đồ án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Hệ Thống Thông Tin Di động 5g - 123doc

“NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G” làm đề tài cho đồ án tốt nghiệp đại học. Nội dung đồ án gồm:Chương 1: Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di độngChương 2: Kiến trúc của hệ thống thông tin di động 5GChương 3: Công nghệ cho phép và các dịch vụ 5GChương 4: Đa truy cập không trực giao (NOMA) cho mạng 5GEm cảm ơn các thầy cô trong khoa Kỹ thuật và Công nghệ 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. Phạm Hồng Thịnh đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ em hoàn thành tốt đồ án này.

M C L C Ụ Ụ

Trang DANH MỤC HÌNH ẢNH IV DANH MỤC CÁC BẢNG VI DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VI LỜI NÓI ĐẦU XII

CHƯƠNG 1: Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động 14

1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) 15

1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) 16

1.3 Hệ thống thông tin di động 2,5G 18

1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) 19

1.5 Hệ thống thông tin di động tiền 4G (pre-4G) 21

1.6 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G) 23

1.7 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ năm (5G) 24

1.8 Kết luận chương 1 26

CHƯƠNG 2: Kiến trúc của hệ thống thông tin di động 5G 27

2.1 Số liệu thực tế và thách thức 27

2.1.1 Những số liệu thực tế 27

2.1.2 Thách thức đối với hệ thống thông tin di động thứ 5 29

2.2 Các yêu cầu chính cho hệ thống thông tin di động 5G 30

2.3 Khái niệm và Kiến trúc 33

2.3.1 Dịch vụ đổi mới 34

2.3.2 Nền tảng cho phép (Enabling Platform) 35

2.3.3 Cơ sở hạ tầng siêu kết nối 36

2.4 Các công nghệ cho phép 38

2.5 Kết luận chương 2 40

CHƯƠNG 3: Công nghệ cho phép và các dịch vụ 5G 41

3.1 Các công nghệ 5G 41

3.1.1 Trải nghiệm người dùng thực tế và xử lý nội dung 5G 41

3.1.2 Xử lý hiệu quả và truyền tải đa phương tiện 43

3.1.3 Mạng toàn cầu dựa trên nền tảng đám mây 45

3.1.4 Mạng thông minh và tối ưu hóa mạng dựa trên những phân tích 46

3.1.5 Mạng lưới vận tải linh hoạt / nhanh 47

3.1.6 Kiến trúc mạng ngoài 49

3.1.6.1 Truyền thông Trực tiếp D2D 49

3.1.6.2 Multi-RAT 51

3.1.6.3 Mạng di chuyển MN 53

3.1.7 Hoạt động nâng cao cho Multi-cell 55

3.1.8 Cell nhỏ, siêu dày đặc 56

3.1.9 Băng tần rộng RF & chùm tia 3D 57

3.1.10 Tăng cường công nghệ nhiều anten và Massive MIMO 59

3.1.11 Nâng cao IoT và dạng sóng mới 63

3.2 Dịch vụ 66

3.2.1 Dịch vụ IoT (Internet of Things) 66

3.2.2 Hình ba chiều và dịch vụ gọi 3D hologram 67

3.2.3 Dịch vụ AR / VR hấp dẫn quy mô lớn 68

3.2.4 Dịch vụ trễ cực thấp 69

3.2.5 Dịch vụ thông minh dựa trên phân tích dữ liệu 71

3.2.6 An toàn công cộng và dịch vụ cứu trợ tai hoạ 72

3.3 Phổ 73

3.3.1 Các băng tần số yêu cầu của 5G 73

3.3.2 Dự báo nhu cầu tương lai đối với băng tần 5G 74

3.4 Kết luận chương 3 75

CHƯƠNG 4: Đa truy cập không trực giao (NOMA) cho mạng 5G 76

4.1 Giới thiệu 76

4.2 Đa truy cập không trực giao (NOMA) 77

4.2.1 NOMA cho đường xuống 78

4.2.2 NOMA cho đường lên 81

4.3 Hiệu quả quang phổ và hiệu suất năng lượng 83

4.4 Kết quả 84

4.5 Kết luận chương 4 85

KẾT LUẬN 86

PHỤ LỤC 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

DANH MỤC HÌNH ẢNH

1.1 Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động 14

2.1 Số lượng người dùng smartphone trên toàn thế giới từ 2014 đến

2.2 Các lô hàng điện thoại thông minh toàn cầu dự báo từ năm 2010

2.3 Tổng băng thông kết nối internet trong nước năm 2017 (Mbps) 282.4 Tổng băng thông kết nối internet quốc tế năm 2017 (Mbps) 29

2.9 Cơ sở hạ tầng 5G hỗ trợ tốc độ dữ liệu cực cao và kết nối lớn 37

2.11 Các loại công nghệ chính từ kiến trúc / giá trị 5G 39

3.2 Sự phát triển của mạng lưới phần mềm dựa trên NFV / SDN 463.3 Sự phát triển của phân tích số liệu cho mạng viễn thông 473.4 Các trường hợp can thiệp lẫn nhau trong truyền thông D2D 513.5 Mạng phủ của tế bào nhỏ mmWave tích hợp với hệ thống

3.6 Mạng di chuyển MN 543.7 Kết hợp tế bào người dùng làm trung tâm và hoạt động của mạng 563.8 Mô hình mạng lưới 5G mạng nhỏ dựa trên cell nhỏ 57

3.9 Nhận phân phối điện trường cho phương pháp chùm tia 3D khác

3.10 Mô hình kênh MIMO cơ bản với N t Anten phát và N r Anten thu 59

3.11 Chế độ hoạt động chùm beam MU-MIMO (UE-specific

3.12 Sự tiến triển của công nghệ đa truy cập truyền thông di động 643.13 Phương thức song công tần số của truyền thông di động 653.14 Truyền thông song công trong băng tần đầy đủ 65

3.16 Khối lượng dữ liệu yêu cầu theo loại hình ảnh 67

4.3 Downlink NOMA cho người dùng K 79

DANH MỤC CÁC BẢNG

3.1 So sánh giữa công nghệ hiện tại và công nghệ mmW 57

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

TỪ VIẾT

3GPP 3rd Generation Partnership Project Dự án đối tác thế hệ thứ 3AMPS Advanced Mobile Phone System Dịch vụ điện thoại di động

cao cấp

Interface Giao diện lập trình ứngdụng

BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia

theo mãCDN  Content Distribution Network Mạng phân phối nội dungCQI Channel Quality Indicator Chỉ số chất lượng kênh

C-RAN Cloud Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến

đám mâyCSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênhD2D Divice to Divice Communication Truyền thông thiết bị -

thiết bị

EDGE Enhanced Data Rates for GSM

Evolution Cải tiến tốc độ dữ liệu chosự phát triển GSM

eMBB Enhanced Mobile Broadband Băng rộng di động nâng

caoFBMC Filter Bank Multi-Carrier Đa sóng mang lọc băng

tầnFDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia

theo tần sốFDMA Frequency Division Multiple

Access Đa truy nhập phân chiatheo tần sốGPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói tổng

hợpGPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầuGPU Graphics Processing Unit Bộ xử lý đồ họa

GSM Global System for Mobile Hệ thống thông tin di động

Communication toàn cầuHSDPA High Speed Downlink Packet

Access Truy nhập gói đườngxuống tốc độ caoHSUPA High Speed Uplink Packet Access Truy nhập gói đường lên

tốc độ caoIEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers Viện kỹ nghệ điện và điệntử

