hệ thống thông tin di động 5g tìm hiểu công nghệ 5g và ứng dụng

Nguyên nhân, cho dù sự tăng vọt về doanh số bán hàng của các loại điện thoại thông minh smartphone và máy tính bảng tablet đồng nghĩa với khối lượng dữ liệu ngày càng lớn, nhưng chỉ có m

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH ẢNH iii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT v

LỜI NÓI ĐẦU x

CHƯƠNG 1: QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1

1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) 2

1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) 3

1.3 Hệ thống thông tin di động 2,5G 5

1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) 7

1.5 Hệ thống thông tin di động tiền 4G (pre-4G) 9

1.6 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G) 11

1.7 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ năm (5G) 12

CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G 15

2.1 Kiến trúc hệ thống 5G 15

2.1.1 Mạng truy nhập vô tuyến đám mây C-RAN 16

2.1.2 Mạng di chuyển MN 18

2.1.3 Truyền thông D2D 19

2.2 Mạng lõi Nano 21

2.2.1 Công nghệ Nano 22

2.2.2 Điện toán đám mây 30

2.2.3 Mạng All IP 32

2.3 Các lớp mạng 33

2.3.1 Lớp Kiến trúc không dây mở (OWA – Open Wireless Architecture) 34

2.3.2 Lớp mạng (Network Layer) 34

2.3.3 Lớp Giao thức vận chuyển mở (OTP – Open Transport Protocol) 35

2.3.4 Lớp ứng dụng (Application layer) 36

2.4 Kỹ thuật truyền dẫn 36

2.4.1 Dạng sóng 36

2.4.2 Điều chế 39

2.4.3 Ghép kênh 40

2.4.4 Đa truy nhập 42

2.4.5 Anten 47

2.5 An ninh mạng trong hệ thống thông tin di động 5G 51

2.5.1 Thiết bị người sử dụng UE 51

2.5.2 Mạng truy nhập 54

2.5.3 Mạng lõi 59

2.5.4 Các mạng IP bên ngoài 61

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG VÀ TRIỂN KHAI HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G 63

3.1 Mạng không dây “thực sự” 63

3.2 Triển khai hệ thống thông tin di động 5G 66

3.2.1 Những thách thức phải đối mặt 66

3.2.2 Thực tế triển khai hệ thống thông tin di động 5G 67

KẾT LUẬN 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO xii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

1.1 Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động 1 1.2 Khối khả năng của hệ thống 5G trong tương lai 13

2.5 Các trường hợp can thiệp lẫn nhau trong truyền thông D2D 21

2.8 Morph – Khái niệm công nghệ cho tương lai 24

2.18 So sánh các phương thức điều chế 42 2.19 Đa truy nhập phân chia theo búp sóng BDMA 43

2.25 Mô hình kênh MIMO cơ bản với Nt Anten phát và Nr Anten

2.27 Mô hình Cell sử dụng Anten Massive MIMO 50

3.4 Địa điểm thử nghiệm tại Thành Đô (Trung Quốc) 68

3.5 SK Telecom và Nokia hợp tác thành lập “Trung tâm nghiên cứu

3.6 Một địa điểm triển lãm của Verizon tại MWC 2015 69

Identifier

Số nhận dạng mạng vô tuyến

Cell tạm thời

D

D2D Divice to Divice Communication Truyền thông Thiết bị - Thiết bị

DDoS Distributed Denial of Service Từ chối dịch vụ phân tán

DPC Dirty Paper Coding Mã hóa “tờ giấy bẩn”

DRX Discontinuous Reception Thu nhận không liên tục

DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số

DUE D2D User Equipment Thiết bị người sử dụng dùng

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

cao

I

IEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers

Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử

IMT International Mobile

Telecommunications

Viễn thông di động quốc tế

IoE Internet of Everything Internet của mọi thứ

ISDN Integrated Services Digital

M

MAC Medium Access Control Lớp điều khiển truy cập môi

trường METIS Mobile and wireless

communications Enablers for Twenty-twenty (2020) Information

Society

Thông tin di động và truyền thông không dây ứng dụng vào

năm 2020

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

MITM Man In The Middle Tấn công man-in-the-middle

MMS Multimedia Messaging Service Dịch vụ tin nhắn đa phương tiện

Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần

số trực giao OSI Open Systems Interconnection

Reference Model

Mô hình tham chiếu kết nối các

hệ thống mở OTP Open Transport Protocol Giao thức vận chuyển mở OWA Open Wireless Architecture Kiến trúc không dây mở

P

PAPR Peak-to-Average Power Ratio Tỉ số công suất đỉnh trung bình

Q

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương

S

SDMA Space Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

không gian

SIC Successive Interference

Cancellation

Hủy bỏ sự can thiệp liên tục

SIM Subcriber Indentification Module Mô-đun nhật thực thuê bao SMS Short Message Service Dịch vụ tin nhắn ngắn

thời gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời

gian

U

UFMC Universal Filtered Multi-Carrier Đa sóng mang lọc toàn bộ UMB Ultra Mobile Broadband Băng thông rộng siêu di động

