Hệ thống thông tin di động hiện tại đã đạt được nhiều thành tựu to lớn. Cho đến bây giờ mạng 4G đã được triển khai khắp cả nước, nhờ đó mà cuộc cách mạng công nghê thông tin ngày càng bùng nổ. Nhiều thiết bị thông minh đã gắn liến với công việc hay cuộc sống mỗi người như đồng hồ, tivi, đồ gia dụng, nhà thông minh...
QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG
Hệ thống thông tin di động là hệ thống liên lạc thông qua sóng điện từ, tại đó người dùng có thể vừa liên lạc, vừa di chuyển được Các dịch vụ điện thoại di động xuất hiện vào đầu những năm 1960 và phát triển không ngừng cho đến thời điểm hiện tại Cứ trung bình một thập kỷ, chúng ta sẽ chứng kiến sự xuất hiện của một thế hệ thông tin di động mới Thế hệ đầu tiên (1G) khởi đầu từ những năm cuối của thập kỷ 70 và đầu thập kỷ 80, đây là thệ thống thông tin di động tương tự cung cấp các thế hệ thứ 2 là công nghệ di động kỹ thuật số, cung cấp dịch vụ thoại và cả dữ liệu. Thế hệ thứ 3 (3G) bắt đầu xuất hiện từ năm 2001 tại Nhật Bản, đặc trưng bởi việc cung cấp dịch vụ thoại, dữ liệu và đa phương tiện với tốc độ cao Thế hệ 4G được thương mại hóa vào những năm 2012 trở đi, cung cấp các dịch vụ truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn thế hệ 3G rất nhiều.
Hình 1 1: Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động
*Trên thế giới, ở những khu vực khác nhau có những tiêu chuẩn khác nhau cho từng thế hệ thông tin di động, được thể hiện qua hình 1.1.
*Ở Việt Nam, hệ thống thông tin di động được phát triển theo hướng:
1G GSM (2G) GPRS (2.5G) EDGE (2.75G) UMTS (3G) LTE (4G).
1.Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G)
*Ra đời đầu tiên tại Nhật Bản năm 1979 Hệ thống thông tin di động 1G ứng dụng các công nghệ truyền dẫn tương tự để truyền tín hiệu thoại, sử dụng phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) và điều chế tần số (FM).
-Sử dụng kỹ thuật chuyển mạch tương tự.
-Dịch vụ đơn thuần là thoại.
-Mỗi máy di động được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến.
-Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận là đáng kể.
-Trạm thu phát gốc phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi máy di động.
*Một số hệ thống thông tin di động 1G điển hình: - NMT (Nordic Mobile Telephone
- TACS (Total Access Communications System)
- AMPS (Advanced Mobile Phone System)
*Những hạn chế của hệ thống thông tin di động 1G:
-Phân bố tần số rất hạn chế, dung lượng nhỏ.
-Gây tiếng ồn khó chịu và nhiễu xảy ra khi máy di động dịch chuyển.
-Không đảm bảo tính bí mật cuộc gọi.
-Không đáp ứng được các dịch vụ mới hấp dẫn đối với khách hàng.
-Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau.
-Chất lượng thấp và vùng phủ sóng hẹp - Kích thước thiết bị di động lớn.
2.Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G)
*Hệ thống thông tin di động 2G được đặc trưng bởi công nghệ chuyển mạch kỹ thuật số Thông tin di động 2G sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA và đa truy nhập phân chia theo mã CDMA Các kỹ thuật này cho phép sử dụng tài nguyên băng thông hiệu quả hơn nhiều so với 1G Hầu hết thuê bao di động hiện nay vẫn còn sử dụng công nghệ 2G này.
-Phương thức đa truy nhập: Sử dụng đa truy nhập TDMA và CDMA băng hẹp.
-Sử dụng chuyển mạch kênh.
-Dung lượng tăng, chất lượng thoại tốt hơn, hỗ trợ các dịch vụ truyền dữ liệu.
*Một số hệ thống thông tin di động 2G điển hình:
- GSM (Global System for Mobile Communication)
- CdmaOne hay IS-95 (Interim Standard – 95A)
*Ưu điểm của hệ thống thông tin di động 2G:Hệ thống thông tin di động 2G ra đời nhằm giải quyết những hạn chế của hệ thống thông tin di động 1G Hệ thống thông tin di động 2G có những ưu điểm sau:
-Sử dụng kỹ thuật điều chế số tiên tiến nên hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn.
-Hệ thống số chống nhiễu kênh cùng tần số (CCI: Co-Channel Interference) và chống nhiễu kênh kề (ACI: Adjacent Channel Interference) hiệu quả hơn, làm tăng dung lượng hệ thống, đảm bảo chất lượng thông tin.
-Điều khiển động việc cấp phát kênh một cách liên tục giúp cho việc sử dụng tần số hiệu quả hơn.
-Điều khiển truy nhập và chuyển giao hoàn hảo hơn, dung lượng tăng, báo hiệu dễ dàng xử lý bằng phương pháp số.
-Có nhiều dịch vụ mới nhận thực hơn (kết nối với ISDN).
*Nhược điểm của hệ thống thông tin di động 2G:
-Độ rộng dải thông băng tần của hệ thống còn nhỏ nên các dịch vụ ứng dụng cũng bị hạn chế (không đáp ứng được các yêu cầu phát triển cho các dịch vụ thông tin di động đa phương tiện cho tương lai).
-Tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động 2G là không thống nhất, do đó việc chuyển giao toàn cầu khó thực hiện được.
3.Hệ thống thông tin di động 2,5G
*Hệ thống thông tin di động 2,5G được nâng cấp từ hệ thống thông tin di động 2G
* Đặc điểm của hệ thống thông tin 2,5G:
-Các dịch vụ số liệu được cải tiến:
-Tốc độ bit cao hơn.
