh hoạt trong việc sử dụng và chia sẻ 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.
- Có hiệu suất sử dụng phổ tần đỉnh lên đến 15 b/s/Hz đối với đường xuống và 6,75 b/s/Hz đối với đường lên (tức nếu đường xuống đạt tốc độ 1Gb/s thì chỉ chiếm dụng 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 đáp ứng được các yêu cầu trên và được ITU công nhận là hệ thống thông tin di động 4G, đó là: LTE-Advanced (được phát triển bởi 3GPP) và WirelessMAN-Advanced (được phát triển bởi IEEE).
4G cung cấp QoS và tốc độ phát triển hơn nhiều so với 3G đang tồn tại, không chỉ là truy cập băng rộng, dịch vụ tin nhắn đa phương tiện (MMS), chat video, TV di động mà còn các dịch vụ HDTV, các dịch vụ tối thiểu như thoại, dữ liệu và các dịch vụ khác.
Nó cho phép chuyển giao giữa các mạng vô tuyến trong khu vực cục bộ và có thể kết nối với hệ thống quảng bá 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)
Để đảm bảo cho sự phát triển liên tục của hệ thống thông tin di động, vào tháng 2 năm 2013, ba tổ chức của Trung Quốc là: 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 cùng nhau hợp tác thành lập nhóm “IMT-2020 (5G) Promotion” dựa trên nền tảng của nhóm “IMT-Advanced Promotion” nhằm hướng đến việc xây dựng và phát triển hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 5 (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 km2).
- Đáp ứng được Thông lượng cao hơn, khoảng vài chục Tbps/km2
- 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.
Hình 1.2: Khối khả năng của hệ thống 5G trong tương lai.
- Nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng lên hơn 100 lần. Để làm được điều này, cần phải có những nền tảng kỹ thuật mới để nâng cấp quá trình xử lý và truyền dữ liệu của hệ thống di động hiện nay Đã có nhiều kỹ thuật được đề xuất, ví dụ như:
- Công nghệ truyền dẫn không dây: o Massive MIMO. o Đa truy nhập: NOMA, BDMA… o Nâng cao kỹ thuật đa sóng mang: FBMC, UBMC… o Các kỹ thuật điều chế và mã hóa tiên tiến: WAN, tiền mã hóa…
- 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.
Kết luận chương 1
Hệ thống 5G trong tương lai sẽ đem lại cho người sử dụng những trải nghiệm hoàn toàn mới về chất lượng dịch vụ, nơi mà chúng ta có thể kết nối với mọi vật xung quanh mọi lúc, mọi nơi Mạng 5G sẽ là một mạng lưới hoàn chỉnh cho mạng di động không dây,hướng đến một thế giới không dây “thực sự”, một thế giới Internet of Things (IoT).
KIẾN TRÚC CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G
Kiến trúc hệ thống 5G
Kiến trúc mạng của công nghệ di động 5G cải thiện rất nhiều so với các kiến trúc trước đây Ngoài ra, kiến trúc của mạng 5G mang lại khả năng bảo mật tốt hơn so với mạng 4G LTE hiện nay với 3 thế mạng chính: o Tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn, lên đến tốc độ nhiều Gigabit / s. o Công suất lớn hơn, cung cấp năng lượng cho một lượng lớn thiết bị IoT trên mỗi km vuông. o Độ trễ thấp hơn, xuống đến mili giây một chữ số, điều này cực kỳ quan trọng trong các ứng dụng như xe được kết nối trong các ứng dụng ITS và xe tự hành, nơi cần phản hồi gần như tức thời
Hình 2.1:Kiến trúc hệ thống 5G (Nguồn: METIS).
Năm 2012, Ủy ban Châu Âu (European Commission) đã chi ra 50.000.000 triệu Euro để đầu tư vào nghiên cứu việc triển khai hệ thống thông tin di động 5G vào năm
2020 Đã có nhiều dự án được đề xuất, nhưng trong đó, nổi bật nhất là dự án METIS (Mobile and wireless communications Enablers for Twenty-twenty (2020) Information Society) Mục tiêu của dự án là xây dựng nền tảng cho một hệ thống thông tin di động và không dây trong tương lai METIS đã cung cấp kiến trúc cùng với những công nghệ cần thiết để có thể triển khai hệ thống 5G.
Theo dự án METIS, hệ thống 5G sẽ được xây dựng dựa trên kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến đám mây C-RAN (Cloud Radio Access Network) Kiến trúc hệ thống 5G vẫn sử dụng phủ sóng phân chia theo các Cell, bao gồm các trạm gốc (BS) được trang bị Anten Massive MIMO để quản lý các MacroCell, trong các MacroCell sẽ được phân chia ra nhiều Cell nhỏ được quản lý thông qua các Node mạng Bên cạnh đó, hệ thống 5G còn phát triển một số công nghệ mới như Mạng di chuyển MN (Moving Network), Truyền thông D2D (Divice to Divice Communication),…
Các trạm BS với Anten Massive MIMO đóng vai trò như các điểm truy nhập hỗ trợ cho mạng C-RAN giao tiếp với các mạng truy nhập cơ bản (2G/3G/4G) Hơn nữa, trong hệ thống 5G, các User còn có thể phối hợp với nhau tạo thành các mảng của Anten Massive MIMO ảo, các mảng Anten Massive MIMO ảo này kết hợp với Anten tại các Node truy nhập ở các Cell nhỏ tạo ra những liên kết Massive MIMO, làm tăng hiệu quả truyền dữ liệu của hệ thống.