Telecommunications Viễn thông di động quốctếITM Intelligent Traffic Management Quản lý lưu lượng thông

minh

ISDN Integrated Services Digital

ITU International Telecommunication

MAC Medium Access Control Lớp điều khiển truy cập

môi trườngMETIS Mobile and wireless

communications Enablers for Twenty-twenty (2020)

Information Society

Thông tin di động vàtruyền thông không dâyứng dụng vào năm 2020

MIMO Multi-input Multi-output Đa đầu vào – đa đầu ra

MMS Multimedia Messaging Service Dịch vụ tin nhắn đa

phương tiện

MMT MPEG Media Transport Công nghệ xử lý hình ảnh

kỹ thuật số

Communications Truyền thông máy sốlượng lớn

MVC Multi-view Video Encoding Mã hóa đa video

NFV Network Functions Virtualization Ảo hóa mạng

NOMA Non-Orthogonal Multiple Access Đa truy nhập không trực

giaoOAM Operation and Management Tổ chức và quản lý

OFDM Orthogonal Frequency

Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theotần số trực giaoOFDMA Orthogonal Frequency Division

Multiple Access Đa truy nhập phân chiatheo tần số trực giao

POTN Packet Optical Transport Network Mạng truyền tải quang

packet

Modulation Điều chế biên độ cầuphương

RAT Radio Access Technology Công nghệ truy cập vô

tuyếnSDMA Space Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia

theo không gianSDN Software Defined Networks Công nghệ mạng được xác

định bởi phần mềm

SIC Self – Interference Cancellation Kỹ thuật tự hủy nhiễu

SIM Subcriber Indentification Module Mô-đun nhật thực thuê baoSINR Signal to Interference plus Noise

Ratio Tín hiệu nhiễu cộng vớitạp âmSMS Short Message Service Dịch vụ tin nhắn ngắn

SON Self - Organizing Network Mạng tự tổ chức

TACS Total Access Communications

System Hệ thống thông tin truynhập toàn bộTCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển

truyền vận

theo thời gianTDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia

theo thời gianuCTN Unified Converged Transport

UMB Ultra Mobile Broadband Siêu băng thông rộng di

độngUMTS Universal Mobile

Telecommunications System Hệ thống viễn thông diđộng toàn cầu

URLLC Ultra-Reliable and Low-Latency

Communications Truyền thông thời gian trễthấp và tin cậy cực cao

WCDMA Wideband Code Division Multiple

Access Đa truy nhập phân chiatheo mã băng rộngWiMax Worldwide Interoperability for

Microwave Access Tương tác toàn cầu bằngtruy nhập viba

LỜI NÓI ĐẦU

Hệ thống thông tin di động hiện tại đã đạt được nhiều thành tựu to lớn Cho đếnbây giờ mạng 4G đã được triển khai khắp cả nước, nhờ đó mà cuộc cách mạng côngnghê thông tin ngày càng bùng nổ Nhiều thiết bị thông minh đã gắn liến với công việchay cuộc sống mỗi người như đồng hồ, tivi, đồ gia dụng, nhà thông minh

Mạng 4G đã đáp ứng được tốc độ dữ liệu nhanh hơn, lên đến chục thậm chí hàngtrăm Mbps, khối lượng dữ liệu lớn hơn Mặc dù vậy, với tốc độ phát triển các côngnghệ phần cứng tăng lên chóng mặt về tốc độ xử lý và số lượng thiết bị hiện nay thìtương lai không xa mạng 4G vẫn sẽ không đáp ứng nổi Đó là một thách thức lớn đốivới nhà mạng, điều đó đặt ra hệ thống thông tin di động tiếp theo gọi tắt là 5G, phảiđạt tốc độ nhanh hơn gấp nhiều lần so với 4G, độ trễ thấp, hiệu suất hoạt động cao hơn

và mang đến những trải nghiệm tiến tiến hơn cho người dùng

5G (Thế hệ mạng di động thứ 5 hoặc hệ thống không dây thứ 5) là thế hệ tiếptheo của công nghệ truyền thông di động sau thế hệ 4G Theo các nhà phát minh,mạng 5G sẽ có tốc độ nhanh hơn khoảng 100 lần so với mạng 4G hiện nay, giúp mở ranhiều khả năng mới và hấp dẫn Lúc đó, xe tự lái có thể đưa ra những quyết định quantrọng tùy theo thời gian và hoàn cảnh Tính năng chat video sẽ có hình ảnh mượt mà

và trôi chảy hơn, làm cho chúng ta cảm thấy như đang ở trong cùng một mạng nội

bộ. Các cơ quan chức năng trong thành phố có thể theo dõi tình trạng tắc nghẽn giaothông, mức độ ô nhiễm và nhu cầu tại các bãi đậu xe, do đó có thể gửi những thông tinnày đến những chiếc xe thông minh của mọi người dân theo thời gian thực

Mạng 5G được xem là chìa khóa để chúng ta đi vào thế giới mạng lưới vạn vậtkết nối internet, trong đó các bộ cảm biến là những yếu tố quan trọng để trích xuất dữliệu từ các đối tượng và từ môi trường Hàng tỷ bộ cảm biến sẽ được tích hợp vào cácthiết bị gia dụng, hệ thống an ninh, thiết bị theo dõi sức khỏe, khóa cửa, xe hơi và thiết

bị đeo. Tuy nhiên, để cung cấp 5G, các nhà mạng sẽ cần phải tăng cường hạ tầng cơ

sở hạ tầng (gọi là trạm gốc) Họ có thể bắt đầu bằng cách khai thác dải phổ hiện còn

trống Sóng tín hiệu với tần số đo MHz sẽ được nâng cao lên thành GHz hay thậm chínhanh hơn. Mạng 5G được tung ra vào năm 2020 để đáp ứng nhu cầu kinh doanh vàngười tiêu dùng.

Trên đây là những khó khăn thách thức thực sự cho các nhà mạng, và đây cũng

lý do mà em chọn đề tài “NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G”

làm đề tài cho đồ án tốt nghiệp đại học 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: Công nghệ cho phép và các dịch vụ 5G

Chương 4: Đa truy cập không trực giao (NOMA) cho mạng 5G

Em cảm ơn các thầy cô trong khoa Kỹ thuật và Công nghệ 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 Phạm Hồng Thịnh đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ em hoàn thành tốt đồ

án này

Tuy nhiên, do hạn chế về mặt thời gian cũng như năng lực bản thân nên nội dungcủa đồ án không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong thầy cô nhiệt tình đóng góp ýkiến thêm để đồ án này được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Quy Nhơn, ngày 3 tháng 1 năm 2018

Sinh viên thực hiện

Trương Hồ Hữu trí

CHƯƠNG 1 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG

THÔNG TIN DI ĐỘNG

Hệ thống thông tin di động là hệ thống liên lạc thông qua sóng điện từ, tại đóngười dùng có thể vừa liên lạc, vừa di chuyển được Các dịch vụ điện thoại di độngxuất hiện vào đầu những năm 1960 và phát triển không ngừng cho đến thời điểm hiệntại Cứ trung bình một thập kỷ, chúng ta sẽ chứng kiến sự xuất hiện của một thế hệthông tin di động mới Thế hệ đầu tiên (1G) khởi đầu từ những năm cuối của thập kỷ

