5G là xương sống của ngành truyền thông và sẽ đạt được những ứng dụng mang tính cách mạng ở các thị trường khác như công nghiệp, ô tô, y tế và thậm chí cả quốc phòng. Đối với một thế giới ngày càng được kết nối với Internet of Things (IoT), những cải tiến vượt trội của 5G về tốc độ (nhanh hơn ít nhất 10 lần so với 4G, lên tới 10Gbps), độ trễ (thấp hơn 10 lần so với 4G, xuống tới 1ms) và mật độ (hỗ trợ 1 ms). triệu thiết bị IoT trên mỗi km vuông) sẽ tạo ra nhiều ứng dụng sáng tạo, đặc biệt là trong các lĩnh vực quan trọng như bảo mật, độ tin cậy, chất lượng dịch vụ, hiệu quả và chi phí.

Như thể hiện trong hình bên dưới, 5G sẽ hiện thực hóa sự kết nối giữa hàng hóa và dịch vụ, trong khi “hàng hóa” sẽ nằm trong không gian của người dùng hoặc doanh nghiệp, trong khi “dịch vụ” thường sẽ nằm trên đám mây. Mạng 5G sẽ có thể phân chia kết nối song song một cách linh hoạt, điều chỉnh hoàn hảo mức dịch vụ mà người dùng yêu cầu thông qua việc điều chỉnh và cung cấp sơ đồ cân bằng chi phí/hiệu suất tuyệt vời.

5G không chỉ là một “kỷ nguyên” khác trong việc phát triển các tiêu chuẩn truyền thông mà còn là một thuật ngữ chung chứa ít nhất ba xu hướng chính. Theo định nghĩa của Liên minh Viễn thông Quốc tế, xu hướng đầu tiên là băng thông rộng di động nâng cao (emBB), điều này sẽ tăng cường các lĩnh vực đổi mới, như thực tế tăng cường và thực tế ảo. Xu hướng thứ hai là Truyền thông lớp máy lớn (mMTC), bao gồm kết nối cảm biến IoT phổ biến. Thứ ba là khả năng liên lạc có độ trễ thấp, độ tin cậy cực cao dành cho các ứng dụng quan trọng, chẳng hạn như lái xe tự động hoặc phẫu thuật từ xa.

5G sẽ có mặt ở khắp mọi nơi, bao gồm điện thoại thông minh, ô tô, tiện ích, thiết bị đeo, phòng mổ bệnh viện, nhà máy lớn, lưới điện và các ứng dụng khác, đồng thời tiến gần hơn đến khái niệm thành phố thông minh, sản xuất thông minh và thế giới kết nối.

Đài phát thanh 5G mới (NR) được liên kết với LTE Advanced, đây vẫn là một phần thiết yếu của nền tảng 5G để đảm bảo hoạt động trên cơ sở hạ tầng mạng lõi hiện có. Với việc ra mắt phiên bản thứ 15 của Chương trình Đối tác Thế hệ Thứ ba (3GPP) hoàn thành vào cuối năm 2017, cách tiếp cận này đã cho phép ngành đạt được tiến bộ ổn định ở phổ tần dưới 6GHz. Đến năm 2020, phiên bản thứ 15 sẽ có thể thúc đẩy việc triển khai sớm hầu hết 5G.

Tuy nhiên, dự kiến tiêu chuẩn thứ 16 được ban hành vào nửa cuối năm 2019 sẽ ảnh hưởng đến phổ tần số trên 6GH (sóng z milimet) (xem hình bên dưới).

Phiên bản thứ 16 rất quan trọng đối với các dịch vụ truyền thông quan trọng, thực tế ảo và Internet vạn vật diện rộng công suất thấp (LPWA). Tiêu chuẩn này dự kiến sẽ hiện thực hóa tiềm năng thực sự thường được quảng cáo là tầm nhìn 5G - nó sẽ cho phép nhiều ứng dụng và nhiều chức năng mới khác nhau, chẳng hạn như chia sẻ phổ tần, tiêu chuẩn Internet di động của phương tiện (C-V2X) cho ngành công nghiệp ô tô, v.v. ., do đó thay đổi hoàn toàn mô hình của ngành truyền thông.

