GIỚI THIỆU VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO
Giới thiệu
Chương này tóm tắt sự tiến hóa 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 thời điểm lịch sử khi tôi gọi cho bạn từ một điện thoại di động thực sự, đó là Motorola DynaTAC nặng khoảng 2.5 lbs và có giá khoảng 9.000 USD, một phong trào đã bắt đầu, thay đổi cuộc sống của nhiều người Sự thay đổi này không chỉ hỗ trợ người dùng di động mà còn thúc đẩy sự phát triển của các thiết bị phức tạp hơn, như điện thoại thông minh ngày nay Những thiết bị này không chỉ đáp ứng nhu cầu liên lạc cơ bản mà còn mang đến nhiều ứng dụng hữu ích, từ kết nối với bạn bè qua mạng xã hội đến chơi game 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.
Các thiết bị không dây, được phát triển dựa trên định luật Moore, tiếp tục giữ vai trò quan trọng trong việc giới thiệu các tính năng mới và đặc điểm hấp dẫn, mang lại nhiều lợi ích cho người dùng cuối trong lĩnh vực công nghệ di động.
Chương này tập trung vào các công nghệ điều khiển quan trọng cho thiết kế hệ thống vô tuyến 5G mới, đặc biệt là các giải pháp hỗ trợ dịch vụ 5G trong truyền dẫn đường lên (UL) Các 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 đã 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 hiện nay sử dụng nhiều kỹ thuật đa truy cập (MA), bao gồm FDMA, TDMA, CDMA và OFDMA Ngoài ra, bài viết cũng đề cập đến các phương pháp song công như song công phân chia theo thời gian (TDD) và song công phân chia theo tần số (FDD), liên quan đến việc truyền tải thông tin hai chiều và phân bổ tài nguyên vật lý cho từng người dùng.
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 chia sẻ phương tiện không dây mà không gây nhiễu cho nhau Tuy nhiên, chúng bị giới hạn bởi số lượng tài nguyên có sẵn, tạo ra sự trực giao giữa các kết nối Ngược lại, trong CDMA, việc truyền tín hiệu từ thiết bị không dây đến đế 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 nhiều người dùng truy cập vào hệ thống CDMA sử dụng mã PN để phân biệt người dùng, cho phép tất cả cùng truyền trên toàn bộ kênh tần số Đối với OFDMA, người dùng được phân bổ cho các kênh tần số khác nhau tại các khe thời gian khác nhau Hệ thống 5G tiếp tục sử dụng OFDMA với khoảng cách giữa các sóng mang con và độ dài khe thời gian linh hoạt, nhằm đáp ứng các yêu cầu đa dạng Dự kiến, 5G sẽ áp dụng NOMA để nâng cao hiệu suất truyền tải.
Hình 1.1 Một cái nhìn tổng quan về các kỹ thuật đa truy cập khác nhau
Hình 1.1 giới thiệu tổng quan về các kỹ thuật truy cập khác nhau sẽ được thảo luận, so sánh chúng theo 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 2G, 3G, 4G và 5G so với tốc độ dữ liệu đỉnh lý thuyết Mỗi thế hệ tiêu chuẩn mới đều đòi hỏi tốc độ dữ liệu cao hơn, dẫn đến nhu cầu gia tăng về hiệu quả phổ ngày càng trở nên rõ rệt.
Mỗi thế hệ tế bào không chỉ kỳ vọng vào hiệu suất cao hơn mà còn mang đến các tính năng mới Hình 1.3 minh họa sự gia tăng khả năng của người dùng và các tính năng dự kiến qua các thế hệ di động Bắt đầu từ việc chỉ sử dụng giọng nói, chúng ta đã tiến xa với dịch vụ thoại và tin nhắn ngắn (SMS) trong 2G, và khả năng dữ liệu đã được cải thiện đáng kể trong 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 mở rộng cho Internet vạn vật (IoT), phương tiện đến mọi thứ (V2X) và thiết bị đến thiết bị (D2D) Hệ thống di động thế hệ tiếp theo 5G dự kiến sẽ nâng cao khả năng sử dụng, mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các sản phẩm sáng tạo.
DL là hướng giao tiếp từ trạm phát sóng (BS) đến thiết bị người dùng (UE), trong khi UL là hướng giao tiếp từ các UE đến BS UL bao gồm quyền truy cập ngẫu nhiên, cho phép các UE cố gắng truy cập tài nguyên hệ thống thông tin từ trạng thái bật nguồn hoặc khi bắt đầu một giao dịch mới.