Telecommunications System

Hệ thống viễn thông di động

toàn cầu

W

WCDMA Wideband Code Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

băng rộng WiMax Worldwide Interoperability for

Microwave Access

Tương tác toàn cầu bằng truy

nhập viba

LỜI NÓI ĐẦU

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 thông minh (smartphone) và máy tính bảng (tablet) đồng nghĩa với khối lượng dữ liệu ngày càng lớn, nhưng chỉ có một phần nhỏ là do lượng truy cập của các thiết bị này, còn lại phần lớn là do lượng thông tin từ việc kết nối các “vật thể” với nhau, ví dụ như tivi, đồng hồ,

đồ gia dụng, máy điều nhiệt và thậm chí cả khóa cửa , tất cả đều sẽ được số hóa, người

sử dụng có thể thực hiện kết nối, giao tiếp, điều khiển chúng mọi lúc mọi nơi

Ưu điểm của mạng 4G là tải được khối lượng dữ liệu lớn và phức tạp hơn so với các

hệ thống di động trước, tuy nhiên, với tốc độ phát triển công nghệ chóng mặt như hiện nay thì chỉ vài năm nữa, công nghệ 4G cũng không thể đáp ứng được Tại Đại hội thế giới di động 2012 - Mobile World Congress 2012 (MWC 2012) được tổ chức ở Barcelona - Tây Ban Nha vào tháng 2 vừa qua, chủ tịch Google, Eric Schmidt đã vẽ ra một viễn cảnh, các robot sẽ đi dự các hội nghị và truyền về video HD qua mạng không dây, AT&T, Qualcomm, Sony và Intel sẽ tạo ra một "ngôi nhà kết nối", nơi mà thậm chí

cả quần áo cũng có thể truyền các tín hiệu Vì thế mạng không dây cần phải hiểu được tính năng của từng loại thiết bị và biết phải đáp ứng nó như thế nào

Đây là một khó khăn thực sự cho các nhà mạng, điều này đòi hỏi ngành công nghiệp

di động thế giới cần phát triển một mạng thông minh có thể xử lý được hàng tỉ kết nối

mà vẫn ổn định và có chất lượng dịch vụ tốt, đáng được mong đợi hơn Chính vì vậy việc ra đời một thế hệ thông tin di động mới 5G là điều sẽ diễn ra trong tương lai không

xa Và đây cũng lý do mà em chọn đề tài “TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ 5G VÀ ỨNG

DỤNG” làm đề tài cho bài báo cáo tốt nghiệp Bài báo cáo sẽ nêu ra những yêu cầu đặt

ra của một hệ thống thông tin di động 5G cùng với đó là những kỹ thuật tiên tiến mới được xem là ứng viên sáng giá trong việc xây dựng và triển khai cho hệ thống này trong tương lai

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: Ứng dụng và triển khai hệ thống thông tin di động 5G

Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè

Em xin gửi lời cảm ơn đến 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 TS Huỳnh Nguyễn Bảo Phương đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ em

hoàn thành tốt đồ án đúng thời hạn

Tuy nhiên, do hạn chế về mặt thời gian cũng như năng lực bản thân nên nội dung của

đồ án không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong thấy cô giáo và các bạn quan tâm

và đóng góp ý kiến thêm để đồ án này được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Quy nhơn, ngày tháng năm 2015

Sinh viên thực hiện

Đặng Anh Khoa

CHƯƠNG 1 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN

DI ĐỘNG

Giới thiệu chương: Chương này sẽ trình bày lịch sử phát triển của hệ thống

thông tin di động trên thế giới Cho cái nhìn tổng quan tiêu chuẩn, ưu nhược điểm của các thế hệ thông tin di động hiện đã được phát triển trên thế giới Đồng thời chương này cũng đề cập cập đến các yêu cầu đặt ra của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 5 (5G)

Hệ thống thông tin di động là hệ thống liên lạc thông qua sóng điện từ, tại đó người dùng có thể vừa liên lạc, vừa di chuyển được Các dịch vụ điện thoại di động xuất hiện vào đầu những năm 1960 và phát triển không ngừng cho đến thời điểm hiện tại Cứ trung bình một thập kỷ, chúng ta sẽ chứng kiến sự xuất hiện của một thế hệ thông 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 vụ thoại 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 vụ thoại, dữ liệu và đa phương tiện với tốc độ cao Thế hệ 4G được thương mại hóa vào những năm 2012 trở đi, cung cấp các dịch vụ truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn thế hệ 3G 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 cho từng 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 các công nghệ truyền dẫn tương tự để truyền tín hiệu thoại, sử dụng phương thức đa truy nhập 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 hệ thống được phát triển trước, sử dụng dải tần 450MHz và NMT-900 được phát triển sau với 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 sử dụng 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 kỹ thuật

số Thông tin di động 2G sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA và đa truy nhập phân chia theo mã CDMA Các kỹ thuật này cho phép sử dụng tài nguyên băng thông hiệu quả hơn nhiều so với 1G Hầu hết thuê bao di động hiện 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 –

