Giao tiếp gói ngắn (Short Packet Communication SPC) đã đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ các kịch bản ứng dụng trong mạng di động thế hệ 5G, bao gồm Enhanced Mobile Broadband (EMBB), Massive Machine Type Communications (mMTC) và ultraReliable and Low Latency Communications (uRLLC). Những kịch bản này được giới thiệu nhằm đáp ứng yêu cầu giao tiếp đa dạng của các ứng dụng tiềm năng như Internet of Vehicles và Industrial Internet of Things (IoT). Tuy nhiên, sự tăng trưởng mạnh mẽ về dữ liệu riêng tư trong các ứng dụng IoT khác nhau đã đặt vấn đề về bảo mật lên hàng đầu. Điều đó mở đầu cho sự phát triển của 6G do đó bài viết này khám phá các khía cạnh khác nhau của SPC, bao gồm các trường hợp sử dụng tiềm năng, yêu cầu kỹ thuật và thách thức liên quan đến quản lý và truyền thông gói dữ liệu ngắn nhằm đáp ứng nhu cầu bảo mật ngày càng cao trong môi trường 6G. Kết quả của nghiên cứu này nhằm đóng góp vào việc xây dựng một nền tảng vững chắc cho SPC trong mạng di động 6G, tạo ra giao tiếp an toàn và đáng tin cậy trong các ứng dụng IoT và đảm bảo bảo mật dữ liệu riêng tư trong môi trường ngày càng kết nối.
Trang 1SHORTS PACKET COMMUNICATION IN 6G
1st PHẠM NGỌC THÀNH
School of Electrical-Electronics Hanoi University of Science and Technology
HÀ NỘI, VIỆT NAM thanh.pn198151@sis.hust,edu.vn
2nd NGUYỄN HOÀNG LY
School of Electrical-Electronics Hanoi University of Science and Technology
BẮC GIANG, VIỆT NAM ly.nh198138@sis.hust.edu.vn
Abstract—Giao tiếp gói ngắn (Short Packet Communication
- SPC) đã đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ các
kịch bản ứng dụng trong mạng di động thế hệ 5G, bao gồm
Enhanced Mobile Broadband (EMBB), Massive Machine Type
Communications (mMTC) và ultra-Reliable and Low Latency
Communications (uRLLC) Những kịch bản này được giới thiệu
nhằm đáp ứng yêu cầu giao tiếp đa dạng của các ứng dụng tiềm
năng như Internet of Vehicles và Industrial Internet of Things
(IoT) Tuy nhiên, sự tăng trưởng mạnh mẽ về dữ liệu riêng tư
trong các ứng dụng IoT khác nhau đã đặt vấn đề về bảo mật
lên hàng đầu Điều đó mở đầu cho sự phát triển của 6G do đó
bài viết này khám phá các khía cạnh khác nhau của SPC, bao
gồm các trường hợp sử dụng tiềm năng, yêu cầu kỹ thuật và
thách thức liên quan đến quản lý và truyền thông gói dữ liệu
ngắn nhằm đáp ứng nhu cầu bảo mật ngày càng cao trong môi
trường 6G Kết quả của nghiên cứu này nhằm đóng góp vào việc
xây dựng một nền tảng vững chắc cho SPC trong mạng di động
6G, tạo ra giao tiếp an toàn và đáng tin cậy trong các ứng dụng
IoT và đảm bảo bảo mật dữ liệu riêng tư trong môi trường ngày
càng kết nối.
I INTRODUCTION
Sự tiến hóa liên tục của các công nghệ truyền thông di động
đã đưa đến những cải tiến đáng kể trong lĩnh vực này, từ công
nghệ không dây analog thế hệ đầu tiên đến các mạng 5G hiện
tại Khi chúng ta tiến tới thế hệ tiếp theo của truyền thông
di động, thông thường được gọi là 6G, ngày càng có nhu cầu
ngày càng lớn để giải quyết những thách thức đặc biệt do
yêu cầu ngày càng cao của các ứng dụng hiện đại Một trong
những thách thức chính trong thời đại 6G là việc xử lý hiệu
quả Truyền thông Gói ngắn (Short Packet Communication
-SPC) Với sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị Internet
of Things (IoT) và các ứng dụng thời gian thực như tự động
hóa công nghiệp, xe tự lái và thực tế tăng cường, SPC đã trở
thành một yếu tố quan trọng trong thiết kế và tối ưu hóa các
mạng di động trong tương lai SPC liên quan đến việc truyền
gửi các gói dữ liệu nhỏ với yêu cầu nghiêm ngặt về độ trễ
thấp, độ tin cậy cao và tận dụng tài nguyên hiệu quả Những
gói tin này thường chứa thông tin quan trọng phải được chuyển
giao kịp thời mà không làm tổn hại đến tính toàn vẹn dữ liệu
Những yêu cầu như vậy mang đến những thách thức mới so
với việc truyền dữ liệu truyền thống trong các thế hệ mạng di
động trước đây Trong bối cảnh này, nghiên cứu và phát triển
SPC cho các mạng 6G là rất quan trọng Đáp ứng các yêu cầu
cụ thể của SPC sẽ mở ra cơ hội khai thác đầy đủ tiềm năng
của các ứng dụng tương lai phụ thuộc vào truyền thông đáng tin cậy và độ trễ thấp Bài báo này nhằm khám phá các khía cạnh khác nhau của Truyền thông Gói ngắn trong bối cảnh các mạng 6G Nó sẽ đi vào các trường hợp sử dụng tiềm năng, yêu cầu kỹ thuật và những thách thức liên quan đến việc quản
lý và chuyển giao gói dữ liệu ngắn một cách hiệu quả Hơn nữa, bài báo sẽ đề xuất các hướng nghiên cứu và giải pháp tiềm năng để tận dụng những lợi thế của SPC trong khi đảm bảo tích hợp mạng 6G một cách mượt mà với các ứng dụng đa dạng Trong các phần tiếp theo, chúng ta sẽ đi sâu vào sự tiến hóa lịch sử của các mạng di động, các trường hợp sử dụng của SPC trong 6G, những thách thức đối mặt và các hướng nghiên cứu tiếp theo Các thông tin từ nghiên cứu này sẽ đóng góp vào việc hình thành tương lai của truyền thông di động
và thực hiện đầy đủ tầm nhìn 6G Khi cảnh quan công nghệ tiếp tục phát triển, việc xây dựng một nền tảng vững chắc cho SPC trong các mạng 6G là rất quan trọng để đáp ứng các nhu cầu đa dạng của thế giới kết nối kỹ thuật số
II SHORTSPACKETCOMMUNICATION
A Short Packet
Fig 1 Cấu Trúc Short Packet Communication
• Preamble (tiền đề): Preamble thường bao gồm một chuỗi
bit đặc biệt, được thiết kế để dễ dàng phát hiện và đồng
bộ hóa Độ dài của preamble có thể khác nhau tùy thuộc vào chuẩn truyền thông và yêu cầu của hệ thống Ví dụ,
độ dài có thể từ vài bit đến vài byte Preamble giúp người nhận xác định thời điểm bắt đầu của gói tin và đồng bộ hóa tần số giữa người gửi và người nhận
• Header (đầu): Header thường chứa các trường sau: Địa
chỉ nguồn (Source Address): Địa chỉ của người gửi gói tin, thường là một giá trị duy nhất trong mạng, có độ dài
từ 16 bit đến 64 bit Địa chỉ đích (Destination Address): Địa chỉ của người nhận gói tin, thường là một giá trị duy nhất trong mạng, có độ dài từ 16 bit đến 64 bit Loại gói tin (Type): Xác định mục đích của gói tin, thường là một giá trị 8 bit hoặc 16 bit Độ dài payload (Payload Length): Kích thước của phần dữ liệu trong gói tin, thường là một
Trang 2giá trị 8 bit hoặc 16 bit Độ dài của header phụ thuộc
vào số lượng trường thông tin và độ dài của từng trường
• Payload (phần dữ liệu): Độ dài của payload phụ thuộc
vào ứng dụng và nhu cầu truyền thông Payload có thể
chứa dữ liệu người dùng, thông tin điều khiển hoặc thông
tin bảo mật Đối với short packet, kích thước payload
thường nhỏ hơn so với gói tin thông thường, giúp giảm
độ trễ và tăng tốc độ truyền dữ liệu
• Error detection and correction (phát hiện và sửa
lỗi): Các kỹ thuật mã hoá như CRC (Cyclic Redundancy
Check) được sử dụng để phát hiện lỗi trong dữ liệu truyền