70 và đầu thập kỷ 80, đây là thệ thống thông tin di động tương tự cung cấp các dịch vụthoại Thế hệ thứ 2 (2G) bắt đầu nổi lên từ những năm đầu của thập kỷ 90, thế hệ thứ 2

là công nghệ di động kỹ thuật số, cung cấp dịch vụ thoại và cả dữ liệu Thế hệ thứ 3(3G) bắt đầu xuất hiện từ năm 2001 tại Nhật Bản, đặc trưng bởi việc cung cấp dịch vụthoại, dữ liệu và đa phương tiện với tốc độ cao Thế hệ 4G được thương mại hóa vàonhững năm 2012 trở đi, cung cấp các dịch vụ truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn thế hệ3G rất nhiều

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

Trên thế giới, ở những khu vực khác nhau có những tiêu chuẩn khác nhau chotừng thế hệ thông tin di động, được thể hiện qua hình 1.1

Ở Việt Nam, hệ thống thông tin di động được phát triển theo hướng:

1G → GSM (2G) → GPRS (2.5G) → EDGE (2.75G) → UMTS (3G) → LTE (4G)

1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G)

Hệ thống thông tin di động 1G là mạng điện thoại di động đầu tiên của nhân loại,được khơi mào ở Nhật vào năm 1979 Hệ thống thông tin di động 1G ứng dụng cáccông nghệ truyền dẫn tương tự để truyền tín hiệu thoại, sử dụng phương thức đa truynhập phân chia theo tần số (FDMA) và điều chế tần số (FM)

 Đặc điểm:

- Băng tần khoảng 150 MHz.

- Sử dụng kỹ thuật chuyển mạch tương tự.

- Dịch vụ đơn thuần là thoại.

- Mỗi máy di động được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến.

- Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận là đáng kể.

- Trạm thu phát gốc phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi máy di động.

 Một số hệ thống thông tin di động 1G điển hình:

 NMT (Nordic Mobile Telephone): được phát triển ở một số nước Bắc Âu vào

năm 1982 Có hai tiêu chuẩn khác nhau là NMT-450 và NMT-900 NMT-450 là hệthống được phát triển trước, sử dụng dải tần 450MHz và NMT-900 được phát triển sauvới dải tần 900MHz

 TACS (Total Access Communications System): được triển khai đầu tiên tại

Anh vào năm 1985 và được phát triển ở một số nước Trung Âu và Nam Âu, TACS sửdụng dải tần 900MHz

 AMPS (Advanced Mobile Phone System): được triển khai đầu tiên ở Bắc Mỹ

vào năm 1978 và phát triển ở một số quốc gia Nam Mỹ, Úc và New Zealand, AMPS

sử dụng dải tần 800MHz

 Những hạn chế của hệ thống thông tin di động 1G:

- Phân bố tần số rất hạn chế, dung lượng nhỏ.

- Gây tiếng ồn khó chịu và nhiễu xảy ra khi máy di động dịch chuyển.

- Không đảm bảo tính bí mật cuộc gọi.

- Không đáp ứng được các dịch vụ mới hấp dẫn đối với khách hàng.

- Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau.

- Chất lượng thấp và vùng phủ sóng hẹp.

- Kích thước thiết bị di động lớn.

1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G)

Hệ thống thông tin di động 2G được đặc trưng bởi công nghệ chuyển mạch kỹthuật số Thông tin di động 2G sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo thờigian TDMA và đa truy nhập phân chia theo mã CDMA Các kỹ thuật này cho phép sửdụng tài nguyên băng thông hiệu quả hơn nhiều so với 1G Hầu hết thuê bao di độnghiện nay vẫn còn sử dụng công nghệ 2G này

 Đặc điểm:

- Phương thức đa truy nhập: Sử dụng đa truy nhập TDMA và CDMA băng hẹp.

- Sử dụng chuyển mạch kênh.

- Dung lượng tăng, chất lượng thoại tốt hơn, hỗ trợ các dịch vụ truyền dữ liệu.

 Một số hệ thống thông tin di động 2G điển hình:

 GSM (Global System for Mobile Communication): được triển khai đầu tiên tại

Châu Âu vào năm 1990 GSM sử dụng kỹ thuật đa truy nhập TDMA có tốc độ từ 6,5 –

Hệ thống này được sử dụng phổ biến ở Châu Âu và nhiều nước Châu Á

- GSM 1800: có dải tần cơ bản (1.710 – 1.880)MHz Trong đó:

+ Đường xuống: (1.930 – 1.990)MHz.

Hệ thống này được sử dụng phổ biến ở Bắc Mỹ

 IS-136 (Interim Standard – 136): Do AT&T (American Telephone and Telegraph

Corporation) đề xuất vào năm 1990 Chuẩn IS-136, được biết đến với cái tên khác làD-AMPS (Digital – Advanced Mobile Phone System), sử dụng kỹ thuật đa truy nhậpphân chia theo thời gian (TDMA), có tốc độ dữ liệu lên đến 30 kb/s

IS-136 được nâng cấp từ hạ tầng mạng AMPS hoạt động ở băng tần 1900MHz,trong đó:

+ Đường lên: (1.850 – 1.910)MHz

+ Đường xuống: (1.930 – 1.990)MHz

 CdmaOne hay IS-95 (Interim Standard – 95A): là tiêu chuẩn thông tin di động

CDMA băng hẹp của Mỹ do Qualcomm đề xuất và được chuẩn hóa vào năm 1993.IS-95 sử dụng dải tần (869 – 894)MHz và độ rộng kênh là 1,25MHz cho mỗihướng lên và xuống Tốc độ dữ liệu tối đa của IS-95A là 14,4 kb/s

Hệ thống này được sử dụng phổ biến ở Mỹ, Hàn Quốc, Hồng Kông, Nhật Bản,Singapore và một số nước Đông Á

 Ưu điểm của hệ thống thông tin di động 2G:

Hệ thống thông tin di động 2G ra đời nhằm giải quyết những hạn chế của hệthống thông tin di động 1G Hệ thống thông tin di động 2G co những ưu điểm sau:

- Sử dụng kỹ thuật điều chế số tiên tiến nên hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn.

- Hệ thống số chống nhiễu kênh cùng tần số (CCI: Co-Channel Interference) và

chống nhiễu kênh kề (ACI: Adjacent Channel Interference) hiệu quả hơn, làm tăngdung lượng hệ thống, đảm bảo chất lượng thông tin

- Điều khiển động việc cấp phát kênh một cách liên tục giúp cho việc sử dụng tần

số hiệu quả hơn

- Điều khiển truy nhập và chuyển giao hoàn hảo hơn, dung lượng tăng, báo hiệu

dễ dàng xử lý bằng phương pháp số

- Có nhiều dịch vụ mới nhận thực hơn (kết nối với ISDN).

 Nhược điểm của hệ thống thông tin di động 2G:

- Độ rộng dải thông băng tần của hệ thống còn nhỏ nên các dịch vụ ứng dụng

cũng bị hạn chế (không đáp ứng được các yêu cầu phát triển cho các dịch vụ thông tin

di động đa phương tiện cho tương lai)

- Tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động 2G là không thống nhất, do đó việc

chuyển giao toàn cầu khó thực hiện được

1.3 Hệ thống thông tin di động 2,5G

Hệ thống thông tin di động 2,5G được nâng cấp từ hệ thống thông tin di động2G Sự nâng cấp này đôi khi được coi là sự chuẩn bị để tiến tới hệ thống thông tin diđộng thế hệ thứ 3 (3G)

 Đặc điểm của hệ thống thông tin 2,5G:

- Các dịch vụ số liệu được cải tiến:

+ Tốc độ bit cao hơn

+ Hỗ trợ kết nối Internet

- Hỗ trợ thêm phương thức chuyển mạch gói.

