Bài viết này giới thiệu những vấn đề về xu hướng công nghệ và dịch vụ thông tin di động từ 4G đến 5G, so sánh yêu cầu kỹ thuật của thông tin di động 5G với thông tin di động 4G và quy hoạch tần số cho mạng thông tin di động 5G. Bên cạnh đó, bài viết cũng cập nhật một số kết quả thử nghiệm công nghệ 5G được thực hiện tại Việt Nam và một số quốc gia trên thế giới trong thời gian gần đây, qua đó thấy được nỗ lực của thế giới trong việc hiện thực hóa tầm nhìn về mạng thông tin di động 5G.
1. Xu hướng phát triển công nghệ và dịch vụ thông tin di động
4.5G (LTE-Advanced Pro) - Phiên bản tiếp theo của mạng 4G (LTE-Advanced) hiện nay
Theo số liệu báo cáo của nhà mạng di động SK Telecom (Hàn Quốc) tại Hội thảo chuyên đề về công nghệ thông tin di động 4G và 5G tổ chức tại thành phố Hà Nội vào cuối tháng 6/2017 cho thấy: Lượng thuê bao 4G của nhà mạng này đã vượt qua lượng thuê bao 3G và hiện nay thuê bao 4G đã gấp 4 lần số thuê bao 3G. SK Telecom cũng ghi nhận sự tăng đột biến lưu lượng dữ liệu 4G, lên tới 227% vào thời điểm tháng 3/2017 so với cùng kỳ năm 2015 [Hình 1]. Để đáp ứng nhu cầu tiêu dùng dữ liệu tăng nhanh như vậy, SK Telecom liên tục tăng thêm băng thông cho hệ thống 4G đồng thời áp dụng công nghệ mới (ví dụ như kỹ thuật kết hợp sóng mang hay triển khai phương án giảm tải lưu lượng di động sử dụng WiFi,…) vào mạng di động của mình. Nhà mạng này dự kiến trong năm 2017 sẽ nâng cấp mạng 4G lên mạng 4.5G, đạt tốc độ dữ liệu từ 700 Mbp/s đến 1000 Mbp/s. Nếu kế hoạch này thành công, thì SK Telecom có thể sẽ là một trong số những nhà mạng đầu tiên trên thế giới đạt được tốc độ 700 Mbp/s.
Song song với quá trình nâng cấp mạng 4G hiện tại, SK Telecom đã có những kế hoạch nghiên cứu và chuẩn bị cho việc xây dựng mạng 5G. Dự kiến nhà mạng này sẽ bắt đầu cung cấp dịch vụ thông tin di động 5G trong giai đoạn 2018-2019.
Ứng dụng truyền thông với số lượng và dung lượng kết nối lớn, độ trễ cực thấp và độ tin cậy siêu cao
Theo số liệu báo cáo của Ericsson tại Hội thảo về “Quản lý tần số đối với di động băng rộng 5G và IoT” do Cục Tần số vô tuyến điện tổ chức ngày 08/6/2017 cho thấy: Hiện nay, trên thế giới có trên 16 tỷ thiết bị được kết nối. Dự báo, đến năm 2022 sẽ tăng thêm 13 tỷ thiết bị, trong đó thiết bị kết nối IoT chiếm tỷ lệ trên 50% [Hình 2]. Như vậy, nhu cầu kết nối sẽ không dừng lại ở kết nối giữa con người với nhau mà hướng tới kết nối vạn vật (things) với số lượng cực lớn.
Truyền thông độ trễ thấp với độ tin cậy cực cao, cho phép hiện thực hóa các ứng dụng trong lĩnh vực y tế từ xa (chẩn đoán, điều trị và phẫu thuật), lĩnh vực giao thông vận tải (ô tô tự hành, giao thông thông minh), quản lý năng lượng, điều khiển tự động quá trình sản xuất trong công nghiệp,... Công nghệ hiện có chưa thể đáp ứng những yêu cầu khắt khe về độ trễ xử lý của các ứng dụng này [Bảng 1].
Các hệ thống thiết bị trong những chiếc xe tự hành dự kiến sẽ cần phải truyền tải một lượng dữ liệu 4.000 GB mỗi ngày, tương đương với lượng dữ liệu của 3.000 người dùng 4G hiện nay. Không chỉ dừng lại ở nhu cầu truyền tải dữ liệu khổng lồ, những chiếc xe tự hành cũng đòi hỏi thời gian trễ của tín hiệu ở mức ms để thi hành các lệnh điều khiển, bảo đảm tính an toàn tuyệt đối cho người tham gia giao thông. Trường hợp của ô tô tự hành đang chạy với tốc độ 100 km/h, khi phát hiện có vật cản phía trước, chiếc ô tô cần đặt lệnh cho cơ cấu hãm phanh để đảm bảo an toàn cho người tham gia giao thông. Thời gian yêu cầu là không quá 01 ms sau khi nhận được lệnh từ bộ phận cảm biến. Yêu cầu này cho thấy tầm quan trọng của truyền thông độ trễ ms ở kịch bản ứng dụng trong những chiếc xe tự hành [Hình 3].
