Nghiên ứu công nghệ di động 5g trong iot

74 Trang 8 vi DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT KÍ HIỆU Tiếng Anh Tiếng Việt 1G The First Generation Cellular H thệ ống thông tin di độngth h ế ệth nh t ứ ấ2G The Second Generation

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Công nghệ Thông tin

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

VŨ ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ DI ĐỘNG 5G TRONG IOT

Chuyên ngành : Công nghệ Thông tin

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi trong đó có sự giúp

đỡ ấ ớ r t l n c a thủ ầy hướng d n ẫ TS Nguyễn Tuấn Dũng

Các nội dung nghiên cứu, s liố ệu và ết quả nêu trong luận văn là trung thực k

và chưa từng được ai công b trong b t k công trình nào khác ố ấ ỳ

Trong luận văn, tôi có tham khảo đến một số tài liệu đã được li t kê t i phệ ạ ần Tài li u tham khệ ả ởo cuối luận văn Các tài li u tham khệ ảo được trích d n trung ẫ

th c trong luự ận văn

Hà N i, ngày 09 tháng 09 ộ năm 2016

Tác gi ả

Vũ Anh Tu n ấ

ii

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễ n Tu n Dũng đã dành thời ấ

gian quý báu, t n tình h ng d n chậ ướ ẫ ỉ ả b o, góp ý cho tôi trong su t quá trình thố ực

hi n luệ ận văn tốt nghi p ệ

Tôi xin được c m ơn s ả ự giúp đỡ nhi t tình c a các Th y giáo, Cô giáo trong ệ ủ ầ

Vi n ệ Đào tạo Sau đạ ọi h c – Đạ ọi h c Bách Khoa

Đặc bi t, tệ ôi xin được bày t lòng bi t ỏ ế ơn sâu sắ ớc t i các Th y giáo, Cô giáo ầtrong Vi n Công ngh thông tin và Truy n thông ã tham gia gi ng d y tôi trong ệ ệ ề đ ả ạquá trình học tập tạ Trười ng Các thầy cô đã tận tình gi ng d y, truyả ạ ền đạt kiến

th c, t o tiứ ạ ền đề cho tôi hoàn thành luận văn

Cuối cùng, tôi xin chân thành cả ơn các bạn bè, đồng nghiệp và nhất là gia m đình tôi đã quan tâm và tạo mọi điều ki n t t nhệ ố ất, động viên, c ổ vũ tôi trong su t ốquá trình học tập và nghiên cứu để hoàn thành t t luố ận văn tốt nghi p này ệ

Xin trân tr ng c m ọ ả ơn!

Hà N i, ngày 09 tháng 09 ộ năm 2016

Tác gi ả

Vũ Anh Tuấn

iii

M C L C Ụ Ụ

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ BẢNG x

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LÊN 5G 3

1.1 Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động 3

1.1.1. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất 1G 3

1.1.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) 4

1.1.3. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) 4

1.2 Hệ thống thông tin di động hiện tại và tiếp theo 6

1.3 Hệ thống thông tin di động tương lai 5G 6

CHƯƠNG : HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G2 9

2.1 Mở đầu 9

2.2 Kiến trúc Hệ thống thông tin di động 5G 13

2.2.1 Điện toán đám mây ở mọi nơi 13

2.2.2 Khái niệm Flat IP 13

2.2.3 Cổng giao tiếp kết hợp (Aggegation) 14

2.3 Hệ thống thông tin di động 5G - NANOCORE 15

2.3.1 Công nghệ NANO 16

2.3.2.Thiết bị NANO 17

2.3.3 Điện toán đám mây 17

2.3.4 Mạng All IP 18

2.4 Kỹ thuật chia c ùm tín hiệu đa truy nhập BDMAh 18

2.4.1 Các công nghệ Đa truy nhập hiện tại 18

2.4.2 Công nghệ Đa truy nhập phân chia chùm tín hiệu 20

2.5 Các nghiên cứu về Hệ thống thông tin di động 5G 22

iv

2.5.1 Giao tiếp di động bằng sóng mmWave 22

2.5.2 Hiệu quả năng lượng trong mạng 5G 22

2.5.3 Mạng NanoCore: Đòn bẩy SDN và Hệ thống 5G 24

2.5.4 Hệ thống mạng nền tảng đám mây 26

2.5.5 Tổng quan công nghệ sẽ được sử dụng cho hệ thống 5G 28

2.5.7 Ứng dụng của Internet của vạn vật qua hệ thống 5G: Giao thông thông minh 31

2.7 Hệ thống thông tin di động 5G có thể hoạt động như thế nào 32

2.7.1 Tần số hoạt động và độ rộng băng thông hệ thống thông tin di động 5G 32 2.7.2 Tốc độ dữ liệu trong Hệ thống thông tin di động 5G 33

2.8 Vướng mắc khi triển khai 5G: Hạ tầng không đồng nhất 35

2.9 World Wide Wireless Web (wwww) 35

2.10 Tác động hệ sinh thái công nghệ 5G lên hệ sinh thái còn người và tự nhiên 36

2.11 Trí tuệ nhân tạo 36

2.12 “Sóng milimet” – tương lai của 5G? 40

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G BƯỚC ĐỆM CHO INTERNET CỦA VẠN VẬT 43

