GIỚI THIỆU VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO
Giới thiệu
Chương này tổng quan về sự phát triển của hệ thống thông tin di động, bắt đầu với trích dẫn từ cuộc trò chuyện qua mạng di động của Martin Cooper vào ngày 3 tháng 4 năm 1973.
Cuộc gọi đầu tiên từ một chiếc điện thoại di động cầm tay thực sự, cụ thể là Motorola DynaTAC nặng khoảng 2.5 lbs và có giá khoảng 9.000 USD, đã khởi đầu một phong trào thay đổi cuộc sống cho nhiều người Sự thay đổi này không chỉ dừng lại ở việc hỗ trợ người dùng di động mà còn thúc đẩy sự phát triển của các thiết bị phức tạp như điện thoại thông minh ngày nay Những thiết bị này đáp ứng nhu cầu liên lạc dữ liệu và giọng nói, đồng thời cung cấp nhiều ứng dụng hỗ trợ như kết nối với bạn bè qua mạng xã hội, chơi game trực tuyến, sản xuất và tiêu thụ nội dung video, thực hiện các phép đo y tế, và sử dụng các dịch vụ dựa trên định vị.
Các thiết bị không dây phát triển theo định luật Moore sẽ tiếp tục là tâm điểm trong ngành công nghệ di động, mang đến những tính năng mới và đặc điểm hấp dẫn, nhằm mang lại lợi ích tối đa 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 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 khả năng ứng dụng gói nhỏ Các tài nguyên không cần sự cho phép trong UL NR được gọi là “cho phép trước”, nghĩa là các thông số kỹ thuật được cấu hình trước sẽ được sử dụng cho việc 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) như FDMA, TDMA, CDMA và OFDMA Bài viết cũng đề cập đến các phương pháp song công cho thông tin hai chiều, bao gồm song công phân chia theo thời gian (TDD) và song công phân chia theo tần số (FDD), cùng với các tài nguyên vật lý thực tế được gán 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 được đề cập đều thuộc dạng đa truy cập “trực giao” (OMA), nơi mà người dùng không gây nhiễu cho nhau khi chia sẻ phương tiện không dây Tuy nhiên, sự truy cập này bị giới hạn bởi số lượng tài nguyên có sẵn, dẫn đến tính chất trực giao giữa chúng Ngược lại, với CDMA, việc truyền tín hiệu từ thiết bị không dây đến trạm gốc không mang tính chất 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 đồng thời CDMA phân biệt người dùng bằng các mã PN, cho phép tất cả truyền tải cùng lúc trên toàn bộ kênh tần số OFDMA phân bổ người dùng vào các kênh tần số khác nhau tại các khe thời gian khác nhau Hệ thống 5G tiếp tục sử dụng OFDMA với khả năng điều chỉnh khoảng cách giữa các sóng mang con và độ dài khe thời gian, nhằm đáp ứng các yêu cầu đa dạng Dự kiến, 5G sẽ áp 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 cái nhìn tổng quan về các kỹ thuật truy cập khác nhau sẽ được thảo luận trong phần này, 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 yêu cầu tốc độ dữ liệu cao hơn, điều này làm cho nhu cầu tăng cường hiệu quả phổ trở nên cấp thiết hơn theo thời gian.
Mỗi thế hệ tế bào không chỉ mang lại hiệu suất cao hơn mà còn tích hợp thêm nhiều 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 trong quá trình phát triển của các thế hệ di động Ban đầu, chúng ta chỉ có khả năng gọi điện, sau đó chuyển sang dịch vụ thoại và tin nhắn ngắn (SMS) trong mạng 2G Đến 3G, khả năng dữ liệu được cải thiện với các dịch vụ chuyển mạch gói, mở ra nhiều cơ hội mới cho người dùng.
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 cách mạng hóa 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 thế hệ tiếp theo 5G hứa hẹn sẽ nâng cao hơn nữa các khả năng này, mở ra cơ hội cho việc phát triển các sản phẩm sáng tạo.
DL là hướng truyền thông từ trạm phát sóng (BS) đến thiết bị cầm tay hoặc thiết bị người dùng (UE) Ngược lại, UL là hướng truyền thông từ các UE đến BS, bao gồm cả quyền truy cập ngẫu nhiên, trong đó các UE cố gắng tiếp cận tài nguyên của hệ thống thông tin từ trạng thái khởi động hoặc khi bắt đầu một giao dịch mới.
Phương pháp phân tách giao tiếp tải xuống (DL) và tải lên (UL) được gọi là song công, và thao tác này có thể thực hiện trong miền thời gian.
