GIỚI THIỆU
Sự tiến hóa của công nghệ không dây
Sự phát triển công nghệ không dây đã làm cho giao tiếp trở nên dễ dàng và phổ biến hơn Hệ thống truyền thông không dây phát sóng từ một nguồn cố định, bao phủ một khu vực rộng lớn Tín hiệu trong hệ thống này được chia thành hai loại chính: tín hiệu tương tự và tín hiệu kỹ thuật số.
Tín hiệu tương tự là tín hiệu liên tục với các đại lượng thay đổi theo thời gian, như điện áp hay áp suất Chúng được sử dụng để đo lường sự biến đổi của nhiều hiện tượng vật lý, bao gồm âm thanh, ánh sáng, độ ẩm, áp suất và nhiệt độ.
Tín hiệu kỹ thuật số thể hiện dữ liệu dưới dạng chuỗi chữ số nhị phân, cho phép truyền tải thông tin trong các mức tương tự rời rạc.
Tín hiệu kỹ thuật số đóng vai trò quan trọng trong mọi thiết bị điện tử kỹ thuật số, đặc biệt là trong các thiết bị truyền dữ liệu và tính toán.
Tín hiệu tương tự bị ảnh hưởng bởi đặc tính của sóng trong quá trình truyền âm thanh và có thể bị tác động bởi nhiều yếu tố khác Ngược lại, tín hiệu kỹ thuật số dựa vào sóng để truyền dữ liệu và thường không chịu ảnh hưởng từ các yếu tố bên ngoài.
Ví dụ về tín hiệu tương tự là giọng nói của con người, điện thoại tương tự, nhiệt kế, v.v
Ví dụ về tín hiệu kỹ thuật số bao gồm điện thoại kỹ thuật số, bút kỹ thuật số và máy tính Sự khác biệt giữa tín hiệu tương tự và tín hiệu kỹ thuật số có thể được hiểu qua một số yếu tố quan trọng.
Lúc đầu, tín hiệu tương tự rất khó phân tích, trong khi tín hiệu kỹ thuật số rất dễ phân tích
Tín hiệu tương tự yêu cầu thời gian để lưu trữ và có khả năng lưu trữ vô hạn, trong khi tín hiệu kỹ thuật số có thể được lưu trữ một cách dễ dàng hơn.
Tín hiệu tương tự tạo ra nhiều nhiễu trong khi tín hiệu kỹ thuật số không tạo ra nhiễu
Tín hiệu tương tự có sự biểu diễn liên tục của tín hiệu trong khi tín hiệu số có sự biểu diễn không liên tục của tín hiệu
Trong thế giới hiện đại, tín hiệu tương tự không còn được sử dụng trong giao tiếp qua mạng điện thoại, mà hoàn toàn phụ thuộc vào tín hiệu kỹ thuật số với tần số từ 300 MHz đến 100 GHz Sau khi đã tìm hiểu về cách thức hoạt động của mạng truyền thông, chúng ta sẽ xem xét các thế hệ công nghệ không dây di động đã phát triển trong 40 năm qua Nhu cầu thông tin di động hiện nay yêu cầu tích hợp công nghệ không dây vào các mạng hiện có như mạng diện rộng (WAN) và mạng cục bộ (LAN).
Nhu cầu về công nghệ thông tin di động ngày càng tăng, yêu cầu sự tiên tiến và khả năng tương thích giữa các dịch vụ di động từ các thế hệ khác nhau Sự thích ứng của công nghệ là yếu tố quan trọng để đáp ứng nhu cầu này.
Trong bài viết này, chúng tôi đã thảo luận về sự phát triển của các công nghệ thế hệ di động từ 0G đến 1G, 2G, 3G, 4G và 5G
1.1.1 Mạng di động tương tự 1G
1G là thế hệ đầu tiên của công nghệ di động không dây, được giới thiệu vào những năm 1980 Công nghệ này sử dụng tín hiệu analog và chỉ hỗ trợ các cuộc gọi thoại, đánh dấu sự khởi đầu của viễn thông di động.
Tính năng mạng di động tương tự 1G
- Đặc tính 1G: Giao tiếp không dây đầu tiên
- Băng thông: Viễn thông tương tự (30KHz)
- Dung lượng (tốc độ dữ liệu): 2kbps
- Công nghệ: Analog cellular Điện thoại di động sử dụng công nghệ 1G có:
- Chất lượng giọng nói kém
- Điện thoại di động lớn
2G là thế hệ thứ 2 của công nghệ di động không dây Mạng di động 2G ra đời ở Phần Lan vào năm 1991 trên tiêu chuẩn GSM
Vào ngày 27 tháng 3 năm 1991, Radiolinja GSM đã thực hiện cuộc gọi điện thoại GSM đầu tiên trên thế giới, đánh dấu sự chuyển mình từ công nghệ liên lạc tương tự sang kỹ thuật số.
Mạng di động không dây 2G là công nghệ viễn thông kỹ thuật số, cung cấp khả năng mã hóa cuộc gọi và tin nhắn văn bản, đồng thời hỗ trợ các dịch vụ dữ liệu như SMS, MMS và tin nhắn hình ảnh.
Các tính năng của điện thoại di động 2G
- Đặc tính 2G: Viễn thông kỹ thuật số
- Dung lượng (tốc độ dữ liệu): 64kbps
- Công nghệ: Di động kỹ thuật số, GSM
Mạng 2.5G là công nghệ chuyển mạch gói mới giữa thế hệ thứ hai và thứ ba 2,5G hiệu quả hơn công nghệ 2G dẫn đến mạng 2,75G Khả năng 2.5G thường được kết hợp với Dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS)
- Công nghệ di động 2G với GPRS
1.1.3 3G: Mạng dữ liệu IP tốc độ cao
3G đề cập đến một đặc tả ITU cho thế hệ thứ 3 của công nghệ viễn thông di động không dây
Viễn thông di động 3G được giới thiệu lần đầu tiên vào tháng 5 năm
2001 dưới dạng tiền phát hành của công nghệ W-CDMA vào ngày 1 tháng 10 năm 2001, mạng 3G được NTT DoCoMo ra mắt thương mại tại Nhật Bản
Công nghệ 3G là sự nâng cấp cho mạng GPRS 2,5G và 2,5G, hứa hẹn tăng băng thông và tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn
Mạng 3G hoạt động trên các giao diện không dây như GSM, CDMA và TDMA cũng như giao diện không dây EDGE
- Đặc tính 3G: Kỹ thuật số băng thông rộng, tăng tốc độ, liên lạc nhanh, gọi video
- Dung lượng (tốc độ dữ liệu): 144kbps - 2Mbps
- Công nghệ: CDMA, UMTS, EDGE
1.1.4 4G: Sự phát triển của băng thông rộng di động
4G, thế hệ thứ 4 của công nghệ thông tin di động băng rộng, được giới thiệu vào năm 2008 và chính thức ra mắt trên toàn cầu bởi nhà mạng TeliaSonera vào ngày 14/12/2009.
Công nghệ 4G hỗ trợ truy cập web di động với nhiều tính năng cao cấp hơn Mạng 4G cung cấp các khả năng được ITU xác định trong IMT Advanced
Công nghệ 4G cũng cung cấp hội nghị truyền hình, TV di động HD,
TV 3D, dịch vụ chơi game và các tính năng khác đòi hỏi tốc độ cao
Tiến hóa dài hạn thế hệ thứ tư (4G LTE)
4G LTE, viết tắt của Long Term Evolution, là thế hệ thứ tư của công nghệ di động, mang đến kết nối đáng tin cậy và tốc độ nhanh hơn gấp 10 lần so với 3G, cải thiện trải nghiệm Internet di động Đặc biệt, 4G còn nhanh hơn cả LTE.
So sánh công nghệ trước và 5G
• Sự khác biệt chính giữa 1G và 2G
Sự khác biệt lớn nhất giữa mạng di động 1G và 2G nằm ở loại tín hiệu sử dụng; 1G sử dụng tín hiệu tương tự, trong khi 2G áp dụng công nghệ tín hiệu kỹ thuật số Điều này cho phép 2G cung cấp các dịch vụ thoại và dữ liệu, bao gồm cả dịch vụ tin nhắn văn bản.
• Sự khác biệt giữa 2G và 3G
Sự khác biệt chính giữa mạng 2G và 3G là mạng GSM (2G) chỉ cung cấp giao tiếp thoại và video qua GPRS, trong khi mạng 3G mang đến internet tốc độ cao, giao tiếp video nhanh chóng và hội nghị truyền hình Tốc độ truyền dữ liệu của mạng 2G chỉ đạt 200-300 Kbps, trong khi mạng 3G có thể tải xuống với tốc độ lên đến 42 Mbps Nhìn chung, mạng 3G vượt trội hơn hẳn và hoạt động nhanh hơn so với mạng 2G.