Trường hợp kinh doanh đầu tiên của 5G rất đơn giản:

Nó cải thiện dung lượng, tốc độ, độ tin cậy và tính khả dụng của mạng, đồng thời giảm độ trễ với mức chi phí tương đương với 4G.

Trường hợp kinh doanh thứ hai đã được đưa vào hoạt động thương mại tại Hoa Kỳ, đó là ứng dụng không dây cố định, sử dụng tần số sóng milimet (3GPP chưa được chỉ định) để phủ sóng người dùng từ xa, nhằm cung cấp kết nối 300Mbps trở lên với giá rẻ. lắp đặt thay thế cáp quang. Điều này đã đáp ứng yêu cầu của hầu hết các nhà mạng di động trên thế giới đã tham gia thử nghiệm và thử nghiệm 5G sớm, cũng như những nhà mạng đã xây dựng cơ sở hạ tầng để hỗ trợ triển khai dịch vụ 5G (trước tiên là xây dựng cơ sở hạ tầng trong mạng lõi và tăng vùng phủ sóng). mật độ của các mạng di động không đồng nhất mới).

Trong số các quốc gia/khu vực tham gia thử nghiệm và thử nghiệm sớm, Hoa Kỳ bắt đầu thúc đẩy 5G nhanh hơn bất kỳ quốc gia nào khác để chuẩn bị cho mật độ phủ sóng mạng di động cần thiết, nhưng lại tụt hậu trong việc lắp đặt các trạm thu phát cơ sở (BTS). Để tham khảo, Hoa Kỳ đã lắp đặt khoảng 200.000 trạm gốc vào năm 2018, trong khi Trung Quốc duy trì khoảng 2 triệu trạm gốc. Ngoài ra, Trung Quốc cũng có 70% kết nối Internet of Things hiện có trên thế giới, khiến nhu cầu quảng bá của hai nước rất khác nhau. Tính đến thời điểm viết bài, đã có các cuộc đấu giá tần số mới ở Hàn Quốc, Úc, Vương quốc Anh, Ý, Tây Ban Nha, Hoa Kỳ và Đức hoặc chúng đã được đưa vào kế hoạch.

Tại Hội nghị Truyền thông Di động Thế giới 2018, GSMA dự đoán đến năm 2023, sẽ có khoảng 400 triệu kết nối 5G (30% trong số đó ở Hoa Kỳ) bao phủ các ứng dụng tiêu dùng và ứng dụng doanh nghiệp.

Không chỉ các nhà cung cấp dịch vụ truyền thông (CSP) đặt nhiều kỳ vọng vào sự phát triển của 5G, bởi nhiều người chơi phi truyền thống cũng háo hức thử sức trong lĩnh vực 5G. Các nhà cung cấp phương tiện truyền thông (OTT) hàng đầu (bao gồm Facebook, Microsoft, Google và Amazon) đang theo dõi chặt chẽ các cơ hội kinh doanh. Các nhà cung cấp OTT này sở hữu đám mây, nơi chứa hầu hết các dịch vụ, vì vậy họ là những người tham gia chính vào hoạt động 5G. Tuy nhiên, họ không có quyền truy cập và phần này vẫn được CSP lưu trữ đầy đủ.

Ngay cả trong quá trình triển khai 4G, nhiều chức năng mạng đã được ảo hóa, cho phép phần cơ sở hạ tầng đám mây công cộng (cơ sở hạ tầng như một dịch vụ) phát triển đáng kể. Tuy nhiên, kênh này vẫn nằm chắc chắn trong tay CSP. Hệ thống chức năng cộng sinh đòi hỏi sự kết nối chính xác giữa nhà cung cấp và người dùng và quản lý họ một cách thông minh. Trong quá trình phát triển các kết nối này, các công nghệ mới như phân chia mạng và điện toán biên sẽ được đưa vào, đây là những tính năng mới quan trọng của 5G.

Lát mạng

Làm cho điện toán gần hơn với người dùng (điện toán biên) là một phần quan trọng trong kế hoạch chi tiết 5G. Tuy nhiên, một yếu tố tương lai không kém phần quan trọng khác của 5G là khái niệm phân chia mạng, có thể đưa khái niệm mạng được xác định bằng phần mềm của 4G lên một tầm cao mới.