Phương pháp phân tách giao tiếp DL và UL được gọi là song công, có thể thực hiện trong miền thời gian (TDD) hoặc tần số (FDD) Trong TDD, các khe thời gian được phân bổ cho DL và UL, trong khi FDD cho phép truyền UL và DL diễn ra đồng thời trên các tần số khác nhau.
DL diễn ra đồng thời trên nhiều dải tần số khác nhau TDD mang lại lợi ích với việc chỉ cần một phổ duy nhất và được chia sẻ, không cần phổ ghép Hơn nữa, TDD hỗ trợ chế độ xem kênh đối xứng, cho phép các phép đo UL được sử dụng cho kỹ thuật thông tin.
FDD (Frequency Division Duplex) có ưu điểm là yêu cầu đồng bộ thời gian ít hơn Tuy nhiên, do sự phân tách tần số giữa đường truyền xuống (DL) và đường truyền lên (UL), các phép đo từ UL có thể không hỗ trợ hiệu quả cho kỹ thuật thông tin của DL, vì không thể đảm bảo tính tương hỗ giữa chúng.
Độ trễ, hay thời gian truy cập tài nguyên mạng, ngày càng trở thành một chỉ số quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất hệ thống, bất kể phương pháp sử dụng là gì.
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 ưu điểm cũng như lợi thế phát triển của chúng Hình 1.1 minh họa sự phát triển tiêu chuẩn của mạng tế bào từ 1G đến 4G, cho thấy sự gia tăng độ phức tạp của hệ thống trong giai đoạn 2G và 3G Tuy nhiên, ngành công nghiệp đã chuyển mình để hội tụ vào một tiêu chuẩn 4G duy nhất, đi kèm với sự gia tăng độ phức tạp.
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 cho các nhà khai thác trong việc đáp ứng nhu cầu tăng cao về thông lượng hệ thống và người dùng Ngành công nghiệp đang chuyển hướng không chỉ vào việc sử dụng phổ tần được cấp phép truyền thống mà còn khai thác 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
Hệ thống di động thế hệ đầu tiên (1G) cho phép liên lạc bằng giọng nói thông qua việc chuyển giao cuộc gọi giữa các trạm gốc khi người dùng di chuyển Công nghệ sử dụng là điều chế tần số (FM) tương tự, với phổ tần được chia thành các kênh 30 kHz Mỗi cuộc gọi sử dụng toàn bộ kênh, và hệ thống này được biết đến với tên gọi dịch vụ điện thoại di động tiên tiến (AMPS) Để mở rộng vùng phủ sóng, kỹ thuật tái sử dụng tần số đã được áp dụng, cho phép các kênh cùng tần số được sử dụng lại bởi người dùng khác nếu khoảng cách đủ lớn để giảm thiểu nhiễu đồng kênh và nhiễu giữa các tế bào.
Kết luận chương 1
Chương 1: "Giới thiệu về thông tin di động tế bào" trình bày lịch sử phát triển và quá trình hình thành 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 cũng phân tích các ưu điểm và nhược điểm của từng thế hệ hệ thống thông tin di động, đồng thời chỉ ra cơ hội và thách thức cho các hệ thống di động thế hệ tiếp theo Qua đó, người đọc sẽ nắm bắt được những vấn đề cơ bản và cốt lõi của hệ thống thông tin di động, làm nền tảng cho việc nghiên cứu các hệ thống tương lai.
TỔNG QUAN VỀ MẠNG 5G
Sơ đồ kiến trúc mạng của 5G
Sơ đồ khối kiến trúc mạng 5G được thể hiện trong Hình 2.1, với lõi 5G (5GC) thay thế EPC 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), trong khi gNodeB thay thế eNodeB Việc phát triển 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 để hỗ trợ các tùy chọn phân tách RAN, mang lại nhiều lợi ích Các phần tử của 5GC sẽ được trình bày chi tiết hơn trong bài viết.
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
Các hệ thống mạng tế bào 5G cần cải thiện tính năng và hiệu suất thông qua LTE để tránh việc các nhà khai thác đầu tư vốn phải cam kết triển khai dịch vụ 5G Điều quan trọng là chúng ta đã duy trì một tiêu chuẩn di động toàn cầu duy nhất.
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 triển khai độc lập (SA) và không độc lập (NSA) Triển khai NSA sử dụng LTE để mở rộng vùng phủ sóng, với mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu kết nối với EPC đang phát triển Các dịch vụ 5G mang đến tốc độ dữ liệu cao thông qua kết nối kép, trong khi triển khai độc lập cung cấp khả năng phân luồng dữ liệu và điều khiển hiệu quả hơn.
