Tính đến đầu năm 2021, công nghệ 4G-LTE và 5G NR đang tiếp tục phát triển với những dấu ấn về số lượng thuê bao với hơn 5,8 tỷ kết nối 4G-LTE và hơn 225 triệu kết nối 5G. Một trong những cơ sở quan trọng để 4G-LTE và 5G-NR đạt được thành công như vậy là sự hợp tác của 2 tổ chức quốc tế về thông tin vô tuyến quan trọng hàng đầu trên thế giới, đó là Liên minh Viễn thông Quốc tế (International Telecommunication Union – ITU) và Dự án đối tác thế hệ thứ ba (Third Generation Partnership Project - 3GPP).
ITU - Một trong những tổ chức quốc tế lâu đời nhất
Tổ chức liên chính phủ của các cơ quan quản lý viễn thông trên toàn thế giới được gọi là Liên minh Viễn thông Quốc tế, do Liên hợp quốc (United Nations - UN) thành lập vào năm 1865. Với mục tiêu “kết nối tất cả mọi người trên thế giới”, ITU chịu trách nhiệm về các vấn đề liên quan đến điện thoại, vệ tinh và Internet. Để quản lý các khía cạnh khác nhau trong phát triển viễn thông thế giới, ITU được tổ chức hoạt động theo ba lĩnh vực gồm: Thông tin vô tuyến (ITU-R), tiêu chuẩn hóa trong viễn thông (ITU-T) và hỗ trợ phát triển viễn thông (ITU-D), trong đó bộ phận lớn nhất và có tầm ảnh hưởng nhất là ITU-R.
Lĩnh vực thông tin vô tuyến (ITU-R)
Được thành lập vào năm 1927 với tên gọi ban đầu là Ủy ban Tư vấn Vô tuyến Quốc tế hoặc CCIR (từ tên tiếng Pháp là Comité Consultatif International pour la Radio) thực hiện quản lý tài nguyên phổ tần số vô tuyến điện và quỹ đạo vệ tinh trên phạm vi toàn cầu. Năm 1992, CCIR được tổ chức lại thành ITU-R.
Lĩnh vực tiêu chuẩn hóa viễn thông (ITU-T)
Tiêu chuẩn hóa là mục đích ban đầu của ITU kể từ khi thành lập, được thành lập vào năm 1956 với tên gọi Ủy ban Tư vấn Điện thoại và Điện tín Quốc tế hay CCITT (từ tên tiếng Pháp là Comité Consultatif International Téléphonique et Télégraphique) thực hiện công tác tiêu chuẩn hóa viễn thông toàn cầu (ngoại trừ các tiêu chuẩn về thông tin vô tuyến). Năm 1993, CCITT được tổ chức lại thành ITU-T.
Lĩnh vực hỗ trợ phát triển viễn thông (ITU-D)
Được thành lập vào năm 1992, ITU-D giúp tăng cường khả năng tiếp cận công bằng, bền vững và hợp lý của tất cả các quốc gia đối với công nghệ thông tin và truyền thông (ICT), trong đó chú ý hỗ trợ các nước thế giới thứ 3.
Trong thông tin di động, ITU-R chịu trách nhiệm toàn bộ phần thông tin vô tuyến của các hệ thống Thông tin di động quốc tế (International Mobile Telecommunications - IMT), bao gồm IMT-2000/3G, IMT-Advanced/4G, IMT-2020/5G và các thế hệ tương lai của công nghệ IMT.
ITU-R và cụ thể là Nhóm làm việc 5D (Working Party 5D) làm việc với các Cơ quan quản lý, nhà khai thác mạng, nhà sản xuất thiết bị và các tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc gia và khu vực để tập hợp các kết quả nghiên cứu phát triển công nghệ 5G vào tiêu chuẩn toàn cầu của hệ thống thông tin di động băng rộng thế hệ mới IMT-2020. Công nghệ di động IMT-2020 hướng đến một mô hình kết nối mới giữa con người và vạn vật trong một môi trường kết nối thông minh với sự tham gia của dữ liệu lớn, các ứng dụng, hệ thống giao thông và hoạt động của các đô thị.
