Bảng 3.7 : Các băng tần số hoạt động của Phiên bản 16 NR trong FR2
2.2 Động lực của 5G
Các hệ thống mạng tế bào 5G cần tăng cường các tính năng và hiệu suất thơng qua LTE vì khơng muốn các cải thiện gia tăng làm cho các nhà khai thác đầu tư vốn phải cam kết triển khai các dịch vụ 5G. Điều quan trọng cần lưu ý là chúng ta đã duy trì một tiêu chuẩn di động tồn cầu duy nhất. Các động lực của 5G là:
Tốc độ dữ liệu người dùng tăng
Tăng dung lượng hệ thống
Số lượng lớn các kết nối
Giảm độ trễ từ đầu đến cuối
Hỗn hợp dịch vụ không đồng nhất
Triển khai băng thông linh hoạt
Sự linh hoạt của mạng
Di chuyển đến các giao tiếp hiệu quả hơn về năng lượng.
ITU đã cung cấp các mục tiêu 5G dưới dạng các yêu cầu IMT-2020, chúng được thể hiện trong bảng 2.1.
NR 5G hỗ trợ cả hai trường hợp triển khai độc lập và không độc lập. Việc triển khai NSA sẽ sử dụng LTE để cung cấp vùng phủ sóng rộng, với việc mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu và kết nối với EPC đang phát triển. Các dịch vụ 5G sẽ cung cấp dữ liệu tốc độ cao thông qua kết nối kép. Việc triển khai độc lập sẽ cung cấp phân luồng dữ liệu và điều khiển cũng như kết nối với một CN 5G. ITU đã cung cấp sơ đồ thể hiện trong Hình 2.2 để xác định các dịch vụ 5G. Ba trường hợp sử dụng đáng kể (các góc của tam giác) là các cơng dụng dự kiến của 5G trong tương lai:
Băng rộng di động tăng cường (eMBB)
Liên lạc kiểu máy với số lượng lớn (mMTC)
Các trường hợp sử dụng 5G bao gồm nhà thông minh, máy bay không người lái được kết nối, năng lượng được kết nối, ơ tơ tự lái, thực tế ảo/trị chơi thực tế tăng cường thời gian thực, v.v. Việc giới thiệu các kỹ thuật độ trễ thấp đã bắt đầu trong LTE để hỗ trợ việc chuyển đổi mạng chuẩn bị cho các dịch vụ 5G khác nhau. Hệ thống mạng tế bào 5G dự kiến sẽ hỗ trợ các trường hợp sử dụng này bằng cách sử dụng các công nghệ sau:
Sự triển khai phổ linh hoạt: phổ được cấp phép, không được cấp phép và chia sẻ, băng thông lớn hơn và liền kề, đa RAT, v.v.
Hình 2.2. Các kịch bản sử dụng của IMT-2020.
Bộ số liệu linh hoạt: Hỗ trợ nhiều trường hợp sử dụng và sự triển khai phổ tần (băng tần dưới và trên 6 GHz), các khe thời gian linh hoạt và băng thông truyền tải rộng, v.v.
Kiến trúc mạng được cải thiện: hỗ trợ xu hướng đám mây của ngành CNTT, SDN/NFV, lát cắt mạng, việc tính tốn cạnh đa truy cập, độ trễ thấp
Bảng 2.1: Sự so sánh của các yêu cầu IMT-2010 và IMT-2020.
Tiêu chí hệ thống IMT-2010 IMT-2020 Chú thích
Tốc độ dữ liệu DL: 1 Gbps DL: 20 Gbps Tốc độ dữ liệu đạt được lớn nhất dưới các điều đỉnh UL: 0.5 Gbps UL: 10 Gbps
kiện lý tưởng
Dung lượng lưu Tổng lưu lượng cung
lượng khu vực 0.1 10 cấp cho mỗi khu vực
(Mbps/m2) địa lý
Hiệu suất năng Số lượng bit thông tin
lượng mạng 1x 100x (ít hơn) cho mỗi đơn vị của sự
(bit/Joule) tiêu thụ năng lượng
Mật độ kết nối
104 106 Tổng số thiết bị kết nối
(thiết bị/km2) trên mỗi khu vực đơn vị
Thời gian từ khi bắt đầu gửi một gói dữ liệu đến
Độ trễ (ms) 10 1 khi nhận được tại đích
(một đường từ đầu đến cuối).