đi, trong khi FEC (Forward Error Correction) như LDPC
(Low-Density Parity-Check) hoặc Polar giúp người nhận
sửa chữa lỗi nếu cần Độ dài của thông tin về lỗi phụ
thuộc vào kỹ thuật mã hoá được sử dụng và độ dài của
dữ liệu cần bảo vệ
• Postamble (hậu đề): Postamble không phải luôn luôn có
mặt trong một short packet, nhưng nếu có, nó thường bao
gồm một chuỗi bit đặc biệt, tương tự như preamble Độ
dài của postamble có thể từ vài bit đến vài byte Postamble
giúp người nhận xác định thời điểm kết thúc của gói tin
B Nguyên lý hoạt động của short-packet communication
Tạo gói tin ngắn:
• Mã hóa nguồn (Source Coding): Trước khi tạo gói tin
ngắn, thông tin gốc cần được mã hóa bằng thuật toán
mã hóa nguồn Mục đích của mã hóa nguồn là nén dữ
liệu để giảm bớt băng thông cần thiết khi truyền thông
tin Các thuật toán mã hóa nguồn thường được sử dụng
trong SPC bao gồm: Mã Huffman, Mã Arithmetic và Mã
Run-Length
• Mã hóa kênh (Channel Coding): Sau khi mã hóa nguồn,
thông tin được mã hóa bằng thuật toán mã hóa kênh để
bảo vệ dữ liệu trước các lỗi truyền thông Các thuật toán
mã hóa kênh thường được sử dụng trong SPC bao gồm:
Mã Hamming, Mã Reed-Solomon và Mã LDPC
• Đóng gói: Sau khi mã hóa nguồn và mã hóa kênh, thông
tin được đóng gói thành gói tin ngắn, bao gồm header,
payload, và trailer (nếu có) Header chứa các thông tin
điều khiển, như địa chỉ nguồn, địa chỉ đích và kiểu dữ
liệu Payload chứa thông tin đã mã hóa Trailer chứa thông
tin kiểm tra lỗi của toàn bộ gói tin, như CRC
• Truyền gói tin ngắn: Gói tin ngắn được truyền qua kênh
không dây giữa các nút trong mạng SPC Kênh không dây
có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, chẳng hạn như suy
hao, đa đường và nhiễu Do đó, việc lựa chọn thuật toán
mã hóa kênh phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo độ
tin cậy của truyền thông Nhận và giải mã gói tin ngắn
• Giải mã kênh (Channel Decoding): Ở nút nhận, thuật
toán giải mã kênh tương ứng với thuật toán mã hóa kênh
được sử dụng để phát hiện và sửa các lỗi bit trong gói
tin ngắn
• Giải mã nguồn (Source Decoding): Sau khi giải mã
kênh, thuật toán giải mã nguồn tương ứng với thuật toán
mã hóa nguồn được sử dụng để giải nén thông tin gốc từ
payload của gói tin ngắn
• Kiểm tra lỗi và xử lý: Sau khi giải mã nguồn, thông tin
gốc được kiểm tra lỗi bằng cách sử dụng thông tin kiểm tra lỗi trong trailer (nếu có) và xử lý theo yêu cầu của ứng dụng
• Giao tiếp hai chiều và kiểm soát lỗi: Trong một số
trường hợp, nút nhận có thể gửi lại thông tin phản hồi đến nút gửi để xác nhận việc nhận gói tin ngắn thành công hoặc yêu cầu gửi lại nếu gói tin ngắn bị lỗi Điều này giúp nâng cao độ tin cậy của truyền thông, đặc biệt trong các mạng SPC yêu cầu độ trễthấp và độ tin cậy cao
C Các thuật toán mã hóa trong Short-packet Communi-cation
Trong Short Packet Communication, các thuật toán mã hóa chủ yếu tập trung vào mã hóa kênh (channel coding)
và mã hóa nguồn (source coding) Dưới đây là chi tiết về
một số thuật toán mã hóa phổ biến trong SPC: Mã hóa kênh (Channel Coding)
• Mã Hamming: Mã Hamming là một thuật toán mã hóa
kênh sửa lỗi một bit và phát hiện lỗi hai bit Mã Hamming thêm các bit kiểm tra lỗi vào dữ liệu gốc để tạo thành các từ mã Hamming Khi truyền thông xảy ra lỗi, mã Hamming có thể phát hiện và sửa lỗi một bit dựa vào các bit kiểm tra
• Mã Reed-Solomon: Mã Reed-Solomon (RS) là một dạng
mã hóa kênh thuộc lớp mã chữ (block codes) và được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống giao tiếp không dây, bao gồm SPC Mã RS có khả năng sửa lỗi tốt hơn mã Hamming và có thể sửa được nhiều lỗi bit trong một từ
mã Mã RS được sử dụng rộng rãi trong các tiêu chuẩn truyền thông như DVB-T, WiMAX và QR Code
• Mã gạch chéo Low-Desity Parity-Check (LDPC): Mã
LDPC là một dạng mã hóa kênh thuộc lớp mã chồng (convolutional codes) Mã LDPC có khả năng sửa lỗi cao hơn so với mã Hamming và mã RS Đặc biệt, mã LDPC
có hiệu suất gần với giới hạn thông tin Shannon, giúp tận dụng hiệu quả băng thông trong SPC Mã LDPC được sử dụng trong các tiêu chuẩn truyền thông như DVB-S2,
Wi-Fi 802.11n và 5G Mã hóa nguồn (Source Coding) Mã
hóa nguồn là quá trình nén dữ liệu trước khi truyền đi, giảm bớt băng thông cần thiết Các thuật toán mã hóa nguồn phổ biến cho SPC bao gồm:
• Mã Huffman: Mã Huffman là một phương pháp nén dữ
liệu không mất mát dựa trên tần suất xuất hiện của các
ký tự trong thông tin gốc Mã Huffman gán mã bit ngắn hơn cho các ký tự xuất hiện nhiều hơn và mã bit dài hơn cho các ký tự xuất hiện ít hơn Mã Huffman phù hợp cho SPC khi truyền thông tin có tính chất thống kê
• Mã Arithmetic: Mã Arithmetic cũng là một phương pháp
nén dữ liệu không mất mát, nhưng hiệu quả hơn mã Huffman Mã Arithmetic biểu diễn thông tin gốc dưới dạng một số thập phân trong khoảng [0, 1), dựa trên tần suất xuất hiện của các ký tự Mã Arithmetic phù hợp cho SPC khi truyền thông tin có tính chất thống kê và yêu cầu hiệu suất nén cao
Trang 3• Mã Run-Length: Mã Run-Length (RLE) là một phương
pháp nén dữ liệu không mất mát đơn giản dựa trên việc
mã hóa độ dài của chuỗi các ký tự giống nhau liên tiếp
RLE thích hợp cho SPC khi truyền thông tin có các chuỗi
giống nhau liên tiếp dài, chẳng hạn như dữ liệu ảnh đen
trắng
• Các thuật toán mã hóa trên đều có ưu và nhược điểm
riêng, tùy thuộc vào yêu cầu về hiệu năng và độ tin cậy
của SPC Trong thực tế, các hệ thống SPC thường kết
hợp nhiều thuật toán mã hóa kênh và nguồn để đạt được
hiệu suất và độ tin cậy mong muốn
D Truyền thông gói ngắn đáng tin cậy – Reliable
Short-packet Communication
Trong lý thuyết thông tin cổ điển, dung lượng (capacity)
thường được sử dụng để đo lường khả năng chứa đựng
dữ liệu, tức là tỷ lệ mã hóa tối đa mà một hệ thống IFB
(Infinte blocklength) có thể hỗ trợ để truyền tải không
gặp lỗi Tuy nhiên, trong chế độ độ dài khối hữu hạn
(finite blocklength - FB), lợi ích từ mã hóa kênh bị giảm
đáng kể và không đảm bảo được truyền tải không gặp lỗi
Short-packet Communication system (Short-packet CSs)
đối mặt với thách thức về độ tin cậy trong quá trình truyền
tải Trong thập kỷ qua, đã có sự quan tâm lớn trong việc
nghiên cứu sự mất mát công suất chứa dữ liệu do mã hóa
với FB, và các nghiên cứu về các short-packet CSs đáng
tin cậy đã có những tiến bộ đáng kể.Tỷ lệ mã hóa kênh
đạt được tối đa cho một độ dài khối N cho trước với sự
ràng buộc về xác suất lỗi giải mã - ϵ tại bộ nhận có thể
được ước tính như sau:
R∗(N, ϵ) = C −
r V
N ∗ Q−1(ϵ) (1) Trong đó: C – công suất của IFB-CS; V – phân tán kênh,
N chiều dài khối (số lượng sử dụng kênh); R∗(N, ϵ) - tốc
độ mã hóa kênh tối đa có thể đạt được Q−1 –nghịch đảo
hàm Gaussian Q Nếu Một hãng tử √1
N được đưa vào công thức (1) để mô tả sự mất mát hiệu suất do việc sử
