Tìm hiểu công nghệ 5g và ứng dụng

Nguyên nhân, cho dù sự tăng vọt về doanh số bán hàng của các loại điện thoại thông minh smartphone và máy tính bảng tablet đồng nghĩa với khối lượng dữ liệu ngày càng lớn, nhưng chỉ có m

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH xii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xiv

LỜI NÓI ĐẦU xv

CHƯƠNG 1 1

QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG1 1.1 Công nghệ tương tự -0G và 1G 2

1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 5

1.2.1 Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA 6

1.2.2 Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA 7

1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) 9

1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ4 (4G) 12

1.5 Hệ thống thông tin thế hệ thứ 5 (5G) 15

CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G 18

2.1 Kiến trúc hệ thống 5G 18

2.1.1 Mạng truy nhập vô tuyến đám mây C-RAN 19

2.1.2 Mạng di chuyển MN 21

2.1.3 Truyền thông D2D 22

2.2 Mạng lõi Nano 26

2.2.1 Công nghệ Nano 27

2.2.2 Điện toán đám mây 36

2.2.3 Mạng All IP 39

2.3 Các lớp mạng 40

2.4 Kỹ thuật truyền dẫn 43

2.4.1 Dạng sóng 43

2.4.2 Điều chế 46

2.4.3 Ghép kênh 47

2.4.4 Đa truy nhập 50

2.4.5 Anten 61

2.5 An ninh mạng trong hệ thống thông tin di động 5G 652.5.1 Thiết bị người sử dụng UE 652.5.2 Mạng truy nhập 68

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG VÀ TRIỂN KHAI HỆ THỐNG THÔNG TIN DI

ĐỘNG 5G 78

KẾT LUẬN 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO xii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

1.1 Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động 2

1.3 IPhone 2G là sản phẩm tiêu biểu cho hệ thống thông tin thế hệ thứ 2 5

1.4 Ví dụ đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) 6

1.5 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) 7

2.5 Các trường hợp can thiệp lẫn nhau trong truyền thông D2D 25

2.7 Morph – Khái niệm công nghệ cho tương lai 29

2.14 Lớp mạng (Network Layer) 42 2.15 Lịch sử quá trình kết nối (Nguồn: Cisco) 44 2.16 So sánh giữa công nghệ milimeter-wave và công nghệ hiện

2.18 Đa truy nhập phân chia theo búp sóng BDMA 51

2.23 Hệ thống NOMA đường xuống sử dụng quá trình SIC cho 3 người dùng 57 2.24 Hệ thống NOMA đường lên sử dụng quá trình SIC cho 3 người dùng 58 2.25 So sánh giữa OMA (OFDMA) và NOMA đường xuống 59 2.26 So sánh giữa OMA (OFDMA) và NOMA đường lên 60 2.27 Mô hình kênh MIMO cơ bản với N Anten phát và N Anten thu 63

2.29 Mô hình Cell sử dụng Anten Massive MIMO 63

Base Station Code Division Multiple Access Chanel Statr Information Chanel Quality Indicator Downlink Internet of things Non-Orthogonal Multiple Access Orthogonal Frequency-Division Multiple Access Orthogonal Multiple Access Radio Access Network Superposition Coding Spatial Division Multiple Access Successive Interference Cancellation Signal to-Noise Ratio User Equipment Uplink Orthogonal Frequency Division

Multiplexing Filter – bank Multicarrier Generalized Frenquency Division

Trạm gốc

Đa truy nhập phân chia theo mã Thông tin trạng thái kênh Chỉ thị chất lượng kênh Đường xuống Vạn vật kết nối Internet

Đa truy nhập không trực giao

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực

Đa sóng mang trực giao

Bộ lọc ngân hàng

Đa phân chia theo tần số tổng quát

LỜI NÓI ĐẦU

Thời điểm hiện tại, mạng 4G mới bắt đầu được đưa vào sử dụng và đã triển khai ở Việt Nam vào năm 2017, nhưng đến năm 2020, các nhà phân tích cho rằng, sẽ liên tục xảy ra tình trạng quá tải thông tin Nguyên nhân, cho dù

sự tăng vọt về doanh số bán hàng của các loại điện thoại thông minh (smartphone) và máy tính bảng (tablet) đồng nghĩa với khối lượng dữ liệu ngày càng lớn, nhưng chỉ có một phần nhỏ là do lượng truy cập của các thiết

bị này, còn lại phần lớn là do lượng thông tin từ việc kết nối các “vật thể” với nhau, ví dụ như tivi, đồng hồ, đồ gia dụng, máy điều nhiệt và thậm chí cả khóa cửa , tất cả đều sẽ được số hóa,người sử dụng có thể thực hiện kết nối, giao tiếp, điều khiển chúng mọi lúc mọi nơi

Ưu điểm của mạng 4G là tải được khối lượng dữ liệu lớn và phức tạp hơn so với các hệ thống di động trước, tuy nhiên, với tốc độ phát triển công nghệ chóng mặt như hiện nay thì chỉ vài năm nữa, công nghệ 4G cũng không thể đáp ứng được Tại Đại hội thế giới di động 2012 - Mobile World Congress 2012 (MWC 2012) được tổ chức ở Barcelona - Tây Ban Nha vào tháng 2, chủ tịch Google, Eric Schmidt đã vẽ ra một viễn cảnh, các robot sẽ

đi dự các hội nghị và truyền về video HD qua mạng không dây, AT&T, Qualcomm, Sony và Intel sẽ tạo ra một "ngôi nhà kết nối", nơi mà thậm chí

cả quần áo cũng có thể truyền các tín hiệu Vì thế mạng không dây cần phải hiểu được tính năng của từng loại thiết bị và biết phải đáp ứng nó như thế nào

Đây là một khó khăn thực sự cho các nhà mạng, điều này đòi hỏi ngành công nghiệp di động thế giới cần phát triển một mạng thông minh có thể xử

lý được hàng tỉ kết nối mà vẫn ổn định và có chất lượng dịch vụ tốt, đáng được mong đợi hơn Chính vì vậy việc ra đời một thế hệ thông tin di động mới 5G là điều sẽ diễn ra trong tương lai không xa Và đây cũng lý do mà em

chọn đề tài “TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ 5G VÀ ỨNG DỤNG”làm đề tài cho

bài báo cáo tốt nghiệp Bài báo cáo sẽ nêu ra những yêu cầu đặt ra của một hệ thống thông tin di động 5G cùng với đó là những kỹ thuật tiên tiến mới được xem là ứng viên sáng giá trong việc xây dựng và triển khai cho hệ thống này trong tương lai

Nội dung đồ án gồm:

Chương 1: Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động Chương 2: Kiến trúc của hệ thống thông tin di động 5G