-Hỗ trợ kết nối Internet.
-Hỗ trợ thêm phương thức chuyển mạch gói.
*Một số hệ thống thông tin di động 2,5G điển hình: - GPRS (General Packet Radio Service)
- EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution)
*Ưu điểm của hệ thống thông tin di động 2,5G:
-Cung cấp các dịch vụ mạng mới và cải thiện các dịch vụ liên quan đến truyền số liệu như nén số liệu của người sử dụng, số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao, dịch vụ vô tuyến gói đa năng.
-Cung cấp các dịch vụ bổ sung như: chuyển hướng cuộc gọi, hiển thị tên chủ gọi, chuyển giao cuộc gọi và các dịch vụ cấm gọi mới.
-Cải thiện các dich vụ liên quan đến SMS (Short Message Service) như: mở rộng bản chữ cái, mở rộng tương tác giữa các SMS.
-Tăng cường công nghệ SIM (Subcriber Indentification Module).
-Hỗ trợ các dịch vụ mạng thông minh.
-Cải thiện các dịch vụ chung như: dịch vụ định vị, tương tác với các hệ thống thông tin di động vệ tinh và hỗ trợ định tuyến tối ưu.
4.Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G)
*Để đáp ứng nhu cầu sử dụng thông tin di động ngày càng tăng cả về số lượng,tốc độ lẫn chất lượng của người sử dụng, Liên minh viễn thông quốc tế ITU
(International Telecommunication Union) đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hóa thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) với tên gọi IMT-2000 (International Mobile Telecommunications for the Year 2000) nhằm nâng cao tốc độ truy nhập, mở rộng nhiều loại hình dịch vụ, đồng thời tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sự phát triển liên tục của thông tin di động.
*Nhiều tiêu chuẩn cho IMT-2000 đã được đề xuất, trong đó có hai hệ thống WCDMA và CDMA-2000 đã được ITU chấp nhận và được đưa vào hoạt động vào những năm đầu của thập kỷ 2000 Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access) Điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn cầu cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin di động 3G.
*Một số hệ thống thông tin di động 3G điển hình:
•UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)
•TD-SCDMA (Time Division – Synchronous Code Division Multiple Access) 5.Hệ thống thông tin di động tiền 4G (pre-4G)
*Công nghệ tiền 4G là bước chuẩn bị để nâng cấp từ công nghệ 3G lên 4G, ở một số nơi, người ta còn gọi đây là mạng 3,9G Một số công nghệ tiền 4G có thể kể đến là: LTE (Long Term Evolution), WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access), UMB (Ultra Mobile Broadband).
*Nhược điểm của hệ thống thông tin di động 3G:
-Việc đạt được tốc độ truyền số liệu cao là rất khó đối với công nghệ CDMA do can nhiễu giữa các dịch vụ.
-Khó có thể tạo ra một dải đầy đủ các dịch vụ đa tốc độ với yêu cầu về hiệu năng và QoS khác nhau do những hạn chế đối với mạng lõi gây ra bởi tiêu chuẩn giao diện vô tuyến.
-Yêu cầu băng thông lớn.
-Phí dịch vụ tương đối cao.
6.Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G)
*Vào tháng 3 năm 2008, tổ chức ITU-R đã đưa ra các yêu cầu tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G) với tên gọi IMT – Advanced Theo IMT – Advanced, hệ thống thông tin di động 4G phải đáp ứng được các yêu cầu sau:
-Xây dựng dựa hệ thống mạng IP chuyển mạch gói.
-Đáp ứng được tốc độ dữ liệu đỉnh lên đến 100 Mb/s khi di chuyển với tốc độ nhanh, và 1 Gb/s khi di chuyển với tốc độ chậm (hoặc đứng yên).
-Có thể linh hoạt trong việc sử dụng và chia sẽ tài nguyên mạng để hỗ trợ số lượng lớn người sử dụng đồng thời trong một Cell.
-Độ rộng băng thông có thể thay đổi được một cách linh hoạt, phạm vi thay đổi có thể lên đến 40 MHz.
GIỚI THIỆU CHUNG
*Sự phát triển của công nghệ thông tin di động không dừng lại ở công nghệ
4G/LTE-Advanced Mỗi phiên bản mới sẽ tiếp tục nâng cao hiệu suất hệ thống với lĩnh vực ứng dụng mới.Công nghệ mới sẽ bổ sung thêm ứng dụng như kết nối điện thoại di động, tự động hóa nhà, giao thông vận tải thông minh, an ninh và sách điện tử,…
Hình 2 1:Mạng di động thế hệ 5G có thể được đưa vào năm 2020
*Theo yêu cầu của mạng 5G, sẽ có sự khác biệt lớn giữa các thế hệ hiện tại với thế hệ 5G bao gồm:
- Mức tiêu thụ pin thấp hơn, tăng tuổi thọ của pin.
- Xác suất tắc nghẽn thấp.
- Độ trễ được giảm bớt đáng kể so với LTE.
- Tốc độ nhanh hơn, cung cấp nhiều kết nối ổn định và đáng tin cậy hơn, phạm vi bao phủ tốt hơn và tốc độ dữ liệu cao ở viền tế bào giúp cho giải quyết các vấn đề liên quan đến diện tích phủ sóng (thậm chí ngay cả trên biển, nơi các trạm phát sóng trên đất liền không thể phủ sóng cũng bắt được tín hiệu 5G)
- An toàn hơn, tiết kiệm năng lượng, bổ sung thêm tính năng cho phần cứng - Đồng thời truyền được nhiều đường truyền dữ liệu.
