Tiểu Luận Vô TUYẾN BĂNG RỘNG 5g

Tiểu luận Mạng di động 5G, trình bày các tham số cơ bản, yêu cầu cơ bản, trình bày một số kỹ thuật vô tuyến chính được sử dụng trong mạng 5G, khái niệm ORAN, kỹ thuật massive MIMO và anten tích cực thích nghi cũng được trình bày

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

TIỂU LUẬN MÔN HỌC: CÔNG NGHỆ VÔ TUYẾN BĂNG RỘNG

MỤC LỤC

Mạng 5G được xem là chìa khóa để chúng ta đi vào thế giới Mạng lưới vạn vậtkết nối Internet (IoT), trong đó các bộ cảm biến là những yếu tố quan trọng để tríchxuất dữ liệu từ các đối tượng và từ môi trường Hàng tỷ bộ cảm biến sẽ được tích hợpvào các thiết bị gia dụng, hệ thống an ninh, thiết bị theo dõi sức khỏe, khóa cửa, xehơi và thiết bị đeo Tuy nhiên, để cung cấp 5G, các nhà mạng sẽ cần phải tăng cường

hạ tầng cơ sở mạng lưới (gọi là trạm gốc) Họ có thể bắt đầu bằng cách khai thác dảiphổ hiện còn trống Sóng tín hiệu với tần số MHz sẽ được nâng cao lên thành GHzhay thậm chí nhanh hơn Tần số giao tiếp của điện thoại hiện nay ở dưới mức 3 GHznhưng mạng 5G sẽ yêu cầu những băng tần cao hơn Mạng 5G bắt đầu được thửnghiệm và thương mại hóa vào năm 2020 để đáp ứng nhu cầu kinh doanh và ngườitiêu dùng

Nội dung bài tiểu luận trình bày những vấn đề cơ bản tổng quan về mạng 5Gnhư thời gian mạng di động này được triển khai và thương mại hóa ở các nước trênthế giới và tại Việt Nam; các trường hợp sử dụng cũng như những yêu cầu về hiệunăng tương ứng trong mỗi trường hợp Các mô hình và khái niệm về các giải phápkiến trúc mạng 5G theo IMT-2020 đặc biệt cấu trúc NSA (tùy chọn 3X) và SA (tùy

chọn 2) cũng được trình bày Tiếp theo, nội dung về phổ và băng tần giành cho mạng

di động này, cũng như các ứng dụng của các dải tần phù hợp trong trường hợp nàocũng được nêu ra Hơn thế, bài tiểu luận trình bày các công nghệ vô tuyến chính của5G, và làm rõ công nghệ Massive MIMO và anten thích ứng tích cực kết hợp vớinhau như thế nào Cuối cùng, vấn đề về trễ và khái niệm về mạng truy cập vô tuyến

mở (O-RAN) cũng đã được đưa ra và giải thích

Bố cục của bài tiểu luận trình bày dưới dạng trả lời các câu hỏi như sau:

1 Mạng thông tin di động 5G được triển khai thương mại hóa vào thời điểm nào?

2 Ba trường hợp sử dụng của mạng thông tin di động 5G là những trường hợp nào? Trình bày các yêu cầu về hiệu năng tương ứng với mỗi trường hợp.

3 Vẽ hình và trình bày khái niệm về kiến trúc mạng 5G NSA (tùy chọn 3X) và 5G SA (tùy chọn 2).

4 Trình bày về phổ và băng tần giành cho 5G ở một số nước trên thế giới và tại Việt Nam Băng tần thấp (dưới 1 GHz) và băng tần mm phù hợp cho những trường hợp sử dụng nào trong mạng 5G.

5 Trình bày các công nghệ vô tuyến chủ chốt của 5G.

6 Trình bày về công nghệ Massive MIMO và anten thích ứng tích cực.

7 Yêu cầu trễ thấp trong mạng truy nhập vô tuyến 5G là bao nhiêu? Giải pháp nhằm đạt được độ trễ thấp là gì?

8 Trình bày khái niệm về O-RAN trong mạng truy nhập vô tuyến 5G.

1 Mạng thông tin di động 5G được triển khai thương mại hóa vào thời điểm nào?

Mạng di động thế hệ thứ tư (4G) đã được triển khai hoặc sắp được triển khai ởnhiều quốc gia trên thế giới Tuy nhiên, với sự bùng nổ của các thiết bị và dịch vụ diđộng không dây, vẫn còn một số thách thức mà 4G cũng không thể đáp ứng được,chẳng hạn như khủng hoảng phổ tần và mức tiêu thụ năng lượng cao Do nhu cầu vềtốc độ dữ liệu cao và tính di động để đáp ứng các dịch vụ di động mới cho nên mạng

di động thế hệ thứ năm – 5G đã được nghiên cứu và đề xuất, cho đến nay các tiêuchuẩn, quy định, quy ước… về mạng này đã tương đối hoàn thiện Mạng không dâynày đã và đang được triển khai thương mai hóa trên một số quốc gia từ năm 2020,các quốc gia đi tiên phong như: Mỹ, Úc, Nhật Bản và Hàn Quốc

