Nghiên ứu kỹ thuật định hướng đa búp sóng cho mạng thông tin di động 5g

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 củ

TRƯỜNG ĐẠ I HỌC BÁCH KHOA HÀ N I Ộ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THU T Ậ

Chuyên ngành: K Thuỹ ậ t Viễn Thông

HÀ NỘI - 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Lê Tr ng Hi n ọ ế

Sinh ngày 9 tháng 8 năm 1989

H c viên l p cao h c K ọ ớ ọ ỹthuật Vi n thông 2017A - ễ Trường đại ọh c Bách Khoa

Hà Nội

Xin cam đoan nội dung đề tài “Nghiên c u k ứ ỹ thuật định hướng đa búp sóng

hướng d n c a th y giáo PGS.TS Nguy n H u Trung M i trích d n và tài li u tham ẫ ủ ầ ễ ữ ọ ẫ ệ

kh o mà tôi s dả ử ụng đều có ghi rõ ngu n gồ ốc

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhi m v lệ ề ời cam đoan trên

Hà Nội, tháng 3 năm 2019

Học viên thực hi n ệ

Lê Tr ng Hi n ọ ế

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤ C LỤ 3 C CÁC T VIỪ ẾT T T 5 Ắ DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7

LỜ I MỞ ĐẦ 8 U CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN V H THỀ Ệ ỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 9

1.1 Giới thiệu chương 9

1.2 S phát tri n cự ể ủa các hệ thống thông tin di động 9

1.2.1 H ệthống thông tin di động th h ế ệthứ nh t (1G) 10 ấ 1.2.2 H ệthống thông tin di động th h ế ệthứ hai (2G) 10

1.2.3 H ệthống thông tin di động 2,5G 12

1.2.4 H ệthống thông tin di động th h ế ệthứ ba (3G) 13

1.2.5 H ệthống thông tin di động ti n 4G (pre-4G) 15 ề 1.2.6 H ệthống thông tin di động th h ế ệthứ tư (4G) 16

1.3 H ệthống thông tin di động th h ế ệthứ năm – 5G 17

1.3.1 Các yêu cầu đối với hệ thống thông tin di động 5G 17

1.3.2 Kiến trúc mạng di động 5G 20

1.3.3 Mạng lõi Nano 26

1.3.4 Các lớp mạng 38

1.3.5 Kỹ thuật truyền dẫn 40

1.4 T ng kổ ết chương 55

CHƯƠNG 2: NỀ N T NG C A K THU T Đ Ả Ủ Ỹ Ậ ỊNH HƯỚNG ĐA BÚP SÓNG 56 2.1 H ệthống MIMO quy mô l n 56 ớ

2.2 Vai trò của định hướng đa búp sóng trong hệthống MIMO quy mô l n 57 ớ 2.2.1 Tăng cường hi u qu ệ ả năng lượng 57 2.2.2 Cải thiện hi u su t ph 57 ệ ấ ổ 2.2.3 Tăng cường b o mả ật hệ thống 58 2.2.4 Khả năng ứng d ng cho các d i sóng mm 58 ụ ả 2.3 Các b n mã hóa và tách sóng MIMO qu mô l n 59 ộtiề ỹ ớ

CHƯƠNG 3: PHÂN LOẠ I K THU T Đ NH HƯ Ỹ Ậ Ị ỚNG ĐA BÚP SÓNG 61 3.1 Giới thiệu chương 61 3.2 Định hướng đa búp sóng băng rộng và định hướng đa búp sóng băng hẹp 62

3.3 Định hướng m ng búp sóng chuy n mả ể ạch và mảng búp sóng thích ng 63 ứ 3.3 Các thuật toán định hướng đa búp sóng thích ứng 66 3.4 Định hướng đa búp sóng tương tự ố và lai tương tự/số, s 69

KẾ T LUẬ 71 N

TÀI LIỆU THAM KH O 72 Ả

CÁC TỪ VIẾT TẮT

T viừ ế t tắt Tiếng anh Tiếng việt

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh

D2D Device to Device Thiết bị ớ t i thi t bế ị

EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution

FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia theo t n s ầ ố

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuy n gói t ng h p ế ổ ợGSM Global System for Mobile communication H c u ầệthống thông tin di động toàn METIS

Mobile and wireless communications Enablers for Twenty-twenty Information Society

MIMO Multi Input – Multi Output Đa đầu vào, đa đầ u ra

ầWCDMA Wideband Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng

ZF Zero – Forcing

DANH MỤC CÁC BẢNG

B ng 1.1 T ng quan h ả – ổ ệthống thông tin di động 19

B ng 3.1: So sánh giả ữa hai phương pháp về phạm vi bao phủ, công suất, triệt nhiễu và

độ ph c t p 65ứ ạ

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 - L trình phá tri n cộ ể ủa hệ thống thông tin di động 9Hình 1.2 Kh- ối kh ả năng của hệ ống 5G trong tương lai th 18Hình 1.3 Ki- ến trúc h th ng 5G (Ngu n: METIS) 21ệ ố ồHình 1.4 - S ự thay đổ ừi t RAN sang C-RAN 22Hình 1.5 - M ng di chuy n MN 23ạ ểHình 1.6 - M ng cạ ực kỳ dày đặc UDN 24Hình 1.7 - Các trường h p can thi p l n nhau trong truy n thông D2D 25ợ ệ ẫ ềHình 1.8 - M ng lõi Nano trong h ạ ệthống 5G 26Hình 1.9 - Điện thoại Nano “trong suốt” 28Hình 1.10 - Morph Khái ni m công ngh – ệ ệ cho tương lai 29Hình 1.11 - C m bi n Nano 30ả ếHình 1.12 Qubit - 32Hình 1.13 - Nanodot 33Hình1.14 - M t mã ậ lượng t 34ửHình 1.15 - Điện toán đám mây 36Hình 1.16 - Các l p m ng trong h ớ ạ ệthống 5G 38Hình 1.17 - L p m ng (Network Layer) 39ớ ạHình 1.18 - Lịch sử quá trình kết nối (Ngu n: Cisco) 41ồHình 1.19 - So sánh giữa công nghệ milimeter-wave và công nghệ ệ ạ hi n t i 42Hình 1.20 - So sánh các phương thức điều ch 46ếHình 1.21 - Đa truy nhập phân chia theo búp sóng BDMA 47Hình 1.22 - Nguyên lý hoạ ột đ ng c a BDMA 48ủHình 1.23 - C u trúc khung c a TDD-BDMA 49ấ ủHình 1.24 - C u trúc khung c a FDD-BDMA 49ấ ủHình 1.25 - Đa truy nhập không tr c giao NOMA 50ựHình 1.26 - So sánh gi a OFDMA và NOMA 51ữHình 1.27 - Mô hình kênh MIMO cơ bản với Anten phát và Anten thu 52Hình 1.28 - Anten Massive MIMO 53Hình 1.29 - Mô hình Cell s d ng Anten Massive MIMO 54ử ụHình 3.1 - Phân loạ ịnh hướng đa búp sóngi đ 63Hình 3.2 - Đa búp sóng thích ứng (a) và đa búp sóng chuyển m ch (b) 65ạ

LỜI MỞ ĐẦU

Sau hơn 30 năm hình thành và phát triển, nếu như khởi đầu các hệ thống thông tin di động như 1G, 2G chủ yếu cung cấp các dịch vụ thoại, tin nhắn thì đến thế hệ 3G, 4G các dịch vụ đa phương tiện đã được tích hợp Các hệ thống thông tin di động thế hệ tiếp theo (5G), sẽ được hỗ trợ bởi các công nghệ tạo ra những cải tiến đáng kể về thông lượng Trong những năm gần đây, các nghiên cứu khác nhau đã tập trung vào các hệ thống nhiều đầu ra (MIMO) quy mô lớn, được coi là đóng một vai trò quan trọng trong 5G Cùng với đó thì các giải pháp kỹ thuật, đặc biệt là là các kỹ thuật tập trung giải quyết vấn đề dung lượng của đường truyền không ngừng được cải tiến

Một trong những kỹ thuật cốt lõi sử dụng trong hệ thống thông tin di động 5G

đó là kỹ thuật định hướng đa búp sóng, để nghiên cứu sâu hơn về kĩ thuật này em quyết

định chọn đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật định hướng đa búp sóng cho mạng thông tin

di động 5G” cho luận văn tốt nghiệp của mình.