2.1.1 Mạng truy nhập vô tuyến đám mây C-RAN
C-RAN là một kiến trúc được đề xuất cho các mạng di động trong tương lai Nó lần đầu tiên được giới thiệu bởi Viện nghiên cứu di động Trung Quốc (China MobileResearch Institute) vào tháng 4 năm 2010 tại Bắc Kinh, Trung Quốc Một cách dễ hiểu,C-RAN là một kiến trúc mạng truy cập vô tuyến được xây dựng dựa trên điện toán đám mây để hỗ trợ cho 2G, 3G, 4G và các chuẩn truyền thông không dây khác trong tương lai.Kiến trúc mạng truy cập vô tuyến thông thường được xây dựng dựa trên các trạm thu phát gốc BTS (Base Tranceiver Station) Mỗi trạm BTS sẽ quản lý một khu vực nhỏ, và một nhóm BTS sẽ đảm bảo phủ sóng liên tục trong một khu vực Do hạn chế về tài nguyên phổ, các nhà cung cấp mạng đã “tái sử dụng” các tần số giữa các BTS khác nhau, vì vậy gây ra hiện tượng can nhiễu giữa các Cell lân cận Bên cạnh đó, kiến trúc này còn có nhiều nhược điểm khác như:
- Việc xây dựng và vận hành các trạm BTS khá tốn kém.
- Khó nâng cao dung lượng hệ thống: khi đưa thêm nhiều BTS vào hệ thống để gia tăng dung lượng, sự can nhiễu giữa các BTS còn nghiêm trọng hơn trường hợp “tái sử dụng” tần số.
- Khả năng xử lý của mỗi BTS không thể chia sẻ cho các BTS khác, vì vậy mà BTS chỉ đáp ứng được khả năng xử lý lưu lượng tối đa chứ không đáp ứng được khả năng xử lý lưu lượng trung bình của hệ thống, dẫn đến việc lãng phí tài nguyên xử lý và năng lượng trong thời gian rỗi của các BTS.
Hình 2.2: Sự thay đổi từ RAN sang C-RAN.
Tuy nhiên, hệ thống BTS trong C-RAN lại khác Các BTS trong C-RAN là sự áp dụng những kỹ thuật tiên tiến trong hệ thống thông tin không dây, thông tin quang và công nghệ thông tin như: sử dụng loại Anten thông minh mới, các công nghệ điều chế,ghép kênh đạt hiệu quả cao, sử dụng sóng milimet trong quá trình truyền dẫn BTS trongC-RAN còn tận dụng được nền tảng mở và công nghệ ảo hóa thời gian thực của điện toán đám mây để đạt được khả năng phân bổ tài nguyên một cách linh động hỗ trợ không nhỏ
Trong các mạng thông tin không dây tương lai, một số lượng lớn truy cập của người sử dụng sẽ đến từ các phương tiện đi lại (như ô tô, xe bus, tàu lửa,…) Vì vậy, một giải pháp đã được đề ra, đó là triển khai một hoặc một vài Điểm chuyển tiếp di động MRN (Moving Relay Node) trên các phương tiện đi lại để hình thành một Cell di động riêng của phương tiện đó, đây gọi là mạng di chuyển MN.
Bằng việc sử dụng Anten thích hợp, một MRN có thể giảm hoặc thậm chí là loại bỏ được suy hao xuyên qua (penetration loss) xe cộ, loại suy hao mà ảnh hưởng tương đối lớn đến quá trình giao tiếp của hệ thống Hơn nữa, các điểm MRN có thể khai thác tốt các công nghệ Anten thông minh cũng như phương thức xử lý tín hiệu tiên tiến khác nhau, vì chúng ít bị hạn chế về kích thước và năng lượng so với các thiết bị người sử dụng thường xuyên kết nối với các trạm gốc vĩ mô.
Hình 2.3: Mạng di chuyển MN.
Các MRN cũng có khả năng được sử dụng để phục vụ người dùng bên ngoài phương tiện di chuyển, do đó nó cũng có thể trở thành một trạm gốc nhỏ có khả năng di chuyển trong mạng Vì vậy, phương tiện di chuyển và hệ thống giao thông sẽ đóng một vai trò quan trọng trong mạng di động không dây trong tương lai Những phương tiện này sẽ cung cấp thêm dung lượng thông tin và mở rộng vùng phủ của hệ thống truyền thông di động.
Tuy nhiên, việc triển khai các MRN cũng gặp không ít những khó khăn như phải có hệ thống đường trục hiệu quả, yêu cầu công nghệ phân bố tài nguyên và quản lý can thiệp phức tạp, phải có phương thức quản lý di động thích hợp…
Mạng cực kì dày đặc UDN (Ultra-Dense Network) không chỉ xuất hiện khi mà số lượng người sử dụng mạng thông tin tăng lên, các liên kết ngắn lại mà còn xuất hiện khi có quá nhiều cấu trúc liên kết được phát triển (chẳng hạn như tín hiệu đến từ các dải quang phổ khác nhau) Mạng UDN cho khả năng cung cấp dung lượng nhiều hơn trong những khu vực có số lượng lớn người sử dụng truy nhập mạng như ở các sự kiện thể thao lớn, sân bay, trường học, các trung tâm, những nơi mà sự mất mác thông tin do bị hấp thụ bởi chướng ngại vật là rất lớn Sự ra đời của UDN đã làm giảm đi vai trò của hệ thống Cell truyền thống, các thiết bị cầm tay ở trong các khu vực lân cận nhau có thể giao tiếp với nhau thông qua truyền thông D2D (Divive-to-Divice Communication).
