Tài Liệu Truyền Thông Và Mạng Máy Tính Kiến Trúc Và Mô Hình Truyền Dẫn Hệ Thống Mạng Truy Nhập Vô Tuyến 6G.pdf

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN THỰC TẬP TỐT NGHIỆP KIẾN TRÚC VÀ MÔ HÌNH TRUYỀN DẪN HỆ THỐNG MẠNG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN 6G Ngành TRUYỀN THÔNG & MẠNG MÁY TÍNH Chu[.]

THỰC TẬP TỐT NGHIỆP

KIẾN TRÚC VÀ MÔ HÌNH TRUYỀN DẪN HỆ THỐNG

MẠNG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN 6G

Chuyên ngành: TRUYỀN THÔNG & MẠNG MÁY TÍNH

Giảng viên hướng dẫn : T.S Trần Thiên Thanh Sinh viên thực hiện : Đặng Thị Kim Tuyến MSSV: 1751150061 Lớp: KM17

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

-

HỌ VÀ TÊN SINH VIÊN: ĐẶNG THỊ KIM TUYẾN

KIẾN TRÚC VÀ MÔ HÌNH TRUYỀN DẪN HỆ THỐNG MẠNG

TRUY NHẬP VÔ TUYẾN 6G

CHUYÊN NGÀNH: TRUYỀN THÔNG VÀ MẠNG MÁY TÍNH

BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP

GV HƯỚNG DẪN

TS TRẦN THIÊN THANH

TP HỒ CHÍ MINH – Năm 2020

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

TP.HCM, ngày … tháng …… năm ……

Giảng viên hướng dẫn

TS Trần Thiên Thanh [Ký tên và ghi rõ họ tên]

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

TP.HCM, ngày … tháng …… năm ……

Giảng viên phản biện

[Ký tên và ghi rõ họ tên]

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan hoàn toàn về nội dung bài báo cáo này của tôi là do tôi tự thực hiện cùng với sự giúp đỡ cũng như chỉ dẫn của giảng viên hướng dẫn, các số liệu trích dẫn trong bài báo cáo này là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công

bố trên bất kỳ phương tiện truyền thông đại chúng nào, không sao chép dưới bất

kỳ hình thức nào Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những nội dung trong bài báo cáo của mình

Sinh viên thực hiện

Đặng Thị Kim Tuyến

LỜI CẢM ƠN

Lời cảm ơn đầu tiên tôi xin gửi đến Cô TS Trần Thiên Thanh đã hướng dẫn

và định hướng giúp đỡ tôi có thể xây dựng và hoàn thiện bài báo cáo Thực tập tốt nghiệp này Cũng như lộ trình đào tạo của nhà trường cùng các thầy, cô dạy ở khoa Công nghệ Thông tin là những người đã truyền dạy cho tôi rất nhiều những kiến thức hay và bổ ích để tôi có thể hoàn thiện bản thân cũng như có thêm nhiều kiến thức hơn về chuyên ngành đang học Thực hiện đề tài Thực tập tốt nghiệp là một

cơ hội cho sinh viên tìm hiểu về chuyên ngành mình đang theo học một cách sâu

và kỹ lưỡng hơn Thêm vào đó, hoàn thành đề tài này sẽ giúp tôi chắt lọc thêm kinh nghiệm để làm đồ án, luận văn và hơn nữa là bước tiến tiếp cận nghề nghiệp sau khi tốt nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 3

1.1 Quá trình phát triển của các thế hệ mạng thông tin vô tuyến 3

1.2 Tiềm năng trong tương lai và một số công nghệ mới trong 6G 6

1.3 Tổng kết chương 1 9

CHƯƠNG 2 KIẾN TRÚC MẠNG VÔ TUYẾN HỖ TRỢ BỞI UAV 10

2.1 Tổng quan UAV 10

2.2 Mô hình truyền thông hỗ trợ bởi UAV 13

2.3 UAV tích hợp mạng không gian - trên không - mặt đất 17

2.4 Những kỹ thuật sử dụng trong truyền thông hỗ trợ bởi UAV 20

2.4.1 Truyền thông mmWave sử dụng UAV 21

2.4.2 Truyền thông NOMA hỗ trợ bởi UAV 22

2.4.3 Mạng UAV nhận thức 23

2.4.4 HetNets được hỗ trợ bởi UAV 24

2.4.5 Kiến trúc SDN 25

2.5 Tổng kết chương 2 25

CHƯƠNG 3: KIẾN TRÚC MẠNG ARAN 6G 26

3.1 Kết nối băng thông rộng và các công nghệ mới trong 6G 26

3.2 Những kỹ thuật và xu hướng triển khai trong hệ thống vệ tinh 30

3.3 Công nghệ và kiến trúc MTC 34

3.4 6G hướng đến vệ tinh trong tương lai 38

3.5 Mô hình chung của hệ thống mạng 6G và kiến trúc mạng HSAT 40

3.5.1 Mô hình chung của hệ thống mạng 6G 40

3.5.2 Kiến trúc mạng HSAT 43

3.6 Tổng kết chương 3 49

CHƯƠNG 4 MỘT SỐ THÁCH THỨC VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA MẠNG ARAN 6G 50

4.1 Thách thức 50

4.2 Xu hướng phát triển 51

4.3 Tổng kết chương 4 52

Tài liệu tham khảo 53

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

AI Artificial Intelligence

AP Associated Press ARAN Aerial Radio Access Network BATF Backhauling And Tower Feed

BCI Brain-Computer Interface

BS Base Station COOM Communication on The MoveD2D Device-to-Device

DL Deep Learning eMBB enhanced Mobile Broadband FANET Flying Ad Hoc Network GEO Geostationary Orbit GPS Global Positioning System GSM Global System for Mobile Communications

HAP High Altitude Platforms

HAPS High-performance ASIC Prototyping Systems

HetNet Heterogeneous Network

HSAT Hybrid Satellite-Aerial-Terrestrial IoT Internet of Thing

IoE Internet of Everythings ITS Intelligent Transportation Systems LAP Low Altitude Platforms