Nội dung luận văn gồm 3 phần:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động

Chương 2: Nền tảng của kỹ thuật định hướng đa búp sóng

Chương 3: Phân loại kỹ thuật định hướng đa búp sóng

Trong quá trình thực hiện luận văn không tránh khỏi mắc phải những thiếu sót,

em mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp của các thầy cô để luận văn được hoàn thiện hơn

Qua đây, em xin được gửi lời cảm ơn tới tất cả các cán bộ, giảng viên của Viện Điện tử Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình dạy dỗ, truyền đạt - kiến thức cho chúng em trong suốt khóa học Đặc biệt, em xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Hữu Trung đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và tạo điều kiện cho em hoàn thành tốt luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG:

1.1 Giới thiệu chương

Nội dung chương 1 sẽ trình bày khái quát quá trình phát tri n c a h ể ủ ệthống thông tin di động, các tiêu chuẩn, ưu nhược điểm c a các th h ủ ế ệ thông tin di động đã được

ứng d ng trên th giụ ế ới cho đến nay Đồng thời chương này cũng trình bày tổng quan v ề

mô hình h thệ ống, các k u t và dỹth ậ ịch vụ trong h ệ ống thông tin di động 5G th

1.2 Sự phát triển của các hệ thống thông tin di động

H ệthống thông tin di động là h ệ thống liên lạc thông qua sóng điệ ừ ại đó n t , tngười dùng có th v a liên l c, v a di chuyể ừ ạ ừ ển được Các d ch v ị ụ điện thoại di động xuất

hiện vào đầu những năm 1960 và phát triển không ngừng cho đến thời điểm hi n t i ệ ạ

C trung bình m t th p k , chúng ta s ứ ộ ậ ỷ ẽ chứng ki n s xu t hi n c a m t th h thông ế ự ấ ệ ủ ộ ế ệtin di động m i Th h u tiên (1G) khớ ế ệ đầ ởi đầ ừu t những năm cuố ủi c a th p k 70 và ậ ỷ

đầu th p k ậ ỷ 80, đây là thệ ống thông tin di động tương tự th cung c p các d ch v tho i ấ ị ụ ạThế h ệthứ 2 (2G) bắt đầu n i lên t nhổ ừ ững năm đầu c a th p k 90, th h ủ ậ ỷ ế ệthứ 2 là công ngh ệ di động k ỹ thuậ ốt s , cung c p d ch v ấ ị ụthoại và c d u Th h th 3 (3G) bả ữ liệ ế ệ ứ ắt

đầu xu t hi n t ấ ệ ừ năm 2001 tại Nh t Bậ ản, đặc trưng bởi vi c cung c p d ch v tho i, d ệ ấ ị ụ ạ ữliệu và đa phương tiện v i tớ ốc độ cao Th h ế ệ 4G được thương mại hóa vào những năm

2012 tr ở đi, cung cấp các d ch v ị ụtruyền d u v i tữliệ ớ ốc độ cao hơn thế ệ h 3G r t nhi u ấ ề

Hình 1.1 - L trình phá triộ ể n của h ệ thống thông tin di động.

Trên th gi i, ế ớ ở những khu v c khác nhau có nh ng tiêu chu n khác nhau cho ự ữ ẩ

t ng th h ừ ế ệ thông tin di động, được th hi n qua hình 1.1 ể ệ

Ở Vi t Nam, h thệ ệ ống thông tin di động được phát triển theo hướng:

1G GSM (2G) GPRS (2.5G) EDGE (2.75G) UMTS (3G) LTE (4G)

1.2.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G)

H ệthống thông tin di động 1G là mạng điện thoại di động đầu tiên c a nhân loủ ại, được khơi mào ở Nhật vào năm 1979 Hệ thống thông tin di động 1G ng d ng các ứ ụcông ngh ệ truyền dẫn tương tự để truyền tín hi u tho i, s dệ ạ ử ụng phương thức đa truy

nh p phân chia theo t n s ậ ầ ố (FDMA) và điều ch t n s (FM) ế ầ ố

❖ Đặc điểm:

- Băng tần kho ng 150 MHz ả

- S d ng k thu t chuy n mử ụ ỹ ậ ể ạch tương tự

- Dịch vụ đơn thuần là tho ại

- Mỗi máy di động được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến

- Nhiễu giao thoa do t n s các kênh lân cầ ố ận là đáng kể

- Trạm thu phát g c ph i có b thu phát riêng làm vi c v i mố ả ộ ệ ớ ỗi máy di động

❖ Nhữ ng h n ch c a h thạ ế ủ ệ ống thông tin di động 1G:

- Phân b t n s r t h n chố ầ ố ấ ạ ế, dung lượng nh ỏ

- Gây tiế ồng n khó ch u và nhi u xị ễ ảy ra khi máy di động d ch chuy n ị ể

1.2.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G)

H ệthống thông tin di động 2G được đặc trưng bởi công ngh ệ chuyển m ch k ạ ỹthuật số Thông tin di động 2G s d ng công ngh ử ụ ệ đa truy nhập phân chia theo th i gian ờTDMA và đa truy nhập phân chia theo mã CDMA Các k thu t này cho phép s d ng ỹ ậ ử ụtài nguyên băng thông hiệu qu ả hơn nhiều so v i 1G H u hớ ầ ết thuê bao di động hi n nay ệ

v n còn s d ng công ngh 2G này ẫ ử ụ ệ

❖ Đặc điểm:

- Phương thức đa truy nhập: Sử dụng đa truy nhập TDMA và CDMA băng hẹp

- S d ng chuy n m ch kênh ử ụ ể ạ

- Dung lượng tăng, chất lượng tho i tạ ốt hơn, hỗ ợ tr các d ch v truy n d li u ị ụ ề ữ ệ

❖ Một số ệ thố h ng thông tin di động 2G điển hình:

• GSM (Global System for Mobile Communication): được triển khai đầu tiên

tại Châu Âu vào năm 1991 GSM s d ng k ử ụ ỹthuật đa truy nhập TDMA có tốc độ ừ t 6,5 13 kb/s –

nh p phân chia theo thậ ời gian (TDMA), có tốc độ d ữliệu lên đến 30 kb/s

IS-136 được nâng c p t h t ng m ng AMPS hoấ ừ ạ ầ ạ ạt động ở băng tần 1900MHz, trong đó:

H ệthống này đượ ử ục s d ng ph bi n M , Hàn Qu c, H ng Kông, Nh t B n, ổ ế ở ỹ ố ồ ậ ảSingapore và m t s ộ ố nước Đông Á.