 Một số hệ thống thông tin di động 2,5G điển hình:

 GPRS (General Packet Radio Service)

GPRS là bước phát triển tiếp theo của GSM và IS-136 để cung cấp dịch vụ dữliệu tốc độ cao cho người dùng do Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu ETSI(European Telecommunications Standards Institute) đưa ra vào năm 1999 GPRS cótốc độ dữ liệu từ 14,4 kb/s đến 115 kb/s nhưng theo lý thuyết thì GPRS có thể cungứng tốc độ dữ liệu lên đến 171,2 kb/s GPRS là một giải pháp chuyển mạch gói Đâycũng là một bước đệm trong quá trình chuyển từ thế hệ 2G lên 3G của nhà cung cấpdịch vụ GSM/IS-136

 EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution)

Được triển khai tại Mỹ vào năm 2003, EDGE là một công nghệ di động đượcnâng cấp từ GPRS cho phép truyền dữ liệu với tốc độ có thể lên đến 384 kb/s cho

người dùng cố định hoặc di chuyển chậm và 144 kb/s cho người dùng di chuyển tốc độcao Trên quá trình tiến đến 3G, EDGE được biết đến như một công nghệ 2.75G.

CDMA2000 1xRTT là giai đoạn đầu của CDMA2000, được nâng cấp từ IS-95B

và được triển khai từ năm 2000 nhằm cải thiện dung lượng thoại của IS-95B và hỗ trợkhả năng truyền số liệu ở tốc độ đỉnh lên tới 307,2 kb/s Tuy nhiên, các thiết bị đầucuối thương mại của 1x mới chỉ cho phép tốc độ đỉnh lên tới 153,6 kb/s Cũng giốngnhư EDGE, CDMA2000 1xRTT được xem như hệ thống 2,75G

 Ưu điểm của hệ thống thông tin di động 2,5G:

- Cung cấp các dịch vụ mạng mới và cải thiện các dịch vụ liên quan đến truyền

số liệu như nén số liệu của người sử dụng, số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao, dịch

vụ vô tuyến gói đa năng

- Cung cấp các dịch vụ bổ sung như: chuyển hướng cuộc gọi, hiển thị tên chủ

gọi, chuyển giao cuộc gọi và các dịch vụ cấm gọi mới

- Cải thiện các dich vụ liên quan đến SMS (Short Message Service) như: mở rộng

bản chữ cái, mở rộng tương tác giữa các SMS

- Tăng cường công nghệ SIM (Subcriber Indentification Module).

- Hỗ trợ các dịch vụ mạng thông minh.

- Cải thiện các dịch vụ chung như: dịch vụ định vị, tương tác với các hệ thống

thông tin di động vệ tinh và hỗ trợ định tuyến tối ưu

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

Để đáp ứng nhu cầu sử dụng thông tin di động ngày càng tăng cả về số lượng, tốc

độ lẫn chất lượng của người sử dụng, Liên minh viễn thông quốc tế ITU (InternationalTelecommunication Union) đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hóa thông tin di động thế hệ thứ

ba (3G) với tên gọi IMT-2000 (International Mobile Telecommunications for the Year

2000) nhằm nâng cao tốc độ truy nhập, mở rộng nhiều loại hình dịch vụ, đồng thờitương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sự phát triển liêntục của thông tin di động.

Nhiều tiêu chuẩn cho IMT-2000 đã được đề xuất, trong đó có hai hệ thốngWCDMA và CDMA-2000 đã được ITU chấp nhận và được đưa vào hoạt động vàonhững năm đầu của thập kỷ 2000 Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ Đa truynhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access) Điều này cho phépthực hiện tiêu chuẩn toàn cầu cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin di động3G

 Một số hệ thống thông tin di động 3G điển hình:

 UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)

UMTS (đôi khi còn được gọi là 3GSM) sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chiatheo mã băng rộng WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) UMTSđược chuẩn hóa bởi 3GPP (3rd Generation Partnership Project) WCDMA UMTS làcông nghệ 3G được lựa chọn bởi hầu hết các nhà cung cấp dịch vụ GSM/GPRS để đilên 3G Tốc độ dữ liệu tối đa UMTS cung cấp là 1920 kb/s, tuy nhiên thông thực tế tốc

độ này chỉ khoảng 384 kb/s Để cải tiến tốc độ dữ liệu của 3G, hai kỹ thuật HSDPA vàHSUPA đã được đề xuất Khi cả hai kỹ thuật này được triển khai, người ta gọi chung

là HSDPA HSDPA thường được biết đến như là hệ thống thông tin di động 3,5G

- HSDPA (High Speed Downlink Packet Access): Tăng tốc độ đường xuống

(Downlink) lên tốc độ tối đa trên lý thuyết là 14,4 Mb/s, nhưng trong thực tế nó chỉ đạttầm 1,8 Mb/s đến 3,6 Mb/s

- HSUPA (High Speed Uplink Packet Access): Tăng tốc độ đường lên (Uplink)

đồng thời cải tiến QoS (Quality of Service) Kỹ thuật này cho phép người dùng Uploadthông tin với tốc độ lên tới 5,8 Mb/s về mặt lý thuyết

 CDMA2000

CDMA2000 được triển khai trên cơ sở CDMA2000 1xRTT, đại diện cho họ côngnghệ cao gồm các chuẩn: CDMA2000 EV-DO (Evolution – Data Optimized) vàCDMA2000 EV-DV (Evolution – Data and Voice) CDMA2000 được chuẩn hóa bởi

3GPP2 CDMA2000 là công nghệ 3G được lữa chọn bởi các nhà cung cấp mạng sửdụng CdmaOne.

- CDMA2000 EV-DO: sử dụng một kênh dữ liệu 1,25MHz chuyên biệt và có

thể cho tốc độ dữ liệu lên đến 2,4 Mb/s cho đường xuống và 153 Kb/s cho đường lên.1xEV-DO Rev A hỗ trợ truyền thông gói IP, tăng tốc độ đường xuống đến 3,1 Mb/s vàđặc biệt có thể đẩy tốc độ đường lên đến 1,2 Mb/s Bên cạnh đó, 1xEV-DO Rev B chophép ghép 15 kênh 1,25MHz lại để truyền dữ liệu với tốc độ lên đến 73,5 Mb/s

- CDMA2000 EV-DV: tích hợp thoại và dữ liệu trên cùng một kênh 1,25MHz.

