(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu giải pháp công nghệ truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy trong mạng 5g

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------

NGUYỄN HỒNG VĂN

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ TRUYỀN
THÔNG SỬ DỤNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY TRONG
MẠNG 5G

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI - 2021

download by :


HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------

NGUYỄN HỒNG VĂN

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ TRUYỀN
THÔNG SỬ DỤNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY TRONG
MẠNG 5G
CHUN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THƠNG
MÃ SỐ:

8.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. ĐẶNG THẾ NGỌC

HÀ NỘI - 2021

download by :


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn: "Nghiên cứu giải pháp cơng nghệ truyền thơng sử
dụng ánh sáng nhìn thấy trong mạng 5G" là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi.
Việc sử dụng kết quả, trích dẫn tài liệu tham khảo trên các tạp chí, các trang web
tham khảo đảm bảo theo đúng quy định. Các nội dung trích dẫn và tham khảo các tài liệu,
sách báo, thông tin được đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí và trang web theo danh mục tài
liệu tham khảo của luận văn.
Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm cho lời cam đoan của mình.
Hà Nội, ngày tháng năm 2021
Học viên

Nguyễn Hồng Văn

download by :


ii

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên xin trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến quý thầy, cô Học viện Công nghệ

Bưu chính Viễn thơng trong thời gian qua đã dìu dắt và tận tình truyền đạt cho em những
kiến thức, kinh nghiệm vơ cùng q báu mà em có được kết quả ngày hôm nay.
Xin trân trọng cảm ơn PGS.TS. Đặng Thế Ngọc, người hướng dẫn khoa học của luận
văn, đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ về mọi mặt để hoàn thành luận văn.
Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô trong Khoa Đào tạo Sau Đại học
đã tận tình truyền đạt kiến thức và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong q trình học
tập nghiên cứu, hồn thành luận văn.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng để hồn thành luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và khả
năng của mình, tuy nhiên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế. Kính
mong nhận được sự chia sẻ và đóng góp ý kiến của các thầy, cơ giáo và các bạn đồng
nghiệp.
Trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày tháng năm 2021
Học viên

Nguyễn Hồng Văn

download by :


iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................................ii
MỤC LỤC .......................................................................................................................... iii
DANH MỤC VIẾT TẮT..................................................................................................... vi
DANH MỤC HÌNH ............................................................................................................ ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................. xi

MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG 5G ...................................................................... 3
1.1. Giới thiệu chung về mạng di động 5G .................................................................... 3
1.2. Cấu trúc mạng 5G ................................................................................................... 6
1.3. Một số kịch bản trong mạng di động 5G ................................................................ 9
1.3.1. Những kịch trong mạng di động 5G ................................................................ 9
1.3.2.

Những yêu cầu kỹ thuật trong mạng di động 5G ........................................... 10

1.4. Kết luận chương 1 ................................................................................................. 15
CHƯƠNG 2: CƠNG NGHỆ TRUYỀN THƠNG SỬ DỤNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY
............................................................................................................................................ 16
2.1.

Tổng quan về công nghệ VLC ........................................................................... 16

2.1.1. Khái niệm về công nghệ VLC ........................................................................ 16
2.1.2. Những ưu điểm của công nghệ VLC ............................................................. 17
2.2.

Ứng dụng của công nghệ VLC .......................................................................... 18

2.2.1. LiFi ................................................................................................................. 18
2.2.2.

Giao tiếp giữa các phương tiện trong hệ thống giao thông thông minh ........ 18

download by :

iv

2.2.3.

Giao tiếp dưới nước ....................................................................................... 19

2.2.4.

Truyền thông trong môi trường đặc biệt ........................................................ 19

2.2.5.

Mạng cục bộ WLAN ...................................................................................... 19

2.3.

Mơ hình hệ thống VLC ...................................................................................... 20

2.3.1. Bộ phát trong hệ thống VLC .......................................................................... 21
2.3.2. Mơ hình kênh thơng tin trong VLC ............................................................... 23
2.3.3. Bộ thu trong hệ thống VLC ............................................................................... 24
2.4.

Những phương pháp điều chế sử dụng trong hệ thống ..................................... 27

2.4.1. Giới thiệu ........................................................................................................ 27
2.4.2. Cơ chế điều chế khóa đóng mở (OOK) .......................................................... 28
2.4.2.

Phương pháp điều chế vị trí xung biến đổi (Variable Pulse Position

Modulation – VPPM) .................................................................................................. 31
2.4.4. Phương pháp điều chế Khóa dịch màu (Color-Shift Keying) ........................ 33
2.5.

Kết luận chương 2 ............................................................................................. 36

CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP TÍCH HỢP CƠNG NGHỆ TRUYỀN THƠNG SỬ DỤNG
ÁNH SÁNG NHÌN THẤY VÀO TRONG MẠNG 5G ..................................................... 36
3.1. Giải pháp tích hợp VLC trong mạng 5G .............................................................. 36
3.1.1. Giới thiệu hệ thống giao thông thông minh (ITS).......................................... 37
3.1.2. Truyền thông trong mạng lưới các phương tiện............................................. 38
3.1.3.