Hình 2.4: Mạng cực kỳ dày đặc UDN.
Truyền thông D2D là một cách rất hiệu quả để nâng cao dung lượng hệ thống và hiệu quả phổ vì các thiết bị có thể trực tiếp giao tiếp với nhau bằng cách chia sẻ nguồn tài nguyên tần số của mạng Bên cạnh đó, các DUE (D2D UE – thiết bị người sử dụng dùng truyền thông D2D) có thể thực hiện quá trình chuyển tiếp truyền dẫn để tạo ra liên kết truyền thông nhiều bước (multi-hop) Khả năng này đã cho phép cải thiện và mở rộng phạm vi bao phủ của truyền thông D2D Lợi ích đạt được của truyền thông D2D phụ
Trong mạng 5G, nơi mà số lượng thiết bị thông minh tham gia vào mạng thông tin tăng lên rất nhiều, truyền thông D2D sẽ đóng một vai trò vô cùng quan trọng Để có thể đưa truyền thông D2D vào trong mạng 5G, cần phải giải quyết được các vấn đề sau:
Mạng lõi Nano
Việc đáp ứng các tiêu chuẩn đặt ra cho hệ thống 5G không phải là điều dễ dàng,ngoài những phương thức mới trong truyền dẫn, cần phải có một công nghệ mới làm nền tảng để thiết kế, xây dựng các thiết bị trong hệ thống Và xây dựng mạng lõi Nano làm cốt lõi cho hệ thống 5G chính là một giải pháp được xem là tối ưu nhất có thể đáp ứng yêu cầu này.
Hình 2.6: Mạng lõi Nano trong hệ thống 5G.
Mạng lõi Nano được định nghĩa một cách đơn giản là sự hội tụ của 3 công nghệ: o Công nghệ Nano. o Điện toán đám mây. o Mạng All IP (AIPN).
Các tiêu chuẩn của Công nghệ Nano đã được giới thiệu bởi Nori Taniguchi tại Hội nghị Quốc tế về kỹ thuật sản xuất Tokyo vào năm 1974 Công nghệ Nano là việc ứng dụng kỹ thuật Nano để điều khiển quá trình hoạt động của hệ thống trên đơn vị diện tích được tính bằng nanomet (từ 0,1 – 100 nm) Lĩnh vực này còn được biết đến với cái tên Công nghệ Nano phân tử MNT (Molecular NanoTechnology).
Công nghệ Nano đã trở thành một cuộc cách mạng công nghệ, là mục tiêu hướng tới của các hệ thống viễn thông trong thời gian tới Công nghệ Nano đã cho thấy sự tác động của nó trên cả mạng di động và mạng lõi Đồng thời, công nghệ Nano còn tác động không nhỏ đến các thiết bị cảm biến cũng như vấn đề an ninh trong mạng Công nghệ Nano đã trở thành một khái niệm quan trọng trong việc phát triển của ngành viễn thông
Các cấu trúc Nano có tiềm năng ứng dụng làm thành phần chủ chốt trong những dụng cụ thông tin kỹ thuật có những chức năng mà truớc kia chưa có Những vi cấu trúc này là một trạng thái độc nhất của vật chất có những hứa hẹn đặc biệt cho những sản phẩm mới và rất hữu dụng.
Nhờ vào kích thuớc nhỏ, những cấu trúc Nano có thể đóng gói chặt lại và do đó làm tăng tỉ trọng gói (packing density) Tỉ trọng gói cao có nhiều lợi điểm: tốc độ xử lý dữ liệu và khả năng chứa thông tin gia tăng Tỉ trọng gói cao là nguyên nhân cho những tương tác điện và từ phức tạp giữa những vi cấu trúc kế cận nhau Đối với nhiều vi cấu trúc, đặc biệt là những phân tử hữu cơ lớn, những khác biệt nhỏ về năng lượng giữa những cấu hình khác nhau có thể tạo được các thay đổi đáng kể từ những tương tác đó
Vì vậy mà chúng có nhiều tiềm năng cho việc điều chế những vật liệu với tỉ trọng cao và tỉ số của diện tích bề mặt trên thể tích cao, chẳng hạn như bộ nhớ (memory).
2.2.1.1 Thiết bị Nano Điện thoại di động hiện nay không chỉ đơn thuần dùng để liên lạc Có hàng trăm, hàng ngàn ứng dụng được phát triển phục vụ cho hầu hết các nhu cầu của người sử dụng, từ việc giải trí cho đến việc kiểm tra, giám sát sức khỏe, giám sát an ninh từ xa,… Điện thoại di động đã dần trở thành một thiết bị thể hiện cá tính của mỗi người sử dụng Chính vì sự phát triển mạnh mẽ của điện thoại di động, cũng như sự tăng cao trong nhu cầu của người sử dụng, công nghệ điện tử - viễn thông bắt buộc phải phát triển theo để đáp ứng được những vấn đề đó Và đây chính là lúc mà các thiết bị sử dụng Công nghệ Nano xuất hiện và trở nên hữu dụng hơn bao giờ hết Những chiếc điện thoại được sử dụng trong hệ thống 5G lõi Nano đươc gọi là Thiết bị Nano (NE – NanoEquipment).
