Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LÊN 5G
2.11. Trí tuệ nhân tạo
Công nghệ mạng 5G hướng đến các hạ tầng thông minh: thiết bị thông minh, nhà thông minh, thành phố thông minh, …. Để hạ tầng trở nên thông minh thì việc tính toán của hệ thống phải được thực thi với mật độ lớn và thời gian đáp ứng nhanh trong các trung tâm điều khiển tập trung. Chính vì vậy sự phát triển trí tuệ nhân tạo là cốt lõi cho việc ứng dụng điều khiển thông minh, phân tích và liên kết hàng triệu có khi hàng tỉ dữ liệu trong hệ thống dữ liệu tập trung toàn cầu.
37
Tóm lại: Sự phát triển của các thế hệ di động đặc biệt với chức năng truyền dữ liệu không dây kéo theo sự phát triển công nghệ trên toàn cầu bao hàm tất cả các lĩnh vực của đời sống xã hội, mở ra một kỉ nguyên mới của nhân loại. Việc nghiên cứu thế hệ mạng 5G đang được các tổ chức công nghệ hàng đầu thế giới đang nghiên cứu: Samsung, SK Telecom, NTT Docomo (Nhật Bản), nhóm nghiên cứu METIS (Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society) - Châu Âu (Ericsson, Alcatel-Lucent Bell Labs, DOCOMO Euro-Labs, Nokia Solutions and Networks, Huawei ERC, University of Kaiserslautern, Nokia) và có những tín hiệu thực nghiệm khả thi cho mạng 5G.
Những cuộc nghiên cứu và trải nghiệm đầu tiên sẽ đến trong thời gian diễn ra Olympic mùa hè 2018 tại Tokyo (NTT Docomo Nhật Bản) và sẽ được thương mại - hóa vào năm 2020.
Công nghệ truyền thông không dây thế ệ ứ h th 5 s cung cẽ ấp băng thông rộng tốc đ siêu nhanh ạo ra hạ ầng mạng mạnh nhằm đáp ứng yêu cầu kết nối của vô ộ t t vàn thi t b trong th gi i cế ị ế ớ ủa Internet của vạn vật (Internet of Thing).
38
Các chùm sóng milimet có định hướng cho phép k t nế ối di động tốc độ hàng gigabit m i giây. Nhỗ ững điện tho i tạ ại đường biên ph sóng củ ủa một tháp di động 4G (màu xanh) có th s d ng các chùm tín hi u truy n theo nh ng tuy n ể ử ụ ệ ề ữ ế vòng qua các v t cậ ản. Vì các chùm sóng không giao thoa nên các điện tho i có ạ th s d ng cùng t n s (màu h ng) mà không b nhiể ử ụ ầ ố ồ ị ễu. Điện thoại gần tháp 4G thì k t n i trế ố ực tiếp (màu xanh lá cây).
Hình 16: Chuy n giao giể ữa hệ ống thông tin di độ th ng 4G và 5G
Theo d báo c a Cisco, tự ủ ới năm 2020 sẽ có hơn 50 tỷ thiết bị được kế ốt n i vào các H th ng thông tin ệ ố di động. T nh ng vừ ữ ật dụng trong nhà như: TV, t l nh, máy ủ ạ
39
giặt, lò vi sóng, cho đến những bộ y phục gắn cảm biế hay những vật thển chuy n ể động như tàu hỏa, xe hơi… tấ ả chúng đềt c u tham gia vào m ng Internet toàn c u và ạ ầ s ẽ tiêu thụ lượng dữ ệu với dung lượng gấp cả 1.000 lần so với các thiết bị di độ li ng ngày nay. V t tượ ừ 10 đến 100 lần năng lực truy n t i c a các m ng hi n t i. Vì v y, ề ả ủ ạ ệ ạ ậ trong khi các hãng viễn thông đang gấp rút tung ra nh ng thi t bữ ế ị 4G, cũng là lúc họ bắt đầu làm rõ chu n không dây th h th 5 hay còn g i là 5G. ẩ ế ệ ứ ọ
Vẫn còn quá sớm để hình dung chính xác về công nghệ “5G”, nhưng Samsung mới đây cho b ết đang chuẩn bị ột giải pháp đầy hứa hẹn. Hãng sản xuất điện tửi m khổng lồ Hàn Quốc tuyên bố đã sử ụ d ng Antenna theo công nghệ beam-forming (t o ra chùm tín hiạ ệu truyền nhận có định hướng) và trong th nghi m ử ệ ở băng tần 28 GHz. Với Antenna mảng g m 64 ph n tồ ầ ử đã đạt được tốc đ truyộ ền lên đến trên 1 Gbps trong kho ng cách 2 km. ả
Samsung cho bi t công ngh này có thế ệ ể đẩy tốc đ truyộ ền lên t i 10 Gớ bps nhanh gấp hàng trăm lần so với các H thệ ống thông tin di động 4G LTE hi n t i. Nóệ ạ cho phép đầu cuố di đội ng tải về ộ m t bộ phim độ phân giải cao chỉ trong vòng 1 s. Công ngh này mệ ở ra cơ hội cho người dùng di động được hưởng các d ch vị ụ cao cấp như xem phim trực tuyến 3D, xem nội dung ở độ phân giải siêu cao 4K hay 8K, chăm sóc y tế ừ t xa…
Qu thả ực đây là một bư c đ t phá với công nghệớ ộ truyền phát sóng hoạt động ở băng tần cao, t 3 ÷ ừ 300 GHz, bước sóng tính b ng milimet hay còn gằ ọi là “sóng milimet”. Trên thực tế, các mạng di động thường dùng các băng tần thấp hơn trên ph tổ ần số vô tuyến, nơi chen chúc của hàng chục sóng mang có bước sóng cm ần (t s ố vài trăm MHz) dễ dàng vượt qua các chư ng ngại vật và xuyên trong không khí. ớ Nhưng phổ ầ t n “ngon lành” này không đủ cho nhu cầu ngày càng tăng của các nhà khai thác m ng vàạ các mạng 4G đang phát triển nhanh chóng l i càng khiạ ến tình trạng khan hiếm phổ ần thêm căng thẳng. Vì vậ các dải tần số cao ít được dùng t y hơn và ắt đầu đượ b c nhòm ngó.