3.1 Internet của vạn vật 43

3.1.1 Internet của vạn vật là gì? 43

3.1.2 Ứng dụng của Internet của vạn vật 45

3.1.3 Internet của vạn vật trong tương lai 45

3.1.4 Internet của vạn vật đến năm 2020 46

3.2 Bước đệm cho Internet của vạn vật 46

3.3 Những sản phẩm của Internet của vạn vật thay đổi cuộc sống 51

3.3.1 Belkin WeMo 51

3.3.2 Canary 52

3.3.3 Kết nối TCP 53

3.3.4 Công nghệ nhận diện năng lượng Neurio 54

3.3.5 Cảm biến kết nối Grid Connect 55

v

3.3.6 iControl Network Piper 55

3.3.7 Voice Ivee Sleek 56

3.3.8 Revolv 57

3.3.9 Almond+ 58

3.4 Smartphone bước đệm tốt nhất cho Internet của vạn vật 58

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG 60

4.1 Tổn hao đường truyền 60

4.1.1 Tổn hao đường truyền tự do 60

4.1.2 Tổng tổn hao đường truyền 61

4.2 Quy hoạch vùng phủ sóng 61

4.2.1 Tính toán quỹ đường lên 62

4.2.2 Tính toán quỹ đường xuống 64

4.3 Mô hình truyền sóng 67

4.4 Phương thức truyền dữ liệu 68

4.4.1 QAM64 69

4.4.2 OFDMA & SC FD- MA 70

4.5 MIMO 72

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73

A Kết luận 73

B Kiến nghị 73

C Hướng phát triển của đề tài 74

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

vi

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT

1G The First Generation Cellular H thệ ống thông tin di độngth h ế ệ

AMPS Advance Mobile Phone System H thệ ống điện thoại di động

nâng cao All-IP

Network

All - Internet Protocol Network Mạng tất cả các giao thức

Internet Aggegation Aggegation C ng giao ti p kổ ế ết hợp

B BDMA Beam Division Multiple

Access

Công ngh phân chia chum tín ệ

hiệu đa truy nhập

C CDMA Code Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

Cellsite Cellsite Trung tâm xử lý sóng di động

đám mây CRS Central Romote Server máy ch ủ điều khi n trung tâm ể

E EDGE Enhanced Data rate for GSM

Evolution

C i ti n tả ế ốc độ ữ ệ d li u cho gói

d li u trên m ng GSM ữ ệ ạEDGE Enhance Data rates for GSM

li u dùng chung ệGPS Global Positioning Service Dịch vụ định vị toàn cầu

H

HAPS High Altitude Stratospheric

Platform Stations

Trạm điều khiển tầng bình lưu ở

độ cao trong không gian

I IoT Internet of Things Internet của vạn vật

IMT-2000 International Mobile

Telecommunication - 2000

Vi n thông ễ Di động quốc tế

-2000

L LTE Long Term Evolution Giải pháp tiến hóa dài hạn

M MNT Nano- Molecular

nanotechnology

Công ngh phân t ệ ử

MIMO Multiple input multiple output Các thi t b ế ị đa truy cập vào ra M2M Machine-to-machine Giao ti p giế ữa các máy móc MMS Multimedia Messaging

Service

D ch v tin nh n ị ụ ắ đa phương tiện

N NMT Nordic Mobile Telephone Điện thoại di động Nordic Nanocore Nanocore M ng lõi d ng phân t ạ ạ ử

O OWA Open Wireless Architecture Kiến trúc mở không dây

OTP Open Transport Protocol Giao thức truyền tải mở

Q QoS Quality of Service Chất lượng của dịch vụ

R RFID Radio Frequency Identification Phương thức giao ti p không ế

dây dùng sóng radio

S

ix

Self Cleaning Self Cleaning T làm sự ạch

U UMTS Universal Telecommunication

Mobile

Hệ thống thông tin di động

V VoIP Voice over Internet Protocol Truyền tiếng nói qua giao thức

Internet

W Wifi Wireless Fidelity Mạng không dây tin cậy

WCDMA Wideband Code Division

x

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ BẢNG

HÌNH:

Hình 1: Vị trí Hệ thống HAPS của Hệ thống thông tin di động 5G 9

Hình 2: Mô hình HAPS của Hệ thống thông tin di động 5G 10

Hình 3: Trung tâm xử lý sóng di động 11

Hình 4: Mạng truy cập vô tuyến đám mây 12

Hình 5: Cấu trúc mặt phẳng IP 14

Hình 6: Hệ thống di động hiện tại và Hệ thống thông tin di động 5G 15

Hình 7: Mạng lõi Nanocore 16

Hình 8: Các thiết bị Nano 17

Hình 9: Các công nghệ đa truy cập 19

Hình 10: Đa truy nhập phân chia theo chùm tín hiệu 20

Hình 11: Hệ thống tiết kiệm năng lượng cho mạng 5G 24

Hình 12: Kiến trúc mô hình SDN 25

Hình 13: Kiến trúc lớp của OSI và 5G 29

Hình 14: 5G nền tảng các tất cả các kêt nối 32

Hình 15: Mạng 5G sẽ là chuẩn kết nối của tương lai 34

Hình 16: Chuyển giao giữa hệ thống thông tin di động 4G và 5G 38

Hình 17: Triển khai nhiều trạm phát sóng nhỏ 40

Hình 18: Những phần tử kết nối trong Internet của vạn vật 43

Hình 19: Internet của vạn vật là gì 44

Hình 20: Dự đoán số lượng kết nối trong Internet của vạn vật đến năm 2020 46

Hình 21: So sánh tốc độ các hệ thống thông tin di động 49

Hình 22: BELKIN WEMO 52

Hình 23: Thiết bị Canary 52

Hình 24: Hệ thống TCP 53

Hình 25: Công nghệ Neurio 54

Hình 26: Cảm biến kết nối Grid Connect 55

xi

Hình 27: iControl Network Piper 56

Hình 28: Voice Ivee Sleek 56

Hình 29: Sản phẩm Revolv 57

Hình 30: Thiết bị Almond+ 58

Hình 31: Mô phỏng tổn hao đường truyền tự do của hệ thống 5G 61

Hình 32: Phương thức kết nối và vùng phủ của hệ thống 5G 62

Hình 33: Mô phỏng quỹ đường truyền của hệ thống 5G 66

Hình 34: Dự đoán số HAPS của hệ thống 5G với TP Hà Nội 68

Hình 35: Công nghệ truyền tốc độ dữ liệu Gbps trong hệ thống 5G 69

Hình 36: Mô phỏng giản đồ hình sao QAM64 của đường lên hệ thống 5G 69

Hình 37: Mô phỏng giản đồ hình sao QAM256 của hệ thống 5G 70

Hình 38: Mô phỏng so sánh FFT của tín hiệu QAM và OFDM phát 71

Hình 39: Mô phỏng so sánh FFT của tín hiệu QAM và OFDM thu 71

Hình 40: Mô phỏng so sánh xử lý 1 đoạn âm thanh dài QAM và OFDM 72

Hình 41: Mô phỏng dung lượng kênh MIMO với số antenna khác nhau 72

B NG: Ả Bảng 1: Các thế hệ Hệ thống thông tin di động 8

Bảng 2: Lưu lượng di động toàn cầu (Cisco 2015) 23

Bảng 3: Tỉ lệ thiết bị Internet của vạn vật toàn cầu 28

1

MỞ ĐẦU

Trong th i gian gờ ần đây chúng ta rất hay th y m t c m tấ ộ ụ ừ là l xuấạ t hi n trên ệ

mạng, đó là " Internet of Things" Đây là một khái niệm còn khá mới mẻ ới hầu v

hết người dùng thông thường mặc dù nó đã được ra đời cách đây khá lâu Nói ngắn

gọi, nó là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với

th giế ới bên ngoài để ự th c hi n m t công việ ộ ệc nào đó

Internet của vạn vật (IoT) là thu t ng ậ ữ dùng để ch các đỉ ối tượng có th ể được

nhận biết ( dentifiable) cũng như chỉ ự ồn tại của chúng trong một kiến trúc mang I s ttính kết nối Cụm từ này được đưa ra bởi Kevin Ashton vào năm 1999 Ông là một nhà khoa học đã sáng lập ra Trung tâm Auto-ID ở đại học MIT, nơi thiế ập các t lquy chu n toàn c u cho RFID (Radio Frequency Identification: mẩ ầ ột phương ứth c giao tiếp không dây dùng sóng radio) cũng như mộ ố ạ ảt s lo i c m biến khác

Ví dụ đơn giản như sau: chiếc tủ lạnh thông thường của bạn không được kết nối với thiết bị nào khác Nếu chúng ta muốn ghi lại nhiệt độ ở từng thời điểm của tủ, chúng ta chỉ có cách ghi lại thủ công rồi nhập vào một máy tính hay thiết bị lưu trữ nào đó Hay như bóng đèn neon ở nhà chẳng hạn, chúng ta muốn thu thập, điều chỉnh độ sáng của nó thì phải đo thủ công rồi ghi lại