Hình 2.7: Điện thoại Nano “trong suốt”.
Những đặc tính nổi bật của NE:
- Nguồn năng lượng tự nhiên: Nguồn năng lượng có thể là năng lượng mặt trời, nước, không khí,…
- Khả năng cảm biến môi trường: cảm biến được sự thay đổi của môi trường, dự báo thời tiết, đánh giá mức độ ô nhiễm …
- Thiết kế dễ uốn dẻo, linh động, khó bị phá vỡ.
- Trong suốt, có khả năng “nhìn xuyên” qua được.
- Khả năng tự làm sạch bề mặt.
Gần đây, hãng điện thoại nổi tiếng Nokia đã hợp tác cùng với Trường Đại học Cambridge (Anh) và đưa ra được một khái niệm công nghệ mới, đó là Morph.
Hình 2.8: Morph – Khái niệm công nghệ cho tương lai.
Morph trong tiếng Hy Lạp có nghĩa là định hình, hình thức Morph là một khái niệm về công nghệ mà ở đó, việc ứng dụng công nghệ Nano đã giúp cho các thiết bị di động trong tương lai có khả năng co giãn linh hoạt, cho phép người sử dụng có thể chuyển đổi thiết bị di động của họ thành các hình dạng khác nhau.
Cảm biến Nano là bất kỳ loại cảm biến nào (sinh học, hóa học,…) cung cấp khả năng truyền tải những thông tin cảm biến ở quy mô Nano đến với thế giới vĩ mô Cảm biến Nano cho phép ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như giao thông vận tải, thông tin liên lạc, xây dựng, y tế, bảo hiểm, an ninh quốc gia…
Hầu hết các cảm biến này đều dựa trên công nghệ Nano thuần túy, sau đây là một số ứng dụng mà cảm biến Nano có thể làm được:
- Cảm biến Vật lý: phương pháp này cho phép đo đạc được các đặc tính riêng của hầu hết các phân tử sinh học
- Cảm biến hóa học: cảm biến khí gas dựa trên ống Nano …
- Cảm biến sinh học: Cho khả năng xác định DNA bằng việc sử dụng hạt Nano được mã hóa.
Với kích thước siêu nhỏ, cùng với khả năng cảm biến chính xác, cảm biến Nano có thể được tích hợp với bất kì hệ thống hay thiết bị nào mà không sợ tốn diện tích Thậm chí, nó có thể được thiết kế như một robot Nano, cho phép đi vào và cung cấp các thông tin bên trong cơ thể của con người.
Tính toán lượng tử là lĩnh vực nghiên cứu tập trung vào việc phát triển công nghệ máy tính dựa trên các nguyên tắc của lý thuyết lượng tử, qua đó giải thích được bản chất và trạng thái của năng lượng và vật chất ở cấp độ lượng tử (nguyên tử và hạ nguyên tử).
Với những yêu cầu đặt ra, các hệ thống trong mạng 5G cũng phải đảm bảo được khả năng truyền tải dữ liệu tốc độ cao cũng như xử lý được một lượng dữ liệu khổng lồ trong thời gian ngắn.
Trong các máy tính kỹ thuật số hiện đại, thông tin được truyền đi thông qua các dòng điện dưới dạng các hạt hạ nguyên tử mạng điện tích âm Các transistor trong máy tính chính là những thiết bị chuyển mạch dùng để lưu trữ trạng thái dữ liệu dưới dạng
“bit”, trong đó, các trạng thái “đóng” và “mở” của transistor đại diện cho giá trị của các bit dữ liệu là: 1 và 0 Ví dụ, với 3 bit, ta có tổng cộng 8 trạng thái dữ liệu: 0-0-0, 0-0-1, 0- 1-0, 0-1-1, 1-0-0, 1-0-1, 1-1-0, 1-1-1 Tuy nhiên, chỉ có 1 trong các trạng thái trên là được lưu trữ lại trong 3 bit của máy tính ở tại một thời điểm Nhược điểm này sẽ gây cản trở trong việc thao tác với các luồng dữ liệu trong hệ thống 5G.
Các lớp mạng
Để đảm bảo các thiết bị đầu cuối trong mạng kết nối truyền thông được với nhau, hệ thống 5G cũng sử dụng nền tảng mô hình OSI để xây dựng các lớp mạng.
Mô hình OSI gồm 7 tầng như hình phía dưới
Hình 2.12: Các lớp mạng trong hệ thống 5G.
2.3.1 Lớp Kiến trúc không dây mở (OWA – Open Wireless Architecture)
Lớp OWA được xây dụng dựa trên lớp 1 (lớp Vật lý) và lớp 2 (lớp Liên kết dữ liệu) trong mô hình OSI.
Lớp OWA cung cấp các giải pháp để các ứng dụng và hệ điều hành trở nên độc lập với lớp truyền thông không dây OWA sẽ khai báo những module truyền thông không dây trên giao diện vô tuyến tương ứng với các công nghệ truyền dẫn vô tuyến vật lý (RTTs),tạo điều kiện cho các hệ điều hành khách có thể hoạt động trên hệ điều hành máy chủ của các thiết bị đầu cuối di động để hỗ trợ chuyển giao giữa các nền tảng hệ điều hành khác nhau.
Với kiến trúc không dây mở, chúng ta có thể truy cập vào các hệ thống mạng không dây của các thế hệ di động khác nhau mà không cần phải thay đổi thiết bị đầu cuối di động.