Chương 3: Ứng dụng và triển khai hệ thống thông tin di động 5G

Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều sự giúp

đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè

Em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong khoa ĐTVT đã tạo điều

kiện, giúp đỡ và trang bị cho em những kiến thức quý báu Em cũng xin chân thành cảm ơn thầy THS ĐÀO XUÂN PHÚCđã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ

em hoàn thành tốt đồ án đúng thời hạn

Tuy nhiên, do hạn chế về mặt thời gian cũng như năng lực bản thân nên nội dung của đồ án không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong thấy cô giáo và các bạn quan tâm và đóng góp ý kiến thêm để đồ án này được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Hải Yến

CHƯƠNG 1 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Giới thiệu chương: Chương này sẽ trình bày lịch sử phát triển của hệ

thống thông tin di động trên thế giới Cho cái nhìn tổng quan tiêu chuẩn, ưu nhược điểm của các thế hệ thông tin di động hiện đã được phát triển trên thế giới Đồng thời chương này cũng đề cập cập đến các yêu cầu đặt racủa hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 5 (5G)

Thông tin di động là một lĩnh vực rất quan trọng trong đời sống xã hội

Xã hội càng phát triển, nhu cầu về thông tin di động của con người càng tang lên và thông tin di động càng khẳng định được sự cần thiết và tính tiện dụng của nó Cho đến nay hệ thống thông tin di động đã trải qua nhiều giao đoạn phát triển, từ thế hệ di động thế hệ 1 đến thế hệ 4 và thế hệ sẽ phát triển trên thế giới-thế hệ 5 Trong chương này sẽ trình bày khái quát về các đặc tính chung của các hệ thống thông tin di động

Khi các ngành thông tin quảng bá bằng vô tuyến phát triển thì ý tưởng về thiết bị điện thoại vô tuyến ra đời và cũng là tiền thân của mạng thông tin di động sau này Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyến đầu tiên được thử nghiệm tại ST Louis, bang Missouri của Mỹ

Sau những năm 50, việc phát minh ra chất bán dẫn cũng ảnh hưởng lớn đến lĩnh vực thông tin di động Ứng dụng các linh kiện bán dẫn vào thông tin

di động đã cải thiện một số nhược điểm mà trước đây chưa làm được

Thuật ngữ thông tin di động tế bào ra đời vào những năm 70, khi kết hợp được các vùng phủ sóng riêng lẻ thành công, đã giải được bài toán khó về dung lượng

Hình 1.1: Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động tế bào

1.1 Công nghệ tương tự -0G và 1G

Có hai thế hệ trong các ngành công nghệ di động được coi là tương tự Các công nghệ này được coi là 0G và 1G 1G là công nghệ di động tổ ong (cellular) đầu tiên, còn 0G là công nghệ di động tiền tổ ong (pre-cellular) Các thiết bị đầu cuối sử dụng trong 0G khó có thể gọi là thiết bị di động Các mẫu

mã đầu tiên rất lớn và thường được gắn vào xe ô tô Sau đó, các thiết bị cầm

tay ra đời, nhưng 0G bị thay thế bởi thế hệ kế tiếp 1G

Khía cạnh chủ yếu phân biệt giữa 0G và 1G là công nghệ 1G sử dụng mạng tổ ong (cellular network) Một mạng tổ ong là một mạng tạo nên bởi một số các cell Mỗi cell này được phục vụ bởi một máy phát cố định, thường gọi là trạm gốc Trên thực tế cũng có một vài ví dụ về việc sử dụng mạng tổ ong trong 0G, nhưng điều làm nên sự khác biệt giữa 1G và 0G là 1G hỗ trợ việc kết nối liền mạch khi di chuyển từ cell này sang cell khác Điều này có nghĩa là, khi người dùng ra khỏi tầm hoạt động của một trạm gốc trong khi đang thực hiện cuộc gọi, nếu sử dụng công nghệ 0G thì người dung sẽ bị ngắt

kết nối, trong khi sử dụng công nghệ 1G người dung sẽ không nhận thấy sự ngắt quãng nào Mặt khác, các công nghệ 0G thường bán song công (có nghĩa

là viêc thu và phát âm thanh không xảy ra đồng thời)

Hình 1.2 Một mẫu điện thoại thời 0G

Vào những năm 1970, các mạng sử dụng công nghệ 0G bị quá tải nghiêm trọng Một chuẩn tương tự khác được giới thiệu đó là 1G Giống như 0G, 1G sử dụng băng tần vô tuyến UHF Việc truyền âm thanh được thực hiện mà không có sự mã hóa trên giao diện vô tuyến Điều này có nghĩa là bất

cứ ai có một máy quét đơn giản cũng có thể nghe được các cuộc điện đàm Các cố gắng của nhà chức trách nhằm ngăn chặn việc xâm nhập bất hợp pháp này đều không giải quyết được vấn đề Bên cạnh việc bảo vệ thông tin cá nhân, nhược điểm này của hệ thống còn đưa đến một vấn đề khác bởi vì dữ liệu truyền được gửi đi mà không mã hóa, các kỹ thuật bảo mật còn thô sơ dễ dàng lộ ra cho các hacker

Hầu hết các công nghệ 1G chỉ có một dạng bảo mật, một thủ tục nhận thực hết sức thô sơ Thủ tục này bao gồm việc xác nhận hai số: số nhận dạng

di động MIN và số thuê bao điện tử ESN Quá trình xác nhận này diễn ra khi một thiết bị di động bắt đầu liên lạc với hệ thống Đầu tiên, số đen (blacklist)

sẽ được kiểm tra xem xét thiết bị di động này có bị khóa hay không Tiếp theo một bản tin được gửi tới HLR để thông qua sự kết hợp của MIN và ESN Cả hai số này được truyền không mã hóa giao diện vô tuyến Hacker có thể nghe

trộm và có thể sử dụng các số này để tạo ra các bản sao bất hợp pháp mà với chúng các hacker có thể nhận thực thành công dưới dạng một thuê bao khác Vấn đề càng trở nên trầm trọng khi nhiều nhà cung cấp thậm chí không nhận thực trên các máy di động do việc thiếu hụt sự chuẩn hóa và các lý do về hiệu suất Điều này gây nên việc sử dụng trái phép vô cùng lớn trong các mạng di động

Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy nhập đơn giản Tuy nhiên hệ thống không thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng

về cả dung lượng và tốc độ Nó bao gồm những hạn chế sau;

• Phân bố tần số rất hạn chế, dung lượng nhỏ

• Tiếng ồn khó chịu và nhiễu xảy ra khi máy di động chuyển dịch trong môi trường fading đa tia

• Không cho phép giảm đáng kể giá thành của thiết bị di động và

cơ sở hạ tần

• Không đảm bảo tính bí mật các cuộc gọi

• Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt ở Châu

Âu, làm cho thuê bao không thể sử dụng máy di động của mình ở các nước khác

• Chất lượng thấp và vùng phủ sóng hẹp

Giải pháp duy nhất để loại bỏ các hạn chế trên là phải chuyển sang sử dụng kỹ thuật thông tin số cho thông tin di động cùng với kỹ thuật đa truy cập mới ưu điểm hơn về cả dung lượng và các dịch vụ được cung cấp Vì vậy đã xuất hiện hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2