13 kb/s

 Các hệ thống GSM phổ biến:

- GSM 900: có dải tần cơ bản (890 – 960)MHz Trong đó:

+ Đường lên: (890 – 915)MHz

+ Đường xuống: (935 – 960)MHz

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:

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 là AMPS (Digital – Advanced Mobile Phone System), sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA), có tốc độ dữ liệu lên đến 30 kb/s

D-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 mỗi hướng 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 hệ thống 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 tăng dung 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 động 2G Sự nâng cấp này đôi khi được coi là sự chuẩn bị để tiến tới hệ thống thông tin di động 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 dữ liệu 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 có tốc độ dữ liệu

từ 14,4 kb/s đến 115 kb/s nhưng theo lý thuyết thì GPRS có thể cung ứng tốc độ dữ liệu lên đến 171,2 kb/s GPRS là một giải pháp chuyển mạch gói Đây cũng là một bước đệm trong quá trình chuyển từ thế hệ 2G lên 3G của nhà cung cấp dịch 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 được nâng 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 độ cao Trên quá trình tiến đến 3G, EDGE được biết đến như một công nghệ 2.75G

thương mại của 1x mới chỉ cho phép tốc độ đỉnh lên tới 153,6 kb/s Cũng giống như 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 (International Telecommunication 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 thời tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sự phát triển liên tục của thông tin di động

Nhiều tiêu chuẩn cho IMT-2000 đã được đề xuất, trong đó có hai hệ thống WCDMA

và CDMA-2000 đã được ITU chấp nhận và được đưa vào hoạt động vào những năm đầu của thập kỷ 2000 Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access) Điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn cầu cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin di động 3G

 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 chia theo

mã băng rộng WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) UMTS được chuẩn hóa bởi 3GPP (3rd Generation Partnership Project) WCDMA UMTS là công nghệ 3G được lựa chọn bởi hầu hết các nhà cung cấp dịch vụ GSM/GPRS để đi lên 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 và HSUPA 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 đạt tầm 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 Upload thông 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 công nghệ cao gồm các chuẩn: CDMA2000 EV-DO (Evolution – Data Optimized) và CDMA2000 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 sử dụng 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 và đặc biệt có thể đẩy tốc độ đường lên đến 1,2 Mb/s Bên cạnh đó, 1xEV-DO Rev B cho phép 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 307 Kb/s cho đường lên Tuy nhiên từ năm 2005, Qualcomm đã dừng vô thời hạn việc phát triển của 1xEV-DV vì đa phần các nhà cung cấp mạng CDMA như Verizon Wireless hay 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 Communications Standards Accociation) và được ITU duyệt vào năm 1999 Đây là chuẩn 3G của Trung Quốc, dùng kỹ thuật song công TDD (Time Division Duplex) TD-SCDMA có thể hoạt động trên một dải tần hẹp 1,6MHz (cho tốc độ 2 Mb/s) hay 5MHz (cho tốc độ 6 Mb/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 Microwave Access), UMB (Ultra Mobile Broadband)

 3GPP LTE

3GPP LTE là hệ thống tiếp theo cần hướng tới của hệ thống mạng không dây 3G dựa trên công nghẹ di động GSM/UMTS, và là một trong những công nghệ tiềm năng nhất 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 đa phương 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 với tốc độ truyền dữ liệu của công nghệ HDSPA Do đó công nghệ này cho phép sử dụng các 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 giao OFDMA (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 kênh đường 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 sử dụng cho dịch vụ thoại

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

cơ sở hạ tầng mạng

 WiMax

WiMax là hệ thống truy nhập vi ba có tính tương thích toàn cầu dựa trên cơ sở tiêu chuẩn IEEE 802.16 do Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử IEEE (Institute of Electrical and 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 rộng điểm – đa điểm PMP (Point – MultiPoint) về giao diện vô tuyến bao gồm: Lớp điều khiển 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 độ cao 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 75 Mb/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 hệ thống 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 chiếm dụng 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 công nhận

là hệ thống thông tin di động 4G, đó là: LTE-Advanced (được phát triển bởi 3GPP) 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, không chỉ là truy cập băng rộng, dịch vụ tin nhắn đa phương tiện (MMS), chat video, TV di động 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 có thể 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 2 năm 2013, ba tổ chức của Trung Quốc là: Bộ Công nghiệp và Công nghệ Thông tin MIIT, Ủy ban Phát triển và Cải cách Quốc gia NDRC và Bộ Khoa học và Công nghệ MOST đã cùng nhau hợp tác thành lập nhóm “IMT-2020 (5G) Promotion” dựa trên nền tảng của nhóm “IMT-Advanced Promotion” nhằm hướng đến việc xây dựng và phát 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