Các kỹ sư của Samsung ước tính r ng các qu c gia có th gi i phóng t i 100 ằ ố ể ả ớ GHz phổ ầ t n sóng milimet cho truyền thông di động bằng kho ng 200 lả ần so với
40
các mạng di động s dử ụng ngày nay. Lượng phổ ần dồi dào này sẽ cho phép băng t thông rộng hơn và tốc độ truy n d liề ữ ệu vượt trội.
2.12. “Sóng milimet” – tương lai của 5G?
Hình 17: Tri n khai nhi u tr m phát ể ề ạ sóng nhỏ
Thực ra việc sử ụng băng tần bước sóng mm không phải là mới. WiGig d (Wireless Gigabit Alliance) là m t chu n không dây trong nhàộ ẩ s dử ụng băng tần miễn phí và không cần cấp phép là 60 GHz có thể truyền dữ ệu giữa các thiết bị li trong cùng một căn phòng v i tớ ốc đ ộhàng Gigabit mỗi giây. Nhưng có những lý do khiến việc phủ sóng mm ít được quan tâm. Đó là bởi khả năng xuyên vật liệu rắn của những sóng này không được tố ại tốn năng lượng so với sóng truyền trên băng t l tần thấp hơn cho khoảng cách dài o chúng dễ ị ấp thụ d b h hoặc tán xạ ởi vật cả b n, môi trường điều ki n th i ti t, khí h u. Thêm n a, Antenna ệ ờ ế ậ ữ dùng cho sóng mm có khẩu độ nh ỏ nên cần nhiều năng lượng hơn cần thiết cho các thiết bị di động truyền nh n d li u. ậ ữ ệ
Samsung cho bi t, công nghế ệ ủ c a họ có th ể vượt qua nh ng thách th c này ữ ứ bằng cách sử ụng mả d ng Antenna định hướng ập trung phát sóng vô tuyến theo t
Triển khai nhi u tr m phát sóng nh (small cell base stastion) s ề ạ ỏ ẽ giúp tăng dung lượng truy n t i nh ng khu về ạ ữ ực đông ngườ ởi thành th và ph kín ị ủ sóng cho nh ng vùng “chữ ết” ởnông thôn.
41
một chùm hẹp nh ờ đó làm tăng công suất mà không cần nâng công suất truyền tải.
Antenna mảng kiểu beam forming từ lâu đã được sử ụng cho radar và các hệ ố- d th ng liên l c trong không trung, hiạ ện nay đang được ứng d ng cho nhiụ ều lĩnh vự như c mang lại băng tần r ng cho truy n hình v tinh tộ ề ệ ốc đ cao độ ến các vùng h o lánh ẻ hay s dử ụng điện thoại di động khi trên máy bay. ở
Mẫu mà Samsung đã sử ụ d ng trong các th nghi m là mử ệ ột mảng kích thước cỡ bao diêm g m 64 phồ ần tử Antenna k t n i vế ố ới các thành phần xử lý tín hiệu chuyên dụng. Bằng cách biến đổi linh hoạt pha tín hiệu tại mỗi Antenna, bộ thu phát này phát ra m t chùm sóng h p ch khoộ ẹ ỉ ảng 10 độ nên có th chuyể ển hướng nhanh chóng như cách đèn pha quét sáng. Để ế k t n i v i bộố ớ thu phát khác, chúng liên t c quét ụ các chùm sóng n d ng nh ng v t c tậ ụ ữ ậ ản xung quanh để ạ t o ph n x , dò tìm ra k t nả ạ ế ối mạnh nhất. Samsung đã thử nghiệm với băng tần 28 GHz, nhưng cho biết giải pháp c a hãng có th áp d ng cho h u h t d i t n t 3 ÷ ủ ể ụ ầ ế ả ầ ừ 300 GHz.