1.2 Hệ thống thông tin di

Hệ thống thông tin di

theo thời gian (TDMA) đ

gọi là GSM Với sự phát tri

di động thế hệ thứ 2 lúc

động dựa trên công ngh

ngoài dịch vụ thoại truy

ng thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa truy c

i gian (TDMA) đầu tiên trên thế giới được ra đời ở châu Âu và có tên

phát triển nhanh chóng của thuê bao, hệ th

2 lúc đó đã đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di

a trên công nghệ số Hệ thống 2G hấp dẫn hơn hệ thố

i truyền thống, hệ thống này còn có khả năng cung c

ệu và các dịch vụ bổ sung khác Ở Việt Nam, hGSM được đưa vào từ năm 1993, hiện nay công ty VMS và GPC khai thác rất hiệu quả với hai mạng thông tin di Vianphone và Mobiphone theo tiêu chuẩn GSM

3 IPhone 2G là sản phẩm tiêu biểu cho hệ thống thông tin th

2

c phát triển mạnh mẽ của mạng 2G chính là s

m bán chạy hàng đầu hiện nay

ng thông tin di động thế hệ 2 đều sử dụng kỹ

ng 2 phương pháp đa truy nhập:

a truy cập phân chia châu Âu và có tên thống thông tin

n các thuê bao di ống 1G bởi vì ăng cung cấp một

• Đa truy nhập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple TDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các khe thời gian khác nhau

Access-• Đa truy nhập phân chia theo mã (Code Division Multiple CDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các chuỗi mã khác nhau

Access-1.2.1 Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA

Hình 1.4 Ví dụ đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)

Trong hệ thống TDMA phổ tần số quy định cho liên lạc di động được chia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần liên lạc này được dùng chung cho kênh N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian (time slot) trong một chu kì khung Tin tức được tổ chức dưới dạng gói, mỗi gói có bít chỉ thị đầu gói, chỉ thị cuối gói, các bít đồng bộ và các bít dữ liệu Không như hệ thống FDMA, hệ thống TDMA truyền dẫn dữ liệu không liên tục và chỉ sử dụng cho dữ liệu số và điều chế số

Các đặc điểm của TDMA

- TDMA có thể phân phát thông tin theo hai phương pháp là phân định trước và phân phát theo yêu cầu Trong phương pháp phân định trước, việc phân phát các cụm được định trước hoặc phân phát theo thời gian Ngược lại trong phương pháp phân định theo yêu cầu các mạch được tới đáp ứng khi có cuộc gọi yêu cầu, nhờ đó tăng được hiệu suất sử dụng mạch

- Trong TDMA các kênh được phân chia theo thời gian nên nhiễu giao thoa giữa các kênh kế cận giảm đáng kể

- TDMA sử dụng một kênh vô tuyến để ghép nhiều luồng thông tin thông qua việc phân chia theo thời gian nên cần phải có việc đồng bộ hóa việc truyền dẫn để tránh trùng lặp tín hiệu Ngoài ra, vì số lượng kênh tăng nên thời gian trễ do truyền dẫn đa đường không thể bỏ qua được, do đó sự đồng bộ hóa phải tối ưu

1.2.2 Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA

Hình 1.5 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA)

Đối với hệ thống CDMA, tất cả người dùng sẽ sử dụng cùng lúc một băng tần Tín hiệu truyền đi sẽ chiếm toàn bộ băng tần của hệ thống Tuy

nhiên, các tín hiệu của mỗi người dùng được phân biệt với nhau bởi các chuỗi

mã Thông tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi, mà không sợ gây nhiễu lẫn nhau

Kênh vô tuyến CDMA được dùng lại mỗi cell trong toàn mạng, và những kênh này cũng được phân biệt nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên

PN

Trong hệ thống CDMA, tín hiệu băng hẹp được nhân với tin hiệu băng thông rất rộng, gọi là tín hiệu phân tán Tín hiệu phân tán là một chuỗi mã giả ngẫu nhiên mà tốc độ chip của nó rất lớn so với tốc độ dữ liệu Tất cả các users trong một hệ thống CDMA dùng chung tần số sóng mang và có thể được phát đồng thời Mỗi users có một từ mã giả ngẫu nhiên riêng của nó và

nó được xem là trực giao với các từ mã khác Tại máy thu, sẽ có một từ mã đặc trưng được tạo ra để tách sóng tín hiệu có từ mã giả ngẫu nhiên tương quan với nó Tất cả các mã khác được xem như là nhiễu Để khôi phục lại tín hiệu thông tin, máy thu cần phải biết từ mã dùng ở máy phát Mỗi thuê bao vận hành một cách độc lập mà không cần biết các thông tin của máy khác

Đặc điểm của CDMA:

- Dải tần tín hiệu rộng hang MHZ

- Chất lượng thoại cao hơn, dung lượng hệ thống tăng đáng kể (có thể gấp từ 4 đến 6 lần hệ thống GSM), độ an toàn (tính bảo mật thông tin) cao hơn do sử dụng dãy mã ngẫu nhiên để trải phổ, kháng nhiễu tốt hơn, khả năng thu đa đường tốt hơn, chuyển vùng linh hoạt Do hệ số

tái sử dụng tần số là 1 nên không cần phải quan tâm đến vấn đề nhiễu đồng kênh

- CDMA không có giới hạn rõ ràngvề số người sử dụng như TDMA và FDMA Còn ở TDMA và FDMA thì số người sử dụng là cố định, không thể tăng thêm khi tất cả các kênh bị chiếm

- Hệ thống CDMA ra đời đã đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn dịch vụ thông tin di động tế bào Đây là hệ thống thông tin di động băng hẹp với tốc độ bít thông tin của người sử dụng là 8-13 kbps

Ưu và nhược điểm của 2G

Hệ thống kỹ thuật số được thiết kế giảm bớt năng lượng sóng radio phát

từ điện thoại Nhờ vậy có thể thiết kế điện thoại 2G nhỏ gọn hơn, đồng thời giảm chi phí đầu tư những tháp phát sóng

Mạng 2G trở nên phổ biến cũng do công nghệ này có thể triển khai một

số dịch vụ như Email và SMS Đồng thời mức độ bảo mật cá nhan cũng cao hơn so với 1G

∗ Nhược điểm:

Những nơi dân cư thưa thớt, sóng kĩ thuật số yếu có thể không tới được các tháp phát sóng Tại những địa điểm như vậy, chất lượng truyền sóng cũng như chất lượng các cuộc gọi giảm đáng kể

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

Hệ thống thông tin di động chuyển từ thế hệ 2 sang thế hệ 3 qua một giai đoạn trung gian là thế hệ 2,5 sử dụng công nghệ TDMA trong đó kết hợp nhiều khe hoặc nhiều tần số hoặc sử dụng công nghệ CDMA trong đó có thể