Trong TDD, các khe thời gian được phân bổ cho tải xuống (DL) và tải lên (UL) theo cách linh hoạt, trong khi FDD sử dụng tần số riêng biệt cho DL và UL.
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 chia sẻ, không cần phổ ghép Ngoài ra, TDD còn hỗ trợ chế độ xem kênh đối xứng, cho phép sử dụng các phép đo UL trong kỹ thuật thông tin.
FDD (Frequency Division Duplex) có ưu điểm là yêu cầu đồng bộ thời gian ít hơn, nhưng do tần số DL và UL được phân tách, các phép đo UL có thể không hữu ích cho kỹ thuật thông tin DL vì không đảm bảo tính tương hỗ.
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.
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 di động từ 1G đến 4G, cho thấy sự gia tăng độ phức tạp của hệ thống khi 2G và 3G ra đời Tuy nhiên, ngành công nghiệp đã chuyển mình để thống nhất vào một tiêu chuẩn 4G duy nhất, dẫn đến sự gia tăng độ phức tạp trong phát triển 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 tăng cao về thông lượng hệ thống và số lượng 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 áp 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” 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 ưu điểm và nhược điểm của từng thế hệ, đồng thời chỉ ra cơ hội và thách thức cho các hệ thống thông tin di động thế hệ tiếp theo Qua đó, người đọc có thể nắm bắt những vấn đề 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, trong đó lõi 5G (5GC) thay thế EPC và 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 cho mạng Các phần tử của 5GC cũng sẽ được đề cập 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 các nhà khai thác có thể đầu tư vào dịch vụ 5G mà không gặp rủi ro Việc duy trì một tiêu chuẩn di động toàn cầu duy nhất là rất quan trọng Các động lực chính của 5G bao gồm sự gia tăng hiệu suất và khả năng kết nối.
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 không độc lập (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 sẽ mang đến tốc độ dữ liệu cao thông qua kết nối kép, trong khi triển khai độc lập sẽ cung cấp khả năng phân luồng dữ liệu và điều khiển hiệu quả hơn.
5G tại Trung Quốc đã được xác định qua sơ đồ của ITU, như thể hiện trong Hình 2.2 Ba trường hợp sử dụng chính, nằm ở các góc của tam giác, 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 trải nghiệm thực tế ảo/thực tế tăng cường thời gian thực Việc áp dụng các kỹ thuật độ trễ thấp đã bắt đầu từ LTE nhằm hỗ trợ chuyển đổi mạng cho các dịch vụ 5G đa dạng Hệ thống mạng tế bào 5G dự kiến sẽ cung cấp hỗ trợ cho 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 nhiều trường hợp sử dụng và triển khai phổ tần, bao gồm cả băng tần dưới và trên 6 GHz Nó cung cấp các khe thời gian linh hoạt cùng với băng thông truyền tải rộng, đáp ứng nhu cầu đa dạng của người dùng.
Kiến trúc mạng đã được cải thiện để hỗ trợ xu hướng đám mây trong ngành CNTT, bao gồm các công nghệ SDN/NFV, lát cắt mạng và tính toán cạnh đa truy cập, giúp giảm độ trễ và nâng cao hiệu suất mạng.
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 băng thông 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 sẽ thương mại hóa vào khoảng năm 2019/2020, đang phát triển mạnh mẽ với khả năng hỗ trợ dung lượng hệ thống khổng lồ và độ trễ thấp hơn nhiều so với mạng 4G hiện tại Mạng 5G có thể kết nối khoảng 1000 lần thiết bị trên mỗi km², đáp ứng các yêu cầu khắt khe của công nghệ hiện đại Để đạt được điều 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 được sử dụng để biểu thị số lượng lớn hơn 64 phần tử ăng ten trong xử lý tín hiệu ăng ten 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, bằng cách kết hợp tín hiệu từ nhiều ăng ten Các ăng ten trong hệ thống này có khả năng cung cấp tăng ích mảng bằng cách tập trung năng lượng vào hướng mong muốn và vô hiệu hóa tín hiệu không mong muốn, tạo thành chùm Đồng thời, chúng cũng cung cấp mức tăng ghép kênh không gian bằng cách gửi các luồng dữ liệu độc lập qua mỗi 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 cho 4G và 5G, cho phép tạo búp sóng hiệu quả với các mảng ăng ten được sắp xếp theo nhiều hình dạng như tuyến tính, hình chữ nhật hoặc hình tròn Việc sử dụng dải tần số cao dẫn đến việc phát triển các mảng ăng ten quy mô lớn và nhỏ gọn nhờ vào bước sóng ngắn hơn Hệ thống Massive MIMO có thể triển khai theo phương pháp song công FDD hoặc TDD, trong đó TDD cho phép người dùng tận dụng định lý tương hỗ để tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn.