Còn nếu như máy tính có khả năng giúp con người thu thập tất cả những dữ liệu

về mọi thứ xung quanh, chúng ta có thể "theo dõi và đếm mọi thứ, giúp giảm hao phí, chi phí và lỗ Chúng ta sẽ biết chính xác khi nào các vật dụng cần phải sửa chữa, thay thế, khi nào chúng còn mới và khi nào thì chúng hết hạn sử dụng Chưa

kể đến việc chúng ta có thể kiểm soát chúng mọi lúc mọi nơi Internet của vạn vật

có tiềm năng thay đổi thế giới, giống như cách mà Internet đã thay đổi cuộc sống của chúng ta Ngôi nhà thông minh với các bóng đèn thông minh, máy giặt thông minh, tủ lạnh thông minh, có thể xem là bước đầu của Internet của vạn vật bởi chúng đều được liên kết với nhau và hoặc liên kết vào Internet

Theo ước tính của công ty ABI Research, đến năm 2020, toàn thế giới sẽ có 30 tỉ thiết bị được kết nối không dây vào mạng lưới Internet của vạn vật

2

Để giúp cho tính năng của Internet của vạn vật phát huy hết tính ưu việt của mình cần tới những hệ thống truyền tải, kết nối các thông tin với nhau và Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 5 (5G) là một lựa chọn lý tưởng nhất

Trong luận văn này, tôi thực hiện “Nghiên cứu công nghệ di động 5G trong

IOT” để tìm hiểu, nghiên cứu về ệ ống thông tin di động 5G và Internet của vạn h thvật ớ v i hi v ng 5G s là m t h th ng di ọ ẽ ộ ệ ố động t i u trong t ng lai gố ư ươ ần Đồng

thời Hệ thống thông tin di động 5G góp phần không nhỏ vào Internet của vạn vật

t i Vi t Nam tr ạ ệ ở thành hiện thực

3

Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG

THÔNG TIN DI ĐỘNG LÊN 5G

Cùng v i nhu c u cớ ầ ủa ngườ ử ụi s d ng, công ngh ngày càng phát triệ ển để đáp

ứng nh ng ữ như cầ ấu y Trong nh ng công ngh phát tri n nhanh chóng là công ữ ệ ể

H thệ ống thông tin di động thế ệ h th nh t dứ ấ ựa trên các tín hiệu của ệh

thống tương tự ệ ố (h th ng Analog) với băng thông từ 824 Mhz ÷ 894 Mhz Công nghệ ử ụ s d ng là công nghệ đa truy nhập phân chia theo t n sầ ố (FDMA)

Tốc độ thoại của ệ thống thông tin di động thế ệh h th nh t ứ ấ này là 2,4Kbps

H thệ ống này được phát triển đầu tiên với các tên gọi là Hệ thống điện thoại di động nâng cao AMPS: Advance Mobile Phone System ra đờ ở ( ) i M ỹ

và Điện thoại di động Nordic (NMT: Nordic Mobile Telephone) được sử ụ d ng chủ ế ở ắ y u B c Âu Đây là nh ng h thữ ệ ống thông tin di động 1G

Với hệ thống thông tin di động thứ nhất tất cả người dùng có th th c ể ự

hiện các cuộc gọi cho nhau mở ọi nơi trong 1 quốc gia

M t h n ch cặ ạ ế ủa Hệ thống thông tin di động th nh t là: ứ ấ

- Tính bảo mật thấp do thuật toán mã hóa kém và tín hiệu được lặp lại qua các trạm thu phát

- Dễ bị biến dạng

- Không thích hợp với những tiêu chuẩn thông tin mới nhất và không thể truyền với khoảng cách xa

4

1.1.2 Hệ thốn thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) g

H th ng ệ ố thông tin di động th h ế ệ thứ hai (2G được nghiên ứu những ) cnăm 1980s và sớm được hoàn thi n vào sau nhệ ững năm 1990 Năm 1991 ệh

thống thông tin di động 2G đầu tiên đã được triển khai thương mại (theo chuẩn GSM: Global System Mobile) ởPhần Lan b i nhà khai thác m ng Radiolinja ở ạ

H thệ ống thông tin di động thế ệ h th hai ứ được thay thế tín hiệu của hệ

thống tương tự ằ b ng tín hiệu của hệ ống số th (Digital), cùng với thời điểm sốhóa đường truy n trên toàn c u Bề ầ ăng thông cho công nghệ này là 850Mhz ÷ 1900Mhz

Công nghệ ử ụ s d ng cho hệ ống thông tin di độ th ng 2G là Công nghệ đa truy nh p phân chia theo th i gian (TDMA) và Công nghậ ờ ệ đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) Với các chuẩn GSM (Global System Mobile - 2G), GPRS (General Packet Radio Service 2.5G) và EDGE (Enhanced Data rate - for GSM Evolution - 2.75G)

Tốc độ tho i cạ ủa hệ ống thông tin di độ th ng 2G này là 64kbps

H thệ ống thông tin di động 2G cung cấp dịch vụ tho iạ , gửi thư điện tử và tin nh n vắ ới độ rõ ràng c a tín hi u tho i cao.ủ ệ ạ Được hơn 2 tỷ ngườ ủa 212 i c

qu c gia s d ng ố ử ụ

H thệ ống thông tin di động 2G có tính thích ứng toàn cầu, những máy điện tho i cạ ầm tay (MS: Mobile Station) còn đượ ử ụng đếc s d n ngày nay

M t h n ch cặ ạ ế ủa Hệ thống th ng thông tin di ng 2G: ố độ

- Tín hi u là tín hiệ ệu số nên yếu hơn

- Đường cong b phân rã góc ị

- Gi m kho ng cách truy n tín hi n âm thanh ả ả ề ệ

1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G)

H thệ ống thông tin di động th h ế ệ thứ ba (3G) được nghiên c u phát tri n ứ ểnhững năm 1990s và sớm được hoàn thiện vào trước những năm 2000 Đến nay vẫn đang tiế ụp t c được tri n khai phát tri n D ch v H th ng thông tin di ể ể ị ụ ệ ố

Tín hi u thoệ ại của hệ thống thông tin di động 3G là tín hi u thoệ ại với

chất lượng âm thanh vượt tr i Có th s d ng t t cho các dộ ể ử ụ ố ịch v v Video ụ ềCùng với Hệ ống này ngườ th i dùng có thế ử ụ s d ng thêm các dich vụ giá

tr ị gia tăng như: mua bán trực tuy n, giao d ch ngân hàng, game online, … ế ịNgoài ra người dùng có th truy cể ập email dung lượng l n, truy c p các ớ ậtrang web v i tớ ốc đ cao, s dộ ử ụng t t dố ịch vụ định v toàn c u (GPS: Global ị ầPositioning Service )