- Khoảng tốc độ dữ liệu 1Gbps khi di động
- Hiệu quả phổ hệ thống cao hơn đáng kể so với 4G
- Web không dây trên toàn cầu (WWWW: World Wide Wireless Web), các ứng dụng web không dây dựa trên bao gồm đầy đủ các khả năng đa phương tiện vượt quá tốc độ 4G để kết nối mọi nơi trên trái đất.
- Các ứng dụng kết hợp với cảm biến nhân tạo thông minh (AI), cuộc sống của con người sẽ được bao phủ bởi các cảm biến nhân tạo có thể giao tiếp được với điện thoại di động thông minh Khả năng tương tác linh hoạt và hỗ trợ nhiều loại thiết bị khác nhau như máy tính bảng, thiết bị đeo tay, … - Không gây hại cho sức khỏe con người.
- Lệ phí lưu lương truy cập rẻ hơn do chi phí triển khai cơ sở hạ tầng thấp
*Thế hệ 5G là một công nghệ mới mà sẽ cung cấp tất cả các ứng dụng có thể, bằng cách sử dụng một thiết bị bao quát, kết nối hầu hết các cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc đã tồn tại.Các thiết bị đầu cuối 5G sẽ là một đa cấu hình lại và được kích hoạt nhận thức vô tuyến.Nó sẽ có phần mềm xác định phương pháp điều chế vô tuyến.Các mạng di động 5G sẽ tập trung vào việc phát triển các thiết bị đầu cuối sao cho có thể truy cập công nghệ mạng không dây khác nhau cùng một lúc và sẽ kết hợp các luồng khác nhau từ các công nghệ khác nhau.
*Điểm đặc biệt về cải tiến của thế hệ 5G so với những mạng thế hệ trước (dùng các trạm cở sở trên mặt đất) là mạng 5G có thể sử dụng các trạm HAPS (High Altitude Stratospheric Platform Stations)
Hình 2 2:Mô hình trạm HAPS.
*Các trạm HAPS có thể là những chiếc máy bay hoặc quả bóng được thiết kế để hoạt động ở độ cao rất thấp, treo lơ lửng ở một vị trí cố định trong thời gian dài, khoảng cách từ 17km – 22km so với mặt đất và hoạt động như một vệ tinh HAPS được cung cấp nguồn bằng pin, động cơ hoặc tế bào năng lương mặt trời Nó làm việc như một trạm phát có thể so sánh với anten cao và truyền tín hiệu bằng giao tiếp không dây Đó là kỹ thuật mới và rất tốt trong việc phục vụ dịch vụ thông tin không dây băng thông rộng Trạm HAPS cung cấp một phạm vi với bán kính khoảng tầm 30 Km Do đó có thể thiết lập duy nhất trạm HAPS thay vì phải dùng một số trạm cơ sở đặt trên mặt đất ở khu vực ngoại ô và nông thôn như ở các thế hệ trước Trạm HAPS không yêu cầu bệ phóng đắt tiền như vệ tinh mà cung cấp cho các hiệu quả chi phí cũng như có thể dễ dàng triển khai, vì vậy nó cũng được sử dụng trong trường hợp khẩn cấp hoặc tai nạn HAPS cung cấp các tuyến liên kết quan sát với công suất cao của các ứng dụng băng thông rộng Do ở trên cao có tác động của gió nêntrạm HAPS sẽ thay đổi tùy ở vị trí theo chiều dọc và chiều ngang.
Sự chuyển động này làm thay đổi, sai lệch góc nhìn các thiết bị đầu cuối trên mặt đất Nếu sự thay đổi này lớn hơn bề rộng chùm tia của anten thì yêu cầu tăng hoạt động liên kết.Nhờ sử dụng cách này nó sẽ khắc phục được nhiều hạn chế và sẽ giúp đường truyền tín hiệu được thẳng hơn và giảm tình trạng bị cản trở bởi những nhà cao tầng Do các trạm nằm ở trên cao nên sẽ có khả năng bao phủ diện tích rộng lớn giúp cho làm giảm những vấn đề về diện tích phủ sóng.
Hình 2 3: Mô hình trạm HAPS trong tương lai ( ảnh : Internet).
3.Thách thức của thế hệ 5G.
*Mặc dù đã có một số cải tiến mới ở công nghệ không dây thế hệ 5G nhưng nó vẫn có những thách thức cho sự phát triển đó là :
+ Tối ưu hóa phép đo hiệu suất: việc đánh giá của các mạng thông tin liên lạc không dây thường được đặc trưng bằng cách tính toán một hoặc hai phép đo hiệu suất, do độ phức tạp cao Đối với một đánh giá đầy đủ và công bằng của hệ thống không dây 5G, số liệu hiệu suất hơn nên được xem xét.Chúng bao gồm hiệu quả quang phổ, hiệu quả năng lượng, độ trễ, độ tin cậy, tính công bằng của người dùng, QoS, độ phức tạp thực Như vậy, có một khuôn khổ chung được để đánh giá hiệu suất của hệ thống không dây 5G
+ Mô hình kênh thực tế củahệ thống không dây 5G: mô hình thực tế kênh với độ chính xác hoàn toàn, độ phức tạp cao Chẳng hạn như hệ thống MIMO lớn, mô hình không thể áp dụng trực tiếp cho kênh MIMO lớn.
+ Tích hợp các tiêu chuẩn khác nhau: Mỗi thực hành kỹ thuật có tiêu chuẩn riêng của họ (F.eks Telecom có 3GPP, 3GPP2, ITU, IETF, vv) Để tích hợp các tiêu chuẩn khác nhau, đòi hỏi phải có cách tiếp cận có hệ thống tiêu thụ và thời gian.