Truyền thông độ trễ thấp và độ tin cậy cực cao cũng là tiền đề cho phép xây dựng mô hình các nhà máy sản xuất thông minh, góp phần vào sự thành công của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 (Industry 4.0/4IR) của nhân loại. Thông qua những thiết bị, máy móc, thậm chí là các chi tiết máy có khả năng kết nối vô tuyến và được lập trình, một mạng vô tuyến trong nhà máy được hình thành và cho phép theo dõi, giám sát, điều khiển tự động toàn bộ công đoạn và chu trình sản xuất. Trong những nhà máy này, không chỉ có con người mà cả các thiết bị, máy móc cũng được kết nối với nhau qua mạng.
2. Yêu cầu kỹ thuật tối thiểu của mạng thông tin di động 5G so với thông tin di động 4G
Để từng bước hiện thực hóa tầm nhìn về mạng IMT-2020, ITU-R đã có một lộ trình thực hiện dài hạn đến năm 2020 sẽ thông qua các tiêu chuẩn vô tuyến cho mạng IMT-2020. Vào thời điểm tháng 2 năm 2017, Nhóm Nghiên cứu WP5D-SG5 của ITU-R đã đi tới thống nhất các chỉ tiêu kỹ thuật hệ thống thông tin di động IMT-2020, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong việc hình thành tiêu chuẩn cho hệ thống này. Theo đó, mạng thông tin di động 5G cần giải quyết được ba thách thức kỹ thuật mà các mạng di động 3G/4G hiện nay chưa đáp ứng được. Thứ nhất là thách thức về tăng tốc độ dữ liệu gấp trên 10 lần so với mạng di động 4G trong khi vẫn phải bảo đảm được yêu cầu về chất lượng và độ tin cậy cao, ngay cả trong môi trường di động tốc độ rất cao (lên tới 500 km/h). Thứ hai là khả năng đáp ứng kết nối cho số lượng thiết bị cực lớn, gấp 10 lần mạng di động 4G. Cuối cùng là thách thức về giảm độ trễ 10 lần so với mạng di động 4G để đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng và dịch vụ mới. Bảng 2 dưới đây tổng hợp yêu cầu kỹ thuật tối thiểu cho mạng thông tin di động 5G trong đó có so sánh với thông tin di động 4G.
3. Nhu cầu tần số và quy hoạch băng tần cho thông tin di động 5G
Một trong những mong muốn mà người dùng kỳ vọng ở mạng thông tin di động 5G là khả năng hỗ trợ tốc độ dữ liệu Gbps trong môi trường di động với chất lượng và trải nghiệm dịch vụ gấp trên 10 lần so với mạng 4G hiện tại. Các băng tần dành cho thông tin di động 2G/3G/4G hiện nay (như băng tần 900 MHz, 1800 MHz, 2100 MHz, 2600 MHz,…) sẽ không đáp ứng được lượng băng thông liên tục cần thiết cho việc triển khai các dịch vụ di động tốc độ Gbps, do vậy đòi hỏi những băng tần mới, đặc biệt là băng tần trên 24.25 GHz đến 86 GHz.
Vào thời điểm tháng 11 năm 2015, tại thành phố Geneva, Thụy Sỹ, Hội nghị Thông tin vô tuyến thế giới (WRC-15) đã đưa ra danh sách gồm 09 băng tần tiềm năng ở dải tần từ 24.25 GHz đến 86 GHz cho thông tin di động IMT-2020 và giao cho các Nhóm Nghiên cứu của Liên minh Viễn thông quốc tế (ITU-R) nghiên cứu [Hình 5]. Băng tần nào trong số 09 băng tần trên được dành cho thông tin di động 5G sẽ được quyết định tại Hội nghị Thông tin vô tuyến thế giới năm 2019 (WRC-19).
Vào kỳ họp lần thứ 26 của Nhóm nghiên cứu WP5D-SG5 thuộc ITU-R, Nhóm này đã cơ bản hoàn thiện các phương pháp ước lượng nhu cầu phổ tần trong dải tần 24.25-86 GHz cho thông tin di động IMT-2020 (5G).