H thệ ống thông tin di động 3G có thể ỗ ợ ịch vụ h tr d truyền thông tin với

tốc độ thấp nhất là 200 kbps Đặc điểm nổi bật đó chính là hệ ống thông tin th

di động 3G có tốc đ truy n d liộ ề ữ ệu nhanh hơn,dung lượng m ng lạ ớn hơn và

d ch v mị ụ ạng được cải thiệ ấn r t nhi u Tề ốc độ truy n d li u là 2Mbps ề ữ ệ

Chuẩn Hệ thống thông tin di động 3G WCDMA (WCDMA: Wideband Code Divition Multipvxer ) được thi t k cho giao di n chuyế ế ệ ển mạch gói không dây Vì vậy, máy tính và điện tho i có th chia sạ ể ẻ ế k t n i internet vố ới nhau m i lúc mọ ọi nơi Hệ thống 3G có tốc đ truyộ ền dữ ệu lên đế li n 2Mbps thông qua kênh truyền có băng thông rộng 5 Mhz Các chu n s- ẩ ử ụ d ng cho H ệ

thống thông tin di động 3G là W CDMA, GSM- EDGE, UMTS, DECT, WiMax và CDMA 2000

Ngườ ử ụi s d ng có th ể dùng được trên toàn c u v i d ch v chuy n vùng ầ ớ ị ụ ể

quốc tế (Global Roaming)

M t h n ch cặ ạ ế ủa Hệ thống thống thông tin di động 3G:

- Đòi hỏi độ rộng băng tần lớn hàng Mhz

- Tần số sử dụng là 2100Mhz và mới có thêm 900Mhz với kỹ thuật trải phổ phức tạp

6

- Chi phí triển khai lớn

1.2. Hệ thống thông tin di động hiện tại và tiếp theo

Hiện tại các Hệ ống thông tin di động 2G, 3G vẫn được tiếp tục sử ụng tuy th dnhiên Hệ ống thông tin di động 2G đã hạ th n chế ấ r t nhi u và ề gần như không được đầu tư và phát triển n a ữ

H thệ ống thông tin di động 3G đang là thời điểm đỉnh cao nhất với sự đầu tư

và phát tri n m nh m Hi n nay hể ạ ẽ ệ ệ ống thông tin di động 3G đang đượ th c nâng cấp

để có đượ ốc t c đ truy n t i d li u là t t nh t HSDPA v i tộ ề ả ữ ệ ố ấ ớ ốc đo truyền Internet có

H thệ ống thông tin di động 4G có tính tương tích cao, tốc đ nhanh hơn có ộ

th ể lên đến 100Mbps Với những tính năng lớn, dễ dàng chuyển giao và giá thành tri n khai th p là nhể ấ ững ưu điểm vượt tr i cộ ủa hệ ố th ng

H thệ ống thông tin di động 4G là thế ệ ạng tổ ợp được các tính năng của h m h2G và 3G, hoạt động dựa trên n n IP (All IP Network: Internet Protocol Network) ề -

hứa hẹn cung cấp các dịch vụ IP bảo mật hơn,truyền dữ ệu đa luồng ết nối tốc độ li kGigabit, các công nghệ ề ti n thân của 4G như Wi-Max (M ), Wifi, LTE vỹ ới băng thông rộng hơn và nhiều d ch vị ụ hơn dịch v 3G M t sụ ộ ố thuật ngữ ị d ch vụ ớ m i trên 4G như: Chât lượng kết nối dịch vụ không dây (QoS), Dịch vụ tin nhắ đa phương n

ti n - Multimedia Messaging Service (MMS), ệ Video chat, Truyền hình dành cho

di động, Truy n hình phân gi i cao và Digital Video Broad-ề ả casting (DVB) đang được thi công trong h th ng m ng 4G ệ ố ạ

1.3. Hệ thống thông tin di động tương lai 5G

Đây là hệ ố th ng ti p theo c a H th nế ủ ệ ố g thông tin di động và h th ng thông ệ ốtin vô tuy n ế

7

Hệ thống thông tin di động 5G là cái tên được sử dụng trong một số bài báo nghiên cứu và các dự án để nói về một thế hệ truyền thông tiếp theo dựa trên nền tảng của công nghệ truyền thông hiện tại của Hệ thống thông tin di động 4G Hệ thống thông tin 5G được giới chuyên gia dự đoán sẽ đi vào thực tế vào khoảng đầu những năm 2020 Hệ thống thông tin di động 5G chưa được sử dụng một cách chính thức bởi bất kì tổ chức chuyên trách nào hay những tài liệu chính thức nào như các khái niệm Wimax, 3GPP, LTE Các nghiên cứu đang được thúc đẩy để đảm bảo Hệ thống thông tin di động 5G ra mắt đúng thời hạn

Khả năng truyền tải mong muốn của Hệ thống thông tin di động 5G lên đến hàng Giabit mỗi giây, nhanh hơn 40 lần so với Hệ thống thông tin di động 4G và

500 lần so với Hệ thống thông tin di động 3G ở mọi nơi 5G bao gồm các dịch vụ thu phát video trực tuyến, cuộc gọi IP phong phú bao gồm cả những cuộc gọi 3D, tốc độ truy cập internet không ngờ cùng với khả năng phát triển phần cứng của các thiết bị đầu cuối, có thể sử dụng điện thoại thông minh thay cho laptop hay các thiết

bị điều khiển Khái niệm Internet của vạn vật đã được hình thành và là khía cạnh chủ yếu khai thác các dịch vụ của Hệ thống thông tin di động 5G trong đó có Giao thông thông minh và ô tô tự hành; nhà thông minh và thiết bị thực tế ảo, các sản phẩm chăm sóc sức khỏe, tất cả các yếu tố trên được điều khiển bởi một trung tâm điều khiển đám mây duy nhất và hợp nhất

8

Chuẩn công

nghệ APMS,TACS

GSM based, GPRS, EDGE

UMTS/HSP

A

LTE/ LTE nâng cao,Wimax ,Wifi

Gói dữ liệu Tất cả các gói tin Tất cả các gói tin

Mạng lõi PSTN PSTN Gói N/W Internet Internet

Kiểu truyền

tin Chiều ngang Chiều ngang Chiều ngang Chiều ngang và chiều dọc

Chiều ngang và chiều dọc

Dịch vụ Gọi thoại

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

B ng 1: Các th h H thả ế ệ ệ ống thông tin di động

d ng b i m ng 2G, 3G và s p t i là 4G, có th ụ ở ạ ắ ớ ể 5G sẽ ử ụng các trạ s d m HAPS (High Altitude Stratospheric Platform Stations)

V ề cơ bản, các trạm HAPS là những chiếc máy bay treo lơ lửng m t v trí c ở ộ ị ố

định trong kho ng cách t 17km ÷ 22km so v i mả ừ ớ ặt đất và hoạt động như một v ệtinh Cách này sẽ giúp đường tín hiệu được thẳng hơn và giảm tình tr ng bạ ị ả c n trở

bởi những kiến trúc cao tầng Ngoài ra, nhờ độ cao ạm cơ sở tr HAPS có kh ả năng bao phủ ệ di n tích rộng lớn Do đó làm giảm, n u không nói là lo i b , nh ng vế ạ ỏ ữ ấn đề

v diề ện tích vùng phủ sóng Thậm chí trên biể trên không (trên máy bay) nơi các n,

trạm phát sóng trên đấ ềt li n không th ph ể ủ sóng, cũng bắt được tín hi u 5G ệ

Hình 1: V trí H ị ệ thống HAPS của Hệ ống thông tin di độ th ng 5G

10

Hình 2: Mô hình HAPS của Hệ ống thông tin di động 5G th

Tại Hội thảo về Di động thế giới (Mobile World Congress) thì mạng di động

sẽ bắt đầu một cuộc hành trình dài hơi lên đám mây Sẽ mất thời gian để đạt được điều này và khi đó thành phần chủ yếu của mạng di động sẽ là trung tâm dữ liệu