CN 5G được xác định qua sơ đồ của ITU trong Hình 2.2, với ba trường hợp sử dụng chính đại diện cho các ứng dụng tiềm năng của 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 kỹ thuật độ trễ thấp đã bắt đầu từ LTE nhằm hỗ trợ chuyển đổi mạng cho các dịch vụ 5G Hệ thống mạng tế bào 5G dự kiến sẽ đáp ứng các trường hợp sử 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 trường hợp sử dụng và triển khai phổ tần, bao gồm băng tần dưới và trên 6 GHz, với các khe thời gian linh hoạt và băng thông truyền tải rộng.
Kiến trúc mạng đã được cải thiện để hỗ trợ xu hướng đám mây trong ngành CNTT, bao gồm SDN/NFV, lát cắt mạng, và tính toán cạnh đa truy cập, giúp giảm độ trễ và nâng cao hiệu suất.
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 giữa hiệu quả phổ tần và công suất với chi phí hợp lý, kết hợp với mã phân cực và các mã sửa lỗi thuận khác.
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 hơn, độ trễ thấp hơn và khả năng kết nối lên tới 1000 thiết bị trên mỗi km² Để đáp ứng các yêu cầu này, nhiều công nghệ mới như massive MIMO, mạng 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, giúp cải thiện hiệu suất truyền tải Công nghệ này dựa vào định luật số lớn để giảm thiểu các nhược điểm của kênh và phần cứng, như nhiễu và pha đinh, khi kết hợp tín hiệu từ nhiều ăng ten Massive MIMO cho phép hai tùy chọn: tăng cường năng lượng theo hướng mong muốn và loại bỏ tín hiệu không mong muốn thông qua việc tạo chùm, hoặc cung cấp mức tăng ghép kênh không gian bằng cách gửi các luồng dữ liệu độc lập qua 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 quan trọng trong việc tạo búp sóng, với khả năng sắp xếp các mảng ăng ten theo nhiều hình dạng khác nhau như tuyến tính, hình chữ nhật hoặc hình tròn Công nghệ này sẽ được áp dụng cho các mạng 4G và 5G, nhờ vào việc sử dụng các dải tần số cao dẫn đến việc tạo ra các mảng ăng ten lớn nhưng nhỏ gọn do bước sóng ngắn Massive MIMO có thể triển khai qua các phương pháp song công FDD hoặc TDD, trong đó hệ thống TDD cho phép người dùng áp dụng định lý tương hỗ để tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn.
Việc áp dụng công nghệ massive MIMO cho ghép kênh không gian đã trở thành xu hướng phổ biến trong 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, toàn bộ công suất chỉ có thể được quan sát nếu hạng ma trận kênh đạt mức tối đa, tức là 4.
Ghép kênh không gian trong LTE đã chứng minh hiệu quả, vì vậy việc tiếp tục áp dụng công nghệ này 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 đòi hỏi phải thiết kế một mảng MIMO một cách tối ưu.
Việc gửi 256 lớp cho một người dùng trong mạng 5G là một thách thức lớn, dẫn đến việc giới hạn số lượng lớp DL trên mỗi người dùng chỉ còn 8 Độ phức tạp trong việc triển khai massive MIMO trong miền số là một yếu tố quan trọng Chùm tia lai được đề xuất như một giải pháp 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 hoặc định hình chùm, trong khi số còn lại được dùng để ghép kênh các người dùng khác thông qua mảng ăng ten, được gọi là MIMO nhiều người dùng (MU-MIMO) Trong mô hình này, nhiều người dùng có thể truyền tải và nhận các tập hợp dữ liệu của họ như thể chúng đến từ một nguồn ghép kênh duy nhất, với các trọng số chùm tia cho phép tạo ra chùm tia theo phương vị và hướng độ cao.
Khi xem xét chùm tia, tăng ích mảng có nhiều ứng dụng khác nhau Nó có thể mở rộng vùng phủ sóng, giảm công suất phát của thiết bị trên UL, cải thiện tỷ lệ nhiễu tín hiệu trên nhiễu tạp âm (SINR) để tăng thông lượng người dùng, và giảm công suất truyền trên DL, từ đó nâng cao hiệu quả công suất tổng thể.