LEO Low-Earth-orbit LoS Line of Sight LTE Long-Term Evolution MAC Medium Access Control

ML Machine Learning mmWave millimeter-WavemMTC massive Machine Type CommunicationsMEO Medium Earth Orbit

MTC Machine Type Communication MTD Machine Type Device

NOMA Non-Orthogonal Multiple Access PMP Point-MultiPoint

QBER Quantitative Business and Economics Research QoS Quality of Service

QKD Quantum Key Distribution RAN Radio Access Network

RF Radio Frequency RF-EH Radio Frequency-Energy Harvesting

SDN Software-Defined Networking SDR Software-Defined Radio SMS Short Message Service SNR Signal to Noise Ratio SWAP Size, Weight and Power THEF Trunking and Head-end Feed UAV Unmanned Aerial Vehicles URLLC Ultra-Reliable Low-Latency Communication

VR Virtual Reality WLAN Wireless Local Area Network

XR Extended Reality

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1: Quá trình phát triển và chức năng chính của mạng không dây qua từng

thế hệ 3

Hình 2: Mô hình truyền thông hỗ trợ bởi UAV-BS 13

Hình 3: Mô hình truyền thông hỗ trợ bởi UAV-relay[6] 14

Hình 4: Mô hình truyền thông hỗ trợ bởi thiết bị IoT 15

Hình 5: Phân loại UAV dựa trên trạng thái di chuyển: a) UAV bán tĩnh; b) UAV di động 15

Hình 6:UAV tích hợp mạng không gian - trên không - mặt đất [7] 18

Hình 7: Mô hình truyền thông với các UAV-BS được trang bị bộ thu phát không dây cho phép chúng giao tiếp với nhau và cả người dùng mặt đất 20

Hình 8: Mô hình Truyền thông NOMA hỗ trợ bởi UAV 22

Hình 9: Kiến trúc mạng truyền thông 3 lớp 6G [13] 40

Hình 10: Mô hình hệ thống truyền thông HSAT với cấu trúc ba lớp [15] 43

Hình 11: Minh họa sự chồng chất trong mạng HSAT 45

LỜI MỞ ĐẦU

Trong bối cảnh xã hội và các ngành công nghiệp truyền thông ngày càng phát triển, sự bùng nổ mạnh với các ứng dụng được hỗ trợ bởi UAV, AI, IoT,… đang thúc đẩy cho sự phát triển truyền thông không dây trong tương lai Trong khi 5G đang dần được thương mại hóa rộng rãi trên khắp thế giới với những lợi ích và sự trải nghiệm tuyệt vời vượt bật so với những công nghệ truyền thông trước đó thì bên cạnh đó 5G cũng có những thách thức và mặc hạn chế cần được giải quyết như: tốc độ mạng phải mạnh và nhanh để phục vụ hàng tỷ thiết

bị, phủ sóng cả vùng nông thôn, vùng sâu vùng xa, cung cấp kết nối ổn định cho các phương tiện di chuyển với tốc độ cao, phủ sóng các thiết bị hoạt động trên mặt biển,… Nhằm mở rộng tầm nhìn của 5G và hướng đến sự phát triển

và tối ưu hoá trong một tương lai không xa, dự đoán tìm các phương pháp và những công nghệ có tầm nhìn xa hướng đến một sự chuyển đổi chưa từng có, khác biệt đáng kể và có tiềm năng so với 5G có tích hợp các nền tảng trên không

là những nghiên cứu về mạng ARAN (Aerial Radio Access Network) 6G Bản chất cơ bản của mạng ARAN 6G là dựa trên nền tảng của hệ thống mạng 5G kết hợp với hệ thống vệ tinh, kết nối một lượng lớn các mạng con thành một hệ thống mạng khổng lồ duy nhất để đạt được mục tiêu phủ sóng kết nối toàn cầu

từ 6G Với những gì đã và đang nghiên cứu, 6G dự tính sẽ có thể mang lại một sức ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển của toàn nhân loại Nội dung của bài Thực tập tốt nghiệp tập trung vào tổng hợp những kiến thức nền tảng của mạng

vô tuyến và đề xuất các mô hình mới dự tính sẽ được triển khai thực tế trong thời gian sắp tới, nội dung chủ yếu của bài sẽ dừng lại ở mức tổng quan để người đọc có thể đưa ra được cái nhìn tổng thể cũng như hiểu rõ hơn về các hệ thống vô tuyến sẽ được triển khai trong tương lai Đây cũng là lý do tại sao em

chọn đề tài “Kiến trúc và mô hình truyền dẫn hệ thống mạng truy nhập vô

tuyến 6G”

Nội dung bài báo cáo gồm 4 Chương:

 Chương 1: Lý thuyết tổng quan

 Chương 2: Kiến trúc mạng vô tuyến hỗ trợ bởi UAV

 Chương 3: Kiến trúc mạng ARAN 6G

 Chương 4: Một số thách thức và xu hướng phát triển của mạng

ARAN 6G

CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 1.1 Quá trình phát triển của các thế hệ mạng thông tin vô tuyến

Hình 1: Quá trình phát triển và chức năng chính của mạng không dây qua

từng thế hệ

Với sự ra đời và phát triển nhanh chóng của mạng thông tin vô tuyến, các thế hệ di động được gọi tên tương ứng với từng giai đoạn phát triển của mạng

vô tuyến Hệ thống mạng di động thế hệ đầu tiên được gọi là 1G, 1G xuất hiện

ở khoảng cuối thế kỉ 19 và được thương mại hóa lần đầu tiên trên thế giới tại Nhật Bản vào năm 1979 1G được xem là mạng di động không dây cơ bản đầu tiên trên thế giới, người sử dụng có thể thực hiện nghe và gọi với nhau, hoạt động và sử dụng theo tiêu chuẩn của tín hiệu tương tự để điều chế Thách thức