Hình 1.2 Khối khả năng của hệ thống 5G trong tương lai

- 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 quá trình 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

o Mạng di động MN

o Truyền thông D2D

Kết luận chương: Hệ thống 5G trong tương lai sẽ đem lại cho người sử dụng

những trải nghiệm hoàn toàn mới về chất lượng dịch vụ, nơi mà chúng ta có thể kết nối với mọi vật xung quanh mọi lúc, mọi nơi Mạng 5G sẽ là một mạng lưới hoàn chỉnh cho mạng di động không dây, hướng đến một thế giới không dây “thực sự”, một thế giới Internet of Everything (IoE)

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

Giới thiệu chương: Chương này sẽ đề cập đến kiến trúc của hệ thống thông tin

di động thế hệ thứ 5 (5G) và các công nghệ, kỹ thuật truyền dẫn mới được cho là ứng viên cho việc phát triển hệ thống này Đồng thời, chương này cũng đề cập đến những vấn đề về an ninh mạng mà hệ thống 5G trong tương lai có thể phải đối mặt

2.1 Kiến trúc hệ thống 5G

Hình 2.1 Kiến trúc hệ thống 5G (Nguồn: METIS)

Năm 2012, Ủy ban Châu Âu (European Commission) đã chi ra 50.000.000 triệu Euro

để đầu tư vào nghiên cứu việc triển khai hệ thống thông tin di động 5G vào năm 2020

Đã có nhiều dự án được đề xuất, nhưng trong đó, nổi bật nhất là dự án METIS (Mobile

and wireless communications Enablers for Twenty-twenty (2020) Information Society) Mục tiêu của dự án là xây dựng nền tảng cho một hệ thống thông tin di động và không dây trong tương lai METIS đã cung cấp kiến trúc cùng với những công nghệ cần thiết

để có thể triển khai hệ thống 5G

Theo dự án METIS, hệ thống 5G sẽ được xây dựng dựa trên kiến trúc Mạng truy nhập

vô tuyến đám mây C-RAN (Cloud Radio Access Network) Kiến trúc hệ thống 5G vẫn

sử dụng phủ sóng phân chia theo các Cell, bao gồm các trạm gốc (BS) được trang bị Anten Massive MIMO để quản lý các MacroCell, trong các MacroCell sẽ được phân chia ra nhiều Cell nhỏ được quản lý thông qua các Node mạng Bên cạnh đó, hệ thống 5G còn phát triển một số công nghệ mới như Mạng di chuyển MN (Moving Network), Truyền thông D2D (Divice to Divice Communication),…

Các trạm BS với Anten Massive MIMO đóng vai trò như các điểm truy nhập hỗ trợ cho mạng C-RAN giao tiếp với các mạng truy nhập cơ bản (2G/3G/4G) Hơn nữa, trong

hệ thống 5G, các User còn có thể phối hợp với nhau tạo thành các mảng của Anten Massive MIMO ảo, các mảng Anten Massive MIMO ảo này kết hợp với Anten tại các Node truy nhập ở các Cell nhỏ tạo ra những liên kết Massive MIMO, làm tăng hiệu quả truyền dữ liệu của hệ thống

2.1.1 Mạng truy nhập vô tuyến đám mây C-RAN

C-RAN là một kiến trúc được đề xuất cho các mạng di động trong tương lai Nó lần đầu tiên được giới thiệu bởi Viện nghiên cứu di động Trung Quốc (China Mobile Research Institute) vào tháng 4 năm 2010 tại Bắc Kinh, Trung Quốc Một cách dễ hiểu, C-RAN là một kiến trúc mạng truy cập vô tuyến được xây dựng dựa trên điện toán đám mây để hỗ trợ cho 2G, 3G, 4G và các chuẩn truyền thông không dây khác trong tương lai

Kiến trúc mạng truy cập vô tuyến thông thường được xây dựng dựa trên các trạm thu phát gốc BTS (Base Tranceiver Station) Mỗi trạm BTS sẽ quản lý một khu vực nhỏ, và một nhóm BTS sẽ đảm bảo phủ sóng liên tục trong một khu vực Do hạn chế về tài nguyên phổ, các nhà cung cấp mạng đã “tái sử dụng” các tần số giữa các BTS khác nhau,

vì vậy gây ra hiện tượng can nhiễu giữa các Cell lân cận Bên cạnh đó, kiến trúc này còn

có nhiều nhược điểm khác như:

- Việc xây dựng và vận hành các trạm BTS khá tốn kém

- Khó nâng cao dung lượng hệ thống: khi đưa thêm nhiều BTS vào hệ thống để gia tăng dung lượng, sự can nhiễu giữa các BTS còn nghiêm trọng hơn trường hợp “tái sử dụng” tần số