Ứng dụng VLC vao trong hệ thống giao thông thông minh ......................... 41

3.1.4. Thử nghiệm mạng 5G .................................................................................... 42
3.2.

Mơ hình tích hợp VLC trong mạng 5G ............................................................. 46

3.2.1. Mơ hình tích hợp VLC trong mạng 5G .......................................................... 46
3.2.2. VLC cho dịch vụ giao thông thông minh ....................................................... 47
3.2.3. Kiến trúc thử nghiệm tích hợp VLC trong mạng 5G ..................................... 49

download by :


v

3.3. Phân tích và đánh giá ............................................................................................ 50
3.4. Kết luận chương 3 ................................................................................................. 55
KẾT LUẬN ........................................................................................................................ 55
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................. 56

download by :


vi

DANH MỤC VIẾT TẮT
Từ viết tắt
3GPP
AAU
APD
AWGN
BBU
BER
BIC
BS
CDF
CPC
CPE
CPRI
CSK
C-V2X
D2D
E2E
eMBB

FDM
FOV
IM/DD
IMT
IoT
ISI
ITS
ITU
KPI

Tiếng Anh
3rd Generation Partnership
Project
Active Antenna Units
Avalanche Photodiode
Additive White Gaussian Noise
Base Band Unit
Bit Error Rate
Bayesian Information Criterion
Base System
Cumulative Distribution
Function
Compound Parabolic
Concentrator
Customer Premise Equipment
Common Public Radio
Interface
Color Shift Keying
Cellular - Vehicle to Everything
Device to Device

End to End
Enhanced Mobile Broadband
Frequency Division
Multiplexing
Field of View
Intensity Modulation/Direct
Detection
International Mobile
Telecommunication
Internet of Things
Intersymbol Interference
Intelligent Transport System
International
Telecommunication Union
Key Performance Indicator

Tiếng Việt
Dự án đối tác thế hệ thứ 3
Đơn vị ăng ten tích cực
Diode tách quang thác
Tạp âm Gaussian trắng cộng
Đơn vị băng tần cơ sở
Tỉ lệ lỗi bit
Tiêu chí thơng tin Bayes
Hệ thống cơ sở
Hàm phân phối tích lũy
Bộ tập trung quang parabol kết hợp
Thiết bị tiền đề của khách hàng
Giao diện vơ tuyến cơng cộng
chung

Khóa dịch màu
Phương tiện di động tới mọi thứ
Thiết bị đến thiết bị
Đầu cuối tới đầu cuối
Nâng cao di động băng thông rộng
Ghép kênh phân chia theo tần số
Trường nhìn thấy
Điều chế cường độ/tách sóng trực
tiếp
Viễn thơng di động quốc tế
Internet Vạn Vật
Xuyên nhiễu
Hệ thống giao thông thông minh
Liên minh Viễn thông Quốc tế
Chỉ số đánh giá hiệu quả công việc

download by :


vii

LAN
LED

Local Area Network
Light Emitting Diode

Li-Fi

Light Fidelity

LOS
LTE

Line of Sight
Long Term Evolution

LTE-M

LTE For M2M

MBB
MEC

Mobile Broadband
Multi Access Edge Computing
Multiple Input and Multiple
MIMO
Output
Massive Machine
MMC
Communications
MME
Mobility Management Entity
Massive Machine Type
mMTC
Communication
MMWAVE Millimeter Wave
NB-IoT
NOMA

NR
NRZ
NS
NSA
O&M
OFDM
OOK
PDF
PER
PoE
PPM
PSD
QoE
QoS
RAN

Narrowband IoT
Non Orthogonal Multiple
Access
New Radio
None-Return-to-Zero
Network Slicing
Non-Standalone
Operations and Maintenance
Orthogonal Frequency-Division
Multiplexing
On-Off-Keying
Probability Density Function
Packet Error Rate
Power over Ethernet

Pulse Position Modulation
Power Spectral Density
Quality of Experience
Quality of Service
User Plane Function

Mạng máy tính cục bộ
Diode phát quang
Truyền thơng khơng dây sử dụng
ánh sáng nhìn thấy
Đường nhìn thấy
Tiến hóa dài hạn
Biến thể LTE phục vụ cho giao tiếp
giữa máy với máy
Di động băng thơng rộng
Điện tốn biên đa truy cập
Đa đầu vào, đa đầu ra
Truyền thông kiểu máy số lượng
lớn
Thực thể quản lý di dộng mạng 4G
Truyền thơng kiểu máy số lượng
lớn
Sóng vô tuyến milimet
Tiêu chuẩn công nghệ vô tuyến
mạng diện rộng công suất thấp
Đa truy nhập không trực giao
Vô tuyến mới
Không trở về 0
Công nghệ phân lớp mạng
Chế độ không độc lập

Vận hành và bảo trì
Ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao
Khóa bật tắt
Hàm mật độ xác suất
Tỷ lệ lỗi gói
Cấp nguồn qua cáp Ethernet
Điều chế vị trí xung
Mật độ phổ công suất
Chất lượng trải nghiệm
Chất lượng dịch vụ
Mạng truy nhập vô tuyến

download by :


viii

RAT
RF

Radio Access Technology
Radio Frequency

RSU

Roadside Unit

SA
SLA

SMS
SNR
SNR
TDM
UDN
UE
URC

Standalone
Service Level Agreements
Short Message Services
Signal to Noise Ratio
Signal to Noise Ratio
Time Division Multiplexing
Ultra-Dense Network
User Equipment
Ultra Reliable Communications
Ultra Reliability Low Latency
Communication
Ultra-Violet
Vehicle to Infrastructure
Communications
Vehicle to Network
Communications
Vehicle to Vehicle
Communications
Vehicle to Everything
Communications