Tính lưu động
350 500 Tốc độ lớn nhất mà một
(kmph) QoS có thể đạt được
Thơng lượng dữ liệu Hiệu suất phổ
1x 3x (nhiều hơn) trung bình trên mỗi đơn
(bps/Hz) vị của phổ và cho mỗi
tế bào
Tốc độ dữ liệu Tốc độ dữ liệu đạt được
người dùng mong 10 100 ở khắp nơi qua khu vực
đợi (Mbps) bao phủ
Điều chế và mã hóa: Điều chế QAM tiếp tục cung cấp một sự thỏa hiệp hiệu quả phổ tần và cơng suất có giá cả hợp lý, mã phân cực và các mã sửa lỗi thuận khác, v.v.
động 5G đang tiếp cận và phát triển mạnh mẽ. So với các mạng di động 4G hiện nay, mạng 5G dự kiến sẽ hỗ trợ dung lượng hệ thống khổng lồ, độ trễ ít hơn
nhiều và khoảng 1000 lần thiết bị trên mỗi km2. Để đáp ứng các yêu cầu này, một số công nghệ mới đã được đưa ra và đang phát triển cho mạng 5G. Các công nghệ này là: massive MIMO, mạng được định nghĩa bằng phần mềm, sóng mm, mạng truy cập vơ tuyến đám mây (RAN), đa truy cập không trực giao, kỹ thuật thơng tin M2M, điện tốn cạnh di động, bộ nhớ đệm không dây, mạng cực kỳ dày đặc và giao tiếp song cơng. Tiếp theo, chúng ta sẽ tìm hiểu một số cơng nghệ này.
2.3.1 Massive MIMO
Khi tìm hiểu về massive MIMO, chúng ta sẽ giải quyết thuật ngữ đầu tiên. Nó được sử dụng để biểu thị số lượng lớn các phần tử ăng ten được sử dụng trong xử lý tín hiệu ăng ten. Số lượng ăng ten phải lớn hơn 64 phần tử. Massive MIMO dựa vào định luật về số lớn để đảm bảo các nhược điểm của kênh và phần cứng (ví dụ: nhiễu, pha đinh và phần cứng) ở mức trung bình khi các tín hiệu từ một số lượng lớn ăng ten được kết hợp vô tuyến với nhau. Nhiều ăng ten đủ khả năng sử dụng hai tùy chọn: Đầu tiên là cung cấp tăng ích mảng bằng cách tập trung năng lượng theo hướng mong muốn và vơ hiệu hóa theo hướng tín hiệu khơng mong muốn (tạo thành chùm). Thứ hai, là cung cấp mức tăng ghép kênh không gian bằng cách gửi các luồng dữ liệu độc lập trên mỗi ăng ten. Kỹ thuật này có thể được sử dụng để tăng tốc độ dữ liệu của người dùng hoặc hệ thống. Cả hai tùy chọn được thể hiện trong Hình 2.3.
Hình 2.3. Các ví dụ về massive MIMO: ghép kênh không gian (bên trái) và chùm tia đơn/đa người dùng.
Đầu tiên, hãy xem xét sử dụng massive MIMO cho tạo búp sóng, các mảng ăng ten có thể được sắp xếp theo các mảng tuyến tính, hình chữ nhật hoặc hình
trịn cũng có thể được xếp chồng lên nhau. Massive MIMO sẽ được triển khai cho 4G và 5G. Trong thực tế, các dải tần số cao dẫn đến các mảng ăng ten quy mơ lớn, nhỏ gọn do bước sóng nhỏ hơn. Massive MIMO có thể được triển khai theo các phương pháp song công FDD hoặc TDD, các hệ thống TDD cho phép người dùng sử dụng định lý tương hỗ để áp dụng những thứ quan sát được trên UL vào DL.
