GIỚI THIỆU VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO
Giới thiệu
Chương này tóm tắt sự phát triển của hệ thống thông tin di động, bắt đầu với một trích dẫn từ cuộc trò chuyện qua mạng di động của Martin Cooper vào ngày 3 tháng 4 năm 1973.
Vào một thời điểm lịch sử, tôi đã gọi cho bạn bằng một chiếc điện thoại di động cầm tay thực sự, đó là Motorola DynaTAC nặng khoảng 2.5 lbs và có giá khoảng 9.000 USD Sự kiện này đã khởi đầu một phong trào thay đổi cuộc sống cho nhiều người, không chỉ đơn thuần là hỗ trợ người dùng di động mà còn thúc đẩy sự phát triển của những thiết bị phức tạp như smartphone hiện nay Những thiết bị này không chỉ đáp ứng nhu cầu liên lạc dữ liệu và giọng nói mà còn cung cấp nhiều ứng dụng hữu ích như thông báo trên mạng xã hội, trò chơi trực tuyến, sản xuất và tiêu thụ nội dung video, thực hiện các phép đo y tế, và sử dụng dịch vụ dựa trên định vị.
Khi các thiết bị không dây phát triển theo định luật Moore, công nghệ di động vẫn giữ vai trò quan trọng trong việc giới thiệu các tính năng mới và đặc điểm hấp dẫn, mang lại lợi ích cho người dùng cuối.
Chương này tập trung vào các công nghệ điều khiển quan trọng cho thiết kế hệ thống vô tuyến 5G mới, đặc biệt chú trọng đến các giải pháp hỗ trợ dịch vụ 5G trong truyền dẫn đường lên (UL) Những yêu cầu chính bao gồm độ trễ thấp, độ tin cậy cao, tiết kiệm năng lượng và ứng dụng gói nhỏ Tài nguyên không cần sự cho phép trong UL NR được gọi là “cho phép trước”, cho phép sử dụng các thông số kỹ thuật được cấu hình trước để thực hiện truyền tải.
UE UL mà không cần lập lịch/cho phép Ngoài ra trạm gốc (BS) trong mạng NR 5G được gọi là “NodeB thế hệ tiếp theo” hoặc “gNB”.
Thông tin di động tế bào: Nhập môn
Các tiêu chuẩn di động sử dụng nhiều kỹ thuật đa truy cập (MA) như FDMA, TDMA, CDMA và OFDMA, được trình bày trong bảng 1.1 Bài viết cũng đề cập đến các phương pháp song công cho thông tin hai chiều và tài nguyên vật lý thực tế để phân bổ cho từng người dùng, bao gồm song công phân chia theo thời gian (TDD) và song công phân chia theo tần số (FDD).
Bảng 1.1: Đa truy cập trong các thế hệ của các mạng tế bào khác nhau
Thế hệ tế bào Kỹ thuật MA Phương pháp song công
1G FDMA FDD Tần số AMPS, NMT
2G TDMA FDD Các khe thời gian GSM, IS-54
Các khe thời gian/Các mã
4G OFDMA FDD/TDD Thời gian/tần số LTE, LTE-A
5G OFDMA FDD/TDD Thời gian/tần số 5G-NR
Tất cả các kỹ thuật đa truy cập đều thuộc dạng đa truy cập “trực giao” (OMA), cho phép người dùng truy cập mà không gây nhiễu cho nhau khi chia sẻ phương tiện không dây, mặc dù bị giới hạn bởi số lượng tài nguyên có sẵn Ngược lại, trong hệ thống CDMA, việc truyền tín hiệu từ thiết bị không dây đến trạm gốc không mang tính trực giao.
Trong FDMA, tần số được chia thành các kênh cho nhiều người dùng khác nhau, trong khi TDMA phân chia thời gian thành các khe thời gian để cho phép truy cập của nhiều người dùng vào hệ thống tế bào CDMA phân biệt người dùng bằng các mã PN, cho phép tất cả truy cập cùng lúc trên toàn bộ kênh tần số OFDMA phân bổ người dùng cho các kênh tần số khác nhau tại các khe thời gian khác nhau Hệ thống tế bào thế hệ tiếp theo 5G vẫn áp dụng OFDMA với khoảng cách giữa các sóng mang con và độ dài khe thời gian linh hoạt, đáp ứng các yêu cầu đa dạng 5G cũng dự kiến sẽ sử dụng công nghệ NOMA.
Hình 1.1 Một cái nhìn tổng quan về các kỹ thuật đa truy cập khác nhau
Hình 1.1 trình bày tổng quan về các kỹ thuật truy cập khác nhau sẽ được thảo luận, với sự so sánh dựa trên ba tiêu chí chính: công suất, thời gian và tần số.
Hiệu quả phổ là một chỉ số quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất hệ thống qua các thế hệ công nghệ di động Hình 1.2 minh họa hiệu quả phổ DL của các chuẩn di động 2G, 3G, 4G và 5G so với tốc độ dữ liệu đỉnh lý thuyết Mỗi tiêu chuẩn mới đều đặt ra yêu cầu cao hơn về tốc độ dữ liệu, dẫn đến nhu cầu tăng cường hiệu quả phổ ngày càng rõ rệt.