Nhiều tiêu chuẩn cho h

được đề xuất, trong đó hai h

chấp thuận và đưa vào ho

hệ thống này đều sử d

tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao di

thế hệ thứ 3

W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là s

của các hệ thống thông tin di

GSM, IS-136

CDMA2000 là sự

dụng công nghệ CDMA: IS

Yêu cầu đối với hệ

thế hệ 2 nếu không sử dụng phổ tần mới, bao g

a vào sử dụng như: GPRS, EDGE và CDMA2000

n cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 IMT

đó hai hệ thống W-CDMA và CDMA2000 đ

a vào hoạt động trong đầu của những năm thập kdụng công nghệ CDMA, điều này cho phép th

i cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin di

CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là s

ng thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ

ự nâng cấp của hệ thống thông tin di động tCDMA: IS-95

ệ thông thông tin di động thế hệ 3

i, bao gồm các : GPRS, EDGE và CDMA2000-1x

ng có xu thế hòa nhập

c độ bít lên đến ăng hẹp các hệ

n tin di động băng

3 IMT-2000 đã CDMA và CDMA2000 đã được IUT

Thông tin di động thế hệ 3 xây dựng trên cơ sở IMT-2000 được đưa vào phục vụ từ năm 2001 Mục đích của IMT 2000 là đưa ra nhiều kha năng mới nhưng cũng đồng thời bảo đảm sự phát triển liên tục của thông tin di động thế

hệ 2

Tốc độ của thế hệ 3 được xác định như sau:

- 384 Kbps đối với vùng phủ sóng rộng

- 2Mbps đối với vùng phủ sóng địa phương

Các tiêu chí chung để xay dựng hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G):

- Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau:

 Đường lên: 1885 – 2025 MHz

 Đường xuống: 2110 – 2200 Mhz

- Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin

vô tuyến:

 Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến

 Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông

- Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau: trong công sở, ngoài đường, trên xe, vệ tinh

- Có thể hỗ trợ các dịch vụ như:

 Môi trường thông tin nhà ảo (VHE: Vitual Home Environment) trên cơ sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạng toàn cầu

 Đảm bảo chuyển mạng quốc tế

 Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, số liệu chuyển mạch kênh và số liệu chuyển mạch theo gói

- Nhiều tiện ích và dịch vụ nổi bật đó là sử dụng điện thoại video (video call), dịch vụ Internet di động, xem phim, nghe nhạc theo yêu cầu… phù hợp với những người năng động, nhất là đối với những người hay đi công tác xa, thường xuyên phải di chuyển

- Internet 3G tiện lợi, tốc độ truy cập Internet không kém đường truyền ADSL, có thể di chuyển, sử dụng ở mọi lúc, mọi nơi

∗ Nhược điểm:

- Tầm phủ sóng bị giới hạn

- Giá cước, thiết bị đầu cuối cao

- Chất lượng chưa ổn định Mặt khác khi nhiều người cùng truy cập đến

BS thì tốc độ truyền dẫn của 3G sẽ bị chia sẻ dẫn tới tốc độ truy cập giảm, đó là những khó khăn mà các nhà mạng cần giải quyết

1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ4 (4G)

Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 sang thế hệ 4 qua giai đoạn trung gian là thế hệ 3.5 có tên là mạng truy nhập gói đường xuống tốc độ cao HSDPA Thế hệ 4 là công nghệ truyền thông không dây thứ tư, cho phép chuyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lí tưởng lên tới 1 cho đến 1,5 Gbps Công nghệ 4G được hiểu là chuẩn tương lai của các thiết bị không dây Các nghiên cứu đầu tiên của NTT DoCoMo cho biết, điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100 Mbps khi di chuyển và tới 1 Gbps khi đứng yên, cho phép người sử dụng có thể tải và truyền lên hình ảnh động chất lượng cao Chuẩn 4G cho phép truyền các ứng dụng phương tiện truyền thông phổ biến nhất, góp phần tạo nên các ứng dụng mạnh mẽ cho các mạng không dây nội bộ (WLAN) và các ứng dụng khác

Thế hệ 4 dùng kỹ thuật truyền tải truy cập phân chia theo tần số trực giao

OFDM, là kỹ thuật nhiề

vụ như điện thoại IP, truy c

HDTV đa thương tiện…

3G LTE được xem như

đủ các tính năng theo yêu c

lên đến 100Mbps ở đườ

20 MHz

ều tín hiệu được gửi đi cùng một lúc nhữ

Hình 1.7: Hình ảnh tổng thể của OFDM

t OFDM, chỉ có một thiết bị truyền tín hiệu trên nhi

c cho đến vài nghìn tần số) Thiết bị 4G sử

i phần mềm SDR (Software – Defined Radio) cho phép

ng thông hiệu quả hơn bằng cách dùng đa kênh đồ

ng 4G chỉ dùng chuyển mạch gói, do đó, gi liệu

ng thông tin băng rộng được xem như IMT tiên ti

nh nghĩa bới ITU – R Tốc độ dữ liệu đề ra là 100 Mbps

n cao và 1Mbps cho thuê bao ít di chuyể

n 40MHz Sử dụng hoàn toàn trên nền IP, cung c

i IP, truy cập internet băng rộng, các dịch vụ n…

c xem như là tiền 4G, nhưng phiên bản đầu tiên c

ng theo yêu cầu của IMT Advanced LTE có tố

ờng xuống và 50 Mbps ở đường lên đối v

ững trên những

u trên nhiều tần số dụng máy thu Defined Radio) cho phép

Và sẽ hơn nữa nếu MIMO, các anten mảng được sử dụng LTE được phát triển đầu tiên ở hai thủ đô Stockholm và Olso vào ngày 14/12/2009 Giao diện

vô tuyến vật lí đầu tiên được đặt tên là HSOPA (High Speed Radio Access), bây giờ có tên là E-UTRA (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access) Thực

tế cho thấy, hầu hết các hang sản xuất thiết bị viễn thông hàng đầu thế giới: Alcatel-Lucent, Samsung, nokia, LG… đã bắt tay với các nhà mạng lớn trên thế giới (Verizon Wireless, AT&T, NTT DoCoMo, ZTE…) thực hiện các cuộc thử nghiệm quan trọng trên công nghệ LTE và đã đạt những thành công đáng kể LTE Advanced là ứng viên cho chuẩn IMT-Advanced, mục tiêu của

nó là hướng đến đáp ứng được yêu cầu của ITU LTE Advanced có khả năng tương thích với thiết bị và chia sẻ băng tần với LTE phiên bản đầu tiên

Di động WiWAX (IEEE 802.16e-2005) là chuẩn truy cập di động không dây băng rộng (MWBA) cũng được xem là 4G, tốc độ bít đỉnh đường xuống là