uRLLC

UV
V2I
V2N
V2V
V2X

Công nghệ truy cập vô tuyến
Tần số vô tuyến
Trạm thu phát đặt cố định bên
đường
Chế độ độc lập
Thảo thuận mức dịch vụ
Dịch vụ tin nhắn ngắn
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu
Ghép kênh phân chia theo thời gian
Mạng mật độ siêu cao
Thiết bị người dùng
Truyền thông siêu tin cậy
Truyền thông độ trễ thấp và cực
đáng tin cậy
Cực tím
Quảng bá từ phương tiện tới cơ sở
hạ tầng
Quảng bá phương tiện tới mạng
Quảng bá từ phương tiện tới
phương tiện
Quảng bá từ phương tiện tới mọi
thứ
Truyền thông bằng ánh sáng nhìn

thấy

VLC

Visible Light Communication

VPPM

Variable Pulse Position
Modulation

Điều chế vị trí xung biến đổi

Wi-Fi

Wireless Fidelity

Truyền thơng khơng dây sử dụng
sóng vơ tuyến

download by :


ix

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Mạng di động qua các thế hệ ................................................................................ 3
Hình 1.2: Lưu lượng di động tồn cầu ................................................................................. 5
Hình 1.4. Kiến trúc mạng 5G theo mạng lát cắt ................................................................... 8
Hình 1.5: Ba kịch bản trong mạng di động 5G [18] ............................................................. 9

Hình 1.6: Khác biệt từ tiêu chuẩn IMT-Advanced lên IMT-2020 [19] ............................. 13
Hình 1.7: Vai trị của các khả năng chính trong các kịch bản khác nhau [19] ................... 14
Hình 2.1: Quang phổ ánh sáng nhìn thấy ........................................................................... 16
Hình 2.2: VLC dành cho liên lạc giữa các phương tiện ..................................................... 18
Hình 2.3: Mơ hình cơ sở của hệ thống VLC ...................................................................... 20
Hình 2.4: Sơ đồ khối hệ thống VLC ................................................................................... 21
Hình 2.5: Mơ hình thành phần nguồn phát trong một hệ thống VLC ................................ 21
Hình 2.6: Hai phương pháp tạo phát xạ trắng từ đèn LED ................................................ 22
Hình 2.7: Mơ hình hóa kênh VLC với IM/DD ................................................................... 23
Hình 2.8: Mơ hình bộ thu tín hiệu trong VLC .................................................................... 24
Hình 2.9: Bộ tập trung quang CPC ..................................................................................... 24
Hình 2.10: Qúa trình phản xạ tại CPC ................................................................................ 25
Hình 2.11: Phía thu của hệ thống VLC. ............................................................................. 26
Hình 2.12: Cấu tạo của PIN- Photodiode. .......................................................................... 26
Hình 2.13: Cấu tạo của Diode quang thác APD. ................................................................ 27
Hình 2.14: Sơ đồ khối của máy thu của hệ thống IM/DD điển hình .................................. 28
Hình 2.15: Biểu diễn khoảng cách nhỏ nhất ...................................................................... 30
Hình 2.16: Hàm cơ sở của 2-PPM ...................................................................................... 32
Hình 2.17. Hàm gán màu XYZ .......................................................................................... 34
Hình 2.18. Khơng gian màu CIE với hai trục xy và 7 dải màu (000 đến 110) .................. 35
Hình 3.1: Mơ hình cấu trúc liên kết mạng VLC-5G .......................................................... 46
Hình 3.2: Chiến dịch đo I2V sử dụng đèn giao thơng dựa trên VLC ................................ 48
Hình 3.3: Kiến trúc thử nghiệm tích hợp VLC trong mạng 5G ......................................... 49
Hình 3.4: Độ trễ tối đa được đo từ đầu cuối [3] ................................................................. 50
Hình 3.5: Độ trễ tối thiểu được đo từ đầu cuối [3] ............................................................. 51

download by :


x

Hình 3.6: Phân phối thực nghiệm về độ trễ của liên kết 5G và tệp PDF của các phân phối
phù hợp [3] ......................................................................................................................... 52
Hình 3.7: Phân phối thực nghiệm độ trễ của hệ thống tổng thể (liên kết 5G và liên kết
VLC) và các tệp PDF của các phân phối phù hợp [3] ........................................................ 52
Hình 3.8: CDF và CDF lỗi độ trễ cho dữ liệu thực nghiệm và phân phối phù hợp. Chỉ liên
kết 5G [3] ............................................................................................................................ 54
Hình 3.9: CDF và CDF lỗi độ trễ cho dữ liệu thực nghiệm và phân phối phù hợp. Hệ
thống tổng thể (liên kết 5G và liên kết VLC) [3] ............................................................... 54

download by :


xi

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Các chỉ số đánh giá năng suất của mạng 5G...................................................... 10
Bảng 1.2: Các chỉ số hiệu suất chính của mạng 5G ........................................................... 12
Bảng 1.3: Các giá trị yêu cầu cho mỗi khả năng chính trong IMT-2020 ........................... 13
Bảng 2.1. Các dải màu trong không gian màu CIE 1931 với tọa độ màu (x, y) ................ 35
Bảng 3.1: Các dịch vụ của ITS ........................................................................................... 39
Bảng 3.2: Phân phối phù hợp nhất cho công nghệ 5G và VLC ......................................... 53

download by :