Mỗi thế hệ tế bào không chỉ mang lại sự gia tăng về hiệu suất mà còn bổ sung các tính năng mới Hình 1.3 minh họa sự gia tăng khả năng của người dùng và các tính năng dự kiến theo cấp số nhân qua các thế hệ di động Chúng ta khởi đầu với khả năng giao tiếp bằng giọng nói, sau đó phát triển sang dịch vụ thoại và tin nhắn ngắn (SMS) trong công nghệ 2G Khả năng dữ liệu tiếp tục được cải thiện trong công nghệ 3G với các dịch vụ chuyển mạch gói.
Hình 1.2 Hiệu quả phổ (bps/Hz) của sự phát triển tế bào số
Hình 1.3 Các khả năng người dùng trong các thế hệ tế bào
4G đã mang đến Internet di động với nhiều ứng dụng như Internet vạn vật (IoT), phương tiện đến mọi thứ (V2X) và thiết bị đến thiết bị (D2D) Hệ thống di động 5G tiếp theo hứa hẹn sẽ nâng cao khả năng sử dụng, mở ra cơ hội cho việc phát triển các sản phẩm sáng tạo.
DL là hướng giao tiếp từ trạm gốc (BS) đến thiết bị cầm tay hoặc thiết bị người dùng (UE), trong khi UL là hướng giao tiếp từ các UE đến BS UL cũng bao gồm quyền truy cập ngẫu nhiên, nơi các UE cố gắng truy cập tài nguyên của hệ thống thông tin từ trạng thái bật nguồn hoặc khi bắt đầu một giao dịch mới.
Phương pháp song công được sử dụng để phân tách giao tiếp DL và UL, cho phép thao tác trong miền thời gian.
Trong TDD, các khe thời gian được phân bổ cho tải xuống (DL) và tải lên (UL) theo cách nhất định, trong khi đó FDD cho phép truyền tải UL và DL đồng thời trên các tần số khác nhau.
DL diễn ra đồng thời trên nhiều dải tần số khác nhau TDD có ưu điểm là chỉ cần một phổ duy nhất và được chia sẻ, không cần phổ ghép Ngoài ra, TDD còn hỗ trợ các chế độ xem kênh đối xứng, cho phép sử dụng các phép đo UL trong kỹ thuật thông tin.
FDD có ưu điểm là yêu cầu đồng bộ thời gian thấp hơn, nhưng việc phân tách tần số giữa DL và UL có thể khiến các phép đo UL không hữu ích cho kỹ thuật thông tin DL, do không đảm bảo tính tương hỗ.
Độ trễ, hay thời gian truy cập tài nguyên mạng, đang trở thành một chỉ số quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất hệ thống, bất kể phương pháp sử dụng.
1.2.1 Sự phát triển của công nghệ di động
Trong phần này, chúng ta sẽ khám phá các công nghệ truy cập vô tuyến di động (RATs) và những lợi ích phát triển của chúng Hình 1.1 minh họa sự tiến hóa của mạng tế bào từ 1G đến 4G, cho thấy sự gia tăng độ phức tạp của hệ thống trong quá trình phát triển 2G và 3G Ngành công nghiệp đã chuyển mình khi thống nhất thành một tiêu chuẩn 4G duy nhất, dẫn đến sự gia tăng độ phức tạp trong các hệ thống mạng.
Các kỹ thuật đa truy cập trực giao:
FDMA (đa truy cập phân chia theo tần số)
Việc gán nhiều sóng mang trên cùng một kênh là khó khăn
Các kênh băng hẹp (có băng thông nhỏ hơn băng thông kết hợp của kênh không dây) đang mong đợi
Các băng bảo vệ trong miền tần số là cần thiết để giảm sự phát xạ phổ đến các băng tần lân cận
Số lượng tài nguyên trực giao hữu hạn
TDMA (đa truy cập phân chia theo thời gian)
Việc bù (cân bằng) nhiễu xuyên symbol là cần thiết
Sử dụng các băng bảo vệ trong miền thời gian cho phép sự biến thiên độ trễ thời gian của truyền dẫn UL
Đồng bộ hóa các khe thời gian trên tất cả mục đích sử dụng là rất quan trọng để không phá hủy nguyên tắc OMA
Số lượng tài nguyên trực giao hữu hạn
CDMA (đa truy cập phân chia theo mã)
Sử dụng toàn bộ băng thông cùng lúc bằng cách sử dụng mã trải phổ
Số lượng tài nguyên trực giao hữu hạn
OFDMA (đa truy cập phân chia theo tần số trực giao)
Gán nhiều sóng mang con khác nhau cho nhiều người dùng khác nhau (tại các khe thời gian khác nhau)
Số lượng tài nguyên trực giao hữu hạn
Phổ tần đóng vai trò quan trọng đối với các nhà khai thác, giúp đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về thông lượng hệ thống và người dùng Hiện nay, có một xu hướng trong ngành công nghiệp là không chỉ khai thác phổ tần được cấp phép truyền thống, mà còn tận dụng phổ không được cấp phép, thường được sử dụng cho các thiết bị WiFi, cùng với phổ dùng chung khi có thể.
1.2.2 Hệ thống tế bào thế hệ thứ nhất
Kết luận chương 1
Chương 1: "Giới thiệu về thông tin di động tế bào" khám phá lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di động từ 1G đến 4G, cùng với các công nghệ đa truy cập như FDMA, TDMA và CDMA Bài viết phân tích ưu điểm và nhược điểm của từng thế hệ, đồng thời chỉ ra cơ hội và thách thức cho hệ thống thông tin di động thế hệ tiếp theo Những kiến thức này giúp người đọc nắm bắt các vấn đề cốt lõi, làm nền tảng cho việc tìm hiểu và nghiên cứu các hệ thống di động trong tương lai.
