Để hỗ trợ sự phát triển của internet di động và IoT, các mạng 5G sẽ là phương tiện chính của mạng truy nhập dành cho kết nối người với người và người với máy. Điều này có nghĩa là 5G sẽ phải đáp ứng được sự đa dạng về các yêu cầu và đặc tính của các dịch vụ. Ví dụ như băng thông cực rộng, trễ cực thấp, số lượng kết nối lớn và độ tin cậy cực cao, v.v., cùng với khả năng đáp ứng được các nhu cầu sử dụng khác nhau. Yêu cầu lớn nhất được đặt ra cho mạng hướng dịch vụ là cung cấp trải nghiệm người dùng tốt hơn, mềm dẻo và hiệu quả.
Các yêu cầu về hiệu suất
Mạng không dây cần đuổi kịp mạng cố định về chất lượng dịch vụ, độ tin cậy và bảo mật. Mạng 5G kỳ vọng sẽ hỗ trợ dung lượng lũy thừa ba trên 1 km2, tốc độ gấp hàng trăm lần, trễ truy nhập vô tuyến nhỏ hơn 1 mili giây, số lượng kết nối gấp hơn 100 lần và tiêu thụ ít năng lượng hơn lũy thừa ba so với các mạng không dây hiện tại. Tuy vậy, các yêu cầu về hiệu suất này không nhất thiết phải đáp ứng đồng thời, chúng là cơ sở để người dùng được trải nghiệm tốc độ Gbit/s. Các mục tiêu hiệu năng của hệ thống 5G được mô tả ở hình 2.
Phổ tần 5G
Sự gia tăng nhu cầu về lưu lượng đòi hỏi sự gia tăng số lượng phổ tần cho hệ thống 5G. Các băng tần cao thuộc bước sóng xăng-ti-mét (cmWave) và milimet (mmWave) là các băng tần tiềm năng vì có khả năng cung cấp kênh có độ rộng lớn do đó cung cấp được tốc độ dữ liệu cao.
Mạng 5G là mạng hỗn hợp cho phép kết hợp giữa mạng tần số thấp và mạng tần số cao. Các băng tần số cao chỉ là bổ trợ, các băng tần số thấp (dưới 6GHz) vẫn là băng tần chính cho 5G.
Băng tần cao cũng cho phép hợp nhất truy nhập vô tuyến và mạng truyền dẫn (backhaul) vì cùng dùng chung tài nguyên vô tuyến. Sử dụng hợp nhất giao diện vô tuyến và phân tầng cho cả truy nhập vô tuyến và backhaul để có backhaul linh hoạt và mạng mật độ cao chi phí thấp (UDN).
Truy cập vô tuyến trong tương lai có thể sử dụng các băng tần có quy định khác nhau bao gồm băng tần cấp phép riêng, không cấp phép riêng và băng tần miễn cấp phép. Hệ thống 5G sử dụng linh hoạt cả băng tần cấp phép và miễn cấp phép cho giao diện vô tuyến.
Giao diện vô tuyến mới
Các ứng dụng khác nhau yêu cầu công nghệ giao diện vô tuyến phức tạp và khác nhau, một giao diện vô tuyến mới đồng nhất với tính mềm dẻo và khả năng thích nghi sẽ đáp ứng được yêu cầu này. Giao diện vô tuyến mới bao gồm các khối và cơ chế thiết lập chẳng hạn như dạng sóng thích nghi, giao thức thích nghi, cấu trúc khung thích nghi, điều chế và mã thích nghi và cơ chế đa truy nhập thích nghi. Với các khối và cơ chế này, giao diện vô tuyến có khả năng đáp ứng được sự đa dạng của các dịch vụ người dùng, băng tần và lưu lượng.
Các thành phần mấu chốt, như hình 4.1, gồm có công nghệ dạng sóng mới Filtered-OFDM (Filtered-Orthogonal Frequency Division Multiplexing), công nghệ truy cập mới SCMA (Sparse Code Multiple Access), mã kênh mới Mã cực, song công toàn phần và công nghệ massive MIMO. Giao diện vô tuyến mới sẽ cải thiện hiệu suất sử dụng phổ tần, tăng khả năng kết nối, và giảm trễ, do đó thuận tiện cho việc triển khai các kịch bản dùng cho IoT và kịch bản sử dụng độ rộng kênh lớn chẳng hạn như thực tế ảo.