+ Nền tảng phổ biến: Không có kiến trúc chung cho kết nối thực hành kỹ thuật khác nhau Một cơ quan quản lý chung là cần thiết, mà tạo ra một nền tảng chung cho tất cả các thực hành kỹ thuật để hợp thức các vấn đề kết nối liên thông cũng như chia sẻ kiến thức.
*Nhận thức vô tuyến – cách thức mới để sử dụng quang phổ: Các thế hệ di động mới thường được gán dải tần số mới và quang phổ băng thông rộng hơn cho mỗi kênh tần số Nhưng có rất ít chỗ cho các băng tần mới hoặc băng thông lớn hơn bởi vì quang phổ đã, đang và sẽ tiếp tục là một nguồn lực khan hiếm cho các ngành công nghiệp điện thoại di động thông tin liên lạc Tuy ngành công nghiệp di động có quang phổ dành riêng cho thông tin di động và được cấp phép cho một nhà điều hành nhất định Nhưng điều này có thể bao gồm việc sử dụng phổ không có giấy phép hoặc phổ chủ yếu sử dụng cho các dịch vụ truyền thông khác như là một bổ sung cho hoạt động trong phổ tần được cấp phép.Tuy nhiên, các ứng dụng của nhận thức vô tuyến để truyền thông di động là một khu vực tương đối mới và tiếp tục nghiên cứu và đánh giá tính khả thi và tác động của việc sử dụng như vậy.
*Software Defined Radio (SDR): Lợi ích từ tốc độ sử lý ngày càng cao để phát triển nhiều băng, cơ sở trạm đa tiêu chuẩn và thiết bị đầu cuối Mặc dù trong tương lai các thiết bị đầu cuối sẽ được thích ứng giao diện không gian cho các công nghệ truy nhập vô tuyến có sẵn.Hiện tại, điều này được thực hiện bởi các cơ sở hạ tầng.Một số lợi ích cở sở hạ tầng dự kiến từ SDR Ví dụ để tăng dung lương mạng tại một thời điểm cụ thể ( như trong các lễ hội hoặc các sự kiện thể thao), một nhà điều hành sẽ cấu hình lại mạng lưới của mình thêm một số modem tại một trạm thu phát gốc (BTS) Trong hệ thống 5G dự kiến, SDR sẽ trở thành một khả năng cho thiết bị đầu cuối và mạng thông qua phần mềm tải về.Đối với nhà sản xuất điều này có thể là một sự trợ giúp mạnh mẽ để cung cấp đa tiêu chuẩn, thiết bị đa băng tần với giảm nỗ lực phát triển và chi phí.
*Khả năng tương tác giữa một số loại truy cập không dây: Khả năng tương tác liền mạch giữa các mạng không đồng nhất giúp cho thành công của hệ thống 5G với công nghệ truy cập phát triển khác nhau Một giải pháp mới nhằm đảm bảo khả năng tương tác giữa một số loại truy cập mạng không dây được đưa ra bởi các phát triển chuẩn IEEE 802.21.IEEE 802.21 đang tập trung vào việc tạo điều kiện thuận lợi cho việc chuyển giao giữa mạng không dây khác nhau trong các môi trường không đồng nhất bất kể các loại phương tiện nào.Mục đích của IEEE 802.21 là để giảm bớt việc sử dụng các nút di động bằng cách cung cấp chuyển giao không bị gián đoạn trong mạng không đồng nhất.Nó sẽ đóng góp một phần quan trọng trong việc hướng đến các khả năng tương tác lại của mạng không dây 5G và hệ thống truyền thông di động.Khả năng tương tác thiết lập lại cấu hình cung cấp cho các nhà mạng với một khả năng để lựa chọn, với các khoản đầu tư tối thiểu giữa các mạng truy cập không dây thay thê.
Việc lựa chọn có thể được thực hiện dựa trên một số tiêu chí như:
- Chia sẻ phổ hiệu quả.
- Sự cân bằng và chia sẻ giữa các mạng không dây cùng tồn tại trong không gian khác nhau.
CẤU TRÚC HỆ THỐNG THÔNG TIN 5G
Cloud Computing ( điện toán đám mây)
*Cloud Computing là một công nghệ sử dụng internet và máy chủ từ xa trung tâm để duy trì dữ liệu và các ứng dụng điện toán đám mây.Trong 5G mạng máy chủ từ xa trung tâm này sẽ lưu trữ nội dung mà chúng ta cung cấp Điện toán đám mây cho phép người dùng và doanh nghiệp sử dụng các ứng dụng mà không cần cài đặt và truy nhập các tập tin cá nhân ở bất kỳ máy nào có truy cập internet.Điều đó sẽ được sử dụng trong Nanocore, nơi mà người dùng truy cập vào tài khoản riêng của mình thì nhà cung cấp nội dung toàn cầu thông qua Nanocore dưới hình thức của đám mây.
Hình 3 2: Điện toán đám mây.
*Điện toán đám mây là kỹ thuật mới và duy nhất để truy cập dữ liệu văn bản, ứng dụng, file video, file nhạc,…từ bất kỳ nơi nào mà không cần mang theo bất kỳ thiết bị lưu trữ dữ liệu Bởi tất cả các thông tin về người sử dụng điện toán đám mây có thể truy cập tất cả các dữ liệu từ bất cứ nơi nào trên thế giới vào bất kỳ lúc nào.Ví dụ như là Gmail, tất cả tài liệu được lưu trữ trên máy chủ Gmail và các quy trình được thực hiện trên đám mây.Người sử dụng cung cấp cho các lệnh sau đó quá trình xảy ra trên máy chủ của Gmail và kết quả được hiển thị trên màn hình.