1

MỞ ĐẦU
Hiện nay, truyền thông không dây đang hát triển rất nhanh trên toàn Thế Giới và đã

trở thành một phần trong cuộc sống của chúng ta vì những lợi ích mà nó mang lại là vơ
cùng to lớn. Tuy nhiên, cách truyền thông tin không dây ngày nay chủ yếu là bằng sóng vơ
tuyến và tồn tại một số nhược điểm như băng thông sẽ dần bị sử dụng hết, hạn chế khi sử
dụng trong một số môi trường đặc biệt như bệnh viện, trên máy bay,…Mặt khác, sự phát
triển mạnh của diode phát quang LED cùng với những ưu điểm của nó như hiệu quả chiếu
sáng cao, độ bền cao và tiết kệm năng lượng đang mở ra một hướng đi mới trong truyền
thơng khơng dây đó là truyền thơng sử dụng ánh sáng nhìn thấy VLC. VLC đang nổi lên
như là một công nghệ truyền thông tin trong tương lai và đặc biệt cho mạng 5G, khi mà
chúng ta sử dụng nguồn phát là các bóng đèn LED thì vừa có thể dùng để chiếu sáng, vừa
có thể dùng để truyền thông tin với độ tin cậy cao. Những nghiên cứu về VLC còn tương
đối mới và có nhiều khả năng mở rộng nghiên cứu.
Với mục đích đưa những tiến bộ công nghệ vào phục vụ cho cuộc sống, tôi xin chọn
đề tài nghiên cứu “NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CƠNG NGHỆ TRUYỀN THƠNG SỬ
DỤNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY TRONG MẠNG 5G”.
Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Hoạt động thương mại của 5G dự kiến sẽ bắt đầu trên toàn cầu vào năm 2021, với
sự ra đời của Internet of Things (IoT) và các dịch vụ UHD thực tế, truyền thơng di động
thế hệ mới được ước tính cung cấp công suất gấp 1000 lần và hỗ trợ các thiết bị thông minh
gấp 100 lần so với mạng di động hiện tại. Sự gia tăng ngoạn mục này kêu gọi cải thiện
mạnh mẽ khả năng mạng di động ngoài mạng 3G/4G hiện tại tới thế hệ tiếp theo của tiêu
chuẩn vô tuyến không dây. Thế hệ thứ 5 sắp tới (5G) được coi là một tích hợp hệ thống kết
hợp các hệ thống truyền thông không dây đã triển khai cụ thể là, LTE và Wi-Fi dưới một
giao diện vơ tuyến hồn tồn mới. Từ đó mạng 5G sẽ giúp những công nghệ quan trọng
như: xe tự lái, phương tiện giao thông thông minh trở nên phổ biến hơn. Đặc biệt, cơng
nghệ truyền sử dụng ánh sáng nhìn thấy VLC có thể cung cấp tốc độ dữ liệu rất cao, tiêu
thụ năng lượng thấp, độ trễ và chi phí triển khai thấp. Như vậy, cơng nghệ VLC khơng dây

download by :

2

đang trở thành một lựa chọn hấp dẫn dành cho liên lạc giữa các phương tiện , vì thơng tin
có thể được truyền qua lại bằng cách sử dụng ánh sáng đèn như đèn giao thơng, đèn xe,…
Mục đích nghiên cứu
-

Nắm bắt được tổng quan về mạng 5G di động.

-

Có cái nhìn cụ thể về cơng nghệ truyền thơng sử dụng ánh sáng nhìn thấy ứng dụng
trong mạng 5G.

-

Đưa ra một số khảo sát, đánh giá hiệu năng hệ thống truyền thơng sử dụng ánh sáng
nhìn thấy.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
-

Đối tượng nghiên cứu: Công nghệ truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy.

-

Phạm vi nghiên cứu: Cơng nghệ truyền thơng sử dụng ánh sáng nhìn thấy ứng dụng
trong mạng di động 5G.

Phương pháp nghiên cứu

-

Nghiên cứu lý thuyết, tìm hiểu các cơng nghệ truyền thơng sử dụng ánh sáng nhìn
thấy và ứng dụng trong mạng 5G.

-

Sử dụng các công cụ mô phỏng, khảo sát và đánh giá trên một tập dữ liệu đã có sẵn.

Bố cục của luận văn
-

Nội dung của luận văn bao gồm các chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về mạng 5G.
Chương 2: Công nghệ truyền thơng sử dụng ánh sáng nhìn thấy.
Chương 3: Giải pháp tích hợp cơng nghệ truyền thơng sử dụng ánh sáng nhìn thấy
vào trong mạng 5G.

download by :


3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG 5G
1.1.

Giới thiệu chung về mạng di động 5G
Cho đến nay, các mạng di động đã trải qua 4 thế hệ với nhiều thay đổi trong cơng

nghệ và tính năng. Hình 1.1 thể hiện các thế hệ mạng di động cùng một số đặc điểm chính

của chúng. Vào đầu những năm 1980 mạng thơng tin di động không dây cơ bản đầu tiên
trên thế giới xuất hiện và được gọi là mạng thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G), đây là
hệ thống giao tiếp thơng tin qua kết nối tín hiệu analog. Hệ thống này sử dụng các ăng -ten
thu phát sóng gắn ngồi, kết nối theo tín hiệu analog tới các trạm thu phát sóng và nhận tín
hiệu xử lý thoại thơng qua các module gắn trong máy di động. Chính vì thế mà các thế hệ
máy di động đầu tiên trên thế giới có kích thước khá to và cồng kềnh do tích hợp cùng lúc
2 module thu tín hiệu và phát tín hiệu.