Năm 2020, Việt Nam trở thành nước thứ năm trên thế giới làm chủ công nghệ5G, sản xuất được thiết bị hạ tầng 5G và sản xuất được điện thoại 5G Tháng 11/2020

ba nhà mạng lớn Viettel, MobiFone và VinaPhone đã công bố kế hoạch bắt đầu thửnghiệm và triển khai thương mại hóa 5G tại các khu vực tỉnh, thành phố Việt Namđặt mục tiêu phủ sóng 5G đến 25% dân số vào năm 2025

Mục đích chính của 5G không bị hạn chế và cản trở theo ý tưởng của các thế

hệ mạng trước đó bởi 5G sẽ thay đổi cách thức truy cập vào mạng đối với dịch vụ dữliệu tốc độ cao Với kết quả thử nghiệm và thử nghiệm thương mại mà các nhà mạngcung cấp thì mạng này mang lại tốc độ tải lên và tải xuống dữ liệu gấp 3-5 lần có thểlên tới 2,2 Gb/s (điều kiện lý tưởng tốc độ có thể gấp lên tới 100 lần so với 4G), độtrễ thấp hơn 10 lần so với mạng di động 4G

2 Ba trường hợp sử dụng của mạng thông tin di động 5G là những trường hợp nào? Trình bày các yêu cầu về hiệu năng tương ứng với mỗi trường hợp.

Nếu như mạng 4G là những công nghệ di động thỏa mãn các yêu cầu IMT-Nângcao thì 5G là các hệ thống di động đáp ứng các yêu cầu theo chuẩn IMT-2020 ITU.IMT-2020 đưa ra ba trường hợp sử dụng mạng 5G bao gồm:

• Ứng dụng băng thông rộng di động nâng cao (eMBB): Giải quyết các ứng dụnglấy con người làm trung tâm, cho phép truy cập vào dữ liệu, dịch vụ hoặc các ngữcảnh đa phương tiện (ví dụ như: các nguồn video 3D, màn hình độ phân giải siêucao UHD, hoặc các ứng dụng thực tế ảo tăng cường, v.v…)

• Truyền thông siêu đáng tin cậy và độ trễ thấp (URLLC): với trường hợp ứng dụngnày cần đáp các yêu cầu nghiêm ngặt như thông lượng, độ trễ và tính sẵn sàng (ví dụ: ứng dụng trong tự động hóa công nghiệp, các ứng dụng đặc thù, ô tô tự lái, v.v.)

• Truyền thông kiểu máy khổng lồ (mMTC), dành cho các tình huống có số lượng lớn thiết bị kết nối thường truyền một lượng dữ liệu nhạy cảm tương đối thấp (ví dụ: các mạng lưới thông minh, xây dựng các nhà / tòa nhà thông minh, các thành phố thông minh, v.v.)

Hình.1 Các dịch vụ trong ba trường hợp sử dụng mạng 5G và các yêu cầu cơ bản

Hình 2 Mức độ yêu cầu sử dụng các tham số với 3 trường hợp sử dụng 5G

Từ hình 1 ta thấy các tham số chính yêu cầu đối với 5G như: Tốc độ dữ liệuđỉnh, độ trễ vô tuyến, mật độ thiết bị, độ siêu tin cậy, yêu cầu năng lượng…

Hình 2 cho thấy mức độ yêu cầu sử dụng các tham số với 3 trường hợp sửdụng 5G Ví dụ với eMBB yêu cầu tốc độ dữ liệu cao trong khi đó mMTC lại yêucầu mật độ thiết bị kết nối cao cho các triển khai hệ thống thiết bị lớn, còn URLCCcần độ trễ siêu thấp

Bảng 1 trình bày chi tiết về các tham số đối với từng trường hợp sử dụng của5G trong IMT-2000

eMBB: tốc độ dữ liệu đỉnh khoảng 20Gbps đường xuống (DL) và 10Gbps vớiđường lên (UL), hiệu quả phổ đỉnh là 30 bps/Hz và 15 bps/Hz tương ứng với DL và

UL, tốc độ trải nghiệm cho người dùng 100Mbps và 50 Mbps tương ứng DL, UL; độtrễ 4 ms…

URLLC: độ trễ người dùng 1ms; tính tin cậy …

Cả 3 trường hợp: Băng thông từ 100MHz đến 1GHz với dải tần sử dụng trên6GHz; trễ điều khiển 20 ms (khuyến cáo là 10ms); Hiệu quả sử dụng năng lượng với

2 khả năng khi có truyền dữ liệu phân định công suất phù hợp và tiêu thụ năng lượngthấp khi không có dữ liệu truyền….