❖ Ưu điểm c a h thủ ệ ống thông tin di động 2G:

H ệ thống thông tin di động 2G ra đời nh m gi i quy t nh ng h n ch c a h ằ ả ế ữ ạ ế ủ ệ

thống thông tin di động 1G H ống thông tin di độệth ng 2G co những ưu điểm sau:

- Sử dụng kỹ thuật điều chế số tiên tiến nên hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn

- H ệthống s ốchống nhi u kênh cùng t n s (CCI: Co-Channel Interference) và ễ ầ ốchống nhi u kênh k (ACI: Adjacent Channel Interference) hi u qu ễ ề ệ ả hơn, làm tăng dung

lượng h thệ ống, đảm b o chả ất lượng thông tin

- Điều khiển động vi c c p phát kênh m t cách liên t c giúp cho vi c s d ng ệ ấ ộ ụ ệ ử ụ

t n s hi u qu ầ ố ệ ả hơn

- Điều khi n truy nh p và chuy n giao hoàn hể ậ ể ảo hơn, dung lượng tăng, báo hiệu

d dàng x lý bễ ử ằng phương pháp số

- Có nhiề ịu d ch v m i nh n thụ ớ ậ ực hơn (kế ố ớt n i v i ISDN)

❖ Nhược điểm c a h thủ ệ ống thông tin di động 2G:

- Độ ộ r ng dải thông băng tần c a h th ng còn nh nên các d ch v ng d ng ủ ệ ố ỏ ị ụ ứ ụcũng bị ạ h n ch ế (không đáp ứ g đượn c các yêu c u phát tri n cho các d ch v thông tin ầ ể ị ụ

di động đa phương tiện cho tương lai)

- Tiêu chu n cho h ẩ ệthống thông tin di động 2G là không th ng nhố ất, do đó việc chuyển giao toàn c u khó thầ ực hiện được

1.2.3 Hệ thống thông tin di động 2,5G

H ệthống thông tin di động 2,5G được nâng c p t h ấ ừ ệthống thông tin di động 2G S nâng cự ấp này đôi khi được coi là s chu n b n t i h ự ẩ ị để tiế ớ ệ thống thông tin di

động th h th 3 (3G) ế ệ ứ

❖ Đặc điểm c a h th ng thông tin 2,5G: ủ ệ ố

- Các dịch vụ ố liệu được cải tiế s n:

+ Tốc độ bit cao hơn

+ H kỗtrợ ết nối Internet

- H ỗtrợ thêm phương thức chuyển m ch gói ạ

❖ Ưu điểm c a h thủ ệ ống thông tin di động 2,5G:

- Cung c p các dấ ịch vụ ạ m ng m i và c i thi n các d ch v ớ ả ệ ị ụ liên quan đến truyền

s ốliệu như nén số liệ u của ngườ ử ụi s d ng, s u chuy n m ch kênh tốliệ ể ạ ốc độ cao, dịch

v vô tuyụ ến gói đa năng

- Cung c p các d ch v b ấ ị ụ ổ sung như: chuyển hướng cu c g i, hi n th tên ch ộ ọ ể ị ủ

gọi, chuyển giao cu c gộ ọi và các dịch vụ ấ c m gọi mới

- C i thi n các dich v ả ệ ụ liên quan đến SMS (Short Message Service) như: mở

r ng b n ch cái, m rộ ả ữ ở ộng tương tác giữa các SMS

- Tăng cường công ngh SIM (Subcriber Indentification Module) ệ

- H các dỗtrợ ịch vụ ạ m ng thông minh

- C i thi n các d ch v ả ệ ị ụ chung như: dịch v nh vụ đị ị, tương tác với các h ệthống thông tin di động v h và hệtin ỗ ợ đị tr nh tuy n tế ối ưu

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

Để đáp ứng nhu c u s dầ ử ụng thông tin di động ngày càng tăng cả ề ố v s lư ng, ợ

tốc độ ẫ l n chất lượng của người s d ng, Liên minh vi n thông qu c t ử ụ ễ ố ế ITU (International Telecommunication Union) đã đưa ra đề án tiêu chu n hóa thông tin di ẩ

động th h th ba (3G) v i tên g i IMT-2000 (International Mobile ế ệ ứ ớ ọTelecommunications for the Year 2000) nhằm nâng cao tốc độ truy nh p, m r ng nhiậ ở ộ ều

loại hình d ch vị ụ, đồng thời tương thích với các h ống thông tin di độệth ng hiện có để

đảm b o s phát tri n liên t c cả ự ể ụ ủa thông tin di động

Nhiều tiêu chu n cho IMT-ẩ 2000 đã được đề xuất, trong đó có hai hệ th ng ốWCDMA và CDMA-2000 đã được ITU ch p nhấ ận và được đưa vào hoạt động vào

những năm đầu c a th p k 2000 Các h ủ ậ ỷ ệ thống này đều s d ng công ngh ử ụ ệ 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 tuy n cế ủa hệ thống thông tin di động 3G

❖ Một số ệ thố h ng thông tin di động 3G điển hình:

• UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)

UMTS (đôi khi còn được g i là 3GSM) s d ng k ọ ử ụ ỹthuật đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) UMTS được chuẩn hóa b i 3GPP (3ở rd Generation Partnership Project) WCDMA UMTS là công ngh ệ 3G đượ ực l a ch n b i h u h t các nhà cung c p d ch v ọ ở ầ ế ấ ị ụ GSM/GPRS để đi lên 3G

Tốc độ ữ d u tliệ ối đa UMTS cung cấp là 1920 kb/s, tuy nhiên thông th c t tự ế ốc độ này

chỉ khoảng 384 kb/s Để ả c i ti n t c ế ố độ ữ d liệ ủu c a 3G, hai k thu t HSDPA và HSUPA ỹ ậ

đã được đề xu t Khi c hai k ấ ả ỹthuật 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 xu ng ố(Downlink) lên tố ộ ốc đ t i đa trên lý thuy t là 14,4 Mb/s, nhưng trong th c tếế ự nó ch t ỉ đạ

tầm 1,8 Mb/s đến 3,6 Mb/s

- HSUPA (High Speed Uplink Packet Access): Tăng tốc độ đường lên (Uplink)

đồng th i c i tiếờ ả n QoS (Quality of Service) K thu t nỹ ậ ày cho phép người dùng Upload thông tin v i tớ ốc độ lên t i 5,8 Mb/s v m t lý thuy ớ ề ặ ết

• CDMA2000

CDMA2000 được triển khai trên cơ sở CDMA2000 1xRTT, đại di n cho h ệ ọcông ngh cao g m các chu n: CDMA2000 EV-DO (Evolution Data Optimized) và ệ ồ ẩ –CDMA2000 EV-DV (Evolution – Data and Voice) CDMA2000 được chu n hóa bẩ ởi 3GPP2 CDMA2000 là công ngh ệ 3G đượ ữc l a ch n b i các nhà cung c p m ng s ọ ở ấ ạ ử

d ng CdmaOne ụ

- CDMA2000 EV-DO: s d ng m t kênh d u 1,25MHz chuyên bi t và có ử ụ ộ ữliệ ệ

thể cho tốc độ ữ d ệu lên đếli n 2,4 Mb/s cho đư ng xuờ ống và 153 Kb/s cho đường lên 1xEV-DO Rev A h ỗtrợ truyền thông gói IP, tăng tố ộc đ đường xuống đến 3,1 Mb/s và