- Khả năng xử lý của mỗi BTS không thể chia sẽ cho các BTS khác, vì vậy mà BTS chỉ đáp ứng được khả năng xử lý lưu lượng tối đa chứ không đáp ứng được khả năng xử lý lưu lượng trung bình của hệ thống, dẫn đến việc lãng phí tài nguyên xử lý và năng lượng trong thời gian rỗi của các BTS

Tuy nhiên, hệ thống BTS trong C-RAN lại khác Các BTS trong C-RAN là sự áp dụng những kỹ thuật tiên tiến trong hệ thống thông tin không dây, thông tin quang và công nghệ thông tin như: sử dụng loại Anten thông minh mới, các công nghệ điều chế, ghép kênh đạt hiệu quả cao, sử dụng sóng milimet trong quá trình truyền dẫn… BTS trong C-RAN còn tận dụng được nền tảng mở và công nghệ ảo hóa thời gian thực của điện toán đám mây để đạt được khả năng phân bổ tài nguyên một cách linh động hỗ trợ không nhỏ cho các nhà cung cấp, các môi trường đa công nghệ

Hình 2.2 Sự thay đổi từ RAN sang C-RAN

2.1.2 Mạng di chuyển MN

Trong các mạng thông tin không dây tương lai, một số lượng lớn truy cập của người

sử dụng sẽ đến từ các phương tiện đi lại (như ô tô, xe bus, tàu lửa,…) Vì vậy, một giải pháp đã được đề ra, đó là triển khai một hoặc một vài Điểm chuyển tiếp di động MRN (Moving Relay Node) trên các phương tiện đi lại để hình thành một Cell di động riêng của phương tiện đó, đây gọi là mạng di chuyển MN

Bằng việc sử dụng Anten thích hợp, một MRN có thể giảm hoặc thậm chí là loại bỏ được suy hao xuyên qua (penetration loss) xe cộ, loại suy hao mà ảnh hưởng tương đối lớn đến quá trình giao tiếp của hệ thống Hơn nữa, các điểm MRN có thể khai thác tốt các công nghệ Anten thông minh cũng như phương thức xử lý tín hiệu tiên tiến khác nhau, vì chúng ít bị hạn chế về kích thước và năng lượng so với các thiết bị người sử dụng thường xuyên kết nối với các trạm gốc vĩ mô

Hình 2.3 Mạng di chuyển MN

Các MRN cũng có khả năng được sử dụng để phục vụ người dùng bên ngoài phương tiện di chuyển, do đó nó cũng có thể trở thành một trạm gốc nhỏ có khả năng di chuyển trong mạng Vì vậy, phương tiện di chuyển và hệ thống giao thông sẽ đóng một vai trò quan trọng trong mạng di động không dây trong tương lai Những phương tiện này sẽ cung cấp thêm dung lượng thông tin và mở rộng vùng phủ của hệ thống truyền thông di động

Tuy nhiên, việc triển khai các MRN cũng gặp không ít những khó khăn như phải có

hệ thống đường trục hiệu quả, yêu cầu công nghệ phân bố tài nguyên và quản lý can thiệp phức tạp, phải có phương thức quản lý di động thích hợp…

Hình 2.4 Mạng cực kỳ dày đặc UDN

Truyền thông D2D là một cách rất hiệu quả để nâng cao dung lượng hệ thống và hiệu quả phổ vì các thiết bị có thể trực tiếp giao tiếp với nhau bằng cách chia sẽ nguồn tài nguyên tần số của mạng Bên cạnh đó, các DUE (D2D UE – thiết bị người sử dụng dùng truyền thông D2D) có thể thực hiện quá trình chuyển tiếp truyền dẫn để tạo ra liên kết truyền thông nhiều bước (multi-hop) Khả năng này đã cho phép cải thiện và mở rộng phạm vi bao phủ của truyền thông D2D Lợi ích đạt được của truyền thông D2D phụ thuộc vào số lượng các cặp DUE sẵn sàng cho các trường hợp ứng dụng khác nhau

Trong mạng 5G, nơi mà số lượng thiết bị thông minh tham gia vào mạng thông tin tăng lên rất nhiều, truyền thông D2D sẽ đóng một vai trò vô cùng quan trọng Để có thể đưa truyền thông D2D vào trong mạng 5G, cần phải giải quyết được các vấn đề sau:

 Phát hiện trực tiếp (Direct Discovery): Thiết bị người sử dụng cần phải xác định

được những thiết bị “hàng xóm” trước khi thực hiện truyền thông Vì thế, việc phát hiện thiết bị và phát hiện dịch vụ là 2 vấn đề quan trọng trong truyền thông D2D Phát hiện trực tiếp sẽ có 2 chế độ: chế độ A (“Tôi ở đây”) và chế độ B (“Ai đang ở đấy?”/”Bạn có

ở đấy không?”) Trong chế độ A, các UE “được phát hiện” sẽ thông báo sự tồn tại của

nó với một số thông tin về bản thân (có khả năng đáp ứng được gì?), các UE “đi phát hiện” sẽ đọc và xử lý thông tin chỉ khi nó quan tâm Trong chế độ B, các UE “đi phát kiện” sẽ gửi yêu cầu kết nối với một số thông tin của bản thân (cần được đáp ứng vấn

