CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ MẠNG 6G
1.2. Tổng quan về mạng 6G
1.2.4. Xu hướng công nghệ và thách thức
1.2.4.1. Xu hướng cơng nghệ
Hình 1.10: Các cơng nghệ tiềm năng cho mạng 6G [5] Truyền dẫn tốc độ siêu cao đa băng tần:
Một trong những đặc điểm của truyền thông vô tuyến là có tài ngun tần số hữu hạn. Cơng nghệ mạng di động trước đây ( 2G, 3G, 4G, 5G) đã khai thác một dải rộng tần số từ dưới 6G tới dải tần số 24 – 100 GHz. Theo những yêu cầu đặt ra cho những ứng dụng và nghiên cứu mới về 6G, lượng băng tần hiện tại là khơng đủ đáp ứng, ví dụ dịch vụ video độ phân giải cao yêu cầu tốc độ 24 Gbps hoặc dịch vụ video 3D có thể yêu cầu tốc độ lên tới 100 Gbps. Do vậy, đối với mạng 6G, cần thiết phải khai thác băng tần trên dải tần số cao hơn bên cạnh dải tần số vô tuyến truyền thống.
Trong một vài năm trở lại đây đã có một loại các nghiên cứu liên quan đến việc sử dụng cùng lúc nhiều băng tần nhằm đạt được mục tiêu về truyền dẫn tốc độ cao, đáp ứng về mặt giải pháp cho mạng 6G, điển hình như các cơng ty, tập đoàn lớn như DAPRA, IBM và Intel đang tập trung vào các dải tần số 140 GHz, 220 GHz và 340 GHz (htpps//:spectrum.ieee.org); bên cạnh đó cũng đã có những nghiên cứu về dải tần 0.1 – 10 THz để đáp ứng tốc độ dữ liệu lên tới Tbps. Một ưu điểm lớn của việc sử dụng dải tần THz là hỗ trợ đồng thời cho cả kiến trúc macro-scale và micro-scale, cũng như mạng WLAN tốc độ cao và mạng cảm biến nano.
Ngoài việc sử dụng hình thức truyền thơng vơ tuyến, có thể kết hợp công nghệ truyền thông quang để nâng cao hiệu quả tốc độ truyền dữ liệu của mạng 6G.
Một số kỹ thuật truyền dẫn nâng cao
Một trong những vấn đề cần tập trung nghiên cứu là về công nghệ truyền dẫn từ lớp vật lý nhằm sử dụng các băng tần siêu cao và các ứng dụng mới. Ví dụ, đối với tần số càng cao mà cụ thể là tần số THz thì cần tính đến sự suy hao và hấp thụ. Các tổ
chức và các trường đại học hàng đầu đã tiến hành các nghiên cứu tập trung vào các cơng nghệ mã hóa bao gồm mã hóa kênh, mã sửa lỗi (FEC) và các cơng nghệ điều chế cho truyền thơng đa băng tần. Điển hình là đã có một đề xuất thiết kê lớp vật lý thích nghi theo khoảng cách truyền dẫn, tại đó mỗi dải băng tần GHz (hoặc THz) được chia nhỏ tuy nhiên vẫn đảm bảo cung cấp băng thông lớn cho dịch vụ băng rộng nhằm cho phép truyền dẫn song song nhiều luồng dữ liệu. Trong mỗi băng cấp phát, để tăng hiệu quả, đã có những cải tiến về công nghệ đa ăng-ten, tiêu biểu là UM-MIMO (Ultra massive MIMO), thuộc nhóm cơng nghệ PM-MIMO (Polarized massive MIMO), đây được coi là giải pháp tiềm năng để tăng cự ly truyền dẫn và đạt được dung lượng mong muốn cho mạng THz.