đặc bi t có th y tệ ể đẩ ốc độ đường lên đến 1,2 Mb/s Bên cạnh đó, 1xEV-DO Rev B cho phép ghép 15 kênh 1,25MHz lạ ểi đ truyền d u vữliệ ới tốc đ lên đếộ n 73,5 Mb/s

- CDMA2000 EV-DV: tích h p tho i và d ợ ạ ữliệu trên cùng m t kênh 1,25MHz ộCDMA2000 EV-DV cung c p tấ ốc độ đỉnh lên đến 4,8 Mb/s cho đường xu ng và 307 ốKb/s cho đường lên Tuy nhiên t ừ năm 2005, Qualcomm đã dừng vô th i h n vi c phát ờ ạ ệtriển c a 1xEV-ủ DV vì đa phần các nhà cung c p mấ ạng 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 ngh b i CCSA (China Communications ị ởStandards Accociation) và được ITU duyệt vào năm 1999 Đây là chuẩn 3G c a Trung ủQuốc, dùng k thu t song công TDD (Time Division Duplex) TD-SCDMA có th hoỹ ậ ể ạt

động trên m t d i t n h p 1,6MHz (cho tộ ả ầ ẹ ốc độ 2 Mb/s) hay 5MHz (cho t c đ 6 Mb/s) ố ộ

1.2.5 Hệ thống thông tin di động tiền 4G (pre-4G)

Công ngh ệtiền 4G là bước chu n b nâng c p t công ngh 3G lên 4G, ẩ ị để ấ ừ ệ ở một

s ố nơi, người ta còn gọi đây là mạng 3,9G M t s công ngh n 4G có th k n là: ộ ố ệtiề ể ể đếLTE (Long Term Evolution), WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access), UMB (Ultra Mobile Broadband)

• 3GPP LTE:

3GPP LTE là h ệthống ti p theo cần hướng t i c a h ế ớ ủ ệthống m ng không dây 3G ạ

d a trên công ngh ự ẹ di động GSM/UMTS, và là m t trong nh ng công ngh ộ ữ ệtiềm năng

nhất cho truyền thông di động th h ế ệthứ tư (4G)

3GPP LTE có kh ả năng cấp phát ph tổ ần linh động và h ỗ trợ các d ch v ị ụ đa phương tiện v i tớ ốc độ trên 100 Mb/s khi di chuy n v i tể ớ ốc độ 3km/h, và đạt 30 Mb/s khi di chuy n v i tể ớ ốc độ cao kho ng 120km/h, tả ốc độ này nhanh hơn gấp 7 l n so vầ ới

tốc độ truy n d li u c a công ngh ề ữ ệ ủ ệ HDSPA Do đó công nghệ này cho phép s d ng ử ụcác d ch vị ụ đa phương tiệ ốn t c đ ộcao trong khi di chuyển

3GPP LTE s d ng công ngh ử ụ ệ Đa truy nhập phân chia theo t n s ầ ố trực giao OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) và k thu t MIMO (Multi-ỹ ậinput Multi-output)

+ Ki n trúc m ng s ế ạ ẽ đơn giản hơn so với m ng 3G hi n t i Tuy nhiên, m ng ạ ệ ạ ạLTE v n có th tích h p m t cách d dàng v i m ng 3G và 2G sẫ ể ợ ộ ễ ớ ạ ẵn có Điều này h t sế ức quan tr ng cho nhà cung c p m ng tri n khai 3GPP LTE vì không cọ ấ ạ ể ần thay đổi toàn b ộ

cơ sở ạ ầ h t ng m ng ạ

• WiMax

WiMax là h ệthống truy nhập vi ba có tính tương thích toàn cầu dựa trên cơ sởtiêu chu n IEEE 802.16 do Viẩ ện kỹ ngh ệ Điện và Điện tử IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) đề xu t Tiêu chuẩn IEEE 802.16 đưa ra những yêu c u, ch ấ ầ ỉ

tiêu k ỹthuật nh m t p trung gi i quy t các vằ ậ ả ế ấn đề trong m ng vô tuyạ ến băng rộng điểm – đa điểm PMP (Point MultiPoint) v giao di n vô tuy n bao g m: L– ề ệ ế ồ ớp điều khi n ểtruy cập môi trường MAC (Medium Access Control) và l p v t lý PHY (Physical ớ ậLayer)

WiMax là m t chu n không dây t o ra kh ộ ẩ ạ ả năng kế ối băng thông rột n ng tốc độcao cho cả ạ m ng c nh l n mố đị ẫ ạng không dây di động

• UMB

Chuẩn UMB được phát tri n b i 3GPP2 nh m h tr cho m ng CDMA2000 ể ở ằ ỗ ợ ạ

+ Có các k ỹthuật Multiple Radio và Anten tiên ti n ế

+ S d ng k thuử ụ ỹ ật MIMO, Đa truy nhập phân chia theo không gian SDMA (Space Division Multiple Access)

+ S d ng các k ử ụ ỹthuật quản lý nhi u tiên ti n ễ ế

+ Tốc độ ữ d liệu cao nh t có th lên tấ ể ới 288 Mb/s đối với đường lên và 75 Mb/s

đố ới v i đư ng xu ng ờ ố

❖ Nhược điểm c a h thủ ệ ống thông tin di động 3G:

- Việc đạt đượ ốc độc t truy n s li u cao là rề ố ệ ất khó đố ới v i công ngh CDMA ệ

1.2.6 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G)

Vào tháng 3 năm 2008, tổ ch c ITU-ứ R đã đưa ra các yêu cầu tiêu chu n cho h ẩ ệ

thống thông tin di động th h ứ tư (4G) vớế ệth i tên g i IMT Advanced Theo IMT ọ – –Advanced, hệ ống thông tin di độ th ng 4G ph i đáp ả ứng được các yêu c u sau: ầ

- Xây d ng dự ựa hệ thống m ng IP chuy n m ch gói ạ ể ạ

- Đáp ứng đượ ố ộ ữ ệu đỉnh lên đếc t c đ d li n 100 Mb/s khi di chuy n v i tể ớ ốc độnhanh, và 1 Gb/s khi di chuy n vể ới tố ộc đ chậm (hoặ ức đ ng yên)

- Có th linh ho t trong vi c s d ng và chia s tài nguyên mể ạ ệ ử ụ ẽ ạng để ỗ h s trợ ốlượng lớn người sử ụng đồ d ng th i trong m t Cell ờ ộ

- Độ rộng băng thông có thể thay đổi được m t cách linh ho t, phộ ạ ạm vi thay đổi

có thể lên đ n 40 MHz ế

- Có hi u su t s d ng ph tệ ấ ử ụ ổ ần đỉnh lên đến 15 b/s/Hz đố ới đười v ng xu ng và ố6,75 b/s/Hz đối với đường lên (t c nứ ếu đường xuống đạ ốc đột t 1Gb/s thì ch chi m ỉ ế

d ng khoụ ảng 67 MHz băng thông)

- Hiệu su t s d ng ph t n c a h ấ ử ụ ổ ầ ủ ệthống, trường h p trong nhà, là 3 b/s/Hz/cell ợcho đường xuống và 2,25 b/s/Hz/cell cho đường lên

- D dàng th c hi n chuy n giao gi a nh ng m ng phễ ự ệ ể ữ ữ ạ ức tạp

- Khả năng cung cấp các d ch v chị ụ ất lượng cao cho th h ế ệ đa phương tiện ti p ếtheo

