Lời mở đầu Hệ ống thông tin di động 5G là thế hệ mạng di động tiếp theo của hệ ống 4G th thhiện tại,cũng là tương lai của công nghệ LTE hiệ ại.Trong thế ới số ện nay thì n t gi hicác cu
quan về đề tài
Lịch sử phát triển của hệ ống thông tin di động th 12 1.Hệ ống thông tin di động thế hệ ứ th th nhất(1G)
Hệ ống thông tin di động là hệ th thống liên lạc thông qua sóng điệ ừ, tạn t i đó người dùng có thể vừa liên lạc, vừa di chuyển được Các dịch vụ ện thoại di đi động xuất hiện vào đầu những năm 1960 và phát triển không ngừng cho đến thời điểm hi n tại Cứ trung bình một thập kỷ, chúng ta sẽ ứng kiế ự ất hiện củệ ch n s xu a một thế hệ thông tin di động mới Thế hệ đầu tiên (1G) khởi đầ ừ ững năm u t nh cuối của thập kỷ 70 và đầu thập kỷ 80, đây là thệ thống thông tin di động tương tự cung cấp các dịch vụ thoại Thế hệ ứ 2 (2G) bắt đầth u nổi lên từ ững năm đầnh u của thập kỷ 90, thế hệ ứ 2 là công nghệ di động kỹ thuật số, cung cấth p dịch vụ thoại và cả dữ ệu Thế hệ ứ 3 (3G) bắt đầu xuất hiệ ừ năm 2001 tại Nhật Bản, li th n t đặc trưng bởi việc cung cấp dịch vụ thoại, dữ ệu và đa phương tiệli n với tốc độ cao Thế hệ 4G được thương mại hóa vào những năm 2012 trở đi, cung cấp các dịch vụ truyền d li u với tốữ ệ c độ cao hơn thế hệ 3G rất nhiều.
Hình 1.1.Lịch sử phát triển của hệ ống thông tin di độth ng
1.1 1.Hệ thống thông tin di độ ng th ế hệ ứ th nh ất(1G)
Hệ ống thông tin di động 1G là mạng ện thoại di động đầu tiên của nhân th đi loại, được khơi mào ở Nhật vào năm 1979 Hệ ống thông tin di động 1G ứng th dụng các công nghệ truyền dẫn tương tự để truyền tín hiệu thoại, sử dụng phương thức đa truy nhập phân chia theo tầ ố (FDMA) và điền s u chế tầ ố (FM).n s Đặc ể đi m của hệ ống 1Gth
• Dùng kĩ thuật chuyển mạch tương tự
• Dịch vụ đơn thuần là thoại
• Mỗi máy di động đượ ấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông c c tuyến
• Nhiễu giao thoa do tầ ố các kênh lân cận là đáng kể – n s
• Trạm thu phát gốc phải có bộ thu phát riêng làm việ ới mỗi máy di động.c v
Một số hệ ống thông tin di động 1G nổi bật nhưth
• NMT (Nordic Mobile Telephone): được phát triển ở một số nước Bắc Âu vào năm 1982.Có 2 tiêu chuẩn khác nhau là NMT-450 sử dụng băng tần 450MHz và NMT-900 sử dụng băng tần 900MHz
• TACS (Total Access Communications Systems) : triển khai đầu tiên tại Ânh vào năm 1985 và được phát triển ti p ế ở một số nước Bắc Âu và Trung Âu.TACS sử dụng băng tần 900MHz
• AMPS (Avanced Mobile Phone Systems) :được triển khai đầu tiên vào năm
1980 ở Mỹ và sau đó phát tiển ở các nước như Úc, AMPS sử dụng băng tần 800MHz
1.1.2.Hệ ống thông tin di động thế hệ ứ 2(2G) th th
Hệ ống thông tin di động 2G đượth c 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 Đặc điểm của 2G:
• Phương thức đa truy nhập: TDMA và CDMA băng hẹp
• Dung lượng tăng,chất lượng thoại tốt hơn so với 1G
Hệ ống thông tin di động 2G điển hình nhất là hệ ống GSM ợc triển khai th th đư đầu tiên vào năm 1990 ở các nước Châu Âu GSM sử dụng kĩ thuật đa truy nhập TDMA có tốc độ từ 6-13 kb/s.
Một số ưu điểm của 2G so với 1G là:
• Sử dụng các kĩ thuật tiên tiến hơn nên hiệu suất sử dụng phổ cao hơn
• Hệ ống số ống nhiễu đượ ử dụng hiệth ch c s u quả hơn làm tăng chất lượng thông tin
• Dung lượng kênh truyền tăng
1.1.3.Hệ ống thông tin di động thế hệ ứ 3 (3G) th th Để đáp ứng nhu cầ ử dụng thông tin di động ngày càng tăng cả về số ợng, u s lư tốc độ lẫn chất lượng của người sử dụng, Liên minh viễn thông quố ế ITU c t (International Telecommunication Union) đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hóa thông tin di động thế hệ ứ ba (3G) với tên gọi IMT-2000 (International Mobile th 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 ống thông tin di động th hiện có để đảm bảo sự phát triển liên tục của thông tin di động
Nhiều tiêu chuẩn cho IMT-2000 đã được đ xuề ất, 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 đề ử dụng công nghệ u s Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access) Điều này cho
Các yêu cầu kĩ thuật tối thiểu của hệ ống thông tin di động 5G:th
• Tốc độ dữ liệu đỉnh đường xuống là 20 Gbps và đường lên là 10 Gbps.
• Hiệu suất sử dụng phổ tần đỉnh đường xuống là 30 bit/s/Hz và đường lên là
• Tốc độ dữ ệu người dùng trải nghiệm đường xuống là 100 Mbps và đường li lên là 50 Mbps
• Lưu lượng đường xuống theo vùng 10Mb/s/m2 đối với Hotspot trong nhà
• Độ ễ trên giao diện người dùng là 4 mili giây (ms) cho ứng dụng eMBB và tr
1 ms cho ứng dụng URLLC, độ trễ trên giao diện điều khiển là 20 ms
• Mật độ kết nối: 1 triệu thiết bị / km2
• Băng thông tối thiểu là 100 MHz và cho phép hỗ ợ băng thông lên đến 1 tr GHz khi hoạt động ở băng tần trên 6 GHz
Từ các yêu cầu kĩ thuật trên có thể rút ra các yêu cầu chính cho hệ ống 5G:th
• Tốc độ siêu cao và độ trễ thấp
• Mạng linh hoạt và thông minh
• Hoạt động tin cậy và an toàn
• Năng lượng và hiệu quả chi phí
2.3.Kiến trúc nền tảng của hệ ống 5G th Để đạt được các yêu cầu chính cho hệ ống 5G thì cầth n một nề ảng để n t thực hiện được.Cấu trúc nề ảng của hệ ống 5G bao gồm 3 thành phần chính:n t th
• Các dịch vụ đổi mới
• Nền tảng của các dịch vụ đổi mới
• Cơ sở hạ tầng tốc độ cao
Hình 2.5 ến trúc tổng quát của hệ ống 5GKi th
Lớp trên cùng là dịch vụ, đó là Dịch vụ đổi mới, đáp ứng yêu cầu 5G là cung cấp trải nghiệm người dùng mới Bên dưới đó là Nề ảng cho phép, một nền tảng n t phần mềm, trên đó một loạt các chức năng mạng viễn thông phức tạp có thể được thực hiện hiệu quả và một động cơ thông minh có thể được gắn kết Ở phía dưới là Cơ sở hạ tầng siêu kết nối là cơ sở hạ tầng phần cứng của các mạng viễn thông, đóng vai trò như một đường dẫn dữ liệu h trợ kết nối tốỗ c độ cao và siêu cao qua ủ sóng mạng kết nối mật độ cao.ph
2.3.1.Các dịch vụ đổi mới