TỔNG QUAN VỀ MẠNG 5G
Sơ đồ kiến trúc mạng của 5G
Sơ đồ khối kiến trúc mạng 5G thể hiện sự thay thế của lõi 5G (5GC) cho EPC và sự phát triển của mạng truy cập vô tuyến thế hệ tiếp theo (NG-RAN), bao gồm nhóm đơn vị phân tán (DU) và nhóm đơn vị tập trung (CU), với gNodeB thay thế eNodeB Việc xây dựng một kiến trúc mạng khả thi và có thể mở rộng là rất quan trọng cho 5G Phần này giới thiệu sự kết hợp giữa DU và CU nhằm hỗ trợ các tùy chọn phân tách RAN khác nhau, mang lại nhiều lợi ích Các phần tử của 5GC sẽ được đề cập trong nội dung tiếp theo.
Chức năng quản lý truy cập và di động (AMF): thực hiện mã hóa và bảo vệ tính toàn vẹn, quản lý di động, xác thực và ủy quyền, v.v
Chức năng quản lý phiên (SMF): thực hiện phân bổ và quản lý địa chỉ IP UE, lựa chọn và kiểm soát UPF, chuyển vùng, v.v
Quản lý dữ liệu thống nhất (UDM): thực hiện quản lý thuê bao, dữ liệu người dùng, đăng ký và quản lý di động, v.v
Hình 2.1 Sơ đồ khối kiến trúc mạng 5G
Chức năng kiểm soát chính sách (PCF): thực hiện các quy tắc chính sách cho các chức năng CP, v.v
Chức năng ứng dụng (AF): tương tác với khung chính sách để kiểm soát chính sách, v.v
Chức năng mặt phẳng người dùng (UPF): thực hiện kết nối bên ngoài với mạng dữ liệu, xử lý QoS của UP, v.v.
Động lực của 5G
Hệ thống mạng tế bào 5G cần cải thiện tính năng và hiệu suất thông qua LTE để giảm thiểu áp lực đầu tư cho các nhà khai thác khi triển khai dịch vụ 5G Điều quan trọng là chúng ta đã duy trì một tiêu chuẩn di động toàn cầu duy nhất Các động lực chính của 5G bao gồm việc nâng cao trải nghiệm người dùng và hỗ trợ các ứng dụng mới.
Tốc độ dữ liệu người dùng tăng
Tăng dung lượng hệ thống
Số lượng lớn các kết nối
Giảm độ trễ từ đầu đến cuối
Hỗn hợp dịch vụ không đồng nhất
Triển khai băng thông linh hoạt
Sự linh hoạt của mạng
Di chuyển đến các giao tiếp hiệu quả hơn về năng lượng
ITU đã cung cấp các mục tiêu 5G dưới dạng các yêu cầu IMT-2020, chúng được thể hiện trong bảng 2.1
NR 5G hỗ trợ cả hai mô hình triển khai độc lập và không độc lập Triển khai NSA tận dụng LTE để mở rộng vùng phủ sóng, kết hợp mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu với kết nối đến EPC đang phát triển Các dịch vụ 5G sẽ mang đến tốc độ dữ liệu cao thông qua kết nối kép Trong khi đó, triển khai độc lập sẽ cung cấp phân luồng dữ liệu và điều khiển, cùng với kết nối riêng biệt.
ITU đã cung cấp sơ đồ trong Hình 2.2 để xác định các dịch vụ 5G, trong đó ba trường hợp sử dụng chính là những ứng dụng dự kiến của công nghệ 5G trong tương lai.
Băng rộng di động tăng cường (eMBB)
Liên lạc kiểu máy với số lượng lớn (mMTC)
Thông tin với độ trễ thấp và cực kỳ tin cậy (URLLC)
Các trường hợp sử dụng 5G bao gồm nhà thông minh, máy bay không người lái kết nối, năng lượng kết nối, ô tô tự lái, và thực tế ảo/trò chơi thực tế tăng cường thời gian thực Việc áp dụng các kỹ thuật độ trễ thấp bắt đầu từ LTE nhằm chuẩn bị cho các dịch vụ 5G Hệ thống mạng tế bào 5G được kỳ vọng sẽ hỗ trợ những ứng dụng này thông qua các công nghệ tiên tiến.
Sự triển khai phổ linh hoạt: phổ được cấp phép, không được cấp phép và chia sẻ, băng thông lớn hơn và liền kề, đa RAT, v.v
Hình 2.2 Các kịch bản sử dụng của IMT-2020
Bộ số liệu linh hoạt hỗ trợ đa dạng các trường hợp sử dụng và triển khai phổ tần, bao gồm cả băng tần dưới và trên 6 GHz, với các khe thời gian linh hoạt và băng thông truyền tải rộng.
Kiến trúc mạng được cải thiện hỗ trợ xu hướng đám mây trong ngành CNTT, bao gồm các công nghệ SDN/NFV và lát cắt mạng, đồng thời nâng cao khả năng tính toán cạnh đa truy cập với độ trễ thấp hơn.