Bảng 1: Các tham số hiệu năng của các trường hợp sử dụng 5G

Các tham số

hiệu năng

Gía trị

3 Vẽ hình và trình bày khái niệm về kiến trúc mạng 5G NSA (tùy chọn 3X) và 5G SA (tùy chọn 2).

Để thực hiện triển khai cơ sở hạ tầng mạng di động 5G thì vấn đề trước nhấtcần quyết định là lựa chọn giải pháp triển khai nào? Có hai giải pháp chính được sửdụng là: “Non-Standalone” (NSA) giải pháp dựa trên kết hợp LTE và 5G - dải sóng

vô tuyến mới truy cập với cấu trúc mạng lõi gói nâng cao (EPC) và giải pháp

“Standalone” (SA) dựa trên truy cập dải sóng vô tuyến mới 5G và cấu trúc mạng lõi5G mới (5G-CN), mà mạng này hoạt động song song với mạng LTE của 4G đã tồntại Ta đã biết mạng di động 5G là công nghệ mạng tiếp theo của 3GPP, sau mạng4G/LTE, dùng cho thông tin liên lạc di động không dây, so với các mạng trước đó 5Gthay đổi cách thức kết nối của truy nhập vô tuyến đến mạng lõi

Hình 3 So sánh giữa NSA và SA

Hình 4 Các giải pháp lựa chọn triển khai của mạng di động 5G

Trong nội dung Rel-15 của 3GPP đã phát hành các tùy chọn 1,2,3,4,5,6 và 7 vềthông số kỹ thuật của các giải pháp lựa chọn triển khai của mạng 5G, nhằm chuẩnhóa các giải pháp để kết hợp giữa thế hệ mạng trước đó và với mạng mới triển khai

mà vẫn hỗ trợ được các dịch vụ trong các trường hợp sử dụng của mạng 5G (eMBB,mMTC và URLLC)

Cả hai giải pháp triển khai NSA và SA sẽ hỗ trợ các dịch vụ 5G Dịch vụ trongeMBB có thể được hỗ trợ trên các giải pháp mà có tổng dung lượng trải nghiệmngười dùng tương tự nhau Tuy nhiên với các cấu trúc NSA (tùy chọn 3,4 và 7) chophép dung lượng ban đầu cao hơn cho nên phù hợp cho mạng nhiều sóng mang LTEsong song ở các khu vực ngoại thành và nông thôn Trong trường hợp này các băngtần vô tuyến mới NR cao và trung bình không cung cấp mức độ bao phủ đáng kể khi

sử dụng giải pháp SA (Tùy chọn 2) do đó ban đầu có thể chỉ sử dụng duy nhất mộtsóng mang NR băng tần thấp

Đối với trường hợp các dịch vụ URLCC yêu cầu độ trễ thấp nhằm cung cấpcác dịch vụ siêu đáng tin cậy, có thể sử dùng bất kỳ tùy chọn nào, tuy nhiên, phươngpháp SA tùy chọn 2 có khả năng cung cấp độ trễ trung bình thấp hơn và kiểm soátchất lượng dịch vụ QoS vượt trội hơn so với NSA (Tùy chọn 3)

Dịch vụ thoại không thay đổi so với các giải pháp LTE 4G, thoại trên nền tảngLTE (VoLTE) và CSFB trong giải pháp NSA tùy chọn 3 Trong khi đó, cấu trúc mạng

SA tùy chọn 2 yêu cầu nâng cấp giải pháp mạng con đa phương tiện IP (IMS) để hỗtrợ cho giải pháp nâng cao quản lý QoS sử dụng 5GC

Tóm lại, NSA tùy chọn 3 là giải pháp mạng đơn giản hơn cho dịch vụ eMBBđáp ứng cung cấp các dịch vụ thoại đang có trong các mạng trước 5G, các option cònlại cung cấp các dịch vụ yêu cầu cao hơn từ mạng lõi 5G và mạng truy cập 5G NRđược tối ưu hóa