3GPP - Dấu mốc từ hơn 20 năm trước
Tháng 12 năm 1998, Dự án đối tác thế hệ thứ ba (Third Generation Partnership Project - 3GPP) được thành lập với mục tiêu phát triển đặc tả kỹ thuật (technical specification) cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G-WCDMA) đáp ứng theo các yêu cầu tối thiểu về tính năng kỹ thuật của Hệ thống thông tin di động IMT-2000 do ITU đặt ra. Trước đó, các thành viên sáng lập của 3GPP (chủ yếu là Nortel Networks và AT&T Wireless) đã từng có những sáng kiến hợp tác giữa các công ty và các khu vực trên thế giới để cùng phát triển một mạng thông tin di động trên giao thức Internet (Internet Protocol - IP) với khả năng tương tác (interoperability) trên quy mô toàn cầu.
Hiện nay, 3GPP là tập hợp lớn nhất của giới công nghiệp thông tin di động, bao gồm 07 đối tác chính là các tổ chức tiêu chuẩn hóa thông tin vô tuyến hàng đầu của các khu vực khác nhau trên thế giới: The Alliance for Telecommunications Industry Solutions (ATIS) của Hoa Kỳ, The European Telecommunications Standards Institute (ETSI) của Châu Âu, China Communications Standards Association (CCSA) của Trung Quốc, Telecommunications Standards Development Society, India (TSDSI) của Ấn Độ, Telecommunications Technology Association (TTA) của Hàn Quốc và hai tổ chức The Association of Radio Industries and Businesses (ARIB) và Telecommunication Technology Committee (TTC) của Nhật Bản. Các tổ chức tiêu chuẩn hóa này hợp tác phát triển các tiêu chuẩn kỹ thuật cho các công nghệ và kiến trúc mạng di động băng rộng. Bên cạnh đó, 3GPP còn bao gồm các đối tác đại diện từ thị trường thông tin di động, những người có thể giúp cung cấp thông tin cập nhật, tư vấn về thị trường và tìm kiếm quan điểm đồng thuận cho những yêu cầu khác nhau về tính năng và chức năng mà mỗi thị trường yêu cầu.
Trong lĩnh vực công nghệ, 3GPP là một ví dụ tiêu biểu về cách tập hợp tri thức, sáng tạo và thống nhất trong giới công nghiệp thông tin di động thể hiện qua khả năng đạt được sự đồng thuận về lựa chọn công nghệ để phát triển cũng như lộ trình phát triển công nghệ đó. Thành công của 3GPP đã giúp thương mại hóa một cách hiệu quả hàng trăm mạng 4G-LTE và 5G-NR, cụ thể tính đến tháng 02 năm 2021, trên toàn cầu đã có 677 mạng 4G-LTE, 341 mạng LTE-Advanced và 163 mạng 5G-NR theo các tiêu chuẩn của 3GPP, bao gồm từ Release 8 trở đi.
Phối hợp phát triển tiêu chuẩn IMT-2020/5G
Giới công nghiệp viễn thông với vai trò dẫn dắt của ITU và 3GPP cùng đặt ra mục tiêu phát triển từ công nghệ 4G lên thế hệ công nghệ di động tiếp theo, từ đó tất cả đã cùng nghiên cứu để vạch ra các kịch bản có thể áp dụng (thường gọi là các use case) đối với công nghệ mới này, đó là eMBB, uRLLC và mMTC.
Tháng 9/2015, ITU đã phát hành Khuyến nghị M.2083 về tầm nhìn cho IMT tới năm 2020 và tương lai. Khuyến nghị M.2038 bao gồm các mục tiêu, 8 chỉ tiêu năng lực chính (KPI) và lộ trình phát triển IMT-2020. Các yếu tố này đóng vai trò hướng dẫn chung về việc phát triển IMT-2020/5G.