• Sự khác biệt giữa 3G và 4G
Sự khác biệt chính giữa mạng 3G và 4G nằm ở tốc độ, với 4G nhanh gấp mười lần so với 3G Mạng 3G cung cấp băng thông dữ liệu tối đa 21 Mbps, trong khi 4G có thể đạt băng thông tối đa lên đến 1 Gbps, mang lại trải nghiệm internet rộng rãi hơn cho người dùng Công nghệ 3G dựa trên mạng tế bào diện rộng, trong khi 4G áp dụng kiến trúc mạng lai Hơn nữa, 3G sử dụng chuyển mạch gói để truyền dữ liệu, trong khi 4G kết hợp cả chuyển mạch gói và tin nhắn.
Mạng 3G sử dụng đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) trong khi mạng 4G sử dụng đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA)
• Sự khác biệt giữa 5G và 4G
Mạng 5G được nhiều người cho là nhanh hơn, thông minh hơn và hiệu quả hơn mạng 4G
Công nghệ 5G hứa hẹn có tốc độ siêu nhanh và chấm dứt tình trạng tắc nghẽn và quá tải
Công nghệ 4G có giới hạn kỹ thuật về lượng dữ liệu Mạng 4G có thể truyền nhanh qua các khối phổ
Một trong những điểm khác biệt chính giữa 5G và 4G là công nghệ 5G sẽ loại bỏ vấn đề tắc nghẽn và quá tải này
Công nghệ 5G dự kiến sẽ cách mạng hóa mạng di động, mở ra những cơ hội kinh tế mới cho các ngành công nghiệp dựa trên dữ liệu, cũng như trong việc quản lý cơ sở hạ tầng và phát triển thành phố thông minh.
5G mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với 4G, bao gồm tốc độ truyền tải nhanh hơn, hiệu suất tốt hơn, độ nhiễu thấp hơn, độ trễ giảm và khả năng kết nối nhiều thiết bị hơn Những cải tiến này đến từ việc sử dụng công nghệ, phổ tần và tần số mới trong mạng 5G.
Bây giờ, chúng tôi sẽ cho bạn thấy 10 điều mà mạng 5G khác với 4G:
1) Cuộc gọi Holographic hỗ trợ 5G
2) Phát sóng kỹ thuật số ở độ phân giải 8k
3) Phát trực tuyến trò chơi thực tế ảo
4) Phát sóng sự kiện với công nghệ VR
5) Phát trực tiếp sự kiện hoặc phát trực tiếp hội nghị
6) Nhà thông minh và thành phố thông minh
7) Tải xuống một lượng lớn dữ liệu trong nháy mắt
8) Phát trực tiếp trò chơi không có độ trễ như được lưu trữ trên thiết bị
9) Công nghệ 5G có thể cải thiện công nghệ thực tế tăng cường
10) Mạng 5G sẽ thúc đẩy việc áp dụng ô tô tự lái
Ưu điểm của 5G
• Công nghệ không dây 5G là gì?
Công nghệ không dây 5G, ra mắt vào tháng 4 năm 2019, là công nghệ truyền thông tiên tiến nhất cho điện thoại thông minh Mạng 5G được nhiều người đánh giá là nhanh hơn, thông minh hơn và hiệu quả hơn so với các mạng trước đó.
Mạng 5G sẽ cung cấp dung lượng vượt trội so với 4G/LTE, với sự hiện diện rộng rãi trên toàn cầu vào cuối năm Các tháp di động được trang bị công nghệ 5G sẽ mang lại tốc độ và hiệu suất cao hơn, đáp ứng nhu cầu kết nối ngày càng tăng.
Công nghệ mạng di động 5G, thế hệ mới nhất trong lĩnh vực giao tiếp không dây, mang đến tốc độ nhanh gấp hàng trăm lần so với 4G, mở ra nhiều cơ hội mới cho điện thoại thông minh.
Công nghệ không dây 5G đã được giới thiệu vào tháng 4 năm 2019, với sự hỗ trợ từ các công ty viễn thông hàng đầu như Huawei, Samsung và Qualcomm Những công ty này đã nỗ lực phát triển các bộ vi xử lý và điện thoại di động tương thích để khai thác tối đa tiềm năng của mạng 5G Một số mẫu điện thoại di động hiện nay hỗ trợ công nghệ 5G bao gồm
Huawei Mate X, Samsung Galaxy S10 5G, OnePlus7 hoặc OnePlus 7T, Motorola Z3, Sony 5G Prototype, LG V50 THINQ, ZTE Axon 10 Pro
Sự ra mắt của công nghệ 4G mang lại niềm vui lớn với tốc độ mạng di động đạt khoảng 10-15 MB, cho phép tải ứng dụng nhanh chóng và xem video mượt mà Tuy nhiên, công nghệ 5G hứa hẹn sẽ mang đến trải nghiệm vượt trội hơn với tốc độ lên tới 1GB, nhanh gấp nhiều lần so với 4G.
Do đó, bạn sẽ nhận thấy tốc độ tải các tập tin lớn và xem video trên điện thoại ở chế độ Full HD trên YouTube không ngừng nghỉ
Nhiều yêu cầu sẽ được đáp ứng về phần cứng, đặc biệt là chip xử lý trong smartphone, cũng như phát triển dung lượng pin
Ai cũng biết mức tiêu hao năng lượng khổng lồ của 4G, nhân công nghệ này lên gấp 100 lần, đó là 5G
Mạng 5G mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với các thế hệ mạng trước, không chỉ đơn thuần là gia tăng tốc độ như sự khác biệt giữa 4G và 3G Nó hứa hẹn cải thiện hiệu suất kết nối, giảm độ trễ và hỗ trợ một lượng lớn thiết bị kết nối đồng thời, mở ra cơ hội cho các ứng dụng công nghệ mới và phát triển đô thị thông minh.
• Ưu điểm của Công nghệ 5G là gì?
Những ưu điểm nổi bật nhất của công nghệ mạng 5G có thể kể đến:
- Mạng 5G có tiềm năng cung cấp tốc độ nhanh hơn 100 lần so với mạng 4G hiện tại của chúng tôi
- 5G sẽ góp phần kết nối các thiết bị trên toàn cầu
- Duyệt internet rất, rất nhanh
- Mạng 5G có độ trễ rất thấp cho phép người dùng ít gặp phải độ trễ khi yêu cầu dữ liệu từ mạng
- 5G sẽ rất quan trọng đối với sự phát triển của điều khiển tự động và robot
- Bạn có thể sử dụng các cuộc gọi internet như cuộc gọi bình thường mà không bị cắt
- Quá trình tải xuống các tệp và video có độ phân giải cao sẽ diễn ra sau 2 giây
- Các công ty sẽ buộc phải phát triển một loại pin dung lượng rất lớn
- 5G sẽ giúp tạo ra ô tô tự lái và máy bay không người lái tự lái thành công
- 5G sẽ có mặt ở hầu hết các khu vực trên thế giới vào cuối năm 2020.
Kiến trúc 5G
Kiến trúc cơ bản của 5G
Để nắm vững kiến trúc cơ bản của 5G, cần xác định các thành phần chính của mạng truy cập di động, tập trung vào những yếu tố chung giữa 4G và 5G Điều này sẽ tạo nền tảng để hiểu rõ hơn về các tính năng nâng cao của 5G trong các phần tiếp theo.
Kiến trúc cơ bản của 5G bao gồm các phần tử quan trọng như mạng truy cập vô tuyến (RAN), bộ tổng hợp, mạng IP, nanocore, và các thành phần mạng khác.
Hình 2.1.1: Kiến trúc cơ bản của mạng 5G
5G networks utilize a flat IP architecture, enabling different Radio Access Networks (RANs) to communicate through a shared Nanocore The RANs supported by 5G architecture include GSM, GPRS/EDGE, UMTS, LTE, LTE-Advanced, WiMAX, WiFi, CDMA2000, EV-DO, and CDMA One, among others.
Kiến trúc IP phẳng sử dụng tên tượng trưng để xác định các thiết bị, khác với kiến trúc phân cấp sử dụng địa chỉ IP thông thường Kiến trúc này giúp giảm số lượng phần tử mạng trong đường dẫn dữ liệu, từ đó làm giảm chi phí và tối thiểu hóa độ trễ.
• Kiến trúc mạng phẳng loại bỏ hệ thống phân cấp tập trung từ mạng
Thay vì tích hợp một lõi dữ liệu gói trong mạng thoại, kiến trúc này tách biệt và đơn giản hóa kiến trúc dữ liệu, giúp loại bỏ nhiều phần tử không cần thiết trong chuỗi mạng.