dụng FB N tiến đến vô cùng thì giá trị của R∗(N, ϵ)
sẽ hội tụ về C [1]
Kết luận trên đã được sử dụng để phân tích hiệu năng
độ tin cậy của các FB-CS, chẳng hạn như việc chuyển
tiếp hai chiều và hệ thống truy nhập đa phần tử không
trực giao “non-orthogonal multiple access” (NOMA) Tuy
nhiên, cả hai công trình trên đều không xem xét hiệu năng
bảo mật [1]
E Bảo mật trong truyền thông gói ngắn – Secure
Short-packet Communications
Trong các IFB-CS, dung lượng bảo mật Cs, được định
nghĩa như sự khác biệt giữa công suất kênh chính Cb và
công suất kênh nghe lén Ce là đặc điểm cơ bản để đo
lường hiệu năng bảo mật Tuy nhiên, kết luận trên không
thể được áp dụng để đánh giá hiệu năng bảo mật của
các short-packet CSs Nghiên cứu mới nhất cho thấy khả
năng đạt được và giới hạn đối thoại về tỷ lệ giao tiếp bí
mật tối đa R (N, ϵ, δ) với độ dài khối cố định – N; xác suất lỗi giải mã – ϵ; rò rỉ thông tin - δ được biểu diễn như sau:
Cs − s V1 N
Q−1(ϵ) − s V2 N
Q−1(ϵ)<≈ R∗(N, ϵ, δ)<≈ Cs −
s V3 N
Q−1(ϵ + δ) (2)
Trong đó V1, V2, V3 là các hằng số phụ thuộc vào tỉ số SNR của kênh chính và kênh nghe lén được kí hiệu lần lượt là γb và γeTừ công thức (2) có thể thấy rằng độ tin cậy hoàn hảo và bảo mật hoàn hảo không thể được đảm bảo Từ công thức có thể thấy rằng độ tin cậy hoàn hảo
và bảo mật hoàn hảo không thể được đảm bảo [1]
Fig 2 Tỷ lệ bảo mật cho kênh nghe lén Gaussian tạiγ b = 10dB, γ e = 5dB, ϵ = δ = 10−3[1]
Như trong Fig 2, R∗(N, ϵ, δ) được biểu diễn theo N,, ở trong FB Từ các đường cong cho thấy và so sánh với trường hợp IFB, việc sử dụng FB dẫn đến sự mất mát liên quan đến N, giảm dần khi N tăng và giới hạn trên
và dưới của R∗(N, ϵ, δ) trùng với Cs khi N→∞ [1] III SHORT PCKET COMMUNICATION IN5G Short Packet Communication (SPC) là một công nghệ chủ chốt trong 5G và vượt ra ngoài 5G hỗ trợ hai kịch bản ứng dụng mới nổi: truyền thông loại máy khổng lồ (mMTC)
và truyền thông độ trễ thấp siêu đáng tin cậy (uRLLC) Những kịch bản này được giới thiệu để đáp ứng các yêu cầu truyền thông rộng hơn của các ứng dụng tiềm năng như internet của phương tiện và internet công nghiệp của vạn vật (IoT) Truyền thông gói ngắn đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng thời gian thực, nơi nhiều trao đổi dữ liệu có kích thước hạn chế Trong khi ưu tiên
độ trễ thấp, truyền thông gói ngắn gặp những thách thức đáng kể trong việc duy trì độ tin cậy siêu cao được yêu cầu bởi các ứng dụng thời gian thực 5G/6G
• Ultra -reliable low-latency communications (URLLC)
tập trung vào việc truyền dữ liệu với xác suất lỗi rất nhỏ
và độ trễ thấp, đòi hỏi các giao thức truyền thông hiệu quả với ít tài nguyên phụ
Trang 4A Ultra-reliable low-latency communications – URLLC
.Trong mạng lưới URLLC (Ultra-Reliable Low-Latency
Communications), short packet (gói tin ngắn) đóng vai
trò quan trọng trong việc giảm độ trễ và đảm bảo độ tin
cậy cao cho các ứng dụng yêu cầu tiêu chí này Các ứng
dụng URLLC bao gồm điều khiển từ xa, mạng cảm biến
công nghiệp, hệ thống giao thông thông minh và nhiều
ứng dụng khác trong lĩnh vực IoT và IIoT (Industrial IoT)
Vai trò của short packet trong URLLC:
• Cấu trúc gói tin ngắn: Trong các ứng dụng URLLC, dữ
liệu thường được truyền trong các gói tin ngắn có kích
thước nhỏ hơn so với gói tin thông thường Cấu trúc gói
tin ngắn được thiết kế đặc biệt để giảm độ trễ và tối ưu
hóa quá trình truyền dữ liệu Các thông tin điều khiển
và dữ liệu được mã hóa và đóng gói một cách hiệu quả,
giảm thiểu độ trễ xử lý và truyền dữ liệu
• Quá trình truyền dữ liệu gói tin ngắn: Short packet
được truyền thông qua các kênh vật lý (Physical
Chan-nels) và kênh truyền thông (Transport ChanChan-nels) được
tối ưu hóa cho độ trễ thấp Điều này bao gồm việc sử
dụng các cơ chế truyền dữ liệu như mini-slot, grant-free
transmission (truyền thông không cần cấp phép) và cơ
chế lặp lại nhanh chóng (fast retransmission) để đảm bảo
độ tin cậy
• Hỗ trợ truyền thông không đồng bộ: Khi sử dụng short
packet, các thiết bị trong mạng URLLC có thể truyền dữ
liệu mà không cần đồng bộ hóa với gNB (trạm cơ sở 5G)
hoặc các thiết bị khác Điều này giúp giảm độ trễ và tăng
khả năng chịu đựng độ trễ trong mạng
• Tối ưu hóa quá trình lập lịch và phân bổ tài nguyên:
Sử dụng short packet giúp tối ưu hóa quá trình lập lịch
truyền dữ liệu và phân bổ tài nguyên radio Hệ thống lập
lịch có thể dễ dàng phân bổ tài nguyên cho các thiết bị
IoT dựa trên yêu cầu truyền dữ liệu ngắn và độ trễ thấp
Điều này giúp cải thiện hiệu suất truyền thông và đảm
bảo độ tin cậy
• Tăng cường liên kết giữa các thiết bị: Sử dụng short
packet còn hỗ trợ kết nối D2D (Device-to-Device) giữa
các thiết bị trong mạng URLLC Kết nối D2D giúp giảm
độ trễ và tăng độ tin cậy của truyền thông, đồng thời
giảm tải trên gNB
• Hỗ trợ truyền thông đa điểm: Short packet cũng hỗ trợ
truyền thông đa điểm (Multicast) và nhóm (Groupcast)
Điều này cho phép truyền dữ liệu đến nhiều thiết bị đồng
thời, giúp tối ưu hóa quá trình truyền dữ liệu và đáp ứng
yêu cầu độ trễ thấp của các ứng dụng URLLC Tóm lại,
short packet đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo
độ tin cậy và độ trễ thấp của các ứng dụng URLLC
Chúng đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng yêu cầu truyền
dữ liệu ngắn, thường xuyên và với độ trễ thấp Các cơ
chế truyền dữ liệu được tối ưu hóa cho short packet, giúp
giảm độ trễ, tăng độ tin cậy và sử dụng hiệu quả hơn
các tài nguyên radio trong mạng lưới URLLC Các công
nghệ và kỹ thuật liên quan đến việc gửi và nhận gói
tin ngắn (short packet) trong URLLC trong mạng 5G
bao gồm:
• Mini-slot: 5G NR (New Radio) giới thiệu khái niệm
về mini-slot, giúp giảm độ trễ và tăng độ tin cậy của truyền thông URLLC Mỗi mini-slot chứa một số lượng nhỏ hơn các mẫu OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) so với TTI (Transmission Time Interval) tiêu chuẩn, cho phép truyền dữ liệu nhanh chóng và linh hoạt hơn
• Grant-free transmission: Trong truyền thông không cần
cấp phép (grant-free transmission), các thiết bị có thể gửi
dữ liệu mà không cần đợi sự phê duyệt từ gNB (trạm cơ
sở 5G), giảm độ trễ và tăng hiệu suất truyền thông Quy trình này thích hợp cho việc truyền dữ liệu gói tin ngắn trong các mạng URLLC
• Cơ chế lặp lại nhanh chóng (fast retransmission):
Trong trường hợp xảy ra lỗi truyền dữ liệu, cơ chế lặp lại nhanh chóng cho phép gửi lại gói tin ngắn một cách nhanh chóng để đảm bảo độ tin cậy Các thuật toán lặp lại thông minh giúp tối ưu hóa quá trình retransmission
• Kỹ thuật chống nhiễu đa truy nhập (multi-user interference cancellation): Các kỹ thuật chống nhiễu đa
truy nhập giúp giảm thiểu sự cạnh tranh tài nguyên giữa các thiết bị trong mạng URLLC Điều này đặc biệt quan trọng khi sử dụng gói tin ngắn và truyền thông không cần cấp phép
