Nghiên cứu các kịch bản điển hình và đặc trưng mạng 6G

Bốn kỹ sư Trâu Thụ Chiến, Trương Tuấn Cường, Tào Ngọc Quân và Từ Siêu thuộc China Unicom (là một trong ba nhà khai thác viễn thông lớn nhất Trung Quốc) chi nhánh Thiên Tân vừa công bố công trình nghiên cứu chỉ ra những bài toán thực tế mà mạng 5G chưa giải được sau nhiều năm thương mại hóa, từ đó luận giải vì sao 6G cần ra đời và cần được thiết kế theo hướng nào.

Ảnh minh họa

Mạng 5G có những hạn chế gì và 6G khắc phục ra sao?

Mạng 5G triển khai thương mại rộng rãi nhưng sau nhiều năm vận hành thực tế, bốn nhóm vấn đề lớn dần bộc lộ rõ, trở thành cơ sở trực tiếp để nhóm tác giả xác định các yêu cầu thiết kế cho thế hệ mạng tiếp theo.

Về trải nghiệm người dùng phổ thông, tốc độ kéo trung bình của mạng 5G chỉ đạt khoảng 800 Mbit/s, chưa tạo ra cảm nhận vượt trội so với 4G đủ để thúc đẩy người dùng chủ động thay thiết bị. Vùng phủ yếu tại các không gian trong nhà, bãi đỗ xe ngầm và tầm thấp vẫn là bài toán chưa có lời giải, trong khi mật độ trạm ngày càng tăng lại làm gia tăng hiện tượng nhiễu nội bộ hệ thống theo cấp số nhân.

Về thiết bị kết nối vạn vật (IoT), module RedCap 5G (viết tắt của Reduced Capability, tức module 5G rút gọn tính năng nhằm hạ giá thành) vẫn có giá cao hơn gần 100 lần so với module IoT 3G/4G thông thường, khiến các ứng dụng như đồng hồ điện thông minh hay xe đạp chia sẻ vẫn phải dùng NB-IoT thay vì chuyển lên 5G. Cùng với đó, nghiên cứu cho biết thị trường máy bay không người lái tăng trưởng mạnh liên tục qua từng năm, đến cuối năm 2023, số lượng máy bay không người lái dân dụng đăng ký tại Trung Quốc đã lên tới 1,267 triệu chiếc; đến cuối năm 2024, phân khúc máy bay không người lái phục vụ sản xuất và công nghiệp đạt quy mô thị trường vượt 150 tỷ nhân dân tệ. Quy mô đó kéo theo nhu cầu kết nối từ trên không ngày càng lớn, trong khi mạng vệ tinh phi mặt đất NTN của 5G chưa đủ năng lực đáp ứng.

Mô hình mạng NTN. Nguồn: c114

Về ứng dụng doanh nghiệp (ToB, viết tắt của To Business, tức các dịch vụ hướng đến khách hàng doanh nghiệp), 5G chủ yếu mới dừng lại ở giám sát video, chưa thâm nhập vào cốt lõi quy trình sản xuất. Chi phí module cao, hệ sinh thái thiết bị còn thưa thớt và kiến trúc mạng 5G chưa tương thích với các chuẩn mạng công nghiệp hiện hành khiến 5G khó bén rễ sâu vào hoạt động vận hành của doanh nghiệp.

Về chi phí năng lượng và vận hành, một thiết bị AAU 5G (Active Antenna Unit, tức khối anten tích hợp chủ động của trạm 5G) tiêu thụ khoảng 610 W, cao hơn gấp 4 lần so với thiết bị RRU 4G (Remote Radio Unit, tức khối vô tuyến từ xa của trạm 4G) chỉ tiêu thụ 148 W. Để phủ sóng liên tục trên cùng một vùng lãnh thổ, mạng 5G băng tần N78 cần số lượng trạm gấp 3 lần so với mạng 4G băng tần FDD1800, đẩy chi phí đầu tư hạ tầng và bảo trì vận hành lên rất cao.