đề gì?), các UE “được phát hiện” sẽ trả lời nếu nó có khả năng đáp ứng nhu cầu Quá trình này yêu cầu các thiết bị đầu cuối phải báo cáo thông tin vị trí trước khi thực hiện quá trình “phát hiện”, việc này làm tăng độ trễ và tính phức tạp của hệ thống

 Quản lý can thiệp: Việc chia sẽ tài nguyên trong truyền thông D2D cũng gây ra

sự can thiệp giữa các UE với nhau Các trường hợp can thiệp lẫn nhau được thể hiện ở Hình 2.5 Có thể thấy rằng, các cặp D2D phải giữ một khoảng cách nhất định so với trạm gốc BS và các UE đơn khác để tránh sự can thiệp lẫn nhau Chính vì vậy mà việc quản lý can thiệp là rất quan trọng trong truyền thông D2D Quản lý can thiệp bao gồm lựa chọn chế độ, phân bố tài nguyên và điều khiển công suất

 Quản lý can thiệp có thể hoạt động ở 3 chế độ: chế độ tái sử dụng, chế độ trưng dụng và chế độ Cell

- Chế độ tái sử dụng: các thiết bị truyền thông D2D (DUE – D2D User Equipment) chia sẽ chung nguồn tài nguyên tần số của mạng, điều này sẽ tăng hiệu quả phổ nhưng gây một ít vấn đề về can thiệp

- Chế độ trưng dụng: các DUE sẽ sử dụng một phần tài nguyên có sẵn của các UE đơn (không tham gia vào D2D), điều này sẽ hạn chế được sự can thiệp giữa DUE và các UE đơn nhưng lại tăng khả năng can thiệp giữa các DUE với nhau

Hình 2.5 Các trường hợp can thiệp lẫn nhau trong truyền thông D2D

- Chế độ Cell: cặp DUE thực hiện truyền thông với các thiết bị khác thông qua BS như các thiết bị trong hệ thống Cell truyền thống

 Truyền thông trực tiếp: Làm sao có thể tận dụng được một cách linh hoạt và triệt

để nguồn tài nguyên tần số trong hệ thống 5G để thiết kế được liên kết truyền thông trực tiếp D2D vẫn là một vấn đề cần quan tâm Đã có nhiều đề xuất về các công nghệ đa sóng mang như FBMC, UFMC,…, tất cả đều được dự đoán là có khả năng đáp ứng tốt được yêu cầu này

Mạng lõi Nano được định nghĩa một cách đơn giản là sự hội tụ của 3 công nghệ:

Công nghệ Nano đã trở thành một cuộc cách mạng công nghệ, là mục tiêu hướng tới của các hệ thống viễn thông trong thời gian tới Công nghệ Nano đã cho thấy sự tác động của nó trên cả mạng di động và mạng lõi Đồng thời, công nghệ Nano còn tác động

không nhỏ đến các thiết bị cảm biến cũng như vấn đề an ninh trong mạng Công nghệ Nano đã trở thành một khái niệm quan trọng trong việc phát triển của ngành viễn thông Các cấu trúc Nano có tiềm năng ứng dụng làm thành phần chủ chốt trong những dụng

cụ thông tin kỹ thuật có những chức năng mà truớc kia chưa có Chúng có thể được lắp ráp trong những vật liệu trung tâm cho điện từ và quang Những vi cấu trúc này là một trạng thái độc nhất của vật chất có những hứa hẹn đặc biệt cho những sản phẩm mới và rất hữu dụng

Nhờ vào kích thuớc nhỏ, những cấu trúc Nano có thể đóng gói chặt lại và do đó làm tăng tỉ trọng gói (packing density) Tỉ trọng gói cao có nhiều lợi điểm: tốc độ xử lý dữ liệu và khả năng chứa thông tin gia tăng Tỉ trọng gói cao là nguyên nhân cho những tương tác điện và từ phức tạp giữa những vi cấu trúc kế cận nhau Đối với nhiều vi cấu trúc, đặc biệt là những phân tử hữu cơ lớn, những khác biệt nhỏ về năng lượng giữa những cấu hình khác nhau có thể tạo được các thay đổi đáng kể từ những tương tác đó

Vì vậy mà chúng có nhiều tiềm năng cho việc điều chế những vật liệu với tỉ trọng cao

và tỉ số của diện tích bề mặt trên thể tích cao, chẳng hạn như bộ nhớ (memory)

Những đặc tính nổi bật của NE:

- Nguồn năng lượng tự nhiên: Nguồn năng lượng có thể là năng lượng mặt trời, nước, không khí,…

- Khả năng cảm biến môi trường: cảm biến được sự thay đổi của môi trường, dự báo thời tiết, đánh giá mức độ ô nhiễm …