*Sự phát triển của điện toán đám mây cung cấp cho nhà khai thác những cơ hội to lớn.Kể từ khi điện toán đám mây liên kết trên mạng, nó cho thấy tầm quan trong của mạng lưới và thúc đẩy phát triển mạng lưới Nó cũng đòi hỏi các nhà cung cấp dịch vụ an toàn và đáng tin cậy, Người sử dụng điện toán đám mây có thể tránh được chi phí vốn cho các Nanocore, do đó cũng làm giảm chi phí mua cơ sở hạ tầng vật lý bằng cách cho thuê sử dụng từ một nhà cung cấp bên thứ ba.
*Các phân đoạn của điện toán đám mây, được chia làm 3 phân đoạn chính như sau:
- Cơ sở hạ tầng (Infrastructure)
*Mỗi phân đoạn phục vụ cho các sản phẩm khác nhau phục vụ cho các doanh nghiệp và cá nhân với mục đích ứng dụng khác nhau.
*Về cơ bản dựa trên yêu cầu dịch vụ phần mềm.Các dịch vụ phần mềm này phải đa dạng, khác nhau và làm thế nào để phần mềm được phân phối cho người dùng cuối.
*Phân đoạn nền tảng của điện toán đám mây đề cập đến các sản phẩm được sử dụng để triển khai Internet Net Suite, Amazon, Google và Microsoft cũng đã phát triển nền tảng cho phép người dùng truy cập các ứng dụng từ máy chủ tập trung Google, Net Suite, Rack space cloud, amazon.com là những nền tảng hoạt động
*Phân đoạn thứ 3 trong điện toán đám mây được gọi là cơ sở hạ tầng và là phần quan trọng.Cơ sở hạ tầng cho phép người sử dụng xây dựng các ứng dụng.
All IP Network
*All-IP Network (AIPN) là một sự tiến hóa của hệ thống 3GPP để đáp ứng nhu cầu dịch vụ ngày càng tăng của thị trường viễn thông di động Nó chủ yếu tập trung vào cải tiến của công nghệ chuyển mạch gói, mạng AIPN cung cấp một sự phát triển liên tục và tối ưu hóa các giải pháp hệ thống nhằm tạo ra một lợi thế cạnh tranh cả về hiệu suất và chi phí All-IP dựa trên ứng dụng điện thoại di động và các dịch vụ như cổng thông tin điện thoại di động, thương mại di động, chăm sóc sức khỏe, chính phủ, ngân hàng và một số lĩnh vực khác.
*Những lợi ích của cấu trúc Flat IP là:
- Chi phí truy cập thấp.
- Kinh nghiện người dùng cải thiện
- Giảm độ trễ hệ thống
- Truy cập vô tuyến được tách riêng và phát triển mạng lõi.
*Các vấn đề quan trọng của All IP:
- Hỗ trợ cho một loạt các hệ thống truy cập khác nhau.
- Khả năng thích ứng và di chuyển từ thiết bị đầu cuối khác.
- Khả năng lựa chọn các hệ thống truy cập thích hợp.
- Cung cấp các dịch vụ ứng dụng tiên tiến.
- Khả năng xử lý hiệu quả và tối ưu.
- Mức độ bảo mật cao.
Nano technology
*Công nghệ Nano là việc áp dụng các công nghệ nano để kiểm soát quá trình trên quy mô nanomet, tức là giữa 0.1 và 100 nm Công nghệ này còn được gọi là công nghệ Nano phân tử ( MNT : Molecular Nanotechnology).Công nghệ nano được coi là cuộc cách mạng công nghiệp tiếp theo và các ngành công nghệ viễn thông sẽ được thay đổi hoàn toàn bởi nó trong tương lai Vì các ứng dụng trong tương lai sẽ yêu cầu bộ nhớ và tính toán điện năng nhiều hơn để cung cấp tốc độ dữ liệu cao hơn, mà công nghệ hiện nay không thể giải quyết được những thách thức này Do vậy công nghệ nano có thể cung cấp các giải pháp hiệu quả cho khả năng tính toán hiệu quả, cảm biến, mở rộng bộ nhớ và tương tác với người máy Công nghệ nano sẽ có tác động đáng kể trong thiết bị điện thoại di động cũng như mạng lõi như sau:
-Điện thoại di động đã trở thành một thiết bị thông tin liên lạc không thể thiếu trong thế giới công nghệ hiện đại Công nghệ nano trong thiết bị điện thoại di động giúp cho cảm biến thông minh được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp, giao thông vận tải, thông tin liên lạc, y tế, thông tin an toàn.
-Các mạng lõi đòi hỏi tốc độ, công suất cao, đáng tin cậy để tương tác ngày càng nhiều các công nghệ truy cập không đồng nhất Hiện nay công nghệ nano được sử dụng trong xử lý tín hiệu kỹ thuật số ( DSP: Digital Signal Processing).
*Trong mạng 5G, điện thoại di động nói riêng hay các thiết bị đầu cuối tích hợp công nghệ nano nói chung được xem như là các thiết bị nano Nhu cầu của con người về khai thác ứng dụng trên các thiết bị nano rất đa dạng, bao gồm nhà ở, văn phòng, nơi công cộng, việc tồn tại dày đặc các thiết bị nano tạo nên một môi trường thông minh, kích hoạt các cảm ứng, điện toán và giao tiếp Các đặc trưng của thiết bị nano như sau:
-Tự làm sạch (Self Cleaning): điện thoại có khả năng tự dọn dẹp bản thân nó.
-Tự cung cấp năng lượng (Self powerd): điện thoại có khả năng lấy năng lượng từ mặt trời, nước, hay không khí.