128 Mbps và 56Mbps cho đường xuống với độ rộng băng thông hơn 20MHz UMB (Ultra Mobile Broadband): UMB được các tỏ chức viễn thông của Nhật Bản, Trung Quốc, Bắc Mỹ và Hàn Quốc cùng với các hang như Alcatel-Lucent, Apple, Motorola, NEC và Verizon Wireless phát triển từ nền tảng CDMA UMB có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25MHz đến 20MHz và làm việc ở nhiều dải tần số, với tộc độ truyền dữ liệu lên tới 288Mbps cho luồng xuống và 75 Mbps cho luồng lên với độ rộng băng tần sử dụng là 20 MHz Qualcomm là hang đi đầu trong nỗ lực phát triển UMB, mặc

dù hãng này cũng đồng thời phát triển cả công nghệ LTE

Yêu cầu kỹ thuật của 4G bao gồm cả mạng chuyển mạch gói tin dựa trên địa chỉ IP và một kênh với băng thông có khả năng mở rộng lên đến 40MHz 4G sử dụng công nghệ mạng như: UMTS, OFDM, SDR, TD-SCDMA, MIMO, WIMAX

Các tính năng nổi bật của 4G như:

- Hệ thống quang phổ hiệu quả

- Dung lượng mạng cao

- Tỷ lệ chuyển giao dữ liệu lớn

- Dịch vụ chất lượng cao

- Bảo mật và tính cá nhân cao

Mặt hạn chế của 4G:

- 4G sẽ tôn chi phí hơn cho người sử dụng do tuổi thọ pin kém và bộ vi

xử lý của thiết bị phải được thay đổi thường xuyên

- Kết nối chỉ giới hạn trong thành phố lớn hoặc khu đô thị

1.5 Hệ thống thông tin thế hệ thứ 5 (5G)

Để đảm bảo cho sự phát triển liên tục của hệ thống thông tin di động, vào tháng 2 năm 2013, ba tổ chức của Trung Quốc là: Bộ Công nghiệp và Công nghệ Thông tin MIIT, Ủy ban Phát triển và Cải cách Quốc gia NDRC

và Bộ Khoa học và Công nghệ MOST đã cùng nhau hợp tác thành lập nhóm

“IMT-2020 (5G) Promotion” dựa trên nền tảng của nhóm “IMT-Advanced Promotion” nhằm hướng đến việc xây dựng và phát triển hệ thống thông tin

di động thế hệ thứ 5 (5G)

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

Tốc độ dữ liệu cao hơn hệ thống hiện tại từ 10 đến 100 lần

Độ trễ gần như bằng 0

Đáp ứng phục vụ được số lượng lớn thiết bị (hàng triệu thiết bị trên 1

km2

Đáp ứng được Thông lượng cao hơn, khoảng vài chục Tbps/km2

Đảm bảo kết nối liên tục với các thiết bị di chuyển với tốc độ cực nhanh, lên tới hơn 500 km/h

Nâng cao hiệu quả sử dụng phổ lên từ 5 đến 15 lần

Giảm chi phí tiêu hao trên mỗi bit dữ liệu khoảng 100 lần

Nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng lên hơn 100 lần

Hình 1.8 Khối khả năng của công nghệ 5G trong tương lai

Để làm được điều này, cần phải có những nền tảng kỹ thuật mới để nâng cấp quá trình xử lý và truyền dữ liệu của hệ thống di động hiện nay Đã có nhiều kỹ thuật được đề xuất, ví dụ như:

* Công nghệ truyền dẫn không dây:

Massive MIMO

Đa truy nhập: NOMA, BDMA…

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

Các kỹ thuật điều chế và mã hóa tiên tiến: WAN, tiền mã hóa…

* Công nghệ mạng không dây:

Mạng truy cập vô tuyến đám mây C-RAN

Mạng di động MN

Truyền thông D2D

 Kết luận chương:Hệ thống 5G trong tương lai sẽ đem lại cho người

sử dụng những trải nghiệm hoàn toàn mới về chất lượng dịch vụ, nơi mà chúng ta có thể kết nối với mọi vật xung quanh mọi lúc, mọi nơi Mạng 5G sẽ

là một mạng lưới hoàn chỉnh cho mạng di động không dây, hướng đến một thế giới không dây “thực sự”, một thế giới Internet of Thing (IoT)

CHƯƠNG 2:

KIẾN TRÚC CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G

 Giới thiệu chương: Chương này sẽ đề cập đến kiến trúc của hệ thống

thông tin di động thế hệ thứ 5 (5G) và các công nghệ, kỹ thuật truyền dẫn mới được cho là ứng viên cho việc phát triển hệ thống này Đồng thời, chương này cũng đề cập đến những vấn đề về an ninh mạng mà hệ thống 5G trong tương lai có thể phải đối mặt

2.1 Kiến trúc hệ thống 5G

Hình 2.1: Kiến trúc hệ thống 5G (Nguồn: METIS)

Năm 2012, Ủy ban Châu Âu (European Commission) đã chi ra 50.000.000 triệu Euro để đầu tư vào nghiên cứu việc triển khai hệ thống

thông tin di động 5G vào năm 2020 Đã có nhiều dự án được đề xuất, nhưng trong đó, nổi bật nhất là dự án METIS (Mobile and wireless communications Enablers for Twenty-twenty (2020) Information Society) Mục tiêu của dự án

là xây dựng nền tảng cho một hệ thống thông tin di động và không dây trong tương lai METIS đã cung cấp kiến trúc cùng với những công nghệ cần thiết

để có thể triển khai hệ thống 5G

Theo dự án METIS, hệ thống 5G sẽ được xây dựng dựa trên kiến trúc Mạng truy nhập vô tuyến đám mây C-RAN (Cloud Radio Access Network) Kiến trúc hệ thống 5G vẫn sử dụng phủ sóng phân chia theo các Cell, bao gồm các trạm gốc (BS) được trang bị Anten Massive MIMO để quản lý các MacroCell, trong các MacroCell sẽ được phân chia ra nhiều Cell nhỏ được quản lý thông qua các Node mạng Bên cạnh đó, hệ thống 5G còn phát triển một số công nghệ mới như Mạng di chuyển MN (Moving Network), Truyền thông D2D (Divice to Divice Communication),…

Các trạm BS với Anten Massive MIMO đóng vai trò như các điểm truy nhập hỗ trợ cho mạng C-RAN giao tiếp với các mạng truy nhập cơ bản (2G/3G/4G) Hơn nữa, trong hệ thống 5G, các User còn có thể phối hợp với nhau tạo thành các mảng của Anten Massive MIMO ảo, các mảng Anten Massive MIMO ảo này kết hợp với Anten tại các Node truy nhập ở các Cell nhỏ tạo ra những liên kết Massive MIMO, làm tăng hiệu quả truyền dữ liệu của hệ thống

2.1.1 Mạng truy nhập vô tuyến đám mây C-RAN

C-RAN là một kiến trúc được đề xuất cho các mạng di động trong tương lai Nó lần đầu tiên được giới thiệu bởi Viện nghiên cứu di động Trung Quốc (China Mobile Research Institute) vào tháng 4 năm 2010 tại Bắc Kinh, Trung Quốc Một cách dễ hiểu, C-RAN là một kiến trúc mạng truy cập vô tuyến được xây dựng dựa trên điện toán đám mây để hỗ trợ cho 2G, 3G, 4G và các chuẩn truyền thông không dây khác trong tương lai