Các chức năng BSC được phân chia giữa BS (Trạm gốc) và bộ định tuyến cổng đa phương tiện.Trạm gốc sẽ giao tiếp trực tiếp qua 3GDT
(đường hầm trực tiếp 3G), với cổng phương tiện quaWAN (Carrier
Ethernet, MW, và DWDM là những công nghệ quan trọng trong hệ thống mạng Một số chức năng chính của BSC/RNC bao gồm quản lý tài nguyên vô tuyến, kiểm soát sóng mang và phân bổ tài nguyên động, sẽ được thực hiện bởi các trạm gốc Trong khi đó, các chức năng như phân phối phân trang thư tín và bảo mật sẽ do trình quản lý di động đảm nhiệm, nằm trong bộ định tuyến Gateway.
Cách tiếp cận này mang lại nhiều lợi ích rõ ràng, bao gồm việc tiết kiệm đáng kể chi phí Capex và Opex, giảm kỳ vọng của nhà cung cấp dịch vụ và số lượng thực thể mạng Bằng cách giảm số bước nhảy trên mạng, dữ liệu di chuyển nhanh hơn giữa các điểm cuối, giúp giảm độ trễ mạng đáng kể, từ đó hỗ trợ hiệu quả các ứng dụng thời gian thực như thoại qua IP (VoIP), chơi game và hội nghị truyền hình.
Bộ tổng hợp 5G tổng hợp tất cả các lưu lượng RAN và định tuyến nó đến
Gateway là bộ tổng hợp 5G được lắp đặt tại vị trí BSC/RNC Thiết bị di động 5G sở hữu nhiều giao diện vô tuyến khác nhau cho từng công nghệ truy cập vô tuyến (RAT), nhằm hỗ trợ tất cả các công nghệ không dây và truy cập phổ hiện có.
Một thành phần quan trọng trong kiến trúc mạng 5G là 5G nanocore, tích hợp công nghệ nano, điện toán đám mây và kiến trúc All IP Điện toán đám mây sử dụng internet và các máy chủ từ xa để quản lý dữ liệu và ứng dụng của người dùng, cho phép họ truy cập ứng dụng mà không cần cài đặt và lấy tệp từ bất kỳ máy tính nào trên toàn cầu thông qua internet.
Hình 2.1.2: Lớp giao thức 5G tương ứng với lớp giao thức OSI
Lớp giao thức 5G bao gồm lớp OWA (Kiến trúc không dây mở), lớp mạng, lớp giao thức truyền tải mở, và lớp ứng dụng
Lớp OWA hoạt động như lớp vật lý và lớp liên kết dữ liệu trong giao thức OSI, cung cấp băng tần cơ sở mở để xử lý các mô-đun với tham số giao diện mở, hỗ trợ các mô-đun hiện có và tiêu chuẩn giao tiếp không dây tương lai Được thiết kế cho các lớp MAC và PHY của thiết bị di động đầu cuối 4G, lớp OWA đóng vai trò quan trọng trong việc định nghĩa khái niệm mạng 5G.
Lớp mạng đóng vai trò quan trọng trong việc định tuyến dữ liệu từ thiết bị IP nguồn đến thiết bị IP đích, đặc biệt trong môi trường mạng không dây 5G Hệ thống này được chia thành các lớp mạng dưới và trên, phản ánh thiết kế ban đầu của Internet với định tuyến dựa trên địa chỉ IP khác nhau trên toàn cầu Phần mềm trung gian giữa các lớp mạng này giúp duy trì sự chuyển đổi địa chỉ từ các mạng địa chỉ cao (IPv6) sang các mạng địa chỉ thấp hơn (IPv4 hoặc IPv6) và ngược lại.
Lớp giao thức truyền tải mở kết hợp chức năng của lớp vận chuyển và lớp phiên, đặc biệt quan trọng trong mạng di động và không dây Khác với mạng có dây, mạng không dây thường gặp tình trạng mất gói do tỷ lệ lỗi bit cao hơn Do đó, các sửa đổi và thích ứng TCP được đề xuất nhằm chỉ truyền lại các phân đoạn TCP bị mất hoặc hỏng qua liên kết không dây Đối với di động 5G, các thiết bị đầu cuối sẽ hỗ trợ tải xuống và cài đặt lớp truyền tải, cho phép tải xuống các phiên bản giao thức như TCP, RTP hoặc các giao thức truyền tải mới, phù hợp với công nghệ không dây tại các trạm gốc.
Lớp ứng dụng trong thiết bị di động 5G đóng vai trò quan trọng trong việc đánh dấu dữ liệu theo định dạng yêu cầu, thực hiện mã hóa và giải mã, cũng như chọn kết nối không dây tối ưu cho từng dịch vụ Yêu cầu chính từ thiết bị đầu cuối di động 5G là quản lý QoS thông minh trên nhiều mạng, bao gồm khả năng kiểm tra chất lượng dịch vụ và lưu trữ thông tin đo lường trong cơ sở dữ liệu Các tham số QoS như độ trễ, jitter, mất mát, băng thông và độ tin cậy sẽ được lưu trữ trong điện thoại 5G, phục vụ cho các thuật toán thông minh hoạt động trong thiết bị như quy trình hệ thống.
15 thống, và cuối cùng sẽ cung cấp kết nối không dây tốt nhất theo QoS yêu cầu và hạn chế chi phí cá nhân.
Khung kiến trúc 5G NGMN
Khung NGMN nhấn mạnh tầm quan trọng của các chức năng mạng mô-đun có khả năng triển khai và mở rộng linh hoạt để đáp ứng nhanh chóng các trường hợp sử dụng khác nhau với hiệu quả chi phí Cách tiếp cận NGMN được xây dựng dựa trên khái niệm phần mềm hóa mạng 5G, trong đó phần mềm hóa là một phương pháp tổng thể để thiết kế, thực hiện, triển khai, quản lý và duy trì thiết bị mạng và các thành phần mạng thông qua phần mềm lập trình.
Bốn cách tiếp cận để phần mềm hóa rất quan trọng trong mạng 5G vàđược phản ánh trong mô hình NGMN:
Mạng do phần mềm xác định (SDN) là một phương pháp thiết kế và vận hành mạng quy mô lớn, cho phép lập trình chuyển tiếp quyết định từ một máy chủ trung tâm đến các bộ định tuyến và bộ chuyển mạch Khác với mạng truyền thống, SDN không yêu cầu cấu hình từng thiết bị riêng lẻ và không dựa vào các giao thức cố định, mang lại sự linh hoạt và hiệu quả cao hơn trong quản lý mạng.
Ảo hóa các chức năng mạng (NFV) là quá trình chuyển đổi các chức năng mạng, như tính toán và lưu trữ, thành phần mềm và triển khai chúng trên các máy ảo Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí hạ tầng mạng.
Điện toán cạnh (Edge computing) là một kiến trúc công nghệ thông tin phân tán, nơi dữ liệu khách hàng được xử lý tại các điểm gần nhất với nguồn gốc của nó, giúp giảm độ trễ và cải thiện hiệu suất mạng.
Điện toán đám mây là một công nghệ tiên tiến, mang lại cho nhà phát triển ứng dụng và nhà cung cấp dịch vụ khả năng tận dụng cả điện toán đám mây và môi trường dịch vụ CNTT tại rìa mạng Mục tiêu của điện toán đám mây là cung cấp khả năng tính toán, lưu trữ và băng thông gần hơn với nguồn dữ liệu và người dùng cuối, từ đó nâng cao hiệu suất và trải nghiệm người dùng.
Hình 2.2.1: Khung kiến trúc NGMN bao gồm 3 lớp và quản lý End-to-end (E2E) và thực thể điều phối
Lớp tài nguyên cơ sở hạ tầng bao gồm các tài nguyên vật lý và phần mềm hệ thống của mạng hội tụ di động cố định (FMC) Hình 2.2.1 minh họa chi tiết về phần mạng lõi, bao gồm các loại thiết bị khác nhau.
Các nút đám mây cung cấp dịch vụ điện toán đám mây, phần mềm và tài nguyên lưu trữ, với khả năng có một hoặc nhiều đám mây trung tâm Chúng mang lại độ trễ thấp và quyền truy cập bảo mật cao hơn cho các thiết bị khách ở biên mạng Tất cả các nút này đều tích hợp phần mềm hệ thống ảo hóa để hỗ trợ máy ảo và hộp đựng, đồng thời NFV cho phép triển khai hiệu quả các tài nguyên.