Hình 1.1: Mạng di động qua các thế hệ

Mạng di động không dây thế hệ thứ 2 (2G) được xuất hiện vào năm 1991, là thế hệ
kết nối thơng tin di động mang tính cải cách cũng như khác hồn tồn so với thế hệ đầu
tiên. Cơng nghệ này sử dụng các tín hiệu kỹ thuật số thay cho tín hiệu analog của thế hệ
1G. Mạng 2G mang tới cho người sử dụng di động 3 lợi ích tiến bộ trong suốt một thời gian
dài: mã hoá dữ liệu theo dạng kỹ thuật số, phạm vi kết nối rộng hơn 1G và đặc biệt là sự
xuất hiện của tin nhắn dạng văn bản đơn giản – SMS. Theo đó, các tín hiệu thoại khi được

download by :


4

thu nhận sẽ đuợc mã hố thành tín hiệu kỹ thuật số dưới nhiều dạng mã hiệu, cho phép
nhiều gói mã thoại được lưu chuyển trên cùng một băng thông, tiết kiệm thời gian và chi
phí. Song song đó, tín hiệu kỹ thuật số truyền nhận trong thế hệ 2G tạo ra nguồn năng lượng
sóng nhẹ hơn và sử dụng các chip thu phát nhỏ hơn, tiết kiệm diện tích bên trong thiết bị
hơn…
Kế tiếp mạng di động 2G thế giới đã đột phá bằng mạng thông tin di động 3G vào
khoảng những năm đầu của thế kỷ XXI. Đây là thế hệ truyền thông di động thứ ba, tiên tiến
hơn hẳn các thế hệ trước đó. Hệ thống này cho phép người dùng di động truyền tải cả dữ

liệu thoại và dữ liệu phi thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh, âm thanh,
video clips. Giá tần số cho công nghệ 3G rất đắt tại nhiều nước, nơi mà các cuộc bán đầu
giá tần số mang lại hàng tỷ Euro cho các chính phủ. Bởi vì chi phí cho bản quyền về các
tần số phải trang trải trong nhiều năm trước khi các thu nhập từ mạng 3G đem lại, nên một
khối lượng vốn đầu tư khổng lồ là cần thiết để xây dựng mạng 3G.
Đầu năm 2017 cả ba nhà mạng lớn tại Việt Nam đã khai thác thành công mạng di
động thế hệ thứ 4. Đây chính là mạng thơng tin di động 4G. Công nghệ này cho phép truyền
tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1 - 1,5 Gbit/s. Cách đây khơng
lâu thì một nhóm gồm 26 cơng ty trong đó có Vodafone (Anh), Siemens (Đức), Alcatel
(Pháp), NEC và DoCoMo (Nhật Bản), đã ký thỏa thuận cùng nhau phát triển một tiêu chí
cao cấp cho điện thoại di động, một thế hệ thứ 4 trong kết nối di động – đó chính là nền
tảng cho kết nối 4G. Công nghệ 4G được hiểu là chuẩn tương lai của các thiết bị không
dây. Các nghiên cứu đầu tiên của NTT DoCoMo cho biết, điện thoại 4G có thể nhận dữ
liệu với tốc độ 100 Mbps khi di chuyển và tới 1 Gbps khi đứng yên, cũng như cho phép
người sử dụng có thể tải và truyền lên các hình ảnh, video clips chất lượng cao. Hình 1.2
dưới đây dự đoán nhu cầu gia tăng dung lượng người dùng trên tồn cầu đến năm 2022,
qua hình dưới đây ta thấy dung lượng người dùng ngày càng tăng nhanh và đến năm 2022
sẽ đạt mức gần 77 Exabytes/tháng.

download by :


5

Hình 1.2: Lưu lượng di động tồn cầu

Theo thống kê mới nhất từ GSA[17] tính đến tháng 02/2019, có 201 nhà mạng thuộc
83 quốc gia trên thế giới đã và đang tiến hành đầu tư vào công nghệ 5G (bao gồm thử
nghiệm, kiểm thử, chứng minh công nghệ, cấp phép băng tần cho 5G hoặc triển khai dịch
vụ 5G.

Trong số đó, các nhà mạng đã cơng bố tiến hành 562 thử nghiệm, kiểm thử,
chứng minh công nghệ 5G. Các tiêu chuẩn 3GPP cho mạng 5G NR có khả năng hoạt động
cùng với các mạng LTE hiện có, sử dụng chế độ không độc lập (NSA) cho trường hợp nâng
cao di động băng thông rộng (eMBB), đã được thống nhất vào tháng 12/2017. Các tiêu
chuẩn 3GPP Release 15 cho mạng 5G NR sử dụng chế độ độc lập (SA) dành cho trường
hợp eMBB đã được hoàn thành vào tháng 6/2018. Phát triển tiêu chuẩn 5G trong bản
Release 16 của 3GPP hoàn thành vào tháng 12/2019 với các tiêu chuẩn hoàn thiện cho cả
chế độ NSA và SA. Vì thế, việc chính thức triển khai thương mại hóa mạng 5G của hầu hết
các nhà mạng trên thế giới đều sẽ diễn ra vào năm 2021 sau khi đã hoàn thiện các tiêu chuẩn
cần thiết cho công nghệ 5G.
Các công nghệ nổi bật sử dụng trong mạng 5G đó là sử dụng cơng nghệ bước
sóng milimet NR (mmWave New Radio) cho phép thiết bị hoạt động ở băng tần rất
cao (vài chục GHz), và công nghệ phân lớp mạng NS (Network Slicing) giúp cung cấp
riêng từng dịch vụ cụ thể cho từng phân khúc khách hàng khác nhau. Ba yếu tổ nổi bật đặc
trưng cho mạng 5G so với mạng thế hệ trước đó là tốc độ cao, độ trễ thấp và mật độ kết nối
thiết bị cực kỳ lớn. Công nghệ massive MIMO kết hợp với điều khiển búp sóng

download by :


6

(Beamforming), ghép sóng mang (Carrier Aggregation) cho phép tăng dung lượng mạng
và tốc độ dữ liệu. Tiếp theo đó, sự phát triển về backhaul, công nghệ truyền dẫn mới kết
hợp với thực hiện các xử lý tính tốn phân tán (cloud-computing và edge-computing) cho
phép giảm độ trễ E2E, tăng độ tin cậy của thiết bị. Khả năng hỗ trợ mật độ kết nối dày đặc
của 5G giúp phát triển các ứng dụng IoT, đặc biệt là IoT mạng tế bào (Cellular IoT) như
NB-IoT, LTE-M.
1.2.