Lấy hướng dẫn này của ITU làm mục tiêu nghiên cứu, các thành phần trong giới công nghiệp thông tin di động bao gồm các nhà mạng di động (MNO) và nhà sản xuất phần cứng (vendor) bắt đầu phân tích chi tiết về từng khía cạnh kỹ thuật và tổ chức nghiên cứu để thiết lập các tiêu chuẩn kỹ thuật đầy đủ giúp phát triển các mô-đun 5G theo các bộ thông số kỹ thuật thống nhất để đảm bảo khả năng tương thích (compartbility), hoạt động liên thông (interoperational) và chuyển vùng quốc tế (roaming) khi các mạng 5G được triển khai.
Các khuyến nghị và đặc tả kỹ thuật mà ITU đưa ra cho IMT bao gồm các yêu cầu và chỉ tiêu năng lực chính (KPI) của mỗi thế hệ mạng di động IMT-2000, IMT-Advanced và IMT-2020. Sơ đồ dưới đây là lịch trình phát triển 5G, mục tiêu hoàn thành vào năm 2020, với sự phối hợp chặt chẽ giữa ITU và 3GPP.
Các yêu cầu để triển khai mạng 5G đến từ 3GPP, gồm các nhà sản xuất thiết bị, nhà khai thác mạng và kinh doanh dịch vụ. Sau đó, các nghiên cứu về yêu cầu triển khai sẽ được đề xuất đến ITU để đánh giá nhằm sửa đổi KPI của ITU và đưa ra các chỉ tiêu kỹ thuật cuối cùng. Các hướng dẫn sau đó được chuyển lại cho 3GPP để đánh giá các giải pháp và kỹ thuật thực tế có thể đáp ứng các chỉ tiêu kỹ thuật của ITU. Chu kỳ này được lặp lại nhiều lần và quá trình tiêu chuẩn hóa công nghệ 5G thực ra không được hoàn thành cùng một lúc mà thay vào đó được 3GPP chia thành các giai đoạn tiêu chuẩn hóa. Mỗi giai đoạn tập trung vào việc tiêu chuẩn hóa các thành phần, chỉ tiêu kỹ thuật nhất định của toàn bộ hệ thống 5G. Các tiêu chuẩn và sản phẩm đã phát triển sẽ thường xuyên được rà soát để đảm bảo tuân thủ các mục tiêu và KPI đã công bố ban đầu.
Với IMT-2020/5G, có 2 mốc thời hạn quan trọng của quá trình phối hợp phát triển giữa ITU và 3GPP là:
Tháng 6 năm 2019: Thời hạn các tổ chức đệ trình công nghệ ứng cử viên cho IMT-2020 tại cuộc họp ITU-R WP5D lần thứ 32.
Tháng 10 năm 2020: Cuộc họp ITU-R WP5D lần thứ 36 hoàn thành xây dựng bộ thông số kỹ thuật chi tiết (ITU-R Recommendation).
Tính năng kỹ thuật của 5G
3GPP liên tục phát triển và cải tiến các phiên bản tính năng kỹ thuật của các công nghệ như 3G/4G/5G, thường được phát hành công khai dưới dạng bộ đặc tả kỹ thuật (technical specifications). Tháng 12 năm 2008, Release 8 mở đầu cho cuộc cách mạng băng rộng di động với công nghệ 4G LTE.
Tháng 6 năm 2018, bộ thông số kỹ thuật 5G đầu tiên đã được thiết lập tại Release 15, thường được gọi là Pha I của công nghệ 5G chủ yếu tập trung vào thông số kỹ thuật cho các mạng 5G không độc lập NSA (mạng truy cập vô tuyến 5G hoạt động với mạng lõi 4G LTE). Dựa trên Release 15, các nhà sản xuất thiết bị có thể cung cấp thiết bị cho các nhà mạng triển khai dịch vụ eMBB.
Mới đây nhất, trong phiên bản 3GPP Release 16 được hoàn thành vào ngày 03/7/2020, 3GPP đã bổ sung nhiều cải tiến đối với cả công nghệ 4G LTE và 5G, trong đó tập trung vào các ngành công nghiệp khác (vertical industry) như sản xuất thông minh, ô tô tự lái, … cũng như cải tiến để tăng dung lượng dữ liệu của mạng và hiệu năng khai thác mạng.