• Công nghệ MIMO (Multiple-Input Output):Công nghệ MIMO (Input
Multiple-Output): MIMO cho phép truyền dữ liệu đồng thời trên nhiều ăng-ten phát và nhận, tăng cường hiệu suất truyền thông và độ tin cậy trong mạng URLLC Công nghệ MIMO đặc biệt hữu ích trong việc truyền dữ liệu gói tin ngắn trong các môi trường khó khăn về điều kiện sóng
• Thông tin vị trí (location information): Việc sử dụng
thông tin vị trí giúp tối ưu hóa quy trình lập lịch truyền
dữ liệu và phân bổ tài nguyên radio cho các thiết bị trong mạng URLLC Điều này đặc biệt quan trọng khi truyền
dữ liệu gói tin ngắn, giúp giảm thiểu độ trễ và tăng độ tin cậy
Những công nghệ và kỹ thuật trên giúp tối ưu hóa việc gửi
và nhận gói tin ngắn trong mạng URLLC của 5G Bằng cách kết hợp các kỹ thuật này, có thể đáp ứng yêu cầu
độ trễ thấp và độ tin cậy cao của các ứng dụng URLLC, như điều khiển tức thì, mạng cảm biến công nghiệp, và giao thông thông minh
B Massive machine-type communication (mMTC)
Truyền thông gói ngắn là một công nghệ chủ chốt để hỗ trợ truyền thông loại máy khổng lồ (mMTC) trong 5G và vượt ra ngoài 5G mMTC là một trong hai kịch bản ứng dụng mới nổi được giới thiệu để đáp ứng các yêu cầu truyền thông rộng hơn của các ứng dụng tiềm năng như internet của phương tiện và internet công nghiệp của vạn vật (IoT) Trong mMTC, có rất nhiều thiết bị gửi dữ liệu nhỏ và thường xuyên đến trạm cơ sở để giám sát hệ thống Truyền thông gói ngắn cho phép truyền dữ liệu nhỏ một cách hiệu quả và đáng tin cậy trong môi trường có nhiều
Trang 5thiết bị Truyền thông loại máy lớn (mMTC) đã nhận được
sự chú ý rất lớn với sự phát triển của 5GB5G và được kỳ
vọng sẽ cung cấp khả năng truy cập lớn giữa các thiết
bị liên lạc loại máy (MTCD – Massive Machine Type
Communication Devices) mà không cần sự can thiệp của
con người [1–3] Theo dự đoán của Cisco, 3,9 tỷ MTCD
sẽ truy cập mạng vào năm 2022 và sẽ đóng vai trò quan
trọng trong một số lượng lớn ứng dụng, chẳng hạn như
tự động hóa công nghiệp, y tế thông minh, phát hiện
môi trường Packet ngắn (short packet) đóng vai trò quan
trọng trong mMTC, giúp giảm độ trễ và tốn kém trong
việc truyền dữ liệu giữa các thiết bị Cụ thể, các ưu điểm
của short packet trong mMTC bao gồm:
• Tiết kiệm băng thông: Dữ liệu được gửi trong packet
ngắn, giúp giảm băng thông tiêu thụ, đặc biệt quan trọng
trong mạng IoT với hàng triệu thiết bị kết nối cùng lúc
• Giảm độ trễ: Packet ngắn giúp giảm độ trễ so với việc
sử dụng packet dài, giúp cải thiện hiệu suất của ứng dụng
yêu cầu độ trễ thấp
• Tăng độ tin cậy: Khi sử dụng packet ngắn, khả năng
mất mát dữ liệu do lỗi truyền dẫn giảm và độ tin cậy của
liên kết tăng lên
• Tăng hiệu suất truyền dẫn: Trong một số trường hợp,
gửi dữ liệu trong packet ngắn có thể tăng hiệu suất truyền
dẫn và giảm tổng chi phí truyền dẫn Những công nghệ
và kỹ thuật liên quan đến việc gửi và nhận gói tin ngắn
trong mMTC trong 5G:
• Mini-slots: Các mini-slot có độ dài từ 2 đến 14 ký hiệu
Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM)
Chúng cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn và
độ trễ thấp hơn so với kỳ truyền thông (TTI) tiêu chuẩn,
thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu độ trễ thấp Các
mini-slot có thể được sử dụng để truyền Scheduling Request
(SR), Physical Uplink Control Channel (PUCCH) hoặc
Physical Uplink Shared Channel (PUSCH)
• Configured Grant (CG): CG được sử dụng để chỉ định
tài nguyên radio cho một thiết bị IoT trong một khoảng
thời gian dài Thiết bị sẽ sử dụng tài nguyên này mà
không cần đợi cấp phép từ gNB trong mỗi lần truyền dữ
liệu gói tin ngắn CG được gNB cấp dựa trên các thông
tin về yêu cầu truyền dữ liệu và tình trạng tài nguyên hệ
thống, giúp giảm độ trễ và tăng hiệu quả năng lượng
• Pre-emption: Kỹ thuật pre-emption giúp gNB phân bổ
tài nguyên radio cho các thiết bị IoT có nhu cầu truyền
dữ liệu gói tin ngắn với độ trễ thấp hơn Khi tài nguyên
radio không đủ, gNB có thể thu hồi tài nguyên từ các
thiết bị có độ ưu tiên thấp hơn và phân bổ cho các thiết
bị có độ ưu tiên cao hơn Điều này giúp đảm bảo độ tin
cậy và độ trễ thấp cho các thiết bị IoT quan trọng
• Multi-User MIMO (MU-MIMO): MU-MIMO sử dụng
nhiều ăng-ten trên gNB và các thiết bị IoT để truyền dữ
liệu đến nhiều thiết bị cùng một lúc trên cùng một tần
số và thời gian Điều này giúp tăng hiệu quả sử dụng tài
nguyên radio và giảm độ trễ trong việc truyền dữ liệu gói
tin ngắn MU-MIMO yêu cầu các thuật toán phân bổ tài
nguyên phức tạp hơn để đảm bảo công bằng và hiệu quả
• Beamforming: Beamforming sử dụng nhiều ăng-ten trên
gNB để tạo ra một chùm sóng mang hướng đến vị trí của thiết bị IoT mục tiêu Điều này giúp tăng khả năng nhận dữ liệu của thiết bị và giảm nhiễu giữa các thiết
bị trong môi trường mMTC đông đúc Beamforming yêu cầu gNB biết được thông tin về vị trí và kênh truyền của các thiết bị IoT
• Adaptive Modulation and Coding (AMC): AMC sử
dụng các thuật toán điều chỉnh độ phức tạp của biểu diễn sóng mang và mã hóa dữ liệu dựa trên điều kiện kênh truyền AMC giúp tăng hiệu quả sử dụng tài nguyên radio
và độ tin cậy của truyền thông gói tin ngắn trong điều kiện kênh thay đổi Các thiết bị IoT cần phải định kỳ gửi thông tin về điều kiện kênh truyền để gNB có thể điều chỉnh AMC phù hợp
• HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request): HARQ
là một kỹ thuật giúp cải thiện độ tin cậy của truyền dữ liệu bằng cách yêu cầu thiết bị gửi lại các gói dữ liệu bị lỗi HARQ kết hợp các kỹ thuật kiểm soát lỗi phát hiện (ARQ) và mã hóa chống lỗi phía truyền (FEC) để giảm
tỷ lệ lỗi gói và độ trễ trong việc truyền dữ liệu gói tin ngắn
• Energy Efficiency: Các thiết bị IoT cần tiết kiệm năng
lượng để kéo dài thời gian hoạt động của pin Các kỹ thuật như cấu hình cấp phép, ngủ định kỳ và giảm độ phức tạp tính toán giúp giảm tiêu thụ năng lượng của các thiết bị trong quá trình truyền dữ liệu gói tin ngắn
• Security and Privacy: Bảo mật và quyền riêng tư là
những vấn đề quan trọng trong mạng lưới IoT Các kỹ thuật như mã hóa dữ liệu, xác thực thiết bị và quản lý chính sách truy cập giúp đảm bảo an toàn và bảo mật cho các thiết bị IoT trong quá trình truyền dữ liệu gói tin ngắn
C Ưu và nhược điểm của short packet communication trong 5G
Giao tiếp gói tin ngắn (short packet communication) trong mạng 5G đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ các ứng dụng có độ trễ thấp và độ tin cậy cao Dưới đây là một số ưu điểm và nhược điểm chi tiết của giao tiếp gói tin ngắn trong 5G:
Ưu điểm:
• Độ trễ thấp: Giao tiếp gói tin ngắn giúp giảm độ trễ