Lớp mạng được xây dựng dựa trên nền tảng IP Hiện nay, IPv4 đã trở nên phổ biến trên toàn thế giới, nó đã trở thành chuẩn giao thức mạng cơ bản cho bất kỳ thiết bị kết nối nào Mặc dù vậy, IPv4 lại tồn tại một số những hạn chế như giới hạn về số lượng địa chỉ và khó có khả năng thực hiện hỗ trợ QoS chi mỗi luồng dữ liệu Những vấn đề này đều được giải quyết trong giao thức IPv6, đổi lại, kích thước phần mào đầu của bản tin sẽ tăng lên đáng kể.
Các hệ thống mạng trong hệ thống 5G sẽ sử dụng IPv6 di động MIPv6 (Mobile Internet Protocol Version 6) MIPv6 là một chuẩn nhằm giúp các thiêt bị di động có thể di chuyển giữa các mạng khác nhau mà vẫn có thể duy trì được kết nối mà không cần phải thay đổi địa chỉ IP của thiết bị, nói cách khác, các thiết bị di động có thể kết nối vào Internet ở bất cứ địa điểm nào trên thế giới MIPv6 giải quyết được đồng thời hai vấn đề: chuyển giao liên tục mà không cần thay đổi địa chỉ IP máy và tăng cường khả năng nhận dạng gói tin của các địa chỉ IP.
Các điện thoai 5G sẽ duy trì trạng thái kết nối mạng đa không dây ảo (virtual multii- wireless network) Để làm được điều này, lớp mạng của hệ thống 5G sẽ được chia thành hai lớp con: lớp mạng thấp (dùng cho các giao diện) và lớp mạng cao (dùng cho các thiết bị đầu cuối).
Hình 2.13: Lớp mạng (Network Layer) 2.3.3 Lớp Giao thức vận chuyển mở (OTP – Open Transport Protocol)
Vai trò của lớp Vận chuyển đối với mạng di động vô tuyến và mạng hữu tuyến là khác nhau Đối với tất cả các phiên bản hệ thống TCP, việc mất phân đoạn bản tin là do hiện tượng nghẽn mạng, trong khi đối với mạng vô tuyến, việc tổn thất thường là do số lượng bit gây lỗi xuất hiện quá nhiều khi phân đoạn được truyền qua giao diện vô tuyến.
Vì vậy, việc cải tiến giao thức TCP là điều cần thiết để có thể truyền lại những phân đoạn TCP bị mất trên đường truyền không dây. Đối với điện thoại 5G, lớp Vận chuyển còn có khả năng tải và cài đặt dữ liệu Với khả năng này, điện thoại di động có khả năng tải các phiên bản mới của giao thức Vận chuyển để có thể cài đặt các công nghệ không dây đặc biệt Đây đươc gọi là Giao thức Vận chuyển mở OTP.
2.3.4 Lớp ứng dụng (Application layer)
Lớp ứng dụng trong hệ thống 5G được xây dựng dựa trên Lớp ứng dụng và Lớp Trình diễn trong mô hình OSI. Đối với các ứng dụng, yêu cầu quan trọng nhất đến từ thiết bị di động 5G là cung cấp khả năng giám sát thông minh các tham số QoS Ngày nay, điện thoại di động có thể tự động chọn giao diện không dây để kết nối Internet nhưng lại không có khả năng lựa chọn ra kết nối tốt nhất cho một dịch vụ nhất địch dựa trên lịch sử QoS, điều này sẽ được khắc phục ở điện thoại di động 5G Điện thoại di động 5G sẽ cung cấp khả năng thử nghiệm chất lượng dịch vụ (QoS),các tham số của QoS như Độ trễ, Jitter, băng thông, tổn thất, độ tin cậy … sẽ được lưu trữ lại đầy đủ trong cơ sở dữ liệu của nó và dựa vào những thông tin này, kết hợp với các thuật toán thông minh được cài đặt sẵn trong bộ xử lý của thiết bị, những chiếc điện thoại này có thể chọn ra được kết nối không dây tốt nhất đảm bảo được QoS và hạn chế tối đa mức chi phí tổn thất.
Kỹ thuật truyền dẫn
Trong thực tế hiện nay, các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông thường dùng các sóng có bước sóng centimet (tần số vài trăm MHz) để truyền dẫn vì chúng có khả năng dâm xuyên, dễ dàng vượt qua các chướng ngại vật… Nhưng theo dự báo của Cisco, tới năm
2020 sẽ có hơn 50 tỷ thiết bị được kết nối vào mạng di động Đây là một con số khổng lồ so với tài nguyên về phổ tần khi sử dụng bước sóng centimet Rất may là có một dải tần cực rộng với tần số trên 3 GHz mà trước giờ ít được chú ý, đó là những tần số có bước sóng trong khoảng milimet, thường được gọi là sóng milimet (millimeter wave).
Hình 2.14: Lịch sử quá trình kết nối (Nguồn: Cisco).
Thực ra, việc sử dụng sóng milimet không phải là mới, WiGig (Wireless GigabitAlliance) là một chuẩn không dây trong nhà sử dụng dạng sóng này Có những lý do khiến cho sóng milimet ít được quan tâm, đó là khả năng dâm xuyên kém, tốn năng lượng, khoảng cách truyền ngắn, dễ bị hấp thu bởi môi trường… Với những nhược điểm này, sóng milimet được đánh giá chỉ phù hợp với truyền dẫn không dây trong nhà, hoặc cự ly ngắn.