Sự kết hợp giữa SDN và NFV cho phép tối ưu hóa tài nguyên và dịch vụ tại nút cạnh, đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng cố định và di động Điều này mang lại khả năng linh hoạt trong việc chuyển động tài nguyên cạnh, phục vụ tốt hơn cho người dùng di động.
Các nút mạng bao gồm bộ định tuyến IP và các thiết bị chuyển mạch khác, đóng vai trò quan trọng trong việc thiết lập đường dẫn vật lý cho kết nối 5G Công nghệ SDN cho phép tạo ra và quản lý các đường dẫn này một cách linh hoạt và năng động.
Các nút truy cập đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp giao diện cho các mạng truy cập vô tuyến (RAN), cho phép người dùng di động (UE) kết nối với mạng Công nghệ SDN tạo ra các đường dẫn thông qua các nút truy cập, giúp thiết lập kết nối hiệu quả cho cả hai đầu của thiết bị không dây.
Tài nguyên phần cứng và phần mềm trong lớp hạ tầng được kết nối với các lớp cao hơn thông qua các giao diện lập trình ứng dụng (API), cho phép quản lý và điều phối các thực thể Việc giám sát hiệu suất, trạng thái và cấu hình là những nhiệm vụ quan trọng của các phần trong API này.
Lớp hỗ trợ kinh doanh là một thư viện tích hợp tất cả các chức năng cần thiết trong mạng hội tụ, được tổ chức dưới dạng các khối xây dựng kiến trúc mô-đun Nó bao gồm các chức năng do các mô-đun phần mềm thực hiện, có thể truy xuất từ kho lưu trữ đến vị trí mong muốn, cùng với một tập hợp các thông số cấu hình cho các phần nhất định của mạng, chẳng hạn như truy cập vô tuyến Các thành phần cụ thể trong lớp này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất và khả năng mở rộng của mạng.
Chức năng control plane bao gồm các mô-đun chịu trách nhiệm kiểm soát các chức năng báo hiệu trong mạng, đồng thời quản lý các tín hiệu điều khiển liên quan đến SDN và NFV.
• Chức năng user plane: Các mô-đun này giải quyết việc trao đổi dữ liệu người dùng qua kết nối
Cấu hình công nghệ truy cập vô tuyến (RAT) đóng vai trò quan trọng trong việc thiết lập và quản lý các phần tử trong mạng truy cập vô tuyến (RAN), bao gồm cả các trạm gốc.
Thông tin trạng thái được tách biệt khỏi các chức năng và nút, đồng thời được quản lý một cách độc lập Điều này bao gồm việc theo dõi trạng thái của các kết nối mạng và các kênh radio RAN.
Kiến trúc 5G 3GPP
Dự án Đối tác Thế hệ thứ 3 (3GPP) bao gồm các công nghệ viễn thông như RAN, mạng vận tải cốt lõi và khả năng dịch vụ 3GPP đã phát triển các thông số kỹ thuật hệ thống toàn diện cho kiến trúc mạng 5G, tập trung vào việc cung cấp dịch vụ phong phú hơn so với các thế hệ trước.
Các dịch vụ trong mạng 5G được cung cấp thông qua một khuôn khổ chung, cho phép sử dụng các chức năng mạng một cách linh hoạt Tính mô-đun, khả năng tái sử dụng và khả năng tự ngăn chặn của các chức năng mạng là những yếu tố thiết kế quan trọng, được tích hợp theo các thông số kỹ thuật của 3GPP.
2.3.1 Phổ tần số và tần số 5G
Nhiều dải tần số đang được dành riêng cho đài phát thanh mới (NR) 5G, trong đó phần phổ vô tuyến từ 30 GHz đến 300 GHz được gọi là sóng milimét với bước sóng từ 1-10 mm Hiện nay, các tần số từ 24 GHz đến 100 GHz đã được phân bổ cho 5G tại nhiều khu vực trên toàn cầu.
Các tần số UHF từ 300 MHz đến 3 GHz, bên cạnh sóng milimet, đang được khai thác cho 5G Sự đa dạng tần số cho phép điều chỉnh theo từng ứng dụng, với tần số cao hơn mang lại băng thông lớn nhưng phạm vi ngắn Sóng milimet lý tưởng cho khu vực đông dân cư nhưng không hiệu quả cho liên lạc đường dài Trong các dải tần số dành riêng cho 5G, mỗi nhà cung cấp dịch vụ đã bắt đầu phát triển các phần riêng lẻ trong phổ 5G của họ.
2.3.2 MEC: Điện toán biên di động(Multi-Access Edge Computing) là một yếu tố quan trọng của kiến trúc 5G MEC là một bước tiến trong điện toán đám mây, mang các ứng dụng từ các trung tâm dữ liệu tập trung sang biên mạng, và do đó gần gũi hơn với người dùng cuối và thiết bị của họ Về cơ bản, điều này tạo ra một lối tắt trong việc phân phối nội dung giữa người dùng và máy chủ lưu trữ và đường dẫn mạng dài đã từng ngăn cách họ
Công nghệ MEC không chỉ quan trọng cho 5G mà còn góp phần quyết định vào hiệu quả của nó Những đặc điểm nổi bật như độ trễ thấp, băng thông cao và khả năng truy cập thông tin RAN theo thời gian thực đã tạo ra sự khác biệt cho kiến trúc 5G so với các phiên bản trước Sự hội tụ giữa mạng RAN và mạng lõi yêu cầu các nhà khai thác áp dụng những phương pháp mới trong việc kiểm tra và xác nhận mạng.
Mạng 5G, dựa trên các thông số kỹ thuật 3GPP 5G, tạo điều kiện lý tưởng cho việc triển khai MEC Các tiêu chuẩn 5G hỗ trợ tính toán biên, cho phép MEC và 5G phối hợp hiệu quả trong việc định tuyến lưu lượng Ngoài việc giảm độ trễ và tăng băng thông, việc phân bổ sức mạnh tính toán còn giúp gia tăng số lượng thiết bị kết nối, đáp ứng tốt hơn cho sự phát triển của 5G và Internet of Things (IoT).
RAN, hay Mạng Truy cập Vô tuyến, là một thành phần quan trọng trong hệ thống viễn thông, có chức năng kết nối các thiết bị với các phần khác của mạng thông qua kết nối vô tuyến không dây Với kiến trúc Open, RAN giúp tối ưu hóa hiệu suất mạng và nâng cao khả năng kết nối cho người dùng.
RAN, cơ sở hạ tầng 5G có thể không còn bị phụ thuộc vào nhu cầu về phần cứng độc quyền đắt tiền
Công nghệ Open-RAN đang nổi bật với tiềm năng triển khai mạng truy cập vô tuyến, thu hút sự quan tâm từ nhiều tổ chức và nhà sản xuất trong nghiên cứu, chế tạo và thử nghiệm Hiện nay, trên toàn cầu có nhiều nhóm nghiên cứu và phát triển Open-RAN như O-RAN Alliance, Open-RAN Policy Coalition, Telecom Infra Project, O-RAN Software Community và Small Cell Forum.
Hiệp hội O-RAN (O-RAN Alliance) được thành lập vào năm 2018 thông qua việc hợp nhất giữa Hiệp hội C-RAN và Diễn đàn XRAN, nhằm phát triển các tiêu chuẩn cho phép thiết bị từ nhiều nhà cung cấp hoạt động tương tác với nhau O-RAN tập trung vào ba lĩnh vực chính: nghiên cứu các chuẩn mới cho Open-RAN, phát triển phần mềm mở cho RAN hợp tác với tổ chức Linux, và hỗ trợ các thành viên trong việc kiểm thử và tích hợp hệ thống Tại Việt Nam, Tập đoàn Viettel và VinSmart hiện là hai thành viên của Hiệp hội O-RAN.
Theo Hiệp hội Chính sách Open-RAN, việc chuẩn hóa giao diện trong Open-RAN sẽ khuyến khích sự xuất hiện của nhiều mô hình kinh doanh khác nhau, tạo ra một thị trường quốc tế sôi động và thúc đẩy phát triển mạng di động cho 5G và các thế hệ tiếp theo Tiêu chuẩn mở sẽ cho phép nhiều nhà cung cấp hoạt động trên hệ thống có thể thay thế cho nhau, giúp giảm rào cản gia nhập thị trường cho các nhà mạng mới Open-RAN sẽ thay đổi mô hình kinh doanh cho tất cả các nhà cung cấp viễn thông, chuyển dịch vụ từ phần cứng độc quyền sang phần mềm và điện toán đám mây.
Open-RAN là một kiến trúc mạng di động mới, cho phép tích hợp các phần tử mạng từ nhiều nhà sản xuất khác nhau Khái niệm cốt lõi của Open-RAN là mở các giao thức và giao diện giữa các phần tử mạng khác nhau, bao gồm vô tuyến, phần cứng và phần mềm trong mạng RAN Việc áp dụng Open-RAN mang lại nhiều lợi ích, như tăng cường năng lực mạng, linh hoạt hơn trong việc triển khai và tiết kiệm chi phí.