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 hiện tượng 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 được 3GPP đưa ra cho thấy nhiều ứng dụng khác nhau cho các dịch vụ 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 dễ dàng giám sát mạng, hỗ trợ các tính năng mới và cải thiện khả năng di động Đồng thời, chúng cũng tạo ra cơ hội cho các nhà cung cấp dịch vụ mới, như gã khổng lồ dịch vụ Internet và nhà cung cấp dịch vụ cáp, thiết lập sự hiện diện trong lĩnh vực mạng không dây Giai đoạn đầu tiên của việc áp dụng là ảo hóa các chức năng quan trọng như EPC (vEPC), sau đó mở rộng xuống các lớp phần mềm giao thức trong hạ tầng vật lý.
Việc chuyển sang SDN giúp các nhà khai thác mạng chủ động triển khai nhiều trường hợp sử dụng khác nhau, trong đó có lợi ích của kỹ thuật lát cắt mạng Kỹ thuật này cho phép mạng tự động kết hợp các chức năng truy cập và chức năng mạng lõi để đáp ứng các yêu cầu cụ thể như độ trễ và băng thông Xu hướng này đã bắt đầu từ 4G với sự xuất hiện của các dịch vụ đa dạng, và 3GPP đang phát triển LTE để đáp ứng nhu cầu này Chúng ta kỳ vọng nhu cầu sẽ gia tăng, tạo ra yêu cầu đa dạng hơn Kiến trúc mạng LTE cần linh hoạt và mở rộng hơn khi dịch vụ 5G được giới thiệu, và lát cắt mạng là giải pháp hỗ trợ cho các trường hợp sử dụng này.
Lát cắt mạng tạo ra các kiến trúc mạng ảo dựa trên SDN và NFV, cho phép tối ưu hóa hạ tầng vật lý chia sẻ để đáp ứng yêu cầu của ứng dụng và dịch vụ Các mạng ảo này bao gồm tập hợp các chức năng mạng, cung cấp mạng logic hoàn chỉnh từ đầu đến cuối nhằm đảm bảo hiệu suất Ví dụ, mMTC yêu cầu dung lượng người dùng cao mà không cần độ trễ thấp, trong khi xe tự lái cần độ trễ thấp mà không yêu cầu dịch vụ eMBB với băng thông 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 hơn với các thiết bị người dùng thông qua mạng truy cập, được hỗ trợ bởi điện toán sương mù Các ăng ten trong đầu vô tuyến từ xa (RRH) kết nối với mạng truy cập vô tuyến (RAN) giúp giảm độ trễ cho ứng dụng di động Việc đặt máy chủ MEC gần rìa mạng giúp giảm thiểu thời gian kết nối, từ đó cải thiện trải nghiệm người dùng Độ trễ lý tưởng cho các ứng dụng công nghiệp như robot và lái xe tự động là dưới 1 ms, trong khi các ứng dụng thực tế tăng cường yêu cầu độ trễ dưới 10 ms, và các ứng dụng lái xe hỗ trợ cần độ trễ dưới 100 ms.
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) Việc này không chỉ giúp giảm độ trễ ứng dụng mà còn làm giảm lưu lượng đường trục, nhờ vào việc không gửi đồng thời các gói lớn vào mạng để xử lý và sau đó gửi tất cả 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, cho phép tăng tốc độ dữ liệu người dùng thông qua các công nghệ như HOM, MIMO và kỹ thuật CA Mặc dù hiện tại chỉ hỗ trợ tối đa 5 CA, nhưng các thông số kỹ thuật LTE 3GPP có khả năng hỗ trợ tới 32 nhà mạng, mở ra cơ hội lớn để nâng cao 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, với băng tần 46 (B46) từ 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, nhưng 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), còn có tùy chọn sử dụng phổ tần dịch vụ vô tuyến băng rộng của băng dân sự (CBRS) với phạm vi từ 3.55-3.7 GHz và tổng băng thông 150 MHz CBRS được điều chỉnh bởi khung ủy quyền phổ ba tầng, cho phép 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 hỗ trợ đang được chú trọng, với mong đợi về khả năng sử dụng băng thông ở các dải tần số thấp, trung bình và cao Một số nhà khai thác đang chuyển hướng sang truy cập không dây để cung cấp dịch vụ 5G tốc độ cao khoảng 1Gb/giây, thay vì chỉ tập trung vào các dải sóng mm, nhằm hỗ trợ các ứng dụng băng rộng di động Phương pháp này sẽ thúc đẩy sự phát triển của hệ sinh thái sóng mm, cho phép các công nghệ 5G hoạt động hiệu quả trên các 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 khai thác, bên cạnh sáng kiến hỗ trợ các dịch vụ sử dụng phổ tần không được cấp phép như WiFi Liên minh MulteFire cho phép công nghệ LTE và 5G hoạt động độc lập trong phổ tần dùng chung và không được cấp phép, mở ra cơ hội cho các dịch vụ riêng lẻ và kiến trúc mạng đa dạng.