CDMA2000 EV-DV cung cấp tốc độ đỉnh lên đến 4,8 Mb/s cho đường xuống và 307Kb/s cho đường lên Tuy nhiên từ năm 2005, Qualcomm đã dừng vô thời hạn việc pháttriển của 1xEV-DV vì đa phần các nhà cung cấp mạng CDMA như Verizon Wirelesshay Sprint đều đã chọn EV-DO

 TD-SCDMA (Time Division – Synchronous Code Division Multiple Access)

TD-SCDMA là chuẩn di động được đề nghị bởi CCSA (China CommunicationsStandards Accociation) và được ITU duyệt vào năm 1999 Đây là chuẩn 3G của TrungQuốc, dùng kỹ thuật song công TDD (Time Division Duplex) TD-SCDMA có thểhoạt động trên một dải tần hẹp 1,6MHz (cho tốc độ 2 Mb/s) hay 5MHz (cho tốc độ 6Mb/s)

1.5 Hệ thống thông tin di động tiền 4G (pre-4G)

Công nghệ tiền 4G là bước chuẩn bị để nâng cấp từ công nghệ 3G lên 4G, ở một

số nơi, người ta còn gọi đây là mạng 3,9G Một số công nghệ tiền 4G có thể kể đến là:LTE (Long Term Evolution), WiMax (Worldwide Interoperability for MicrowaveAccess), UMB (Ultra Mobile Broadband)

 3GPP LTE

3GPP LTE là hệ thống tiếp theo cần hướng tới của hệ thống mạng không dây 3Gdựa trên công nghẹ di động GSM/UMTS, và là một trong những công nghệ tiềm năngnhất cho truyền thông di động thế hệ thứ tư (4G)

3GPP LTE có khả năng cấp phát phổ tần linh động và hỗ trợ các dịch vụ đaphương tiện với tốc độ trên 100 Mb/s khi di chuyển với tốc độ 3km/h, và đạt 30 Mb/s

khi di chuyển với tốc độ cao khoảng 120km/h, tốc độ này nhanh hơn gấp 7 lần so vớitốc độ truyền dữ liệu của công nghệ HDSPA Do đó công nghệ này cho phép sử dụngcác dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao trong khi di chuyển.

3GPP LTE sử dụng công nghệ Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giaoOFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) và kỹ thuật MIMO(Multi-input Multi-output)

- Ưu điểm nổi bật:

+ Dung lượng truyền trên kênh đường xuống có thể đạt 100 Mb/s và trên kênhđường lên có thể đạt 50 Mb/s

+ Tăng tốc độ truyền trên cả người sử dụng và các mặt phẳng điều khiển.+ Sẽ không còn chuyển mạch kênh Tất cả sẽ dựa trên IP VoIP sẽ được sửdụng cho dịch vụ thoại

+ Kiến trúc mạng sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện tại Tuy nhiên, mạngLTE vẫn có thể tích hợp một cách dễ dàng với mạng 3G và 2G sẵn có Điều này hếtsức quan trọng cho nhà cung cấp mạng triển khai 3GPP LTE vì không cần thay đổitoàn bộ cơ sở hạ tầng mạng

 WiMax

WiMax là hệ thống truy nhập vi ba có tính tương thích toàn cầu dựa trên cơ sởtiêu chuẩn IEEE 802.16 do Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử IEEE (Institute of Electricaland Electronics Engineers) đề xuất Tiêu chuẩn IEEE 802.16 đưa ra những yêu cầu,chỉ tiêu kỹ thuật nhằm tập trung giải quyết các vấn đề trong mạng vô tuyến băng rộngđiểm – đa điểm PMP (Point – MultiPoint) về giao diện vô tuyến bao gồm: Lớp điềukhiển truy cập môi trường MAC (Medium Access Control) và lớp vật lý PHY(Physical Layer)

WiMax là một chuẩn không dây tạo ra khả năng kết nối băng thông rộng tốc độcao cho cả mạng cố định lẫn mạng không dây di động

 UMB

Chuẩn UMB được phát triển bởi 3GPP2 nhằm hỗ trợ cho mạng CDMA2000

- Một số đặc điểm kỹ thuật:

+ Có các kỹ thuật Multiple Radio và Anten tiên tiến.

+ Sử dụng kỹ thuật MIMO, Đa truy nhập phân chia theo không gian SDMA(Space Division Multiple Access)

+ Sử dụng các kỹ thuật quản lý nhiễu tiên tiến

+ Tốc độ dữ liệu cao nhất có thể lên tới 288 Mb/s đối với đường lên và 75Mb/s đối với đường xuống

 Nhược điểm của hệ thống thông tin di động 3G:

- Việc đạt được tốc độ truyền số liệu cao là rất khó đối với công nghệ CDMA do

can nhiễu giữa các dịch vụ

- Khó có thể tạo ra một dải đầy đủ các dịch vụ đa tốc độ với yêu cầu về hiệu năng

và QoS khác nhau do những hạn chế đối với mạng lõi gây ra bởi tiêu chuẩn giao diện

vô tuyến

- Yêu cầu băng thông lớn.

- Phí dịch vụ tương đối cao.

1.6 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G)

Vào tháng 3 năm 2008, tổ chức ITU-R đã đưa ra các yêu cầu tiêu chuẩn cho hệthống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G) với tên gọi IMT – Advanced Theo IMT –Advanced, hệ thống thông tin di động 4G phải đáp ứng được các yêu cầu sau:

- Xây dựng dựa hệ thống mạng IP chuyển mạch gói.

- Đáp ứng được tốc độ dữ liệu đỉnh lên đến 100 Mb/s khi di chuyển với tốc độ

nhanh, và 1 Gb/s khi di chuyển với tốc độ chậm (hoặc đứng yên)

- Có thể linh hoạt trong việc sử dụng và chia sẽ tài nguyên mạng để hỗ trợ số

lượng lớn người sử dụng đồng thời trong một Cell

- Độ rộng băng thông có thể thay đổi được một cách linh hoạt, phạm vi thay đổi

có thể lên đến 40 MHz

- Có hiệu suất sử dụng phổ tần đỉnh lên đến 15 b/s/Hz đối với đường xuống và

6,75 b/s/Hz đối với đường lên (tức nếu đường xuống đạt tốc độ 1Gb/s thì chỉ chiếmdụng khoảng 67 MHz băng thông)

- Hiệu suất sử dụng phổ tần của hệ thống, trường hợp trong nhà, là 3 b/s/Hz/cell

cho đường xuống và 2,25 b/s/Hz/cell cho đường lên

- Dễ dàng thực hiện chuyển giao giữa những mạng phức tạp.

- Khả năng cung cấp các dịch vụ chất lượng cao cho thế hệ đa phương tiện tiếp

theo

Hiện nay, chỉ có hai hệ thống đáp ứng được các yêu cầu trên và được ITU côngnhận là hệ thống thông tin di động 4G, đó là: LTE-Advanced (được phát triển bởi3GPP) và WirelessMAN-Advanced (được phát triển bởi IEEE)

4G cung cấp QoS và tốc độ phát triển hơn nhiều so với 3G đang tồn tại, khôngchỉ là truy cập băng rộng, dịch vụ tin nhắn đa phương tiện (MMS), chat video, TV diđộng mà còn các dịch vụ HDTV, các dịch vụ tối thiểu như thoại, dữ liệu và các dịch

vụ khác Nó cho phép chuyển giao giữa các mạng vô tuyến trong khu vực cục bộ và cóthể kết nối với hệ thống quảng bá video số

 Nhược điểm của hệ thống thông tin di động 4G:

- Yêu cầu thiết bị tương thích để có thể kết nối với mạng 4G.

- Thiết bị di động tiêu hao năng lượng hơn.

- Yêu cầu thành phần hệ thống phức tạp.

- Chi phí dịch vụ và giá thành thiết bị tương đối cao.