Bên cạnh đó các cơng nghệ truyền dẫn hợp tác đa miền cũng có trong đề xuất cho mạng 6G. Tiêu biểu là OAM-MDM (Orbital Angular Momentum-based Mode- Division Multiplexing), đây là giải pháp cho truyền thơng vơ tuyến tầm nhìn thẳng, cự ly ngắn hiệu quả phổ cao với độ phức tạp thấp. Đặc điểm của OAM-MDM là có khả năng sử dụng tồn bộ DoF (Degree of Freedoms) để mang thông tin trên kênh vô tuyến, bao gồm trạng thái pha, phân cực,... Đối với hệ thống đa ăng-ten (miền không gian) và đa sóng mang (miền tần số, kỹ thuật điều chế MD-IM) dựa trên miền tài nguyên tín hiệu để điều chế các bit thông tin theo các chỉ số nguồn tài nguyên phía phát, bao gồm chỉ số của sóng mang, ăng-ten thu phát, loại mã hóa, ma trận hiệp phương sai, cơng suất tín hiệu, ma trận tiền mã hóa,... Ưu điểm chính của OAM-MDM và MD-IM mang lại là khả năng thay đổi linh hoạt để thoả mãn các yêu cầu chất lượng khác nhau, hỗ trợ đa ứng dụng đúng theo như những yêu cầu cơ bản của mạng 6G.
Mạng thông minh sử dụng Machine-learning và Big Data:
Với mục tiêu hướng tới một thế hệ mạng thông minh để mang tới dịch vụ và trải nghiệm hoàn hảo cho người dùng, 6G cần sử dụng kết hợp nhiều công nghệ trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong thời gian gần đây, lĩnh vực cơng nghệ thơng tin đã có những đột phá đáng kể trong việc phát triển các ứng dụng công nghệ AI - Artificial Intelligence (trí tuệ nhân tạo) và ML – Machine Learning (học máy). Trong ML, giải pháp tối ưu có khả năng đạt được bởi việc phân lớp và thơng qua neutral-network thay vì những cơng việc tính tốn đơn thuần trước đây. Phương pháp ứng dụng ML vào mạng 6G được coi là giải pháp rất hiệu quả trong việc thiết kế và tối ưu các hệ thống truyền thông vô tuyến. Đặc biệt, điểm cốt yếu cho việc thực hiện đồng bộ, ước lượng kênh, san bằng kênh, phân tách tín hiệu, giải mã lặp lại và phân tích đa người dùng trong các hệ thống truyền thông vô tuyến đều tương tự như trong cơ sở lý thuyết của ML.
6G sẽ là một mạng hướng dữ liệu do được kỳ vọng sẽ hỗ trợ việc truyền dữ liệu tốc độ siêu cao trong môi trường hỗn tạp nhiều ứng dụng, thiết bị và các loại mạng dữ liệu. Việc sử dụng kết hợp công nghệ Big-data và ML mang lại nhiều hiệu quả lớn cho mạng 6G, ví dụ có thể tính tốn sử dụng phương pháp tối ưu để truyền nhận dữ liệu giữa người dùng và trạm thu phát sóng do có được thơng tin phân tích dự đốn hành vi dựa trên dữ liệu và xử lý thông tin.
Như đã đề cập ở trên, thiết kế mạng 6G là việc tổng hợp của nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau, có thể kể đến là lý thuyết tối ưu, khoa học máy tính và khoa học sự sống. Gần đây, dựa trên sự phát triển của các công nghệ giao diện brain-machine và mind-controlled đã có những kết quả khả quan, dẫn tới việc các nhà khoa học dự đốn việc truyền thơng dựa trên suy nghĩ mind-to-mind có thể khả thi cho mạng 6G và các thế hệ mạng sau (https://www.iflscience.com/).
Mạng 6G cũng sẽ đa dạng về loại hình truyền thơng, như truyền thơng phân tử cho các ứng dụng trong các lĩnh vực y học (quy mô cỡ micro và nano). Trong dài hạn, sự tiến bộ khoa học kỹ thuật trong các lĩnh vực sinh hóa học cũng sẽ có mặt trong những nghiên cứu về lý thuyết truyền thông.