Hiện nay, ch có hai h thỉ ệ ống đáp ứng được các yêu cầu trên và được ITU công

nh n là h ậ ệthống thông tin di động 4G, đó là: LTE-Advanced (được phát tri n b i 3GPP) ể ở

và WirelessMAN-Advanced (được phát tri n bể ởi IEEE)

4G cung c p QoS và tấ ốc độ phát triển hơn nhiều so với 3G đang tồ ạn t i, không chỉ là truy cập băng rộng, d ch v tin nhị ụ ắn đa phương tiện (MMS), chat video, TV di động mà còn các d ch v HDTV, các d ch v t i thiị ụ ị ụ ố ểu như thoại, d li u và các d ch v ữ ệ ị ụkhác Nó cho phép chuy n giao gi a các m ng vô tuy n trong khu v c c c b và có th ể ữ ạ ế ự ụ ộ ể

kết nối với hệ thống qu ng bá video s ả ố

❖ Nhược điểm c a h thủ ệ ống thông tin di động 4G:

- Yêu cầu thi t b ế ị tương thích để có th k t n i v i m ng 4G ể ế ố ớ ạ

- Thiế ị di động tiêu hao năng lượng hơn.t b

- Yêu cầu thành ph n h th ng ph c t p ầ ệ ố ứ ạ

- Chi phí dịch v và giá thành thi t b ụ ế ị tương đối cao

1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ năm – 5G

1.3.1 Các yêu cầu đối với hệ thống thông tin di động 5G

Để đả m b o cho s phát tri n liên t c c a h thả ự ể ụ ủ ệ ống thông tin di động, vào tháng

2 năm 2013, ba tổ ch c c a Trung Qu c là: B Công nghi p và Công ngh Thông tin ứ ủ ố ộ ệ ệMIIT, Ủy ban Phát tri n và C i cách Qu c gia NDRC và B Khoa h c và Công ngh ể ả ố ộ ọ ệMOST đã cùng nhau hợp tác thành lập nhóm “IMT 2020 (5G) Promotion” dự- a trên

n n t ng cề ả ủa nhóm “IMT Advanced Promotion” nhằm hướng đế- n vi c xây d ng và ệ ựphát tri n h ể ệthống thông tin di động th h ế ệthứ 5 (5G)

Theo IMT 2020, hệ ố th ng 5G phải đáp ứng được những tiêu chí sau:

- Tốc độ d ữliệu cao hơn hệ thống hi n tệ ại từ 10 đến 100 l n ầ

- Độ ễ ần như bằ tr g ng 0

Hình 1.2 - Khối kh ả năng của h thệ ống 5G trong tương lai.

- Đáp ứng ph c v ụ ụ đượ ố ợc s lư ng l n thi t b (hàng tri u thi t b trên 1 kmớ ế ị ệ ế ị 2)

- Đáp ứng được Thông lượng cao hơn, khoảng vài ch c Tbps/kmụ 2

- Đảm b o k t n i liên t c v i các thi t b di chuy n v i tả ế ố ụ ớ ế ị ể ớ ốc độ ự c c nhanh, lên

tới hơn 500 km/h

- Nâng cao hiệu qu s d ng ph lên t ả ử ụ ổ ừ 5 đến 15 l n ầ

- Giảm chi phí tiêu hao trên m i bit d li u kho ng 100 l n ỗ ữ ệ ả ầ

- Nâng cao hiệu qu s dả ử ụng năng lượng lên hơn 100 lần

Để làm được điều này, c n ph i có nh ng n n t ng k thu t mầ ả ữ ề ả ỹ ậ ới để nâng c p quá ấtrình xử lý và truy n d ệề ữli u c a hệ ống di độủ th ng hiện nay Đã có nhiều k ỹthuật được

đề xu t, ví d ấ ụ như:

- Công nghệ truy n d n không dây: ề ẫ

o Massive MIMO

o Đa truy nhập: NOMA, BDMA…

o Nâng cao kỹ thuật đa sóng mang: FBMC, UBMC…

o Các k ỹthuật điều ch và mã hóa tiên ti n: WAN, tiế ế ền mã hóa…

Bả ng 1 – ổ.1 T ng quan h ệ thống thông tin di động

100Mbps-T ốc độ mong muốn 10Gbps

Chu n công ẩ

ngh ệ

AMPS, TACS

GSM, CDMA, EDGE, GPRS

UMTS, CDMA2000, HSPDA, EVDO

LTE Advanced, WiMax

Unified IP and seamless combination of broadband (WWWW)

Chuyển

mạch Circuit

Circuit, Packet Packet All packet All packet

M ng lõi ạ PSTN PSTN M ng gói ạ Internet Internet

D ch v ị ụ G i tho i ọ ạ

Thoại kĩ thu s , tin ật ố

nh n kí t , ắ ự

s c ch a d ứ ứ ữ liệu gói tin cao hơn

Tích h p v ợ ới

d ch v tho i, ị ụ ạ video và d ữ

li ệ u ch ấ t lượ ng cao

Khả năng

k t n i d ế ố ữ liệu năng

độ ng, các thi t b có ế ị thể đeo đượ c

Khả năng kế t

n i thông tin ố cao, các thiết

b ị đeo đượ c và trí tu nhân ệ

t o ạ

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 (Device to Device 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

Hình 1.3 - ếKi n trúc h th ng 5G (Ngu n: METIS) ệ ố ồ

a Mạng truy nhập vô tuyến đám mây C -RAN

C-RAN là m t kiộ ến trúc được đề xu t cho các mấ ạng di động trong tương lai Nó

lần đầu tiên được gi i thi u b i Vi n nghiên c u di ng Trung Qu c (China Mobile ớ ệ ở ệ ứ độ ốResearch Institute) vào tháng 4 năm 2010 tại B c Kinh, Trung Qu c M t cách d hi u, ắ ố ộ ễ ểC-RAN là m t ki n trúc m ng truy c p vô tuyộ ế ạ ậ ến được xây d ng dự ựa trên điện toán đám mây để ỗ ợ h tr cho 2G, 3G, 4G và các chu n truy n thông khôẩ ề ng dây khác trong tương lai

Kiến trúc m ng truy c p vô tuyạ ậ ến thông thường được xây d ng d a trên các trự ự ạm thu phát g c BTS (Base Tranceiver Station) M i tr m BTS s qu n lý m t khu vố ỗ ạ ẽ ả ộ ực

nh , và m t nhóm BTS s m b o ph sóng liên t c trong m t khu vỏ ộ ẽ đả ả ủ ụ ộ ực Do h n ch v ạ ế ềtài nguyên ph , các nhà cung cổ ấp mạng đã “tái sử ụng” các tầ ố ữ d n s gi a các BTS khác nhau, vì v y gây ra hiậ ện tượng can nhi u gi a các Cell lân c n Bên cễ ữ ậ ạnh đó, kiến trúc này còn có nhiều nhược điểm khác như:

- Việc xây dựng và v n hành các tr m BTS khá t n kém ậ ạ ố

- Khó nâng cao dung lượng h thệ ống: khi đưa thêm nhiều BTS vào h thống để ệgia tăng dung lượng, s can nhi u gi a các BTS còn nghiêm trự ễ ữ ọng hơn trường hợp “tái

s dử ụng” tần s ố

- Khả năng xử lý c a m i BTS không th ủ ỗ ểchia sẽ cho các BTS khác, vì v y mà ậBTS ch ỉ đáp ứng được kh ả năng xử lý lưu lượng tối đa chứ không đáp ứng được kh ảnăng xử lý lưu lượng trung bình c a h th ng, dủ ệ ố ẫn đến vi c lãng phí tài nguyên x lý ệ ử

và năng lượng trong th i gian r i c a các BTS ờ ỗ ủ

Tuy nhiên, h ệ thống BTS trong C-RAN l i khác Các BTS trong C-RAN là s ạ ự

áp d ng nh ng k ụ ữ ỹthuật tiên ti n trong h ế ệthống thông tin không dây, thông tin quang

và công ngh ệ thông tin như: sử ụ d ng lo i Anten thông minh m i, các công ngh ạ ớ ệ điều chế, ghép kênh đạt hi u qu cao, s d ng sóng milimet trong quá trình truy n dệ ả ử ụ ề ẫn… BTS trong C-RAN còn t n dậ ụng được nề ản t ng m và công ngh o hóa th i gian thở ệ ả ờ ực

của điện toán đám mây để đạt được kh ả năng phân bổ tài nguyên một cách linh động

h không nh cho các nhà cung cỗtrợ ỏ ấp, các môi trường đa công nghệ

Hình 1.4 - S ự thay đổ ừi t RAN sang C-RAN

b ỏ được suy hao xuyên qua (penetration loss) xe c , lo i suy hao mà ộ ạ ảnh hưởng tương

đố ớn đếi l n quá trình giao ti p c a h thế ủ ệ ống Hơn nữa, các điểm MRN có th khai thác ể

t t các công ngh Anten thông minh ố ệ cũng như phương thức x lý tín hi u tiên ti n khác ử ệ ế

nhau, vì chúng ít b h n ch v ị ạ ế ề kích thước và năng lượng so v i các thi t b ớ ế ị ngườ ửi s

dụng thường xuyên k t nế ối với các trạm gốc vĩ mô

Hình 1.5 - M ng di chuy n MN ạ ể

Các MRN cũng có khả năng được s dử ụng để ph c v ụ ụ người dùng bên ngoài phương tiện di chuyển, do đó nó cũng có thể ở tr thành m t tr m g c nh có kh ộ ạ ố ỏ ả năng

di chuy n trong m ng Vì vể ạ ậy, phương tiện di chuy n và h ể ệ thống giao thông s ẽ đóng

m t vai trò quan tr ng trong mộ ọ ạng di động không dây trong tương lai Những phương

tiện này s cung cẽ ấp thêm dung lượng thông tin và m r ng vùng ph c a h ống ở ộ ủ ủ ệ thtruyền thông di động

Tuy nhiên, vi c triệ ển khai các MRN cũng gặp không ít những khó khăn như phải

có h ệthống đường tr c hi u qu , yêu c u công ngh phân b tài nguyên và qu n lý can ụ ệ ả ầ ệ ố ảthiệp ph c tứ ạp, phải có phương thức quản lý di động thích h p… ợ

c Truyền thông D2D

M ng cạ ực kì dày đặc UDN (Ultra-Dense Network) không ch xu t hi n khi mà ỉ ấ ệ

s ố lượng ngườ ử ụi s d ng mạng thông tin tăng lên, các liên kết ng n l i mà còn xu t hi n ắ ạ ấ ệkhi có quá nhi u c u trúc liên kề ấ ết được phát tri n (ch ng hể ẳ ạn như tín hiệu đến t các dừ ải quang ph khác nhau) M ng UDN cho kh ổ ạ ả năng cung cấp dung lượng nhiều hơn trong

nh ng khu v c có s ữ ự ố lượng lớn ngườ ử ụi s d ng truy nh p mậ ạng như ở các s ki n th ự ệ ểthao lớn, sân bay, trường h c, các trung tâm, nhọ ững nơi mà sự ấ m t mác thông tin do b ị

h p th bấ ụ ởi chướng ng i v t là r t l n S ạ ậ ấ ớ ự ra đờ ủa UDN đã làm giảm đi vai trò của i c

h ệthống Cell truy n th ng, các thi t b c m tay trong các khu v c lân c n nhau có th ề ố ế ị ầ ở ự ậ ểgiao ti p v i nhau thông qua truy n thông D2D (Divive- -Divice Communication) ế ớ ề to

Hình 1.6 - M ng c c k ạ ự ỳ dày đặc UDN

Truyền thông D2D là m t cách r t hi u qu ộ ấ ệ ả để nâng cao dung lượng h thống và ệ

hi u qu ph vì các thi t b có th c ti p giao ti p v i nhau b ng cách chia s ngu n ệ ả ổ ế ị ểtrự ế ế ớ ằ ẽ ồtài nguyên t n s c a m ng Bên cầ ố ủ ạ ạnh đó, các DUE (D2D UE –thiế ị ngườ ử ụt b i s d ng dùng truy n thông D2D) có th ề ểthực hi n quá trình chuy n ti p truy n dệ ể ế ề ẫn để t o ra liên ạ

k t truy n thông nhiế ề ều bước (multi-hop) Kh ả năng này đã cho phép cải thi n và m ệ ở

r ng ph m vi bao ph c a truy n thông D2D Lộ ạ ủ ủ ề ợi ích đạt được c a truy n thông D2D ủ ề

ph ụthuộc vào s ố lượng các c p DUE s n sànặ ẵ g cho các trường h p ợ ứng d ng khác nhau ụ

Trong mạng 5G, nơi mà số lượng thi t b thông minh tham gia vào m ng thông ế ị ạtin tăng lên rất nhi u, truy n thông D2D s ề ề ẽ 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:

❖ Phát hi n tr c ti p (Direct Discovery):ệ ự ế Thiế ị ngườ ử ụt b i s d ng c n ph i xác ầ ảđịnh được nh ng thi t b ữ ế ị “hàng xóm” trước khi th c hi n truy n thông Vì th , vi c phát ự ệ ề ế ệ

hi n thi t b và phát hi n d ch v là 2 vệ ế ị ệ ị ụ ấn đề quan tr ng trong truy n thông D2D Phát ọ ề

hi n tr c ti p s có 2 ch ệ ự ế ẽ ế độ: ch ế độ A (“Tôi ở đây”) và chế độ B (“Ai đang ở đấy?”/”Bạn

có ở đấy không?”) Trong chế độ A, các UE “đượ c phát hiện” sẽ thông báo s t n t i ự ồ ạ

c a nó v i m t s thông tin v b n thân (có kh ủ ớ ộ ố ề ả ả năng đáp ứng được gì?), các UE “đi phát hiện” sẽ đọ c và x lý thông tin ch khi nó quan tâm Trong ch ử ỉ ế độ B, các UE “đi phát kiện” sẽ ử g i yêu c u kầ ết nối với m t sộ ố thông tin c a bảủ n thân (cần được đáp ứng

vấn đề gì?), các UE “được phát hiện” sẽ l i n u nó có kh trả ờ ế ả năng đáp ứng nhu c u ầQuá trình này yêu c u các thi t b u cu i ph i báo cáo thông tin v ầ ế ị đầ ố ả ị trí trước khi thực

hiện quá trình “phát hiện”, việc này làm tăng độ và tính phtrễ ức tạp của hệ thống

❖ Quả n lý can thi p: ệ Việc chia s tài nguyên trong truy n thẽ ề ông D2D cũng gây

ra sự can thi p gi a các UE vệ ữ ới nhau Các trường h p can thi p lợ ệ ẫn nhau được thể ệ hi n