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, toàn bộ công suất chỉ có thể được quan sát khi hạng ma trận kênh đạt tối đa, tức là bằng 4.
Ghép kênh không gian trong LTE đã chứng minh hiệu quả, do đó, việc áp dụng nó trong 5G với quy mô lớn 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 phù hợp.
Việc gửi 256 lớp cho một người dùng trong môi trường 256 × 256 là một thách thức lớn, lý do khiến 5G giới hạn số lớp DL mỗi người dùng chỉ còn 8 Độ phức tạp khi triển khai massive MIMO trong miền số là rất cao Chùm tia lai được giới thiệu 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 phần có thể được dùng để tạo ra chùm tia, trong khi phần còn lại phục vụ cho việc ghép kênh 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 dữ liệu như thể chúng đến từ một nguồn ghép kênh duy nhất, với các trọng số chùm tia có khả năng tạo ra chùm tia theo phương vị và độ cao.
Khi xem xét chùm tia, tăng ích mảng có nhiều ứng dụng quan trọng như mở rộng vùng phủ sóng, giảm công suất phát của thiết bị trên liên kết lên (UL), và cải thiện tỷ lệ nhiễu tín hiệu trên nhiễu tạp âm (SINR) Những cải tiến này không chỉ dẫn đến thông lượng người dùng cao hơn mà còn giảm công suất truyền trên liên kết xuống (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 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 có nhiều ứng dụng khác nhau cho các dịch vụ eMBB, uRLLC và mMTC, trong đó số lượng ăng ten DL và UL tối đa được nghiên cứu 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 quản lý mạng, hỗ trợ triển khai các tính năng mới và cải thiện khả năng di động Đồng thời, nó 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 sau đó mở rộng xuống các lớp phần mềm giao thức ở phía vật lý.
Việc chuyển sang SDN giúp các nhà khai thác mạng chủ động triển khai nhiều trường hợp sử dụng khác nhau, với lợi ích nổi bật là lát cắt mạng Kỹ thuật này cho phép mạng tự động kết hợp các chức năng truy cập và mạng lõi để đáp ứng các yêu cầu cụ thể như độ trễ và băng thông Xu hướng này đã bắt đầu từ 4G, khi một bộ dịch vụ đa dạng xuất hiện, và 3GPP đang tích cực phát triển LTE để đáp ứng nhu cầu này Kiến trúc mạng LTE cần linh hoạt và mở rộng hơn khi giới thiệu dịch vụ 5G, và lát cắt mạng được đề xuất như một giải pháp hỗ trợ cho các trường hợp sử dụng đa dạng này.
Lát cắt mạng tạo ra 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 tập hợp các chức năng mạng, cung cấp mạng logic hoàn chỉnh từ đầu đến cuối để đảm bảo hiệu suất Chẳng hạn, kỹ thuật thông tin mMTC yêu cầu dung lượng người dùng mà không cần độ trễ thấp, trong khi xe tự lái lại đòi hỏi độ trễ thấp mà không cần 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 thiết bị người dùng thông qua mạng truy cập, được hỗ trợ bởi điện toán sương mù Cạnh của mạng, như ăng ten trong các đầu vô tuyến từ xa (RRH), kết nối với mạng truy cập vô tuyến (RAN), mang lại nhiều lợi ích cho việc tính toán tại rìa Một trong những lý do quan trọng nhất là giảm độ trễ mà ứng dụng di động gặp phải khi kết nối với máy chủ Khi máy chủ MEC gần rìa hơn, độ trễ giảm xuống, giúp cải thiện trải nghiệm người dùng Ví dụ, độ trễ < 1 ms là cần thiết cho robot công nghiệp và xe tự lái, trong khi độ trễ < 10 ms hỗ trợ ứng dụng thực tế tăng cường, và độ trễ < 100 ms là đủ 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) Việc 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 cần xử