Sóng milimet và vệ tinh phi mặt đất sẽ phủ sóng 6G đến tận đâu?

Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) đã ban hành khuyến nghị về khung phát triển IMT hướng tới năm 2030 và xa hơn, trong đó xác định 7 mục tiêu cốt lõi của mạng 6G gồm: tính toàn diện, kết nối phổ quát, phát triển bền vững, đổi mới sáng tạo, an toàn và bảo mật, chuẩn hóa và khả năng tương tác. Bảy mục tiêu này hướng đến xây dựng một xã hội thông tin bao trùm hơn, đồng thời hỗ trợ các mục tiêu phát triển bền vững của Liên Hợp Quốc.

Trên nền tảng ba kịch bản IMT-2020 của 5G, 6G mở rộng thành 6 kịch bản điển hình: truyền thông nhập vai (immersive communication), kết nối quy mô siêu lớn, độ trễ cực thấp và độ tin cậy cực cao, tích hợp trí tuệ nhân tạo với truyền thông, tích hợp cảm biến với truyền thông, và kết nối phổ quát. Sáu kịch bản này phản ánh sự mở rộng đáng kể về phạm vi ứng dụng so với thế hệ trước.

ITU cũng định nghĩa 15 chỉ tiêu năng lực cho 6G, bao gồm mật độ kết nối, khả năng di động, độ trễ, độ tin cậy, độ chính xác định vị, tốc độ đỉnh, tốc độ trải nghiệm người dùng, hiệu suất phổ tần, mật độ lưu lượng vùng, các chỉ tiêu liên quan đến cảm biến, các chỉ tiêu liên quan đến AI, chỉ tiêu về an toàn bảo mật và độ bền, chỉ tiêu bền vững, vùng phủ sóng và khả năng tương tác. Trong 15 chỉ tiêu đó, 9 chỉ tiêu là nâng cao từ thế hệ trước và 6 chỉ tiêu hoàn toàn mới.

Nhóm nghiên cứu chỉ ra hai hướng kết nối nền tảng quan trọng nhất của 6G, trong đó hướng thứ nhất là công nghệ sóng milimet (mmWave), xuất phát từ thực tế tài nguyên phổ tần dưới 6 GHz hiện không đủ sức đáp ứng các dịch vụ đòi hỏi tốc độ Gbit/s. Bộ Công nghiệp và Thông tin Trung Quốc đã phân bổ tổng cộng 8,25 GHz băng thông cho sóng milimet trên hai dải tần 24,75 đến 27,5 GHz và 37 đến 42,5 GHz, tạo ra dư địa đủ lớn để đưa tốc độ mạng lên ngưỡng 1 đến 10 Gbit/s vào thập niên 2030, mở đường cho các ứng dụng hologram thực (True Hologram) và video độ phân giải 16K đến 32K mà mạng 5G hiện tại chưa đủ năng lực xử lý.

Hướng thứ hai là mạng phi mặt đất NTN (Non-Terrestrial Network, tức mạng kết nối qua các phương tiện bay như vệ tinh, máy bay không người lái và khí cầu tầng cao) với ba kiến trúc chính. Kiến trúc trong suốt (transparent) giữ toàn bộ trạm gốc dưới mặt đất, vệ tinh chỉ đảm nhận chuyển đổi tần số và khuếch đại công suất, cách tiếp cận đơn giản nhất và đặt yêu cầu thấp nhất lên vệ tinh. Kiến trúc tái sinh (regenerative) đưa toàn bộ trạm gốc lên vệ tinh để xử lý trọn vẹn giao thức mạng, cho hiệu năng tốt hơn nhưng đòi hỏi vệ tinh và trạm gốc phải được thiết kế đồng bộ với nhau. Kiến trúc tái sinh một phần chỉ đưa phần DU (Distributed Unit, tức khối xử lý vô tuyến phân tán của trạm gốc chịu trách nhiệm xử lý tín hiệu lớp thấp) lên vệ tinh trong khi phần điều khiển trung tâm vẫn đặt dưới mặt đất, cách làm này phụ thuộc vào kiến trúc tách biệt giữa khối trung tâm và khối phân tán nên đặt ra thách thức về độ trễ trên đường truyền F1 nối hai khối với nhau.