Bảng 2.1: Sự so sánh của các yêu cầu IMT-2010 và IMT-2020
Tiêu chí hệ thống IMT-2010 IMT-2020 Chú thích
Tốc độ dữ liệu đỉnh
Tốc độ dữ liệu đạt được lớn nhất dưới các điều kiện lý tưởng Dung lượng lưu lượng khu vực
Tổng lưu lượng cung cấp cho mỗi khu vực địa lý
Hiệu suất năng lượng mạng
Số lượng bit thông tin cho mỗi đơn vị của sự tiêu thụ năng lượng Mật độ kết nối
(thiết bị/km 2 ) 10 4 10 6 Tổng số thiết bị kết nối trên mỗi khu vực đơn vị Độ trễ (ms) 10 1
Thời gian từ khi bắt đầu gửi một gói dữ liệu đến khi nhận được tại đích (một đường từ đầu đến cuối)
(kmph) 350 500 Tốc độ lớn nhất mà một
QoS có thể đạt được
Thông lượng dữ liệu trung bình trên mỗi đơn vị của phổ và cho mỗi tế bào Tốc độ dữ liệu người dùng mong đợi (Mbps)
Tốc độ dữ liệu đạt được ở khắp nơi qua khu vực bao phủ
Điều chế QAM mang lại sự cân bằng hiệu quả giữa phổ tần và công suất với chi phí hợp lý, đồng thời kết hợp với mã phân cực và các mã sửa lỗi thuận khác để tối ưu hóa hiệu suất truyền tải dữ liệu.
Các kỹ thuật tiên tiến: NOMA, song công, định hình phổ tần
Các công nghệ của 5G
Mạng di động 5G, dự kiến thương mại hóa vào năm 2019/2020, đang phát triển mạnh mẽ với khả năng hỗ trợ dung lượng hệ thống lớn, độ trễ thấp và khả năng kết nối khoảng 1000 thiết bị trên mỗi km² Để đáp ứng các yêu cầu này, nhiều công nghệ mới như massive MIMO, mạng được định nghĩa bằng phần mềm, sóng mm, mạng truy cập vô tuyến đám mây (RAN), đa truy cập không trực giao, kỹ thuật thông tin M2M, điện toán cạnh di động, bộ nhớ đệm không dây, mạng cực kỳ dày đặc và giao tiếp song công đang được phát triển Chúng ta sẽ cùng tìm hiểu sâu hơn về những công nghệ này.
Khi tìm hiểu về massive MIMO, chúng ta sẽ giải quyết thuật ngữ đầu tiên
Massive MIMO là công nghệ sử dụng hơn 64 phần tử ăng ten trong xử lý tín hiệu, dựa vào định luật số lớn để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu và các vấn đề phần cứng Công nghệ này cho phép nhiều ăng ten tập trung năng lượng theo hướng mong muốn và loại bỏ tín hiệu không mong muốn, tạo thành chùm Đồng thời, nó cũng cung cấp khả năng ghép kênh không gian bằng cách gửi các luồng dữ liệu độc lập trên từng ăng ten.
Kỹ thuật này có thể được sử dụng để tăng tốc độ dữ liệu của người dùng hoặc hệ thống Cả hai tùy chọn được thể hiện trong Hình 2.3
Massive MIMO là công nghệ tiên tiến được áp dụng cho việc tạo búp sóng, với khả năng sắp xếp các mảng ăng ten theo nhiều hình dạng như tuyến tính, hình chữ nhật hoặc hình tròn Công nghệ này sẽ được triển khai cho các mạng 4G và 5G, với các dải tần số cao giúp tạo ra các mảng ăng ten lớn và nhỏ gọn nhờ bước sóng ngắn Massive MIMO có thể hoạt động theo hai phương pháp song công là FDD và TDD, trong đó hệ thống TDD cho phép người dùng tận dụng định lý tương hỗ để áp dụng các quan sát thực tế.
Việc áp dụng massive MIMO cho ghép kênh không gian đã trở nên phổ biến trong công nghệ 4G và sẽ tiếp tục được triển khai cho 5G Ghép kênh không gian yêu cầu hạng của ma trận kênh giữa anten phát và thu phải lớn hơn 1 Đối với hệ thống MIMO 4 × 4, việc quan sát toàn bộ công suất chỉ khả thi khi hạng ma trận kênh đạt đầy đủ, tức là bằng 4.
Ghép kênh không gian trong LTE đã chứng minh hiệu quả, vì vậy việc tiếp tục áp dụng nó trong 5G với quy mô lớn hơn là hợp lý Tuy nhiên, thách thức lớn là kích thước MIMO càng lớn thì khả năng trải nghiệm hạng đầy đủ càng giảm Điều này đặt ra yêu cầu thiết kế một mảng MIMO hiệu quả hơn để tối ưu hóa hiệu suất mạng.
Việc gửi 256 lớp cho một người dùng trong mạng 5G là một thách thức lớn, do đó số lượng lớp DL đã bị giới hạn chỉ còn 8 Độ phức tạp trong việc triển khai massive MIMO trong miền số là một yếu tố quan trọng Chùm tia lai đã được phát triển để cân bằng giữa hiệu suất và độ phức tạp Điều này đặt ra câu hỏi về việc sử dụng các mức độ tự do còn lại khi số lớp tối đa là 8 Một số mức độ tự do có thể được dùng để tạo hình chùm, trong khi phần còn lại có thể phục vụ cho việc ghép kênh các người dùng khác qua mảng ăng ten, được gọi là MIMO nhiều người dùng (MU-MIMO) Trong mô hình này, nhiều người dùng truyền tải và nhận các tín hiệu như thể chúng đến từ một nguồn ghép kênh duy nhất, với các trọng số chùm tia có khả năng tạo ra chùm theo phương vị và hướng độ cao.