lý, 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 hỗ trợ băng thông tối đa 20 MHz, với tốc độ dữ liệu người dùng tăng nhờ vào các công nghệ như HOM, MIMO và CA Mặc dù hiện tại chỉ có thể hỗ trợ tối đa 5 CA, nhưng các thông số kỹ thuật LTE 3GPP cho phép lên tới 32 nhà mạng, mở ra nhiều cơ hội để cải thiện tốc độ dữ liệu Để đạt tốc độ Gbps, các nhà khai thác thường cần tổng hợp phổ tần được cấp phép và không được cấp phép thông qua truy cập có giấy phép Đặc biệt, 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, nhưng băng thông thấp hơn cũng có thể cung cấp dịch vụ 5G Sự phân bổ phổ tần phân mảnh và nhu cầu về tính linh hoạt trong các tham số OFDMA là rất quan trọng 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 và tổng băng thông 150 MHz, được điều chỉnh bởi khung ủy quyền phổ ba tầng nhằm chia sẻ giữa 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 sẽ không chỉ thay đổi về băng thông ở các dải tần số thấp, trung bình và cao, mà còn yêu cầu phương pháp song công cũng phải thích ứng Nhiều nhà khai thác đang chuyển hướng sang cung cấp dịch vụ 5G tốc độ cao khoảng 1Gb/giây qua kết nối không dây, thay vì chỉ dựa vào sóng mm trong giai đoạn triển khai ban đầu, đồng thời hỗ trợ ứng dụng băng rộng di động Cách tiếp cận này sẽ thúc đẩy sự phát triển của hệ sinh thái sóng mm, cho phép công nghệ 5G tương thích với các thiết bị chạy bằng pin Các nghiên cứu hiện tại cho thấy phổ tần được cấp phép luôn được tận dụng, bên cạnh đó có sáng kiến hỗ trợ dịch vụ sử dụng phổ tần không được cấp phép như WiFi Liên minh MulteFire cho phép sử dụng công nghệ LTE và 5G độc lập trong phổ tần chung và không được cấp phép, từ đó tạo điều kiện cho các dịch vụ riêng biệt và kiến trúc mạng linh hoạt.
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 phải đối mặt với nhiều tùy chọn để xác định phổ tần, bao gồm tái canh, mua mới và hợp tác Hiện tại, sự kết hợp hiệu quả xoay quanh các dải tần số 3-4GHz đang được hướng tới sự hài hòa toàn cầu, mặc dù ở Hoa Kỳ, việc sử dụng các dải tần này vẫn còn hạn chế.
Thiết kế dạng sóng cho 5G
CP-OFDM, mặc dù có những hạn chế nhất định khiến nó không phải là dạng sóng tối ưu cho tất cả các ứng dụng 5G, vẫn sẽ là dạng sóng chính nhờ vào những ưu điểm của nó và khả năng tương thích ngược Tuy nhiên, để khắc phục những hạn chế như SCS cố định trong 4G LTE, chi phí CP và sự phát xạ OOB cao, một số sửa đổi đã được đề xuất nhằm làm cho CP-OFDM phù hợp hơn với các ứng dụng 5G.
Internet vạn vật (IoT) đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển nhanh chóng của người dùng 5G, với các thiết bị IoT như cảm biến gửi dữ liệu ngắn và có công suất hạn chế Trong khi đó, eMBB yêu cầu truyền tải khối lượng dữ liệu lớn trong thời gian ngắn Các đặc điểm khác nhau của các xung đột trong quá trình vận chuyển khiến CP-OFDM với SCS cố định không chính xác Để phục vụ các ứng dụng IoT, sóng 5G cần hỗ trợ chế độ truyền với độ trễ rất thấp thông qua các khung ngắn Để đạt được truyền độ trễ thấp, cần thiết lập TTI rất ngắn và giảm thiểu thời gian hoạt động của các thiết bị giá rẻ để tối ưu hóa hiệu quả năng lượng 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 symbol.
Các tham số OFDM đã được thiết kế nhằm hỗ trợ việc triển khai các phổ tần khác nhau Hiện tại, giá trị SCS được sử dụng 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 giúp tối ưu hóa quá trình truyền dữ liệu.