Ba kiến trúc đặt ra ba bài toán khác nhau giữa sự đơn giản trong triển khai, hiệu năng mạng và mức độ phức tạp trong tích hợp hệ thống.

Đặc tính công nghệ RIS. Nguồn: c114

Bề mặt phản xạ thông minh RIS (Reconfigurable Intelligent Surface) kết hợp vật liệu siêu điện từ (electromagnetic metamaterial) với công nghệ kiểm soát pha, tạo ra mảng anten thụ động quy mô lớn với chi phí thấp. Mỗi điốt PIN trong cấu trúc RIS thực hiện điều khiển pha 1 bit, cho phép điều chỉnh pha từng phần tử anten một cách độc lập, từ đó tạo hình dạng chùm tia (beamforming) theo lệnh mã hóa.

RIS ứng dụng theo hai hướng chính. Loại phản xạ (reflective RIS) phát huy tác dụng ở các vùng ngoài trời bị che khuất bởi vật cản, bổ sung thêm đường truyền phản xạ để tạo ra đường truyền ảo trong tầm nhìn thẳng, qua đó tăng cường tín hiệu vùng rìa ô và tạo thêm luồng dữ liệu song song trong các kịch bản đã có đường truyền thẳng sẵn. Loại xuyên suốt (transmissive RIS) gắn trực tiếp lên mặt kính tòa nhà hoặc cửa sổ toa xe cao tốc, thu tín hiệu từ trạm gốc bên ngoài rồi phát xuyên qua kính vào bên trong, xử lý gọn bài toán phủ sóng từ ngoài vào trong mà các giải pháp truyền thống phải tốn nhiều chi phí hạ tầng mới giải quyết được.

Dây chuyền sản xuất tự động cần mạng 6G đáp ứng những gì?

Công nghệ TSC (Time Sensitive Communication) mang đến khả năng bảo đảm xác định về độ trễ, độ giật (jitter), tỷ lệ mất gói và độ tin cậy. TSC kết nối trực tiếp với mạng công nghiệp TSN, đóng vai trò cầu nối (bridge) giữa mạng 5G và quy trình sản xuất, đồng bộ thời gian độ chính xác cao và loại bỏ dao động đến mức micro giây nhờ cơ chế chuyển tiếp theo cổng thời gian TSN.

Năng lực dịch vụ TSC. Nguồn: c114

Công nghệ uRLLC (Ultra-Reliable Low-Latency Communication, tức truyền thông độ trễ cực thấp và độ tin cậy cực cao) nhắm vào yêu cầu độ trễ dưới 1 ms và độ tin cậy 99,999% cho các ứng dụng doanh nghiệp. Nhóm nghiên cứu chỉ ra bốn kỹ thuật cốt lõi của uRLLC. Thứ nhất là mini-slot, tức đơn vị thời gian truyền dẫn nhỏ hơn slot thông thường, cho phép xử lý dữ liệu ở mức ký hiệu để rút ngắn độ trễ giao diện vô tuyến. Thứ hai là lịch trình miễn cấp phép (configured grant), cho phép thiết bị đầu cuối phát dữ liệu đường lên mà không cần chờ trạm gốc cấp phép từng lần, qua đó cắt giảm thời gian chờ. Thứ ba là lặp lại slot trên PUSCH (Physical Uplink Shared Channel, tức kênh chia sẻ đường lên vật lý) và PDSCH (Physical Downlink Shared Channel, tức kênh chia sẻ đường xuống vật lý) qua nhiều khe thời gian liên tiếp để tăng độ tin cậy truyền dẫn. Thứ tư là nhân bản PDCP (Packet Data Convergence Protocol, tức giao thức hội tụ dữ liệu gói) dựa trên CA/DC (Carrier Aggregation/Dual Connectivity, tức tổng hợp sóng mang và kết nối kép) trong kịch bản đa sóng mang, truyền dư thừa cùng một gói dữ liệu qua nhiều đường song song, vừa tăng độ tin cậy vừa giảm độ trễ tổng thể.