Một số cải tiến quan trọng trong Release 16 cho lĩnh vực ô tô như các tính năng về V2X tập trung vào xe tự hành và an toàn xe hơi có thể định hình lại tương lai của ngành công nghiệp ô tô trong thập kỷ tới với nhiều khả năng mới cho xe (Phân đội xe, Cảm biến tiên tiến, Lái xe tự động hoặc bán tự động, Lái xe từ xa).
Một tính năng rất quan trọng khác được tích hợp trong Release 16 là việc 5G sử dụng các băng tần miễn cấp phép, hay 5G NR-U, một bước quan trọng để cho phép 5G sử dụng các băng tần trung (mid-band) còn lại vốn đang đươc nhiều quốc gia quy đinh sử dụng cho các ứng dụng miễn cấp phép, chia sẻ với các mục đích sử dụng khác như WiFi. Khả năng bổ sung thêm phổ tần mid-band cho 5G với nhu cầu dữ liệu ngày càng tăng có vai trò rất quan trọng trong thành công của mạng 5G, trong đó có hai băng tần 5 GHz và 6 GHz được nhắm đến để sử dụng cho 5G NR-U.
Dựa trên đề xuất của 3GPP và các tổ chức tiêu chuẩn hóa, Nhóm nghiên cứu số 5 của ITU-R đã hoàn thành dự thảo Khuyến nghị về tiêu chuẩn công nghệ IMT-2020/5G vào tháng 11 năm 2020. Sau khi dự thảo Khuyến nghị được các quốc gia thành viên chuẩn y, ngày 01 tháng 02 năm 2021 vừa qua phiên bản tiêu chuẩn đầu tiên của IMT-2020/5G đã được ITU-R ban hành tại Khuyến nghị ITU-R M.2150.
5G sẽ có gì sau 3GPP Release 16
Do ảnh hưởng của đại dịch Covid-19 trên toàn cầu, trong suốt năm 2020 cả ITU và 3GPP chỉ có thể họp trực tuyến. Kinh nghiệm cho thấy các tổ chức này rất khó có thể thúc đẩy được sự đồng thuận và thống nhất về đánh giá chi tiết các thông số kỹ thuật mà không có các cuộc họp trực tiếp. Hiện các thành viên của 3GPP đang rất tích cực trong các phiên họp online để có thể hoàn thành việc xây dựng Release 17. Mặc dù vậy, thời điểm phát hành phiên bản đầy đủ của Release 17 dự kiến sẽ phải lùi đến tháng 6 năm 2022 - chậm hơn khoảng 6 tháng so với lần điều chỉnh kế hoạch trước của 3GPP.
Một số tính năng của Release 17 đang thu hút sự chú ý của giới công nghiệp di động đó là các khả năng hỗ trợ: (1) mạng 5G NR hoạt động ở băng tần trên 52,6 GHz, mở ra khả năng truyền dữ liệu thậm chí nhanh hơn ở sóng milimet; (2) các mạng phi mặt đất, chẳng hạn như vệ tinh, để giúp cung cấp vùng phủ sóng 5G ở các khu vực nông thôn hoặc vùng sâu - vùng xa, thậm chí có thể là các khu vực rất khó tiếp cận như vùng địa cực hoặc đại dương.
Ngoài ra, tính năng NR Broadcast/Multicast sẽ mở ra khả năng phát trực tiếp một cách hiệu quả các sự kiện (live streaming) tại các khu vực “nóng” như sân vận động, phòng hòa nhạc để khai thác tối đa kịch bản eMBB khi cuộc sống toàn cầu trở lại bình thường sau đại dịch Covid-19. Thêm vào đó, khả năng kết nối kép đa băng (Multi-radio Dual Connectivity) và hỗ trợ các thiết bị đa SIM sẽ mang lại sự linh hoạt hơn nữa cho những nhà mạng muốn triển khai các thiết bị có khả năng hoạt động trên các mạng hoặc công nghệ khác nhau.