-Có cảm quan môi trường (Sense the environment): điện thoại sẽ cho bạn biết về thời tiết, độ ẩm, mức độ ô nhiễm, và nhiều hơn nữa.
-Mềm dẻo (Flexible): Uốn cong nhưng không bị vỡ.
-Trong suốt (Transparent): có thể “nhìn xuyên” qua điện thoại.
Hình 3 4:Các thiết bị Nano (Morph (Nokia) Nokia Humanform)
4.Cấu trúc mạng 5G giả định
Thiết bị đầu cuối đa cấu hình lại
Hình 3 5:Cấu trúc của máy thu phát của UE
Analog-to-digital conversion (ADC): Bộ biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu sốDigital-to-analog conversion (DAC): Bộ biến đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tựDigital down converter (DDC) : Bộ biến đổi xuống tín hiệu số.
Digital up-converter (DUC) : Bộ biến đổi lên tín hiệu số
*Tín hiệu nhận được từ anten đi qua bộ thu Rx của bộ RF sau đó được đưa đến bộ ADC để chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, tiếp đến đưa vào bộ DDC để biến đổi xuống của tín hiệu số và các tín hiệu này được đưa vào bộ xử lý băng gốc ( Base-band Processing) và bộ xử lý dữ liệu để đưa tới người sử dụng.
*Nếu từ người sử dụng thì tín hiệu đi qua bộ xử lý dữ liệu sau đó đến bộ xử lý băng gốc rồi cho đi qua bộ DUC để biến đổi lên của tín hiệu số và được cho qua bộ DAC là để biến đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự, sau đó đưa đến bộ phát Tx rồi phát đi.
Công nghệ đa lõi cấu hình lại(Reconfigurable Multi-Technology Core
*Thách thức chính đối với một công nghệ đa lõi cấu hình lại là để giải quyết việc gia tăng sô thuê bao Các công nghệ truy cập vô tuyến khác nhau dựa trên khả năng tương tác và cơ chế.Cốt lõi của sự hội tụ của công nghệ Nano nói trên, điện toán đám mây, nhận thức vô tuyến và dựa trên tất cả các nền tảng IP.Lõi cấu hình lại thay đổi các chức năng truyền thông tùy thuộc và mạng trạng thái và người dùng yêu cầu.Việc cấu hình lại có thể trong cả hai phần cứng và phần mềm Cấu hình lại phần cứng chủ yếu là thực hiện bởi nhà điều hành, thêm các thiết bị bổ sung để tăng năng lực mạng lưới cụ thể trong một thời gian Tuy nhiên, trong việc cấu hình lại ở phần mềm với sức mạnh của SDR thì là tự động cấu hình lại Có nghĩa là các chương trình (chạy về việc xử lý cấu hình lại các yếu tố) cũng như các liên kết truyền thông giữa các yếu tố chế biến được cấu hình lại tại thời gian chạy.Các yếu tố xử lý khác nhau được sử dụng cho các mục đích khác nhau Mục đích chung của bộ vi xử lý là hoàn toàn có thể lập trình để thực hiện các nhiệm vụ tính toán khác nhau.
Hình 3 6:Cấu trúc của công nghệ đa lõi cấu hình lại
-Local Reconfiguration Database (LRD): Cơ sở dữ liệu thiết lập lại cấu hình địa phương
-Reconfiguration Data models (RDM):Mô hình dữ liệu cấu hình lại
-Reconfiguration Control and Management unit (RCM): Điều khiển tái cấu hình lại và đơn vị quản lý.
-Cloud Computing Resources (CCR): Nguồn tài nguyên điện toán đám mây
-Reconfigurable Serving Gateway (RS-GW): Cổng phục vụ cấu hình lại
-Reconfigurable Packet data network Gateway (RP-GW):Cổng mạng dữ liệu gói cấu hình lại
-Reconfigurable-Interoperability Control (RIC): Điều khiền tương tác cấu hình lại - Mobility Management Entity (MME) : Tổ chức quản lý tính di động
-Home Subscriber Database (HSD): Cơ sở dữ liệu nhà thuê bao
*Hình vẽ cho thấy một cấu trúc cấp cao của mạng lõi cấu hình lại, một sự tiến hóa của các Evolved Packet Core (EPC) của mạng 4G Cở sở dữ liệu cấu hình lại địa phương (LRD) gắn liền với mô hình dữ liệu cấu hình lại (RDM) được kết nối với cổng thông qua kiểm soát và quản lý đơn vị (RCM) RCM cũng được kết nối với nguồn tài nguyên điện toán đám mây (CCR) để liên kết mạng lõi với cơ sở dữ liệu cấu hình lại từ xa (RRD) Các đơn vị cơ bản của EPC được tăng cường với khả năng cấu hình lại như cổng phục vụ cấu hình lại (RS-GW) và cổng mạng dữ liệu gói cấu hình lại (RP-GW) RS-GW được liên kết với các công nghệ truy cập khác nhau thông qua đơn vị điều khiển tương tác cấu hình lại (RIC) RIC kiểm soát quá trình liên kết khả năng hoạt động giữa các công nghệ truy cập không đồng nhất và cho phép RS-GW để chuyển tiếp và nhận các gói tin đến và đi từ các trạm cơ sở lựa chọn eNB để phục vụ cho UE Để phục vụ người sử dụng với tất cả IP dựa trên các ứng dụng di động và dịch vụ, giao diện RP-GW, qua CCR với Internet và các mạng dữ liệu gói khác ( PDNs) Các tổ chức quản lý di động MME như là chỉ có một đối tượng để truyền tín hiệu, liên kết RS-GW cho chủ thuê bao cơ sở dữ liệu (HSD).