Tuy nhiên, vào tháng 8 năm 2011, Theodore S Rappaport – người sáng lập và điều hành trung tâm nghiên cứu công nghệ không dây Đại học New York – cùng các sinh viên đã tiến hành một cuộc nghiên cứu chuyên sâu về đặc tính của sóng milimet trong khu vực đô thị Quá trình nghiên cứu cho thấy đối với sóng milimet được phát với công suất thấp, khả năng mất tín hiệu bắt đầu khi thiết bị thu đi xa thiết bị phát khoảng tầm 200m Đây quả là một nhược điểm lớn đối với các thế hệ di động đời đầu, khi mà bán kính của các Cell thường lên đên hàng km Nhưng trong khoảng một thập kỉ qua, các công ty viễn thông đang có xu hướng thu nhỏ bán kính Cell nhằm tăng dung lượng dữ liệu Trong các trung tâm đô thị đông đúc như Seoul (Hàn Quốc), họ đã bắt đầu triển khai mô hình Cell thu phát nhỏ (Small Cell) – các trạm thu phát nhỏ có thể được lắp đặt ở các trụ đèn hay các trạm xe bus – với tầm bao phủ không quá 100m Như vậy, vấn đề về cự ly sẽ được giải quyết trong các hệ thống di động tương lai.
Quá trình nghiên cứu này còn đem lai một ngạc nhiên lớn khác Đó là việc thiết bị di động không nhất thiết phải trong trạng thái LOS để kết nối với trạm thu phát khi sử dụng sóng milimet Tính phản xạ cao của tín hiệu ở tần số này hóa ra lại là một điểm mạnh Khi bị phản xạ trong môi trường đô thị (nhà cửa, bảng hiệu, con người…), các tín hiệu sẽ lan tỏa khắp không gian, làm tăng cơ hội nhận được tín hiệu tới máy thu, miễn là bộ thu và bộ phát được hướng theo các hướng thích hợp.
Hình 2.15: So sánh giữa công nghệ milimeter-wave và công nghệ hiện tại.
Tại Anh, đã có 3 băng tần đã được phân bổ cho việc sử dụng sóng Millimetre với mục đích thương mại, cụ thể như sau:
- 57 - 66 GHz: Dải tần sóng Millimetre 60GHz (hay Băng tần V) được quản lý bởi
OFCOM cho việc cấp phép sử dụng Lượng lớn tín hiệu hấp thụ bởi đi qua oxy khí quyển cùng các qui định chặt chẽ làm băng tần này chỉ phù hợp với phạm vi ngắn, cùng các giải pháp sóng Millimetre điểm - điểm, điểm - đa điểm Dải sóng từ 57 – 64 Ghz được qui định và cấp phép, song dải 64 - 66 GHz không cần cấp phép và tự kết hợp
- 71 - 76 GHz và 81 – 86 GHz: Những dải tần 70 GHz và 80 GHz (hay Băng tần E), được quản lý bởi OFCOM cho duy nhất hoạt động cấp phép và được xem như là băng tần phù hợp nhất cho mạng vô tuyến sóng Millimetre, kết nối điểm - điểm, điểm - đa điểm và truyền dẫn thông tin Mỗi băng có phạm vi phổ 5GHz sẵn dụng mà tổng số thì nhiều hơn tất cả các băng tần được giao khác cộng với nhau Mỗi dải 5GHz có thể hoạt động như một kênh truyền dẫn vô tuyến lân cận duy nhất cho phép sử dụng rất hiệu quả toàn bộ băng và lần lượt dẫn đến kết quả là tốc độ thông lượng cao tới 1 - 3 Gbps Những tốc độ thông lượng này cao hơn đáng kể so với những tốc độ thông lượng khác trong các tần số thấp hơn Như vậy, những tốc độ thông lượng cao hơn có thể đạt được với các thiết bị sóng millimetre khi cùng sử dụng các kỹ thuật tiên tiến Nhu cầu hàng đầu của thị trường với các thiết bị này chỉ còn là vấn đề thời gian. Ở Mĩ , cùng với 3 dải tần trên còn có dải tần 92 – 95 GHz: Dải tần 94GHz (Băng tần W) được quản lý bởi FCC Part 15 cho cả việc hoạt động không cấp phép, nhưng chỉ để sử dụng trong nhà Dải tần này cũng được dùng cho các ứng dụng kết nối điểm – điểm ngoài trời theo qui định của FCC Part 101, nhưng do dải tần từ 94 - 94.1 GHZ bị loại bỏ nên dải tần 92GHz - 95GHz ít có hiệu quả phổ như các dải tần khác
Như vậy, sóng milimet đã mở ra một tương lai mới cho hệ thống truyền thông, bằng việc kết hợp sóng milimet này với các hệ thống Anten tiên tiến, tinh vi hơn (ví dụ nhưAnten Massive MIMO), ta có thể dễ dàng mở rộng phạm vi phủ sóng, đồng thời hạn chế được những suy hao do môi trường, làm nền tang cho việc thông tin trong hệ thống thông tin di động 5G.