Như được hiển thị trong hình bên dưới, việc phân chia mạng cho phép các nhà khai thác tách lớp luồng gói khỏi lớp điều khiển và hỗ trợ chạy song song nhiều ứng dụng và dịch vụ cho một loạt người dùng với chất lượng, độ trễ và mức băng thông khác nhau.

Điều này có nghĩa là hệ thống 5G sẽ có nhiều lát mạng logic (hay “kênh theo dõi nhanh”) để hỗ trợ các ứng dụng và khách hàng cụ thể. Ví dụ: một số khách hàng của nhà mạng có thể cần emBB để sử dụng các công cụ thực tế tăng cường, trong khi những khách hàng khác có thể cần mạng phù hợp với mMTC, lái xe tự động hoặc phẫu thuật từ xa, vì vậy họ cần cung cấp các thuộc tính mạng khác nhau. Mỗi ứng dụng đều có những yêu cầu cụ thể riêng. Bằng cách chia mạng thành các phiên riêng tư khác nhau hoặc các kết nối song song, các lát cắt khác nhau có thể được tối ưu hóa tương ứng.

Điều này cho phép các nhà khai thác bán mạng cho khách hàng dưới dạng “mạng như một dịch vụ”, để mỗi khách hàng có thể trải nghiệm phần mạng, như thể nó hoàn toàn tách biệt về mặt vật lý với tổng thể: một số tương tự như “sẵn sàng chia sẻ một mạng”. phương pháp miếng bánh” và điều chế theo thời gian thực các thành phần có sẵn trong công thức. Về bản chất, việc phân chia mạng có thể cải thiện hiệu quả hoạt động và rút ngắn thời gian đưa ra thị trường để triển khai các dịch vụ mới.

Trên thực tế, việc chia mạng có thể là một trong những yếu tố đóng góp lớn nhất trong việc cung cấp dịch vụ 5G mới với chi phí hợp lý cho khách hàng doanh nghiệp.

Điện toán biên có nghĩa là đưa ra quyết định theo thời gian thực gần với nguồn dữ liệu. Bằng cách định vị trí thông minh điện toán gần các nguồn dữ liệu riêng biệt và khác nhau, điện toán biên có thể giảm độ trễ trong việc triển khai các dịch vụ được yêu cầu. Điện toán biên không gửi dữ liệu lên đám mây để xử lý thông qua toàn bộ mạng lõi mà sử dụng kiến trúc mạng phân tán để đảm bảo xử lý gần thời gian thực và đồng thời giảm độ trễ. Mặt khác, nó đơn giản là không thể chấp nhận được đối với các dịch vụ cụ thể.

Với sự phát triển của các ứng dụng quan trọng đòi hỏi tài nguyên điện toán thời gian thực và sự phát triển của các chức năng thông minh được hỗ trợ bởi trí tuệ nhân tạo (AI) như lái xe tự động, y học từ xa và các ứng dụng thực tế ảo, điện toán ngày càng gần gũi hơn với người dùng cuối và do đó gần hơn với cạnh, đó là điều quan trọng. Ví dụ: nếu hệ thống trì hoãn hàng chục mili giây khi ô tô đi qua toàn bộ mạng và quay trở lại, ô tô vẫn sẽ lái thêm vài feet ngay cả sau khi nhận được lệnh phanh. Sử dụng tài nguyên biên và giảm độ trễ xuống 10 lần sẽ giúp giảm đáng kể thời gian từ khi ra lệnh đến phanh.

Tài nguyên điện toán biên (hoặc điện toán biên đa truy cập) có thể dễ dàng tìm thấy một phòng trong văn phòng trung tâm truyền thống của mạng truy cập không dây (RAN). Các tài nguyên phần cứng và máy chủ bổ sung có bộ tăng tốc AI có thể được đặt trong khoảng cách khác nhau vài km tính từ cụm ăng-ten. Điều này sẽ tạo ra rất nhiều cơ sở hạ tầng phần cứng bổ sung.