Tại Hội thảo về Di động thế giới 2014 (Mobile World Congress 2014), chúng ta sẽ được nghe nhiều đến 5G từ viết tắt để chỉ thế hệ tiếp theo của công nghệ mạng di động Tuy nhiên, khi cuộc chuyển tiếp lên 5G sẽ còn mất nhiều năm nữa, hãy tìm hiểu về sự thay đổi hiển nhiên hơn: Cuộc dịch chuyển của mạng di động lên nền tảng đám mây

Tại rung tâm hội nghị Fira Gran Via, các hãng AlcatelT -Lucent, Intel và China Mobile nhà khai thác mạng di động lớn nhất thế giới, tiến hành tái tạo lại một công nghệ đang bắt đầu được áp dụng tại Trung Quốc, bao gồm công nghệ ảo hóa mạng truy cập vô tuyến LTE lên máy chủ server Vậy tại sao đây lại là một vấn đề lớn? Bởi vì nó giải quyết được vấn đề muôn thuở về các trạm cơ sở, thứ phức tạp và đắt tiền nhất trong hệ thống mạng di động, bằng việc "quẳng" tất cả vào một trung tâm dữ liệu

11

Cấu trúc hệ thống di động là thứ quan trọng nhất của một mạng chuyên ngành Mỗi trung tâm xử lý sóng di động (Cellsite) đều là những "pháo đài" với khả năng xử lý rất mạnh, chạy trên hệ thống phần cứng được tối ưu hóa cao nhằm chuyển đổi sóng vô tuyến Analog Một nhà mạng di động lớn như China Mobile sẽ không thể nào có được hàng trăm ngàn trạm cơ sở như thế Đó là một vấn đề cực lớn khi phải đáp ứng đủ sức mạnh cơ sở cho toàn mạng lưới

Hình 3: Trung tâm x ử lý sóng di động Bằng cách di chuyển các trạm cơ sở từ C lsite vào một trung tâm dữ liệu, elmột nhà cung cấp dịch vụ di động sẽ không còn cần phải xây dựng đủ năng lực xử

lý cho từng trung tâm để "chịu được" áp lực cao điểm kết nối của toàn mạng Thay vào đó, nó có thể phân bổ nguồn lực vào từng phần của mạng nơi có thể đang cần năng lực xử lý nhiều hơn, ở những thời điểm khác nhau Ví dụ trong giờ cao điểm buổi tối, nhu cầu thoại và dữ liệu theo các thuê bao di chuyển ra khỏi các trung tâm thương mại, hành chính của thành phố (nơi làm việc) và di chuyển đến các vùng lân cận hoặc ngoại ô (nhà ở)

Một mạng truy cập vô tuyến đám mây (Cloud radio access network - CloudRAN) sẽ đơn giản là có thể "theo chân" người dùng trên suốt đường đi, chuyển tải công suất baseband từ nơi này đến nơi tiếp theo

12

Hình 4: M ng truy c p vô tuyạ ậ ến đám mâyCác nhà mạng sẽ không phải di chuyển toàn bộ lên dịch vụ Amazon Web Services, nhưng họ sẽ có thể xây dựng nên một mạng lưới đơn giản hơn Khi đó, mỗi trạm sóng sẽ không còn là một "pháo đài" với sức mạnh xử lý mà đơn giản chỉ

là Antenna hoặc cầu nối đến với trung tâm dữ liệu Các thế hệ tương lai của các mạng di động có thể chỉ là việc nâng cấp phần mềm, không còn là những đợt thay thế hoặc sửa chữa lớn nữa Và thay vì phải sử dụng hàng tấn thiết bị trạm cơ sở đặc trưng, các nhà mạng hoàn toàn có thể vận hành mạng trên kệ của những chiếc máy chủ

Ở thời gian sau đó, quá trình đưa các trạm cơ sở vào đám mây sẽ được thực hiện dần dần Các nhà mạng sẽ bắt đầu với một cấu trúc "xử lý chia nhỏ", nơi mà các trạm cơ sở sẽ đảm nhiệm việc xử lý tất cả các tín hiệu, trong khi trung tâm dữ liệu thực hiện các chức năng baseband cao hơn

Trong vài năm nữa sau thời kỳ "quá độ" này, khi các nhà mạng đã sẵn sàng

để xây dựng thế hệ mạng di động tiếp theo công nghệ 5G mà chúng ta vẫn thường nghe nói mạng lưới của họ đã trải qua xong quá trình chuyển đổi

13

Khi đó, việc xây dựng mạng 5G cực mạnh sẽ không yêu cầu cần cẩu, xe tải hay hàng ngàn kỹ sư nữa, thay vào đó chỉ là việc xây dựng thêm một loạt các trung tâm dữ liệu khổng lồ

2.2 Kiến trúc Hệ thống thông tin di động 5G

2.2.1 Điện toán đám mây ở mọi nơi

Hệ thống thông tin di động 5G phải có “điện toán đám mây ở mọi nơi” nghĩa

là người dùng có khả năng truy cập các ứng dụng thời gian thực, các dịch vụ internet bất cứ bằng nền tảng công nghệ vô tuyến nào, bất cứ khi nào và ở đâu Để

có thể tạo ra môi trường như vậy thì hệ thống sẽ bao gồm vô số các cảm biến xung quang con người có khả năng thu thập dữ liệu và lan truyền thông tin một cách nhanh chóng, muốn như vậy việc phát triển các trạm thu phát và cảm biến phải được tích hợp công nghệ phân chia chùm tín hiệu đa truy cập BDMA (Beam Division Multiple Access: Công nghệ phân chia chum tín hiệu đa truy nhập)

2.2.2 K hái niệm F lat IP

Hệ thống thông tin di động 5G sử dụng khái niệu Flat IP để có thể dễ dàng hơn cho các hệ thống kết nối vô tuyến cập nhật lên thành một hệ thống mạng Nanocore duy nhất, công nghệ mạng Nanocore được sử dụng với tính năng như một công cụ an ninh dựa trên nền tảng Flat IP Để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng cho các ứng dụng thời gian thực, điều khiển không dây đều chuyển sang cấu trúc mạng Flat IP Kiến trúc Flat IP cung cấp cách thức để xác định tên kí tự của thiết bị (IPv6), không giống như cấu trúc phân tầng sử dụng “địa chỉ IP thông thường” Với việc sử dụng cấu trúc mặt phẳng IP, người dùng có thể:

- Giảm số lượng các yếu tố mạng trong gói data để giảm thiểu chi phí vận hành và phí tiêu dùng cơ bản

- Tách riêng chi phí phân phối d ch v t kh i d liị ụ ừ ố ữ ệu được truyền đi để phù

h p vợ ớp hạ ầ t ng

- Tối thiểu hóa độ ễ ệ ống và kích hoạt các dịch vụ mà có trễ độ ấp cho tr h th thphép

14

- Việc triển khai hệ thống kết nối vô tuyến và các gói tin mạng core độc lập với nhau và có khoảng không rộng hơn trước đây Đảm bảo tính mềm dẻo trong thi công và lắp đặt

- Tạo ra một mạng lõi tích hợp sử ụng cho điện thoại và các kết nối IP nói dchung