Kiến trúc mạng truy cập vô tuyến thông thường được xây dựng dựa trên các trạm thu phát gốc BTS (Base Tranceiver Station) Mỗi trạm BTS sẽ quản

lý một khu vực nhỏ, và một nhóm BTS sẽ đảm bảo phủ sóng liên tục trong một khu vực Do hạn chế về tài nguyên phổ, các nhà cung cấp mạng đã “tái

sử dụng” các tần số giữa các BTS khác nhau, vì vậy gây ra hiện tượng can nhiễu giữa các Cell lân cận Bên cạnh đó, kiến trúc này còn có nhiều nhược điểm khác như:

− Việc xây dựng và vận hành các trạm BTS khá tốn kém

− Khó nâng cao dung lượng hệ thống: khi đưa thêm nhiều BTS vào hệ thống để gia tăng dung lượng, sự can nhiễu giữa các BTS còn nghiêm trọng hơn trường hợp “tái sử dụng” tần số

− Khả năng xử lý của mỗi BTS không thể chia sẽ cho các BTS khác, vì vậy mà BTS chỉ đáp ứng được khả năng xử lý lưu lượng tối đa chứ không đáp ứng được khả năng xử lý lưu lượng trung bình của hệ thống, dẫn đến việc lãng phí tài nguyên xử lý và năng lượng trong thời gian rỗi của các BTS Tuy nhiên, hệ thống BTS trong C-RAN lại khác Các BTS trong C-RAN

là sự áp dụng những kỹ thuật tiên tiến trong hệ thống thông tin không dây, thông tin quang và công nghệ thông tin như: sử dụng loại Anten thông minh mới, các công nghệ điều chế, ghép kênh đạt hiệu quả cao, sử dụng sóng milimet trong quá trình truyền dẫn… BTS trong C-RAN còn tận dụng được nền tảng mở và công nghệ ảo hóa thời gian thực của điện toán đám mây để đạt được khả năng phân bổ tài nguyên một cách linh động hỗ trợ không nhỏ cho các nhà cung cấp, các môi trường đa công nghệ

Hình 2.2: Sự thay đổi từ RAN sang C-RAN

2.1.2 Mạng di chuyển MN

Trong các mạng thông tin không dây tương lai, một số lượng lớn truy cập của người sử dụng sẽ đến từ các phương tiện đi lại (như ô tô, xe bus, tàu lửa,…) Vì vậy, một giải pháp đã được đề ra, đó là triển khai một hoặc một vài Điểm chuyển tiếp di động MRN (Moving Relay Node) trên các phương tiện đi lại để hình thành một Cell di động riêng của phương tiện đó, đây gọi là mạng di chuyển MN

Bằng việc sử dụng Anten thích hợp, một MRN có thể giảm hoặc thậm chí là loại bỏ được suy hao xuyên qua (penetration loss) xe cộ, loại suy hao

mà ảnh hưởng tương đối lớn đến quá trình giao tiếp của hệ thống Hơn nữa, các điểm MRN có thể khai thác tốt các công nghệ Anten thông minh cũng như phương thức xử lý tín hiệu tiên tiến khác nhau, vì chúng ít bị hạn chế về kích thước và năng lượng so với các thiết bị người sử dụng thường xuyên kết nối với các trạm gốc vĩ mô

Hình 2.3: Mạng di chuyển MN

Các MRN cũng có khả năng được sử dụng để phục vụ người dùng bên ngoài phương tiện di chuyển, do đó nó cũng có thể trở thành một trạm gốc nhỏ có khả năng di chuyển trong mạng Vì vậy, phương tiện di chuyển và hệ thống giao thông sẽ đóng một vai trò quan trọng trong mạng di động không dây trong tương lai Những phương tiện này sẽ cung cấp thêm dung lượng thông tin và mở rộng vùng phủ của hệ thống truyền thông di động

Tuy nhiên, việc triển khai các MRN cũng gặp không ít những khó khăn như phải có hệ thống đường trục hiệu quả, yêu cầu công nghệ phân bố tài nguyên và quản lý can thiệp phức tạp, phải có phương thức quản lý di động thích hợp…

2.1.3 Truyền thông D2D

Mạng cực kì dày đặc UDN (Ultra-Dense Network) không chỉ xuất hiện khi mà số lượng người sử dụng mạng thông tin tăng lên, các liên kết ngắn lại

mà còn xuất hiện khi có quá nhiều cấu trúc liên kết được phát triển (chẳng hạn như tín hiệu đến từ các dải quang phổ khác nhau) Mạng UDM cho khả năng cung cấp dung lượng nhiều hơn trong những khu vực có số lượng lớn người sử dụng truy nhập mạng như ở các sự kiện thể thao lớn, sân bay, trường học, các trung tâm, những nơi mà sự mất mác thông tin do bị hấp thụ bởi chướng ngại vật là rất lớn Sự ra đời của UDN đã làm giảm đi vai trò của

hệ thống Cell truyền thống, các thiết bị cầm tay ở trong các khu vực lân cận nhau có thể giao tiếp với nhau thông qua truyền thông D2D (Divive-to-Divice Communication)

Hình 2.4: Mạng cực kỳ dày đặc UDN

Truyền thông D2D là một cách rất hiệu quả để nâng cao dung lượng hệ thống và hiệu quả phổ vì các thiết bị có thể trực tiếp giao tiếp với nhau bằng cách chia sẽ 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 Lợi ích đạt được của truyền thông D2D phụ thuộc vào

số lượng các cặp DUE sẵn sàng cho các trường hợp ứng dụng khác nhau

Trong mạng 5G, nơi mà số lượng thiết bị thông minh tham gia vào mạng thông tin tăng lên rất nhiều, truyền thông D2D sẽ đóng một vai trò vô cùng quan trọng Để có thể đưa truyền thông D2D vào trong mạng 5G, cần phải giải quyết được các vấn đề sau:

 Phát hiện trực tiếp (Direct Discovery): Thiết bị người sử dụng cần

phải xác định được những thiết bị “hàng xóm” trước khi thực hiện truyền thông Vì thế, việc phát hiện thiết bị và phát hiện dịch vụ là 2 vấn đề quan trọng trong truyền thông D2D Phát hiện trực tiếp sẽ có 2 chế độ: chế độ A (“Tôi ở đây”) và chế độ B (“Ai đang ở đấy?”/”Bạn có ở đấy không?”) Trong chế độ A, các UE “được phát hiện” sẽ thông báo sự tồn tại của nó với một số thông tin về bản thân (có khả năng đáp ứng được gì?), các UE “đi phát hiện”

sẽ đọc và xử lý thông tin chỉ khi nó quan tâm Trong chế độ B, các UE “đi phát kiện” sẽ gửi yêu cầu kết nối với một số thông tin của bản thân (cần được đáp ứng vấn đề gì?), các UE “được phát hiện” sẽ trả lời nếu nó có khả năng đáp ứng nhu cầu Quá trình này yêu cầu các thiết bị đầu cuối phải báo cáo thông tin vị trí trước khi thực hiện quá trình “phát hiện”, việc này làm tăng độ trễ và tính phức tạp của hệ thống