trong truyền thông do việc truyền dữ liệu ít hơn trong mỗi gói tin Điều này rất quan trọng trong các ứng dụng đòi hỏi độ trễ thấp như điều khiển robot, giao tiếp xe tự lái và hệ thống điều khiển công nghiệp
• Độ tin cậy cao: Giao tiếp gói tin ngắn có khả năng cải
thiện độ tin cậy của truyền thông, bởi vì việc truyền dữ liệu ít hơn giảm thiểu rủi ro mất mát thông tin Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng cần độ tin cậy cao như hệ thống điều khiển công nghiệp và hệ thống y
tế từ xa
• Hiệu quả tài nguyên mạng: Giao tiếp gói tin ngắn giúp
tận dụng tài nguyên mạng hiệu quả hơn, đặc biệt trong các môi trường đông đúc và nhiều thiết bị Việc sử dụng
Trang 6gói tin ngắn giúp giảm thiểu tắc nghẽn và tăng cường
hiệu suất mạng
• Ứng dụng IoT và cảm biến: Giao tiếp gói tin ngắn phù
hợp với các ứng dụng cảm biến và thiết bị IoT có yêu
cầu truyền dữ liệu ít, độ trễ thấp và độ tin cậy cao Điều
này giúp tiết kiệm năng lượng và đảm bảo hiệu suất cao
cho các thiết bị IoT
Nhược điểm:
• Thông lượng thấp: Giao tiếp gói tin ngắn có thông lượng
thấp hơn so với giao tiếp gói tin dài, do việc truyền dữ
liệu ít hơn trong mỗi gói tin Điều này có thể không phù
hợp với các ứng dụng yêu cầu truyền dữ liệu lớn, như
truyền video độ phân giải cao
• Chi phí xử lý cao: Giao tiếp gói tin ngắn có thể dẫn
đến chi phí xử lý cao hơn do số lượng gói tin lớn hơn
cần được xử lý Điều này có thể tăng tải trọng trên thiết
bị và yêu cầu nhiều tài nguyên hơn để xử lý các gói tin
• Độ phức tạp mã hóa: Các thuật toán mã hóa và giải
mã cho gói tin ngắn có thể phức tạp hơn, yêu cầu nhiều
tài nguyên tính toán hơn Điều này có thể ảnh hưởng đến
hiệu suất và hiệu quả năng lượng của các thiết bị
• Sự không chắc chắn trong độ trễ: Mặc dù giao tiếp gói
tin ngắn giúp giảmđộ trễ tổng thể, sự không chắc chắn
trong độ trễ vẫn có thể là vấn đề Các mạng không dây
thường có độ trễ biến động, và việc sử dụng gói tin ngắn
có thể làm tăng sự không chắc chắn này
IV SHORTSPACKETCOMMUNICATION IN6G
A Giới thiệu tầm nhìn trung về sự phát triển của 6G và
SPC:
5G có những ưu điểm về các dịch vụ đa dạng như
En-hanced Mobile Broadband (eMBB), Ultra-Reliable
Low-Latency Communications (URLLC), Massive Machine
Type Communication (mMTC), cung cấp tốc độ truyền
dữ liệu cao 1Gbit/s cho kết nối di động, độ tin cậy 99,99%
và độ trễ chỉ trong mili giây cho truyền thông, và 1 triệu
kết nối trên mỗi km2 Tuy nhiên, với sự xuất hiện của
các công nghệ mới nổi, nhu cầu vào năm 2030 sẽ tăng
100 lần so với số lượng hiện tại và sẽ có những ứng dụng
mới Các công nghệ và thiết bị đổi mới mới đang xuất
hiện cho Internet of Things (IoT) gửi và chia sẻ lượng
dữ liệu lớn, chẳng hạn như công nghệ hình ảnh hòa hợp,
thực tế mở rộng, hình ảnh chất lượng cao, xe tự động và
nhiều hơn nữa Tất cả điều này ngày càng tạo ra lượng dữ
liệu khổng lồ, buộc chúng ta phải nghĩ về các hệ thống
truyền thông mới trong các lĩnh vực khác nhau: y tế, vận
tải, khí hậu, an ninh mạng, dân sự và quân sự, v.v Để
triển khai các dịch vụ IoT này, các mạng thế hệ tiếp theo
nên cung cấp tốc độ truyền cao, đáng tin cậy cao và độ
trễ thấp mà hệ thống 5G không đáp ứng được 5G đã
thực hiện sự tiến hóa từ Internet di động thành Internet
of Things Trong khi 6G sẽ tăng cường đáng kể khả năng
và hiệu quả của các mạng di động, nó sẽ mở rộng và sâu
rộng hơn phạm vi của Internet of Things, tương thích với
các công nghệ thông tin và truyền thông mới (ICT) như
trí tuệ nhân tạo và big data Nhằm thực hiện một xã hội
liên kết, thông minh và thông minh với mọi vật Dự kiến rằng thế hệ mới của truyền thông di động 6G sẽ có các đặc điểm sau Qua các đặc điểm trên ta có thể đưa ra
Fig 3 Cấu trúc và tổ chức của 6G được dự đoán [5]
được dự đoán về sự phát triển của SPC bên trong mạng 6G
B Yêu cầu vật lý của 6G.
Mạng 6G dự kiến sẽ cách mạng hóa Internet vạn vật, mang đến hiệu năng mạnh mẽ hơn, khả năng thích ứng thông minh hơn, hoạt động xanh hơn, phạm vi phủ sóng rộng hơn, bảo mật tốt hơn và khả năng truy cập mã nguồn
mở Sử dụng tần số từ 1 đến 3 terahertz (THz), 6G hứa hẹn giảm độ trễ xuống còn 0,1 mili giây và hỗ trợ 10 triệu kết nối trên mỗi km² Ứng dụng công nghệ thông minh như AI và Big Data sẽ giúp 6G tự tổ chức, tự học,
tự phục hồi và tự tối ưu hóa Đồng thời, 6G sẽ được thiết
kế theo hướng phát triển xanh và tận dụng năng lượng tái tạo, mở rộng phạm vi phủ sóng từ mặt đất đến không gian, và tăng cường bảo mật thông tin bằng cách áp dụng công nghệ tiên tiến như blockchain và truyền thông lượng
tử Để phát triển các yêu tố trên phát triển cần sự giúp đợ cần tiết của SPC
Fig 4 Các yếu tố cơ bản của 6G được dự đoán [5]
Trang 7C Tình huống ứng dụng
Với tầm nhìn và yêu cầu của 6G, các tình huống ứng
dụng trong mạng 6G sẽ rộng hơn so với 5G Sự kết hợp
của các công nghệ mới sẽ cho phép các ứng dụng và tình
huống sử dụng mới Phần này trình bày các ứng dụng dự
kiến sẽ được triển khai sau khi triển khai mạng 6G
• Giao tiếp holographic: Một trong những ứng dụng quan
trọng nhất của 6G là telepresence dạng holographic Nó
sẽ cho phép mọi người kết nối từ xa và giao tiếp với hình
ảnh 3D thực tế của các đối tượng Hologram sẽ được sử
dụng trong nhiều tình huống, chẳng hạn như giao tiếp xã
hội, trò chơi giải trí, thiết kế văn phòng, y tế từ xa, v.v
Mạng 5G không thể triển khai những tình huống này với
độ tin cậy cao, đặc biệt là với tốc độ dữ liệu cao, có thể
lên đến 4 Tbit/giây và đòi hỏi độ trễ cực thấp dưới một
mili giây [5]
• Công nghiệp 4.0: Trong thời đại 6G, Công nghiệp 4.0
sẽ trải qua biến đổi quy mô lớn Ngày càng nhiều nhà
máy thông minh sẽ tích hợp chế độ sản xuất thông minh
của con người, máy móc và vật liệu hợp tác Robot thông
minh sẽ thay thế con người và robot hiện tại, trở thành
lực lượng chính của sản xuất linh hoạt, và sản xuất công
nghiệp sẽ trở nên tự kiểm soát và thông minh hơn Sự
phát triển của công nghệ nano sẽ cung cấp một cách
mới để giám sát các khía cạnh và quy trình của sản xuất
công nghiệp Nanorobot có thể trở thành một phần của
sản phẩm và kiểm soát chúng trong suốt vòng đời của
chúng Sản xuất công nghiệp, lưu trữ và kế hoạch bán
hàng sẽ được phân tích theo thời gian thực dựa trên dữ
liệu thị trường động, đảm bảo lợi ích tối đa cho sản xuất
công nghiệp Để đạt được điều này, mạng 6G phải cung
cấp mức độ độ tin cậy cao, độ trễ rất thấp, băng thông
cực cao và liên lạc khẩn cấp cho phạm vi phủ sóng hoàn
chỉnh [5]
• Nhân bản số con người: Đối với các ứng dụng của nhân
bản số con người, 5G sẽ chủ yếu thực hiện các chức năng
như giám sát sức khỏe con người và phòng ngừa bệnh
tật sơ cấp Với sự tiến bộ đột phá trong lý thuyết truyền
thông phân tử và các công nghệ chủ chốt như vật liệu
nano và cảm biến, ứng dụng này sẽ thúc đẩy sự số hóa
cơ thể con người và sự thông minh của các liệu pháp y
