Công nghệ 5G: Nền tảng cho tương lai kết nối toàn cầu (Phần 1)

5G Massive MIMO

Công nghệ MIMO (Multiple-Input-Multiple-Output) đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống thông tin không dây, cho phép gửi và nhận nhiều tín hiệu đồng thời trên cùng một kênh vô tuyến. MIMO đã trở thành công nghệ then chốt trong các mạng Wifi, 3G, 4G và 4G LTE-A nhờ khả năng cải thiện hiệu suất phổ và hiệu quả năng lượng. Tuy nhiên, MIMO truyền thống thường gặp hạn chế về thông lượng và độ tin cậy kết nối. Để giải quyết những vấn đề này, các biến thể như MIMO người dùng đơn (SU-MIMO), MIMO nhiều người dùng (MU-MIMO) và mạng MIMO đã được phát triển. Dù vậy, các công nghệ này vẫn chưa đáp ứng hoàn toàn nhu cầu của người dùng cuối.

Đa người dùng đa ăng-ten quy mô lớn (Massive MIMO) là một bước tiến mới của công nghệ MIMO, được triển khai trong mạng 5G với hàng trăm, thậm chí hàng nghìn ăng-ten tại các trạm gốc nhằm tăng cường thông lượng và hiệu suất phổ. Massive MIMO sử dụng nhiều ăng-ten truyền và nhận để gia tăng tốc độ truyền dữ liệu và hiệu suất phổ, đặc biệt hiệu quả khi nhiều người dùng (User Equipment - UE) đồng thời tạo lưu lượng tải xuống. Công nghệ này tận dụng ăng-ten bổ sung để tập trung năng lượng vào các khu vực không gian nhỏ, qua đó cải thiện hiệu quả phổ và thông lượng.

Hơn nữa, Massive MIMO với các kỹ thuật beamforming và ghép kênh quy mô lớn cho phép thu thập dữ liệu từ các cảm biến thông minh với độ trễ thấp, tốc độ dữ liệu cao và độ tin cậy cao. Công nghệ này có tiềm năng hỗ trợ các ứng dụng cảm biến thông minh như xe tự lái, chăm sóc y tế, lưới điện thông minh, thành phố thông minh, đường cao tốc thông minh, nhà thông minh và doanh nghiệp thông minh, bằng cách truyền dữ liệu thời gian thực tới các trung tâm giám sát.

Các điểm nổi bật của Massive MIMO trong 5G có thể kể đến:

• Tốc độ dữ liệu: Massive MIMO là công nghệ chủ lực cung cấp tốc độ truyền không dây cao, đạt mức gigabit mỗi giây.
• Mối quan hệ giữa tần số sóng và kích thước ăng-ten: Hai yếu tố này tỷ lệ nghịch, nghĩa là tần số thấp cần ăng-ten lớn hơn và ngược lại.
• Số lượng người dùng: Trong các công nghệ từ 1G đến 4G, một ô (cell) thường chứa 10 ăng-ten. Trong khi đó, công nghệ 5G sử dụng hơn 100 ăng-ten cho một ô, cho phép phục vụ nhiều người dùng đồng thời.

Các nghiên cứu gần đây đã tập trung cải tiến hiệu năng và hiệu quả năng lượng của hệ thống MIMO trong các ứng dụng không dây hiện đại. Hệ thống điều khiển nhiều tốc độ (multirate) MIMO được đề xuất nhằm cải thiện độ mượt của đầu vào điều khiển và giảm tỷ lệ lỗi so với MIMO truyền thống, đồng thời khuyến nghị kết hợp giữa multirate và single-rate để đạt kết quả tối ưu. Các cấu hình MIMO độc lập, phân tán (có và không hợp tác) cũng được phân tích để đánh giá hiệu năng trong bối cảnh tích hợp 5G, với các tỉ lệ ăng-ten khác nhau.

Ngoài ra, nghiên cứu về hệ thống massive MIMO cho thấy sự hợp tác giữa các trạm gốc (Base Station - BS) có thể cải thiện hiệu năng hệ thống, dù làm giảm thông lượng. Điều này đặt ra nhu cầu phát triển phương pháp tối ưu hóa cả hai yếu tố. Về mặt hiệu quả năng lượng, các nghiên cứu đã tập trung giảm độ phức tạp xử lý, tối ưu hóa chuỗi tần số vô tuyến (Radio frequency - RF) và hạn chế tổn thất năng lượng để cải thiện hiệu quả vận hành của hệ thống Massive MIMO, đồng thời chỉ ra nhiều hướng nghiên cứu mở. Bên cạnh đó, các phương pháp tối ưu hóa lựa chọn và lập lịch ăng-ten, người dùng cũng được xem xét nhằm nâng cao tỷ lệ sử dụng tài nguyên và băng thông. Hơn nữa, hệ thống massive MIMO còn được ứng dụng trong các lĩnh vực như ô nhỏ (small cells), Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM) và các tiêu chuẩn như IEEE 802 và 3GPP, nhấn mạnh tiềm năng lớn trong việc triển khai hệ thống thông tin thế hệ mới.