 Quản lý can thiệp: Việc chia sẽ tài nguyên trong truyền thông D2D

cũng gây ra sự can thiệp giữa các UE với nhau Các trường hợp can thiệp lẫn nhau được thể hiện ở Hình 2.5 Có thể thấy rằng, các cặp D2D phải giữ một khoảng cách nhất định so với trạm gốc BS và các UE đơn khác để tránh sự can thiệp lẫn nhau Chính vì vậy mà việc quản lý can thiệp là rất quan trọng trong truyền thông D2D Quản lý can thiệp bao gồm lựa chọn chế độ, phân

bố tài nguyên và điều khiển công suất

Hình 2.5: Các trường hợp can thiệp lẫn nhau trong truyền thông D2D

− Quản lý can thiệp có thể hoạt động ở 3 chế độ: chế độ tái sử dụng, chế

độ trưng dụng và chế độ Cell

Chế độ tái sử dụng: các thiết bị truyền thông D2D (DUE – D2D User Equipment) chia sẽ chung nguồn tài nguyên tần số của mạng, điều này

sẽ tăng hiệu quả phổ nhưng gây một ít vấn đề về can thiệp

Chế độ Cell: cặp DUE thực hiện truyền thông với các thiết bị khác thông qua BS như các thiết bị trong hệ thống Cell truyền thống

Chế độ trưng dụng: các DUE sẽ sử dụng một phần tài nguyên có sẵn của các UE đơn (không tham gia vào D2D), điều này sẽ hạn chế được sự can thiệp giữa DUE và các UE đơn nhưng lại tăng khả năng can thiệp giữa các DUE với nhau

 Truyền thông trực tiếp: Làm sao có thể tận dụng được một cách linh

hoạt và triệt để nguồn tài nguyên tần số trong hệ thống 5G để thiết kế được liên kết truyền thông trực tiếp D2D vẫn là một vấn đề cần quan tâm Đã có nhiều đề xuất về các công nghệ đa sóng mang như FBMC, UFMC,…, tất cả đều được dự đoán là có khả năng đáp ứng tốt được yêu cầu này

2.2 Mạng lõi Nano

Việc đáp ứng các tiêu chuẩn đặt ra cho hệ thống 5G không phải là điều

dễ dàng, ngoài những phương thức mới trong truyền dẫn, cần phải có một công nghệ mới làm nền tảng để thiết kế, xây dựng các thiết bị trong hệ thống

Và xây dựng mạng lõi Nano làm cốt lõi cho hệ thống 5G chính là một giải pháp được xem là tối ưu nhất có thể đáp ứng yêu cầu này

Mạng lõi Nano được định nghĩa một cách đơn giản là sự hội tụ của 3 công nghệ:

Công nghệ Nano

Điện toán đám mây

Mạng All IP (AIPN)

Hình 2.6:

2.2.1 Công nghệ

Các tiêu chuẩn c

Taniguchi tại Hội nghị

Công nghệ Nano là việ

động của hệ thống trên đơ

nm) Lĩnh vực này còn

MNT (Molecular NanoTechnology)

Công nghệ Nano đ

tiêu hướng tới của các h

Nano đã cho thấy sự tác

thời, công nghệ Nano còn tác

như vấn đề an ninh trong m

quan trọng trong việc phát tri

2.6: Mạng lõi Nano trong hệ thống 5G

Nano

n của Công nghệ Nano đã được giới thi

ị Quốc tế về kỹ thuật sản xuất Tokyo vào n

ệc ứng dụng kỹ thuật Nano để điều khiển quá trình ho

ng trên đơn vị diện tích được tính bằng nanomet (t

c này còn được biết đến với cái tên Công nghệ Nano MNT (Molecular NanoTechnology)

Nano đã trở thành một cuộc cách mạng công ngh

a các hệ thống viễn thông trong thời gian tớtác động của nó trên cả mạng di động và mNano còn tác động không nhỏ đến các thiết bị c

an ninh trong mạng Công nghệ Nano đã trở thành m

c phát triển của ngành viễn thông

i thiệu bởi Nori

t Tokyo vào năm 1974

Các cấu trúc Nano có tiềm năng ứng dụng làm thành phần chủ chốt trong những dụng cụ thông tin kỹ thuật có những chức năng mà truớc kia chưa có Chúng có thể được lắp ráp trong những vật liệu trung tâm cho điện

từ và quang Những vi cấu trúc này là một trạng thái độc nhất của vật chất có những hứa hẹn đặc biệt cho những sản phẩm mới và rất hữu dụng

Nhờ vào kích thuớc nhỏ, những cấu trúc Nano có thể đóng gói chặt lại

và do đó làm tăng tỉ trọng gói (packing density) Tỉ trọng gói cao có nhiều lợi điểm: tốc độ xử lý dữ liệu và khả năng chứa thông tin gia tăng Tỉ trọng gói cao là nguyên nhân cho những tương tác điện và từ phức tạp giữa những vi cấu trúc kế cận nhau Đối với nhiều vi cấu trúc, đặc biệt là những phân tử hữu

cơ lớn, những khác biệt nhỏ về năng lượng giữa những cấu hình khác nhau có thể tạo được các thay đổi đáng kể từ những tương tác đó Vì vậy mà chúng có nhiều tiềm năng cho việc điều chế những vật liệu với tỉ trọng cao và tỉ số của diện tích bề mặt trên thể tích cao, chẳng hạn như bộ nhớ (memory)

2.2.1.1 Thiết bị Nano

Điện thoại di động hiện nay không chỉ đơn thuần dùng để liên lạc Có hàng trăm, hàng ngàn ứng dụng được phát triển phục vụ cho hầu hết các nhu cầu của người sử dụng, từ việc giải trí cho đến việc kiểm tra, giám sát sức khỏe, giám sát an ninh từ xa,… Điện thoại di động đã dần trở thành một thiết

bị thể hiện cá tính của mỗi người sử dụng Chính vì sự phát triển mạnh mẽ của điện thoại di động, cũng như sự tăng cao trong nhu cầu của người sử dụng, công nghệ điện tử - viễn thông bắt buộc phải phát triển theo để đáp ứng được những vấn đề đó Và đây chính là lúc mà các thiết bị sử dụng Công nghệ Nano xuất hiện và trở nên hữu dụng hơn bao giờ hết Những chiếc điện thoại được sử dụng trong hệ thống 5G lõi Nano đươc gọi là Thiết bị Nano (NE – NanoEquipment)

Những đặc tính nổi bật của NE:

Nguồn năng lượng tự nhiên: Nguồn năng lượng có thể là năng lượng mặt trời, nước, không khí,…

Khả năng cảm biến môi trường: cảm biến được sự thay đổi của môi trường, dự báo thời tiết, đánh giá mức độ ô nhiễm …