Cấu trúc mạng 5G
Mạng 5G cần đáp ứng được những đòi hỏi của một xã hội di động và hoàn toàn kết

nối. Sự gia tăng của các đối tượng và thiết bị kết nối sẽ mở đường cho một loạt các dịch vụ
mới và các mơ hình kinh doanh liên quan cho phép tự động hóa trong các ngành công
nghiệp khác nhau và các thị trường dọc (ví dụ như năng lượng, sức khỏe điện tử, thành phố
thông minh, xe hơi kết nối, sản xuất công nghiệp, v.v.). Ngoài các ứng dụng tập trung vào
con người, phổ biến hơn cả là thực tế ảo và thực tế tăng cường, truyền video 4K, v.v., mạng
5G sẽ hỗ trợ các nhu cầu liên lạc của các ứng dụng kiểu “máy và máy” để làm cuộc sống
của chúng ta trở nên an tồn hơn và thuận tiện hơn.

Hình 1.3. Kiến trúc mạng 5G theo phân vùng và kiểu kết nối

download by :


7

Tất cả các thay đổi của các thế hệ di động cho đến nay đều được dựa trên một khái
niệm liên kết vô tuyến mới và đã cung cấp sự gia tăng tốc độ dữ liệu đỉnh khoảng hai bậc
độ lớn. Hệ thống 5G phải đáp ứng các yêu cầu về tỷ lệ tăng và năng lực cần thiết trong
những năm 2021 và các yêu cầu về độ trễ giảm. Tuy nhiên, việc tích hợp các dịch vụ và
lĩnh vực ứng dụng mới cũng quan trọng như tăng tỷ lệ và giảm độ trễ vậy. Hệ thống 5G sẽ
là môi trường khơng dây thúc đẩy Internet of Things và, ngồi phục vụ nhu cầu của con
người, 5G phải phục vụ cho các giao tiếp kiểu máy khác nhau với các yêu cầu khác nhau.
Tựu chung lại, phạm vi yêu cầu sẽ tăng lên đáng kể so với các công nghệ Mobile Broad
Band (MBB) hiện tại. Ví dụ, tốc độ dữ liệu sẽ dao động từ rất thấp đối với dữ liệu cảm biến
đến mức rất cao cho video độ nét cao. Độ trễ sẽ dao động từ cực kỳ thấp đối với các ứng
dụng quan trọng về an toàn đến các ứng dụng mà độ trễ không thực sự là một hạn chế. Kích
thước gói sẽ thay đổi từ nhỏ, ví dụ: ứng dụng dành cho điện thoại thơng minh, cho đến kích

thước lớn, ví dụ: chuyển tập tin. 5G sẽ là một hệ thống công nghệ đa truy nhập vơ tuyến,
Hình 1.3, tích hợp hiệu quả các khối xây dựng cơ bản như sau:
- Băng thông rộng di động được phát triển (eMBB) sẽ cung cấp tốc độ dữ liệu cao và
truyền thông độ trễ thấp cải thiện chất lượng trải nghiệm (QoE) cho người dùng.
- Truyền thông kiểu máy số lượng lớn (MMC) sẽ cung cấp các giải pháp kết nối có
thể mở rộng và khả năng mở rộng cho hàng chục tỷ thiết bị hỗ trợ mạng, trong đó khả năng
kết nối có thể mở rộng là quan trọng đối với các hệ thống liên lạc di động và không dây
trong tương lai.
- Phương tiện cho xe cộ, thiết bị và cơ sở hạ tầng (V2X) và dịch vụ hỗ trợ lái xe yêu
cầu sự hợp tác giữa xe cộ với nhau và với môi trường của chúng (ví dụ: giữa xe và người
dùng dễ bị tổn thương trên điện thoại thông minh) để cải thiện an tồn giao thơng và hiệu
quả giao thơng trong tương lai. Các dịch vụ V2X cho mạng di chuyển (moving networks)
yêu cầu các liên kết truyền thông đáng tin cậy cho phép truyền các gói dữ liệu với độ trễ tối
đa được đảm bảo ngay cả ở tốc độ xe cao.
- Truyền thông siêu tin cậy (URC) sẽ cho phép mức độ sẵn sàng cao. Nó được yêu cầu
để cung cấp các giải pháp có thể mở rộng và tiết kiệm chi phí cho các mạng hỗ trợ các dịch
vụ có yêu cầu cao về tính khả dụng và độ tin cậy. Phân tích dịch vụ đáng tin cậy cung cấp
các cơ chế để giảm tốc độ và tăng độ trễ, thay vì bỏ các kết nối, khi số lượng người dùng

download by :