ở đây là khi thương mại hóa rộng rãi và số lượng người dùng tăng lên một cách nhanh chóng thì các vấn đề về tăng số lượng kết nối cuộc gọi cùng lúc cũng như tăng dung lượng mạng cho hệ thống sẽ xảy ra Nhằm giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã bắt tay vào việc số hóa các hệ thống mạng không dây, thúc đẩy sự ra đời của mạng di động thế hệ thứ hai

Hệ thống mạng di động thế hệ thứ hai (2G), khác biệt rõ ràng so với 1G, 2G hoàn toàn sử dụng tín hiệu số thay cho tín hiệu tương tự, 2G mang lại rất nhiều

ưu điểm so với 1G Đầu tiên, các cuộc gọi thoại được mã hóa bằng kỹ thuật số, mang lại hiệu quả sử dụng phổ tần, cho phép một lượng nhiều người dùng trên cùng một phổ tần cũng như khoảng cách kết nối, tín hiệu số có thể được nén để truyền trên kênh với nhiều thuận lợi hơn, điều này cho phép nhiều cuộc gọi được kết nối cùng lúc trên cùng một kênh truyền có băng thông rộng, nhiễu cũng được giảm đi đáng kể Thứ hai, mọi dữ liệu bằng văn bản, hình ảnh như: SMS (Short Message Service), MMS (Multimedia Messaging Service) được

mã hóa và gửi đến người nhận, 2G sử dụng hệ thống số hóa nên công xuất phát

sẽ giảm thiểu đáng kể so với 1G, giúp tiết kiệm năng lượng hiệu quả hơn Các tiêu chuẩn công nghệ chủ yếu ở 2G như: TDMA (Time Division Multiple Access) là công nghệ đa truy cập theo miền thời gian, CDMA (Code Division Multiple Access) là công nghệ đa truy cập theo miền mã, GSM (Global System for Mobile Communications) hoạt động dựa trên công nghệ TDMA và cũng là công nghệ chính của 2G, IS-95, IS-136

Sau 2G là thế hệ di động thứ ba (3G) ra đời nhằm đáp ứng những nhu cầu tương ứng với sự phát triển của xã hội mà 2G chưa đáp ứng được Cụ thể là 3G cho phép truyền nhận những dữ liệu, hình ảnh, âm thanh ở chất lượng cao hơn 3G cung cấp cho người dùng dịch vụ đa phương tiện như âm nhạc hay video chất lượng cao, truyền hình số, games online, email, dịch vụ định vị toàn cầu như GPS (Global Positioning System), cho phép người dùng truy cập internet

ở tốc độ cao ngay cả khi họ đang di chuyển, gọi thoại video bắt đầu được sử dụng rộng rãi và phổ biến Người dùng có thể nói chuyện trực tiếp và nhìn thấy nhau theo thời gian thực nhờ vào các ứng dụng như zalo, viber, skype,… người dùng cũng có thể nghe nhạc hay xem phim bằng những tệp đã tải về trên điện thoại của họ Hai công nghệ chính của 3G là UMTS (Universal Mobile Telephone System) và CDMA2000

Mạng di động tiếp theo nối tiếp 3G được gọi là mạng di động thế hệ thứ tư (4G), 4G LTE (Long-Term Evolution) được gọi là tiêu chuẩn tương lai của các thiết bị không dây 4G cho phép người dùng truy cập mạng internet với tốc độ cao, công nghệ ở thế hệ 4G vượt trội hơn 3G rất nhiều Với tốc độ lên đến Gigabit, người dùng có thể dễ dàng truyền lên và tải xuống video hay hình ảnh tốc độ cao 4G mang lại trải nghiệm tuyệt vời với băng thông rộng hơn, tốc độ nhanh hơn, cung cấp các dịch vụ như truyền hình trực tuyến, các game online cao cấp, xem video phim ảnh HD, duyệt web ở tốc độ cao, video trực tuyến 4G LTE hỗ trợ chuyển mạch gói với mạng IP của nó, mang lại một hệ thống mạng có tốc độ truyền dữ liệu cao và ổn định Hiện nay 4G vẫn đang được sử dụng ở rất nhiều quốc gia trên thế giới, trong đó có Việt Nam

Tiếp đến mạng di động thế hệ thứ năm (5G), 5G có tốc độ truy cập internet nhanh gấp 100 lần so với 4G 5G được coi là chìa khóa giúp thế giới tiến tới vạn vật kết nối Internet (IoT), thời kì mà không chỉ điện thoại thông minh mà tất cả những thứ xung quanh con người như ngôi nhà, cái bóng đèn, cái quạt,… đều thông minh Không dừng lại ở đó, 5G mang lại sự ổn định về tốc độ nhằm phát triển các công nghệ, dịch vụ hiện đại như công nghệ thực tế ảo VR (Virtual Reality) , trí tuệ nhân tạo AI (Artificial Intelligence) 5G có thể mang lại những trải nghiệm tuyệt vời mà dường như chỉ nằm trong tưởng tượng trước đó Giờ đây với công nghệ VR, người dùng có thể cảm nhận thực tế theo từng góc nhìn hay cảm giác giống như thực Với 5G, việc xây dựng một trạm tín hiệu điều khiển xe ô tô không người lái không phải là quá khó khăn bởi nó đáp ứng được nhu cầu xử lý dữ liệu với tốc độ cao, điều này thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị không người lái Mở ra những bước ngoặt phát triển của nhiều ngành kinh tế khác, những ca mổ từ xa được các bác sĩ điều khiển từ xa thực hiện bằng robot được nghiên cứu và phát triển,… 5G mang lại rất nhiều ưu điểm so với các thế hệ di động trước đó, nó là thế hệ đầu tiên hỗ trợ các dải tần

số cao như sóng milimet lên đến hơn 10 GHz, với tốc độ dữ liệu cực cao, thế giới như bước vào một kỷ nguyên mới nếu thương mại hóa rộng rãi 5G Những công nghệ cốt lõi được sử dụng ở 5G như Massive MIMO, Beamforming, NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access), MRN(Motor Racing Network) Hiện nay 5G đã được thương mại hóa rộng rãi ở một số ít nước phát triển, phần lớn còn đang nghiên cứu và thử nghiệm Việt Nam cũng đang trong quá trình thử nghiệm triển khai ở quy mô nhỏ và hứa hẹn trong năm nay sẽ thương mại hóa rộng rãi Điều đáng nói là 5G đã rút ngắn chu kỳ 10 năm một thế hệ của các thế hệ di động trước đó Nó chỉ mất vài năm để phát triển, mang cả thế giới đến một thời kỳ công nghệ mới 5G đã thu hút rất nhiều sự quan tâm và được xem như là một công nghệ hỗ trợ đắc lực cho các ngành công nghiệp và cho sự phát triển của xã hội trong tương lai