Tiếp theo, là việc xem xét sử dụng massive MIMO cho ghép kênh không gian đã được sử dụng rộng rãi cho 4G và sẽ tiếp tục triển khai cho 5G. Có thể ghép kênh khơng gian với yêu cầu là hạng của ma trận kênh giữa anten phát và thu lớn hơn 1. Trên thực tế, đối với hệ thống MIMO 4 × 4, chỉ có thể quan sát tồn bộ cơng suất nếu hạng ma trận kênh đầy đủ (trong trường hợp này là 4).
Do sự hiệu quả của ghép kênh khơng gian trong LTE, sẽ hợp lý khi nó vẫn tiếp tục được sử dụng trong 5G ở quy mô lớn hơn. Điều này là đúng; tuy nhiên, đi kèm với đó là một thách thức. Kích thước MIMO càng lớn thì càng ít có khả năng trải nghiệm hạng đầy đủ. Điều này có nghĩa là thiết kế một mảng MIMO 256 × 256 và mong muốn gửi 256 lớp cho một người dùng, tất cả thời gian là một điều khó khăn khi thực hiện. Đây là một trong những lý do 5G đã giới hạn số lượng lớp DL trên mỗi người dùng là 8. Độ phức tạp triển khai liên quan đến việc triển khai massive MIMO trong miền số có ý nghĩa. Chùm tia lai đã được
đưa ra để cung cấp một sự thỏa hiệp về hiệu suất/khả năng với độ phức tạp. Điều này mang đến một câu hỏi: Giả sử số lớp tối đa là 8 thì có thể làm gì
với các mức độ tự do cịn lại? Một số có thể được sử dụng để tạo (hoặc định hình) chùm và một số được sử dụng để ghép kênh người dùng khác qua mảng ăng ten. Và được gọi là MIMO nhiều người dùng (MU-MIMO). Ở đây, nhiều người dùng truyền tải và truyền dẫn các tập hợp của họ được xử lý như là họ đến từ một nguồn ghép kênh duy nhất. Các trọng số chùm tia có thể tạo ra một chùm tia theo phương vị và hướng độ cao.
Khi xem xét chùm tia, tăng ích mảng có thể được sử dụng theo nhiều cách khác nhau. Nó có thể được sử dụng để mở rộng vùng phủ sóng, giảm cơng suất
phát của các thiết bị trên UL, cải thiện tỷ lệ nhiễu tín hiệu trên nhiễu tạp âm (SINR) dẫn đến thông lượng người dùng cao và giảm cơng suất truyền trên DL do đó cải thiện hiệu quả cơng suất trên tồn bộ.
Số lượng phần tử ăng ten cần thiết phụ thuộc vào một vài yếu tố:
Tăng ích của mảng (vùng phủ sóng, giảm cơng suất, v.v.)
Các lớp ghép kênh cần thiết
Nhiều người dùng dự kiến sẽ được phục vụ
Dải tần số được sử dụng
Độ phức tạp xử lý tín hiệu (ước tính CSI, tương tự so với miền số, v.v.)
Tăng hiệu suất hệ thống (SINR, dung lượng, tốc độ dữ liệu, v.v.).
Một trong những lợi ích của việc sử dụng nhiều kỹ thuật ăng ten là sự giảm đáng kể trong sự thay đổi kênh. Điều này rất quan trọng trong việc chống lại pha đinh đa đường và để làm giảm đáng kể các thay đổi của kênh cần ít nhất 64 ăng ten trong mảng ăng ten. Nhiều trường hợp triển khai 5G được đưa ra bởi 3GPP có các trường hợp sử dụng khác nhau cho các dịch vụ eMBB, uRLLC và mMTC. Trong các trường hợp triển khai này, số lượng ăng ten DL và UL tối đa được tìm hiểu là 256 và 32.