Khi xem xét chùm tia, tăng ích mảng có thể được áp dụng để mở rộng vùng phủ sóng và giảm công suất phát của các thiết bị trên liên kết lên (UL) Điều này giúp cải thiện tỷ lệ nhiễu tín hiệu trên nhiễu tạp âm (SINR), dẫn đến thông lượng người dùng cao hơn Ngoài ra, việc giảm công suất truyền trên liên kết xuống (DL) cũng góp phần nâng cao hiệu quả công suất toàn hệ thống.
Số lượng phần tử ăng ten cần thiết phụ thuộc vào một vài yếu tố:
Tăng ích của mảng (vùng phủ sóng, giảm công suất, v.v.)
Các lớp ghép kênh cần thiết
Nhiều người dùng dự kiến sẽ được phục vụ
Dải tần số được sử dụng
Độ phức tạp xử lý tín hiệu (ước tính CSI, tương tự so với miền số, v.v.)
Tăng hiệu suất hệ thống (SINR, dung lượng, tốc độ dữ liệu, v.v.)
Việc sử dụng nhiều kỹ thuật ăng ten mang lại lợi ích lớn trong việc giảm thiểu sự thay đổi kênh, điều này rất quan trọng để chống lại pha đinh đa đường Để đạt được hiệu quả này, cần ít nhất 64 ăng ten trong mảng ăng ten Các trường hợp triển khai 5G do 3GPP đưa ra cho thấy sự đa dạng trong các dịch vụ như eMBB, uRLLC và mMTC, với số lượng ăng ten tối đa cho DL và UL lần lượt là 256 và 32.
2.3.2 Kết nối mạng bằng phần mềm
Các chức năng mạng ảo (NFV) và kết nối mạng bằng phần mềm (SDN) đang thúc đẩy sự chuyển đổi sang mạng tập trung vào phần mềm, mang lại cải tiến về hiệu suất hệ thống và tiết kiệm chi phí cho các nhà mạng Những công nghệ này giúp các nhà khai thác quản lý mạng dễ dàng hơn, hỗ trợ các tính năng mới và cải thiện tính linh hoạt của mạng Đồng thời, chúng cũng tạo cơ hội cho các công ty mới, như nhà cung cấp dịch vụ Internet và dịch vụ cáp, thiết lập sự hiện diện trong lĩnh vực mạng không dây Việc áp dụng NFV và SDN bắt đầu từ việc ảo hóa các chức năng quan trọng trong EPC (vEPC) và dần mở rộng xuống các lớp giao thức phần mềm.
Việc chuyển sang SDN giúp các nhà khai thác mạng chủ động triển khai nhiều trường hợp sử dụng khác nhau thông qua kỹ thuật lát cắt mạng Kỹ thuật này cho phép tự động kết hợp các chức năng truy cập và mạng lõi để đáp ứng yêu cầu cụ thể như độ trễ và băng thông Xu hướng này đã bắt đầu từ 4G với sự xuất hiện của nhiều dịch vụ đa dạng, và 3GPP đang phát triển LTE để đáp ứng nhu cầu này Khi dịch vụ 5G ra mắt, kiến trúc mạng LTE cần linh hoạt hơn và có khả năng mở rộng để hỗ trợ các yêu cầu đa dạng hơn, trong đó lát cắt mạng đóng vai trò quan trọng.
Lát cắt mạng tạo ra các kiến trúc mạng ảo dựa trên nguyên tắc SDN và NFV, cho phép tối ưu hóa trên hạ tầng vật lý chia sẻ để đáp ứng yêu cầu của ứng dụng và dịch vụ Các mạng ảo này bao gồm các chức năng mạng khởi tạo nhằm cung cấp mạng logic hoàn chỉnh từ đầu đến cuối, đáp ứng yêu cầu hiệu suất cụ thể Ví dụ, kỹ thuật thông tin mMTC yêu cầu dung lượng người dùng mà không cần độ trễ thấp, trong khi xe tự lái cần độ trễ thấp mà không yêu cầu dịch vụ eMBB với thông lượng cao nhất.
Hình 2.4 Ví dụ về một phần mạng hỗ trợ dịch vụ uR-LLC, eMBB và mMTC
Hình 2.4 cung cấp ví dụ sơ đồ khối làm thế nào để mạng có thể được cắt để hỗ trợ các dịch vụ 5G khác nhau được đưa ra ở trên
2.3.3 Điện toán cạnh đa truy cập Để hỗ trợ các yêu cầu về độ trễ thấp hơn, chỉ tối ưu hóa trong giao diện vô tuyến 5G là không đủ mà chúng ta cần phải tối ưu hóa mạng Điện toán cạnh đa truy cập (MEC) là một phương pháp dịch chuyển các chức năng trung tâm của mạng lõi hoặc trung tâm dữ liệu gần với cạnh của mạng (về phía ăng ten), nơi mà dữ liệu sẽ được vận hành theo Phương pháp này được thể hiện bằng cách sử dụng nguyên tắc dịch chuyển, độ trễ từ đầu đến cuối của người dùng có thể được giảm đáng kể Ngoài ra, lưu lượng đường trục cũng có thể được giảm đi vì các dung lượng đường trục đã được giảm đáng kể bởi điều này
MEC cho phép điện toán đám mây hoạt động gần gũi hơn với người dùng thông qua mạng truy cập, được hỗ trợ bởi điện toán sương mù Cạnh của mạng, như các ăng ten trong đầu vô tuyến từ xa (RRH) kết nối với mạng truy cập vô tuyến (RAN), đóng vai trò quan trọng trong việc giảm độ trễ cho ứng dụng di động Độ trễ thấp giúp loại bỏ thời gian mà gói tin cần để vào mạng không dây trước khi được xử lý Khi máy chủ MEC gần rìa hơn, độ trễ của ứng dụng giảm xuống, với yêu cầu cụ thể như độ trễ < 1 ms cho robot công nghiệp và lái xe tự động, < 10 ms cho ứng dụng thực tế tăng cường, và < 100 ms cho các ứng dụng lái xe hỗ trợ.