Hình 5: C u trúc m t ph ng IP ấ ặ ẳCấu trúc mạng IP đã loại bỏ kiến trúc phân tầng tập trung, thay vào đó là gói tin dữ liệu trong mạng core Flat IP, cấu trúc phân cách và đơn giản trong thi công

và loại bỏ được nhiều thành phần trong mắc xích cấu trúc mạng

2.2.3 Cổng giao tiếp kết hợp (Aggegation)

Có sự khác biệt về cổng giao tiếp kết hợp giữa Hệ thống thông tin di động hiện tại và Hệ thống thông tin di động 5G Hệ thống thông tin di động 5G có cấu trúc dựa trên nền tảng IP Các kết nối vô tuyến có những công nghệ kết nối khác nhau nên cần có một phương thức giao tiếp phù hợp với mạng IP, điều này có nghĩa

là, mỗi công nghệ truyền thông vô tuyến cần có một giao thức cổng kết nối với

mạng Internet thông qua Cổng giao tiếp kết hợp , mỗi hạ tầng công nghệ đi ra ngoài

Internet đóng vai trò như một đường truyền IP

15

Hình 6: H th ng ệ ố di động hi n t i và H th ng thông ệ ạ ệ ố tin di động 5G

2.3 Hệ thống thông tin di động 5G - NANOCORE

H thệ ống thông tin di động 5G h i t nhi u công ngh truy n thông tiên ti n, ộ ụ ề ệ ề ế

mà ở đó mỗi công ngh ệ đều có tác động đến h th ng truy n d n không dây hi n t i ệ ố ề ẫ ệ ạ

để chuy n mình sang 5G: ể

- Công ngh Nano ệ

- Điện toán đám mây

- N n All IP ề

MNT liên hệ đến việc điều khi n c u trúc vể ấ ật chất dựa vào nguyên t Cử ụm từ công nghệ nano được giới thi u lệ ần đầu tiên bởi Nori Taniguchi vào năm 1974 tại

Hội nghị quốc tế ề ỹ v k thu t s n xu t Tokyo Công ngh Nano là cu c cách m ng ậ ả ấ ệ ộ ạcông nghiệp tiếp theo và ngành công nghi p vi n thông s b biệ ễ ẽ ị ến đổi bởi công ngh ệnày trong m t ộ vài năm

Công nghệ nano đã và đang cho thấy tầm ảnh hưởng của nó vào việc bảo an của các thiết bị cảm ứng Nó được xem xét như là một tín hiệu sẽ được phổ biến trong ngành viễn thông

17

2.3.2.Thiết bị NANO

Trong H thệ ống thông tin di động 5G, điện thoạ di động nói riêng hay các i thiết bị đầu cuối tích hợp công nghệ ano nói chung được xem như là các thiết bị N

Nano Nhu cầu của con người về khai thác ứng dụng trên các thiết bị ano rất đa N

dạng, bao gồm: nhà ở, văn phòng, nơi công cộng việc tồn tại dày đặc các thiết bịnano t o nên mạ ột môi trường thông minh, kích hoạt các cảm ứng, điện toán và giao

tiếp Các đặc trưng của thi t b ế ị nano như sau:

- T làm sự ạch (Self Cleaning): điện thoại có kh ả năng tự ọn dẹ d p b n thân nó ả

- T ự cung cấp năng lượng (Self powerd): điện thoại có khả năng lấy năng lượng t m t trừ ặ ời, nước, hay không khí

- Có cảm quan môi trường (Sense the environment): điện tho i s cho b n bi t ạ ẽ ạ ế

v th i tiề ờ ết, độ ẩ m, mức độ ô nhi m và nhiễ ều hơn nữa

- M m d o (Flexible): Uề ẻ ốn cong nhưng không bị ỡ v

- Trong su t (Transparent): có th ố ể “nhìn xuyên” qua điện tho i ạ

Hình 8: Các thi t b Nano ế ị2.3.3 Điện toán đám mây

Trong H thệ ống thông tin di động 5G thì điện toán đám mây là duy nhất, là

m t sáng ki n công nghộ ế ệ, nơi lưu trữ và điều khiển m i thông tin D li u thông qua ọ ữ ệ

mạng Internet và máy chủ điều khiển trung tâm (Central Romote Server) Người dùng không cần cài đặ ứt ng d ng mà có th truy cụ ể ập được dữ ệ li u, thông tin, hồ sơ

của mình mọi lúc và ở ất cứ nơi đâu Người sử ụng có thể vào thị trường điện b d

18

toán đám mây và tạo mộ ịt d ch v mụ ới sau đó trải nghiệm nó trong môi trường th ịtrường s ố hóa Điều này có th ể làm cho người dùng c m nhả ận đượ ức ng d ng th i ụ ờgian th c khi sự ử ụng 5G Điện toán đám mây cung cấ d p tính b o mả ật và đáp ứng cao thông qua mã hóa, ti t ki m chi phí lế ệ ắp đặt cơ sở ạ ầng như hệ ố h t th ng truy n ềthông cũ

Điện toán đám mây có 3 phần chính:

- Ứng d ng (Application): Các ph n m m d ch v ụ ầ ề ị ụ

- H thệ ống nề (Platform): Là các sản phầm dùng để ắn l p đ t ặ Internet (NetSuite, Amzon, Google…) cho phép người dùng truy cập vào máy chủtrung tâm

- H tạ ầng (Infrastructure): Là phần môi trường hạ ầng của nhà cung cấp cho tphép người dùng xây d ng các ng dự ứ ụng, lưu trữ đá m mây

2.3.4 Mạng All IP

All-IP Network (AIPN) được giới thiệu bởi hệ thống 3GPP trong việc nâng cao nhu c u c a thầ ủ ị trường di động Các dịch vụ đáp ứng th i gian th c thông qua ờ ựcác tin qu ng bá, truyả ền hình, đường truyền mặt đất, người dùng dần chuyển qua

kiến trúc mạng Flat IP AIPN cung cấp những cải tiến liên tục và tối ưu hóa hệ

thống để có th cung c p sể ấ ức cạnh tranh v c ề ả chất lượng và giá thành

Ưu điểm c a ki n trúc AIPN: ủ ế

- Chi phí thấp hơn

- K t n i ph bi n liên t c ế ố ổ ế ụ

- C i thi n tr i nghiả ệ ả ệm người dung

- Giảm độ ễ ệ ố tr h th ng

- Tách riêng k t n i vô tuy n và s c i ti n m ng lõi ế ố ế ự ả ế ạ

2.4 Kỹ thuật chia c ùm tín hiệu đa truy nhậph BDMA

2.4 .1 Các công nghệ Đa truy nhập hiện tại

Mục tiêu của truyền thông di động là cung cấp các dịch vụ cải tiến và mềm dẻo đến số lượng lớn người sử dụng điện thoại di động với chi phí thấp Một thách thức lớn đặt ra cho công nghệ không dây làm sao phải nâng cao dung lượng truyền

Trong giao tiếp thông tin liên lạc, nhu cầu nâng cao dung lượng truyền là rất lớn, trong khi đó dải băng thông cho phép thì hữu hạn Số lượng di động ngày càng tăng đòi hỏi việc tăng số lượng của các trạm thu phát tín hiệu Để giải quyết vần đề một lượng lớn vật chất tăng theo thời gian và nhu cầu sử dụng, chúng ta mong chờ một cải tiến kĩ thuật sử dụng tài nguyên khác ngoài miền thời gian và tần số để tăng dung lượng truyền trong tương lai.