5G Non-Orthogonal Multiple Access

Công nghệ truy cập vô tuyến không trực giao (Non-Orthogonal Multiple Access - NOMA) đóng vai trò quan trọng trong hệ thống thông tin di động thế hệ mới. So với các kỹ thuật truy cập vô tuyến trực giao trước đây, NOMA mang lại nhiều lợi ích vượt trội như hiệu suất phổ cao, độ trễ thấp với độ tin cậy cao và khả năng kết nối tốc độ cao với mật độ lớn. NOMA hoạt động dựa trên nguyên lý phục vụ nhiều người dùng cùng sử dụng chung tài nguyên về thời gian, không gian và tần số. Công nghệ này được chia thành hai loại chính: NOMA miền mã (code-domain NOMA) và NOMA miền công suất (power-domain NOMA).

NOMA miền mã cải thiện đáng kể hiệu suất phổ của hệ thống MIMO khổng lồ (mMIMO), tăng cường khả năng kết nối trong mạng thông tin di động 5G. NOMA miền mã bao gồm các kỹ thuật truy cập khác nhau như truy cập mã thưa (Sparse code multiple access - SCMA), truy cập phân hoạch mạng (Lattice Partition Multiple Access - LPMA), truy cập chia sẻ đa người dùng (Multi-user Shared Access - MUSA) và truy cập phân chia theo mẫu (Pattern division multiple access - PDMA).

Trong khi đó, NOMA miền công suất được áp dụng rộng rãi trong mạng 5G do khả năng kết hợp tốt với nhiều kỹ thuật truyền thông không dây như MIMO, beamforming, mã hóa không gian - thời gian, mã hóa mạng, truyền dẫn song công hoàn toàn (full - duplex) và truyền thông hợp tác (cooperative communication).

Truy cập vô tuyến trực giao đa tần số (Orthogonal Frequency Division Multiple Access - OFDMA) truyền thống, được sử dụng trong mạng 4G LTE của 3GPP, thường gặp hạn chế về hiệu suất phổ khi tài nguyên băng thông được phân bổ cho người dùng có thông tin trạng thái kênh (Channel state information - CSI) thấp. NOMA giải quyết vấn đề này bằng cách cho phép tất cả người dùng truy cập vào các kênh con, giúp nâng cao hiệu suất phổ. Mạng 5G với kiến trúc dị thể, trong đó các small cell và macro hoạt động chia sẻ phổ, đặc biệt phù hợp để ứng dụng NOMA, vì nhiều người dùng có thể chia sẻ dữ liệu trong các small cells theo nguyên lý NOMA. Công nghệ này hỗ trợ nhiều ứng dụng quan trọng như mạng siêu dày đặc (Ultra-dense network - UDN), truyền thông máy với máy (Machine-to-Machine - M2M) và truyền thông kiểu máy khổng lồ (Massive Machine-Type Communications - mMTC).

Dù vậy, NOMA cũng gặp phải một số thách thức như đòi hỏi năng lực tính toán lớn để xử lý thuật toán hủy bỏ giao thoa tuần tự khi phục vụ số lượng lớn người dùng ở tốc độ dữ liệu cao và việc tối ưu phân bổ công suất khi người dùng di chuyển ra khỏi mạng. HNOMA là sự kết hợp giữa NOMA miền mã và NOMA miền công suất đã được phát triển để khắc phục những hạn chế này. HNOMA sử dụng cả sự khác biệt về công suất và tài nguyên trực giao để truyền tải giữa nhiều người dùng, đạt hiệu suất phổ cao hơn so với các phương pháp NOMA riêng lẻ. Công nghệ này áp dụng thuật toán lan truyền tin và thuật toán hủy bỏ giao thoa tuần tự tại trạm gốc để xử lý tín hiệu của các nhóm người dùng truyền đồng thời.