Hình 2.5 minh họa khái niệm phân phối chức năng từ mạng lõi và trung tâm dữ liệu (điện toán đám mây) đến cạnh (điện toán sương mù) Phương pháp này không chỉ giúp giảm độ trễ ứng dụng mà còn giảm lưu lượng đường trục bằng cách tránh gửi đồng thời các gói lớn vào mạng, sau đó gửi tất cả dữ liệu trở lại cạnh.
MEC sẽ thực hiện chức năng tính toán và lưu trữ với một số mục tiêu của thị trường để triển khai MEC là:
Giảm tổng chi phí sở hữu (OPEX và CAPEX)
Tăng doanh thu bằng cách áp dụng công nghệ mới như trí thông minh nhân tạo và mạng phân phối nội dung để phát triển các dịch vụ mới.
Di chuyển tự nhiên khi ảo hóa tạo ra mạng truy cập (cạnh và sương mù)
Cải thiện hiệu suất (độ trễ thấp hơn, giảm lưu lượng tái sinh)
Hình 2.5 Sơ đồ mạng thể hiện chức năng điện toán phân tán đối với cạnh
Dải sóng mm và phổ tần 5G
LTE có băng thông tối đa 20 MHz, với tốc độ dữ liệu người dùng được cải thiện nhờ vào các công nghệ như HOM, MIMO và kỹ thuật CA Mặc dù hiện tại hỗ trợ tối đa 5 CA, các thông số kỹ thuật LTE 3GPP cho phép hỗ trợ lên đến 32 nhà mạng, mở ra nhiều cơ hội tăng tốc độ dữ liệu Để đạt được tốc độ dữ liệu Gbps, các nhà khai thác thường cần tổng hợp phổ tần được cấp phép và không được cấp phép thông qua truy cập hỗ trợ giấy phép Băng tần 46 (B46) với phổ tần 5.15-5.925 GHz đã được xác định cho mục đích này.
Hình 2.6 Sự xem xét băng tần 5G
5G có băng thông tối đa 100 MHz cho các dải tần số dưới 6 GHz, cho phép tốc độ dữ liệu cao, tuy nhiên băng thông thấp hơn vẫn có thể cung cấp dịch vụ 5G Sự phân bổ phổ tần phân mảnh yêu cầu tính linh hoạt trong các tham số OFDMA Ngoài việc sử dụng phổ tần được cấp phép và không được cấp phép (5-5.9, 64-71 GHz), một lựa chọn khác là sử dụng phổ tần dịch vụ vô tuyến băng rộng của băng dân sự (CBRS) với phạm vi từ 3.55-3.7 GHz, tổng băng thông 150 MHz, được điều chỉnh bởi khung ủy quyền phổ ba tầng để chia sẻ với người dùng liên bang và không liên bang Hình 2.6 tóm tắt các yếu tố cần xem xét khi sử dụng các dải tần 5G.
Trong bối cảnh triển khai TDD, các tần số mới được hỗ trợ không chỉ dự kiến sẽ cải thiện tính khả dụng băng thông ở các dải tần số thấp, trung bình và cao, mà còn yêu cầu sự thay đổi trong phương pháp song công Một số nhà khai thác đang chú trọng vào truy cập không dây để cung cấp dịch vụ 5G tốc độ cao khoảng 1Gb/giây thông qua cáp/sợi, thay vì chỉ dựa vào các dải sóng mm, đồng thời hỗ trợ các ứng dụng băng rộng di động Cách tiếp cận này sẽ thúc đẩy sự phát triển của hệ sinh thái dựa trên sóng mm, cho phép các công nghệ 5G hoạt động với thiết bị chạy bằng pin Nghiên cứu về các tập hợp phổ tần không đồng nhất cho thấy rằng phổ tần được cấp phép luôn được sử dụng, cùng với sáng kiến hỗ trợ dịch vụ sử dụng phổ tần không được cấp phép như WiFi hiện nay Liên minh MulteFire cho phép công nghệ LTE và 5G hoạt động độc lập trong phổ tần dùng chung và không được cấp phép, tạo điều kiện cho các dịch vụ riêng, kiến trúc mạng máy chủ trung lập và mạng công nghiệp.
Bảng 2.2: Các băng tần số 5G mới
6 GHz Châu Âu 3.4-3.8 400 MHz 24.25-27.35 3.1 GHz Trung Quốc 3.3-3.6 300 MHz
Phổ tần cho dịch vụ 5G đang gặp nhiều thách thức, với một số dải tần số mới được xem xét trong NR 5G, như thể hiện trong bảng 2.2 Các nhà khai thác và nhà sản xuất thiết bị phải lựa chọn giữa các tùy chọn khác nhau để xác định phổ tần, bao gồm tái canh, mua mới và hợp tác Hiện nay, sự kết hợp hiệu quả để hướng tới sự hài hòa toàn cầu xoay quanh các dải tần số 3-4GHz được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới, mặc dù ở Hoa Kỳ, mức độ áp dụng vẫn còn hạn chế.