Hiện nay, hầu hết các mạng viễn thông tiên tiến đều sử dụng phương pháp điều chế QAM QAM là phương thức điều chế biên độ cầu phương, là sự kết hợp giữa ASK và PSK, vừa điều chế về biên độ, vừa điều chế về phase Trong phương thức điều chế này, ta thực hiện điều chế biên độ nhiều mức 2 sóng mang mà 2 sóng mang này được dịch pha 1 góc 90 o QAM giúp tăng hiệu suất phổ tần, giảm khả năng mắc lỗi, đáp ứng được nhu cầu về truyền dẫn các dòng dữ liệu có tốc độ bit cao với độ rộng băng thông tần có giới hạn.
Trong giai đoạn phát triển của công nghệ 5G, nhiều dạng sóng và kỹ thuật điều chế đã được công nhận, nhưng đối với 5G New Radio, 5G NR, tiền tố OFDM theo chu kỳ, CP-OFDM được chọn làm ứng cử viên chính với DFT-S-OFDM, biến đổi Fourier rời rạc trải rộng ghép kênh phân chia tần số trực giao đang được sử dụng trong một số lĩnh vực.
OFDM cho hiệu quả quang phổ tốt đồng thời cung cấp khả năng phục hồi đối với hiện tượng mờ chọn lọc và nó cũng cho phép thực hiện khả năng đa truy nhập bằng OFDMA.
Hình 2.16: Khái niệm cơ bản về OFDM, Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
2.4.2.1 Tiền tố theo chu kỳ OFDM: CP-OFDM
Phiên bản cụ thể của OFDM được sử dụng trong đường xuống 5G NR là tiền tố theo chu kỳ OFDM, CP-OFDM và nó là dạng sóng giống như LTE đã áp dụng cho tín hiệu đường xuống.
Trong CP OFDM, phần dữ liệu cuối cùng của khung OFDM được thêm vào ở đầu khung OFDM và độ dài của tiền tố theo chu kỳ được chọn lớn hơn độ trễ kênh Điều này khắc phục sự giao thoa giữa các biểu tượng có thể gây ra sự chậm trễ và phản xạ Thêm vào đó, sự lan truyền trễ kênh là tần số phụ thuộc vào độ dài tiền tố theo chu kỳ được chọn đủ dài để giải thích cho cả hai nhiễu Vì lý do này, độ dài CP thích ứng theo các điều kiện liên kết. Đường lên 5G NR đã sử dụng một định dạng khác với 4G LTE Các dạng sóng dựa trên CP-OFDM và DFT-s-OFDM được sử dụng trong đường lên Ngoài ra, 5G NR cung cấp cho việc sử dụng khoảng cách sóng mang phụ linh hoạt Các sóng mang con LTE thường có khoảng cách 15 kHz, nhưng 5G NR cho phép các sóng mang con được đặt cách nhau ở 15 kHz x 2s với khoảng cách tối đa là 240 kHz Khoảng cách sóng mang tích phân chứ không phải khoảng cách sóng mang phân đoạn được yêu cầu để bảo toàn tính trực giao của các sóng mang.
Khoảng cách sóng mang linh hoạt được sử dụng để hỗ trợ thích hợp các dải/loại phổ và mô hình triển khai đa dạng mà 5G NR sẽ cần để đáp ứng Ví dụ: 5G NR phải có thể hoạt động ở các băng tần mmWave có độ rộng kênh rộng hơn lên đến 400 MHz Thông số kỹ thuật 3GPP 5G NR Release-15 trình bày chi tiết về số OFDM có thể mở rộng với tỷ lệ 2s của khoảng cách sóng mang con có thể chia tỷ lệ theo chiều rộng kênh, vì vậy kích thước FFT sẽ mở rộng để độ phức tạp xử lý không tăng lên một cách không cần thiết đối với băng thông rộng hơn Khoảng cách sóng mang linh hoạt cũng mang lại khả năng phục hồi bổ sung đối với ảnh hưởng của nhiễu pha trong hệ thống.
Việc sử dụng các dạng sóng OFDM mang lại độ phức tạp triển khai thấp hơn so với mức độ phức tạp cần thiết nếu một số dạng sóng khác được xem xét cho 5G đã được triển khai Ngoài ra, OFDM cũng được hiểu rõ vì nó đã được sử dụng cho 4G và nhiều hệ thống không dây khác.
Kết luận chương 2
Chương này đã trình bày những kỹ thuật truyền dẫn mới tiêu biểu, có thể sẽ được ứng dụng vào hệ thống 5G Những kỹ thuật này đều cung cấp những khả năng hoàn toàn vượt trội so với các kỹ thuật hiện tại Tuy nhiên, một nhược điểm chung của chúng, đó là tính phức tạp trong xử lý tín hiệu và thiết kế phần cứng Các thiết bị xử lý tín hiệu phải xử lý được một lượng lớn thông tin với độ phức tạp cao mà vẫn đảm bảo được chất lượng, đồng thời kích thước của chúng phải thực sự nhỏ gọn Đây cũng là một trong những lý do khiến cho Nano trở thành công nghệ cốt lõi trong việc xây dựng hệ thống thông tin di động 5G.
Việc nắm bắt được những công nghệ, kỹ thuật tiên tiến này sẽ phần nào giúp chúng ta có thể có được cái nhìn tổng quan về hệ thống thông tin di dộng 5G, giúp cho việc tiếp cận các thế hệ thông tin di động tiếp theo ở Việt Nam trở nên dễ dàng hơn.