Cuối cùng, một tính năng thực sự nổi bật sẽ được cung cấp ở Release 17 là tính năng hỗ trợ thiết bị NR năng lực thấp hay được gọi là NR Light. Trong một thế giới Internet of Things với số lượng kết nối khổng lồ, bao gồm hàng tỷ thiết bị đầu cuối, hầu hết các thiết bị sẽ không cần kết nối băng thông cao đầy đủ. Nhiều thiết bị trong số này thay vì đòi hỏi kết nối băng rộng cho dịch vụ video 8K thì chỉ đơn giản là các cảm biến ghi nhận dữ liệu mà thỉnh thoảng mới gửi lại một vài ký tự, số liệu. Các thiết bị nhỏ hơn, đơn giản hơn này có các nhu cầu khác nhau và thường được thiết kế để giảm tiêu thụ năng lượng, vì vậy chúng có thể duy trì trạng thái “hoạt động” trong nhiều năm ở mỗi lần được triển khai lên mạng lưới. Các thiết bị NR Light chủ yếu được sử dụng cho IoT công nghiệp như:
(1) Cảm biến không dây công nghiệp: độ khả dụng 99,99%; độ trễ nhỏ hơn 100ms nói chung và 5-10ms cho các cảm biến liên quan đến an toàn; tốc độ dữ liệu trung bình (<2 Mbps); tuổi thọ pin vài năm.
(2) Truyền video: độ tin cậy 99% -99,9%; độ trễ dưới 500ms; tốc độ dữ liệu trung bình - cao (2-25 Mbps).
(3) Thiết bị đeo: tốc độ dữ liệu cao (lên đến 150 Mbps cho đường xuống và lên đến 50 Mbps cho đường lên) với thời lượng pin dài (lên đến 1-2 tuần).
Release 17 cũng sẽ đưa ra thêm các giải pháp bổ sung cho các kiến trúc ăng-ten mảng (mMIMO) khác nhau và các tính năng tiết kiệm năng lượng cho nhiều loại mục đích sử dụng khác nhau.
Cùng với việc tập trung hoàn thành Release 17, 3GPP cũng đã bắt đầu xem xét phát triển Release 18 và các phiên bản tiếp theo, dự kiến sẽ bao gồm các tính năng mới đầy hứa hẹn với tương lai của thông tin di động băng rộng như:
Thực tế mở rộng (XR): bao gồm Thực tế ảo (VR), Thực tế tăng cường (AR) và Thực tế hỗn hợp
Giao tiếp ba chiều: truyền hình ảnh ba chiều 3D từ một / nhiều nguồn đến một / nhiều điểm cuối theo cách tương tác
Cặp song sinh kỹ thuật số: sự thể hiện thời gian thực của một thực thể vật lý trong miền kỹ thuật số
Giao tiếp xúc giác: truyền tải các cảm giác xúc giác của con người, cho phép con người và máy móc tương tác với môi trường trong thời gian thực.
Y tế/sức khỏe
Mạng IoT quy mô lớn
Nông nghiệp và chăn nuôi thông minh
Sau khi hoàn thành mỗi Release mới cho 5G, 3GPP sẽ gửi đề xuất về các Release này tới ITU để Nhóm công tác 5D xem xét cập nhật vào Khuyến nghị ITU-R M.2150.
Hé mở về thế hệ di động sau 5G
Các chuyên gia hàng đầu tại ITU và 3GPP đã bắt đầu xem xét các dải tần số rất cao, trong phạm vi Terahertz, để sử dụng cho thế hệ di động sau 5G, tạm gọi là Next G. Hình dung sơ bộ của một số trường đại học, tổ chức nghiên cứu và tập đoàn công nghiệp trên khắp thế giới về khả năng và cơ hội của mạng không dây Next G trong hoạt động tương tác với con người và máy móc. Khi ITU và 3GPP phác thảo những ý tưởng này, các yêu cầu công nghệ cho Next G cũng sẽ bắt đầu được hình thành. Một lần nữa, quy trình phát triển công nghệ IMT đã thực hiện khi phát triển thành công IMT-2020/5G sẽ được áp dụng tiếp, bắt đầu với việc xác định tầm nhìn và các định nghĩa.
Trong các năm tới, ITU sẽ bắt đầu một chu trình nghiên cứu mới cho Next G với bước đầu tiên là nghiên cứu về tầm nhìn “IMT-2030”, trong đó bao gồm các khuyến nghị và yêu cầu cho hệ thống Next G, dự đoán các kịch bản sử dụng mới, các khoảng trống công nghệ cần được lấp đầy.