Về dịch vụ mạng, hệ ống thông tin di động 5G sẽ tách ra khỏi các thế hệ công th nghệ ễn thông trước đây vì trải nghiệm của khách hàng vượt quá giới hạn thờvi i gian và địa điểm, điều này sẽ được kích hoạt bởi việc truyền d liệu cực nhanh và ữ giao diện người dùng sáng tạo Ví dụ như tốc độ dữ liệu Gbps sẽ có sẵ ở mọi lúc n và mọi nơi trên các thiết bị đa phương tiện có độ phân giải cao bao gồm UHD và 4K, công nghệ 5G sẽ cho phép người dùng tận hưởng các dịch v thực tụ ế, ví dụ như chăm sóc sức khỏe từ xa, thự ế ảo và hình ba chiều, các dịc t ch vụ IoT (Internet of Things)
Hình 2.6.Các dịch vụ đổi mới sáng tạo của 5G
5G Enabling Platform cung cấ khuôn khổ địp nh hướng phần mềm và giao diện dựa trên các nguyên tắ ủa các hệ ều hành (một số hệ ều hành phổ ến hiệc c đi đi bi n nay như iOS, Android, crosoft,…) để tạo ra giá trị khác biệt thông qua một loạMi t các dịch vụ sáng tạo Một chức năng cốt lõi của 5G Enabling Platform là cung cấp nền tảng Network- -a-Serviceas cho phép cấu hình và có thể thay đổi đượ ất cả c t các chức năng viễn thông và dịch vụ Giao diệ ập trình ứng dụng n l API là một giao diện mà một hệ ống máy tính hay ứng dụng cung cấth p để cho phép các yêu cầu dịch vụ có thể được tạo ra từ các chương trình máy tính khác, hoặc cho phép dữ liệu có thể ợc trao đổi qua lại giữa chúng Đối vớđư i API cho 5G, vì là nề ảng cho n t các dịch vụ mới nên các nhà phát triển cần phát triển một hệ sinh thái API mới để hỗ trợ cho các IoT mới Ngoài Network- -a-Serviceas và I ra, nề ảng mạng là AP n t hỗ trợ đắ ực cho 5G Enabling Platform này.c l
Các ứng dụng, trò chơi điệ ử hay mới hơn là các dịch vụ đổi mới ngày nay n t đang có xu hướng kết nối người dùng lại với nhau Cá ịch vụ truyền hình tại Việc d t Nam đang dần chuyển qua truyền hình số hay còn gọi là truyền hình IP.Do vậy, một bức tranh tổng thể về mạng internet là các dịch vụ số - dịch vụ IP Từ đó, nền tảng All-IP và là công nghệ All-IP sẽ là một bước tiến mạ Song song đó là công nh nghệ mạng được xác định bởi phần mềm SDN sẽ là những trợ thủ đắ ực cho 5G c l Enabling Platform
Ngoài ra còn 2 công nghệ có thể làm nền tảng cho 5G Enabling Platform đó là:
• NFV (Network Functions Virtualization) là một công nghệ để xây dựng đám mây bằng ảo hóa một phần cứng
• Virtualized RAN: một công nghệ để tập trung và ảo hóa DU (Digital Unit) của một trạm gốc thành một đám mây dựa trên phần cứng (H/W – Hardware) tiêu chuẩn và xử lý tín hiệu RAN trong thời gian thực
Hình 2.7.Tổng quan 5G Enabling Platform
2.3.3.Cơ sở hạ tầng siêu kết nối Để đáp ứng lưu lượng dữ liệu gấp 1000 lần so với 4G và hỗ trợ kết nối Massive, các công nghệ mạng mới đang được thảo luận là những công nghệ 5G tiềm năng nên được kết hợp để cấu hình cơ sở hạ tầng siêu kết nối Điều này cần phát triển một loạt các công nghệ thành phần 5G để tăng phân chia cell, cải thiện hiệu quả quang phổ, mở rộng băng thông tần số và tăng hiệu quả ạt động của mạng hoTăng cường sự phân a cell, đặchi c biệt là tối đa hóa khả năng của vùng phủ thông qua các kiểu cấu tạo cell bao gồm cell nhỏ cực nhỏ, các phầ ử di chuyển, thiết bị n t cá nhân và D2D, là những công nghệ cốt lõi để đáp ứng yêu cầu tăng 1000 lần sức chứa dữ ệu Ngoài ra, khả năng của các hệ ống 5G có thể ợc tăng lên bằng li th đư cách áp dụng các công nghệ khác nhau để nâng cao hiệu suất quang phổ như điều chế mới / đa truy cập, massive MIMO và sự ối hợp nhiễu sóng trong khi mở ph rộng băng thông ở các dải tầ ố cao hơn n s (cm / mm wave) Cuối cùng, các công nghệ đa dạng để nâng cao hiệu qu hoả ạt động của mạng bao gồm Multi-RAT SON, tiên tiến và IoT dựa trên nền di động sẽ giúp độ tin cậy của hệ ống mạng 5G và th năng lượng
Hình 2.8 Cơ sở hạ tầng 5G hỗ trợ tốc độ dữ ệu cực cao và kết nối lớnli
2.4.Các ại công nghệ lo thực hiện 5G
Từ cấu trúc của 5G như đã phân tích ở ần 2.3 có thể tạo nên 5 giá trị lớph n của 5G
5 giá trị lớ ủa 5G là:n c
• Trải nghiệm người dùng (User experience)
• Khả năng kết nối (Connectivity)
Kiến trúc nền tảng của hệ thống thông tin di động 5G
Các yêu cầu chính cho hệ ống thông tin di động 5G th 20 2.3.Kiến trúc nề ảng của hệ ống 5G .n tth 22 2.3.1.Các dịch vụ đổi mới
5G Enabling Platform cung cấ khuôn khổ địp nh hướng phần mềm và giao diện dựa trên các nguyên tắ ủa các hệ ều hành (một số hệ ều hành phổ ến hiệc c đi đi bi n nay như iOS, Android, crosoft,…) để tạo ra giá trị khác biệt thông qua một loạMi t các dịch vụ sáng tạo Một chức năng cốt lõi của 5G Enabling Platform là cung cấp nền tảng Network- -a-Serviceas cho phép cấu hình và có thể thay đổi đượ ất cả c t các chức năng viễn thông và dịch vụ Giao diệ ập trình ứng dụng n l API là một giao diện mà một hệ ống máy tính hay ứng dụng cung cấth p để cho phép các yêu cầu dịch vụ có thể được tạo ra từ các chương trình máy tính khác, hoặc cho phép dữ liệu có thể ợc trao đổi qua lại giữa chúng Đối vớđư i API cho 5G, vì là nề ảng cho n t các dịch vụ mới nên các nhà phát triển cần phát triển một hệ sinh thái API mới để hỗ trợ cho các IoT mới Ngoài Network- -a-Serviceas và I ra, nề ảng mạng là AP n t hỗ trợ đắ ực cho 5G Enabling Platform này.c l
Các ứng dụng, trò chơi điệ ử hay mới hơn là các dịch vụ đổi mới ngày nay n t đang có xu hướng kết nối người dùng lại với nhau Cá ịch vụ truyền hình tại Việc d t Nam đang dần chuyển qua truyền hình số hay còn gọi là truyền hình IP.Do vậy, một bức tranh tổng thể về mạng internet là các dịch vụ số - dịch vụ IP Từ đó, nền tảng All-IP và là công nghệ All-IP sẽ là một bước tiến mạ Song song đó là công nh nghệ mạng được xác định bởi phần mềm SDN sẽ là những trợ thủ đắ ực cho 5G c l Enabling Platform
Ngoài ra còn 2 công nghệ có thể làm nền tảng cho 5G Enabling Platform đó là:
• NFV (Network Functions Virtualization) là một công nghệ để xây dựng đám mây bằng ảo hóa một phần cứng