Thiết kế dạng sóng cho 5G
CP-OFDM có một số hạn chế khiến nó không phải là dạng sóng tối ưu cho tất cả các ứng dụng 5G Tuy nhiên, nhờ vào những ưu điểm và tính tương thích ngược, OFDM vẫn sẽ là dạng sóng chính trong các hệ thống 5G Để khắc phục những hạn chế này, một số sửa đổi đã được đề xuất nhằm cải thiện khả năng ứng dụng của nó trong 5G, đặc biệt là các vấn đề liên quan đến SCS cố định trong 4G LTE, chi phí CP và mức phát xạ OOB cao.
Internet vạn vật (IoT) đóng vai trò quan trọng trong sự tăng trưởng của người dùng 5G, với các thiết bị IoT như cảm biến gửi các gói dữ liệu ngắn hạn Trong khi đó, eMBB yêu cầu truyền tải khối lượng dữ liệu lớn trong thời gian ngắn Sự khác biệt trong các xung đột vận chuyển làm cho CP-OFDM với SCS cố định không chính xác Đối với ứng dụng IoT, 5G cần hỗ trợ chế độ truyền với độ trễ rất thấp, yêu cầu khung ngắn và thời gian truyền (TTI) ngắn Để tối ưu hóa hiệu quả năng lượng cho các thiết bị giá rẻ, cần giảm thiểu thời gian truyền Việc phát xạ OOB có thể được cải thiện bằng cách áp dụng cửa sổ miền thời gian, giúp làm mượt quá trình chuyển đổi giữa các ký hiệu.
Các tham số OFDM được thiết kế để hỗ trợ triển khai các phổ tần khác nhau Hiện tại, giá trị SCS là 15, 30 và 60.
120, 240 và 480 kHz Kích thước FFT tối đa hiện được đặt thành 4096 và số khối tài nguyên (RB) tối đa có thể được truyền cũng tăng lên đến 275 (hoặc
Sóng mang con 3300 mang lại nhiều lợi thế trong việc triển khai phổ tần và cho phép truyền tải hiệu quả hơn Chẳng hạn, trong công nghệ LTE, việc sử dụng sóng mang con này giúp cải thiện đáng kể hiệu suất truyền thông.
Với việc áp dụng bộ số liệu mới, chúng ta có thể sử dụng tới 99 MHz trong phổ tần 100 MHz có sẵn, từ đó cho phép triển khai 18 MHz trong phổ tần 20 MHz Một ví dụ về triển khai 100 MHz có thể bao gồm các tham số như SCS = 30 kHz và kích thước FFT = 4096, dẫn đến tần số lấy mẫu lên tới 122.88 MHz, gấp 4 lần so với LTE trong khi sử dụng phổ tần lớn hơn 5 lần.
Hệ thống OFDMA linh hoạt là yếu tố quan trọng để triển khai hiệu quả các dịch vụ 5G Các dải tần số thấp hơn dự kiến sẽ được sử dụng cho triển khai rộng rãi với SCS nhỏ hơn và độ dài khung phụ lớn hơn, trong khi dải tần số cao hơn sẽ phục vụ cho các triển khai dày đặc với SCS lớn hơn Khả năng triển khai này có thể được phát triển từ một hệ thống số học linh hoạt Để giảm phát xạ OOB, các giải pháp dựa trên cửa sổ và lọc đã được áp dụng cho OFDM, bao gồm F-OFDM, Wola-OFDM, UF-OFDM và các bộ lọc đa sóng mang.
(FBMC) và các giải pháp khác đã được đề xuất cho dạng sóng mới trong 5G và hơn thế nữa.
Công nghệ đa truy cập từ 1G đến 5G
Các kỹ thuật đa truy cập trong hệ thống tế bào đã phát triển qua các thế hệ Ở thế hệ đầu tiên, FDMA chia dải tần số thành các kênh tần số cho người dùng Thế hệ thứ hai áp dụng TDMA và CDMA, trong đó TDMA sử dụng khe thời gian và CDMA sử dụng chuỗi PN Độ phức tạp của máy thu TDMA tăng theo tốc độ dữ liệu, thứ tự điều chế và số lượng anten Thế hệ thứ ba triển khai CDMA với băng thông lớn hơn và khái niệm kênh chia sẻ, phân bổ tài nguyên vật lý cho người dùng qua khe thời gian và mã PN Độ phức tạp công nghệ CDMA cũng tăng khi tốc độ dữ liệu tăng, dẫn đến băng thông WCDMA yêu cầu khả năng xử lý cao hơn để triệt tiêu nhiễu hiệu quả.
Hình 2.7 Kỹ thuật thông tin đường lên và đường xuống
Thế hệ thứ tư của các hệ thống tế bào đã áp dụng công nghệ OFDMA và duy trì khái niệm kênh chia sẻ, trong đó tài nguyên vật lý bao gồm các khe thời gian và sóng mang con tần số Công nghệ này đảm bảo tính khả dụng của tài nguyên và duy trì băng thông thông tin ở mức mong muốn Nhờ vào việc sử dụng xử lý tín hiệu miền tần số và tần số tuần hoàn, độ phức tạp của máy thu trở nên quản lý được, điều này cũng lý giải tại sao thế hệ thứ năm tiếp tục lựa chọn OFDMA.