ở Hình 2.5 Có th th y r ng, các c p D2D ph i gi m t kho ng cách nhể ấ ằ ặ ả ữ ộ ả ất định so v i ớtrạm gốc BS và các UE đơn khác để tránh s can thi p l n nhau Chính vì v y mà vi c ự ệ ẫ ậ ệ

qu n lý can thi p là r t quan tr ng trong truy n thông D2D Qu n lý can thi p bao gả ệ ấ ọ ề ả ệ ồm

lựa chọn ch , phân b ế độ ố tài nguyên và điều khi n công su ể ất

• Quản lý can thi p có th hoệ ể ạt động 3 ch : ch tái s d ng, ch ở ế độ ế độ ử ụ ế độtrưng dụng và ch Cell ế độ

- Chế độ tái s d ng: các thi t b ử ụ ế ị truyền thông D2D (DUE D2D User –Equipment) chia sẽ chung ngu n tài nguyên t n s c a mồ ầ ố ủ ạng, điều này s ẽ tăng hiệu qu ả

ph ổ nhưng gây một ít vấn đề ề v can thi p ệ

- Chế độ trưng dụ ng: các DUE s s d ng m t ph n tài nguyên có s n c a các ẽ ử ụ ộ ầ ẵ ủ

UE đơn (không tham gia vào D2D), điều này s h n ch ẽ ạ ế được s can thi p gi a DUE ự ệ ữ

và các UE đơn nhưng lại tăng khả năng can thiệp gi a các DUE v i nhau ữ ớ

Hình 1.7 - Các trường h p can thiợ ệ p lẫn nhau trong truy n thông D2D ề

- Chế độ Cell: c p DUE thặ ực hiện truy n thông v i các thi t b khác thông qua ề ớ ế ị

BS như các thiế ịt b trong h th ng Cell truy n th ng ệ ố ề ố

❖ Truyề n thông tr c ti p: Làm sao có th t n dự ế ể ậ ụng được m t cách linh ho t và ộ ạtriệt để ngu n tài nguyên t n s trong h ồ ầ ố ệthống 5G để thiết k ế được liên k t truy n thông ế ềtrực ti p D2D v n là m t vế ẫ ộ ấn đề ần quan tâm Đã có nhiều đề c xu t v các công ngh ấ ề ệ

đa sóng mang như FBMC, UFMC,…, tấ ả đều đượt c c d ự đoán là có khả năng đáp ứng

tốt được yêu cầu này

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 Chúng có thể được lắp ráp trong những vật liệu trung tâm cho điện từ và quang 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)

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)

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

Hình 1.9 - Điện thoại Nano “trong suốt”.

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 1.10 - Morph –Khái niệm công ngh ệ 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

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

Hình 1.11 - C m bi n Nano ả ế

Công nghệ Nano trong mạng lõi Nano

Một cách rõ ràng, hệ thông 5G yêu cầu tốc độ dữ liệu cao và cung cấp một lưu lượng đáng tin cậy để có thể thao tác những công việc khổng lồ chỉ như làm việc với một đối tượng duy nhất mà vẫn đảm bảo được những vấn đề về an ninh mạng Các mạng lõi hiện nay (LTE, WiMAX) vẫn chưa thể đáp ứng được yêu cầu này, nhưng mạng lõi Nano sử dụng công nghệ Nano thì hoàn toàn có thể

Để tạo được một nền tảng vững chắc nhằm hỗ trợ cho các yếu tố cần thiết trong mạng lõi Nano, cần xây dựng được hệ thống phần cứng và phần mềm trong cơ sở hạ tầng mạng đảm bảo được hiệu suất, có tính linh hoạt và khả năng mở rộng Ta có thể sử dụng hệ thống Xử lý tín hiệu số DSP để đám ứng những yêu cầu này Hệ thống sẽ đảm nhận nhiệm vụ biến đổi và chuyển mã cho các thiết bị, trong khi bộ vi xử lý máy tính với hiệu suất cao nhất sẽ làm nhiệm vụ điều khiển và báo hiệu

Một yêu cầu khác được đặt ra đó là phải kết hợp được những chức năng trên với

hệ thống mạng có khả năng sẵn sàng đáp ứng dịch vụ cao, và Kiến trúc Điện toán Viễn

thông Nâng cao ATCA (Advanced Telecommunications Computing Architecture) có

thể xem là giải pháp tối ưu để thực hiện yêu cầu này ATCA cho phép thiết lập hệ thống kết nối cũng như cơ sở hạ tầng riêng biệt để hỗ trợ cho những card DSP mật độ cao

Hiện nay, công nghệ Nano đã được ứng dụng trong việc chế tạo DSP Hơn nữa, Công nghệ Nano sẽ mở đầu cho giai đoạn DSP được thiết kế có khả năng tăng tốc độ cũng như hiệu suất làm việc của toàn hệ thống

Tính toán lượng tử

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 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

Mặc dù chỉ tồn tại ở mặt lý thuyết nhưng máy tính lượng tử được xem là một giải pháp để lưu trữ nhiều trạng thái dữ liệu trên máy tính tại cùng một thời điểm Máy tính lượng tử là một thiết bị tính toán sử dụng những lý thuyết về tính toán lượng tử để thực hiện các phép toán trên dữ liệu đưa vào

Tính toán lượng tử sử dụng các qubit (bit lượng tử) để mã hóa trạng thái dữ liệu, đặc biệt, các qubit có thể ở trong trạng thái chồng chập lượng tử Điều này xảy ra khi một hệ lượng tử có cùng lúc nhiều giá trị có thể đo được cho một tính chất vật lý, tức là qubit có thể lưu trữ cùng lúc hai trạng thái 0 và 1 tại cùng một thời điểm (nếu dữ liệu được mã hóa về dạng nhị phân) Máy tính hiện nay có thể thực hiện tính toán 64 bits dữ liệu tại một thời điểm, nếu nó là một máy tính lượng tử, con số này sẽ tăng lên gấp khoảng 264lần

Hình 1.12 - Qubit

Mở rộng khả năng lưu trữ

Một trong những yêu cầu chính của mạng lõi Nano đó là khả năng lưu trữ số lượng lớn dữ liệu Các thiết bị hiện đại ngày càng cần một bộ nhớ lớn, nhưng với công nghệ hiện tại, rất khó đề đáp ứng điều này, khi đó, công nghệ nano chính là giải pháp Bằng việc sử dụng các Chấm lượng tử Nano (Nanodot), bộ nhớ của các thiết bị có thể được mở rộng một cách đáng kể

Chấm lượng tử Nano là một tinh thể nano được làm từ vật liệu chất bán dẫn mà kích thước của nó đủ nhỏ để làm xuất hiện các đặc tính cơ học lượng tử Chấm lượng

tử có dạng hình cầu, bao dồm hàng trăm nguyên tử bán dẫn và chúng có thể được tích

từ tính, điều này cho phép chúng có thể lưu trữ dữ liệu ở trạng thái nhị phân (0 hoặc 1) Trong hệ thống ổ cứng hiện tại, các thiết bị lưu trữ bit thông tin phải được đặt đủ xa nhau đề tránh sự can thiệp lẫn nhau Tuy nhiên đối với chấm lượng tử Nano thì khác, chấm lượng tử nano thực hiện các hoạt động tính toán mà không theo bất kì cấu trúc liên kết nào, chính vì vậy mà chúng có thể được sắp xếp gần nhau hơn Với ưu điểm này, chúng ta có thể xây dụng được bộ nhớ lên tới 5 TB dữ liệu chỉ trong khoảng không gian kích thước của một con tem