CÔNG NGHỆ ĐA TRUY NHẬP THEO MÃ THƯA SCMA
Khái niệm SCMA
3.1.1 Các phương pháp đa truy nhập đã có trong hệ thống thông tin di động
Trong các hệ thống thông tin di động trước đây ghi nhận và đưa vào sử dụng các phương pháp đa truy nhập khác nhau, bao gồm đa truy nhập phân chia theo thời gian kết hợp phân chia theo tần số TDMA/FDMA, đa truy nhập phân chia theo mã 13 và đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA Mỗi phương pháp đa truy nhập trên đều có đặc điểm cũng như ưu nhược điểm khác nhau, cụ thể:
TDMA/FDMA : Sử dụng trong các hệ thống 2G, ví dụ GSM, tài nguyên vô tuyến chia thành các khe thời gian hoặc các băng tần số; người dùng được phân bổ sử dụng trong các khe thời gian hoặc các băng tần
CDMA : Sử dụng trong các hệ thống 3G, ví dụ WCDMA, không trực giao trong miền thời gian, tần số nhưng trực giao trong miền mã, người dùng được phân bổ sử dụng trong các chuỗi trực giao
OFDMA : Sử dụng trong các hệ thống 4G, ví dụ LTE, trực giao trong miền lưới
2 chiều thời gian-tần số, người dùng được phân bổ sử dụng trong lưới thời gian - tần số
3.1.2 Đa truy nhập theo mã thưa SCMA
SCMA(Sparse code multiple access (SCMA)) là một bảng mã đa chiều dựa trên kỹ thuật trải mã không trực giao để giải quyết các yêu cầu của truyền thông không dây 5G như hỗ trợ nhiều lưu lượng, phạm vi và số lượng thiết bị kết nối lớn, QoS cao, trễ thấp.
Trong SCMA, các bit đến được ánh xạ trực tiếp đến các từ mã phức đa chiều được chọn từ một tập các bảng mã được xác định trước Đối với các từ mã khác, trong SCMA, các bộ ánh xạ QAM và các bộ trải mã CDMA được kết hợp cùng nhau để trực tiếp ánh xạ một tập các bit sang một vec tơ phức thưa được gọi là từ mã Mỗi một lớp đều có một tập các từ mã SCMA riêng Một là mức thưa của từ mã, và thứ hai là sử dụng chòm sao đa chiều với số lượng ít hình chiếu trên mỗi chiều.
Ngoài ra, kỹ thuật thu đa thiết bị mù có thể được áp dụng để xác định hoạt động của thiết bị và thông tin chúng sử dụng ngay lập tức Với khả năng xác định mù này, đa truy nhập tự do sẽ được hỗ trợ Đa truy nhập tự do là cơ chế loại bỏ các yêu cầu động và cho phép báo hiệu trước Đó là một giải pháp hữu hiệu cho truyền tải các gói nhỏ SCMA cho phép đa truy nhập tự do Do các lợi ích này, SCMA có thể hỗ trợ kết nối lớn, giảm trễ truyền và tiết kiệm năng lượng.
Hoạt động hệ thống SCMA
Hình 3.1 mô tả một hệ thống truyền thông SCMA đơn giản, sử dụng cho 6 người dùng
Hình 3.1: Mô tả hệ thống SCMA
Hệ thống SCMA bao gồm 3 khối cơ bản: khối phát tín hiệu SCMA, khối xử lý tín hiệu SCMA và khối thu tín hiệu SCMA Khối phát tín hiệu SCMA trong trường hợp có nhiều người dùng (phát tín hiệu của nhiều người dùng) thì mỗi một người dùng sẽ chiếm một lớp của bộ mã SCMA, gọi là CB_i với i dùng cho người dùng i Các dòng bit dữ liệu đầu vào được đưa đến khối mã hóa turbo, sau mã hóa turbo ta được các bit đã được mã hóa
Trong trường hợp này, mã hóa và giải mã Turbo có thể được thay thế bởi phương thức mã hóa/giải mã FEC (Forward Error Correction) Từ đầu ra của mã hóa Turbo, các bit được tiếp tục đưa đến bộ mã hóa SCMA Sau khi mã hóa SCMA, các từ mã SCMA ở đầu ra được ánh xạ thông qua bộ ánh xạ các phần tử tài nguyên vật lý PRE (PhysicResource Element Mapping) Khối xử lý kênh tín hiệu SCMA xử lý các tín hiệu SCMA nhận được từ khối phát Khối xử lý tín hiệu SCMA bao gồm một nguồn sinh nhiễu trắngGauss Nguồn sinh nhiễu này sinh ra các nhiễu trắng Gauss bất kì và được cộng vào từngPRE một cách độc lập Tín hiệu SCMA tổng hợp là tín hiệu sau khi được cộng với nhiễuGauss, được gửi đến khối thu tín hiệu SCMA cùng với công suất nhiễu trên mỗi PRE Tại khối thu, các tín hiệu nhận được được giải ánh xạ PRE, đầu ra của khối giải ánh xạ này được đưa đến khối giải mã SCMA, giải mã turbo và cuối cùng nhận lại được các dòng bit đầu ra của i người dùng.
Một bộ giải mã SCMA được xác định như một bộ ánh xạ có chức năng ánh xạ trực tiếp log 2 M bit dữ liệu sang một bảng mã phức K chiều với kích thước là M (số lượng từ mã trong bảng mã là M, chiều dài mỗi từ mã là K) Các từ mã phức K chiều của bảng mã là các véc tơ thưa với N phần tử khác 0 (N