1.7 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ năm (5G)

Để đảm bảo cho sự phát triển liên tục của hệ thống thông tin di động, vào tháng 2năm 2013, ba tổ chức của Trung Quốc là: Bộ Công nghiệp và Công nghệ Thông tinMIIT, Ủy ban Phát triển và Cải cách Quốc gia NDRC và Bộ Khoa học và Công nghệMOST đã cùng nhau hợp tác thành lập nhóm “IMT-2020 (5G) Promotion” dựa trênnền tảng của nhóm “IMT-Advanced Promotion” nhằm hướng đến việc xây dựng vàphát 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.

Để làm được điều này, cần phải có những nền tảng kỹ thuật mới để nâng cấp quátrình 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:

o Massive MIMO

o Đa truy nhập: NOMA, BDMA…

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

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

- Công nghệ mạng không dây:

o Mạng truy cập vô tuyến đám mây C-RAN

Chuẩn

công

nghệ

APMS,TACS

GSM based,GPRS, EDGE UMTS/HSPA

LTE/ LTE nâng cao, Wimax, Wifi

WWWW

Chuyển

mạch

Mạchđiện tử

Mạch điện tử,Gói dữ liệu

Gói dữ liệu(không chogiao tiếpkhông khí)

Tất cả các góitin

Tất cả các góitin

Hợp nhất theochiều ngang

Hợp nhất theochiều ngang

Hợp nhất theochiều ngang

và chiều dọc

Hợp nhất theochiều ngang vàchiều dọc

Khả năng kếtnối dữ liệunăng động,các thiết bị cóthể đeo được

Khả năng kếtnối thông tincao, các thiết

bị đeo được vàtrí tuệ nhântạo

1.8 Kết luận chương 1

Hệ thống 5G trong tương lai sẽ đem lại cho người sử dụng những trải nghiệmhoàn toàn mới về chất lượng dịch vụ, nơi mà chúng ta có thể kết nối với mọi vật xungquanh mọi lúc, mọi nơi Mạng 5G sẽ là một mạng lưới hoàn chỉnh cho mạng di độngkhông dây, hướng đến một thế giới không dây “thực sự”, một thế giới Internet ofThings (IoT)

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

Giới thiệu chương : Chương này sẽ đưa ra các yêu cầu tối thiểu của hệ thống

thông tin di động thế hệ thứ 5 (5G) từ đó tập trung phân tích ra các nhu cầu cuối cùng của hệ thống di động 5G rồi đưa đến kết luận cho kiến trúc và các công nghệ, kỹ thuật mới của 5G.

2.1 Số liệu thực tế và thách thức

2.1.1 Những số liệu thực tế

Thời điểm hiện tại, mạng 4G mới bắt đầu được đưa vào sử dụng, 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 thôngminh (smartphone) và máy tính bảng (tablet) đồng nghĩa với khối lượng dữ liệu ngàycàng lớn Sau đây là một số thống kê mới nhất về lĩnh vực viễn thông được trích từtrang web statista.com (một chuyên trang thống kê) và Cục viễn thông Việt Nam đểthấy sự tăng trưởng mạnh mẽ của lĩnh vực viễn thông

 Số lượng người dùng smartphone trên toàn thế giới từ 2014 đến 2020 (tính bằngtỷ) [1]:

Hình 2.1: Số lượng người dùng smartphone trên toàn thế giới từ 2014 đến 2020 (tính

bằng tỷ).

 Các lô hàng điện thoại thông minh toàn cầu dự báo từ năm 2010 đến năm 2021(triệu đơn vị) [2]:

Hình 2.2: Các lô hàng điện thoại thông minh toàn cầu dự báo từ năm 2010 đến

năm 2021 (triệu đơn vị).

 Tổng băng thông kết nối internet trong nước Việt Nam năm 2017 (Mbps) [3]:

Hình 2.3: Tổng băng thông kết nối internet trong nước năm 2017 (Mbps).

 Tổng băng thông kết nối internet Việt Nam đi quốc tế năm 2017 (Mbps) [4]:

Hình 2.4: Tổng băng thông kết nối internet quốc tế năm 2017 (Mbps).

Trên đây là một số thống kê tiêu biểu cho thị trường viễn thông tính đến năm

2017 và một số dự đoán cho các năm tiếp theo

2.1.2 Thách thức đối với hệ thống thông tin di động thứ 5

Từ những số liệu thực tế đã trình bày ở phần 2.1.1 có thể nhận ra rằng ngay từkhi mạng Viettel và các mạng khác triển khai hoàn tất mạng 4G hồi tháng 4 năm 2017tại Việt Nam thì lượng dữ liệu đi quốc tế phát sinh ra rất lớn Trong khi đó lượngngười sử dụng và lượng thiết bị smartphone (chưa kể các thiết bị khác) vẫn tăng mộtcách đều đặn

Như vậy, khi thiết bị người dùng (UE) phát triển đều như hiện tại mà dữ liệungày càng phát sinh ra càng nhiều, đến một lúc nào đó sẽ bị quá tải, khi đó người dùng

sẽ có xu hướng chọn lưu trữ điện toán đám mây để lưu trữ các tập tin Nếu tập tin códung lượng lớn thì sẽ cần một khoảng thời gian rất lâu để tập tin đó upload xong, điều

đó làm người dùng cảm thấy khó chịu Đó là thách thức cho hệ thống thông tin di độngtiếp theo phải được nâng cấp gấp nhiều lần so với 4G đó là khả năng tương tác linhhoạt và hỗ trợ nhiều loại thiết bị khác nhau Ngoài những kết nối tới điện thoại thôngminh hoặc máy tính bảng, nó còn cung cấp thêm các liên kết tới thiết bị đeo tay, smart-watch, bộ theo dõi sức khỏe, … Thêm vào đó, nó cũng hỗ trợ cả những tiện ích smart-home như bộ điều ổn nhiệt và nhiều loại cảm biến khác

Tuy nhiên, khó khăn tiếp theo lại nảy sinh Thật khó để có thể xác nhận nhữngcông nghệ nào sẽ có mặt trong 5G và dữ liệu dung lượng cần thiết để cấp cho tất cảcác thiết bị Cải thiện hiệu suất "end-to-end" cũng là một vấn đề khác khi đề cập đến5G Hiệu suất end-to-end được định nghĩa là khả năng duy trì các kết nối vô tuyến từđiện thoại tới máy chủ cung cấp thông tin Mục tiêu cuối cùng của 5G là cung cấpnhững kết nối liên tục cho người dùng, dù họ đang ở trong lòng đất, trên cao hay thậmchí cả ở ngoài biển đảo thì vẫn có kết nối 5G.