3 thành phần chính trong mạng Open-RAN, gồm:
- Khối vô tuyến (RU – Radio Unit): Thu phát tín hiệu vô tuyến, khuếch đại và số hóa RU nằm gần hoặc được tích hợp vào ăng-ten
Khối phân tán (DU - Distributed Unit) có vai trò quan trọng trong việc xử lý tín hiệu và truy cập mạng thời gian thực DU có thể được triển khai một cách tập trung hoặc đặt gần trạm gốc di động để tối ưu hóa hiệu suất mạng.
- Khối tập trung (CU – Centralized Unit): Có chức năng xử lý gói tin tức
Mục tiêu của Open-RAN
Open-RAN hướng đến mục tiêu tạo ra mạng truy cập vô tuyến RAN tương lai theo hướng mở, ảo hóa và thông minh hóa:
Giao diện mở cho phép thiết bị từ các nhà cung cấp khác nhau kết nối, giúp các nhà khai thác nhỏ phát triển dịch vụ mới và cấu hình mạng theo nhu cầu riêng Điều này tạo điều kiện cho sự phát triển của một hệ sinh thái đa nhà cung cấp, thúc đẩy cạnh tranh và giảm chi phí đầu tư.
- Ảo hóa cho phép thay thế các chức năng phần cứng độc quyền bằng việc sử dụng các phần mềm mã nguồn mở và phần cứng white-box, giúp
23 cho việc thay đổi dịch vụ một cách nhanh chóng và phát triển mạng, dịch vụ một cách linh hoạt
Thông minh hóa mạng RAN cho phép triển khai hệ thống tự điều khiển, phân bổ tài nguyên vô tuyến một cách linh hoạt và tối ưu hóa mạng nhờ ứng dụng công nghệ AI/ML Điều này không chỉ đơn giản hóa hoạt động điều hành mà còn giúp giảm chi phí vận hành hiệu quả.
Kiến trúc lõi 5G
Mô hình kiến trúc 5G cung cấp một khuôn khổ trong đó chi tiếtthông số kỹ thuật có thể được phát triển
Những nguyên tắc chính cho kiến trúc:
Tách biệt chức năng của mặt phẳng người dùng (UP) khỏi mặt phẳng điều khiển (CP) giúp tăng cường khả năng mở rộng độc lập, phát triển linh hoạt và triển khai dễ dàng, cho phép lựa chọn giữa vị trí tập trung hoặc phân tán (từ xa).
- Mô đun hóa thiết kế chức năng (ví dụ: để cho network slicing linh hoạt và hiệu quả)
Khi có cơ hội, hãy xác định các thủ tục, tức là tập hợp các tương tác giữa các chức năng mạng, như những dịch vụ có thể tái sử dụng.
- Bật từng chức năng mạng (NF) và các dịch vụ chức năng mạng của nó
NFS cho phép tương tác giữa các NF khác và NFS của nó thông qua giao tiếp dịch vụ proxy, nếu cần thiết Kiến trúc này không loại trừ việc sử dụng các chức năng trung gian khác nhằm kiểm soát tuyến đường gửi tin nhắn.
Giảm thiểu sự phụ thuộc giữa mạng truy cập (AN) và lõi mạng (CN) là một yếu tố quan trọng trong kiến trúc mạng hiện đại Kiến trúc này được thiết kế với một lõi hội tụ mạng, có giao diện AN – CN chung, tích hợp các loại truy cập khác nhau, bao gồm cả truy cập 3GPP và không phải 3GPP.
- Hỗ trợ khung xác thực hợp nhất
Hỗ trợ NF không trạng thái mang lại lợi ích lớn cho việc tách biệt quy trình xử lý mô-đun và mô-đun lưu trữ dữ liệu chứa thông tin trạng thái Thiết kế này giúp NF trở nên nhanh nhẹn hơn, cải thiện khả năng mở rộng, khả năng phục hồi và đơn giản hóa quá trình triển khai.
- Hỗ trợ khả năng tiếp xúc, điều này đề cập đếnkhả năng cung cấp thông tin liên quan về khả năng mạng đểcác bên thứ ba
Hỗ trợ truy cập đồng thời vào các dịch vụ cục bộ và tập trung, mang lại độ trễ thấp và quyền truy cập hiệu quả vào mạng dữ liệu cục bộ Các chức năng UP có thể được triển khai gần với mạng truy cập, tối ưu hóa trải nghiệm người dùng.
Hỗ trợ chuyển vùng cho phép định tuyến lưu lượng không chỉ tại nhà mà còn ở khu vực cục bộ, giúp truy cập lưu lượng trong mạng di động mặt đất công cộng (PLMN) một cách hiệu quả.
Roaming là một hoạt động di chuyển của một client từ một AP này đến
AP không dây cho phép bạn duy trì kết nối liên tục, giống như việc sử dụng các thiết bị điện tử như điện thoại hay máy tính mà không cần dây cáp Bạn có thể di chuyển tự do trong một khu vực rộng lớn nhờ vào khả năng bao phủ của một điểm truy cập duy nhất.
Tất cả các sơ đồ mô tả kiến trúc về các chức năng mạng (NFs) kết nối với nhau NF là một chức năng xử lý trong mạng, xác định hành vi và giao diện Chức năng mạng có thể được triển khai dưới dạng phần tử mạng trên phần cứng chuyên dụng, như phiên bản phần mềm chạy trên phần cứng đó, hoặc dưới dạng chức năng ảo hóa trên nền tảng phù hợp.
Sự kết nối giữa các NF được biểu diễn theo hai cách:
Biểu diễn dịch vụ trong mặt phẳng điều khiển cho phép các NF được ủy quyền khác truy cập vào dịch vụ của họ Đại diện này minh họa cách mà một nhóm dịch vụ được cung cấp và tiếp xúc, tạo ra sự kết nối hiệu quả giữa các dịch vụ khác nhau.
Giao diện mạng xác định cách thức mà các chức năng mạng trong mặt phẳng điều khiển cho phép truy cập vào dịch vụ của chúng Nó cũng bao gồm các tham chiếu điểm - điểm khi cần thiết để đảm bảo sự tương tác hiệu quả giữa các chức năng mạng khác.
Biểu diễn điểm tham chiếu sử dụng liên kết điểm-điểm để thể hiện sự tương tác giữa hai NF hoặc giữa NF và mô-đun, cũng như mạng chức năng bên ngoài Phương pháp này đặc biệt hữu ích trong việc hiển thị biểu đồ chuỗi thông báo, giúp làm rõ mối quan hệ giữa các NF được sử dụng trong biểu đồ trình tự thông báo.
Hình thức biểu diễn kiến trúc mô-đun mang lại nhiều lợi thế, bao gồm việc cung cấp khuôn khổ phát triển thông số kỹ thuật chi tiết cho từng NF Các giao diện dịch vụ và điểm tham chiếu tạo điều kiện cho việc xác định sự tương tác giữa các NF thông qua định dạng dữ liệu, giao thức và lệnh gọi dịch vụ Bên cạnh đó, các thông số kỹ thuật giao diện chi tiết cũng thúc đẩy khả năng tương tác giữa các nhà cung cấp phần cứng và phần mềm khác nhau Cuối cùng, kiểu kiến trúc này đảm bảo rằng tất cả các yêu cầu chức năng và dịch vụ của 5G đều được đáp ứng đầy đủ.
2.4.4 Kiến trúc hệ thống dựa trên dịch vụ
Hình trên mô tả kiến trúc tổng thể của dịch vụ 5G không chuyển vùng (SBA) cho mạng lõi dựa trên TS 23.501 Các thành phần chức năng trong mặt phẳng điều khiển bao gồm các chức năng mạng (NFs) cung cấp dịch vụ cho các NFs khác thông qua một khuôn khổ giao diện chung Chức năng kho lưu trữ mạng (NRFs) cho phép khám phá các dịch vụ của các NFs khác, trong khi chức năng tiếp xúc mạng (NEFs) cung cấp thông tin về khả năng và dịch vụ của NF mạng lõi 5G cho các thực thể bên ngoài Mô hình này nhằm tối đa hóa tính mô-đun, khả năng tái sử dụng và khả năng tự ngăn chặn của các chức năng mạng, đồng thời thúc đẩy phát triển linh hoạt và tận dụng các chức năng mạng ảo hóa và mạng do phần mềm xác định.
