Các thế hệ mạng di động

Đặc trưng của 4 thế hệ đã biết là như sau:

• 1G: analog mobile phone system – chỉ thu phát trong phạm vi một thành phố,
• 2G: số hóa các tín hiệu tương tự và lập mạng lưới các trạm thu phát trên quy mô quốc gia,
• 3G: tăng tốc độ truyền lên 3 Mbps và cùng với smartphones, điện thoại di động trở thành một máy tính cá nhân có chức năng truyền tải đa phương tiện – multimedia,
• 4G LTE:Long Term Evolution – có thế đạt đến tốc độ 86 Mbps (thực tế chỉ khoảng 8,4 Mbps), tương thích với giao thức Internet TCP/IP và chấp nhận Multi-band, Multi-mode (đa băng tần, đa chế độ).

4G LTE base stations của cty Ericsson

Một cách ngắn gọn:

• 1G: thoại,
• 2G: thoại + tin nhắn,
• 3G: thoại + tin nhắn + dữ liệu,
• 4G: là 3G … nhưng nhanh hơn.

Lẽ tự nhiên, sau 4G sẽ là 5G. 5G thấy nói có thể nhanh hơn 4G đến 100 lần ! Tuy nhiên có thuyết cho rằng nếu thực thi 5G thì không còn vật gì có thể tránh phơi nhiễm mức độ bức xạ sóng điện từ lớn hơn hàng trăm lần so với những mạng đang tồn tại và gây ra những ảnh hưởng nghiêm trọng không thể đảo ngược cho tất cả hệ sinh thái của Trái đất.

1. Tốc độ

Về mặt nguyên tắc, muốn tăng tốc độ truyền thì phải chọn dải tần cao. Mà dải tần cao cũng đồng nghĩa với bước sóng ngắn. 5G sử dụng dải tần có bước sóng chỉ cỡ milimét (trong khoảng từ 1 đến 10 milimét). Theo Wikipedia thì 5G có 2 dải tần chính:

• Dải tần 1 (< 6 GHz): Người ta thường chọn dải tần xung quanh 3,5 GHz;
• Dải tần 2 (> 24 GHz): Một số nhà mạng chọn 28 GHz và 39 GHz;

Trước 5G, dải tần cao thường chỉ dùng cho truyền thông tin trên vệ tinh và các hệ thống ra-đa. Truyền dải tần cao có một điểm bất lợi: sóng truyền ở dải tần này bị cản bởi các tòa nhà, bị cây cối hấp thụ sóng, chỉ truyền ở khoảng cách gần – không truyền được xa. Như vậy các trạm thu/phát (Base Station – gọi là trạm gốc) thế hệ cũ không đáp ứng được. Cách làm là các trạm gốc truyền tín hiệu đến các trạm nhỏ (small cell) và các trạm nhỏ có nhiệm vụ kết nối với thiết bị di động của người dùng.

Trạm gốc – Trạm nhỏ – Thiết bị người dùng

2. Small Cells

Các Small Cells là các trạm thu nhỏ với công suất tối thiểu đặt cách nhau khoảng 250 mét làm trung gian truyền tín hiệu từ các “trạm gốc” đến các thiết bị di động. Để ngăn tín hiệu bị rơi, các nhà mạng có thể cài đặt hàng ngàn trạm này trong thành phố để tạo thành một mạng lưới dày đặc hoạt động như một nhóm chuyển tiếp, nhận tín hiệu từ các trạm gốc và gửi dữ liệu tới người dùng ở bất kỳ vị trí nào. Như vậy, một trạm gốc truyền tín hiệu đến các “trạm nhỏ” và các “trạm nhỏ” truyền tín hiệu đến thiết bị của người dùng. Ngược lại, thiết bị người dùng truyền tín hiệu đến các “trạm nhỏ” và các “trạm nhỏ” lại chuyển tiếp tín hiệu đến các trạm gốc. Các trạm nhỏ cũng có ăng ten nhưng ăng ten nhỏ hơn nhiều so với ăng ten của trạm gốc. Việc thiết lập các “small cells – trạm nhỏ” ở nông thôn, vùng sâu, vùng xa sẽ gặp nhiều khó khăn hơn.

Tin tức bên lề: Tháng 4/2019 Hàn Quốc đã triển khai 5G. Cty SK Telecom đã thiết lập 38.000 trạm, cty KT Corporation 30.000 và cty LG U Plus 18.000. 85% số các trạm này nằm ở sáu thành phố lớn.

3. Massive MIMO

Hiểu một cách đơn giản là tăng số ăng ten thu-phát của trạm gốc. Các trạm 4G có 12 cổng cho ăng ten xử lý tất cả lưu lượng di động: tám cổng cho máy phát và bốn cổng cho máy thu. Nhưng các trạm gốc 5G có thể hỗ trợ trên 100 cổng – nghĩa là nhiều ăng ten hơn có thể nằm trên một mảng. Điều đó có nghĩa là một trạm gốc có thể gửi và nhận tín hiệu với nhiều người dùng hơn cùng một lúc, tăng dung lượng của mạng lên gấp hơn 22 lần trong lúc vẫn sử dụng cùng một dải băng tần. Công nghệ này có tên gọi là MIMO (multiple-input multiple-output). MIMO phỏng theo các hệ thống vô tuyến sử dụng hai hoặc nhiều máy phát và máy thu để gửi và nhận nhiều dữ liệu cùng một lúc. MIMO đã được đưa vào 4G nhưng MIMO loạt lớn (Massive MIMO) trong 5G nâng lên một tầm mới: hàng trăm.