1.2 Tiềm năng trong tương lai và một số công nghệ mới trong 6G

Trong khi tốc độ của mạng 5G chỉ đạt tối đa khoảng 20 Gbps thì 6G hướng đến mục tiêu tốc độ mạng lên đến hàng Terabit (Tbps), nhanh gấp vài nghìn lần tốc độ của 5G, không chỉ dừng lại ở mức độ vượt trội về tốc độ mà 6G còn hướng tới sự lấp đầy những thiếu sót mà 5G chưa đáp ứng được cho tương lai

[1] 5G tuy nhanh và mạnh nhưng còn khá hạn chế ở độ cao hay độ sâu dưới

mặt đất, mặt biển ở khoảng cách vài nghìn mét trở lên 6G hướng tới khắc phục những nhược điểm của 5G, cụ thể là sẽ hướng tới khả năng phủ sóng kết nối giữa mặt đất - mặt biển - không gian - khí quyển 6G mang lại độ tin cậy cực cao, đảm bảo được QoS (Quality of Service) cho một phạm vi sử dụng rộng rãi, giúp các kết nối từ xa mạnh mẽ hơn, khả năng cảm biến và định vị cực kì chính xác và nhanh chóng, cung cấp chức năng dò tìm các thiết bị nhanh chóng Hướng tới mục tiêu tiêu thụ điện năng cực thấp cũng như tối thiểu chi phí, cụ thể các thiết bị không cần thiết phải sạc pin truyền thống, các thiết bị được cấp

điện thông qua tín hiệu vô tuyến Cho phép truyền thông từ vệ tinh này sang vệ tinh khác Mục tiêu của 6G là tích hợp các loại mạng như mạng vệ tinh hình ảnh trái đất, mạng vệ tinh viễn thông và mạng vệ tinh định vị để cung cấp cho việc xác định vị trí mạng một cách nhanh chóng và chính xác nhất, các dịch vụ

đa phương tiện, kết nối mạng và dịch vụ thông báo thời tiết cho người dùng di động Với sự ra đời của công nghệ 6G thì nhân loại sẽ tiếp cận với bất kỳ nền văn minh nào trên trái đất lẫn vũ trụ 6G sẽ thúc đẩy phát triển AI dựa trên việc

sẽ tích hợp AI vào hệ thống của nó, tất cả các thành phần của mạng như các thiết bị vật lý, xử lý dữ liệu, tín hiệu, quản lý tài nguyên kết nối, dịch vụ sẽ đều được quản lý và vận hành bởi AI [2] Với các ưu điểm vượt trội của mình, 6G

mở ra cơ hội phát triển toàn diện các ngành công nghệ 4.0, số hóa mọi thứ Các ứng dụng tiềm năng nổi bật hứa hẹn sẽ được phát triển mạnh mẽ khi 6G phát triển rộng rãi như:

- Xã hội siêu thông minh (Super-Smart society): các mô hình nhà cửa thông minh với các thiết bị thông minh trong nhà đều có khả năng kết nối và điều khiển từ xa sẽ được phát triển rộng rãi và phổ biến, mang lại sự tiện nghi tối đa cho cuộc sống tương lai Các mô hình thành phố thông minh

sẽ được xây dựng với các hệ thống điều khiển tối ưu, các hệ thống giám sát khắp nơi trong thành phố nhằm tăng cao mức sống của con người Hệ thống giao thông thông minh trong tương lai nhằm phục vụ nhu cầu đi lại hiện đại cũng như giảm thiểu tai nạn giao thông với các mô hình ô tô tự lái, xe tự hành

- Thực tế ảo mở rộng - Extended reality (XR): XR được xem là bước phát triển tiếp theo của công nghệ thực tế ảo hiện nay như VR, AR, MR Với những lợi thế như băng thông rộng, tốc độ cực cao, độ ổn định, độ trễ thấp (mục tiêu 6G độ trễ tối đa chỉ 1ms), 6G sẽ là điều kiện tuyệt vời để phát triển các lĩnh vực mô phỏng 3D và được điều khiển bởi AI, cho phép người

dùng trải nghiệm các hình ảnh 3D, video trên 8K, game online 3D,… hứa hẹn sẽ mang lại những trải nghiệm thực tế nhất thông qua cả 5 giác quan của người dùng bằng các cảm biến công nghệ cao

- Tiến tới kỷ nguyên Internet của mọi vật (IoE): Mạng 6G sẽ đảm bảo nhu cầu kết nối và duy trì sự ổn định một số lượng cực lớn các thiết bị thông minh như máy tính, điện thoại thông minh, các, những thiết bị vật lý ,… Tất cả các thành phần như dữ liệu, các thiết bị, quy trình hoạt động và con người sẽ được tích hợp thành một thể thống nhất với nhau IoE sẽ là thành phần quan trọng và là yếu tố tiên quyết góp phần phát triển toàn diện các ngành công nghiệp thông minh, y tế thông minh,… cũng như góp phần xây dựng xã hội thông minh Thế giới dự kiến khi triển khai rộng rãi 6G

sẽ trở thành nơi mà tất cả mọi con người, mọi thông tin, hàng hóa sẽ có thể truy cập được ở bất kì đâu, bất kì thời gian nào với trạng thái siêu thực, mọi khoảng cách về địa lý cũng như thời gian sẽ được loại bỏ Xóa bỏ khoảng cách giữa nông thôn và thành thị, phân tán đồng đều sự phát triển của xã hội