- Authentication server function (AUSF): Chức năng máy chủ xác thực,thực hiện xác thực giữa UE và mạng
Chức năng quản lý di động và truy cập (AMF) là một phần cốt lõi trong hệ thống, có nhiệm vụ tiếp nhận tất cả thông tin liên quan đến kết nối và phiên từ thiết bị người dùng (UE) qua các giao thức N1 và N2 AMF chủ yếu xử lý các kết nối, thực hiện các tác vụ đăng ký, đảm bảo khả năng tiếp cận và quản lý tính di động Tất cả các tin nhắn liên quan đến quản lý phiên sẽ được chuyển tiếp đến chức năng quản lý phiên (SMF).
Cơ sở hạ tầng mạng 5G
Internet 5G là nền tảng mạng không dây toàn cầu, mang đến khả năng kết nối mọi nơi trên trái đất Đây là một thế giới thực sự không dây, cho phép người dùng truy cập Internet liên tục mà không bị giới hạn về không gian và thời gian Mạng 5G phát triển từ nền tảng 4G, nhưng cung cấp tốc độ và hiệu suất vượt trội hơn.
Kiến trúc mạng của công nghệ di động 5G đã có những cải tiến vượt bậc so với các kiến trúc trước đây Mạng 5G với mật độ tế bào cao không chỉ nâng cao hiệu suất mà còn cho phép những bước nhảy vọt về tốc độ và độ ổn định trong kết nối.
33 hiệu suất Ngoài ra, kiến trúc của mạng 5G mang lại khả năng bảo mật tốt hơn so với mạng 4G LTE hiện nay
Tóm lại, công nghệ 5G mang lại ba lợi thế chính:
▪ Tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn, lên đến tốc độ nhiều Gigabit / s
▪ Công suất lớn hơn, cung cấp năng lượng cho một lượng lớn thiết bị IoT trên mỗi km vuông
Độ trễ thấp, chỉ từ một chữ số mili giây, là yếu tố quan trọng trong các ứng dụng như xe kết nối trong hệ thống ITS và xe tự hành, nơi yêu cầu phản hồi gần như tức thì.
5G được thiết kế để hoạt động trên nhiều tần số vô tuyến, từ dưới 1 GHz đến tần số cực cao gọi là "sóng milimet" (mmWave) Tín hiệu ở tần số thấp có khả năng truyền xa hơn, trong khi tần số cao có thể truyền tải nhiều dữ liệu hơn.
Có ba dải tần số ở cốt lõi của mạng 5G:
Băng tần cao 5G (mmWave) hoạt động trong khoảng tần số từ 24 GHz đến 100 GHz, mang lại tốc độ truyền tải dữ liệu nhanh nhất Tuy nhiên, do tần số cao không thể dễ dàng xuyên qua các chướng ngại vật, nên phạm vi phủ sóng của mmWave khá hạn chế và thường yêu cầu nhiều cơ sở hạ tầng di động hơn để đảm bảo kết nối ổn định.
Băng tần trung 5G hoạt động trong khoảng 2-6 GHz, cung cấp dung lượng mạng cho cả khu vực thành phố và ngoại ô Với tốc độ cao lên đến hàng trăm Mbps, băng tần này đáp ứng nhu cầu kết nối mạnh mẽ trong các khu vực đông dân cư.
Băng tần thấp của 5G hoạt động dưới 2 GHz, cung cấp phạm vi phủ sóng rộng và sử dụng phổ tần hiện có của 4G LTE Điều này cho phép các thiết bị 5G hiện tại hoạt động với hiệu suất tương tự như 4G LTE, đồng thời hỗ trợ việc triển khai 5G cho các thiết bị trên thị trường hiện nay.
5G được phát triển với kiến trúc phân chia chức năng mạng theo từng dịch vụ, điều này làm cho nó được gọi là Kiến trúc dựa trên dịch vụ.
34 cốt lõi 5G (SBA) Sơ đồ cấu trúc liên kết mạng 5G sau đây cho thấy các thành phần chính của mạng lõi 5G:
Dưới đây là cách hoạt động:
Thiết bị Người dùng (UE), bao gồm điện thoại thông minh 5G và thiết bị di động 5G, kết nối với lõi 5G thông qua Mạng truy cập vô tuyến mới 5G và mở rộng kết nối tới Mạng dữ liệu (DN), chẳng hạn như Internet.
▪ Chức năng Quản lý Truy cập và Di động (AMF) hoạt động như một điểm vào duy nhất cho kết nối UE
▪ Dựa trên dịch vụ do UE yêu cầu, AMF chọn Chức năng quản lý phiên tương ứng (SMF) để quản lý phiên người dùng
▪ Chức năng Mặt phẳng Người dùng (UPF) vận chuyển lưu lượng dữ liệu
IP (mặt phẳng người dùng) giữa Thiết bị Người dùng (UE) và các mạng bên ngoài
▪ Chức năng Máy chủ Xác thực (AUSF) cho phép AMF xác thực UE và truy cập các dịch vụ của lõi 5G
▪ Các chức năng khác như Chức năng quản lý phiên (SMF), Chức năng kiểm soát chính sách (PCF), Chức năng ứng dụng (AF) và chức năng
Quản lý dữ liệu thống nhất (UDM) thiết lập một khung kiểm soát chính sách hiệu quả, cho phép áp dụng các quyết định chính sách một cách đồng bộ và truy cập thông tin đăng ký dễ dàng, nhằm quản lý hành vi mạng một cách tối ưu.
Bảo mật trong kiến trúc mạng 5G
Mạng 5G, với khả năng hỗ trợ đa nền tảng và siêu kết nối, tiềm ẩn nhiều nguy cơ về an ninh do số lượng thiết bị truy cập lớn Việc kiểm soát an ninh và các lỗ hổng từ người sử dụng trở thành thách thức lớn Dữ liệu mạng có thể bị đánh cắp thông qua kiểm soát truy cập tại các thiết bị đầu cuối Các mối đe dọa trong mạng 5G có thể xảy ra ở bất kỳ nút nào và có khả năng ảnh hưởng đến toàn bộ mạng, gây ra sự cố trên diện rộng Sự gia tăng số lượng các nút mạng cũng đồng nghĩa với việc các kho dữ liệu mà tin tặc có thể xâm nhập ngày càng nhiều.
35 tăng theo, đồng thời gia tăng nguy cơ tấn công và mất cắp dữ liệu với quy mô lớn và trong thời gian ngắn
Mạng 5G với kết cấu hạ tầng phức tạp tiềm ẩn nhiều kẽ hở, có thể khiến các dịch vụ trọng yếu bị kiểm soát và phá hoại, gây gián đoạn và giảm chất lượng đường truyền Điều này ảnh hưởng nghiêm trọng đến an ninh kinh tế, an ninh quốc phòng không chỉ của một quốc gia mà còn có thể lan ra cả một nhóm quốc gia hoặc an ninh quốc tế Các cuộc tấn công từ chối dịch vụ DDoS cũng có thể xảy ra trong các giai đoạn khác nhau của mạng 5G Kẻ tấn công có thể lợi dụng lỗ hổng thông tin để phát tán mã độc, xâm nhập vào các nút mạng và thiết bị đầu cuối, và khi đạt được khối lượng đủ lớn, chúng sẽ tiến hành tấn công.
Mạng lõi 5G chứa nhiều lỗ hổng bảo mật tiềm ẩn, theo các nhà khoa học từ Đại học Purdue và Đại học bang Iowa, họ đã phát hiện 11 loại lỗ hổng khác nhau trong các giao thức mạng 5G Những lỗ hổng này cho phép thực hiện các cuộc tấn công như theo dõi vị trí thiết bị, ngắt kết nối 5G trên điện thoại thông minh và truyền cảnh báo sai Việc giải quyết các vấn đề bảo mật trong giao thức hoạt động là cực kỳ quan trọng khi triển khai mạng 5G Do đó, cần xác định các thành phần liên quan đến bảo mật và an toàn thông tin trong kiến trúc mạng 5G để đưa ra các giải pháp kiểm soát và thay thế hiệu quả.
Tấn công trong mạng không dây 5G
1) Nghe lén và phân tích kênh truyền: Nghe lén là sự tấn công được sử dụng bởi một người nhận không mong muốn để chặn thông tin từ những người khác Nghe lén là tấn công thụ động vì thông tin liên lạc thông thường không ảnh hưởng bởi người nghe lén, được mô tả như Hình 4a Mặc dù là thụ động tự nhiên, nghe lén rất khó phát hiện Mã hóa tín hiệu trên đường truyền radio được ứng dụng hầu hết để chống lại sự nghe lén Người nghe lén không thể chặn tín hiệu nhận trực tiếp mặc dù mã hóa
Phân tích kênh truyền là một hình thức tấn công thụ động, cho phép người dùng không mong muốn chặn thông tin từ các nhà cung cấp dịch vụ mà không cần hiểu nội dung trong kênh truyền Điều này có nghĩa là ngay cả khi tín hiệu đã được mã hóa, phân tích kênh truyền vẫn có thể được sử dụng để mô hình hóa các nhà cung cấp dịch vụ Quan trọng là, phương pháp này không ảnh hưởng đến bên cung cấp dịch vụ hợp pháp.