• Virtualized RAN: một công nghệ để tập trung và ảo hóa DU (Digital Unit) của một trạm gốc thành một đám mây dựa trên phần cứng (H/W – Hardware) tiêu chuẩn và xử lý tín hiệu RAN trong thời gian thực
Hình 2.7.Tổng quan 5G Enabling Platform
2.3.3.Cơ sở hạ tầng siêu kết nối Để đáp ứng lưu lượng dữ liệu gấp 1000 lần so với 4G và hỗ trợ kết nối Massive, các công nghệ mạng mới đang được thảo luận là những công nghệ 5G tiềm năng nên được kết hợp để cấu hình cơ sở hạ tầng siêu kết nối Điều này cần phát triển một loạt các công nghệ thành phần 5G để tăng phân chia cell, cải thiện hiệu quả quang phổ, mở rộng băng thông tần số và tăng hiệu quả ạt động của mạng hoTăng cường sự phân a cell, đặchi c biệt là tối đa hóa khả năng của vùng phủ thông qua các kiểu cấu tạo cell bao gồm cell nhỏ cực nhỏ, các phầ ử di chuyển, thiết bị n t cá nhân và D2D, là những công nghệ cốt lõi để đáp ứng yêu cầu tăng 1000 lần sức chứa dữ ệu Ngoài ra, khả năng của các hệ ống 5G có thể ợc tăng lên bằng li th đư cách áp dụng các công nghệ khác nhau để nâng cao hiệu suất quang phổ như điều chế mới / đa truy cập, massive MIMO và sự ối hợp nhiễu sóng trong khi mở ph rộng băng thông ở các dải tầ ố cao hơn n s (cm / mm wave) Cuối cùng, các công nghệ đa dạng để nâng cao hiệu qu hoả ạt động của mạng bao gồm Multi-RAT SON, tiên tiến và IoT dựa trên nền di động sẽ giúp độ tin cậy của hệ ống mạng 5G và th năng lượng
Hình 2.8 Cơ sở hạ tầng 5G hỗ trợ tốc độ dữ ệu cực cao và kết nối lớnli
2.4.Các ại công nghệ lo thực hiện 5G
Từ cấu trúc của 5G như đã phân tích ở ần 2.3 có thể tạo nên 5 giá trị lớph n của 5G
5 giá trị lớ ủa 5G là:n c
• Trải nghiệm người dùng (User experience)
• Khả năng kết nối (Connectivity)
Qua khảo sát và tìm hiểu về khái niệm cũng như nội dung của 3 lớp nền tảng thì ta có thể rút ra 11 loại công nghệ cốt lõi tạo nên 5 giá trị như trên
11 loại công nghệ liên kết với nhau tạo nên 5 giá trị lớn như hình vẽ
Hình 2.9.Các loại công nghệ chính tạo nên 5 giá trị cốt lõi của hệ ống 5Gth
Theo thứ tự là 11 loại công nghệ chính
• Trải nghiệm người dùng thự ế và xử lý nội dung 5Gc t
• Xử lý hiệu quả và truyền tải đa phương tiện
• Mạng toàn cầu dựa trên nề ảng đám mâyn t
• Mạng thông minh và tối ưu hóa mạng dựa trên công nghệ phân tích
• Mạng lưới vậ ải linh hoạt / nhanhn t
• Hoạt động nâng cao cho Multi-cell
• Cell nhỏ, siêu dày đặc
• Băng tần rộng RF & chùm tia 3D
• Tăng cường công nghệ nhiều anten và Massive MIMO
• Nâng cao IoT và dạng sóng mới Đối với trải nghiệm người dùng, các công nghệ cốt lõi bao gồm xử lý nội dung và truyền dẫn đa phương tiện cho dịch vụ trải nghiệm thực tế Các công nghệ chính liên quan đến kết nối bao gồm các cell nhỏ siêu dày đặc, tần số cao / MIMO băng rộng và các chương trình nâng cao cho hiệu quả quang phổ ủ yếu đượch c đặt trên lớp Cơ sở hạ tầng Các công nghệ thông minh và độ tin cậy chủ yếu dựa trên nề ảng cho phép bao gồn t m các công nghệ được vận hành và kiểm soát thông minh, linh hoạt bằng cách phân tích ảo hóa Cuối cùng, các công nghệ đa dạng để nâng cao hiệu quả ạt động trên nền tảng cho phép và lớp cơ sở hạ ho tầng được kết nối hiệu quả
Từ phân tích các thách thức,yêu cầ ừ đó đưa ra cấu trúc nề ảng của hệ ống u t n t th thông tin di động 5G.Ta có thể rút ra 5 giá trị lớn và cốt lõi và 5G đem lại Để đạt được 5 giá trị lớn đó thì cần 11 loại công nghệ thực hiện tương ứng với 3 lớp cấu trúc của hệ thống 5G.Chi tiết về 11 loại công nghệ sẽ ợc trình bày ở đư chương 3.
Kết luận chương 2
Từ phân tích các thách thức,yêu cầ ừ đó đưa ra cấu trúc nề ảng của hệ ống u t n t th thông tin di động 5G.Ta có thể rút ra 5 giá trị lớn và cốt lõi và 5G đem lại Để đạt được 5 giá trị lớn đó thì cần 11 loại công nghệ thực hiện tương ứng với 3 lớp cấu trúc của hệ thống 5G.Chi tiết về 11 loại công nghệ sẽ ợc trình bày ở đư chương 3.
loại công nghệ ực hiệ th n 5G
Tăng cường công nghệ nhiều anten và Massive MIMO
• Beamforming: là một công nghệ tập trung tín hiệu và hướng nó trực tiếp vào mục tiêu cụ ể thay vì phát sóng tín hiệu wifi lan toả trong một khu th vực rộng lớn
• Thông tin phản hồi CSI / CQI: Một kỹ thuật tăng độ chính xác của CSI và
CQI có thể thu đượ ừ ạm gốc t tr c đồng thời giảm thiểu tín hiệu đường lên.
Hệ thống truyền thông Massive MIMO được đề ất vào năm 2010 và nó đã su thu hút sự quan tâm của giới viễn thông Vào năm 2013, một số đặc biệt của tạp chí IEEE đã được dành riêng để nói về hệ thống Massive MIMO và tầm quan trọng của nó trong việc nâng cao hiệu quả năng lượng của truyền thông trong năm 2015 trở đi
Hệ thống Massive MIMO đã vượt mặt những hệ ống hiệth n tại bằng việ ử c s dụng một số ợng cự ỳ lớn (hàng trăm, có thể lên đến hàng ngàn) các anten lư c k dịch vụ Các anten đượ ổ sung này sẽ tập trung truyề ải và thu nhận năng c b n t lượng tín hiệu vào một vùng không gian rất nhỏ Điều này đưa đến một sự cải tiến lớn về hi u quả thông lượng và năng lượng, đặệ c biệt là khi kết hợp với đồng thời một số ợng lớn thiết bị đầlư u cuối người sử dụng Ưu điểm của công nghệ MASSIVE MIMO:
• Dung lượng truyền tin sẽ tăng ở cả uplink và downlink khi sử sử dụng công nghệ Massive MIMO
• Độ ễ: Độ tr trễ của đường truyền vô tuyến bị ảnh hưởng mạnh của fading Bằng việ ử dụng c s Massive MIMO kết hợp với các kỹ thuật như tiền mã hóa, kỹ thuật Beamforming, ta có thể hạn chế được ảnh hưởng của hiện tượng fading ện tượng Fading là Hi hiện tượng sai lạc tín hiệu thu một cách bất thường xảy ra đối với các hệ ống vô tuyến do tác động của môi th trường truyền dẫn.
• Chi phí và năng lượng: Bằng việc giới hạn tín hiệu trong một vùng không gian vô cùng nhỏ, Massive MIMO có thể đạt được độ lợi cao hơn với năng lượng thấp hơn trên mỗi anten Thự ự, tổng năng lượng của Massive c s MIMO thấp hơn nhiều so với MIMO truyền thống, điều này đồng nghĩa với việc chi phí thấp hơn, khuếch đại năng lượng với hệ số ấp hơn (MiliWatt th thay cho hàng chục Watt).