tế Bằng cách tái tạo số hóa cơ thể con người trongthế
giới thực, nhân bản số con người sẽ xây dựng một "con
người số" cá nhân hóa trong thế giới ảo Thông qua việc
giám sát và quản lý sức khỏe của "con người số", các
dấu hiệu sống của con người có thể được giám sát đầy
đủ và chính xác, các liệu pháp điều trị nhắm mục tiêu
có thể được tiến hành, các bệnh lý có thể được nghiên
cứu, và các rủi ro bệnh nặng có thể được dự đoán, từ đó
bảo vệ sự sống của những người khỏe mạnh Nhân bản
số con người có thể trở thành hiện thực trong thời đại
6G, xem xét các yêu cầu về độ thực tế cao và độ tin cậy,
truy cập Internet không dây tốc độ cao với độ di động
cao và phạm vi phủ sóng hoàn chỉnh [5]
• Internet của giác quan: Internet của giác quan là một
loại mạng truyền tải trải nghiệm kết nối các giác quan đa chiều để cho phép giao tiếp giữa các giác quan Thông qua cơ sở hạ tầng mạng, người dùng có thể vận dụng đầy
đủ thị giác, thính giác, xúc giác, khứu giác, vị giác và thậm chí cảm xúc, và thực hiện việc truyền tải và tương tác của các cảm giác quan trọng này từ xa Dù ở đâu, bạn cũng có thể trải nghiệm âm nhạc, nghệ thuật, thể thao và các kỹ năng khác trong một môi trường thực tế, bạn có thể thử thực phẩm thật và các sản phẩm chăm sóc da mà không cần tiêu thụ đối tượng thực [5]
• Thực tại mở rộng: Cụ thể hơn, 5G được cho là rất hiệu
quả đặc biệt cho các dịch vụ XR (AR (Thực tại tăng cường), VR (Thực tại ảo) và MR (Thực tại hỗn hợp)) Nhiều công nghệ từ các hệ thống thông tin liên lạc 5G mới nổi được kết hợp để đạt được trải nghiệm XR chìm đắm Với các công nghệ mới nhất như AR, VR và MR, nội dung dung lượng lớn như video và 3DCG (đồ họa máy tính ba chiều) sẽ được cung cấp dưới dạng dịch vụ,
do đó yêu cầu lưu lượng truy cập tốc độ cao và dung lượng lớn Trong VR và AR, nội dung cần được thay đổi theo chuyển động của người dùng, vì vậy tính ngay lập tức cũng được yêu cầu [5] Sự gia tăng ứng dụng XR
sẽ làm cạn kiệt dải phổ 5G, đặc biệt là cho một số tình huống sử dụng hữu ích như hoạt động từ xa Cần có một
hệ thống với độ trễ cực thấp dưới 0,1 ms và khả năng truyền tải cao AR/VR không thể nén (mã hóa và giải
mã là quá trình tốn thời gian); do đó, tốc độ dữ liệu trên người dùng phải đạt gigabit mỗi giây, trái ngược với mục tiêu 5G hơn là 100 Mb/giây để xử dụng thoải mái
D Các Công Nghệ Mới Dự Kiến Xuất Hiện Trong 6G.
Thông qua đánh giá và điều tra về 6G, thống kê và tổng hợp các công nghệ chủ chốt tiềm năng, chúng tôi đã thu thập được 12 công nghệ chủ chốt tiềm năng có tần suất
và sự chú ý cao nhất
Fig 5 Công nghệ dự kiến phát triển trong 6G [5]
• Mạng tích hợp không gian-không khí-đất-liền-biển:
Mạng truyền thông hiện tại gặp hạn chế về độ sâu và chi phí kết nối trên toàn cầu 6G sẽ tối ưu hóa cơ sở
Trang 8hạ tầng mạng trong không gian, không khí, đất liền và
biển, kết hợp mạng dựa trên vệ tinh và mạng không dây
trên mặt đất để cung cấp phủ sóng toàn diện và không
giới hạn Mạng không gian dựa trên truyền thông vệ tinh
cung cấp phủ sóng không dây cho các khu vực chưa được
phủ sóng bằng cách triển khai các vệ tinh trên quỹ đạo
dày đặc Mạng không khí ở độ cao thấp có thể triển khai
nhanh chóng và tái cấu hình linh hoạt để thích ứng với
môi trường truyền thông và cung cấp hiệu suất tốt hơn
cho truyền thông ngắn phạm vi Mạng không khí ở các
nền tảng độ cao có thể được sử dụng làm nút tiếp sóng
cho truyền thông xa, thúc đẩy tích hợp mạng đất liền và
không đất liền Mạng dưới biển cung cấp phủ sóng cho
ứng dụng quân sự hoặc thương mại và dịch vụ internet
cho hoạt động rộng và sâu Tuy nhiên, việc mạng dưới
nước có thể trở thành một phần của mạng 6G trong tương
lai vẫn còn tranh cãi [5]
• Mạng thông minh: Để thực hiện tầm nhìn của hệ thống
di động 6G thông minh và phổ biến, kiến trúc 6G nên
xem xét đầy đủ khả năng của AI trong mạng và làm cho
nó trở thành tính năng cố hữu của 6G AI và học máy
(ML) đã được áp dụng vào nhiều khía cạnh của mạng di
động 5G, bao gồm các ứng dụng ở lớp vật lý, lớp MAC
và lớp mạng Tuy nhiên, ứng dụng AI trong mạng 5G chỉ
giới hạn ở việc tối ưu hóa kiến trúc mạng truyền thống,
không xem xét AI ngay từ đầu thiết kế kiến trúc Trong
thời đại 6G, cần phát triển một loại mạng AI mới với khả
năng tự tổng hợp, tự tổ chức, tự tối ưu hóa, tự thích ứng
và tự suy luận AI phải được nhúng vào toàn bộ mạng
và cấu trúc mạng, để hệ thống nhận thức và suy luận có
thể tương tác Sử dụng AI trung tâm, AI phân tán, AI
viền, radio thông minh (IR) và tích hợp cảm biến không
dây thông minh và truyền thông thông minh để đảm bảo
mạng 6G thông minh [5]
• Giao tiếp Terahertz (THz): Dải tần THz (0.1 THz 10
THz) chưa được quy định và có khả năng truyền dữ liệu
cực cao, giúp giảm thiếu khan hiếm băng thông hiện tại
Tia hẹp và xung ngắn giúp bảo mật thông tin và định vị
chính xác Giao tiếp THz có ứng dụng trong giao tiếp
không dây siêu tốc độ và giao tiếp vũ trụ Tuy nhiên, cần
giải quyết các vấn đề về linh kiện phần cứng tần số cao,
mô hình kênh và ước tính, và mạng hướng [5]
• Giao tiếp bằng ánh sáng nhìn thấy (VLC): VLC hoạt
động trong dải tần 400 THz đến 800 THz, sử dụng ánh
sáng LED để truyền dữ liệu VLC sử dụng băng thông
cực cao để đạt tốc độ truyền dữ liệu cao, phù hợp cho
điểm nóng trong nhà và các tình huống khác Tuy nhiên,
cần giải quyết các thách thức về giới hạn băng thông điều
chế và bù đắp phi tuyến [5]
• Công nghệ chia sẻ phổ động: Công nghệ này cho phép
người dùng không được ủy quyền sử dụng phổ không
được sử dụng bởi người dùng chính, cải thiện hiệu quả sử
dụng phổ Để quản lý kết nối quy mô lớn trong ứng dụng
6G, cần triển khai công nghệ giảm nhiễu phân tán hiệu
quả Blockchain và Học sâu (Deep Learning) là phương
pháp hiệu quả cho chia sẻ phổ thông minh và động [5]
• Mã hóa và điều chế mới: Công nghệ mã hóa và điều
chế 6G đòi hỏi thiết kế và tối ưu hoá đặc tính truyền thông phức tạp như lưu lượng terabit, băng thông kênh lớn, dải tần THz cao và độ ổn định di động cực cao Công nghệ AI giúp tìm ra phương pháp mã hóa và điều chế phù hợp nhất cho môi trường truyền thông hiện tại
• Đa ăng-ten quy mô lớn: Công nghệ đa ăng-ten 6G đạt hiệu quả phổ cực cao thông qua kỹ thuật phân chia không gian (SDM) Nó cải thiện hiệu quả năng lượng, giảm độ trễ và hỗ trợ định vị chính xác cũng như nhận biết môi trường Ứng dụng đa ăng-ten quy mô lớn cần đột phá về công nghệ ăng-ten Hiện tại, người ta chú ý nhiều hơn đến ứng dụng bề mặt phản xạ thông minh trong đa ăng-ten quy mô lớn
• Động lực lượng quỹ đạo góc (OAM): Công nghệ OAM
đa phân kênh sử dụng động lực lượng góc của các sóng điện từ trực giao để truyền nhiều luồng dữ liệu trên cùng một kênh, tăng hiệu quả phổ và công suất hệ thống OAM