2.2 Các yêu cầu chính cho hệ thống thông tin di động 5G

Liên minh Viễn thông quốc tế về các hệ thống thông tin di động quốc tế (ITU

các tổ chức xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật của quốc gia và khu vực, cơ quan quản lý,các nhà khai thác, các nhà sản xuất thiết bị, các học giả và viện nghiên cứu đã xâydựng xong dự thảo các yêu cầu kỹ thuật tối thiểu của hệ thống IMT-2020 (được gọi là

hệ thống thông tin động thế hệ thứ 5 - 5G)

IMT-2020 sẽ có 3 nhóm ứng dụng là băng rộng di động nâng cao (EnhancedMobile Broadband - eMBB), truyền thông thời gian trễ thấp và tin cậy cực cao (Ultra-Reliable and Low-Latency Communications - URLLC) và truyền thông máy số lượnglớn (Massive Machine Type Communications - mMTC)

Hình 2.5: Các nhóm ứng dụng 5G (theo ITU).

eMBB sẽ cung cấp dữ liệu tốc độ cực cao, tốc độ đường xuống là 10Gbps gấp

100 tốc độ sóng mang đơn của mạng LTE Sử dụng các kỹ thuật tiên tiến như băngthông rộng hơn (2GHz), tần số mới ở băng tần cao (sóng milimet) và sử dụng kết hợpbăng tần cấp phép

URLLC được sử dụng để xây dựng thành phố thông minh, kết nối giao tiếp giữađèn giao thông, ô tô tự động và đường cao tốc để điều khiển giao thông Trong môitrường này, mật độ nút, tiêu thụ năng lượng và chi phí là yêu cầu cực kỳ quan trọng.Cuối cùng là mMTC, hai yêu cầu của kết nối không dây là độ trễ và độ tin cậy.Thử tưởng tượng việc bác sỹ thực hiện phẫu thuật từ xa bằng robot kết nối qua khôngdây, khi đó độ tin cậy của đường truyền chính là sự thành công của ca phẫu thuật.Nhóm nghiên cứu 5D (Working Party 5D) của ITU-R vừa kết thúc cuộc họp đầutiên tại Bắc Kinh, Trung Quốc Một trong những nhiệm vụ chính của nhóm là xâydựng tiêu chuẩn IMT-2020 (5G) dựa trên các đóng góp của các cơ quan quản lý, nhàmạng, hãng sản xuất thiết bị, và các tổ chức tiêu chuẩn của quốc gia và khu vực. 

Sau cuộc họp, ngày 23 tháng 2 năm 2017 ITU-R đã ra văn bản công bố Các yêu

cầu tối thiểu liên quan đến hiệu suất kỹ thuật cho giao diện vô tuyến IMT-2020 (s) [5],được tóm tắt các vấn đề cơ bản như sau:

 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 15bit/s/Hz

 Tốc độ dữ liệu người dùng trải nghiệm đường xuống là 100 Mbps và đường lên là

50 Mbps

 Lưu lượng đường xuống theo vùng 10Mb/s/m2 đối với Hotspot trong nhà

 Độ trễ trên giao diện người dùng là 4 mili giây (ms) cho ứng dụng eMBB và 1 mscho 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 trợ băng thông lên đến 1 GHz khihoạt động ở băng tần trên 6 GHz

 Tốc độ di chuyển tối đa của thuê bao là 500 km/h

Ngoài ra còn có các yêu cầu khác để đánh giá đạt tiêu chuẩn công nghệ

IMT-2020 trong các vấn đề sử dụng khác nhau như: Hiệu quả sử dụng năng lượng, độ tincậy, thời gian gián đoạn khi di động, tổng lưu lượng vùng

Có thể tóm tắt các yêu cầu kỹ thuật đối với 5G trên vào trong 5 điều kiện cũngnhư các yêu cầu chính cho hệ thống thông tin di động 5G như sau:

 Quan điểm người sử dụng: "Tốc độ siêu cao và độ trễ thấp".

- Đạt được tốc độ truyền dữ liệu nhanh gấp 1000 lần so với LTE, độ trễ cực thấp thờigian ít hơn một vài phần nghìn giây và thực hiện quan điểm: "Kết nối Massive"

- Có thể chứa hơn 1000 thiết bị và lưu lượng truy cập và an toàn liền mạch kết nối(kết nối bất cứ lúc nào, bất cứ nơi nào, bất cứ ai, bất cứ điều gì)

 Kiến trúc nhận thức: "Mạng linh hoạt, thông minh".

- Đáp ứng nhu cầu di chuyển nhanh, liên lục phân tích dữ liệu trong thời gian thực vàcung cấp dịch vụ thông minh, cá nhân hóa

 Quan điểm hoạt động: "Hoạt động tin cậy, an toàn".

- Bảo vệ hơn 99% mạng sẵn có và độ tin cậy cũng như tự phục hồi, cấu hình lại

 Quan điểm quản lý: "Năng lượng, chi phí, hiệu quả chi phí".

- Đạt được hiệu quả năng lượng cao hơn 50-100 lần so với LTE và cơ sở hạ tầng, thiết

bị có chi phí thấp

2.3 Khái niệm và Kiến trúc

Ngay thời điểm hiện tại, các kiến trúc 5G được đề xuất từ các trang công nghệnổi tiếng đã được đưa ra nhưng vẫn chưa được ITU công nhận Đa phần các kiến trúcđều xét ở phương diện cơ sở hạ tầng 5G Theo báo cáo của ITU như đã trình bày ởphần 2.2, 5G không chỉ dừng lại ở mức cơ sở hạ tầng nữa mà còn là các phương diệnkhác như dịch vụ kèm theo đặc biệt là IoT Không những vậy, để đạt được IoT thì cần

có một nền tảng để thực hiện dịch vụ này

Để đạt được 5 điều kiện như đã phân tích ở phần 2.2, mục tiêu cuối cùng cũngnhư nhu cầu hệ thống 5G sẽ bao gồm 3 thành phần và sẽ là kiến trúc tổng quát của 5Gnhư sau:

1 - Các dịch vụ 5G sáng tạo.

2 - Nền tảng cho phép để thực hiện các dịch vụ sáng tạo.

3 - Cơ sở hạ tầng tốc độ siêu cao.

Dựa trên phân tích này, hệ thống 5G sẽ bao gồm ba lớp Dịch vụ Đổi mới, Nềntảng Cho phép và Cơ sở hạ tầng Siêu kết nối trong kiến trúc mức cao như trong Hình2.6

Hình 2.6: Cấu trúc tổng quát của hệ thống 5G

Trên lớp trên cùng là dịch vụ, đó là Dịch vụ đổi mới, đáp ứng yêu cầu 5G làcung cấp trải nghiệm người dùng mới Bên dưới đó là Nền tảng cho phép, một nềntảng phần mềm, trên đó một loạt các chức năng mạng viễn thông phức tạp có thể đượcthực 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 vaitrò như một đường dẫn dữ liệu hỗ trợ kết nối tốc độ cao và siêu cao qua phủ sóngmạng kết nối mật độ cao

Hình 2.7: Ví dụ về các dịch vụ 5G

2.3.2 Nền tảng cho phép (Enabling Platform)

5G Enabling Platform cung cấp khuôn khổ định hướng phần mềm và giao diệndựa trên các nguyên tắc của các hệ điều hành (một số hệ điều hành phổ biến hiện naynhư iOS, Android, Mycrosoft,…) để tạo ra giá trị khác biệt thông qua một loạt cácdịch vụ sáng tạo Một chức năng cốt lõi của 5G Enabling Platform là cung cấp nềntảng Network-as-a-Service cho phép cấu hình và có thể thay đổi được tất cả các chứcnăng viễn thông và dịch vụ

Giao diện lập trình ứng dụng API (Application Programming Interface) làmột giao diện mà một hệ thống máy tính hay ứng dụng cung cấp để cho phép các yêucầu dịch vụ có thể được tạo ra từ các chương trình máy tính khác, hoặc cho phép dữliệu có thể được trao đổi qua lại giữa chúng Chẳng hạn, một chương trình máy tính cóthể (thường hoặc bắt buộc) dùng các hàm API của hệ điều hành để xin cấp phát bộ nhớ

và truy xuất tập tin Đối với API cho 5G, vì là nền tảng cho các dịch vụ mới nên cácnhà phát triển cần phát triển một hệ sinh thái API mới để hỗ trợ cho các IoT mới