8

tăng lên, bằng cách sử dụng kiến trúc hệ thống hỗ trợ triển khai truyền thông D2D (device
to device) và mạng mật độ siêu cao (UDN).
Các thiết bị giao tiếp tự động sẽ tạo ra lưu lượng truy cập vào mạng di động với các
đặc điểm khác biệt đáng kể so với lưu lượng truy cập theo kiểu “người với người” hiện nay.
Sự cùng tồn tại của các ứng dụng kiểu “con người là trung tâm” và kiểu máy móc sẽ đề ra
các chỉ số hiệu năng (KPI) rất đa dạng và quan trọng mà các mạng 5G sẽ phải hỗ trợ. Do

đó, tầm nhìn của mạng lát cắt (network slicing) sẽ đáp ứng nhu cầu của các ngành dọc, địi
hỏi phải có các dịch vụ viễn thơng riêng biệt, bằng cách cung cấp các lát cắt mạng theo yêu
cầu của các nhà khai thác như được mô tả trong Hình 1.4. Sự cần thiết phải ánh xạ các thỏa
thuận mức đáp ứng dịch vụ cho khách hàng với các mô tả slice mạng hướng tới tài nguyên,
tạo thuận lợi cho việc khởi tạo và kích hoạt các cá thể slice, trở nên hiển nhiên. Trong quá
khứ, các nhà khai thác thực thi ánh xạ như vậy theo cách thủ công đối với một số loại dịch
vụ / slice giới hạn (chủ yếu là băng rộng di động - MBB, dịch vụ thoại và SMS). Với số
lượng yêu cầu của khách hàng tăng lên và theo đó là số lượng các slice mạng, khung điều
khiển và quản lý mạng di động do đó sẽ phải thể hiện mức tự động hóa tăng lên đáng kể để
phục vụ cho việc quản lý tồn bộ vịng đời của các slice mạng.

Hình 1.4. Kiến trúc mạng 5G theo mạng lát cắt

download by :


9

1.3.

Một số kịch bản trong mạng di động 5G

1.3.1. Những kịch trong mạng di động 5G
Mạng di động 5G hướng đến kết nối hầu như mọi thứ, vượt xa nhu cầu của con
người hiện nay, để đáp ứng các yêu cầu cho các lớp dịch vụ mới, với mức độ tin cậy và độ
trễ mới, và mang đến những khả năng mới hỗ trợ cho việc kiểm soát và khám phá để tiếp
cận với nhận thức mới về cuộc sống. Một tầm nhìn về tầm quan trọng này khơng chỉ đòi
hỏi một cách suy nghĩ mới mà còn đòi hỏi một kiểu hạ tầng mạng khác. 4G LTE ban đầu
cung cấp băng thông rộng di động tốt hơn, nhưng LTE-Advanced theo nhiều cách đã đi
theo hướng chuyển đổi tương tự như 5G.

Hình 1.5: Ba kịch bản trong mạng di động 5G [18]

Yêu cầu của các dịch vụ đã tồn tại và các dịch vụ mới khác nhau rất lớn từ nhiều
khía cạnh. Cải tiến cực đoan trong một khía cạnh thường địi hỏi sự trả giá trong một khía
cạnh khác. Nói cách khác, người ta khơng thể có được độ tin cậy cực cao và chi phí cực
thấp cùng một lúc, vì vậy 5G phải mở rộng đến mức hiệu suất phù hợp cho một dịch vụ,
nhưng giảm chi phí cho một dịch vụ khác.

download by :


10

ITU-Radiocommunication, một trong số 3 đơn vị của Liên minh viễn thông quốc
tế (ITU) đã tổng kết ra 3 ngữ cảnh sử dụng, chỉ rõ sự khác nhau giữa tính chất của các
khía cạnh phát triển trong 5G trong Hình 1.5.
- Băng rộng di động nâng cao: Dịch vụ di động băng rộng là một ví dụ điển hình cho
những trường hợp sử dụng của 5G hướng tới con người, nhằm truy cập nội dung đa phương
tiện, dịch vụ hay dữ liệu. Nhu cầu băng rộng di động sẽ tiếp tục tăng, dẫn đến tăng cường
di động băng thông rộng. Kịch bản sử dụng băng rộng di động nâng cao sẽ đi kèm với các
lĩnh vực ứng dụng mới và các yêu cầu vượt ngoài khả năng của các ứng dụng băng rộng di
động hiện tại sẽ cho hiệu suất cải thiện hơn và trải nghiệm của người dùng ngày càng liền
mạch hơn.
- Truyền thông độ trễ thấp và cực đáng tin cậy: Trường hợp sử dụng này có các yêu
cầu nghiêm ngặt đối với các khả năng của thiết bị và mạng lưới như thơng lượng, độ trễ và
tính khả dụng. Một số ví dụ có thể kể đến bao gồm kiểm sốt khơng dây sản xuất cơng
nghiệp hoặc quy trình sản xuất, phẫu thuật y tế từ xa, tự động hóa phân phối trong lưới điện
thơng minh, an tồn giao thơng, v.v.
- Truyền thơng kiểu máy số lượng lớn: Trường hợp sử dụng này được đặc trưng bởi

một số lượng lớn các thiết bị được kết nối thường truyền kiểu dữ liệu không nhạy cảm với
chậm trễ. Các thiết bị được u cầu phải có chi phí thấp và có thời lượng pin rất dài.
1.3.2. Những yêu cầu kỹ thuật trong mạng di động 5G
IMT-2020 (5G) PG nhóm các yêu cầu cấp cao cho 5G thành một số chỉ số hiệu suất
và chỉ số hiệu quả. Các chỉ số hiệu suất chính cho 5G bao gồm tốc độ dữ liệu của người
dùng, mật độ kết nối, độ trễ đầu cuối, mật độ lưu lượng truy cập, tính di động và tốc độ dữ
liệu đỉnh. Định nghĩa của chúng được liệt kê trong Bảng 1.1.
Bảng 1.1: Các chỉ số đánh giá năng suất của mạng 5G