Sau khi tầm nhìn IMT đến năm 2030 và tiếp theo của ITU-R xác định rõ nhu cầu IMT trong 10 năm tới, các tổ chức tiêu chuẩn hóa như 3GPP sẽ xác định và phát triển các công nghệ, chức năng phù hợp cho thế hệ tiếp theo của IMT/Next G.
Nhóm công tác 5D của ITU-R đã mời các tổ chức trong và ngoài ITU-R cung cấp thông tin đầu vào cho các cuộc họp dự kiến tổ chức tháng 6 và tháng 10 năm 2021 tới đây để Nhóm 5D nghiên cứu và xây dựng báo cáo “Xu hướng công nghệ tương lai hướng tới năm 2030 và tiếp theo”. Bản dự thảo đầu tiên của báo cáo mới này bao gồm các yếu tố thúc đẩy thiết kế công nghệ IMT, các công nghệ khả thi để nâng cao hiệu suất và độ chính xác của cả giao diện vô tuyến và mạng vô tuyến và có thể bao gồm các công nghệ giao tiếp dựa trên trí tuệ nhân tạo (AI).
Các cuộc họp thảo luận ở ITU và 3GPP mới đây và cả các cuộc tiếp theo về Next G vẫn đang ở mức độ tổng thể và còn cần thêm vài năm nữa để ý tưởng về các ứng dụng trong các ngành/lĩnh vực cụ thể mới có thể đạt mức độ khả thi trong thiết kế chi tiết và sản xuất thiết bị. Mặc dù Next G hoặc “6G” được kỳ vọng sẽ cách mạng hóa công nghệ vô tuyến một lần nữa, công nghệ và kiến trúc mạng sẽ được phát triển dựa trên các yêu cầu mới cho IMT, nhưng dự kiến những phiên bản tiêu chuẩn kỹ thuật đầu tiên của “6G” sẽ chỉ xuất hiện sau Release 19 hoặc 20, cũng như “6G” chưa thể sẵn sàng để triển khai thương mại trước năm 2030.
Kết quả hợp tác giữa ITU và 3GPP
So sánh lộ trình xây dựng tiêu chuẩn của các thế hệ IMT từ 3G đến 5G như hình trên, có thể thấy thời gian xây dựng tiêu chuẩn ngày càng được rút ngắn lại, phần nào thể hiện hiệu quả hợp tác giữa ITU và 3GPP. Trước đây với IMT-2000/3G, thế giới cần 15 năm để phát triển tiêu chuẩn kỹ thuật đánh dấu bằng sự ra đời của Khuyến nghị ITU-R M.1457 vào năm 2000; với IMT-Advanced/4G chỉ cần 9 năm để hoàn thành tiêu chuẩn kỹ thuật của giao diện vô tuyến mô tả trong Khuyến nghị ITU-R M.2012. Đến nay, với IMT-2020/5G, chúng ta chỉ mất 5 năm để hoàn thành tiêu chuẩn kỹ thuật với Khuyến nghị ITU-R M.2150.
Sự hợp tác thành công giữa ITU và 3GPP đã được chứng minh trong các thập kỷ qua, ITU và 3GPP cùng mong muốn tiếp tục hành trình chung này với kế hoạch nâng cấp 5G và phát triển Next G để tất cả chúng ta đều có thể hưởng lợi từ một tiêu chuẩn di động băng rộng toàn cầu./.
Tài liệu tham khảo:
[1]: Khuyến nghị ITU-R M.2150 - Detailed specifications of the terrestrial radio interfaces of IMT-2020
[2]: Báo cáo ITU-R M.2410 - Minimum requirements related to technical performance for IMT-2020 radio interface(s)
[3]: Khuyến nghị ITU-R M.2083 - ITU-2020 vision
[4]: Các Báo cáo cuộc họp từ số 33 đến 36bis của Nhóm công tác 5D
[5]: Báo cáo “3GPP meets IMT-2020” (3GPP website November 28, 2020)
[6]: Tiêu chuẩn 3GPP Release 15 và Release 16