Nhiều phương pháp tiếp cận đã được phát triển để giải quyết các thách thức khác nhau trong công nghệ NOMA. Một phương pháp mới đã được đề xuất trong nhằm xử lý tín hiệu nhận tại cùng một tần số, trong đó NOMA cho phép nhiều người dùng chia sẻ cùng một kênh con, từ đó cải thiện đáng kể tính công bằng và thông lượng của hệ thống. Tuy nhiên, do sử dụng phương pháp không trực giao giữa các người dùng, việc khôi phục tín hiệu tại phía thu yêu cầu áp dụng các kỹ thuật xử lý chung phức tạp. Các nghiên cứu đã chứng minh rằng NOMA có khả năng đáp ứng hiệu quả nhu cầu tốc độ dữ liệu của người dùng cũng như các yêu cầu về hiệu suất ở cấp độ mạng trong hệ thống 5G. Các phân tích so sánh đã được thực hiện, tập trung vào các quy trình phân bổ tài nguyên, tính công bằng giữa người dùng, hiệu suất tiên tiến và các mô hình ghép cặp người dùng. Ngoài ra, nghiên cứu còn đánh giá hiệu quả của NOMA khi kết hợp với các kỹ thuật truyền thông không dây khác, bao gồm beamforming, MIMO, liên kết hợp tác, mã hóa không gian - thời gian và mã hóa mạng.

Một mô hình tối ưu hóa đã được đề xuất nhằm cải thiện hiệu quả của NOMA trên đường truyền uplink bằng cách giảm tiêu thụ năng lượng của người dùng. Khung làm việc này sử dụng các phương pháp phân bổ tài nguyên tính toán và giao tiếp, phân cụm người dùng, cũng như điều chỉnh công suất truyền tải, giúp giảm thiểu tiêu thụ năng lượng trong hệ thống tính toán biên di động.

Kết quả mô phỏng cho thấy NOMA đạt được hiệu suất vượt trội so với các cấu hình TDMA truyền thống, đặc biệt trong việc đảm bảo tính công bằng hiệu suất cao. Ngoài ra, các kết quả cũng chỉ ra rằng, thông qua việc sử dụng các bộ khuếch đại công suất tối ưu, NOMA có tiềm năng đáp ứng các yêu cầu hiệu suất cao trong các mạng không dây 5G tương lai.

5G Millimeter Wave

Tầng sóng milimet (mmWave) là một băng tần tần số cực cao, có vai trò quan trọng trong các mạng không dây 5G. MmWave sử dụng băng tần từ 30 GHz đến 300 GHz cho việc truyền tải dữ liệu. Băng tần tần số từ 30 GHz đến 300 GHz được gọi là mmWave vì các sóng này có bước sóng từ 1 đến 10 mm. Cho đến nay, các hệ thống radar và vệ tinh là những công nghệ duy nhất sử dụng mmWave, do đây là các băng tần có tốc độ rất cao, cung cấp khả năng truyền thông không dây tốc độ cực nhanh. Nhiều nhà cung cấp mạng di động cũng đã bắt đầu sử dụng mmWave để truyền tải dữ liệu giữa các trạm gốc.

Tốc độ truyền dữ liệu có thể được cải thiện theo hai cách: (1) tăng cường việc sử dụng phổ tần và (2) mở rộng băng thông phổ tần. Trong hai phương pháp này, việc mở rộng băng thông phổ tần được triển khai dễ dàng và hiệu quả hơn.

Băng tần dưới 5 GHz hiện nay đã rất đông đúc vì nhiều công nghệ đang sử dụng nó, vì vậy để tăng tốc độ truyền tải dữ liệu, mạng không dây 5G sử dụng công nghệ mmWave, công nghệ này không chỉ tăng cường việc sử dụng phổ tần mà còn mở rộng băng thông phổ tần. Để tối đa hóa băng thông tín hiệu trong truyền thông không dây, tần số mang cũng cần phải được tăng lên 5% vì băng thông tín hiệu tỉ lệ thuận trực tiếp với tần số mang.

Băng tần từ 28 GHz đến 60 GHz rất hữu ích cho truyền thông không dây 5G vì băng tần 28 GHz cung cấp băng thông phổ tần lên đến 1 GHz và băng tần 60 GHz cung cấp băng thông phổ tần 2 GHz. Trong khi đó, 4G LTE chỉ cung cấp tần số mang 2 GHz, cung cấp băng thông phổ tần chỉ 100 MHz. Tuy nhiên, việc sử dụng mmWave tăng gấp 10 lần băng thông phổ tần, dẫn đến tốc độ truyền tải cao hơn. Những điểm nổi bật của mmWave trong 5G bao gồm: (1) MmWave là băng tần mới ít được sử dụng, (2) Tín hiệu mmWave có khả năng mang nhiều dữ liệu hơn so với sóng tần số thấp hơn và (3) MmWave có thể được tích hợp với ăng-ten MIMO, với khả năng cung cấp dung lượng lớn hơn so với các hệ thống truyền thông hiện tại.