Hình 3 7: Cấu trúc mạng 5G giả định
*Hình 3.7 Cho thấy một đề xuất cấu trúc mạng 5G Tất cả các IP dựa trên các ứng dụng di động và các dịch vụ như cổng thông tin di động, thương mại di động, chăm sóc sức khỏe di động, … được cung cấp thông qua đám nguồn tài nguyên điện toán đám mây (CCR) CCR nối công nghệ đa lõi cấu hình lại (RMTC) với dữ liệu cấu hình lại từ xa (RRD) gắn liền với mô hình dữ liệu cấu hình lại ( RDM) RMTC được kết nối với công nghệ truy cập vô tuyến khác nhau, từ 2G/GERAN đến chuẩn khác cũng được kích hoạt như IS/95, EV-DO, CDMA2000,… Khả năng tương tác quá trình tiêu chuẩn và cơ chế cho phép cả hai thiết bị đầu cuối và RMTC để lựa chọn từ các hệ thống truy cập không đồng nhất ở trên.
PHÂN TÍCH CÁC KỸ THUẬT TRONG TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN SỐ SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG 5G
Filtered – OFDM
*Filtered-OFDM là một thành phần cơ bản của công nghệ dạng sóng nhằm hỗ trợ các dạng sóng khác nhau, cơ chế đa truy nhập và cấu trúc khung dựa trên các yêu cầu của ứng dụng và dịch vụ Nó có thể đơn giản hóa sự cùng tồn tại của các dạng sóng khác nhau với các tham số OFDM khác nhau như trong hình 4.3 Trong hình này ba bộ lọc băng con được sử dụng để tạo ra nhóm sóng mang con OFDM với 3 độ rộng giữa các sóng mang con khác nhau, độ dài ký hiệu OFDM khác nhau và thời gian bảo vệ khác nhau Bằng cách cho phép thiết lập các tham số, filtered-OFDM sẽ lựa chọn các tham số tối ưu cho mỗi nhóm dịch vụ và do đó tăng hiệu suất của cả hệ thống.
Hình 4 3: Filtered-OFDM giúp mềm dẻo các tham số dạng sóng
Đa truy nhập mã thưa ( SCMA )
*Đa truy nhập mã thưa (Sparse code multiple access (SCMA)) là một cấu hình dạng sóng khác của giao diện vô tuyến mới Dạng sóng không trực giao này đơn giản hóa cơ chế đa truy nhập mới trong đó các từ mã (codeword) thưa của các lớp các thiết bị được đặt trong mã và miền công suất và được truyền qua tài nguyên tần số - thời gian chung Thông thường, ghép kênh của các thiết bị bị quá tải nếu số lượng lớp lớn hơn chiều dài của từ mã ghép kênh Tuy nhiên, với SCMA, sự quá tải được giải quyết với mức độ giải mã phức tạp trung bình do giảm kích thước của ma trận SCMA đa chiều và sự thưa của từ mã SCMA Trong SCMA, các bit mã được ánh xạ trực tiếp với từ mã thưa đa chiều được lựa chọn từ sách mã (codebook) SCMA của lớp đó Sự phức tạp của giải mã được điều khiển thông qua hai tham số chính Một là mức thưa của từ mã, và thứ hai là sử dụng chòm sao đa chiều với số lượng ít hình chiếu trên mỗi chiều Một ví dụ về ghép kênh với sách mã hình chiếu ít và kết quả ánh xạ được miêu tả trong hình 3.4 Các bit giải mã của thiết bị trước tiên được ánh xạ với từ mã từ sách mã Trong ví dụ, sử dụng từ mã có độ dài là 4. Sách mã hình chiếu ít sẽ giảm chòm sao (từ 4 điểm xuống 3 điểm) Hơn nữa, mỗi điểm (nghĩa là “00”) có thành phần khác 0 chỉ có 1 lần Sách mã có một thành phần khác không được gọi là sách mã zeroPAPR.
*Ngoài ra, kỹ thuật thu đa thiết bị mù có thể được áp dụng để xác định hoạt động của thiết bị và thông tin chúng sử dụng ngay lập tức Với khả năng xác định mù này, đa truy nhập tự do sẽ được hỗ trợ Đa truy nhập tự do là cơ chế loại bỏ các yêu cầu động và cho phép báo hiệu trước Đó là một giải pháp hữu hiệu cho truyền tải các gói nhỏ SCMA cho phép đa truy nhập tự do Do các lợi ích này, SCMA có thể hỗ trợ kết nối lớn, giảm trễ truyền và tiết kiệm năng lượng.
Hình 4 4: Ghép kênh SCMA và chòm sách mã thấp
3.Mã kênh mới - Mã cực.
*Mã cực là đột phá quan trọng trong lý thuyết mã Chúng có thể đạt được dung lượng Shannon với bộ mã hóa đơn giản và với bộ giải mã khử liên tục (SC) khi kích thước khối mã đủ lớn Có nhiều nghiên cứu về mã cực trong thiết kế thuật toán mã hóa và giải mã Một trong những thuật toán giải mã quan trọng nhất là giải mã SC- list với kích thước danh sách là 32 đối với kích thước khối mã vừa phải Các mô phỏng đã cho thấy mã cực nối với nhau với mã dư thừa chu kỳ (CRC) và bộ giải mã SC-list thích ứng có thể tạo mã turbo/LDPC (Low Density Parity Check) ngắn và kích thước khối mã vừa phải Mã cực hoạt động tốt hơn tất cả các loại mã hiện tại đang được sử dụng cho hệ thống 4G LTE, đặc biệt đối với mã ngắn, do vậy nó được coi là ứng cử viên cho mô-đun FEC trong thiết kế giao diện vô tuyến 5G.