Hình 1.13 - Nanodot

Chấm lượng tử Nano có thể được sử dụng cho các Thiết bị Nano cũng như cho

hệ thống mạng lõi Nano, và chúng cũng có thể trở thành các hạt qubit trong tương lai

Nâng cao cơ chế bảo mật

Khi mạng 5G được triển khai, mạng lõi Nano trở thành một máy chủ toàn cầu, nơi mà người dùng có thể truy cập bất cứ ứng dụng thời gian thực nào họ muốn, đó chính là lúc mà vấn đề an ninh mạng được đặt lên hàng đầu Được xem là hệ mã an toàn nhất cho đến thời điểm hiện tại, mật mã lượng tử (Quantum Cryptography) có thể xem

là một giải pháp lý tưởng cho vấn đề an ninh mạng của hệ thống 5G

Hình1.14 - Mật mã lượ ng tử Mật mã lượng tử là một ngành khoa học nghiên cứu về bảo mật thông tin dựa trên các tính chất của vật lý lượng tử Trong khi mật mã truyền thống khai thác chủ yếu các kết quả toán học của ngành độ phức tạp tính toán nhằm vô hiệu hoá kẻ tấn công thì mật mã lượng tử khai thác chính bản chất vật lý của các đối tượng mang thông tin mà

ở đây là các trạng thái lượng tử, ví dụ như các photon ánh sáng Mật mã lượng tử cho phép bảo mật thông tin truyền đi bằng truyền thông quang (FSO - Free Space Optical Communications) Nó cho phép thông tin được bảo mật "tuyệt đối", không phụ thuộc vào độ mạnh của máy tính, độ tối tân của dụng cụ hay sự xảo quyệt của kẻ tấn công Sự bảo mật của mật mã lượng tử bắt nguồn từ những quy luật không thể phá bỏ của tự nhiên, do đó nó được xem như là một sự bảo vệ mạnh mẽ nhất có thể cho dữ liệu cho đến hiện nay

Quá trình truyền chìa khóa lượng tử sử dụng cơ học lượng tử để đảm bảo an toàn thông tin Nó cho phép hai bên tham gia trong quá trình truyền tin tạo ra một chìa khóa

bí mật ngẫu nhiên chỉ mình họ biết Những chìa khóa này tạo nên từ các trạng thái lượng

tử, những photon truyền đi được đặt trong một trạng thái riêng biệt bởi người gửi và được quan sát, đối chiếu bởi người nhận Dựa vào những thỏa thuận trước về hệ quan sát, trạng thái lượng tử mà người gửi và người nhận có thể đảm bảo được an toàn thông tin trong qua trình trao đổi Trường hợp có xâm phạm, người hai bên sẽ dễ dàng nhận

biết được nhờ vào sự thay đổi trạng thái lượng tử, qua đó có thể dừng quá trình trao đổi hoặc thực hiện các biện pháp ngăn chặn xâm phạm

Tuy nhiên, việc sử dụng mật mã lượng tử có những yêu cầu nhất định về độ phức tạp của thiết bị để có thể phát và nhận dạng các trạng thái lượng tử Vì vậy, việc đưa mật mã lượng tử vào hệ thống 5G như một phương pháp bảo mật cơ bản cho mọi người

là một vấn đề cần phải giải quyết

b Điện toán đám mây

Điện toán đám mây (Cloud Computing), còn gọi là điện toán máy chủ ảo, là mô hình điện toán sử dụng các công nghệ máy tính và phát triển dựa vào mạng Internet nhằm cung cấp dữ liệu và các ứng dụng cho người sử dụng Thuật ngữ "đám mây" ở đây là lối nói ẩn dụ chỉ mạng ternet In (dựa vào cách được bố trí của nó trong sơ đồ mạng máy tính) và như một liên tưởng về độ phức tạp của các cơ sở hạ tầng chứa trong

nó Điện toán đám mây cho phép người sử dụng và các doanh nghiệp có thể sử dụng các ứng dụng mà không cần cài đặt và truy cập các thông tin cá nhân trên bất kỳ máy tính nào được kết nối Internet

Đại bộ phận cơ sở hạ tầng của điện toán đám mây hiện nay là sự kết hợp của những dịch vụ đáng tin cậy được phân phối thông qua các trung tâm dữ liệu được xây dựng trên những máy chủ với những cấp độ khác nhau của các công nghệ ảo hóa Những dịch vụ này có thể được truy cập từ bất kỳ đâu trên thế giới, trong đó “Đám mây” là một điểm truy cập duy nhất cho tất cả các máy tính có nhu cầu Các dịch vụ thương mại cần đáp ứng yêu cầu chất lượng dịch vụ từ phía khách hàng và thông thường đều đưa

ra các mức thỏa thuận dịch vụ, Các tiêu chuẩn mở và phần mềm mã nguồn mở cũng góp phần phát triển điện toán máy chủ ảo

Mô hình điện toán đám mây đem lại những lợi ích cơ bản sau:

- S d ng các ử ụ tài nguyên tính toán động: Các tài nguyên được c p phát cho ấdoanh nghiệp đúng như những gì doanh nghi p mu n m t cách t c th i Thay vì việ ố ộ ứ ờ ệc doanh nghi p ph i tính toán xem có nên m r ng hay không, phệ ả ở ộ ải đầu tư bao nhiêu máy chủ thì nay doanh nghi p ch c n yêu cệ ỉ ầ ầu và “Đám mây” sẽ ự t tìm ki m tài nguyên r i ế ỗ

để cung c p ấ

Hình 1.15 - Điện toán đám mây.

- Giảm chi phí: Doanh nghi p s có kh ệ ẽ ả năng cắt giảm chi phí để mua bán, cài

đặt và b o trì tài nguyên Rõ ràng thay vì viả ệc phả ử ột chuyên gia đi mua máy chủ, i c mcài đặt máy ch , b o trì máy ch thì nay b n ch ng c n ph i làm gì ngoài viủ ả ủ ạ ẳ ầ ả ệc xác định chính xác tài nguyên mình cần và yêu c u ầ

- Giảm độ ph c t p ứ ạ trong cơ cấu c a doanh nghi p: ủ ệ Giảm chi phí lắp đặt, vận hành và bảo trì máy chủ, đơn giản hóa quá trình sản xuất nhưng vẫn đảm bảo về chất lượng

- Tăng khả năng sử d ng tài nguyên tính toán: M t trong nh ng câu hụ ộ ữ ỏi đau đầu

c a viủ ệc đầu tư tài nguyên (ví dụ máy ch ) là bao lâu thì nó s h t khủ ẽ ế ấu hao, đầu tư như

thế có lãi hay không, có b outdate v công ngh hay không Mị ề ệ ọi vấn đề này u không đềphải quan tâm nữa khi sử dụng tài nguyên của mô hình Điện toán đám mây

Các nhà cung cấp dịch vụ điện toán đám mây cung cấp các dịch vụ theo ba mô hình cơ bản:

- Cơ sở hạ tầng như một dịch vụ (IaaS - Infrastructure as a Service)

- Nền tảng như một dịch vụ (PaaS - Platform as a Service)

- Phần mềm như một dịch vụ (SaaS - Software as a Service)

Trong đó IaaS là cơ bản nhất và mỗi mô hình cao hơn tóm tắt từ các chi tiết của những mô hình thấp hơn Trong năm 2012, mạng lưới như một dịch vụ (NaaS) và giao tiếp như một dịch vụ (CaaS) đã chính thức thêm vào bởi Hiệp hội viễn thông quốc tế (International Telecommunication Union) như là một phần của các mô hình điện toán đám mây cơ bản