- Giao diện não bộ máy tính BCI (Brain-Computer Interface): BCI được hướng đến sẽ hoạt động bằng cách tiếp nhận các tín hiệu từ não bộ và tiến hành số hóa, phân tích và phiên dịch thành các lệnh điều khiển các thiết bị thông minh BCI giúp người dùng có thể điều khiển các thiết bị thông minh trong nhà hoặc các thiết bị y tế,… mà không cần chạm vào bất kỳ thứ gì

Với những ưu thế vượt trội như đã nói ở trên, 6G hứa hẹn sẽ thay đổi hầu như mọi mặt của thế giới, mở ra một kỷ nguyên hoàn toàn mới Nơi mà tất cả mọi thứ đều “thông minh”, nơi mà những ứng dụng, những thiết bị hiện đại mà hiện tại hầu như chỉ xuất hiện trong trí tưởng tượng và mong muốn của chúng

ta sẽ được trải nghiệm trong tương lai khi 6G dự kiến triển khai ở năm 2030

1.3 Tổng kết chương 1

Qua quá trình phát triển của các thế hệ mạng thông tin vô tuyến, với những lợi ích mà 6G sẽ đem lại trong tương lai giúp cho mọi vật được kết nối và thông minh hơn

CHƯƠNG 2 KIẾN TRÚC MẠNG VÔ TUYẾN HỖ TRỢ BỞI UAV 2.1 Tổng quan UAV

UAV (Unmanned Aerial Vehicles) được hiểu là “Phương tiện bay không người lái” UAV được xem như một giải pháp thay thế để hỗ trợ cho hệ thống mạng vô tuyến ở những thế hệ tiếp theo bởi những lợi thế mà chúng có thể mang lại so với các trạm gốc ở mặt đất Cụ thể, UAV có thể được tích hợp như

là một trạm gốc bay nhằm cung cấp quyền truy cập cho các dịch vụ mạng Ngoài ra, UAV còn có thể được sử dụng để giúp các thiết bị IoT (Internet of Thing) trên mặt đất sạc pin khi chúng đã dùng hết năng lượng Rõ ràng, để UAV thực hiện tốt chức năng sạc cho một lượng lớn các thiết bị IoT thì chúng cần phải được trang bị các mô-đun thu năng lượng Trong nghiên cứu ở [3] đã hướng tới việc giải quyết các vấn đề về thu thập dữ liệu UAV hoạt động một cách thông minh, trong cùng một giai đoạn, nó vừa thu thập dữ liệu từ các thiết

bị IoT để thực hiện truyền đi và vừa khai thác các tín hiệu RF (Radio Frequency) được truyền bởi các thiết bị IoT nhằm trích xuất và thu hoạch năng lượng cho chính bản thân nó Các nhà nghiên cứu đã đưa ra những đề xuất cân bằng giữa thời gian thu hoạch năng lượng của các UAV với thời gian sạc lại pin của các thiết bị IoT Cùng với đó là nghiên cứu các quỹ đạo tối ưu nhằm đảm bảo các UAV có thể hoàn thành hành trình của chúng với thời gian ngắn nhất có thể, nhằm giải quyết vấn đề tiêu hao ít năng lượng nhất có thể và kéo dài tuổi thọ của mạng UAV mang lại rất nhiều lợi thế đối với mạng vô tuyến, UAV có thể giảm thiểu rất nhiều thiệt hại đối với các cơ sở hạ tầng của mạng

vô tuyến khi xảy ra thiên tai, thảm hoạ (động đất, lũ lụt, sóng thần, núi lửa,…) Ngoài ra, UAV còn tạo nên tính di động giúp giải quyết các vấn đề khẩn cấp một cách nhanh chóng, điều mà các thiết bị cố định ở mặt đất không thể nào đạt được

Trên thực tế, có rất nhiều loại UAV khác nhau, mặc dù chưa có một tiêu chuẩn nhất định nào để phân biệt Chúng thường được phân loại theo các tiêu chí khác nhau như trọng lượng, kích thước, độ bền, cấu tạo cánh, phương pháp cung cấp năng lượng, tốc độ tối đa, phạm vi bay, độ cao bay hay phương pháp

điều khiển, [4]

Dựa vào độ cao hoạt động, UAV được chia làm hai loại chính:

- Nền tảng độ cao tầm cao HAP (High Altitude Platforms) có thể hoạt động ở độ cao tầm cao hơn 10Km, HAP có thể hoạt động như các vệ tinh

ở độ cao rất thấp, nó cung cấp một vùng phủ sóng lớn với băng thông rộng HAP có độ bền lâu hơn và chúng được thiết kế để hoạt động lâu dài lên đến vài tháng Hơn nữa hệ thống HAP thường được ưu tiên để cung cấp mạng không dây với quy mô rộng và phạm vi phủ sóng cho các khu vực địa lý rộng lớn Tuy nhiên, HAP tốn chi phí và thời gian triển khai của chúng lâu hơn đáng kể so với LAP

- Nền tảng độ cao thấp LAP (Low Altitude Platforms) hoạt động ở độ cao thấp hơn, có thể bao phủ các khu vực với dung lượng lớn, sử dụng tốt phổ tần và năng lượng LAP có chức năng và hoạt động giống như một trạm gốc bay nhằm mục đích mở rộng phạm vi phủ sóng giúp cải thiện các dịch vụ di động trên mặt đất Ngoài ra, với tính di động của LAP, chúng dễ dàng thu thập hoặc cung cấp thông tin đến những nơi không thể tiếp cận, từ đó có thể thu thập hiệu quả các tín hiệu cảm biến từ các thiết bị IoT ở bất kì đâu (dưới nước, trên không trung, trong lòng đất,…) LAP có thể sẵn sàng sạc lại pin hoặc thay thế nếu cần thiết, có thể bay trong vài giờ

Dựa vào cấu tạo cánh, UAV được chia làm hai loại chính là:

- UAV cánh cố định: chẳng hạn như máy bay nhỏ để có thể bay lên và hạ cánh thì chúng cần phải có đường băng hoặc bệ phóng, bởi cấu tạo cánh

cố định nên việc lơ lửng ở một vị trí nhất định trên không là không thể Thời gian bay được trong vài giờ Nhưng loại UAV này có thể đạt tốc độ lớn hơn với quãng đường xa hơn và có thể mang tải trọng lớn hơn UAV cánh quay

- UAV cánh quay: chẳng hạn như máy bay trực thăng không người lái, mặc dù có tốc độ thấp hơn và mang tải trọng nhỏ và năng lượng hạn chế hơn UAV cố định, nhưng tính tiện lợi rất đáng chú ý UAV cánh quay

có thể cất cánh và hạ cánh thẳng đứng ở bất kỳ đâu và có thể bay lơ lửng

ở một vị trí nhất định trên không Thời gian bay chưa đầy một giờ bay Các UAV thường được thiết kế để đảm nhiệm các nhiệm vụ khác nhau một cách hiệu quả nhất tương ứng với từng đặc điểm tính chất và cấu tạo của chúng Các UAV thương mại hiện nay đang được trang bị pin lithium và lithium-ion, giúp cho UAV có thể hoạt động liên tục từ 20 đến 40 phút Đối với một UAV

có nhiệm vụ là một trạm vô tuyến ở thế hệ 6G thì rõ ràng chúng không đủ năng lượng để hoàn thành nhiệm vụ của chúng trong một chu kỳ (khoảng thời gian bắt đầu hoạt động cho đến khi hoàn thành nhiệm vụ) Bởi chúng không chỉ dùng năng lượng được nạp sẵn trong pin để di chuyển và thực hiện các chức năng phủ sóng, mà ở thế hệ tiếp theo chúng còn phải thực hiện sạc lại các thiết

bị IoT trong vùng hoạt động của chúng Với thời gian hoạt động bị hạn chế bởi nguồn năng lượng pin sạc sẵn, các UAV không thể hoàn thành nhiệm vụ của chúng Vậy nên ở bài báo [5] đã đưa ra các giải pháp, kỹ thuật thu hoạch năng lượng từ các nguồn năng lượng có sẵn trong tự nhiên như năng lượng mặt trời, năng lượng gió,…Với đặc tính mạng 6G được kết nối với hàng tỷ thiết bị với nhau và đặc biệt là công nghệ thu thập năng lượng từ các tín hiệu RF được dùng

để chuyển đổi thành năng lượng dùng tại mạng UAV Từ đó kéo dài tuổi thọ pin và đảm bảo các UAV có thể hoạt động xuyên suốt cả ngày Nguồn năng lượng mặt trời có thể được thu hoạch bởi các tấm pin mặt trời và chuyển đổi

thành điện sử dụng nạp cho pin của UAV Mặt khác năng lượng mặt trời chỉ có vào ban ngày mà các UAV cần được hoạt động xuyên suốt cả vào ban đêm nên cần phải có giải pháp nhằm thu hoạch một nguồn năng lượng khác cả vào ban đêm Một nguồn năng lượng khác được quan tâm đó là năng lượng từ môi trường xung quanh các tín hiệu RF (được gọi là RF-EH), chúng có nhiệm vụ như một nguồn năng lượng thay thế đáp ứng cho hoạt động cả ngày và đêm của UAV Hai nguồn năng lượng này đều có cùng mục đích là đảm bảo cho các UAV có thể vận hành liên tục, tránh tình trạng bị ngắt điện đột ngột

2.2 Mô hình truyền thông hỗ trợ bởi UAV

UAV có thể được sử dụng để đảm nhiệm các nhiệm vụ tương ứng trong các

mô hình truyền thông như:

Hình 2: Mô hình truyền thông hỗ trợ bởi UAV-BS

- UAV-BS (Base Station): UAV sở hữu các chức năng thiết yếu của một BS

thông thường, nhưng ở độ cao lớn hơn và linh hoạt hơn Được ứng dụng trong các trường hợp hỗ trợ phủ sóng không dây ở vùng sâu vùng xa, giảm

Laptop Laptop

Laptop

UAV-BS

Người dùng

tải lưu lượng tạm thời ở các địa điểm phát sóng di động, khôi phục dịch

vụ sau thảm họa, thiên tai

Hình 3: Mô hình truyền thông hỗ trợ bởi UAV-relay [6]

- UAV-relay: [6] Các UAV hoạt động như các nút trung gian trên không

nhằm thiết lập hoặc tăng cường kết nối không dây giữa người dùng hoặc nhóm người dùng có khoảng cách xa trên mặt đất Ứng dụng trong việc

mở rộng phạm vi phủ sóng di động, truyền dữ liệu lớn, ứng phó các hoạt động khẩn cấp và hoạt động quân sự, …

UAV-relay

Laptop

Người dùng

UAV

Hình 4: Mô hình truyền thông hỗ trợ bởi thiết bị IoT

- UAV thu thập dữ liệu và phổ biến thông tin: Các UAV được sử dụng làm

các điểm truy cập trên không AP (Associated Press) để phổ biến hoặc thu thập thông tin từ các nút trên mặt đất Được ứng dụng trong mạng lưới truyền thông IoT và mạng lưới cảm biến không dây hỗ trợ bởi UAV

Dựa trên cách thức hoạt động UAV được chia thành 2 loại như hình 5: bán

tĩnh và di động Loại UAV bán tĩnh được triển khai ở một vị trí gần như nhất định trong một khoảng thời gian dài, chúng có ưu thế về mặt triển khai hoạt động hơn do trong thực tế chúng có thể được gắn với các phương tiện trên mặt

đất, mang lại độ ổn định cao cũng như có thể cung cấp năng lượng một cách dễ dàng hơn Các UAV di động di chuyển trên không để phục vụ người dùng trên mặt đất, do đó chúng linh hoạt hơn trong việc triển khai và di chuyển để đáp ứng nhu cầu liên lạc, nhưng chúng gặp một số khó khăn nhất định chẳng hạn như việc tối ưu hóa quỹ đạo bay hay nguồn cung cấp năng lượng của chúng