1.2.4.2. Thách thức
Cho tới thời điểm hiện tại, những nghiên cứu về 6G còn đang rất mới mẻ, đi cùng với đó là cũng tồn tại nhiều thách thức cần phải xét tới.
Nguồn nuôi:
Mạng 6G có khả năng kết nối linh hoạt và quả tới hàng nghìn tỷ thiết bị di động cơng suất thấp. Do vậy, các công nghệ tiết kiệm năng lượng là một vấn đề cực kỳ quan trọng trên khía cạnh trải nghiệm người dùng. Theo thống kê, những smartphone hiện nay chỉ đủ năng lượng pin để hoạt động trong ngày, điều này ít nhiều cũng làm hạn chế sự phát triển của các thiết bị di động này, dẫn tới việc bắt buộc cần phải các công nghệ cung cấp năng lượng mới đi cùng là đơn giản hóa kiến trúc xử lý tín hiệu để đáp ứng sự phát triển của mạng 6G.
Để khắc phục các vấn đề đã nêu trên, cần phải có một kiến trúc thiết bị mà có thể sử dụng được các công nghệ cung cấp năng lượng mới (bao gồm thu năng lượng và sạc điện vô tuyến). Ngoài ra, cũng cần nâng cấp và cải tiến các cơng nghệ truyền thơng hiện tại. Ví dụ, có thể nghiên cứu và thiết kế các thuật tốn phân tách tín hiệu và tiền mã hóa với độ phức tạp thấp cho cơng nghệ UM-MIMO để có hiệu quả sử dụng năng lượng cao. Hơn nữa, sự tối ưu hóa được tích hợp giữa phương pháp cấp nguồn và cơng nghệ truyền thông là một giải pháp cho phép các thiết bị có thể tự điều tiết năng lượng tiêu thụ dựa trên các ứng dụng khác nhau.
Vấn đề bảo mật cũng là điều cần quan tâm trong mạng 6G, do sử dụng mơ hình mạng tích hợp khơng gian – mặt đất (STIN). Trong 6G, bên cạnh việc bảo mật truyền thống ở lớp vật lý, cịn cần xem xét tính tốn các phương pháp bảo mật khác, đặc biệt là phương pháp bảo mật cho mơ hình mạng mới.
Đối với lớp vật lý, những cơng nghệ bảo mật lớp vật lý trong 5G có thể được sử dụng cho mạng 6G, tiêu biểu như mã LDPC (Low-Density Parity Check) cho hệ thống mMIMO (massive MIMO), bảo mật cho dải tần mmWave ứng dụng cho UM-MIMO và các ứng dụng trên dải tần THz.
Đối với mơ hình mạng tích hợp trong 6G, cơ chế quản lý khóa bảo mật tùy từng chức năng các loại khóa cần được xem xét, như trong một số nghiên cứu đã đưa ra cơ chế quản lý khóa phân tán đồng thời cho mạng đơn hướng và đa hướng.
Thiết kế phần cứng:
Thách thức thứ ba có thể kể đến là thiết kế các thiết bị thu phát sóng ở tần số cao. Qualcomm và các tập đồn, cơng ty, tổ chức trong lĩnh vực này đã bỏ nhiều công sức và phân bổ nguồn lực đã nghiên cứu giảm kích cỡ của các thành phần hoạt động trên dải tần mmWave từ kích thước tình bằng mét xuống các thiết bị modem và ăng-ten có kích cỡ như đầu ngón tay người.
Việc sử dụng dải tần THz độc lập và việc sử dụng dải tần THz đồng thời cùng dải tần mmWave cần có giải pháp hợp lý do nguyên tắc về tỷ lệ kích cỡ ăng-ten so với dải tần sử dụng. Hiện nay, một giải pháp hiện đang được các nhà nghiên cứu đưa ra là việc tích hợp quang điện tử (tích hợp module quang và module điện tử) cho hệ thống truyền thông hoạt động trên dải tần số cao, với khả năng khai thác được tổng hợp ưu điểm của các cơng nghệ tích hợp chip, bán dẫn tốc độ và các kỹ thuật ăng-ten tiên tiến.