Cuộc đua tiêu chuẩn hóa 6G bắt đầu

Công nghệ UTDOA (Uplink Time Difference of Arrival, tức đo hiệu thời gian đến tín hiệu đường lên) sử dụng nhiều điểm thu pRRU (pico Remote Radio Unit, tức khối vô tuyến từ xa cỡ nhỏ triển khai phân tán trong nhà) để đo thời gian đến của tín hiệu tham chiếu SRS (Sounding Reference Signal, tức tín hiệu tham chiếu thăm dò kênh truyền) do thiết bị đầu cuối phát ra, từ đó tính toán nhiều giá trị RSTD (Reference Signal Time Difference, tức hiệu thời gian giữa các tín hiệu tham chiếu thu được tại các điểm khác nhau) để xác định tọa độ vị trí của thiết bị trong không gian. Giải pháp này triển khai thông qua nâng cấp phần mềm trạm gốc hiện có mà không cần tích hợp thêm với các phần tử mạng lõi, công cụ định vị NodeEngine hoạt động theo nguyên tắc cắm vào là dùng được ngay, linh hoạt trong lắp đặt. Kết quả tọa độ sau đó được mở ra ngoài thông qua nền tảng dịch vụ LBS (Location Based Service, tức dịch vụ dựa trên vị trí) để doanh nghiệp tích hợp vào các ứng dụng quản lý và theo dõi tài sản trong nhà xưởng, kho bãi hay tòa nhà thương mại.

Hướng tham vọng hơn là tích hợp thông tin, cảm biến, tính toán và điều khiển thành một hệ thống thống nhất mà nghiên cứu gọi tắt là thông-cảm-tính-điều. Hệ thống này phục vụ đồng thời bốn lĩnh vực lớn. Trong vùng trời thông minh, hệ thống giám sát liên tục và phát hiện máy bay không người lái xâm nhập vào vùng cấm bay. Trong giao thông thông minh, hệ thống xây dựng bản đồ độ phân giải cao và giám sát an toàn hành lang đường sắt cao tốc theo thời gian thực. Trong cuộc sống thông minh, hệ thống theo dõi hô hấp từ xa, phát hiện người xâm nhập, nhận dạng cử chỉ và quan trắc thời tiết vi mô ngay trong không gian sinh hoạt. Trong mạng thông minh, hệ thống kết hợp năng lực truyền thông với năng lực cảm biến để mạng tự nhận biết trạng thái, tự điều chỉnh và giảm dần sự phụ thuộc vào can thiệp thủ công của con người.

Mạng 6G hỗ trợ thực tế ảo và trí tuệ nhân tạo trong mạng vô tuyến ra sao?

Ứng dụng tích hợp thông tin – cảm biến. Nguồn: c114

Với thực tế mở rộng (XR, tức nhóm công nghệ bao gồm thực tế ảo, thực tế tăng cường và thực tế hỗn hợp), mạng hiện tại đang vấp phải hai trở ngại lớn. Trở ngại thứ nhất là độ trễ khứ hồi RTT (Round Trip Time, tức thời gian tín hiệu đi từ thiết bị lên mạng rồi quay trở lại) trung bình dao động khoảng 40 ms, trong khi XR yêu cầu độ trễ thấp hơn nhiều để người dùng không bị cảm giác lag hay chóng mặt khi đeo kính. Trở ngại thứ hai là băng thông đường xuống cho một người dùng đạt 45 đến 150 Mbit/s tạm đủ dùng, nhưng băng thông đường lên chỉ bảo đảm được 1 đến 4 Mbit/s, gặp khó khăn ở vùng rìa ô và càng trở nên căng thẳng hơn khi nhiều người dùng cùng lúc chạy ứng dụng XR trên cùng một trạm phủ sóng.