Do đó, tùy thuộc vào ứng dụng và nhu cầu mà loại UAV có thể được lựa chọn tương ứng Đối với trường hợp thiết kế hệ thống và tìm ra vị trí triển khai UAV trong các nền tảng sử dụng UAV tĩnh, vấn đề quan trọng trong việc thiết kế hệ thống này là tìm ra vị trí đặt UAV để đạt được hiệu suất liên lạc tốt nhất Không giống như các BS truyền thống, UAV-BS được triển khai với độ cao linh hoạt

Độ cao tối ưu của các UAV-BS phụ thuộc vào môi trường lan truyền cũng như anten được trang bị Vấn đề tìm ra độ cao tối ưu cho UAV là không hề dễ dàng, bởi khi độ cao tăng lên, các chướng ngại vật sẽ ít đi, do đó các liên kết sẽ bị ảnh hưởng nhiều hơn bởi các thành phần LoS (Line of Sight) Tuy nhiên lợi ích

từ việc có được liên kết LoS mạnh hơn hầu như không thể bù đắp được cho vấn

đề suy hao đường dẫn cho khoảng cách liên kết tăng lên Các các nền tảng sử dụng UAV di động cung cấp thêm DoF thông qua việc tối ưu hóa quỹ đạo UAV

để cải thiện hiệu suất liên lạc Các liên kết truyền thông trên mặt đất của UAV thường chứa liên kết LoS mạnh, giúp dự đoán kênh dễ dàng hơn và tạo điều kiện tối ưu hóa quỹ đạo ngoại tuyến

Trong tương lai, để hỗ trợ thông tin liên lạc không dây băng thông rộng trong một vùng địa lý rộng lớn, một nhóm các UAV sẽ được kết nối thành mạng ad-hoc bay FANETs (Flying Ad Hoc Network) và sẽ được thiết lập kết nối với các thiết bị trên mặt đất Truyền thông UAV thể hiện các thuộc tính như:

- Mạng bầy đàn UAV: Một nhóm các UAV sẽ tạo thành một mạng đa UAV

có thể mở rộng kết nối cho người dùng ở mặt đất Nhờ vào tính linh hoạt

và khả năng cung cấp dịch vụ nhanh chóng, mạng đa UAV được xem là

một trong những giải pháp hiệu quả nhằm khôi phục kết nối dịch vụ khi xảy ra sự cố hoặc mở rộng liên lạc

- Khả năng triển khai động: với tính linh hoạt của mình, UAV rõ ràng có

thể đáp ứng nhu cầu triển khai động một cách nhanh chóng và hiệu quả, hạn chế tối đa sự ảnh hưởng của những thay đổi môi trường Mặt khác, UAV được triển khai trên không, do đó giải quyết được vấn đề lựa chọn, thuê địa điểm để triển khai BS, cắt giảm chi phí xây dựng các tháp BS và cáp kết nối

- Liên kết tầm nhìn: các UAV được triển khai trên không tạo điều kiện kết

nối những người dùng trên mặt đất thông qua liên kết tầm nhìn (LoS), giúp kết nối truyền tin tin cậy ở khoảng cách xa, các UAV cũng có thể điều chỉnh tọa độ, vị trí bay của chúng để duy trì chất lượng của các kết nối Trong thực tế, các UAV bị ràng buộc nghiêm ngặt bởi kích thước, trọng lượng, sức mạnh và chúng tác động không nhỏ đến độ cao hoạt động, khả năng liên lạc, phạm vi hoạt động, mức độ hao tốn năng lượng của UAV Các mạng không dây ở thế hệ 5G trong tương lai và cả 6G dự kiến sẽ thể hiện sự không đồng nhất về cơ sở hạ tầng và tài nguyên nhằm cung cấp các dịch vụ đa dạng

và kết nối số lượng lớn các thiết bị khác nhau Các nghiên cứu gần đây đang hướng tới việc sử dụng các kỹ thuật truyền thông đa dạng như MIMO, mmWave, NOMA, CR, D2D, … nhằm cải thiện hiệu suất và giảm tiêu hao năng lượng

2.3 UAV tích hợp mạng không gian - trên không - mặt đất

Nhằm đáp ứng các dịch vụ IoT đa dạng với một số yêu cầu chất lượng khác nhau đối với một số khu vực khác nhau trong thực tế Các mạng ở mặt đất được triển khai dày đặc có thể hỗ trợ truyền thông tốc độ cao trên mặt đất, các mạng

vệ tinh cung cấp phạm vi phủ sóng rộng và đảm nhiệm việc kết nối liền mạch tới những khu vực xa xôi và thưa thớt Kiến trúc tổng thể của mạng ba lớp: lớp

không gian, lớp trên không, trên mặt đất Các UAV được triển khai để thiết lập một mạng lưới UAV đa tầng, các phân đoạn khác nhau có đặc điểm khác nhau chẳng hạn như các thiết bị mạng đa dạng với các chức năng khác nhau, các tiêu chuẩn truyền thông khác nhau, giao diện điều khiển và giao tiếp của các bộ điều khiển SDN (Software-Defined Networking) tương ứng khác nhau ở từng giai đoạn

HAP

Trung Tâm Điều Khiển SDN

Hình 6:UAV tích hợp mạng không gian - trên không - mặt đất [7]

Ở mạng không gian, các vệ tinh ở các quỹ đạo có thể tạo thành một mạng toàn cầu dựa trên mạng không gian thông qua các liên kết giữa các vệ tinh, do