Ngoài Network-as-a-Service và API ra, nền tảng mạng là hỗ trợ đắc lực cho 5GEnabling Platform này Cụ thể: các ứng dụng, trò chơi điện tử hay mới hơn là các dịch

vụ đổi mới ngày nay đang có xu hướng kết nối người dùng lại với nhau Các dịch vụ

truyền hình tại Việt Nam đang dần chuyển qua truyền hình số hay còn gọi là truyềnhình 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 mạnh Song song

đó là công nghệ mạng được xác định bởi phần mềm SDN (Software DefinedNetworks) sẽ là những trợ thủ đắc lực cho 5G Enabling Platform

Đồ án này đề xuất 2 công nghệ nữa để làm nền tảng cho 5G Enabling Platform

và xử lý tín hiệu RAN trong thời gian thực

Tổng quan 5G Enabling Platform được mô tả trong hình 2.8:

Hình 2.8: Nền tảng cho phép 5G dựa trên phần mềm

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 nênđược kết hợp để cấu hình cơ sở hạ tầng siêu kết nối Điều này cần phát triển một loạtcác công nghệ thành phần 5G để tăng phân chia cell, cải thiện hiệu quả quang phổ, mởrộng băng thông tần số và tăng hiệu quả hoạt động của mạng Tăng cường sự phân

chia cell, đặc biệt là tối đa hóa khả năng của vùng phủ thông qua các kiểu cấu tạo cellbao gồm cell nhỏ cực nhỏ, các phần tử di chuyển, thiết bị cá nhân và D2D, là nhữngcông nghệ cốt lõi để đáp ứng yêu cầu tăng 1000 lần sức chứa dữ liệu Ngoài ra, khảnăng của các hệ thống 5G có thể được tăng lên bằng cách áp dụng các công nghệ khácnhau để nâng cao hiệu suất quang phổ như điều chế mới / đa truy cập, massive MIMO

và sự phối hợp nhiễu sóng trong khi mở rộng băng thông ở các dải tần số cao hơn(cm / mm wave) Cuối cùng, các công nghệ đa dạng để nâng cao hiệu quả hoạt độngcủa mạng bao gồm Multi-RAT, SON (Self-Organizing Network) tiên tiến và IoT dựatrên nền di động sẽ giúp độ tin cậy của hệ thống mạng 5G và năng lượng

Hình 2.9: Cơ sở hạ tầng 5G hỗ trợ tốc độ dữ liệu cực cao và kết nối lớn

Có một điều đáng chú ý là phần tử moving cell được tách ra khỏi cell thôngthường Lấy ví dụ cụ thể để chứng minh điều này là khi UE ở trên tàu điện với vận tóchàng trăm km/h, khi đó UE di chuyển từ cell này sang cell khác liên tục điều này làmtăng độ trễ, đi ngược với tiêu chuẩn IMT-2020 đặt ra là độ trễ trên giao diện ngườidùng là 4 mili giây

So sánh kiến trúc giữa 4G-LTE với 5G:

Mô hình kiến trúc 4G được thể hiện trong hình 2.10

Hình 2.10: Kiến trúc 4G

Sự khác biệt giữa mô hình tổng thể 4G với 5G (Hình 2.6) đó là Nền tảng chophép Trong khi 4G sử dụng các nền tảng hiện tại để hỗ trợ cho các dịch vụ thì 5G cầnphải có nền tảng mới để hỗ trợ cho các dịch vụ mới

Ngoài ra, lớp Dịch vụ đổi mới của 5G cũng là minh chứng cho sự khác biệt Đó

là các dịch vụ IoT, dịch vụ ghi nhận và truyển tải hình ba chiều, AR/VR, dịch vụ y tế

từ xa Sự nâng cấp mới mẻ và toàn diện về dịch vụ phục vụ con người Trong khi dịch vụ 4G là sự nâng cấp tốc độ truyền tải dịch vụ

Sự khác biệt cuối cùng là cở sở hạ tầng của 4G và 5G Cơ sở hạ tầng của 5G sẽ được nâng cấp từ 4G ví dụ: anten MIMO nâng cấp lên Massive MIMO Sự thay đổi cell, dạng sóng mới, truyền thông mới (D2D, multi-RAT)…

2.4 Các công nghệ cho phép

Như đã giải thích trong phần 2.3, Dịch vụ đổi mới, Nền tảng cho phép và Cơ sở

hạ tầng siêu kết nối là ba lớp tạo thành cấu trúc cao cấp của công nghệ 5G và sẽ trởthành nền tảng để đạt được 5 giá trị lớn Từ các chi tiết kỹ thuật của các khái niệm,

kiến trúc, các tiêu chuẩn, các yêu cầu tối thiểu đồ án này đưa ra tổng cộng 11 côngnghệ chính được rút ra từ kiến trúc và mỗi loại được liên kết với 5 yêu cầu chính tươngứng như trong hình 2.11.

Hoạt động nâng cao cho Multi-cell

Nâng cao IoT và dạng sóng mới

Tăng cường công nghệ nhiều anten

và Massive MIMO

Cell nhỏ, siêu dày đặcBăng tần rộng RF & chùm tia 3D

Trải nghiệm người dùng

Kết nối

Thông minh

Độ tin cậy

Hiệu quả

Hình 2.11: Các loại công nghệ chính từ kiến trúc / giá trị 5G

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 chínhliên 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 chủ yếu được đặt trên lớp Cơ sở

hạ tầng Các công nghệ thông minh và độ tin cậy chủ yếu dựa trên nền Nền tảng chophép bao gồm các công nghệ được vận hành và kiểm soát thông minh, linh hoạt bằngcách phân tích ảo hóa Cuối cùng, các công nghệ đa dạng để nâng cao hiệu quả hoạtđộng trên nền tảng cho phép và lớp cơ sở hạ tầng được kết nối hiệu quả

2.5 Kết luận chương 2

Từ những số liệu thực tế và các yêu cầu kỹ thuật, chương 2 đã đề xuất kiến trúccủa hệ thống 5G gồm 3 lớp: Dịch vụ đổi mới, Nền tảng cho phép và Cơ sở hạ tầng siêukết nối ba lớp tạo thành cấu trúc cao cấp của công nghệ 5G và sẽ trở thành nền tảng đểđạt được 5 giá trị lớn Tương ứng với 5 giá trị là 11 công nghệ đã được rút ra:

1 - Trải nghiệm người dùng thực tế và xử lý nội dung 5G.

2 - Xử lý và tuyển tải đa phương tiện.

3 - Mạng toàn cầu dựa trên mạng đám mây.

4 - Mạng thông minh dựa trên công nghệ phân tích.

5 - Mạng lưới vận tải linh hoạt / nhanh.

6 - Kiến trúc mạng ngoài.

7 - Tăng cường hoạt động cho nhiều ô (cell).

8 - Ô nhỏ, siêu dày đặc.

9 - Băng rộng tần số cao RF và chùm tia 3D.

10 - Tăng cường MIMO và Massive MIMO.

11 - Nâng cao dịch vụ IoT và dạng sóng mới.

Chi tiết về 11 công nghệ là những kỹ thuật cốt lõi tương ứng sẽ được mô tả rõ hơntrong Chương 3