Hệ ống Massive MIMO thường hoạt động trong chế độ truyền dẫn song công th phân chia theo thời gian TDD nơi mà các kênh truyền dẫn uplink và downlink có tần số ống nhau nhưng lại khác nhau về gi thời gian Các kênh truyền vật lý trong hệ thống này được xem là đối xứng, tức là sự truyền dẫn diễn ra đồng thờ ở cả i 2 hướng
Cũng như bất kỳ công nghệ nào, Massive MIMO cũng có những nhược điểm và thách thức riêng của nó:
• Nâng cao thuật toán xử lý tín hiệ ối hợp hàng trăm (có thể hàng ngàn) u: Ph Anten để tạo ra tín hiệu Beamforming hoàn toàn không phải là một điều dễ dàng Bên cạnh đó, mặc dù mức năng lượng phát xạ được hạ ống, nhưng xu việc tiêu thụ năng lượng của tín hiệu băng cơ sở lại tăng lên do phải thực hiện nhiều quá trình xử lý hơn Đã có một vài thuật toán tuyến tính hoặc cận tuyến tính quá trình xử lý với thời gian thực đã được đề xuất, nhưng đây vẫn là một thách thức đối với Massive MIMO
• Ước lượng kênh truyền: Việc ước lượng kênh truyền có thể được thực hiện bởi các tín hiệu giám sát của các UE trên uplink Tuy nhiên, việc ước lượng cho tuyến downlink lại phức tạp hơn nhiều Nó yêu cầu downlink phải có số lượng tín hiệu giám sát trực giao tương ứng với số ợng hàng trăm (hàng lư ngàn) Anten, việc này có thể gây ra hiện tượng lây nhiễm tín hiệu giám sát (pilot contamination)
• Triển khai phần cứng: Mỗi anten đơn trong Massive MIMO được thiết kế đơn giản với chi phí thấp, nhưng vẫn phải đáp ứng được khả năng chống nhiễu Cần phải thiết kế phần cứng sao cho có thể hạn chế được những loại tạp âm phức tạp này Để đạt được tăng công suất thông qua MIMO trong 5G, cần áp dụng phương thức MU-MIMO (Multi - User MIMO) ở đó các thiết bị đầu cuối khác nhau cách xa nhau được lên lịch đồng thời và tái sử dụng các nguồn thời gian.
Một yếu tố quan trọng của phương pháp MU-MIMO là lập kế ạch cho thiết bị ho đầu cuối có thể ngăn chặn nhiễu lẫn nhau thông qua việc beamforming tại trạm gốc Đối với điều này, trạm gốc cần phải biết các điều kiện kênh không dây chính xác của đường xuống của mỗi thiết bị đầu cuối và thực hiện việc chùm beamforming cụ thể của UE theo thiết bị đầu cuối cho phù hợp Như vậy, tính chính xác của CSI và
CQI của mỗi thiết bị đầu cuối là rất quan trọng
Hình 3.1.Chế độ hoạt động của chùm beam MU-MIMO
Mạng toàn cầ u d ựa trên nền tảng đám mây
Điều này có thể ợc thực hiên trên nề ảng kỹ thuật NFV (ảo hóa mạng) và đư n t SDN (mạng phần mềm xác định)
• Hoạt động mạng lõi ảo dựa trên NFV: Một công nghệ để xây dựng điện toán đám mây bằng cách ảo hóa một phần cứng tiêu chuẩn và vận hành một loạt các chức năng mạng / dịch vụ trên mạng dựa trên phần mềm
• Virtualized RAN: Một công nghệ để tập trung và ảo hóa DU (Digital Unit) của một trạm gốc thành một đám mây dựa trên phần cứng tiêu chuẩn và xử lý tín hiệu RAN trong thời gian thực
• SDN và phối hợ p: Quản lý hiệu quả và quản lý vòng đời của các dịch vụ mạng dựa trên phần mềm từ một nhà cung cấp dịch vụ mạng tập trung và thống nhất
Kĩ thuậ ảo hóa chức năng mạng NFVt là kĩ thuật dùng để ả o ho ả toả n bo cả c ch c nả ng c ả nủ t mứ ủ ả ng (network node) thả nh các kh i thành pho ả n (building block) có th k t n i hoể ể o ả c xâu chu i v i nhau o ớ để ả t o ra các dị ch v ủ viể n thông.
SDN( Software defined networking-mạng đứớ c xả c đ nh b ng phị ả ả n m mể ) cung c p mấ ột m ng tạ ập trung,ở đó các kĩ sư có th xử lý ,quản lý ể các thiết bị cung cấp dịch vụ mạng để đáp ứng nhu cầ ủa doanh u c nghiệp
Hình 3.2.Sự phát triển của mạng lưới phần mềm dựa trên NFV/SDN
Kiến trúc mạng ngoài
• Direct D2D(Divice to Divice): Công nghệ chia sẻ trực tiếp các nội dung thông tin và dữ ệu giữa các thiết bịli
• Contents Centric Networking (CCN): Kiến trúc mạng lưu trữ nội dung trong thiết bị vận chuyển trên đường dẫn mạng và cung cấp nội dung đó bằng tên nội dung được ánh xạ
Truyền thông trực tiếp D2D (Device to Device): Công nghệ để chia sẻ ực tiếtr p các loại nội dung đa dạng về thông tin và dữ ệu giữa các thiết bị Truyền thông li D2D là một cách rất hiệu quả để nâng cao dung lượng hệ ống và hiệu quả th phổ vì các thiết bị có thể trực tiếp giao tiếp với nhau bằng cách chia sẻ nguồn tài nguyên tần số của mạng Bên cạnh đó, các DUE (D2D UE – thiết bị người sử dụng dùng truyền thông D2D) có thể thực hiện quá trình chuyển tiếp truyền dẫn để tạo ra liên kết truyền thông nhiều bước (multi-hop) Khả năng này đã cho phép cải thiện và mở rộng phạm vi bao phủ của truyền thông D2D Một số lợi ích tiềm ẩn của D2D bao gồm:
• Quản lí tài nguyên vô tuyến điện: 5G hoạt động trong dải đượ ấp phép c c và các tài nguyên vô tuyến được quản lý cẩn thận bởi mạng, để ảm thiểgi u sự can thiệp và tối đa hóa hiệu suất của hệ thống
• Hiệu suất: truyền thông trực tiếp giữa các thiết bị lân cận có thể đạt được tốc độ truyền d liệu cao hơn và độ ễ ữ tr thấp hơn truyền thông thông qua trạm gốc 5G
• Sử dụng lại quang phổ : D2D có thể cho phép tái sử dụng quang phổ hơn so với các cell nhỏ của 5G, bằng cách hạn chế ệc truyềvi n dẫn vô tuyến tới kết nối điểm- ểm giữa hai thiết bị.đi
• Tải mạng: giảm bớt các trạm gốc và các thành phần mạng khác trong mạng 5G
• An ninh: D2D có thể tận dụng cơ chế phân phối và phân phối chính đã có sẵn trong LTE để đạt được mức độ bảo mật cao
Giải pháp thực hiện cho D2D là Proximity(độ gần nhau) và có 2 thành phần chính:
• D2D Discovery cho phép một thiết bị di động sử dụng giao diện vô tuyến
LTE để khám phá sự hiện diện của các thiết bị có khả năng D2D khác trong vùng lân cậ ủa nó và, nếu được phép, để xác địn c nh một số thông tin nhất định về chúng
• D2D Communication là cơ sở cho các thiết bị di động D2D sử dụng giao diện vô tuyến LTE để giao tiếp trực tiếp với nhau, mà không định tuyến lưu lượng truy cập thông qua mạng LTE Mạng lưới này tạo cảm giác nhẹ nhàng bằng cách kiểm soát việc phân bổ nguồn tin vô tuyến và bảo mật các kết nối
Multi RAT giải quyết các vấn đề sức chứa và thông lượng của người dùng.