Hình 9: Các công ngh ệ đa truy cập

20

2.4.2 Công nghệ Đa truy nhập phân chia theo chùm tín hiệu

Hình 10: Đa truy nhập phân chia theo chùm tín hi u ệKhi trạm gốc kết nối với đầu cuối, chùm sóng trực giao sẽ được phân phát xuống các đầu cuối Kỹ thuật BDMA là phát minh hiện tại phân chia Antenna theo

vị trí của các đầu cuối để có thể thực hiện đa truy cập vì vậy dung lượng tín hiệu của hệ thống được nâng cao Trạm gốc và đầu cuối truyền tín hiệu theo một đường thẳng Line of Sight (LoS) Khi hai trạm biết được chính xác vị trí của nhau, chúng

có thể truyền các chùm sóng trực tiếp cho nhau mà không quấy rầy đến các trạm biên xung quanh

- Khi u đầ cuố đã đượi c đ nh vị ởị b i nhiều hướng khác nhau và đều hướng về

tr m g cạ ố , trạm ốg c s truyẽ ền những chùm chùm sóng đồng thời theo các hướng khác để truy n d liề ữ ệu đế đần u cu i ố

- M t ộ đầu cuố không chỉi nhận chùm sóng từ một trạm ố nhữg c, ng u cu i đầ ốcùng m t h ng v i trộ ướ ớ ạm g c ố có thể chia s mẻ ột chùm sóng giao ti p v i trế ớ ạm

g c ố

- Đầu cu i chia s chùm sóng phân chia cùng ngu n t n s / th i gian và ngu n ố ẽ ồ ầ ố ờ ồsóng tr c giao ự

- Tiếp theo, trạm g c s ố ẽ tính toán hướng và độ ộng của của chùm sóng tín r

hi u phát xu ng d a vào ệ ố ự hướng và tốc độ mà đã nhận được từ đầ u cu i ố

- Tr m g c s phát chùm tín hi u xu ng cho ạ ố ẽ ệ ố đầu cuối theo các thông s ã tính ố đtoán

- Khi đầu cuối nhận được tín hiệu gửi từ ạ tr m g cố , nó sẽ dò hướng của tín

hiệu phát xuống để xác định hướng của tín hiệu gửi lên và gửi chùm tín hiệu lên cho trạm ốg c

- Sau khi đầu cu i và tr m g c ố ạ ố hình thành đường truy n, s có m t chùm sóng ề ẽ ộ

c p nhậ ật được gửi theo chu kì để duy trì k t n i gi a hai tr m ế ố ữ ạ

- Gói tin trong Phân chia cặp t n s /ầ ố chùm sóng đa truy cập Frequency Division Duplex/BDMA (FDD-BDMA) và Phân chia c p th i gian/chùm sóng ặ ờ

đa truy cập Time Division Duplex/BDMA (TDD/BDMA) là giống nhau Ch ỉkhác nhau khi thông tin trạm g c ố được định vị ở b i phân chia tần s ố (FDD) chứ không ph i b ng phân chia thả ằ ời gian (TDD) Các chùm sóng được trạm g c ố

quảng bá là đượ phân chia theo tần số, chỉc những chùm sóng trong việc hình thành k t nế ối ban đầu là phân chia theo th i gian ờ

- K thuỹ ật BDMA có thể được ứng dụng cho việc thiết kế các phần tử ủa hệ c

thống giao tiếp không dây cho thế ệ h truyền thông di động tiếp theo Các nhà nghiên c u và phát tri n Hàn Quứ ể ốc đề xu t s dấ ử ụng BDMA như là giao diện

vô tuy n cho 5G ế

22

2.5 Các nghiên cứu về Hệ thống thông tin di động 5G

2.5.1 Giao tiếp di động bằng sóng mmWave

Đối với nhu cầu tăng dung lượng truyền thông tin của hệ thống lên tới hàng Gigabit thì sóng milimét (mmWave) sẽ được mong đợi được áp dụng trong truyền thông tin tín hiệu tốc độ cao, tần số áp dụng sóng milimét khoảng 60 GHz Các chuẩn kĩ thuật truyền sóng mmWave phổ biến như ECMA, IEEE 802.15.3 Tác vụ nhóm 3c (TG3c), IEEE 802.11ad chuẩn hóa tác vụ nhóm, WirelessHD consortium, Wireless Gigabit Alliance (WiGig) Trong đó chuẩn IEEE 802.15.3c và IEEE 802.11ad được đưa ra để đánh giá cho hoạt động sóng milimét trong hoạt động của

Hoạt động nghiên cứu thực nghiệm gần đây nhất của Samsung (Hàn Quốc) sử dụng sóng mmWave trong việc truyền tải dữ liệu 5G trong môi trường khác nhau Tốc độ truyền tải đạt 1.2 Gbps khi di chuyển với tốc độ 110 km/h sử dụng tần số 28GHz, tốc độ truyền tải dữ liệu tối đa (đầu cuối đặt ngay trạm gốc) lên tới 7.5Gbps Do sóng mmWave truyền trong khoảng cách ngắn nên Samsung đã sử dụng công nghệ Hybrid Adaptive Array Technology để truyền được với khoảng

cách xa hơn

2.5.2 Hiệu quả năng lượng trong mạng 5G

Hiệu quả năng lượng là một yêu cầu bức thiết song song với việc nghiên cứu

và phát triển Hệ thống thông tin di động 5G Theo khảo sát dung lượng truyền của

23

của điện thoại hàng tháng vào thời điểm ra đời 5G của Cisco (2015) sẽ lên tới gần

25 exabytes/tháng (1 Exabyte = 109 Gigabyte) Và năng lượng đáp ứng cho việc duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống viễn thông sẽ là một vấn đề lớn

B ng 2: ả Lưu lượng di động toàn c u (Cisco 2015) ầ Các giải pháp về năng lượng đã được đưa ra nhằm tối thiểu mức sử dụng năng lượng của toàn hệ thống bao gồm cả hệ thống thông tin di động 5G, các thiết

bị thu phát, các trạm thu phát và tổn hao năng lượng

- Phân vùng nhỏ (tăng hiệu qu ph sóng): do h th ng m ng không phân b ả ủ ệ ố ạ ổ

đồng nhất nên ta chia thành các đơn vị ph sóng microcells (bán kính 1 ủkilomet), picocells (bán kính 100m) và femtocells (bán kính 10m) Sử ụ d ng

ứng d ng ho ch đ nh mụ ạ ị ạng (SDN) để phân vùng d liữ ệu và vùng điều khi n ểThi t lế ập đám mây truy cập vô tuy n t p trung bên c nh l p nhi u Antenna ế ậ ạ ắ ề

- Các thiết bị đa truy cập vào ra Multiple Input Multiple Output (MIMO) có kích thướ ớn hơn và nhiều hơn số lược l ng thi t b ế ị di động