Báo cáo của Nhóm Nghiên cứu WP5D đưa ra hai phương pháp tính toán nhu cầu phổ tần gồm: Phương pháp tính toán dựa theo nhu cầu dịch vụ và phương pháp tính toán theo yêu cầu kỹ thuật hệ thống. Theo đó, nhu cầu phổ tần cho hệ thống trong khoảng giá trị từ 7 GHz đến 20 GHz, chiếm từ 20% đến 60% lượng phổ tần trong 09 băng tần tiềm năng cho thông tin di động IMT-2020 nêu ở phần trên [Bảng 3].
4. Thử nghiệm công nghệ 5G
Mặc dù thời điểm hiện nay là tương đối sớm so với thời gian dự kiến ban hành tiêu chuẩn và thương mại hóa mạng 5G vào năm 2020, tuy nhiên trên thế giới đã có rất nhiều công trình khoa học và các cuộc thử nghiệm công nghệ đang được tiến hành và công bố bởi các nhà khoa học, viện nghiên cứu, hãng sản xuất cũng như nhà khai thác di động. Tính tới thời điểm quý 1 năm 2017, đã có trên 15 quốc gia trên thế giới tiến hành nghiên cứu thử nghiệm về công nghệ 5G, trong đó trên 13 quốc gia công bố sẽ sớm triển khai công nghệ tiền 5G (Pre-5G).
Vào thời điểm năm 2016, tại khu vực châu Á, Nhật Bản và Hàn Quốc đã công bố kết quả thử nghiệm công nghệ thông tin di động 5G. Các nhà nghiên cứu đã lựa chọn sử dụng băng tần 28 GHz cho hệ thống thử nghiệm của mình nhằm đánh giá khả năng cung cấp dịch vụ di động tốc độ truy cập Gbps trong điều kiện chuyển động với tốc độ cao. Đây chính là kịch bản ứng dụng di động băng rộng nâng cao (eMBB), một trong ba kịch bản ứng dụng được ITU-R đặt ra trong khuyến nghị về tầm nhìn đối với mạng thông tin di động IMT-2020. Tốc độ dữ liệu trong bài thử nghiệm được báo cáo là 3.77 Gbps với tốc độ di chuyển của thiết bị di động 60 km/h.
Bên cạnh thử nghiệm của Nhật Bản và Hàn Quốc thực hiện năm 2016, tại khu vực ASEAN, vào thời điểm nửa cuối tháng 1 năm 2017, nhà mạng M1 và StarHub của Singapore cũng công bố kết quả thử nghiệm công nghệ 5G của mình với sự hợp tác với hãng sản xuất và cung cấp thiết bị di động Huawei. Thử nghiệm của M1 thực hiện trên băng tần 73 GHz (hay còn gọi là băng tần E) với băng thông truyền dẫn lên tới 2 GHz. Tốc độ dữ liệu ghi nhận theo công bố của M1 là 35 Gbps, cao hơn 1.75 lần so với yêu cầu tối thiểu của ITU-R cho mạng IMT-2020.
Tại Việt Nam, để phục vụ cho việc nghiên cứu đánh giá công nghệ 5G cũng như định hướng chính sách và quy hoạch băng tần cho thông tin di động 5G, ngày 12/7/2017, Cục Tần số vô tuyến điện và Công ty Ericsson Việt Nam - Myanmar thực hiện buổi trình diễn thử nghiệm công nghệ 5G đầu tiên tại Việt Nam. Hệ thống thử nghiệm sử dụng băng tần trên 6 GHz với băng thông truyền dẫn 400 MHz. Hệ thống này cũng hỗ trợ kỹ thuật MIMO với kích thước 32x32 để tăng tốc độ dữ liệu. Theo đó, tốc độ dữ liệu ghi nhận được trong thử nghiệm là 5.7 Gbps [Hình 6].
5. Kết luận
Mạng thông tin di động 5G hứa hẹn sẽ đem lại sự thay đổi lớn cho ngành công nghiệp và dịch vụ thông tin di động. Sự thay đổi ở mạng 5G không đơn thuần là sự cải thiện về tốc độ dữ liệu mà còn thay đổi về vị trí, vai trò của thông tin di động trong việc cung cấp các dịch vụ ứng dụng công nghệ mới . Với những kết quả nghiên cứu và triển khai thử nghiệm công nghệ 5G hiện tại cho thấy nỗ lực và tinh thần hợp tác rất lớn của các cơ quan quản lý, tổ chức quốc tế, viện nghiên cứu, nhà khoa học và doanh nghiệp trong quá trình hiện thực hóa tầm nhìn về mạng thông tin di động 5G, nhằm hướng tới một thế giới thông minh hơn, cuộc sống đơn giản hơn trong đó mọi thứ được kết nối và hiểu biết lẫn nhau.