Công nghệ truy cập vô tuyến khác nhau RAT (Radio Access Technology ) là phương pháp kết nối vật lý cơ bản cho một mạng thông tin vô tuyến dựa Nhiều điện thoại hiện đại hỗ ợ tr nhiều RAT trong một thiết bị như Bluetooth , WiFi, 3G , 4G hoặc LTE
Gần đây, thuật ngữ RAT đượ ử dụng trong các cuộc thảo luậc s n về các mạng không dây không đồng nhất Thuật ngữ được sử dụng khi một thiết bị người dùng chọn giữa các loại RAT đang đượ ử dụng để kết nối với Internet Điều này c s thường được thực hiện tương tự như lựa chọn điểm truy cập trong các mạng dựa trên IEEE 802.11 (Wi-Fi)
3.4 Trải nghiệm người dùng thực tế và xử lý nội dung 5G
• Nhận diện đối tượng / không gian: Công nghệ tiên tiến để nhanh nhận ra một loạt các vật thể xung quanh và không gian được nhập bởi máy ảnh / cảm bi n của thiết bị của người dùng ế
• Hiển thị thời gian thực và công nghệ ển thịhi : công nghệ hiển thị để ển hi thị thông tin chất lượng liên quan đến một đối tượng được ghi nhận trong thời gian thực và công nghệ ển thị ập vai bao gồhi nh m hiển thị trên kính hoặc không gian
• Xử lý ảnh ba chiều thời gian thực: Công nghệ để tái tạo hình ảnh thự ự c s của một đối tượng 360 độ trong không gian 3D
Công nghệ AR (Augmented Reality) hiện tại không đủ tiên tiến để cung cấp trải nghiệm nhập vai khác nhau với các nội dung thự ế cho người dùng về tốc t c độ mạng, hiệu suất xử lý dữ liệu của các dịch vụ 5G, thiết bị, công nghệ nhận dạng, theo dõi, vv Nội dung AR cần đượ ử lý và cung cấp trong thời gian c x thực Trong khía cạnh này, 5G dự kiến sẽ đáp ứng thời gian thực và băng thông cung cấp nền tảng công nghệ cho dịch vụ AR / VR khối lượng lớn, song song đó cần phải tăng cường phát triển công nghệ nhận dạng, theo dõi và hiển thị Việc xử lý AR quy mô lớn đòi hỏi công nghệ nhận dạng tiên tiến đ nhể ận diện tất cả các đối tượng và thông tin bao gồm hình ảnh 2D, vật thể 3D ở các dạng khác nhau, không gian 3D, khuôn mặt người dùng, biểu hiện và giọng nói được nhập từ cảm biến mà không bị hạn chế Công nghệ hiện tại đã nhận ra các đối tượng khác nhau thông qua các thuật toán khác nhau do các tính năng độc đáo của mỗi đối tượng, ển hình và mới nhất là công nghệ bảo mật Face ID trên đi các dòng Iphone X trở củđi a Apple
Tuy nhiên đó chỉ là khuôn mặt con người, còn rất nhiều vật khác nữa và yêu cầu công nghệ nhận dạng phải hoạt động chính xác như cảm giác của con người.
Hình 3.3.Công nghệ UX thực tế và xử lý nội dung 5G
3.5.Mạng thông minh và tối ưu hóa mạng dựa trên những phân tích
• Điện toán đám mây, bộ ớ đệnh m: Công nghệ phân bổ động, sắp xếp tài nguyên đám mây và bộ ớ đệnh m để xử lý đa phương tiện thự ế c t khối lượng cao
• Mạng lưới thông tin và phân tích: Một công nghệ để tối ưu hóa hoạt động và hiệu suất của các mạng sử dụng thông tin về ệu suất, nhật ký, hi lưu lượng vv được thu thập từ các thiết bị mạng khác nhau
Mạng thông minh và tối ưu hóa mạng dựa trên những phân tích
• Điện toán đám mây, bộ ớ đệnh m: Công nghệ phân bổ động, sắp xếp tài nguyên đám mây và bộ ớ đệnh m để xử lý đa phương tiện thự ế c t khối lượng cao
• Mạng lưới thông tin và phân tích: Một công nghệ để tối ưu hóa hoạt động và hiệu suất của các mạng sử dụng thông tin về ệu suất, nhật ký, hi lưu lượng vv được thu thập từ các thiết bị mạng khác nhau
SON (Mạng tự tổ ức-Self Organizing Networkch ) : Một công nghệ ạt động ho mạng để tự động phát hiệ ự bất thường, tối ưu hóa và thực hiện các biện pháp n s cần thiết bằng cách phân tích dữ liệu lớn đượ ạo ra từ mạng không dây trong c t thời gian thực
Hình 3.4.Sự phát triển của phân tích số ệu cho mạng viễn thôngli
3.6.Mạng ới vận tải linh hoạt/nhanh lư
• POTN (Packet Optical Transport Network): Công nghệ truyền tải All-IP/All-
Optical hội tụ nhiều l p nhớ ằm tăng tính đơn giản và hiệu quả của mạng
• Transport SDN: công nghệ mạng tích hợp để sử dụng hiệu quả và tự động kiểm soát tài nguyên mạng trong môi trường mạng đa lớp, đa nhà cung cấp, đa miền
Mạng All IP (AIPN-All IP Based Network) có thể xem là chìa khóa để xây dựng và đưa hệ ống 5G đi vào thự ế Kiến trúc mạng IP phẳng có thế đáp ứng đượth c t c nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng trong việc truyền nh n dậ ữ liệu đảm bảo thời gian thực
Mạng All IP (AIPN) được phát triể ừ hệ ống 3GPP nhằm đáp ứng nhu cần t th u ngày càng tăng của thị trường viễn thông Để đáp ứng nhu cầu của khách hàng đối với những ứng dụng thời gian thực trên hệ ống mạng di động băng thông rộng, th các nhà cung cấp dịch vụ mạng không dây đang dần chuyển qua sử dụng kiến trúc mạng IP phẳng IP phẳng loại bỏ ệc phân cấp trên mạng, thay vì xếvi p chồng các dữ ệu trong mạng, kiến trúc dữ ệu được đơn giản hóa và chia nhỏ để có thể li li thực hiện việc loại bỏ các thành phần phức tạp
1 số các ưu điểm của mạng ALL-IP:
• Giảm độ ễ của hệ tr thống
• Hỗ ợ cho nhiềtr u h thống truy cập khác nhau ệ
• Hiệu suất quản lý di động cao
3.7.Xử lý hiệu quả và truyền tải đa phương tiện
• Công nghệ MMT (MPEG Media Transport): Công nghệ xử lý hình ảnh kỹ thuật số tiêu chuẩn được định nghĩa bởi MPEG để giảm thiểu đ trễ ộ trong truyền dẫn truyền qua mạng All-IP
• Công nghệ MMT (MPEG Media Transport): Công nghệ xử lý hình ảnh kỹ thuật số tiêu chuẩn được định nghĩa bởi MPEG để giảm thiểu đ trễ ộ trong truyền dẫn truyền qua mạng All-IP
• Điện toán đám mây, bộ ớ đệnh m: Công nghệ phân bổ động, sắp xếp tài nguyên đám mây và bộ ớ đệnh m để xử lý đa phương tiện thự ế c t khối lượng cao
Trong khi các công nghệ truyề tải đa phương tiện n hiện nay tạo ra độ ễ dài hơn tr vài chục giây thậm chí so với phát sóng mặt đất, công nghệ mạng trong thời đại 5G sẽ có thể cung cấp dịch vụ True UHD (TRHD) thời gian thực, nội dung như UHD (Ultra High Definition) có thể được truyền trong ời gian thực mà không có độ th trễ Để đạt được các dịch vụ streaming liền mạch với đa phương tiện thực tế có dung lượng lớn, việc phát triển một giao thức truyền thông đa phương tiện mới và tối ưu hóa công nghệ truyền d liữ ệu có dây / không dây phải thực hiện trước tiên
Dịch vụ ển thị siêu đa điểm, đượhi c đề cập nhiều như một ví dụ về dịch vụ thực tế 5G, cho phép người dùng xem video theo góc độ người đó muốn Dịch vụ này đòi hỏi các công nghệ như:
• Phương pháp mã hóa để tích hợp nhiều hình ảnh có độ ân giải cao đượph c ghi lại từ các góc nhìn khác nhau vào một luồng đơn
• Kỹ thuật truyền và lưu trữ dữ ệu khối lượng lớn vào máy chủ đám mây li trong thời gian thực
• Kỹ thuật để tạo một hình ảnh động trực tuyế ử dụng thông tin từ mộn s t điểm người dùng muốn xem