- mmWave: Tăng băng thông 3 300 GHz, bướ- c sóng 1-10mm

- Các thiết bị thông minh kết nối tập trung: có chức năng phân phối dịch vụ,

kết nối thiết bị ới nhau Device to device (D2D), bộ v - - nh tớ ạm, từ chối gây nhi u thiễ ết bị

24

- Giao tiếp giữa các máy móc Machine-to-machine (M2M): lắp đặt thiết bị

đầu cu i (xe c ) và h th ng kh i (c m biố ộ ệ ố ố ả ến), độ ễ tr th p và tu i th pin l n ấ ổ ọ ớhơn 10 năm

Hình 11: H th ng tiệ ố ết kiệm năng lượng cho m ng 5G ạ2.5.3 Mạng NanoCore: Đòn bẩy SDN và Hệ thống 5G

SDN (Software-defined Networking) là một khái niệm về một ứng dụng có thể cho phép người quản trị viên có thể tác vụ vào trường điều khiển, trường dữ liệu và các dịch vụ của hệ thống mạng mà không cần trực tiếp thao tác lên các lớp mạng của mô hình OSI

SDN cung cấp cơ chế quản lý tập trung (SDN controller) và kênh truyền bảo mật

25

Hình 12: Ki n trúc mô hình SDN ếHoạt động của mô hình SDN có thể được hiểu như hình trên, trong đó trường điều khiển giao tiếp trực tiếp với hai trường ứng dụng (Giao diện phía bắc SDN- NBIs) và trường dữ liệu (Giao diện điều khiển dữ liệu phía nam SDN CDPI) SDN - cho phép phân phối tài nguyên mạng trên nhu cầu của người sử dụng, tự tính toán

dự liệu dich vụ, một hệ thống mạng ảo tin tưởng và dịch vụ đám mây an toàn

Cấu trúc của hệ thống cho phép lắp đặt kết nối dễ dàng, nhanh chóng, không phụ thuộc đến các người dùng, sự thay đổi hệ thống mạng doanh nghiệp hay mạng công cộng Với thiết kế mạng đơn giản, các phần tử mạng không cần phải chọn lựa, cấu hình các giao thức truyền tin, mọi phần tử mạng khi tham gia vào hệ thống sẽ được trung tâm điều khiển SDN thực hiện việc cấu hình các giao thức, các phương thức, chuẩn kết nối cũng như các dịch vụ bảo mật và an ninh

Giá trị đòn bẩy của SDN trong mạng 5G là khả năng cung cấp một mạng ảo,

tự động với các ứng dụng nguồn được cập nhật nhanh chóng, một mạng ảo an toàn

và có thể tin tưởng Mặt khác, kiến trúc của mô hình SDN phân chia các chức năng

26

của hệ thống mạng thành những khối riêng biệt vì vậy nó có khả năng kích hoạt định tuyến các gói dữ liệu và luồng dữ liệu khi kết nối với hạ tầng mạng không dây hay đám mây

Một chức năng hữu dụng được bổ sung vào công nghệ SDN mà có ảnh hưởng

đến mạng 5G trong tương lai, cách mà nó tái c u trúc l i ki n trúc c a m ng không ấ ạ ế ủ ạdây, ảo hóa càng nhiều mạng và chức năng mạng đó là công nghệ Ảo hóa chức năng mạng - Network Function Virtualization (NFV)

Công ngh NFV có th nhóm các chệ ể ức năng, dịch vụ ủ c a mạng không dây thành các ng d ng có thứ ụ ể dùng để điều khi n, khể ả năng lắp đặt các phiên điều khiển biên Session Border Controller (SBC) đóng vai trò tăng cường bả- o mật nhờvào khả năng bảo vệ ệ ố h th ng mạng không dây đặt biệ ởt biên khỏi các tấn công từ bên ngoài Công nghệ SDN nhắm đến vi c xây d ng các hạ ầng đầệ ự t u cuố ừi t các c u ấtrúc m ng phân tạ ầng xác định, b ng cách di chuyằ ển các chức năng phần c ng vứ ề

một nền tảng lưu trữ tính toán duy nhất, có thể được xem như máy chủ hay đám mây Triển khai NFV cũng như việc áp dụng vào m ng 5G nói chung c n có mạ ầ ột tính năng đó là sự tương thích

Xây d ng hự ạ ầ t ng chức năng tập trung đòi hỏi các gói tin được truyền đi qua

h thệ ống mạng o, ả các phần tử phần cứng của mạng là như nhau, đồng bộ giao thức,

kh ả năng truyề ổn định của hệ ống bất đồng bộ, hiệu quả năng lượng truyền dẫn th n

và có thể tránh được việc tự ự ệ d li u quá tải của các phần tử mạng b i viở ệc chỉ ử s dung m t ộ lượng tài nguyên c n thi t ầ ế

2.5.4 Hệ thống mạng nền tảng đám mây

Hệ thống mạng ảo hay hệ thống điều khiển, lưu trữ tập trung là những khái niệm được sử dụng nhiều nhất trong việc khai thác công nghệ điện toán đám mây trong thiết kế, cung cấp dịch vụ và vận hành mạng 5G Hệ thống mạng ảo xây dựng các ứng dụng mạng từ các hạ tầng phần cứng thành một trung tâm, trung tâm này có vai trò sử dụng tài nguyên phần cứng phục vụ cho công tác lưu trữ, truy xuất dữ liệu một cách nhanh chóng, tối ưu khả năng lưu trữ dựa vào dữ liệu phân tán Cùng với tốc độ và băng thông siêu việt của mạng 5G, người dùng có thể xây dựng các ứng

27

dụng thời gian thực và trải nghiệm trực tiếp trên điện toán đám mây mà không cần bắt buộc ứng dụng phải được tải về máy của người dùng

Những yêu cầu của hệ thống đám mây:

- Dung lượng kết nối: Đối với mạng truyền thống, dung lượng người dùng chỉ cần đủ để phục vụ nhu cầu cá nhân Nhưng trong thời đại hiện nay, bên cạnh

xu hướng phát triển của công nghệ Internet của vạn vật (IoT) thì nhu cầu kết nối giữa người với thiết bị, giữa thiết bị với thiết bị ngày càng lớn Theo đó, Internet của vạn vật sẽ góp mặt trong 1,9 tỷ thiết bị hiện tại và 9 tỷ thiết bị khác vào năm 2018 tương đương với số điện thoại thông minh, TV thông minh, máy tính bảng, thiết bị điện toán đeo và máy tính lai (PC combined) Vì vậy, tốc độ của mạng 5G là yếu tố quyết định chất lượng của công nghệ này trong tương lai

- Chất lượng mạng: Với số lượng dịch vụ đa dạng, phong phú, người dùng mong đợi kh ả năng đáp ứng c a h th ng m ng ph i nhanh chóng và t c đ ủ ệ ố ạ ả ố ộtruyền phải đủ độ mượt mà cho dù ở môi trường truyền nào hay bất cứ nơi đâu

- Tối ưu hóa tài nguyên: Hệ thống mạng truyền thống dựa vào cải tiến phần

cứng hay hạ ầng để ải thiện chất lượng dịch vụ Tuy nhiên, đối với hệ ố t c th ng đám mây, tấ ảt c các ph n t c a mầ ử ủ ạng đề được xem xét đến vi c tệ ối ưu bao

g m, hiồ ệu suất, năng lượng, kh ả năng lưu trữ