Nhiều mạng 5G đầu tiên sẽ bắt đầu với NSA (Tùy chọn 3X).Ưu điểm chínhcủa giải pháp này là có thể sử dụng kiến trúc mạng 4G EPC Tuy nhiên, về phíangười dùng (Cổng phục vụ (SGW) và Gateway gói dữ liệu (PGW)) sẽ cần được thaythế bằng giải pháp hiệu năng cao hơn và có tính phân bố nhiều hơn để hỗ trợ tốc độbit cao hơn và giảm trễ truyền dẫn

Cách tiếp cận khác là triển khai các phần tử mạng lõi mới có thể hỗ trợ vàtriển khai linh hoạt cả người dùng EPC (SGW và PGW) và Người dùng 5GC (UPF

và SMF)

Hình 5 Ví dụ ứng dụng NSA (Tùy chọn 3X) và SA (Tùy chọn 2)

4 Trình bày về phổ và băng tần giành cho 5G ở một số nước trên thế giới

và tại Việt Nam Băng tần thấp (dưới 1 GHz) và băng tần mm phù hợp cho những trường hợp sử dụng nào trong mạng 5G.

5G yêu cầu tốc độ dữ liệu cao lên tới 20Gbps nên băng thông cần tới 1GHz, để cóđược băng thông này thì chỉ ở các dải tần cao hơn Chính bởi vậy, 5G là công nghệ

vô tuyến đầu tiên hoạt động dải tần từ 450MHz đến 90GHz Trong đó dải tần thấp từ450MHz đến 1GHz, dải tần trung bình từ 1GHz đến 7GHz, băng tần cao (mmWave,

sóng milimet) trên 24GHz Trong đó, băng tần mmWave cũng là băng tần cho 5GNR.

Hình 6 Băng tần sử dụng của một số nước trên thế giới trong mạng 5G

Đối với Việt Nam băng tần sử dụng mạng di động 5G là băng tần trung3,5GHz và băng tần cao là 26/28GHz

Băng tần thấp (dưới 1 GHz) đang sử dụng cho mạng 4G LTE và sẽ được sửdụng phủ sóng 5G đến các khu vực nông thôn, băng tần này không phù hợp để cungcấp kết nối đáng tin cậy ở các khu vực đô thị, nơi có mật độ kết nối cao

Trong khi đó băng tần mm phù hợp phủ sóng 5G trên một khu vực địa lý hạnchế Do vậy nó chính là chìa khóa để triển khai 5G ở khu phố đông đúc như khuônviên trường học, các địa điểm giải trí và thể thao…, nơi cần dung lượng cao hay nói

cách khác khu vực có rất nhiều thiết bị đầu cuối được sử dụng Việc sử dụng 5G băngtần cao cho phép truyền tải dữ liệu tốc độ cao và độ trễ thấp hơn cho người dùng diđộng ước tính cho thấy, việc kết hợp phổ tần số trong băng tần cao và băng tần3.5GHz sẽ góp phần tiết kiệm tới 35% tổng chi phí sở hữu so với sử dụng duy nhấtcác băng tần dưới 6GHz.

5 Trình bày các công nghệ vô tuyến chủ chốt của 5G.

Thứ nhất là phổ tần mới đặc biệt là dải tần cao từ 24GHz đến 100GHz là dảitần hứa hẹn khi sử dụng kết hợp với các dải tần vô tuyến trung và thấp đảm bảo giảmchi phí, cung cấp khả năng cung cấp dịch vụ hiệu quả cho khu vực đông dân cư

Công nghệ vô tuyến thứ hai là công nghệ Massive MIMO, công nghệ này tăngcường thêm hiệu quả của MIMO trên quy mô lớn trong mạng 4G bởi có thể làm tăngthông lượng và hiệu quả phổ đáng kể

Thứ ba là công nghệ định dạng khung linh hoạt tại lớp vật lý

Hình 7 Khung linh hoạt trong lớp vật lý

Với định dạng khung linh hoạt cho phép tối ưu hóa tài nguyên vô tuyến chomỗi người dùng phù hợp với yêu cầu dịch vụ Một khung cấu này dưới dạng mộtlưới tần số - thời gian Mỗi ô tương ứng với đơn vị phân bổ nhỏ thất của khoảng thờigian Δt và Δf Trong thực tế Δt tương ứng với một số nguyên symbol phân chia theotần số trực giao (OFDM), trong khi Δf tương ứng với một số nguyên các sóng mang

con Căn cứ vào Δt để xác định kích thước TTI tối thiểu từ đó phân bổ tài nguyên chongười dùng.