2.3.2 Kết nối mạng bằng phần mềm
Các chức năng mạng ảo (NFV) và kết nối mạng bằng phần mềm (SDN) đang hỗ trợ việc chuyển sang mạng tập trung vào phần mềm. Các khả năng này cung cấp những cải tiến kỹ thuật thiết thực (ở dạng hiệu suất hệ thống) và tài chính (ở dạng CAPEX và OPEX) cho các nhà mạng. Sự phát triển này cung cấp cho các nhà khai thác mạng những lợi ích to lớn như: một phương tiện dễ quản lý hơn để giám sát mạng, hỗ trợ tốt hơn cho các tính năng mới, sự di chuyển của mạng, v.v. Tuy nhiên, nó cũng mở ra cơ hội cho những người chơi thị trường mới (như gã khổng lồ dịch vụ Internet, nhà cung cấp dịch vụ cáp, v.v.) những người muốn thiết lập sự hiện diện của mạng không dây. Việc áp dụng ban đầu là ảo hóa các chức năng quan trọng ít thời gian hơn, chẳng hạn như trong EPC (cịn gọi là vEPC) và sau đó chuyển xuống ngăn xếp phần mềm giao thức về phía lớp vật lý.
Việc chuyển sang SDN cho phép các nhà khai thác mạng trở nên chủ động trong việc triển khai các trường hợp sử dụng khác nhau. Một lợi ích được gọi là lát cắt mạng. Ở đó, mạng sẽ có thể tự động kết hợp các chức năng truy cập và các chức năng mạng lõi cần thiết để đáp ứng các yêu cầu ở trường hợp sử dụng cụ thể (độ trễ, băng thông, v.v.). Một xu hướng đã bắt đầu trong 4G khi có một bộ dịch vụ đa dạng đã xuất hiện và 3GPP đang giải quyết nhu cầu này như là một phần của sự phát triển của LTE. Chúng ta mong muốn nhu cầu này sẽ tăng và tiếp tục tạo ra các yêu cầu đa dạng hơn. Kiến trúc mạng LTE (theo khái niệm của nó) được gọi là đơn khối và cần phải linh hoạt hơn và có thể mở rộng khi giới thiệu dịch vụ 5G. Lát cắt mạng là một kỹ thuật được đề xuất để hỗ trợ các trường hợp sử dụng rộng rãi này.
Lát cắt mạng tạo ra các kiến trúc mạng ảo dựa trên các nguyên tắc SDN và NFV. Các mạng ảo (hoặc lát) này được tạo ở trên hạ tầng vật lý được chia sẻ chung và có thể được tối ưu hóa để đáp ứng các yêu cầu của các ứng dụng, các dịch vụ hoặc các nhà khai thác. Các mạng ảo bao gồm một tập hợp các chức năng mạng được khởi tạo để cung cấp một mạng logic (hoặc ảo) hoàn chỉnh từ đầu đến cuối để đáp ứng các yêu cầu hiệu suất được đặt ra. Ví dụ, kỹ thuật thông tin mMTC phụ thuộc vào dung lượng người dùng và không cần độ trễ phải thấp, trong khi xe tự lái phụ thuộc vào độ trễ thấp và không cần phải yêu cầu dịch vụ eMBB thông lượng cao nhất.
Mạng đường trục
Hình 2.4. Ví dụ về một phần mạng hỗ trợ dịch vụ uR-LLC, eMBB và mMTC.
Hình 2.4 cung cấp ví dụ sơ đồ khối làm thế nào để mạng có thể được cắt để hỗ trợ các dịch vụ 5G khác nhau được đưa ra ở trên.