Phương pháp mã hóa nhằm ngăn chặn nghe lén phụ thuộc vào sức mạnh của thuật toán và khả năng tính toán của kẻ nghe lén Các kỹ thuật như HetNet trong mạng không dây 5G làm tăng độ khó trong việc chống lại nghe lén Đặc tính mới của mạng 5G tạo ra nhiều tình huống phức tạp, dẫn đến việc nghiên cứu kỹ thuật PLS ngày càng được quan tâm để giải quyết vấn đề nghe lén.
2) Gây nhiễu: Không giống như nghe lén và phâ tích kênh truyền, gây nhiễu có thể hoàn toàn phá vỡ thông tin liên lạc giữa những người dùng hợp pháp Hình 4b là một ví dụ của tấn công gây nhiễu Điểm phát độc hại có thể tạo ra nhiễu có chủ đích để phá vỡ thông tin dữ liệu giữa những người dùng hợp pháp Gây nhiễu có thể cũng chặn những người dùng hợp pháp từ những nguồn truy cập tài nguyên vô tuyến Những giải pháp cho việc tấn công chủ động thông thường là do tìm và phát hiện
Các kỹ thuật trải phổ như trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) và trải phổ nhảy tần số (FHSS) được áp dụng phổ biến nhằm đảm bảo an toàn thông tin và chống nhiễu ở lớp PHY thông qua việc trải phổ tín hiệu trên băng tần rộng Tuy nhiên, các phương pháp chống nhiễu này của DSSS và FHSS có thể không phù hợp cho một số ứng dụng trong công nghệ 5G.
3) DoS và DDoS: Tấn công DoS có thể tổn hại đến tài nguyên mạng bởi một kẻ tấn công của đối thủ DoS là sự xâm phạm tấn công an ninh của khả năng sẵn sàng của hệ thống mạng Gây nhiễu có thể được sử dụng và là sự bắt đầu của để tấn công DoS DDoS có thể được hình thành khi nhiều hơn một đối tượng tấn tấn tồn tại Hình 4c mô tả tấn công DDoS DoS và DDoS cả hai là dạng tấn công chủ động có thể được áp dụng ở những lớp khác nhau Hiện tại phương pháp dò tìm được sử dụng rộng rãi để nhận biết những cuộc tấn công DoS và DDoS Với một lượng lớn xâm nhập của rất nhiều thiết bị trong mạng viễn thông 5G, DoS và DDoS sẽ trở nên mối đe dọa cho sự vận hành mạng 5G Tấn công DoS và
DDoS trong mạng không dây 5G có thể tấn công truy cập thông qua một lượng rất lớn của những thiết bị được kết nối
4) MITM: Tấn công MITM, kẻ tấn công bí mật chiếm lấy quyền kiểm soát kênh truyền thông tin giữa hai nhà mạng hợp pháp Kẻ tấn công MITM có thể căn thiệp, thay đổi và sửa đổi thông tin giữa hai nhà mạng hợp pháp Hình 4d mô tả một cuộc tấn công MITM mẫu MITM là một tấn công chủ động có thể được phán tán trong những lớp khác nhau Đặc biệt, tấn công MITM nhằm hướng tới sự thỏa hiệp bảo mật dữ liệu, tính toàn vẹn và tính sẵn sàng Theo như các công bố nghiên cứu gần đây, tấn công MITM là một trong những tấn công bảo mật phổ biến [13] Xác thực lẫn nhau giữa thiết bị di động và trạm gốc thường được sử dụng để ngăn chặn sai trạm gốc dựa trên MITM
Những dịch vụ bảo mật trong mạng không dây 5G
1) Xác thực: Có 2 loại xác thực, xác thực thiết bị và xác thực tin nhắn Cả 2 loại xác thực này rất quan trọng trong mạng không dây 5G để giải quyết những vấn đề bảo mật được nói ở phần trên Xác thực thiết bị được sử dụng để bảo đảm thiết bị thông tin là 1 và không thay đổi Trong mạng tế bào kế thừa, xác thực lẫn nhau giữa người dùng (UE) và thiết bị quản lý di động (MME) được thực hiện trước khi 2 nhà mạng thông tin lẫn nhau Xác thực lẫn nhau giữa UE và MME là đặc tính bảo mật quan trọng nhất trong mạng bảo mật tế bào truyền thống Trong mạng 5G yêu cầu không chỉ giữa UE và MME mà còn giữa nhà cung cấp dich vụ bên thứ 3 ví dụ như nhà cung cấp dịch vụ Để cung cấp những dịch vụ bảo mật hơn mã xác thực và mã khóa đồng ý (AKA) được đề xuất
2) Bảo mật: Bảo mật bao gồm hai khía cạnh là bảo mật dữ liệu và bảo mật quyền riêng tư Bảo mật dữ liệu là bảo vệ truyền dữ liệu từ tấn công thụ động bởi sự giới hạn truy cập dữ liệu chỉ dành cho người dùng để ngăn chặn truy cập từ hoặc tiết lộ cho những người dùng trái phép Quyền riêng tư ngăn chặn điều khiển và gây ảnh hưởng đến thông tin liên quan đến những người dùng hợp pháp, ví dụ như quyền riêng tư bảo vệ dòng dữ liệu từ bất kỳ sự phân tích của kẻ tấn công Mã hóa dữ liệu đang được sử dụng rộng rãi để bảo vệ dữ liệu bởi sự ngăn chặn người dùng trái phép từ bất kỳ thông tin hữu dụng từ trạm phát thông tin Kỹ thuật mã hóa khóa đối xứng có thể được áp dụng để mã hóa và giải mã với một mã khóa riêng biệt được chia sẽ giữa người gửi và người nhận thông tin
3) Tính sẵn sàng: Tính sẵn sàng được định nghĩa là mức độ mà một dịch vụ có thể truy cập và sử dụng cho bất kỳ người dùng hợp pháp bất cứ khi nào và ở bất kỳ đâu khi được yêu cầu Tính sẵn đánh giá mức độ mạnh của hệ thống khi đối mặt các cuộc tấn công khác nhau và đây cũng là một chỉ số hiệu quả chính trong 5G Một trong những tấn công trong tính sẵn sàng là tấn công DoS, mà có thể là nguyên nhân từ chối truy cập dịch vụ đến những người dùng hợp pháp Gây nhiễu hay can thiệp nhiễu có thể ngắt thông tin liên lạc giữa những người dùng hợp pháp bởi sự can thiệp nhiễu của tín hiệu vô tuyến Với số lượng cực lớn
Mạng viễn thông 5G đang phải đối mặt với thách thức lớn trong việc ngăn chặn các cuộc tấn công gây nhiễu và DDoS, nhằm đảm bảo tính sẵn sàng của dịch vụ trong bối cảnh 38 điểm IoT không mong muốn.
4) Tính toàn vẹn: Mặc dù xác thực tin nhắn được cung cấp chắc chắn của nguồn và của nội dung thông tin Không có sự bảo vệ được cung cấp để chống lại sự trùng lặp hoặc sửa đổi của thông tin 5G hướng đến sự cung cấp kết nối bất cứ lúc nào, bất kể đâu và bất kể cách nào và hỗ trợ các ứng dụng liên quan mật thiết đến đời sống thường ngày của con người như là đo lượng chất lượng của nước uống và lập kế hoạch vận chuyển Tính toàn vẹn của dữ liệu là một trong những yêu cầu bảo mật chính trong các ứng dụng nhất định Tính toàn vẹn ngăn cản các thông tin bị sửa đổi hoặc thay thế bởi sự tấn công chủ động từ những thiết bị trái phép Tính toàn vẹn dữ liệu có thể bị vi phạm bởi các cuộc tấn công độc hại trong nội bộ như thêm thông tin hoặc sửa đổi dữ liệu Vì thế các cuộc tấn công nội bộ có danh tính hợp lệ và rất khó phát hiện.
Các tính năng và lợi ích của 5G
5G sẽ mang lại tốc độ truyền tải dữ liệu nhanh hơn, ước tính đạt từ 15-20Gbps, giúp tải lên và tải xuống dữ liệu ngay lập tức sau khi nhấn chuột Sự cải thiện này sẽ làm cho các ứng dụng lưu trữ đám mây và điều khiển trở nên nhanh chóng, liền mạch và tức thì hơn, từ đó thúc đẩy sự phát triển của dịch vụ lưu trữ đám mây Các thiết bị như di động, máy tính và thiết bị điều khiển từ xa sẽ giảm bớt sự phụ thuộc vào bộ nhớ trong, cho phép truyền tải thông tin trực tiếp lên đám mây với tốc độ gần như thời gian thực.