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 Các nhà khai thác và nhà sản xuất thiết bị cần lựa chọn giữa các tùy chọn như tái canh, mua mới hoặc hợp tác để xác định phổ tần Hiện tại, sự kết hợp hiệu quả hướng tới sự hài hòa toàn cầu chủ yếu xoay quanh các dải tần số 3-4GHz, mặc dù mức độ này vẫn chưa phổ biến tại Hoa Kỳ.
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 làm cho OFDM phù hợp hơn với ứng dụng 5G, trong đó SCS cố định (trong 4G LTE), chi phí CP và sự phát xạ OOB cao là những vấn đề quan trọng nhất.
Internet vạn vật (IoT) đóng vai trò quan trọng trong sự bùng nổ người dùng 5G, với các thiết bị IoT như cảm biến gửi gói dữ liệu ngắn hạn Ngược lại, eMBB yêu cầu truyền tải khối lượng dữ liệu lớn trong thời gian ngắn Sự khác biệt trong các xung động gây khó khăn cho CP-OFDM với SCS cố định, dẫn đến dạng sóng không chính xác Đối với ứng dụng IoT, 5G cần hỗ trợ truyền tải với độ trễ thấp nhờ vào các khung rất ngắn Để đạt được truyền tải độ trễ thấp, cần có TTI ngắn và giảm thiểu thời gian cho các thiết bị giá rẻ Việc phát xạ OOB có thể được cải thiện bằng cách áp dụng cửa sổ miền thời gian để làm mượt quá trình chuyển đổi giữa các ký hiệu.
Các tham số OFDM đã được phát triển để hỗ trợ việc triển khai các phổ tần khác nhau, với giá trị SCS hiện tại bao gồm 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 Một ví dụ điển hình là việc sử dụng LTE trong công nghệ truyền thông hiện đại.
Với việc áp dụng bộ số liệu mới, 18 MHz trong phổ tần 20 MHz có sẵn cho phép sử dụng lên đến 99 MHz trong tổng số 100 MHz Khi triển khai 100 MHz, các tham số như SCS = 30 kHz và kích thước FFT = 4096 sẽ dẫn đến tần số lấy mẫu là 122.88 MHz, gấp 4 lần so với LTE trong khi sử dụng phổ tần lớn gấp 5 lần.
Hệ thống OFDMA linh hoạt là yếu tố quan trọng cho việc triển khai hiệu quả các dịch vụ 5G Các dải tần số thấp hơn sẽ được sử dụng cho triển khai trên diện rộng 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 dễ dàng đạt được nhờ vào một hệ thống số học linh hoạt Để giảm phát xạ OOB, các giải pháp như F-OFDM, Wola-OFDM, UF-OFDM, FBMC và các phương pháp lọc khác đã được đề xuất cho các dạng sóng mới trong 5G và các ứng dụng tương lai.