Với việc áp dụng bộ số liệu mới, chúng ta có thể khai thác tới 99 MHz trong phổ tần 100 MHz có sẵn, thay vì chỉ 18 MHz từ phổ tần 20 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 đạt 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 các triển khai rộng rãi với SCS nhỏ và độ dài khung phụ lớn, trong khi dải tần số cao hơn sẽ phục vụ cho các triển khai dày đặc với SCS lớn hơn Khả năng này dễ dàng đạt được nhờ vào hệ thống số học linh hoạt Để giảm phát xạ OOB, nhiều giải pháp như lọc và cửa sổ được áp dụng cho OFDM, bao gồm F-OFDM, Wola-OFDM và UF-OFDM, cùng với 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 Thế hệ đầu tiên sử dụng FDMA, phân chia dải tần số thành các kênh tần số cho từng người dùng Sang thế hệ thứ hai, TDMA và CDMA được áp dụng, trong đó TDMA sử dụng khe thời gian làm tài nguyên, còn CDMA sử dụng mã PN Độ phức tạp của máy thu TDMA tăng lên khi tốc độ dữ liệu, thứ tự điều chế và số lượng anten gia tăng Thế hệ thứ ba triển khai CDMA với băng thông lớn hơn và khái niệm kênh chia sẻ, phân bổ tài nguyên cho người dùng qua khe thời gian và mã PN Độ phức tạp công nghệ CDMA cũng gia tăng theo tốc độ dữ liệu, dẫn đến băng thông WCDMA cần 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 băng thông thông tin luôn 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, là lý do khiến 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 DL và UL, trong đó DL bắt đầu với một tín hiệu chung cho tất cả các 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 riêng n i Ngược lại, UL bắt đầu bằng việc truyền 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 có thêm tạp âm cộng tính Hình 2.8 thể hiện 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; 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 nội bào giữa người dùng, giới hạn số lượng người dùng theo tài nguyên sẵn có Ngược lại, đa truy cập không trực giao (NOMA) cho phép sử dụng nhiễu nội bào trong phân bổ tài nguyên, kèm theo các kỹ thuật loại bỏ nhiễu như loại bỏ nhiễu liên tiếp (SIC) và bộ tách nhiều người dùng (MUD) để 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, hay Non-Orthogonal Multiple Access, là một phương pháp không trực giao giúp tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên cho nhiều người dùng, từ đó nâng cao thông lượng cho cả người dùng lẫn hệ thống Phương pháp này có thể áp dụng trong các miền như công suất, mã, và nhiều miền khác.
Miền công suất NOMA tận dụng sự khác biệt cường độ kênh giữa người dùng, là một kỹ thuật đa truy cập tối ưu hóa lưu lượng trong mạng đơn bào, như được minh họa trong Hình 2.7 và 2.8 Việc phân bổ phổ tần và công suất cho miền công suất NOMA được so sánh với OMA qua đồ họa trong Hình 2.9 Trong các hệ thống NOMA, hai người dùng có thể chia sẻ cùng một dải phổ tần, với mỗi người dùng nhận được 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, trong đó có 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 tối ưu hóa khả năng truy cập và hiệu suất truyền tải dữ liệu.
Một số lợi ích có thể có khi sử dụng NOMA là:
NOMA có khả năng hỗ trợ số lượng người dùng không giới hạn, trong khi OMA lại bị giới hạn bởi số lượng tài nguyên trực giao Điều này cho thấy NOMA mang lại tiềm năng kết nối lớn hơn so với OMA.
OMA có độ trễ thấp hơn vì phải chờ các khối tài nguyên có sẵn để truyền, trong khi NOMA hỗ trợ truyền lịch biểu linh hoạt và truyền miễn phí, giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền tải.
Hiệu suất phổ tần được cải thiện đáng kể (bps/Hz) nhờ vào việc mỗi người dùng NOMA có khả năng sử dụng toàn bộ băng thông, trong khi người dùng OMA chỉ được phép sử dụng một lượng băng thông hạn chế So với OMA, tốc độ dữ liệu của người dùng được phân nhóm hợp lý trong NOMA có thể được tăng cường rõ rệt.
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 thông qua SIC hoặc MUD, giúp gia tăng dung lượng hệ thống và thông lượng người dùng trong tương lai Tuy nhiên, sự gia tăng này cũng đặt ra những thách thức mới, yêu cầu chúng ta nghiên cứu các giải pháp sáng tạo Lựa chọn công nghệ truy cập vô tuyến sẽ đóng vai trò quan trọng, và NOMA được xem là một giải pháp tiềm năng để đáp ứng nhu cầu của các hệ thống trong tương lai.
Kết luận chương 2
Trong chương này, chúng ta khám phá tổng quan về mạng tế bào 5G với sự chú trọng vào các kỹ thuật đa truy cập trực giao và không trực giao, cùng kiến trúc mạng của các thế hệ công nghệ tế bào Các yêu cầu IMT-2020 cho 5G, bao gồm 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 để đáp ứng các yêu cầu này Ngoài ra, các thành phần kỹ thuật chính của mạng không dây 5G như massive MIMO, RAN và SDN cũng đã được đề cập Cuối cùng, chúng tôi đã liệt kê các ưu điểm và vấn đề của CP-OFDM, đồng thời phác thảo hướng đi khả thi cho thiết kế dạng sóng mới.