Tốc độ cao của 5G mang lại lợi ích lớn với độ trễ thấp, giúp cải thiện hiệu suất trong việc thực hiện các lệnh từ thiết bị Độ trễ được hiểu là khoảng thời gian từ khi bạn ra lệnh cho đến khi thiết bị thực hiện hành động, như khi kích hoạt một cánh tay máy để bắt đầu phân loại các mặt hàng lỗi.
Theo các nhà phát minh 5G, độ trễ trên mạng 5G sẽ giảm đến 10 lần so với 4G, mang lại trải nghiệm lướt web, xem phim và chơi game nhanh chóng hơn Sự cải thiện này cũng thúc đẩy sự phát triển của các nền tảng điều khiển từ xa, cho phép cảm biến hoạt động nhanh hơn ngay khi nhận lệnh Nhờ vào độ trễ thấp, máy móc trong các cơ sở công nghiệp sẽ hoạt động hiệu quả hơn, tối ưu hóa kiểm soát hậu cần và điều khiển giao thông Đặc biệt, các bác sĩ có thể thực hiện phẫu thuật chính xác từ xa, ngay cả khi cách bệnh nhân nửa vòng Trái Đất, nhờ vào khả năng phản hồi tức thì của công nghệ 5G.
Các thiết bị công nghiệp và phương tiện tự động đang trở thành điểm nhấn quan trọng trong việc cải thiện giao thông đô thị Nhờ khả năng kết nối đồng thời nhiều thiết bị, việc lắp đặt cảm biến tại các khu vực trong thành phố cho phép phương tiện công cộng và tự động gửi thông tin về trung tâm giám sát theo thời gian thực Điều này không chỉ giúp nâng cao trải nghiệm di chuyển mà còn cho phép xe tự lái nhận diện và thay đổi lộ trình khi gặp tắc nghẽn Hơn nữa, những tiến bộ này còn mang lại lợi ích gián tiếp, góp phần thúc đẩy sự phát triển của nông nghiệp và công nghiệp.
Ứng dụng của 5G
5G giúp Tải tập tin lớn, nhanh Đây là một trong lợi ích 5G nổi bật nhất được nhiều nhiều dùng yêu thích ngay từ ngày khởi động
5G mang đến khả năng tải xuống tệp lớn chỉ trong vài giây, như toàn bộ phần của Stranger Things 3, giúp người dùng xem ngoại tuyến và phát trực tuyến phim độ phân giải cao mà không gặp trục trặc Ngoài ra, 5G còn hứa hẹn nhiều ứng dụng tiềm năng khác trong tương lai.
5G cho phép người dùng tải video có dung lượng lớn lên YouTube và TikTok chỉ trong vài giây, đồng thời dễ dàng đẩy hàng tấn ảnh độ phân giải cao lên lưu trữ trực tuyến Nhờ đó, thời gian hoạt động được rút ngắn, mang lại lợi ích và sự hài lòng tối đa cho người dùng.
5G giúp Cuộc gọi video rõ ràng
Khi sử dụng wifi cho cuộc gọi video, người dùng thường gặp tình trạng mất kết nối, giật lag hoặc hình ảnh không rõ nét Tuy nhiên, với mạng 5G, những vấn đề này được hạn chế tối đa, mang đến trải nghiệm video chất lượng cao với hình ảnh sắc nét và chân thực Người dùng có thể thoải mái trò chuyện hàng giờ mà không lo ngại về việc mất kết nối đột ngột Lợi ích này đang ngày càng được ưa chuộng, giúp thu hẹp khoảng cách giữa mọi người ở nhiều vị trí khác nhau trên toàn quốc Hơn nữa, hình ảnh sống động từ 5G phá vỡ mọi giới hạn về không gian và thời gian.
Phát triển 5G giúp cho 4G tải nhanh hơn
Sự phát triển của mạng 5G không chỉ mang lại lợi ích cho chính nó mà còn giúp nâng cao hiệu suất của mạng 4G thông qua việc hỗ trợ chia sẻ mạng Mặc dù 5G thể hiện rõ sự vượt trội so với 4G, nhưng hiện tại, mạng 5G vẫn chưa thể thay thế hoàn toàn 4G do yêu cầu phải xây dựng thêm nhiều trạm phát để đảm bảo phủ sóng.
Mạng 5G sẽ hoạt động bổ sung cho mạng 4G, giúp tăng tốc độ tải dữ liệu cho 4G Công nghệ 5G được triển khai chủ yếu trong các tòa nhà và khu vực đô thị, trong khi mạng 4G sẽ tiếp tục phục vụ các vùng nông thôn và hẻo lánh.
5G hỗ trợ Dịch ngôn ngữ tức thì
Lợi ích của 5G bao gồm khả năng hỗ trợ dịch thuật nhanh chóng với khối lượng dữ liệu lớn Công nghệ 5G cho phép dịch một lượng lớn văn bản hoặc lời nói một cách nhanh chóng và chính xác.
Công nghệ hỗ trợ cứu nguy đang được nghiên cứu và phát triển nhằm ứng dụng vào cuộc sống thực tế, với mục tiêu giảm thiểu tối đa các rủi ro thường gặp, đồng thời hỗ trợ con người trong các khu vực dễ bị ảnh hưởng.
Công nghệ 5G mang lại khả năng chuyển tải dữ liệu nhanh chóng, giúp người dùng phản hồi kịp thời và gửi yêu cầu trợ giúp trong các tình huống khẩn cấp, như khi cần xe cứu thương ở London Nhờ vào tín hiệu phát đi nhanh chóng, người hỗ trợ có thể đến nơi cứu nạn kịp thời, thể hiện những lợi ích vượt trội của 5G trong việc đảm bảo an toàn cho cộng đồng.
Giúp tránh va chạm trên đường
Công nghệ ngày càng tiến bộ với những phát minh liên tiếp kết nối để tạo ra thiết bị hoàn hảo Công nghệ 5G cho phép xe tự lái truy cập mạng và giao tiếp với các phương tiện khác, hỗ trợ xác định vị trí và tránh va chạm hiệu quả Sự cải tiến này được cộng đồng toàn cầu đánh giá cao và hy vọng sẽ sớm được ứng dụng rộng rãi.
Quản lí dữ liệu thành phố
Trong bối cảnh thành phố ngày càng phát triển, việc quản lý dữ liệu chính xác và hiệu quả trở nên cần thiết hơn bao giờ hết Công nghệ 5G được dự kiến sẽ cung cấp năng lượng cho hạ tầng mạng, hỗ trợ việc quản lý và thống kê thông tin dữ liệu thành phố Đây chính là xu hướng mới mà các thành phố sẽ hướng tới từ năm 2020 trở đi.
Hỗ trợ phẫu thuật từ xa
5G bên cạnh việc hỗ trợ chăm sóc sức khỏe còn vượt trội hơn với chức năng phẫu thuật từ xa
Với sự hỗ trợ của mạng 5G, bác sĩ có khả năng điều khiển robot thực hiện phẫu thuật từ xa, mở ra những cơ hội mới trong y tế Đây là một lợi ích đáng chú ý của công nghệ 5G, đã được thử nghiệm và chứng minh tính khả thi.
Cuộc phẫu thuật tim từ xa đầu tiên trên thế giới đã thành công tại Ấn Độ nhờ công nghệ 5G, cứu sống bệnh nhân trong tình trạng nguy kịch Sự kiện này, được đăng tải trên tạp chí y khoa The Lancet EClinicalMedicine, đánh dấu một bước tiến vượt bậc trong lĩnh vực y tế Trong khi năm bệnh nhân mắc bệnh động mạch vành có nguy cơ tử vong cao, các bác sĩ tại bệnh viện Apex Heart Institute, dưới sự dẫn dắt của Tiến sĩ Tejas Patel, đã sử dụng một cánh tay robot để thực hiện phẫu thuật từ xa Điều này không chỉ khẳng định tiềm năng của công nghệ 5G mà còn mở ra những cơ hội mới trong y học.
Vận hành nhà máy hiệu quả hơn
5G cho phép các thiết bị trong nhà máy tự động truyền tải thông tin về năng suất và gửi cảnh báo cho nhân viên khi có sự cố xảy ra Điều này không chỉ đơn giản hóa quy trình quản lý nhà máy mà còn nâng cao hiệu quả hoạt động tổng thể.