Trong các thử nghiệm ngoài tr i, Phòng thí nghi m Truy n thông tiên tiờ ệ ề ến (Advanced Communications Lab) c a Samsung t i Suwon, Hàn Quủ ạ ốc đã dùng một b ộ phát sóng có thể truyền dữ ệu đạt tố li c đ trên 1 Gộ bps tới hai bộ thu di chuyển với tốc đ 8 km/h (tương đương tốộ c độ của người chạy bộ ập thể ục). Sử ụ t d d ng công su t truyấ ền “không cao hơn so với các trạm phát sóng 4G hi n t i”, các thi t bệ ạ ế ị có thể ế k t nố ởi khoảng cách t i 2 km khi không có v t cớ ậ ản, Wonil Roh, trưởng phòng thí nghiệm Suwon cho bi t. Nế ếu có v t c n, kho ng cách gi m xu ng còn ậ ả ả ả ố khoảng 200 đến 300 mét.
Theodore Rappaport, một chuyên gia về công nghệ không dây tại Đại học Bách khoa New York, cũng đã đạt được nh ng k t qu th nghiữ ế ả ử ệm tương tự ạ t i các khu vực đô thị đông dân cư như ở New York và thủ ph ủ Austin c a bang Texas ủ (Mỹ). Sau những thử nghiệm với việc dùng Antenna mảng beam forming, ông kết - luận rằng một trạm phát sóng hoạt động tở ần số 28 GHz hoặc 38 GHz có tầm p ủh sóng có th lên t i 200 m. Rappaport nhể ớ ận định các b ộ thu phát sóng milimet có thể chưa thay thế ngay được các tr m phát sóng hi n nay vì vùng ph ạ ệ ủ sóng chưa đạ ớt t i tầm cây số, nhưng trong tương lai các trạm phát sóng có khả năng sẽ nh ỏ hơn nhiều
42
so với hiện t i. Các nhà m ng hiạ ạ ện đang tập trung phát tri n công nghể ệ di động tế bào nh (small cell) v i vi c tri n khai nhiỏ ớ ệ ể ều trạm phát sóng nhỏ ạ t i những khu vực đô thị đông người để tăng dung lượng d li u truy n. Rappaport còn cho r ng công ữ ệ ề ằ ngh sóng mm v i chi phí r và ti n lệ ớ ẻ ệ ợi hơn có thể thay th cho c cáp truy n dế ả ề ẫn để k t nế ối các trạm phát sóng với mạng lõi c a nhà khai thác m ng. ủ ạ
Theo Rappaport, ưu điểm c a công ngh sóng mm là ph t n s còn r t nhi u ủ ệ ổ ầ ố ấ ề nên có th áp d ng cho nhể ụ ững hệ thống sử ụ d ng phổ ầ t n không chỉ để ế k t nối các trạm phát sóng với các thiết bị di động mà còn để liên kết các trạm phát với nhau hoặc với các bộ chuyển mạch. Đó là một ki n trúc m ng t bào hoàn toàn m i. ế ạ ế ớ
Dẫu vậy, nhiều chuyên gia về công nghệ không dây vẫn hoài nghi công nghệ sóng mm có thể được sử ụng rộng rãi cho băng thông rộng di động. Afif Osseiran, d nhà nghiên c u kứ ỳ ự c u tại Ericsson và là người điều ph i d án METISố ự mộ ự án t d nhận được nhiều vốn đầu tư nhất từ EU để xây dựng các tiêu chuẩn cho mạng 5G, cho bi t MEế TIS đang xem xét hàng loạt công ngh , bao g m mã hóa dệ ồ ữ ệ li u và các k thuỹ ật điều biến mới, mạng di động t ế bào nhỏ, kiểm soát nhiễu tốt hơn à nhữ v ng thiết kế ộ thu sóng tiên tiến. Ông nhấn mạnh rằng đặc điểm quan trọng của các b mạng 5G là kết hợp nhiều hệ ống khác nhau. Công nghệ th sóng mm chỉ là một phần của chiếc bánh lớn hơn.
Samsung dự ế ki n công nghệ ủ c a hãng sẽ được thương mại hóa vào năm 2020.
Cuối năm ngoái nhà mạng NTT DoCoMo của Nhật Bản cũng đã công bố th ử nghiệm thành công truyền dữ ệu với tố li c độ 10 Gbps. Nhiều hãng công nghệ và trường đạ ọ ại châu Âu đang ráo riếi h c t t nghiên c u nh m đưa ra các gi i pháp h a ứ ằ ả ứ hẹn nhất cho 5G vào đầ năm 2015. Hồi cuối tháng 2 năm 2016 Liên minh châu Âu u (EU) đã công bố ế k hoạch đầu tư 50 triệu euro (g n 65 tri u USD) cho công cu c ầ ệ ộ nghiên c u nh m m c tiêu tri n khai mứ ằ ụ ể ạng di động 5G vào năm 2020.