Mạng 5G có các tiêu chuẩn và tính năng truy cập NR nên phù hợp với nhiều thị trường ngành dọc với các ứng dụng khác nhau. Điều này đã dẫn đến các yêu cầu quá mức về phần cứng, bao gồm các yêu cầu đối với hệ thống ăng-ten hoạt động (AAS) và các thiết bị khác, điều này cũng đã phát triển khái niệm đầu cuối vô tuyến từ xa thông qua ăng-ten tích hợp. Sự tích hợp này giúp giải quyết những thách thức mà 5G phải đối mặt ở các khía cạnh sau: sử dụng tính đa dạng không gian và chùm tia cục bộ để cải thiện công suất và triển khai công nghệ MIMO (mMIMO) quy mô lớn.

Công nghệ AAS có thể tối đa hóa hiệu quả của trạm gốc và tạo điều kiện cho các nhà khai thác tăng đáng kể công suất (lên tới 5 lần so với 5G) và phạm vi phủ sóng của mạng. Cụm bộ khuếch đại công suất (PA) và các phần tử ăng-ten là các thành phần cơ bản của AAS (hiện tại có thể bao gồm tới 1024 PA), có thể cung cấp chức năng truy cập mạng hoàn chỉnh để kết nối với nút băng cơ sở, nơi có thể đặt nút băng cơ sở ở cùng vị trí với AAS hoặc trong văn phòng trung tâm (RAN đám mây). Ghép kênh tần số có thể được thực hiện thông qua mMIMO (công nghệ này dựa trên đa dạng không gian và hỗ trợ nhiều đường dẫn dữ liệu và đồng bộ hóa riêng biệt cho từng người dùng) và ghép kênh tần số đã trở thành yếu tố chính để cải thiện dung lượng BTS, được sử dụng để thực hiện ghép kênh không gian.

Khi sử dụng nhiều ăng-ten, công nghệ tạo chùm tia nâng cao cũng có thể được sử dụng, công nghệ này sử dụng các chùm tia định hướng và tập trung 3D. Công nghệ này giúp giảm nhiễu ở các kênh lân cận, tối đa hóa khoảng cách có thể tiếp cận với công suất bằng nhau và hướng luồng dữ liệu đến mục tiêu mong muốn. Do đó, nó có thể tối ưu hóa công suất tổng thể và đạt được thông lượng tín hiệu vô tuyến cao hơn.

AAS được triển khai ở giai đoạn cuối của 4G. Hiện nay, là một thiết bị mới, AAS được sử dụng rộng rãi ở những nơi cần cải thiện dung lượng và phạm vi phủ sóng. Việc triển khai phổ tần mới hỗ trợ phần cứng 4G tương thích ngược và băng tần cơ sở hỗ trợ phần mềm có thể nâng cấp cũng sẽ thúc đẩy việc nâng cấp phần cứng của BTS vĩ mô.

Để tăng mật độ phủ sóng của các dịch vụ mới, đặc biệt là trong môi trường dày đặc như chung cư cao tầng, sân vận động, trung tâm mua sắm và công viên giải trí, các trạm nhỏ sẽ cần được triển khai để truyền tải gần hơn đến người dùng với mức tiêu thụ điện năng thấp hơn và cao hơn. tốc độ bit.

Từ góc độ phần cứng, thách thức nổi bật nhất là mật độ, chủ yếu bao gồm: thứ nhất, làm thế nào để đạt được khả năng quản lý nhiệt toàn diện trong các gói ngày càng nhỏ hơn. Thứ hai, làm thế nào để đáp ứng kỳ vọng một cách hiệu quả thông qua việc tích hợp các chức năng và thành phần trên quy mô lớn. Thứ ba, trong khi đạt được tất cả những điều này, hãy duy trì hiệu suất cao với mức tiêu thụ điện năng thấp.

Để đạt được điều này, tất cả các thành phần trong AAS, từ bộ thu phát, đồng hồ đến quản lý nguồn, phải được thiết kế lại hoặc điều chỉnh để đáp ứng các yêu cầu đầy thách thức do số lượng thành phần ngày càng tăng trong thiết bị mới. Điều này có thể được hiện thực hóa từ bộ thu phát tần số vô tuyến (RF), tích hợp thêm nhiều bộ thu phát RF, bổ sung thêm các chức năng phụ trợ và tạo ra các giải pháp hệ thống thông minh để phân cụm nhiều thành phần mới thông qua quản lý nguồn chung.