3.8.Hoạt động nâng cao cho Multi Cell
Cell: vùng phủ sóng của 1 trạm phát sóng (BTS-Based Transceiver Station)
• Elastic cell(cell linh hoạt): công nghệ để tự động lựa chọn và giao tiếp với một cell tốt nhất cho môi trường kênh của người sử dụng hiện tại trong thời gian ực th
• Aggregation of heterogeneous networks(Tập hợp các mạng không đồng nhất): Công nghệ cải thiện tốc độ dữ ệu bằng cách kết hợp mạng di động li với các mạng khác nhau như WiFi hoặc LTE tận dụng băng tần không được cấp phép
Trong hệ ống mạng 5G, các mạng khác nhau đượ ử dụng riêng cho các mụth c s c đích khác nhau,trong mạng 4G sẽ được kết hợp hoặc sử dụng có chọ ọc khi cần l n thiết, do đó tăng tốc độ dữ liệu của một thiết bị và giảm thiểu tác động của các mạng lân cận Đối với các cell nhỏ, một thiết bị duy nhất có thể giao tiếp với nhiều cell dựa trên sự ối hợph p chặt chẽ của cell, nó có thể hoạt động như thể mỗi thiết bị có cell riêng của nó Ngoài ra, điều quan trọng là phải đảm bảo công nghệ nhận phản hồi về chất lượng kênh của nhiều cell từ thiết bị của người dùng
Trong mạng 5G, như thể ện trong hình 3.5 bên dưới, các cell khác nhau có thể hi được lựa chọn mỗi lần để cung cấp tốc độ tối ưu cho thiết bị trong quá trình truyền cụ ể đó, tạo ra môi trường lấy người dùng làm trung tâm, so với các cell th trung tâm hiện tại, điện thoại cầm tay chỉ giao tiếp với một cell cụ ể Cơ chế này th sẽ mang lại trải nghiệm người dùng đượ ải thiệc c n về các dịch vụ 5G cho môi trường của mỗi người dùng
Hoạt động nâng cao cho Multi Cell
Cell: vùng phủ sóng của 1 trạm phát sóng (BTS-Based Transceiver Station)
• Elastic cell(cell linh hoạt): công nghệ để tự động lựa chọn và giao tiếp với một cell tốt nhất cho môi trường kênh của người sử dụng hiện tại trong thời gian ực th
• Aggregation of heterogeneous networks(Tập hợp các mạng không đồng nhất): Công nghệ cải thiện tốc độ dữ ệu bằng cách kết hợp mạng di động li với các mạng khác nhau như WiFi hoặc LTE tận dụng băng tần không được cấp phép
Trong hệ ống mạng 5G, các mạng khác nhau đượ ử dụng riêng cho các mụth c s c đích khác nhau,trong mạng 4G sẽ được kết hợp hoặc sử dụng có chọ ọc khi cần l n thiết, do đó tăng tốc độ dữ liệu của một thiết bị và giảm thiểu tác động của các mạng lân cận Đối với các cell nhỏ, một thiết bị duy nhất có thể giao tiếp với nhiều cell dựa trên sự ối hợph p chặt chẽ của cell, nó có thể hoạt động như thể mỗi thiết bị có cell riêng của nó Ngoài ra, điều quan trọng là phải đảm bảo công nghệ nhận phản hồi về chất lượng kênh của nhiều cell từ thiết bị của người dùng
Trong mạng 5G, như thể ện trong hình 3.5 bên dưới, các cell khác nhau có thể hi được lựa chọn mỗi lần để cung cấp tốc độ tối ưu cho thiết bị trong quá trình truyền cụ ể đó, tạo ra môi trường lấy người dùng làm trung tâm, so với các cell th trung tâm hiện tại, điện thoại cầm tay chỉ giao tiếp với một cell cụ ể Cơ chế này th sẽ mang lại trải nghiệm người dùng đượ ải thiệc c n về các dịch vụ 5G cho môi trường của mỗi người dùng
Ngoài ra, tốc độ dữ ệu có thể li được nâng cao thông qua công nghệ để tập hợp và sự tương tác giữa các mạng khác nhau bao gồm cả WiFi Trong một khu vực có cả mạng WiFi và mạng di động, dữ liệu s đưẽ ợc chia và truyền bởi hai mạng và do đó dữ liệu s được truyền đi với tốẽ c độ nhanh hơn.
Trong khi đó, băng thông mạng cũng được thiết lập để mở rộng trong 5G bằng cách triển khai công nghệ mạng di động trên băng tần không có giấy phép cũng như trong LTE đượ ấp phép (LA-LTE), nơi băng tần không có giấy phép của WiFi c c được sử dụng cho LTE
Hình 5.Kết hợp tế bào người dùng làm trung tâm và hoạt động của mạ3 ng
Cell nhỏ,siêu dày đặc
• Kiểm soát và điều phối can thiệp động: Kỹ thuật để cải thiện chất lượng tín hiệu tại các cạnh cell bằng cách cho phép các cell lân cận hợp tác trong thời gian thực
HetNet SON: Kỹ thuật tự động tối ưu hóa hoạt động của mạng không dây trong môi trường cell đa dạng do đó cải thiện QoS Để hỗ ợ lưu lượng truy cập 1000 lần so với LTE, cần nâng cao năng lựtr c mạng thông qua việc cải thiện đáng kể cell khi sự mở rộng của các nguồn tần số hạn chế hiện tại sẽ không đủ Điều này có nghĩa là các hệ thống 5G cần mạng lưới cell cực nhỏ có mật độ cell lớn hơn
Trong một môi trường cell nhỏ cực kỳ đặc biệt, sự kết hợp các công nghệ 5G tiềm năng khác nhau của D2D, duplex và siêu băng rộng sẽ mang lại hiệu quả hoạt động khác nhau của tế bào, do đó việc thiết lập mạng lưới 5G cần đánh giá theo kịch bản để tìm kiếm sự kết hợ ối ưu nhất.p t
Do đó, người ta hy vọng rằng sẽ có những phân tích hiệu quả ạt động của các ho công nghệ 5G tiềm năng khác nhau trong các mạng tế bào nhỏ cực mạnh và sự phát triể ủa các công nghệ có liên quan có thể bắt đần c u bằng việc xác nhận khái niệm thông qua mô phỏng giả đầu cuối và công cụ ểm chứ - của khái niệm và ki ng cuối cùng dẫn đến việc thành lập một mạng lưới thương mại nguyên mẫu
Hình 3.6.Mô hình mạng lưới 5G mạng nhỏ dựa trên cell nhỏ
Băng tần rộng RF và chùm tia 3D
• Chùm tia 3D: Kỹ thuật cung cấp môi trường RF cho việc truyền tải tốc độ cao bằng cách ều khiển sóng điệ ừ đi n t hoặc tạo nhiều chùm theo hướng dọc và ngang
• Chuyển đổi chùm, theo dõi chùm: Một kỹ thuật cung cấp một liên kết tối ưu bằng cách chọn một chùm tối ưu ra khỏi anten hoặc thay đổi hướng của anten theo vị trí của người sử dụng
Trong khi băng tần milimet có lợi thế lớn so với băng tần di động hiện nay, nó có thể sử dụng tần số băng tần rộng, vượt qua sự tổn hao đường truyền và độ ẳng th tương đối cao hơn và sự nhiễu xạ ấp do sử dụng băng tần số cao vẫn là mộth t thách thức lớn Để giải quyết vấn đề này, nhiều tia mmW gom lại có độ lợi cao được hình thành để ợt qua sự tổn hao của đường truyền gia tăng.vư
Các chùm tia 3D cho phép nhiều chùm được truyền hoặc nhận theo chiều ngang và chiều dọc để tăng dung lượng mạng bằng SDMA (Space Division Multiple Access - đa truy nhập phân chia theo không gian) và có thể tăng cường SINR (Signal to Interference plus Noise Ratio - tín hiệu nhiễu cộng với tạp âm) của thuê bao bên trong cell bằng cách tăng cường độ của tín hiệu được truyền và nhận tới thiết bị đầu cuối và ngăn chặn tín hiệu nhiễu Việc cho phép phân chia cell có hiệu quả về chi phí theo những thay đổi trong lưu lượng truy cập và thực hiện các cell định hướng thuê bao (người sử dụng là trung tâm cell).
Nâng cao IoT và dạng sóng mới
• Công nghệ MTC (Machine-Type Comm): Công nghệ xử lý dữ ệu và truy cậli p đa công suất cao để hỗ trợ dịch vụ IoT trên mạng truyền thông di động.