Thiết kế dễ uốn dẻo, linh động, khó bị phá vỡ

Trong suốt, có khả năng “nhìn xuyên” qua được

Khả năng tự làm sạch bề mặt

Gần đây, hãng điện thoại nổi tiếng Nokia đã hợp tác cùng với Trường Đại học Cambridge (Anh) và đưa ra được một khái niệm công nghệ mới, đó

là Morph

Hình 2.7: Morph – Khái niệm công nghệ cho tương lai

Morph trong tiếng Hy Lạp có nghĩa là định hình, hình thức Morph là một khái niệm về công nghệ mà ở đó, việc ứng dụng công nghệ Nano đã giúp cho các thiết bị di động trong tương lai có khả năng co giãn linh hoạt, cho phép người sử dụng có thể chuyển đổi thiết bị di động của họ thành các hình dạng khác nhau

2.2.1.2 Cảm biến Nano

Cảm biến Nano là bất kỳ loại cảm biến nào (sinh học, hóa học,…) cung cấp khả năng truyền tải những thông tin cảm biến ở quy mô Nano đến với thế giới vĩ mô Cảm biến Nano cho phép ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như giao thông vận tải, thông tin liên lạc, xây dựng, y tế, bảo hiểm, an ninh quốc gia… Hầu hết các cảm biến này đều dựa trên công nghệ Nano thuần túy, sau đây là một số ứng dụng mà cảm biến Nano có thể làm được:

Cảm biến Vật lý: phương pháp này cho phép đo đạc được các đặc tính riêng của hầu hết các phân tử sinh học

Cảm biến hóa học: cảm biến khí gas dựa trên ống Nano …

Cảm biến sinh học: Cho khả năng xác định DNA bằng việc sử dụng

Một cách rõ ràng, hệ thông 5G yêu cầu tốc độ dữ liệu cao và cung cấp một lưu lượng đáng tin cậy để có thể thao tác những công việc khổng lồ chỉ như làm việc với một đối tượng duy nhất mà vẫn đảm bảo được những vấn đề

về an ninh mạng Các mạng lõi hiện nay (LTE, WiMAX) vẫn chưa thể đáp ứng được yêu cầu này, nhưng mạng lõi Nano sử dụng công nghệ Nano thì hoàn toàn có thể

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

mã cho các thiết bị, trong khi bộ vi xử lý máy tính với hiệu suất cao nhất sẽ làm nhiệm vụ điều khiển và báo hiệu

Một yêu cầu khác được đặt ra đó là phải kết hợp được những chức năng trên với hệ thống mạng có khả năng sẵn sàng đáp ứng dịch vụ cao, và Kiến trúc Điện toán Viễn thông Nâng cao ATCA (Advanced Telecommunications Computing Architecture)có thể xem là giải pháp tối ưu để thực hiện yêu cầu này ATCA cho phép thiết lập hệ thống kết nối cũng như cơ sở hạ tầng riêng biệt để hỗ trợ cho những card DSP mật độ cao

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

2.2.1.4 Tính toán lượng tử

Tính toán lượng tử là lĩnh vực nghiên cứu tập trung vào việc phát triển công nghệ máy tính dựa trên các nguyên tắc của lý thuyết lượng tử, qua đó giải thích được bản chất và trạng thái của năng lượng và vật chất ở cấp độ lượng tử (nguyên tử và hạ nguyên tử)

Với những yêu cầu đặt ra, các hệ thống trong mạng 5G cũng phải đảm bảo được khả năng truyền tải dữ liệu tốc độ cao cũng như xử lý được một lượng dữ liệu khổng lồ trong thời gian ngắn

Trong các máy tính kỹ thuật số hiện đại, thông tin được truyền đi thông qua các dòng điện dưới dạng các hạt hạ nguyên tử mạng điện tích âm Các transistor trong máy tính chính là những thiết bị chuyển mạch dùng để lưu trữ trạng thái dữ liệu dưới dạng “bit”, trong đó, các trạng thái “đóng” và “mở” của transistor đại diện cho giá trị của các bit dữ liệu là: 1 và 0 Ví dụ, với 3 bit, ta có tổng cộng 8 trạng thái dữ liệu: 0-0-0, 0-0-1, 0-1-0, 0-1-1, 1-0-0, 1-0-

1, 1-1-0, 1-1-1 Tuy nhiên, chỉ có 1 trong các trạng thái trên là được lưu trữ lại trong 3 bit của máy tính ở tại một thời điểm Nhược điểm này sẽ gây cản trở trong việc thao tác với các luồng dữ liệu trong hệ thống 5G

Mặc dù chỉ tồn tại ở mặt lý thuyết nhưng máy tính lượng tử được xem

là một giải pháp để lưu trữ nhiều trạng thái dữ liệu trên máy tính tại cùng một thời điểm Máy tính lượng tử là một thiết bị tính toán sử dụng những lý thuyết về tính toán lượng tử để thực hiện các phép toán trên dữ liệu đưa vào Tính toán lượng tử sử dụng các qubit (bit lượng tử) để mã hóa trạng thái

dữ liệu, đặc biệt, các qubit có thể ở trong trạng thái chồng chập lượng tử Điều này xảy ra khi một hệ lượng tử có cùng lúc nhiều giá trị có thể đo được cho một tính chất vật lý, tức là qubit có thể lưu trữ cùng lúc hai trạng thái 0

và 1 tại cùng một thời điểm (nếu dữ liệu được mã hóa về dạng nhị phân) Máy tính hiện nay có thể thực hiện tính toán 64 bits dữ liệu tại một thời điểm, nếu nó là một máy tính lượng tử, con số này sẽ tăng lên gấp khoảng 2 lần

Hình 2.9: Qubit

2.2.1.5 Mở rộng khả năng lưu trữ

Một trong những yêu cầu chính của mạng lõi Nano đó là khả năng lưu trữ số lượng lớn dữ liệu Các thiết bị hiện đại ngày càng cần một bộ nhớ lớn, nhưng với công nghệ hiện tại, rất khó đề đáp ứng điều này, khi đó, công nghệ nano chính là giải pháp Bằng việc sử dụng các Chấm lượng tử Nano (Nanodot), bộ nhớ của các thiết bị có thể được mở rộng một cách đáng kể Chấm lượng tử Nano là một tinh thể nano được làm từ vật liệu chất bán dẫn mà kích thước của nó đủ nhỏ để làm xuất hiện các đặc tính cơ học lượng

tử Chấm lượng tử có dạng hình cầu, bao dồm hàng trăm nguyên tử bán dẫn

và chúng có thể được tích từ tính, điều này cho phép chúng có thể lưu trữ dữ liệu ở trạng thái nhị phân (0 hoặc 1) Trong hệ thống ổ cứng hiện tại, các thiết

bị lưu trữ bit thông tin phải được đặt đủ xa nhau đề tránh sự can thiệp lẫn nhau Tuy nhiên đối với chấm lượng tử Nano thì khác, chấm lượng tử nano thực hiện các hoạt động tính toán mà không theo bất kì cấu trúc liên kết nào,