Bản thân MIMO cũng phát sinh vấn đề. Khi có nhiều ăng ten thu – phát cùng một lúc, hiện tượng can nhiễu chéo xuất hiện.

4. Beamforming

Beamforming (tạm dịch: chùm tia) là hệ thống truyền tín hiệu bằng cách định tuyến tối ưu từ trạm đến thiết bị người dùng, vì vậy giảm mức nhiễu chéo từ các thiết bị gần đấy. Hiểu một cách đơn giản là trạm xác định ăng ten nào sẽ phát đến người dùng nào và hướng chùm tia phát theo hướng của người dùng đó. Bằng cách này, các ăng ten không phát đẳng hướng, phát theo hướng nhằm tới người dùng và vì vậy giảm gây nhiễu lẫn nhau.

5. Full Duplex

Theo cách thông thường nếu gửi và nhận trên cùng một tần số thì phải thay lượt nhau: gửi – nhận – gửi – nhận … Hoặc gửi trên một tần số và nhận trên một tần số khác (cách này phải dùng 2 tần số cho một đường truyền). Với công nghệ Full Duplex việc gửi và nhận nằm trên cùng một tần số và xảy ra “đồng thời”. Nghĩa là với cách này, người ta tăng gấp đôi tốc độ truyền và chỉ sử dụng một tần số. Trong quân sự, người ta thực hiện công nghệ này sử dụng các tấm mạch có kích cỡ khá lớn. Cái khó trong 5G là phải cấy được các công tắc đảo mạch (switch) trong con chíp đủ nhỏ nằm trong các điện thoại di động cầm tay.

Một cách ngắn gọn, 5G tăng tốc độ nhờ:

• sử dụng dải tần có bước sóng cực ngắn,
• sử dụng mạng lưới dày đặc các trạm gốc – trạm nhỏ,
• tăng số ăng ten trên mỗi trạm,
• tối ưu hóa bằng định tuyến chùm tia, và
• truyền thông tin với công nghệ song công hoàn toàn.

6. Khai thác mạng 5G

Muốn mạng 5G có tác dụng thì các thiết bị đầu cuối, ví dụ như smartphone, phải có chức năng 5G ! Nếu có món tiền nhàn rỗi để đổi đời smartphone, có lẽ chúng ta vẫn cần điểm qua trên mạng xem họ nói hãng nào có smartpone hỗ trợ 5G và vào lúc nào nhé:

• APPLE: iPhone, phỏng đoán là năm 2020.
• GOOGLE: Snapdragon 855, phỏng đoán là cuối năm 2019.
• HMD GLOBAL (NOKIA): Không thấy nói gì đến 5G cả!
• HONOR: Hình như là nửa cuối năm 2019.
• HTC: Hình như là nửa cuối năm 2019.
• HUAWEI: Huawei Mate X.
• LG: LG V50 ThinQ.
• MOTOROLA/LENOVO: Moto Z3.
• ONEPLUS: Chỉ biết là trong năm 2019, chưa biết lúc nào.
• OPPO: Oppo Find X 5G, Oppo R15.
• SAMSUNG: Samsung Galaxy S10 5G, Samsung Galaxy Fold.
• SONY: Có thể là năm 2019!
• XIAOMI: Xiaomi Mi Mix 3.
• ZTE: Axon 10 Pro 5G.

Như vậy, để có trải nghiệm 5G trên smartphone, phần lớn trong chúng ta phải đợi đến năm 2020. Nhân tiện sẽ trải nghiệm luôn thực tại ảo đua xe Formula 1 tại Mỹ Đình, Hà Nội vào tháng 4 năm sau.

7. IoT và 5G

Người ta nói 5G mở đường cho các ứng dụng IoT. Tại sao vậy? IoT (Internet of Things – Internet vạn vật) cần môi trường truyền dẫn vô tuyến trên diện rộng. Nếu chỉ dừng ở diện rộng thì chỉ cần 2G, 3G, 4G thôi chứ, đâu cần 5G? Vấn đề là các mạng 2G, 3G, 4G có sức tải bao nhiêu thiết bị trên một đơn vị diện tích, ví dụ 1 km vuông? Thời gian đáp ứng như thế nào?

Mạng 4G có sức tải khoảng 4000 thiết bị di động / km vuông. Mạng 5G có sức tải 1.000.000 thiết bị di động / km vuông. Chúng ta tưởng tượng khi các ứng dụng IoT trở nên phổ biến (xe tự lái, các thiết bị y tế kết nối, các thiết bị trong đô thị thông minh, kết nối trong các kho hàng, …) thì lượng các sensors (cảm biến) trên một km vuông sẽ tăng đột biến. Lúc đó chỉ có mạng 5G (trở lên) mới chịu được.

Các lĩnh vực ứng dụng IoT gắn liền với 5G bao gồm: Ô tô tự lái (ô tô không người lái), y tế, hậu cần (logistics), đô thị thông minh, hệ thống bán lẻ, …

Lê Văn Lợi, Đông Tỉnh