Bộ thu phát RF đa kênh tích hợp cao là thành phần cốt lõi của bản thiết kế phần cứng 5G. Điều này không chỉ yêu cầu băng thông tín hiệu RF lên tới 1GHz mà còn hỗ trợ hoạt động đa băng tần. Bằng cách triển khai công nghệ lấy mẫu RF, các đặc điểm được mô tả có thể được triển khai theo kiến trúc đơn giản hơn với chi phí thấp hơn. Bộ thu phát serializer/deserializer có hiệu suất cao hơn 10Gbps và tích hợp vòng lặp khóa pha (PLL)/bộ dao động điều khiển điện áp (VCXO) có độ biến động thấp. Là một chức năng chính khác của các hệ thống trên chip mới nổi này, chúng có thể đơn giản hóa việc tạo đồng hồ lấy mẫu bằng cách cho phép sử dụng đồng hồ tham chiếu có tần số thấp hơn.

Không thể bỏ qua việc đáp ứng yêu cầu về thời gian của mạng băng thông cao 5G. Trong mạng di động hiện tại, nguồn định thời (bộ tạo dao động tinh thể được điều khiển bằng điện áp (VCXO)/bộ tạo dao động tinh thể bù nhiệt độ (TCXO)) phải có độ biến động rất thấp và có thể đáp ứng các yêu cầu giảm nhiễu liên tục để hỗ trợ điều chế biên độ cầu phương bậc cao hơn và đạt được hiệu suất truyền sóng milimet tốt nhất.

Theo kiến trúc RAN đám mây, thông số kỹ thuật Giao diện vô tuyến chung (CPRI) mới nhất (được đặt tên là eCPRI (EthernetCPRI)), dưới dạng liên kết đa điểm giữa nhóm đơn vị băng cơ sở (BBU) và mạng đơn vị vô tuyến từ xa (RRU), cung cấp một liên kết băng thông cao để xử lý các yêu cầu của nhiều RRU. Vì 5GeCPRI được sử dụng trong truyền dẫn chuyển tiếp 5G nên cần phải đáp ứng các yêu cầu mới về thời gian. Trong liên kết CPRI điểm-điểm, về cơ bản, đồng bộ hóa thời gian và đồng bộ hóa tần số phải được đảm bảo, nhưng kiểu đồng bộ hóa này không còn là vấn đề cần phải suy nghĩ lại mà cần được giải quyết như một phần của toàn bộ giải pháp định thời 5G. Do đó, cây đồng hồ đã phát triển từ giải pháp loại bỏ jitter dựa trên VCXO được truyền CPRI áp dụng sang giải pháp đồng bộ hóa mạng dựa trên TCXO để xử lý các yêu cầu về thời gian trong eCPRI.

Ngoài ra, trạm cơ sở vĩ mô 5G cũng sẽ hỗ trợ tiêu chuẩn hệ thống thông tin di động toàn cầu đa sóng mang (GSM) cho các đường truyền dưới 6GHz. Do đó, cây đồng hồ cũng phải đáp ứng các yêu cầu về nhiễu pha điểm không vi phạm thông số kỹ thuật tổng thể của bộ chặn GSM. Đối với trạm gốc 5GmMIMO, việc sử dụng công nghệ tạo chùm tia có thể tận dụng phổ tần một cách hiệu quả đồng thời giảm thiểu nhiễu. Điều này ảnh hưởng đến độ lệch giữa các đầu ra khác nhau trong cây đồng hồ của liên kết tín hiệu RF

Những ràng buộc chặt chẽ được hình thành. Ngoài kế hoạch hiệu chỉnh ăng-ten cấp hệ thống, còn có nhiều công nghệ cấp bo mạch và cấp chip (ví dụ: chế độ độ trễ bằng 0) có thể giảm thiểu sự thay đổi độ trễ của cây đồng hồ trong quá trình, góc điện áp và nhiệt độ để cải thiện chùm tia. hiệu quả hình thành.