• Dạng sóng mới (NOMA/FBMC): kỹ thuật truyền và nhận làm tăng hiệu quả của việc cung cấp nhiều người dùng và dữ ệu thông qua việc thu hẹp sự li can thiệp của người nhận và chống triệt tiêu dựa trên bộ lọc
NOMA(Non Orthogonal Multiple Acess ): đa truy cập không trực giao FBMC(Filter Bank Multi-Carrier): đa sóng mang lọc băng tần
• Liên lạc song công và truyền thông song công: Chương trình phân bổ linh hoạt cho các tài nguyên download (DL) / upload (UL) và công nghệ truyền và nhận đồng thời dựa trên sự tự hủy giao thoa. Để đáp ứng số lượng lớn hơn của các thiết bị đầu cuối và tăng công suất trong mạng di động, công n ệ truy cập đa truy cậgh p mới đang thu hút sự chú ý, đó là NOMA (Non Orthogonal Multiple Acess - đa truy cập không trực giao) Trong khi 4G sử dụng OFDMA cho phép truy cập nhiều trong số các thiết bị đầu cuối trong khi vẫn giữ được s trự ực giao tầ ố.NOMA cung cấp nhiều quyền truy cậ ử n s p s dụng kiểm soát năng lượng trong miền tần số Đường xuống và đường lên của hệ thống truyền thông hiệ ại được phân cách bằng tần số (Frequency Division n tDuplex - FDD) hoặc theo thời gian (Time Division Duplex - TDD) Đa truy cập không trực giao NOMA sử dụng theo thời gian, tần số ặc mã Sau ho khi nhận được tín hiệu, việc tách kênh được thu được do sự khác biệt lớn giữa hai người sử dụng Để trích xuất tín hiệu, việc lọ ủy bỏ nhiễu liên tiếp đượ ử dụng c h c s bên trong máy thu Kênh thu được bao gồm rất nhiều yếu tố kể cả sự mất mát đường truyền và nhận được tín hiệu đến tỷ lệ nhiễu khác biệt giữa người sử dụng Mặc dù chia sẻ năng lượng làm giảm công suất được phân bổ cho mỗi người dùng, cả người dùng - ững người có kênh lợi ích cao và những người có kênh lợnh i ích thấp đều được hưởng lợi do được lên lịch nhiều hơn và được phân bổ băng thông nhiều hơn Điều này có nghĩa là NOMA cho phép nâng cao năng lượng hệ thống và sự công bằng của việc phân bổ cho tất cả người dùng
Hình 3.7.Phương thức song công tần số của hệ ống thông tin di độth ng
Kế t lu ận
Chương 3 này đã trình bày 11 loại công nghệ thực hiện hệ ống 5G.th
11 loại công nghệ tương ứng với 3 lớ ấu trúc chính củp c a 5G sẽ tạo nên 5 giá trị cốt lõi của nó
Các giá trị này sẽ tạo nên các ứng dụng và dịch vụ mà 5G mang tới.
ứng dụng và dịch vụ của 5G
Dịch vụ IoT (Internet of things)
Đây được xem là ứng dụng quan trọng nhất của 5G trong thực tế.Trong kỷ nguyên 5G, khi dịch vụ IoT sẽ lan rộng trên toàn xã hội, các dịch vụ IoT kết nối massive, nơi tất cả các đối tượng được kết nối sẽ ất hiệxu n
1 số lĩnh vực áp dụng IoT:
Hình 4.1.Dịch vụ IoT là nền tảng để các dịch vụ khác của 5G ra đời
Hình 3 chiều và dị ch v ụ gọi 3D Hologram
5G sẽ có bước tiến lớn trong sự phát triển của dịch vụ gọi điện video độ nét cao và dịch vụ thoại âm thanh chất lượng cao, để cung cấp trải nghiệm giao tiếp thực tế cho người dùng, cho phép họ cảm thấy như thể người khác đang ở ngay bên cạnh họ.
5G có khả năng truyền thông cực nhanh, các hình ảnh có độ phân giải cao như 4K- UHD cung cấp gấp 4 lần độ phân giải UHD và 8K-UHD, có thể mở rộng sang hình ảnh 3D hoặc dịch vụ ba chiều
Cùng với chất lượng hình ảnh đượ ải thiện, các dịch vụ tương tác thời gian thực c c tùy chỉnh hỗ trợ năm giác quan dưới dạng đa phương tiệ ẽ n s được dự ến thựki c hiện
Hình 4.2 ối lượng dữ ệu yêu cầu theo loại hình ả Kh li nh
Dịch vụ AR/VR quy mô lớn
• AR (Augmented Reality- ực tế ảo tăng cường): th tăng cứờng trảị nghịệm ngứờị dùng bằng cách thêm vào các yếủ tố ảo nhứ là hình ảnh kỹ thủật số, đồ họả, hoặc là các cảnh vật nhứ là một lảyểr mớị trong vịệc tứớng tác vớị thế gịớị thực
• VR(Virtual Reality-thực tế ảo): co ng nghể mo ph ng l ị tho ả ể gịớ ị th c, đả ứ t ngứớ ị dủ ng vả o trủng tả m c ả tr ị nghịể m tho ng qủả tứớng tả c trong ủ ả thể gịớ ị 3D
Hình 4.4.Dịch vụ VR Streaming
Dịch vụ AR quy mô lớn liên quan đến việc nhận dạng các đối tượng khác nhau như là mốc / tòa nhà, sản phẩm, áp phích trong môi trường xung quanh người sử dụng dựa trên điện toán đám mây trong ời gian thực cũng như xử lý các th phương tiện và thông tin có liên quan chất lượng cao bao gồm (U)HD audio / video 3D theo người sử dụng và truyề ải chúng đến thiết bị để cung cấn t p một thực tế gia tăng
Công nghệ VR dựa trên 5G dự ến sẽ cho phép 'dịcki h vụ triển lãm nhập vai', theo đó các tác phẩm, hình ảnh, phương tiện, đồ tạo tác được trưng bày trong bảo tàng hay các show diễ ẽ n s được xem trực tiếp tại nhà nhưng cảm giác sẽ là như đứng tại bảo tàng hay show diễn đó Người dùng chỉ cần trả tiền trướ à xem c v bằng thiết bị VR của mình với hình ảnh và âm thanh 3D thậm chí 7D
4.4.Dịch vụ ễ cực thấp tr
Các hoạt động không thể thực hiện trong mạng có dây do những hạn chế về không gian, thay vào đó sẽ là dịch v điụ ều khiể ừ xa có độ n t trễ thấp
• Điều khiển robot: các robot được triển khai trong các địa điể làm ệc m vi nguy hiểm để thay thế cho cho con người, điều khiể ừ xa không dây sẽ n t phản ứng nhanh đối với sự thay đổi về môi trường dựa trên hình ảnh và thông tin có độ phân giải cao theo thời gian thực.
• Dịch vụ chăm sóc y tế hay phẫu thuật điều khiể ừ xa có độ ễ n t tr thấp sẽ được tích cự ử dụng Bệnh nhân chỉ cần đến trạm y tế gần nhất có trang c s thiết bị hiện đại Sau đó, các bác sĩ thông qua các robot và hình ba chiều sẽ tiến hành khám chữa bệ cho bệnh nhânnh
• Dịch vụ kết nối ô tô là một ví dụ ển hình sử dụng độ đi trễ ấp của 5G để th cho phép tự động lái xe dựa trên nhận dạng hình ảnh và truyền thông V2V (Vehicle to Vehicle - Xe đến xe) hay V2I (Vehicle to Infrastructure - Xe đến cơ sở hạ tầng) Đồng thời có thể gửi báo động tai nạn và thông tin về tình trạng đường cũng như xây dựng cơ sở hạ tầng an toàn giao thông thông minh hỗ trợ giao tiếp gần trường giữa các thiết bị đầu cuối trong trường hợp mạng mất kết nối.
Hình 4.5.Ví dụ về robot và điều khiển từ xa
Hình 4.6.Các dịch vụ xe kết nối
Hình 4.7.Dịch vụ y tế từ xa sử dụng độ trễ thấp
Trong chương 4 này đã trình bày các ứng dụng và dịch vụ mà 5G mang lại trong đó dịch vụ IoT được xem như ứng dụng và dịch vụ quan trọng và cần thiết nhất trong hệ ống số vạth n vật kết nối Internet như hiện nay.
Chương 5 sẽ trình bày về 2 công nghệ giúp nâng cao dịch vụ IoT trong 5G.
Kế t lu ận
Trong chương 4 này đã trình bày các ứng dụng và dịch vụ mà 5G mang lại trong đó dịch vụ IoT được xem như ứng dụng và dịch vụ quan trọng và cần thiết nhất trong hệ ống số vạth n vật kết nối Internet như hiện nay.