Hình 2.8 Miền tốc độ của hai người dùng DL và UL
Hình 2.7 minh họa sự khác biệt giữa các liên kết thông tin Downlink (DL) và Uplink (UL), trong đó DL bắt đầu với tín hiệu chung cho tất cả các người dùng (UE) trong tế bào, mỗi UE có vị trí vật lý khác nhau và trải qua quá trình pha đinh đa đường khác nhau, ký hiệu là h i, cùng với tạp âm cộng tính n i Ngược lại, UL bắt đầu bằng việc truyền tín hiệu riêng lẻ, bị suy hao do các pha đinh khác nhau, và những tín hiệu này được tổng hợp tại ăng ten thu trạm gốc, nơi trạm gốc thêm tạp âm cộng tính Hình 2.8 thể hiện các vùng tốc độ của đa truy cập DL và UL cho hai người dùng, với các phép đo OMA được biểu diễn bằng đường liền nét và sự chống lại mã hóa chồng chất bằng đường đứt nét, trong đó đường cong bên trái thể hiện dung lượng DL và đường cong bên phải thể hiện dung lượng UL.
Đa truy cập không trực giao là gì?
Trong hệ thống đa truy cập trực giao (OMA) như TDMA và FDMA, tài nguyên được phân bổ để tránh nhiễu giữa người dùng, nhưng số lượng người dùng bị giới hạn bởi tài nguyên có sẵn Ngược lại, đa truy cập không trực giao (NOMA) cho phép sử dụng nhiễu trong phân bổ tài nguyên, với các kỹ thuật loại bỏ nhiễu như loại bỏ nhiễu liên tiếp (SIC) và bộ tách nhiều người dùng (MUD) nhằm giảm thiểu nhiễu NOMA hiện đang được 3GPP xem xét trong Phiên bản 16.
Hình 2.9 Sự phân bố phổ và công suất của NOMA và OMA
NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access) là một công nghệ cho phép nhiều người dùng chia sẻ tài nguyên mà không cần kết nối trực tiếp, từ đó nâng cao thông lượng cho cả người dùng lẫn hệ thống Công nghệ này có thể được triển khai trong các miền khác nhau như miền công suất, miền mã, và nhiều miền khác.
Miền công suất NOMA tận dụng sự khác biệt cường độ kênh giữa người dùng, cho phép đạt được lưu lượng tối ưu trong mạng đơn bào Hình 2.7 và 2.8 minh họa rõ ràng kỹ thuật đa truy cập này Đồ họa trong Hình 2.9 so sánh phân bổ phổ tần và công suất của NOMA với OMA Trong các hệ thống NOMA, hai người dùng có thể chia sẻ cùng một dải phổ tần, với mỗi người dùng được phân bổ một mức công suất khác nhau.
Các sơ đồ NOMA miền mã sử dụng các phương pháp phát hiện đa người dùng với độ phức tạp thấp, như đa truy cập mã thưa (SCMA), đa truy nhập phân chia xen kẽ (IDMA) và phân tán mật độ thấp (LDS)-CDMA, là những ví dụ tiêu biểu trong lĩnh vực này.
Một số lợi ích có thể có khi sử dụng NOMA là:
NOMA không bị giới hạn bởi số lượng tài nguyên trực giao như OMA, cho phép hỗ trợ số lượng người dùng không giới hạn, điều này tạo ra khả năng kết nối lớn hơn.
Độ trễ thấp hơn của OMA so với NOMA là nhờ OMA chờ các khối tài nguyên có sẵn để truyền, trong khi NOMA hỗ trợ truyền lịch biểu linh hoạt và truyền miễn phí.
Hiệu suất phổ tần được cải thiện (bps/Hz) trong công nghệ NOMA cho phép mỗi người dùng sử dụng toàn bộ băng thông, trong khi người dùng OMA chỉ có thể sử dụng một lượng hạn chế So với OMA, tốc độ dữ liệu của những người dùng được phân nhóm đúng trong NOMA có thể được tăng cường đáng kể.
Các thành phần hệ thống tế bào của NOMA là:
Nhóm nhiều người dùng, tức là quyết định những người dùng nào sẽ được nhóm lại với nhau để triển khai NOMA
Phân bổ tài nguyên (công suất, mã, v.v.), ví dụ đối với trường hợp NOMA miền công suất, người dùng có chênh lệch công suất lớn là thuận lợi
Các kỹ thuật khử nhiễu SIC hoặc MUD để loại bỏ sự thêm vào NOMA được điều khiển
Với công nghệ SIC hoặc MUD, NOMA có khả năng hỗ trợ khái niệm đa truy cập, nhằm đáp ứng nhu cầu tăng trưởng dung lượng hệ thống và thông lượng người dùng trong tương lai Sự gia tăng này đặt ra những thách thức mới, yêu cầu nghiên cứu các giải pháp sáng tạo Việc lựa chọn công nghệ truy cập vô tuyến là rất quan trọng, và NOMA được xem là một giải pháp tiềm năng để giải quyết các nhu cầu này.
Kết luận chương 2
Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về mạng tế bào 5G, nhấn mạnh vào các kỹ thuật đa truy cập trực giao và không trực giao cùng kiến trúc mạng qua các thế hệ công nghệ Các yêu cầu IMT-2020 cho 5G như tăng băng thông rộng di động, độ tin cậy cao và độ trễ thấp đã được thảo luận, cùng với các sửa đổi cần thiết như OFDM linh hoạt Bên cạnh đó, các thành phần kỹ thuật chính của mạng không dây 5G như massive MIMO, RAN và SDN cũng được giải quyết, đồng thời nêu rõ ưu điểm và vấn đề của CP-OFDM, cùng với hướng đi khả thi cho thiết kế dạng sóng mới.