Thứ tư là công nghệ đa kết nối nghĩa là tại cùng một thời điểm thiết bị đầucuối người dùng có thể cùng kết nối vào các nền tảng mạng khác nhau như 5G, LTEhay Wi-Fi Hiện tại các máy di động chỉ sử dụng đường truyền của một loại mạng tạimột thời điểm

Công nghệ cuối cùng trong nội dung bài báo cáo là công nghệ cấu trúc có tínhphân tán Trong cấu trúc mạng phân tán các gateway truyền thống được loại bỏ trongthành phần mạng lõi di động mà thay vào đó là hệ thống ánh xạ phân tán để quản lýtính di chuyển và hỗ trợ linh hoạt cho các dịch vụ mới và các thiết bị không đồngnhất, ví dụ như IoT (Internet vạn vật) Với kiến trúc mạng phân tán cho phép giảiquyết việc tăng quy mô hệ thống mà chi phí cho các byte mào đầu giảm đi đáng kể,trong khi vẫn duy trì các yêu cầu về nhận thực, bảo mật của mạng và cho phép tạo racác dịch vụ IoT và di động mới một cách linh hoạt

Hình 8 Cấu trúc mạng phân tán

6 Trình bày về công nghệ Massive MIMO và anten thích ứng tích cực.

Massive MIMO (Multiple-input multiple-output) là một trong những cải tiến

kỹ thuật nổi bật trong hệ thống mạng viễn thông không dây trong những năm gần đâyđược sử dụng tại trạm phát sóng của mỗi cell (tế bào) Kỹ thuật này mở ra một hướng

đi mới nhằm nâng cao tốc độ truyền nhận dữ liệu cũng như cải thiện được chất lượng

đường truyền từ trạm phát tín hiệu (base station - BS) đến người dùng di động(mobile users - MUs).

Kỹ thuật massive MIMO là kỹ thuật sử dụng rất nhiều anten (lên đến hàngtrăm hoặc hàng ngàn anten) tại BS nhằm tăng dung lượng kênh truyền và đảm bảođược tính ổn định của hệ thống cũng như tăng tốc độ truyền dữ liệu giữa BS và MUs.Như chúng ta đã biết, kỹ thuật MIMO là một bước đột phá lớn và được áp dụngtrong mạng viễn thông hàng thập kỷ qua cho tới mạng viễn thông LTE (Long-TermEvolution) ngày nay Trong kỹ thuật MIMO truyền thống, số lượng MUs được phục

vụ đồng thời là giới hạn và phụ thuộc vào kích thước thiết kế của hệ thống ban đầu.Trong khi đó, massive MIMO đa người dùng là kỹ thuật dựa trên nhiều anten đểđồng thời cùng lúc truyền đa đường dữ liệu trong mạng viễn thông không dây Sauđây là một số lợi ích của ký thuật massive MIMO đa người dùng được liệt kê nhưsau:

- Tăng tốc độ đường truyền dữ liệu từ BS tới MUs trong cùng hệ thống mạng viễnthông Điều này là do khi tăng số lượng anten, nhiều đường dữ liệu độc lập có thểđược truyền và có thể phục vụ cùng lúc nhiều MUs

- Tăng độ tin cậy của hệ thống: Khi sử dụng rất nhiều anten tại BS sẽ tạo ra rất nhiềuđường truyền dữ liệu riêng biệt để dữ liệu có thể được truyền lên trên các đườngriêng biệt đó

- Cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng: Khi sử dụng nhiều anten BS, BS có thể tậptrung được phổ năng lượng cho những MUs mong muốn được nhận dữ liệu từ BS

- Giảm thiểu nhiễu trong hệ thống: Khi tăng số lượng anten tại BS lên đến hàng trămthậm chí hàng ngàn lần, thì ảnh hưởng của nhiễu liên kênh truyền giữa các MUs vàgiữa các tế bào gần như là không có bằng cách kết hợp với bộ xử lý tuyến tính(Maximum ratio/zero-forcing linear processing)

Tất cả những cải tiến kỹ thuật ở trên không thể đạt được đồng thời cùng lúc, vìphải phụ thuộc vào môi trường và không gian truyền tín hiệu Tuy nhiên, những lợiích được nêu ở trên trong kỹ thuật massive MIMO là những ưu điểm vượt trội sẽđược áp dụng trong mạng viễn thông thế hệ tiếp theo trong tương lai cho mạng 5G