có nhiều chế độ OAM trực giao có thể ghép/nghĩa ghép cùng nhau, cung cấp cách mở rộng khả năng mạng 6G Tuy nhiên, ứng dụng OAM trong giao tiếp không dây vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm và cần nghiên cứu thêm [5]
• Blockchain: Blockchain dựa trên Công nghệ Sổ cái Phân
tán (DLT), và các đặc tính bản chất như bảo vệ phi tập trung chống thay đổi và ẩn danh khiến blockchain trở thành lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng Nó đảm bảo an ninh mạnh mẽ trong quá trình giao tiếp của các thực thể mạng 6G Cơ chế điều khiển phân tán dựa trên blockchain có thể thiết lập liên kết giao tiếp trực tiếp giữa các đơn vị mạng, giảm chi phí quản lý Chia sẻ phổ dựa trên Blockchain có thể cải thiện đáng kể hiệu quả và an ninh của chia sẻ phổ truyền thống SM-MIMO và OAM
đa phân kênh có thể cải thiện đáng kể hiệu quả phổ bằng cách ghép nhiều luồng dữ liệu song song trên cùng một kênh tần số Giao tiếp và tính toán lượng tử có thể cải thiện hiệu quả tính toán và cung cấp bảo đảm an ninh mạnh mẽ cho 6G [5]
• Vật liệu mới: Hệ thống giao tiếp đã đạt được thành công lớn, nhưng hiệu năng của các vật liệu bán dẫn thông thường dường như đã đạt đến giới hạn, và cần các vật liệu có tính chất cao tần và nhiệt độ cao hơn cho giao tiếp tốc độ cực cao Các vật liệu mới như nitơđơn galli, photpho indi, silic đức và graphene đã được sử dụng để phát triển thiết bị giao tiếp thế hệ tiếp theo Ngoài ra, vật liệu lỏng được giới thiệu trong thiết kế ăng-ten có thể điều chỉnh tần số nhằm đạt được độ linh hoạt hơn Vật liệu siêu và siêu bề mặt có thể được sử dụng trong môi trường không dây điều khiển bằng sóng vô tuyến Các vật liệu siêu mặt phẳng điều khiển bằng phần mềm có thể giảm nhiễu bằng cách kiểm soát định hướng các đặc tính môi trường [5]
• Quản lý năng lượng: Nhu cầu về công suất tính toán
liên tục cho xử lý AI và sự phổ biến của các thiết bị IoT đặt ra thách thức đáng kể đối với hiệu quả năng lượng của thiết bị giao tiếp Xét về quy mô dự kiến của mạng 6G,
Trang 9cần chú ý đến tiêu thụ năng lượng khi thiết kế hệ thống.
Một cách làm là sử dụng thu năng lượng, cho phép thiết
bị tự cung cấp điện, điều này rất quan trọng đối với hoạt
động không dựa vào lưới điện, thiết bị IoT bền vững, thiết
bị sử dụng ít và thời gian chờ dài Ngoài ra, công nghệ
không dây cộng sinh và công nghệ quản lý điện thông
minh cung cấp các giải pháp tiềm năng
• Giao tiếp và tính toán lượng tử: 6G phải đáp ứng
các yêu cầu an ninh cao hơn trong nhiều tình huống ứng
dụng Giao tiếp lượng tử có thể cung cấp an ninh mạnh
mẽ thông qua khóa lượng tử Trong giao tiếp lượng tử,
nếu kẻ nghe lén muốn quan sát, đo lường và sao chép,
trạng thái lượng tử sẽ bị xáo trộn và việc nghe lén có thể
dễ dàng phát hiện Lý thuyết cho thấy giao tiếp lượng tử
có thể đạt được an ninh tuyệt đối Hơn nữa, bằng cách
kết hợp lý thuyết lượng tử và AI, có thể phát triển các
thuật toán AI mạnh mẽ và hiệu quả hơn để đáp ứng yêu
cầu của 6G Tuy nhiên, tốc độ truyền dữ liệu cao và các
tình huống ứng dụng đòi hỏi cao đặt ra thách thức cho
tính toán không dây trong 6G [5]
• Giao tiếp phân tử: Trong sinh y, IoT sinh học-nano
(Internet of Bio-Nano Things, IoBNT) có thể kết nối các
thiết bị nano (như robot nano, chip cấy ghép và cảm biến
sinh học) và các thực thể sinh học Giao tiếp phân tử là
công nghệ cơ sở của IoBNT Nó sử dụng các phân tử
sinh hóa để giao tiếp và truyền thông tin giữa các thiết
bị nano Hơn nữa, sự kết hợp của IoBNT và bản sao số
của con người là một mạng không dây cự ly ngắn gồm
các thiết bị giám sát mặc/ cảm biến và cảm biến trong
hoặc trên cơ thể, có thể cung cấp giải pháp toàn diện cho
chăm sóc sức khỏe điện tử 6G [5]
E Dự đoán ảnh hưởng của Short Packet Communication
và 6G
• Giảm độ trễ: SPC giúp truyền tải dữ liệu nhanh chóng
và hiệu quả bằng cách sử dụng gói tin ngắn, giúp giảm
độ trễ xuống còn 0,1 ms, phù hợp với các ứng dụng đòi
hỏi độ trễ thấp như xe tự lái, robot phẫu thuật và VR/AR
Tăng tốc độ truyền dữ liệu: SPC hỗ trợ việc truyền tải
dữ liệu với tốc độ cao nhất từ 1 đến 3 TBps bằng cách
tối ưu hóa quá trình mã hóa và xử lý dữ liệu trong các
gói tin ngắn, giúp tăng cường hiệu suất của mạng
• Độ tin cậy: SPC cải thiện độ tin cậy của mạng 6G lên tới
109 bằng cách sử dụng các thuật toán mã hóa đặc biệt,
giúp giảm tỷ lệ lỗi bit và đảm bảo truyền tải dữ liệu một
cách chính xác và ổn định
• Phạm vi phủ sóng rộng: SPC khó có thể hộ 6G trong
việc mở rộng phạm vi phủ sóng trên bầu trời đến 10.000m
và biển rộng 1200 hải lý Điều này đồng nghĩa với việc
khó có thể đảm bảo kết nối ổn định trong các khu vực
khó tiếp cận như vùng sâu vùng xa, biển đảo, và không
gian hàng không
• Tối ưu hóa tài nguyên: SPC cũng giúp tối ưu hóa mạng
6G bằng cách phân bổ tài nguyên mạng một cách hiệu
quả, giảm độ trễ và đảm bảo độ tin cậy, đồng thời tận
dụng công nghệ thông minh như AI và Big Data để tự
động thích ứng và tối ưu hóa mạng theo nhu cầu thực tế Nhờ vai trò của SPC, mạng 6G sẽ đạt được các yêu cầu đặt ra, đồng thời mang lại nhiều cải tiến về hiệu năng, khả năng thích ứng thông minh, hoạt động xanh, phạm
vi phủ sóng rộng hơn và bảo mật tốt hơn, góp phần vào
sự phát triển của Internet vạn vật
F SPC với các ứng dụng được dự kiến trong 6G
Trong các ứng dụng dự kiến sẽ xuất hiện trong mạng 6G, gói tin ngắn (short packet) với các ưu điểm đã được sử dụng rộng rãi trong 5G đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất và đáp ứng các yêu cầu về độ trễ thấp, trở thành một trong các yếu tố chính cầu thành nên các dịch vụ chính của 5G các dịch vụ này được dự đoàn sẽ phát triển mạnh trong 6G với các yếu tố như Đạt được độ trễ cực thấp dưới 1 ms và độ tin cậy cực cao, hơn nhiều
so với 5G và hỗ trợ kết nối hàng tỷ thiết bị IoT và MTC, cung cấp khả năng mở rộng lớn hơn so với 5G Có thể thấy các ứng dụng dự kiến như : Giao tiếp holographic, Công nghiệp 4.0, Thực tại ảo/augmented (AR/VR/MR), Thành phố thông minh đều có những yêu cầu chung như: Đòi hỏi độ trễ cực thấp dưới 1 ms và khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao, độ tin cậy cao, băng thông cực cao, độ trễ thấp, khả năng hộ trợ kết nối nhiều thiết bị lớn, Các yếu tố này đều là lợi thế của SPC và đã được chứng minh trong 5G Kết luận Gói tin ngắn đóng góp vào việc giảm thiểu độ trễ và tăng hiệu quả truyền thông trong các tình huống ứng dụng 6G, đảm bảo trải nghiệm tốt hơn và tiếp tục mở rộng khả năng của các công nghệ này
G Công nghệ trong 6G và SPC
Các thế hệ mới của các hệ thống viễn thông trước 5G đều được thiết kế chủ yếu với mục tiêu cung cấp tốc độ truyền dữ liệu đáng kể so với thế hệ trước cho đến 5G đã thay đổi xu hướng này: tập trung không chỉ vào dịch vụ thông tin rộng băng tần hơn và do đó, tốc độ dữ liệu cao hơn Do phần lớn các kết nối không dây trong 5G rất có thể được khởi tạo bởi các máy móc và thiết bị tự động hơn là các thiết bị di động do người dùng vận hành mà dịch vụ thông tin rộng băng tần truyền thống dành cho 5G 5G đã cung cấp 2 công nghệ URLLC và mMTC đều