4.Kỹ thuật phân chia chùm tín hiệu đa truy nhập – BDMA.
*Khi trạm nền giao tiếp với trạm điện thoại, chùm sóng trực giao sẽ được phân phát xuống các trạm điện thoại Kĩ thuật BDMA của phát minh hiện tại phân chia ăn-ten theo vị trí của các trạm điện thoại để có thể thực hiện đa truy cập, vì vậy dung lượng tín hiệu của hệ thống được nâng cao Trạm nền và trạm điện thoại truyền tín hiệu theo một đường thẳng Line of Sight (LoS) Khi hai trạm biết được chính xác vị trí của nhau, chúng có thể truyền các chùm sóng trực tiếp cho nhau mà không quấy rầy đến các trạm biên.
-Khi trạm điện thoại đã được định vị bời nhiều hướng khác nhau và đều hướng về trạm nền, trạm nền sẽ truyền những chùm chùm sóng đồng thời theo các hướng khác để truyền dữ liệu đến trạm điện thoại.
-Một trạm điện thoại không chỉ nhận chùm sóng từ một trạm nền,những trạm điện thoại cùng một hướng với trạm nền có thể chia sẻ một chùm sóng giao tiếp với trạm nền.
-Trạm điện thọai chia sẽ chùm sóng phân chia cùng nguồn tần số/ thời gian và nguồn sóng trực giao.
-Trạm nền có thể thay đổi hướng, số lượng và độ rộng của chùm sóng một cách thích nghi và dễ dàng theo sự thay đổi môi trường truyền của trạm điện thoại.
-Chùm sóng có thể phân chia làm ba chiều, có thể tối đa việc tái sử dụng không gian tần số/ thời gian.
-Trong bước đầu kết nối, trạm nền và trạm điện thoại chưa biết vị trí của nhau, trạm điện thoại sẽ dò sóng và tốc độ truyền, và gửi thông tin đó cho trạm nền.
-Tiếp theo, trạm nền sẽ tính toán hướng và độ rộng của của chùm sóng tín hiệu phát xuống dựa và hướng và tốc độ mà đã nhận được từ trạm điện thoại.
-Về sau, Trạm nền sẽ phát chùm tín hiệu xuống cho trạm điện thoại theo các thông
-Khi trạm điện thoại nhận được tín hiệu gửi từ trạm nền, nó sẽ dò hướng của tín hiệu phát xuống để xác định hướng của tín hiệu gửi lên, và gửi chùm tín hiệu lên cho trạm nền.
-Sau khi trạm điện thoại và trạm nền hình thành đường truyền, sẽ có một chùm sóng cập nhật được gửi theo chu kì để duy trì kết nối giữa hai trạm.
-Gói tin trong Phân chia cặp tần số- chùm sóng đa truy cập Frequency Division Duplex- BDMA (FDD-BDMA) và Phân chia cặp thời gian- chùm sóng đa truy cập Time Division Duplex- BDMA (TDD-BDMA) là giống nhau Chỉ khác nhau khi thông tin trạm nền được định vị bởi phân chia tần số (FDD) chứ không phải bằng phân chia thời gian (TDD) Các chùm sóng được trạm nền quảng bà là đượ phân chia theo tần số, chỉ những chùm sóng trong việc hình thành kết nối ban đầu là phân chia theo thời gian.
-Kĩ thuật BDMA có thể được ứng dụng cho việc thiết kế các phần tử của hệ thống giao tiếp không dây cho thế hệ truyền thông di động tiếp theo Các nhà nghiên cứu và phát triển Hàn Quốc đề xuất sử dụng BDMA như là giao diện vô tuyến cho 5G.
5.Đa truy cập không trực giao ( NOMA ) cho mạng 5G.
*Trong chương này sẽ tìm hiểu khái niệm phương pháp tiếp cận đa truy cập không trực giao (NOMA) cho mạng 5G sắp tới Tất cả các mạng di động hiện tại thực hiện các kỹ thuật như đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA), đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA), đa truy cập phân chia mã (CDMA) hoặc đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) với nhau Tuy nhiên, những kỹ thuật này không thể đáp ứng được nhu cầu cao của các hệ thống truy cập vô tuyến trong tương lai *Trong TDMA, thông tin cho mỗi người dùng được gửi trong các khe thời gian không trùng lặp, do đó các mạng dựa trên TDMA yêu cầu đồng bộ hóa chính xác thời gian Chẳng hạn như OFDMA phân chia theo tần số trực giao, thông tin cho mỗi người dùng được gán cho một tập con của các sóng mang phụ. CDMA sử dụng mã để tách người dùng trên cùng một kênh NOMA về cơ bản là khác với các chương trình đa truy cập này cung cấp truy cập trực tiếp tới người dùng theo thời gian, tần số, mã hoặc không gian Trong NOMA, mỗi người sử dụng hoạt động trong cùng một dải tần và cùng một lúc, được phân biệt bởi mức năng lượng của chúng NOMA sử dụng sự chồng chéo mã hóa ở máy phát để máy thu có thể thực hiện kỹ thuật tự hủy nhiễu (SIC – Self - Interference Cancellation).
*NOMA đã được đề xuất như một công nghệ truy cập vô tuyến tiếp theo cho các hệ thống cell 5G Việc thực hiện thực tế NOMA trong mạng di động đòi hỏi công suất toán cao để thực hiện phân bổ năng lượng theo thời gian thực và các thuật toán hủy liên tục Đến năm 2020, khi mạng 5G được triển khai, khả năng tính toán của cả thiết bị cầm tay và điểm truy cập dự kiến sẽ đủ cao để chạy thuật toán NOMA.
5.1.Đa truy cập không trực giao (NOMA)