- Thiết kế dễ uốn dẻo, linh động, khó bị phá vỡ

- Trong suốt, có khả năng “nhìn xuyên” qua được

- Khả năng tự làm sạch bề mặt

Hình 2.7 Điện thoại Nano “trong suốt”

Gần đây, hãng điện thoại nổi tiếng Nokia đã hợp tác cùng với Trường Đại học Cambridge (Anh) và đưa ra được một khái niệm công nghệ mới, đó là Morph

Hình 2.8 Morph – Khái niệm công nghệ cho tương lai

Morph trong tiếng Hy Lạp có nghĩa là định hình, hình thức Morph là một khái niệm

về công nghệ mà ở đó, việc ứng dụng công nghệ Nano đã giúp cho các thiết bị di động trong tương lai có khả năng co giãn linh hoạt, cho phép người sử dụng có thể chuyển đổi thiết bị di động của họ thành các hình dạng khác nhau

2.2.1.2 Cảm biến Nano

Cảm biến Nano là bất kỳ loại cảm biến nào (sinh học, hóa học,…) cung cấp khả năng truyền tải những thông tin cảm biến ở quy mô Nano đến với thế giới vĩ mô Cảm biến Nano cho phép ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như giao thông vận tải, thông tin liên lạc, xây dựng, y tế, bảo hiểm, an ninh quốc gia…

Hầu hết các cảm biến này đều dựa trên công nghệ Nano thuần túy, sau đây là một số ứng dụng mà cảm biến Nano có thể làm được:

- Cảm biến Vật lý: phương pháp này cho phép đo đạc được các đặc tính riêng của hầu hết các phân tử sinh học

- Cảm biến hóa học: cảm biến khí gas dựa trên ống Nano …

- Cảm biến sinh học: Cho khả năng xác định DNA bằng việc sử dụng hạt Nano được mã hóa

Với kích thước siêu nhỏ, cùng với khả năng cảm biến chính xác, cảm biến Nano có thể được tích hợp với bất kì hệ thống hay thiết bị nào mà không sợ tốn diện tích Thậm chí, nó có thể được thiết kế như một robot Nano, cho phép đi vào và cung cấp các thông tin bên trong cơ thể của con người

Hình 2.9 Cảm biến Nano

2.2.1.3 Công nghệ Nano trong mạng lõi Nano

Một cách rõ ràng, hệ thông 5G yêu cầu tốc độ dữ liệu cao và cung cấp một lưu lượng đáng tin cậy để có thể thao tác những công việc khổng lồ chỉ như làm việc với một đối tượng duy nhất mà vẫn đảm bảo được những vấn đề về an ninh mạng Các mạng lõi hiện nay (LTE, WiMAX) vẫn chưa thể đáp ứng được yêu cầu này, nhưng mạng lõi Nano sử dụng công nghệ Nano thì hoàn toàn có thể

Để tạo được một nền tảng vững chắc nhằm hỗ trợ cho các yếu tố cần thiết trong mạng lõi Nano, cần xây dựng được hệ thống phần cứng và phần mềm trong cơ sở hạ tầng mạng đảm bảo được hiệu suất, có tính linh hoạt và khả năng mở rộng Ta có thể sử dụng

hệ thống Xử lý tín hiệu số DSP để đám ứng những yêu cầu này Hệ thống sẽ đảm nhận nhiệm vụ biến đổi và chuyển mã cho các thiết bị, trong khi bộ vi xử lý máy tính với hiệu suất cao nhất sẽ làm nhiệm vụ điều khiển và báo hiệu

Một yêu cầu khác được đặt ra đó là phải kết hợp được những chức năng trên với hệ thống mạng có khả năng sẵn sàng đáp ứng dịch vụ cao, và Kiến trúc Điện toán Viễn thông Nâng cao ATCA (Advanced Telecommunications Computing Architecture) có

thể xem là giải pháp tối ưu để thực hiện yêu cầu này ATCA cho phép thiết lập hệ thống kết nối cũng như cơ sở hạ tầng riêng biệt để hỗ trợ cho những card DSP mật độ cao Hiện nay, công nghệ Nano đã được ứng dụng trong việc chế tạo DSP Hơn nữa, Công nghệ Nano sẽ mở đầu cho giai đoạn DSP được thiết kế có khả năng tăng tốc độ cũng như hiệu suất làm việc của toàn hệ thống

Trong các máy tính kỹ thuật số hiện đại, thông tin được truyền đi thông qua các dòng điện dưới dạng các hạt hạ nguyên tử mạng điện tích âm Các transistor trong máy tính chính là những thiết bị chuyển mạch dùng để lưu trữ trạng thái dữ liệu dưới dạng “bit”, trong đó, các trạng thái “đóng” và “mở” của transistor đại diện cho giá trị của các bit dữ liệu là: 1 và 0 Ví dụ, với 3 bit, ta có tổng cộng 8 trạng thái dữ liệu: 0-0-0, 0-0-1, 0-1-0, 0-1-1, 1-0-0, 1-0-1, 1-1-0, 1-1-1 Tuy nhiên, chỉ có 1 trong các trạng thái trên là được lưu trữ lại trong 3 bit của máy tính ở tại một thời điểm Nhược điểm này sẽ gây cản trở trong việc thao tác với các luồng dữ liệu trong hệ thống 5G