đó sử dụng các kỹ thuật truyền đa đường hoặc phát sóng để cải thiện dung lượng mạng Các kết nối giữa vệ tinh với UAV và vệ tinh với mặt đất được thiết lập, tạo nên mạng lưới phủ sóng toàn cầu Trên cơ sở đó, có thể dễ dàng triển khai các dịch vụ như cứu hộ khẩn cấp, quan sát, điều hướng, định vị và đặc biệt là liên lạc Trong tương lai, trái đất có thể sẽ được bao quanh bởi một lượng lớn các vệ tinh khi thế hệ mạng tiếp theo được triển khai Mặt khác, các kết nối dữ

liệu giữa vệ tinh với mặt đất phải chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố như mất đường

do khoảng cách xa, không gian lớn và ảnh hưởng bởi sự suy giảm tầng đối lưu

Để khắc phục điều này, bắt buộc phải sử dụng các băng tần cao để cung cấp các dịch vụ yêu cầu độ trễ thấp Liên kết giữa vệ tinh với các UAV cũng là một phần quan trọng để xây dựng mạng lưới tích hợp Liên kết giữa chúng chủ yếu dựa vào liên kết LoS và các nghiên cứu cho thấy nó bị suy giảm đáng kể khi sử dụng băng tần Ka trở lên Các UAV có thể giao tiếp với các vệ tinh ở các quỹ đạo khác nhau thông qua quá trình điều hướng của chúng Vì thế, để duy trì kết nối với vệ tinh, các UAV phải thay đổi điều hướng liên tục, điều này gây ảnh hưởng lên chùm tia không gian hướng đến liên kết giữa UAV với vệ tinh

Ở mạng trên không, một lượng lớn các UAV, khinh khí cầu có thể hoạt động

và bị hạn chế ở các độ cao khác nhau bởi các ràng buộc SWAP Một UAV sẽ được trang bị một bộ thu phát để có thể cung cấp khả năng truy cập internet linh hoạt cho một nhóm các thiết bị trên mặt đất (gọi là một cell) Kích thước của cell phụ thuộc vào độ cao hoạt động, công suất truyền, vị trí của UAV Ngoài ra, một nhóm các UAV có thể được kết nối với nhau bằng các liên kết thiết lập giữa các UAV với nhau để hợp tác cung cấp dịch vụ Thông qua đó các UAV có thể trao đổi các thông tin điều khiển để tránh va chạm, tính toán đường bay và gửi các dữ liệu này đến các thiết bị di động đang truy cập Các UAV đều được trang bị các giao diện vô tuyến không đồng nhất để có thể giao tiếp với vệ tinh hoặc thiết lập kết nối với các mạng khác

Trên mặt đất, mạng truy nhập vô tuyến không đồng nhất bao gồm các cell lớn và các cell nhỏ phục vụ các thiết bị như điện thoại di động, phương tiện giao thông tự lái và các thiết bị IoT,… điều này sẽ tạo ra một hệ thống mà các công nghệ đột phá cùng tồn tại đầy hứa hẹn như: băng tần mmWave, thu năng lượng, truyền NOMA, truyền thông D2D, Ngoài ra, các thiết bị di động với khả năng tính toán ngày càng thông minh góp phần hình thành điện toán biên

di động MEC (Mobile Edge Computing), giúp các UAV có hoàn thành quá trình tính toán các tác vụ trong khi các bo mạch hoàn thành các nhiệm vụ này

Có hai loại kênh truyền dẫn ở kết nối giữa trên không và mặt đất là liên kết dữ liệu LoS (được dùng để truyền trực tiếp dữ liệu từ UAV về trạm điều khiển mặt đất GCS (Glasgow Coma Scale)) và liên kết dữ liệu vệ tinh

2.4 Những kỹ thuật sử dụng trong truyền thông hỗ trợ bởi UAV

Macro BS

backhaul

backhaul

UAV Core network

Như Hình 7 mô tả một mô hình hệ thống truyền thông trong đó các UAV

hoạt động như một trạm gốc bay (UAV-BS), các UAV được trang bị các trọng tải đa dạng để có thể nhận, xử lý và truyền tín hiệu Nó có chức năng bổ sung cho các hệ thống vô tuyến có sẵn bằng việc cung cấp thêm dung lượng cho điểm phát sóng tại các khu vực có sự kiện, … Ngoài ra, các UAV có thể củng

cố cơ sở hạ tầng mạng trong các tình huống khẩn cấp hoặc trong trường hợp hệ thống mạng trên mặt đất hư hỏng hoặc tê liệt hoàn toàn Các kỹ thuật ở lớp vật

lý như băng tần mmWave, mạng truyền dẫn NOMA, mạng UAV nhận thức, …

Kỹ thuật lớp mạng như: HetNets, truyền thông D2D, kiến trúc SDN, … được quan tâm vì chúng có thể cải thiện hiệu suất của hệ thống mạng vô tuyến trong tương lai

2.4.1 Truyền thông mmWave sử dụng UAV

Truyền thông mmWave (millimeter-Wave) có thể tận dụng một lượng lớn tài nguyên phổ không được cấp phép ở dài tầng 30-300GHz [7] Do

đó có thể giúp các UAV xử lý một lượng khổng lồ các loại dữ liệu khác nhau như thại, video và các tệp nặng khác ở băng thông cao Mạng di động mmWave hỗ trợ bởi UAV lợi thế hơn so với mạng di động mmWave thông thường với BS cố định ở chỗ các UAV - BS có tính di động cao, có thể di chuyển xung quanh, nhưng còn mắc phải một số thách thức ở việc xác định vị trí của UAV so với các thiết bị người dùng hay việc định dạng chùm tia sao cho hiệu quả hơn trong bối cảnh chuyển động của UAV, sử dụng đa truy nhập phân chia theo vùng không gian mmWave nhằm cải thiện dung lượng mạng Trong hệ thống liên lạc mmWave với bước sóng ngắn, UAV như một relay di động là rất cần thiết, nhưng trong ứng dụng thực tế thì việc tự động tìm ra vị trí relay tối ưu là một thách thức lớn Nhằm giải quyết thách thức này, đưa ra phương pháp chuyển tiếp UAV mới chuyên sử dụng cho liên lạc mmWave trong đó UAV chuyển tiếp được sử dụng để đo lường chất lượng liên kết thời gian thực và vị trí trên không được thiết kế phù hợp Một phương pháp nữa được đề xuất trong là theo dõi kênh cho hệ thống liên lạc mmWave UAV MIMO, hệ thống liên lạc và điều khiển tạo thành một mô hình kênh 3D xây dựng như một chức năng thông tin trạng thái chuyển động của UAV