Giao diện vô tuyến mới khai thác tính không trực giao mức 2 để tối đa hóa hiệu suất sử dụng phổ tần, số lượng các thiết bị kết nối và hỗ trợ sự đa dạng các dịch vụ. Filtered-OFDM cho phép kết hợp liên băng con (inter-subband) không trực giao trong khi SCMA cho phép kết hợp nội băng con (intra-subband) không trực giao.
Filtered - OFDM
Filtered-OFDM là một thành phần cơ bản của công nghệ dạng sóng nhằm hỗ trợ các dạng sóng khác nhau, cơ chế đa truy nhập và cấu trúc khung dựa trên các yêu cầu của ứng dụng và dịch vụ. Nó có thể đơn giản hóa sự cùng tồn tại của các dạng sóng khác nhau với các tham số OFDM khác nhau như trong hình 4.2. Trong hình này ba bộ lọc băng con được sử dụng để tạo ra nhóm sóng mang con OFDM với 3 độ rộng giữa các sóng mang con khác nhau, độ dài ký hiệu OFDM khác nhau và thời gian bảo vệ khác nhau. Bằng cách cho phép thiết lập các tham số, filtered-OFDM sẽ lựa chọn các tham số tối ưu cho mỗi nhóm dịch vụ và do đó tăng hiệu suất của cả hệ thống.
Đa truy nhập mã thưa
Đa truy nhập mã thưa (Sparse code multiple access (SCMA)) là một cấu hình dạng sóng khác của giao diện vô tuyến mới. Dạng sóng không trực giao này đơn giản hóa cơ chế đa truy nhập mới trong đó các từ mã (codeword) thưa của các lớp các thiết bị được đặt trong mã và miền công suất và được truyền qua tài nguyên tần số - thời gian chung. Thông thường, ghép kênh của các thiết bị bị quá tải nếu số lượng lớp lớn hơn chiều dài của từ mã ghép kênh. Tuy nhiên, với SCMA, sự quá tải được giải quyết với mức độ giải mã phức tạp trung bình do giảm kích thước của ma trận SCMA đa chiều và sự thưa của từ mã SCMA. Trong SCMA, các bit mã được ánh xạ trực tiếp với từ mã thưa đa chiều được lựa chọn từ sách mã (codebook) SCMA của lớp đó. Sự phức tạp của giải mã được điều khiển thông qua hai tham số chính. Một là mức thưa của từ mã, và thứ hai là sử dụng chòm sao đa chiều với số lượng ít hình chiếu trên mỗi chiều. Một ví dụ về ghép kênh với sách mã hình chiếu ít và kết quả ánh xạ được miêu tả trong hình 4.3. Các bit giải mã của thiết bị trước tiên được ánh xạ với từ mã từ sách mã. Trong ví dụ, sử dụng từ mã có độ dài là 4. Sách mã hình chiếu ít sẽ giảm chòm sao (từ 4 điểm xuống 3 điểm). Hơn nữa, mỗi điểm (nghĩa là “00”) có thành phần khác 0 chỉ có 1 lần. Sách mã có một thành phần khác không được gọi là sách mã zero-PAPR.
Ngoài ra, kỹ thuật thu đa thiết bị mù có thể được áp dụng để xác định hoạt động của thiết bị và thông tin chúng sử dụng ngay lập tức. Với khả năng xác định mù này, đa truy nhập tự do sẽ được hỗ trợ. Đa truy nhập tự do là cơ chế loại bỏ các yêu cầu động và cho phép báo hiệu trước. Đó là một giải pháp hữu hiệu cho truyền tải các gói nhỏ. SCMA cho phép đa truy nhập tự do. Do các lợi ích này, SCMA có thể hỗ trợ kết nối lớn, giảm trễ truyền và tiết kiệm năng lượng.
Mã cực
Mã cực là đột phá quan trọng trong lý thuyết mã. Chúng có thể đạt được dung lượng Shannon với bộ mã hóa đơn giản và với bộ giải mã khử liên tục (SC) khi kích thước khối mã đủ lớn. Có nhiều nghiên cứu về mã cực trong thiết kế thuật toán mã hóa và giải mã. Một trong những thuật toán giải mã quan trọng nhất là giải mã SC-list với kích thước danh sách là 32 đối với kích thước khối mã vừa phải. Các mô phỏng đã cho thấy mã cực nối với nhau với mã dư thừa chu kỳ (CRC) và bộ giải mã SC-list thích ứng có thể tạo mã turbo/LDPC (Low Density Parity Check) ngắn và kích thước khối mã vừa phải. Mã cực hoạt động tốt hơn tất cả các loại mã hiện tại đang được sử dụng cho hệ thống 4G LTE, đặc biệt đối với mã ngắn, do vậy nó được coi là ứng cử viên cho mô-đun FEC trong thiết kế giao diện vô tuyến 5G.