2.3.3 Điện toán cạnh đa truy cập
Để hỗ trợ các yêu cầu về độ trễ thấp hơn, chỉ tối ưu hóa trong giao diện vô tuyến 5G là khơng đủ mà chúng ta cần phải tối ưu hóa mạng. Điện tốn cạnh đa truy cập (MEC) là một phương pháp dịch chuyển các chức năng trung tâm của mạng lõi hoặc trung tâm dữ liệu gần với cạnh của mạng (về phía ăng ten), nơi mà dữ liệu sẽ được vận hành theo. Phương pháp này được thể hiện bằng cách sử dụng nguyên tắc dịch chuyển, độ trễ từ đầu đến cuối của người dùng có thể được giảm đáng kể. Ngoài ra, lưu lượng đường trục cũng có thể được giảm đi vì các dung lượng đường trục đã được giảm đáng kể bởi điều này.
MEC cho phép khả năng điện toán đám mây nằm trong mạng truy cập gần với các thiết bị người dùng hơn. Điều này cũng được hỗ trợ bởi điện toán sương mù. Cạnh của mạng được coi là ăng ten trong các đầu vô tuyến từ xa (RRH) được kết nối với mạng truy cập vơ tuyến (RAN). Có một số lý do để thực hiện tính tốn khả năng ở rìa của mạng. Lý do quan trọng nhất là để giảm độ trễ (hoặc độ trễ) mà ứng dụng di động gặp phải khi cố gắng kết nối với máy chủ. Điều này giúp loại bỏ thời gian một gói cần vào mạng khơng dây trước khi được thực hiện. Máy chủ MEC càng ở gần rìa thì độ trễ mà các ứng dụng gặp phải càng nhỏ. Ví dụ về độ trễ dự kiến là: độ trễ < 1 ms là cần thiết để hỗ trợ robot công nghiệp và ứng dụng lái xe tự động, độ trễ < 10 ms là cần thiết để hỗ trợ các ứng dụng thực tế được tăng cường và độ trễ < 100 ms là cần thiết để hỗ trợ các ứng dụng lái xe được hỗ trợ.
Hình 2.5 cho thấy khái niệm phân phối chức năng thường được đặt trong mạng lõi và trung tâm dữ liệu (điện toán đám mây) đến cạnh (điện toán sương mù). Bên cạnh độ trễ ứng dụng thấp hơn, chúng ta cũng có thể thấy được lưu lượng đường trục thấp hơn bằng việc khơng gửi cùng lúc các gói lớn vào mạng cần xử lý và sau đó gửi tất cả các đường trở lại đến cạnh.
MEC sẽ thực hiện chức năng tính tốn và lưu trữ với một số mục tiêu của thị trường để triển khai MEC là:
Tăng doanh thu bằng cách cung cấp khả năng tạo ra các dịch vụ mới sử dụng cơng nghệ mới, chẳng hạn như trí thơng minh nhân tạo, mạng phân phối nội
dung, v.v.
Di chuyển tự nhiên khi ảo hóa tạo ra mạng truy cập (cạnh và sương mù)
Cải thiện hiệu suất (độ trễ thấp hơn, giảm lưu lượng tái sinh).
Hình 2.5. Sơ đồ mạng thể hiện chức năng điện toán phân tán đối với cạnh.
Vậy tại sao các cạnh mạng cần phải ở ăng ten? Chúng ta nên tránh xa các quan điểm đen trắng của mạng/thiết bị (còn được gọi là chế độ xem trung tâm tế bào) sang chế độ xem nhiều màu sắc hơn (còn được gọi là chế độ xem lấy người dùng làm trung tâm) trong đó cạnh bị mờ hơn. Nhiều báo cáo thể hiện là tổng số thiết bị không dây dự kiến sẽ lớn hơn 20B thiết bị trong khoảng thời gian 2025. Chúng ta cần biết rằng số lượng thiết bị đang vượt quá số người trên thế giới. Ngồi ra, do hiệu năng tính tốn của các thiết bị (cầm tay, máy tính xách tay, v.v.) ngày càng trở nên phức tạp và có khả năng hơn thì các thiết bị có thể được