Công nghệ đa truy cập từ 1G đến 5G
Trong các hệ thống tế bào, nhiều kỹ thuật đa truy cập đã được triển khai qua các thế hệ Thế hệ đầu tiên sử dụng FDMA, chia dải tần số thành các kênh và phân bổ người dùng Thế hệ thứ hai chuyển sang TDMA và CDMA, trong đó dải tần số được chia thành các kênh nhỏ hơn; TDMA sử dụng thời gian làm tài nguyên, trong khi CDMA sử dụng mã PN Độ phức tạp của máy thu TDMA gia tăng theo tốc độ dữ liệu, thứ tự điều chế và số lượng anten Thế hệ thứ ba tiếp tục phát triển CDMA với băng thông lớn hơn và khái niệm kênh chia sẻ, trong đó tài nguyên vật lý bao gồm khe thời gian và mã PN Độ phức tạp của công nghệ CDMA cũng tăng theo tốc độ dữ liệu, với băng thông WCDMA yêu cầu 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, duy trì khái niệm kênh chia sẻ với tài nguyên vật lý bao gồm các khe thời gian và sóng mang con tần số Công nghệ này giúp bảo đảm tính khả dụng của tài nguyên và băng thông thông tin ở mức mong muốn Nhờ vào việc sử dụng xử lý tín hiệu trong miền tần số và tần số tuần hoàn, độ phức tạp của máy thu được quản lý hiệu quả Đây cũng là lý do mà 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 cho thấy sự khác biệt giữa các liên kết thông tin tải xuống (DL) và tải lên (UL) Trong DL, tín hiệu chung được truyền đi, bao gồm tổng của tất cả các thiết bị người dùng (UE) trong tế bào, mỗi UE ở vị trí khác nhau và trải qua quá trình pha đinh đa đường khác nhau, ký hiệu là h i, cùng với tạp âm cộng tính riêng, ký hiệu là n i Ngược lại, UL bắt đầu với tín hiệu riêng lẻ bị suy hao do pha đinh khác nhau, và các tín hiệu này được tổng hợp tại ăng ten thu trạm gốc, nơi 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 so sánh OMA được thể hiện bằng đường liền nét và sự chống lại mã hóa chồng chất bằng đường đứt nét Đường cong bên trái biểu thị dung lượng DL và đường cong bên phải biểu thị 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 một cách trực giao giữa các người dùng để tránh nhiễu nội bào, giới hạn số lượng người dùng theo tài nguyên có sẵn Ngược lại, đa truy cập không trực giao (NOMA) cho phép sử dụng nhiễu nội bào 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 phương pháp truy cập không trực giao, cho phép nhiều người dùng chia sẻ tài nguyên, từ đó nâng cao thông lượng cho từng người dùng cũng như toàn bộ hệ thống Phương pháp này có thể được triển khai trong các miền như công suất, mã hoặc các miền khác.
Miền công suất NOMA tận dụng sự khác biệt về cường độ kênh giữa các người dùng, tạo ra một kỹ thuật đa truy cập hiệu quả cho lưu lượng tối ưu trong mạng đơn bào Hình 2.7 và 2.8 minh họa rõ ràng phương pháp 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 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, bao gồm đa truy cập mã thưa (SCMA), đa truy nhập phân chia xen kẽ (IDMA) và phân tán mật độ thấp (LDS)-CDMA Những sơ đồ này nổi bật trong việc cải thiện hiệu suất truyền thông trong môi trường đa người dùng.
Một số lợi ích có thể có khi sử dụng NOMA là:
NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access) có khả năng hỗ trợ một số lượng người dùng không giới hạn, trong khi OMA (Orthogonal Multiple Access) bị giới hạn bởi số lượng tài nguyên trực giao Điều này cho thấy NOMA mang lại tiềm năng kết nối lớn hơn, cho phép tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên trong mạng.
Độ trễ thấp hơn của OMA so với NOMA được thể hiện qua việc OMA phải chờ các khối tài nguyên có sẵn để truyền đi, trong khi NOMA cho phép truyền lịch biểu linh hoạt và truyền miễn phí, giúp cải thiện hiệu suất truyền tải.
Hiệu suất phổ tần (bps/Hz) của NOMA được cải thiện nhờ việc mỗi người dùng có thể sử dụng toàn bộ băng thông, trong khi OMA chỉ cho phép sử dụng một lượng hạn chế So với OMA, tốc độ dữ liệu của người dùng được phân nhóm đúng trong NOMA có thể được tăng lên 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
NOMA có thể hỗ trợ khái niệm đa truy cập với SIC hoặc MUD, giúp tăng cường dung lượng hệ thống và thông lượng người dùng trong tương lai Sự gia tăng này đặt ra thách thức, yêu cầu chúng ta nghiên cứu các giải pháp mới Công nghệ truy cập vô tuyến là yếu tố quan trọng, và NOMA được xem là lựa chọn tiềm năng để đáp ứng nhu cầu hệ thống trong tương lai.
Kết luận chương 2
Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về mạng tế bào 5G, tập trung vào các kỹ thuật đa truy cập trực giao và không trực giao cũng như kiến trúc mạng qua các thế hệ công nghệ Yêu cầu IMT-2020 cho 5G bao gồm băng thông rộng di động tăng cường, kỹ thuật thông tin từ máy cỡ lớn đến máy, độ tin cậy cao và độ trễ thấp Các sửa đổi như OFDM linh hoạt được đề xuất để đáp ứng các yêu cầu này Bên cạnh đó, các thành phần kỹ thuật chính của mạng không dây 5G như massive MIMO, RAN và SDN cũng đã được thảo luận Cuối cùng, chương cũng liệt kê ưu điểm và vấn đề của CP-OFDM, đồng thời vạch ra hướng khả thi cho thiết kế dạng sóng mới.