5G cũng đang thay đổi mô hình điểm tải để đáp ứng một loạt yêu cầu tiêu thụ điện năng của Internet of Things, mạng di động nhỏ và ăng-ten hoạt động. Phạm vi dao động công suất (mở rộng) là từ vài phần mười watt đến hàng trăm watt. Cụ thể hơn, với sự gia tăng về mức tiêu thụ điện năng/yêu cầu dòng điện, giá trị của bus phân phối đã được thay đổi thành 12V để đáp ứng các yêu cầu của AAS, hệ thống ăng ten phân tán và đài mMIMO thế hệ mới.

Với sự gia tăng mức tiêu thụ điện năng trong RRU và BBU, vai trò của bus quản lý nguồn (PMBus) ngày càng rõ ràng. Đồng thời, bộ chuyển đổi giảm áp điện áp cao không ngừng cải tiến để thích ứng với sự gia tăng số lượng PA, đòi hỏi tản nhiệt 3D và bộ chuyển đổi hoạt động 100V với giới hạn dòng điện thay đổi. Để cung cấp các mạch đồng hồ và thu phát chính xác trong radio đồng thời tăng mật độ, kích thước và tiếng ồn cũng có thể được giảm thông qua các bộ chuyển đổi chuyên dụng đa kênh. Bộ chuyển đổi được sử dụng để thay thế cho bộ điều chỉnh điện áp rơi thấp và tốc độ chuyển mạch cao hơn 1 MHz để giảm kích thước trong khi vẫn duy trì hiệu quả.

Giảm thiểu nội dung, độ phức tạp và chi phí nguyên vật liệu là chìa khóa để giành chiến thắng trong cuộc cạnh tranh phần cứng 5G và việc tích hợp các chức năng vào mạch tích hợp là cách để đạt được những mục tiêu này. Các công ty bán dẫn sẽ phải hợp tác chặt chẽ với khách hàng thiết bị trạm cơ sở để sản xuất bộ thu phát RF tích hợp cao, chuỗi tín hiệu và nguồn điện được tối ưu hóa để hỗ trợ sự phát triển không ngừng của công nghệ 5G.

Dữ liệu lịch sử gần đây của ngành truyền thông cho thấy chu kỳ nâng cấp lên công nghệ thế hệ tiếp theo là 10 năm. Tốc độ mà 5G áp dụng cũng tương tự như vậy, kéo theo đó là kỳ vọng về mức trưởng thành cao nhất của nó.

5G sẵn sàng thổi sức sống mới vào khái niệm trái đất được kết nối thông qua cơ sở hạ tầng mới, thiết bị mới và trường hợp sử dụng mới. Với dung lượng cao và độ trễ thấp, 5G sẽ thay đổi hoàn toàn sự tiếp xúc giữa con người và thiết bị.

Từ cấp độ doanh nghiệp, 5G có thể mang tính biến đổi nhiều hơn và có thể đạt được các dịch vụ quan trọng được kỳ vọng sẽ thay đổi hoàn toàn toàn bộ ngành. Trong kỷ nguyên 5G thực sự, công nghệ máy-máy, cảm biến tiêu thụ điện năng thấp, quản lý di động, giám sát tài sản/thiết bị từ xa và lưới điện thông minh sẽ có mặt ở khắp các nhà máy trong tương lai.

Các khía cạnh khác của 5G sẽ được nâng cao khi phổ tần cao hơn được bật trong phiên bản thứ 16. Mạng lưới sóng milimet có thể được sử dụng để thực hiện truyền tải ngược trạm gốc di động nhỏ chi phí thấp ở các khu vực đô thị đông dân cư. Các mạng này cũng sẽ được áp dụng cho hệ thống liên lạc mọi thứ được kết nối trong nhà xưởng hoặc phương tiện, do đó biến công nghệ này trở thành động lực chính cho việc lái xe tự động vì phương tiện cần giao tiếp với phương tiện, tín hiệu giao thông và thông tin bản đồ kỹ thuật số mới nhất.

5G có thể là một mạng định hướng cho tương lai, nhưng nó thể hiện sự làm việc chăm chỉ của các kỹ sư hiện tại và chắc chắn sẽ khiến thế giới chúng ta đang sống trở nên tốt đẹp hơn.