có thách thức đầu với việc hộ trợ truyền các gói dữ liệu ngắn đòi hỏi về sự phân bổ tài nguyên: dải tần số ,phổ , không gian, thời gian Với việc phát triển các kịch bản công nghệ trong 6g cũng sẽ sảy ra các vấn đề tương
tự khi lượng tài nguyên được cung cấp nhiều hơn và số lượng thiết bị kết nối được đề nghị cao hơn rất nhiều so yêu cầu độ ổn định và tin cậy cao, không gian rộng lớn kiến việc đánh mất gói tin sai lệch thông tin truyền trở nên cao hơn 1 thách thức lớn so với các công nghệ mã hóa và bảo mật trước đâu chưa từng làm được hay ứng dụng các short packet trong các công nghệ lượng tử và phân tử cần một các tiếp cận thiết kề mới Tuy nhiên đống thới ngược lại với những thách thức Short Packet
có một nguốn tài nguyên lớn nhiều lần so với 5G, một
Trang 10số kịch bản công nghệ như sự phát triển của mạng thông
minh ứng dụng AI để tối ưu hóa việc phân bố tài nguyên
, các công nghệ mã hóa và điều chế mới được phát triển
sẽ là hộ trỡ lớn đồi với short packet, các yếu tố cơ sở vật
chất được cải thiện đáng kể , vật liệu bán dẫn mới được
phát triển
H Kết Luận
Với những thay đổi cải tiến của 6G cần sự giúp đợ rất
nhiều của short packet đồng thới những thay đổi này vừa
đem đến những nhiều ưu thế và thách thức cho sự phát
triển của short packet communication và 6G
Ưu thế: SPC có thể hỗ trợ mạng 6G trong việc đáp ứng
các yêu cầu về độ trễ thấp, độ tin cậy cao và khả năng
kết nối hàng tỷ thiết bị IoT và MTC Các yếu tố này cũng
đã được áp dụng thành công trong mạng 5G và điếu đó
chứng tỏ SPC vẫn là một trong những yếu tố chính quan
trọng bậc nhất của mạng 6G với nhưng yếu cầu như độ trễ
thấp 0,1ms, tốc độ cao 1 đến 3 TBps, cũng vời độ tin cậy
cao cần sự tối ưu hóa để phân bổ và quản lí tài nguyên
Hoàn toán phù hợp với đặc điểm của SPC cung cấp Song
song với đó việc các công nghệ mới sẽ được nghiên cứu
và áp dụng trong 6G hoàn toán có thể áp dụng là giải
pháp để cải tiền short packet khắc phục những điểm yếu
Như sự hộ trợ của Ai để quản lý môi trường tài nguyên
rộng lớn Các công nghệ mã hóa và điều chế mới khắc
phục nâng cấp các yếu điểm tồn đọng của SPC và công
nghệ Blocktrain vs lượng tử cung cấp yêu cầu sự an toán
cho gói tin thông qua các khóa lượng tử hay bảo vệ phi
tập trung chống thay đổi và ẩn danh của block train
Thách thức: Đối mặt với các hạn chế về công nghệ hiện
tại không hoàn toán đáp ứng đủ cho 6G và SPC Các
công nghệ cần được nghiên cứu và phát triển các thuật
toán mã hóa và điều chế mới để đảm bảo độ tin cậy và
bảo mật cao hơn trong mạng 6G Việc đánh mất gói tin
và sai lệch thông tin truyền trong không gian rộng lớn
sẽ cần được giải quyết bằng các giải pháp kỹ thuật tiên
tiến hơn Việc có một nguốn tài nguyên lớn gấp nhiều
lần 5G cũng trở thành bài toán thách thức về vần đề quản
lí và phân bổ tài nguyên mặc dù nó là ưu điểm của SPC
nhưng không tránh khởi việc những yêu cầu đặt ra qua
khỏi phạm vi SPC có thể sử lí Cần thiết kế và ứng dụng
SPC bằng một cách tiếp cận thiết kế mới để sử dụng
trong các công nghệ lượng tử và phân tử, Phát triển phần
cứng và tiêu chuẩn mới để hỗ trợ các yêu cầu của 6G và
short packet communication
Kết luận Ta có thể thấy Short packet communication sẽ
đóng vai trò quan trọng trong mạng 6G, giúp hỗ trợ nhiều
ứng dụng và dịch vụ tiên tiến Các thách thức và hướng
nghiên cứu liên quan đến độ tin cậy, độ trễ, dung lượng,
phần cứng và tiêu chuẩn cần được giải quyết để phát triển
mạng 6G hiệu quả Nghiên cứu và phát triển tiếp theo sẽ
tập trung vào việc khám phá các công nghệ mới, như AI,
học máy và edge computing, để giải quyết các thách thức
và tận dụng tiềm năng của short packet communication
trong 6G và ngược lại sự phát triển của 6G đồng thời
cũng mang lại cho short packet communication rất nhiều nhưng ích lợi mới Có thể khẳng định rằng Short Packet Comunication sẽ là thành nền móng và phần chủ chốt trong phát triển 6G như cách nó đã làm được với môi trường mạng 5G
V RESEARCH ACTIVITIES Sau khi thành công trong việc thương mại hóa quy mô lớn của Short Packet trong mạng 5G, các công ty, trường đại học và viện nghiên cứu trên toàn thế giới đã chính thức bắt đầu nghiên cứu về các yêu cầu tiềm năng cho dịch vụ 6G, kiến trúc mạng và các công nghệ hỗ trợ tiềm năng từ năm 2021 Một số bài báo nghiên cứu, hội thảo hay công nghệ xu hướng phát triển về Short Packet trong 6G đã được thực hiện như:
• Sự Phát triển bùng nổ của Ai: Với thành công của AI
dạo gần đây có thể kể đền như chat GPT, Midjourney, Bing ta có thể khẳng định được tiềm nâng của AI đang và đã được thể hiện mạnh mẽ Tất cả các công ty, doanh nghiệp lớn trên thị trường đều đang chạy đua trong công cuộc phát triện Ai nhằm hộ trợ cho sản phẩm của mình trong tất cả các lĩnh vực dù chưa có một báo cáo
cụ thế nào liên quan đền Short Packet, Nhưng với việc thành công của AI thì không qua lâu chúng ta sẽ được chứng kiến sự hộ trợ của AI trong lĩnh vực truyền thông đặc biệt là truyền thông gói ngắn
• Tích hợp Edge Computing: Edge computing giúp giảm
độ trễ và tăng hiệu quả trong việc xử lý gói tin ngắn bằng cách xử lý dữ liệu ngay tại lớp mạng gần nhất với thiết
bị người dùng Sự kết hợp giữa edge computing và short packet communication sẽ phát huy hiệu quả trong ứng dụng 6G Edge computing có thể được sử dụng để xử lý các short packet Ví dụ, trong truyền thông không dây, các short packet có thể được xử lý tại các thiết bị edge computing gần nguồn dữ liệu để giảm độ trễ và tăng tốc
độ phản hồi
• Flexible Channel Coding for 6G Short Packet Com-munication: là một dự án được tài trợ bởi Liên minh
châu Âu nhằm phát triển các kế hoạch mã hóa và giải
mã mới để giải quyết tính linh hoạt và độ chi tiết của các
mã kênh có độ dài khối hữu hạn và thiết kế thuật toán giải mã có độ phức tạp thấp để giải quyết vấn đề độ trễ trong việc truyền thông short packet của 6G Dự án này được bắt đầu từ tháng 10 năm 2022 và dự kiến sẽ kết thúc vào tháng 12 năm 2024
• Giao tiếp gói ngắn hướng đến độ tuổi thông tin (AoI):
được trình bày cho việc thiết kế đồng thời của các hệ thống ghép nối, nơi mà AoI đóng vai trò là một thước
đo về độ mới của thông tin và phản ánh cả độ trễ và
độ tin cậy Dự đoán trạng thái và chấm dứt truyền thông chủ động trong trường hợp lỗi dự đoán được sử dụng cho việc thiết kế đồng thời của cảm biến và giao tiếp và được chứng minh là vượt trội hơn trường hợp không dự đoán
về mặt AoI, ngay cả khi xác suất lỗi dự đoán là 50% Hơn nữa, độ tuổi thông tin trong vòng kín cho các hệ thống điều khiển mạng không dây, được gọi là độ tuổi