Massive-MIMO
Massive-MIMO tạo sự đột phá rõ ràng bằng cách sử dụng hệ thống nhiều anten trên mạng và thiết bị. Với tư cách là 1 thành phần hứa hẹn trong công nghệ 5G, massive MIMO là giải pháp thương mại hấp dẫn khi tăng hiệu suất hơn 100 lần mà không cần lắp hơn 100 trạm gốc.
Sự phát triển về chùm vô hướng với công suất thấp, PAPR thấp và mềm dẻo trong điều chỉnh chùm để theo dõi tính di động của UE cho phép thương mại hóa để triển khai trong thực tế với các hình huống sử dụng phong phú như mạng rộng, nhỏ, vùng đô thị.
Song công toàn phần
Song công toàn phần phá vỡ rào cản giao tiếp hiện nay bằng cách hỗ trợ truyền thông hai hướng mà không cần ghép kênh thời gian hoặc tần số. Bằng cách phát và nhận cùng một thời gian trên cùng một tần số, song công toàn phần có tiềm năng tăng gấp đôi dung lượng và giảm trễ của hệ thống.
Ảo hóa truy nhập vô tuyến
Mạng 5G sử dụng chiến lược ảo hóa truy nhập vô tuyến và nền tảng điện toán tân tiến sẽ khai thác mạng mật độ cao. Thuật ngữ tế bào ảo sẽ xóa bỏ thuật ngữ tế bào cũ.
Loại bỏ vùng phủ tế bào
Hiện nay các thiết bị được kết nối với một trạm gốc, khi thiết bị ra xa trạm gốc thì chất lượng sẽ bị giảm xuống. Trong mạng ảo hóa thì thiết bị là trung tâm, mạng sẽ xác định điểm truy cập nào sẽ phục vụ thiết bị. Tế bào sẽ di chuyển cùng và luôn bao quanh thiết bị để cung cấp dung lượng như đang ở tâm của tế bào. Sự loại bỏ vùng phủ tế bào được miêu tả ở hình 5.
Tối ưu điểm truy cập
Mỗi thiết bị được phục vụ bởi tập hợp các điểm truy cập. Tập hợp các điểm phục vụ thực tế có thể gồm 1 hoặc nhiều điểm truy cập và dữ liệu của thiết bị sẽ được truyền tải một phần hoặc toàn bộ tại một hoặc một vài tập các điểm truy cập. Bộ điều khiển điểm truy cập sẽ thiết lập mỗi thiết bị với tập các điểm truy cập phù hợp với tải và Thông tin Trạng thái Kênh (CSI) của các điểm truy cập tại mỗi thời điểm truyền thông.
Mạng hỗ trợ các thiết bị cộng tác với nhau
Một yếu tố trong việc xác định và cập nhật tập các trạm gốc đang và sẽ phục vụ là khả năng cộng tác giữa các thiết bị gần nhau. Mật độ các thiết bị gần nhau và khả năng kết nối thiết bị-với-thiết bị (D2D) đưa ra cơ hội để các thiết bị hợp tác trong truyền/nhận.
Bộ điều khiển điểm truy cập có thể thiết lập để các thiết bị hưởng lợi từ hợp tác thiết bị và quản lý như xung đột, bảo mật và riêng tư. Mạng hỗ trợ các thiết bị cộng tác với nhau sẽ góp phần ảo hóa tốt hơn bằng cách tăng số lượng các đường truyền từ mạng đến thiết bị đích.
Kết luận
Mạng tương lai sẽ tập trung vào các ứng dụng khác nhau và trải nghiệm người dùng hơn là đi tìm băng thông rộng hơn. Điều này đặt ra đòi hỏi phải xây dựng mạng hướng dịch vụ để đáp ứng nhanh và hiệu quả nhu cầu của người sử dụng cũng như cung cấp các dịch vụ chất lượng cao cho các tình huống sử dụng khác nhau.