Chỉ số đánh giá

Định nghĩa

Tốc độ dữ liệu của người dùng (bps)

Tốc độ bit thấp nhất mà người dùng có
thể đạt tới trong điều kiện mạng thật

Mật độ kết nối (/km^2)

Tổng số thiết bị kết nối trong một vùng
không gian

download by :


11

Độ trễ đầu cuối (ms)
Mật độ lưu lượng truy cập

(bps/km^2)
Tính di động (km/h)
Tốc độ dữ liệu đỉnh (bps)

Khoảng thời gian giữa việc truyền một
gói dữ liệu từ phía phát và nhận thành
cơng ở phía thu
Tốc độ dữ liệu tổng cộng của tất cả người
dùng trong một vùng không gian
Tốc độ tương đối giữa bên thu và bên
phát trong điều kiện nhất định
Tốc độ dữ liệu tối đa cho mỗi người dùng

Một số vấn đề được dự đoán nếu hệ thống mạng hiện tại được sử dụng để xử lý sự
phát triển bùng nổ của Internet di động và IoT:
- Mức hiệu quả năng lượng, tổng chi phí cho mỗi bit và độ phức tạp của việc triển khai
và bảo trì mạng không thể xử lý hiệu quả mức tăng trưởng lưu lượng 1000 lần truy cập và
số lượng lớn các thiết bị kết nối trong thập kỷ tới.
- Sự tồn tại của nhiều công nghệ truy cập vô tuyến (RAT) đã khiến sự phức tạp tăng
lên và trải nghiệm người dùng bị suy giảm.
- Các mạng hiện tại không thể thực hiện giám sát chính xác tài nguyên mạng và nhận
thức hiệu quả các dịch vụ và do đó chúng khơng thể hồn thành một cách thơng minh u
cầu đa dạng của người dùng và dịch vụ trong tương lai.
- Phổ tần số phân bố rộng và phân tán sẽ gây nhiễu và phức tạp.
Để giải quyết những vấn đề này, 5G cần có các khả năng sau để đạt được tính bền
vững. Về vấn đề xây dựng và triển khai mạng, mạng 5G cần phải:
- Cung cấp dung lượng mạng cao hơn và mức độ phủ sóng tốt hơn, trong khi giảm
phức tạp và chi phí triển khai mạng, đặc biệt là việc triển khai mạng siêu cấp.
- Có kiến trúc linh hoạt và có thể mở rộng để thích nghi với nhu cầu đa dạng của người
dùng và dịch vụ.

- Sử dụng linh hoạt và hiệu quả các tài nguyên phổ khác nhau, bao gồm cả ghép nối
và không ghép nối, phổ tái canh và phổ mới, tần số thấp và dải tần số cao, và băng tần được
cấp phép và khơng có giấy phép.
- Có khả năng kết nối thiết bị mạnh hơn để xử lý các yêu cầu truy cập của một lượng
lớn thiết bị IoT.
Về vấn đề hoạt động và bảo trì (O&M), 5G cần:

download by :


12

- Cải thiện hiệu quả năng lượng mạng và chi phí mỗi bit để đối phó với lưu lượng dữ
liệu tăng trưởng và nhu cầu đa dạng của các dịch vụ và ứng dụng khác nhau.
- Giảm độ phức tạp do sự tồn tại đồng thời của nhiều công nghệ truy cập vô tuyến,
nâng cấp mạng và giới thiệu các tính năng mới và chức năng để cải thiện trải nghiệm của
người dùng.
- Tối ưu hóa thơng minh dựa trên nhận thức về hành vi và dịch vụ của người dùng nội
dung
- Cung cấp một loạt các giải pháp bảo mật mạng để đáp ứng nhu cầu của tất cả các
loại thiết bị và dịch vụ của Internet di động và IoT.
Sử dụng phổ, tiêu thụ năng lượng và chi phí là ba yếu tố chính phải được giải quyết
trong các mạng truyền thông di động bền vững. Để đạt được tính bền vững, 5G cần cải
thiện đáng kể các khía cạnh sau (Bảng 1.2):
Bảng 1.2: Các chỉ số hiệu suất chính của mạng 5G

Chỉ số đánh giá

Định nghĩa

Hiệu suất phổ
(bps/Hz/cell or bps/Hz/km^2)

3-5 lần

Hiệu suất năng lượng (bit/J)

100C lần

Hiệu suất chi phí

100C lần

Các hệ thống 5G phải hoạt động tốt hơn các hệ thống thế hệ trước. 5G nên hỗ trợ:
- Tốc độ dữ liệu của trải nghiệm người dùng: 0,1–1 Gbps
- Mật độ kết nối: một triệu kết nối trên mỗi km vuông
- Độ trễ đầu cuối: mili giây
- Mật độ lưu lượng truy cập: hàng chục Gb/km^2
- Tính di động: cao hơn 500 km/giờ
- Tốc độ dữ liệu đỉnh: hàng chục Gbps
Trong số các yêu cầu này, tốc độ dữ liệu của trải nghiệm người dùng, mật độ kết nối
và độ trễ đầu cuối là ba yếu tố cơ bản nhất. Trong khi đó, 5G cần cải thiện đáng kể hiệu quả

download by :