Mặc dù chỉ tồn tại ở mặt lý thuyết nhưng máy tính lượng tử được xem là một giải pháp để lưu trữ nhiều trạng thái dữ liệu trên máy tính tại cùng một thời điểm Máy tính lượng tử là một thiết bị tính toán sử dụng những lý thuyết về tính toán lượng tử để thực hiện các phép toán trên dữ liệu đưa vào

Tính toán lượng tử sử dụng các qubit (bit lượng tử) để mã hóa trạng thái dữ liệu, đặc biệt, các qubit có thể ở trong trạng thái chồng chập lượng tử Điều này xảy ra khi một

hệ lượng tử có cùng lúc nhiều giá trị có thể đo được cho một tính chất vật lý, tức là qubit

có thể lưu trữ cùng lúc hai trạng thái 0 và 1 tại cùng một thời điểm (nếu dữ liệu được

mã hóa về dạng nhị phân) Máy tính hiện nay có thể thực hiện tính toán 64 bits dữ liệu tại một thời điểm, nếu nó là một máy tính lượng tử, con số này sẽ tăng lên gấp khoảng

264 lần

Hình 2.10 Qubit

2.2.1.5 Mở rộng khả năng lưu trữ

Một trong những yêu cầu chính của mạng lõi Nano đó là khả năng lưu trữ số lượng lớn dữ liệu Các thiết bị hiện đại ngày càng cần một bộ nhớ lớn, nhưng với công nghệ hiện tại, rất khó đề đáp ứng điều này, khi đó, công nghệ nano chính là giải pháp Bằng việc sử dụng các Chấm lượng tử Nano (Nanodot), bộ nhớ của các thiết bị có thể được

mở rộng một cách đáng kể

Chấm lượng tử Nano là một tinh thể nano được làm từ vật liệu chất bán dẫn mà kích thước của nó đủ nhỏ để làm xuất hiện các đặc tính cơ học lượng tử Chấm lượng tử có dạng hình cầu, bao dồm hàng trăm nguyên tử bán dẫn và chúng có thể được tích từ tính, điều này cho phép chúng có thể lưu trữ dữ liệu ở trạng thái nhị phân (0 hoặc 1) Trong

hệ thống ổ cứng hiện tại, các thiết bị lưu trữ bit thông tin phải được đặt đủ xa nhau đề tránh sự can thiệp lẫn nhau Tuy nhiên đối với chấm lượng tử Nano thì khác, chấm lượng

tử nano thực hiện các hoạt động tính toán mà không theo bất kì cấu trúc liên kết nào, chính vì vậy mà chúng có thể được sắp xếp gần nhau hơn Với ưu điểm này, chúng ta

có thể xây dụng được bộ nhớ lên tới 5 TB dữ liệu chỉ trong khoảng không gian kích thước của một con tem

Hình 2.11 Nanodot

Chấm lượng tử Nano có thể được sử dụng cho các Thiết bị Nano cũng như cho hệ thống mạng lõi Nano, và chúng cũng có thể trở thành các hạt qubit trong tương lai

2.2.1.6 Nâng cao cơ chế bảo mật

Khi mạng 5G được triển khai, mạng lõi Nano trở thành một máy chủ toàn cầu, nơi

mà người dùng có thể truy cập bất cứ ứng dụng thời gian thực nào họ muốn, đó chính là lúc mà vấn đề an ninh mạng được đặt lên hàng đầu Được xem là hệ mã an toàn nhất cho đến thời điểm hiện tại, mật mã lượng tử (Quantum Cryptography) có thể xem là một giải pháp lý tưởng cho vấn đề an ninh mạng của hệ thống 5G

Hình 2.12 Mật mã lượng tử

Mật mã lượng tử là một ngành khoa học nghiên cứu về bảo mật thông tin dựa trên các tính chất của vật lý lượng tử Trong khi mật mã truyền thống khai thác chủ yếu các kết quả toán học của ngành độ phức tạp tính toán nhằm vô hiệu hoá kẻ tấn công thì mật

mã lượng tử khai thác chính bản chất vật lý của các đối tượng mang thông tin mà ở đây

là các trạng thái lượng tử, ví dụ như các photon ánh sáng Mật mã lượng tử cho phép bảo mật thông tin truyền đi bằng truyền thông quang (FSO - Free Space Optical Communications) Nó cho phép thông tin được bảo mật "tuyệt đối", không phụ thuộc vào độ mạnh của máy tính, độ tối tân của dụng cụ hay sự xảo quyệt của kẻ tấn công Sự