Chương 5 sẽ trình bày về 2 công nghệ giúp nâng cao dịch vụ IoT trong 5G.
nghệ đa truy cập phi trực giao NOMA và Công nghệ MTC giúp nâng cao ứng dụng IoT trong 5G
Công nghệ đa truy cập phi trực giao NOMA
Một số các kỹ thuật đa truy cập đượ ử dụng rộng rãi trong các thế hệ mạng di c s động trước đây bao gồm: đa truy cập phân chia theo ời gian (TDMA), đa truy th cập phân chia theo tầ ố (FDMA), phân chia theo mã (CDMA) đa truy nhận s và p phân chia theo tầ ố ực giao (OFDMA) Những kỹ thuật này đượ ọi là đa truy n s tr c g cập trực giao (OMA)
Trong TDMA, thông tin cho mỗi người dùng đượ ửi trong các khe thời gian c g không trùng lặp, do đó các mạng dựa trên TDMA yêu cầu đồng bộ hóa chính xác thời gian CDMA sử dụng mã để tách người dùng trên cùng một kênh 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 ồng chéo mã ch hóa ở máy phát để máy thu có thể thực hiện kỹ thuật tự hủy nhiễu Hình 5.1 mô tả khái niệm SIC Trong minh hoạ, ba tín hiệu thông tin chỉ ra với màu sắc khác nhau được đặt chồng lên máy phát Tín hiệu nhận đượ ở bộ tiếp nhận SIC bao gồc m tất cả ba tín hiệu này Tín hiệu đầu tiên mà SIC giải mã là tín hiệu mạnh nhất trong khi các tín hiệu khác là nhiễu Tín hiệu giải mã đầu tiên sau đó được trừ đi từ tín hiệu nhận được và nếu giải mã là hoàn hảo không lỗi, dạng sóng với phần còn lại của tín hiệu được thu chính xác SIC lặ ại quá trình cho đến khi nó tìm thấy các tín p l hiệu mong muố n.
Hình 5.1.Mô tả khái niệm SIC
5.1.2.Đa truy cập phi trực giao NOMA
Có thể chia NOMA thành 2 loại :miền công suất(power-domain) và miền mã(code-domain)
• Kĩ thuật NOMA miền công suất: các user khác nhau sẽ dùng chung tài nguyên thời gian – tầ ố - mã nhưng đượ ấp phát các mứ công suấn s c c c t khác nhau dựa vào chất lượng kênh truyền.
• Kĩ thuật NOMA miền mã: các user dùng chung các tài nguyên thời gian tần số nhưng được mã hóa với các mức khác nhau
Tại phía máy phát, các tín hiệ ừ các user khác nhau sẽ ợc chồng chập trựu t đư c tiếp lên nhau sau khi điều chế và mã hóa kênh, các user này sử dụng chung tài nguyên miền thời gian và miền tần số Tại phía máy thu tín hiệu được tách sóng bởi kỹ thuật SIC
Hình 5.2.Kĩ thuật NOMA miền công suất
Hình 5.2.a.NOMA sử dụng máy thu SIC
Hình 5.2.b.NOMA trong Massive MIMO
Hình 5.2.c.NOMA trong hệ ống sử dụng kỹ thuật phối hợp đa th điểm CoMP
Hệ ống NOMA miền công suất anten đơn sử dụng máy thu SIC gồm 1 trạth m gốc BS(Base Station) phục vụ k user sẽ ợc khảo sát.đư Ở ớng downlink, tổ hư ng công ất cấp phát cho k user là P.BS phát tín hiệu x tới user thứ i với hệ số công su i suất p do đó tổng tất cả các tín hiệi u tại BS là
Tín hiệu yi ận đượ ại user thứ i là: nh c t trong đó:
Nhờ vào việc điều chỉnh các hệ số cấp phát công suất, BS có thể điều chỉnh tốc độ dữ liệu của các user Kỹ thuật NOMA tận dụng sự khác nhau về độ lợi kênh truyền giữa các user để khắc phục hiện tượng gần-xa trong thông tin di động do đó đạt được hiệu quả sử dụng phổ cao hơn so với OMA thể hiện ở dung lượng tổng kênh truyền và tốc độ dữ liệu của các user ở biên cell cao hơn Ở hướng uplink, tín hiệu thu được tại trạm gốc BS là:
Trạm gốc cũng sử dụng thuật toán SIC để khôi phục tín hiệu đã phát của các user khác nhau Tốc độ truyền dữ liệu có thể đạt được ở hướng uplink của user thứ i là:
Kỹ thuật NOMA miề mã lấy ý tưởng từ hệ ống CDMA cổ ển, các user sử n th đi dụng chung tài nguyên thời gian – tần số và được phân biệt với nhau nhờ các chuỗi trải phổ đặc trưng Sự khác biệt lớn nhất của NOMA miề mã so với CDMA n là sử dụng các chuỗi trải phổ thưa hoặc các chuỗi phi trực giao có độ tương quan chéo thấp
Bài báo cáo trình bày dạng ban đầu của hệ thống NOMA dựa trên chuỗi trải phổ thưa LDS- CDMA.Sau đó phát triển thành các hệ thống truyền dẫn đa sóng mang OFDM sử dụng LDS (LDS OFDM) với ưu điểm như chống nhiễu xuyên - ký tự ISI, hệ thống LDS CDMA sử dụng thuật toán tách sóng - MUD, hệ thống SCMA, MUSA,
SAMA.Hệ thống LDS-CDMA được thiết kế để hạn chế lượng nhiễu đặt trên mỗi chip của hệ thống CDMA thông thường nhờ kỹ thuật trải mật độ thấp LDS Tất cả các ký tự phát đi được điều chế vào các chuỗi trải phổ thưa, dựa trên cách này, mỗi user sẽ sử dụng số lượng chip ít để trải dữ liệu như hình 5.3 Do đó số lượng tín hiệu được chồng chập tại mỗi chip sẽ nhỏ hơn số lượng user đang hoạt động, điều này giúp cho nhiễu đặt trên mỗi chip sẽ được giảm đáng kể
Hình 5.3.Minh họa hệ thống LDS-CDMA
Tín hiệu nhận được tại chip thứ trong hệ thống LDS CMDA có thể biễu diễn dưới dạng:
Với N(n) là tập hợp các user có chuỗi trải phổ thưa tồn tại thành phần khác 0 tại chip thứ n
Tại máy thu MUD sử dụng thuật toán MPA (Message assing P Algortihm) để ước lượng giá trị x đã được phát đi
5.1.3.So sánh 2 kĩ thuật NOMA
Các kĩ thuật thực thi NOMA được so sánh với nhau về mặt kĩ thuật tính toán:
• NOMA miền công suất với độ phức tạp tính toán là o(|X| ) với K là số k lượng user và |X| là số lượng phần tử của tập tín hiệu X
• NOMA miền mã với độ phức tạp tính toán là o(|X| ) với w là số lượng cực w đại của các tín hiệu được chồng phập trên mỗi chip hoặc sóng mang phụ.
Công nghệ MTC (Machine-Type Communications)
MTC được nghiên cứu và áp dụng từ hệ ống 3G và nó được áp dụng để tạo,xử lý th và trao đổi dữ liệu tự động giữa các thiết bị thông minh.
MTC hay còn gọi là M2M(Machine to machine) đóng vai trò ngày càng quan trọng trong các hệ ống thông tin di động hiện nay đặth c biệt là hệ thống thông tin 5G
Với sự phát triển nhanh chóng của các hệ thống nhúng hiện nay thì MTC đang trở thành mô hình truyền thông chiếm ưu thế cho nhiều lĩnh vực khác nhau trong dịch vụ thông minh như tự động hóa công nghiệp,an toàn công cộng,chăm sóc sức khỏe,giao thông thông minh,điều khiển,quản lý,
MTC trong hệ thống 5G hứa hẹ ẽ hỗ ợ kết nối cho ít nhất 100 tỉ thiết bị có tốn s tr c độ kết nối 10Gbs.Ngoài ra giao tiếp giữa các máy có độ ễ và thời gian phảtr n hồi cực thấp
Một số thách thức hiện nay của MTC là kết nối lớn, độ ễ, độ tin cậy, tính khả tr dụng, năng lượ ng hiệu quả, thiết bị không đồng nhất, phổ ới hạn, thu nhỏ gi phần cứng, bảo mật và q ền riêng tư.uy
5.2.2.Các yêu cầu chính của MTC
Các yêu cầu chính của MTC liên quan đến độ tin cậy cao,độ trễ cực thấp và tính khả dụng cực cao.Đối với hệ ống 5G thì MTC yêu cầth u đ trễ