Quy hoạch băng tần tầm trung để làm chủ kỷ nguyên 6G

Về trí tuệ mạng vô tuyến RAN (Radio Access Network, tức mạng truy cập vô tuyến là phần hạ tầng kết nối trực tiếp thiết bị đầu cuối với mạng lõi), 6G sẽ khai thác ba nền tảng thông minh. Nền tảng thứ nhất là quản trị dữ liệu, thống nhất chuẩn mô hình dữ liệu trên toàn mạng để các thành phần khác nhau có thể đọc và chia sẻ dữ liệu thông suốt mà không bị vướng rào cản định dạng. Nền tảng thứ hai là mạng tính toán, gom toàn bộ tài nguyên tính toán phân tán khắp hệ thống vào một hồ chung, cho phép điều phối và luân chuyển năng lực xử lý đến nơi cần thiết theo từng thời điểm thay vì để tài nguyên nằm im ở từng nút riêng lẻ. Nền tảng thứ ba là bản sao số (digital twin), tạo ra một phiên bản số hóa hoàn chỉnh của mạng vật lý thực, ánh xạ hai chiều liên tục giữa mạng thực và mạng ảo để kỹ sư có thể thử nghiệm cấu hình mới, dự báo sự cố và tối ưu hiệu năng trên bản sao số trước khi triển khai thực tế, qua đó giảm chi phí thử nghiệm và rút ngắn thời gian đưa cải tiến vào vận hành.

Nghiên cứu khẳng định, công nghệ 6G sẽ hoàn toàn khác về bản chất so với công nghệ 5G. Trong khi 5G chủ yếu nâng cao tốc độ và mở rộng kết nối, 6G hướng tới xây dựng nền tảng số cho toàn bộ xã hội, tích hợp truyền thông, cảm biến, tính toán, trí tuệ nhân tạo và tin cậy vào một hệ sinh thái duy nhất.

Nhóm nghiên cứu xác định bốn hướng đột phá của 6G gồm đổi mới kết nối, đổi mới ứng dụng, đổi mới trải nghiệm và đổi mới mạng lưới. Phục vụ bốn hướng này là một loạt giải pháp kỹ thuật đã được phân tích xuyên suốt công trình, từ sóng milimet, mạng vệ tinh phi mặt đất NTN, bề mặt phản xạ thông minh RIS, công nghệ truyền thông xác định TSC, truyền dẫn độ trễ cực thấp uRLLC, module kết nối rút gọn RedCap, định vị trong nhà UTDOA, tích hợp thông tin cảm biến cho đến trí tuệ hóa vận hành mạng. Nhìn tổng thể, 6G được định hình để lần lượt tháo gỡ từng vướng mắc mà 5G chưa giải quyết xong về trải nghiệm người dùng phổ thông, phát triển thiết bị đầu cuối và dịch vụ số, ứng dụng trong doanh nghiệp, tiêu thụ năng lượng và chi phí vận hành hạ tầng.

Viettel công bố lộ trình nghiên cứu phát triển 6G Tập đoàn Công nghiệp Viễn thông Quân đội (Viettel) vừa cho biết chiến lược nghiên cứu và lộ trình phát triển mạng 6G: làm chủ ...

Khát vọng 6G và cách thức tiếp cận công nghệ 6G Sở KH&CN TPHCM đã đề nghị Viettel, VNPT, MobiFone nghiên cứu, thí điểm 6G. Tuy nhiên, chính các doanh nghiệp này cũng thừa nhận những ...

6G là 'trụ cột' của trí tuệ nhân tạo 6G được các tập đoàn công nghệ thế giới định vị là hạ tầng nền tảng cho trí tuệ nhân tạo. Việt Nam đặt mục ...