Nhu cầu về kết nối không dây đã tăng theo cấp số nhân trong vài thập kỷ qua. Truyền thông thế hệ thứ năm (5G), với nhiều tính năng hơn nhiều so với 4G, sẽ sớm được triển khai trên toàn thế giới. Một mô hình truyền thông không dây mới, hệ thống thế hệ thứ sáu (6G), với sự hỗ trợ đầy đủ của trí tuệ nhân tạo, dự kiến ​​sẽ được triển khai từ năm 2027 đến năm 2030. Vượt trên cả 5G, một số vấn đề cơ bản sẽ được giải quyết là dung lượng hệ thống cao hơn, tốc độ dữ liệu cao hơn, độ trễ thấp hơn, bảo mật cao hơn và chất lượng dịch vụ (QoS) được cải thiện so với hệ thống 5G. Bài báo này trình bày dự đoán về truyền thông không dây 6G trong tương lai và kiến ​​trúc mạng của nó.

Bài báo cũng đồng thời mô tả các công nghệ mới nổi như trí tuệ nhân tạo, truyền thông terahertz, công nghệ quang học không dây, mạng quang học không gian tự do, chuỗi khối, mạng ba chiều, truyền thông lượng tử, phương tiện bay không người lái, truyền thông không di động, tích hợp thông tin không dây và truyền năng lượng, cảm biến đo rung và giao tiếp tích hợp, mạng truy cập tích hợp backhaul, cắt mạng động, tạo chùm tia ba chiều, giao tiếp tán xạ ngược, bề mặt phản xạ thông minh, bộ nhớ đệm chủ động và phân tích dữ liệu lớn có thể hỗ trợ phát triển kiến ​​trúc 6G trong việc đảm bảo QoS. Bên cạnh đó, các ứng dụng dự kiến ​​với yêu cầu giao tiếp 6G và các công nghệ khả thi cũng được trình bày. Chúng tôi cũng mô tả những thách thức tiềm ẩn và hướng nghiên cứu để đạt được mục tiêu này.

XU HƯỚNG TRUYỀN THÔNG DI ĐỘNG:

Kể từ khi bắt đầu có hệ thống truyền thông tương tự đầu tiên vào những năm 1980, cứ mười năm lại có một thế hệ hệ thống truyền thông mới được giới thiệu. Việc chuyển từ thế hệ này sang thế hệ khác cải thiện các chỉ số QoS, bao gồm các dịch vụ mới và cung cấp các tính năng mới.

Mục tiêu của B5G và 6G là tăng khả năng tương ứng lên 10–100 so với các bản nâng cấp thế hệ di động trước. Trong mười năm qua, lưu lượng dữ liệu di động đã tăng lên rất nhiều nhờ sự ra đời của các thiết bị thông minh và giao tiếp giữa máy với máy (M2M).

17082020 – figure1

HÌNH 1. Sự tăng trưởng dự đoán của kết nối di động toàn cầu trong 2020-2030 (Bởi Tiến sĩ Ping Yang & Yue Xiao).

(a) tổng lưu lượng toàn cầu, (b) lưu lượng trên mỗi đăng ký.

Hình 1 cho thấy sự phát triển theo cấp số nhân của kết nối di động. Dự kiến, lưu lượng truy cập di động toàn cầu sẽ tăng 670 lần vào năm 2030 so với lưu lượng di động vào năm 2010, theo ITU (Liên minh Viễn thông Quốc tế). Đến cuối năm 2030, Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) dự đoán tổng lưu lượng dữ liệu di động sẽ vượt quá 5 ZB mỗi tháng. Số lượng thuê bao di động sẽ đạt 17,1 tỷ so với 5,32 tỷ năm 2010.

Hơn nữa, việc sử dụng kết nối M2M sẽ tăng lên theo cấp số nhân. Lưu lượng truy cập cho mỗi thiết bị di động cũng sẽ tăng lên. Lưu lượng truy cập của một thiết bị di động trong năm 2010 là 5,3 GB mỗi tháng. Tuy nhiên, khối lượng này sẽ tăng gấp 50 lần vào năm 2030. Số lượng đăng ký M2M sẽ tăng 33 lần vào năm 2020 và 455 lần vào năm 2030, so với năm 2010. Gần đây, các mối quan tâm nghiên cứu đã chuyển sang các phương pháp thông minh và thích ứng theo hướng dữ liệu. Như tạp chí IEEE đã tuyên bố vào năm 2017, mạng không dây 5G sẽ xây dựng nền tảng gồm các mạng thông minh để cung cấp cho các hoạt động AI. Theo một nghiên cứu trên tạp chí arXIV, người ta ước tính rằng vào năm 2030, công suất của 5G sẽ đạt đến giới hạn. Sau đó, việc quản lý và ứng dụng mạng thông minh để cung cấp các dịch vụ tiên tiến sẽ chỉ được thực hiện bằng cách sử dụng mạng 6G.

Do đó, giao tiếp không dây 6G là kết quả của nhu cầu của người dùng ngày càng tăng vượt quá những gì mạng 5G có thể cung cấp. Các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới đã và đang nghiên cứu truyền thông 6G sẽ như thế nào vào năm 2030; họ cũng đang xem xét các drivers khả thi để truyền thông không dây 6G thành công. Một số xu hướng thúc đẩy quan trọng đằng sau sự phát triển của mạng 6G bao gồm: tốc độ bit cao, độ tin cậy cao, độ trễ thấp, hiệu quả năng lượng cao, hiệu suất phổ cao, phổ mới (new spectra), kết nối bảo vệ môi trường (Green communication), mạng thông minh, tính HA (high availability) của mạng, truyền thông hội tụ, tính bản địa hóa, thuật toán, điều khiển và cảm biến. Do đó, 6G sẽ là một thế giới của kết nối kỹ thuật số hoàn toàn.

THÔNG SỐ KỸ THUẬT VÀ YÊU CẦU:

Công nghệ 5G được biết là chấp nhận đánh đổi một số vấn đề, chẳng hạn như thông lượng, độ trễ, hiệu quả năng lượng, chi phí triển khai, độ tin cậy và độ phức tạp của phần cứng. Có khả năng, 5G sẽ không thể đáp ứng nhu cầu thị trường sau năm 2030. Khi đó, 6G sẽ lấp đầy khoảng cách giữa 5G và nhu cầu thị trường.

Dựa trên các xu hướng trước đây và dự đoán về nhu cầu trong tương lai, các mục tiêu chính của hệ thống 6G là (1) tốc độ dữ liệu cực cao trên mỗi thiết bị, (2) số lượng thiết bị được kết nối rất lớn, (3) kết nối toàn cầu, (4) độ trễ thấp, (5) giảm mức tiêu thụ năng lượng với những thiết bị IoT không dùng pin, (6) kết nối đáng tin cậy cực cao và (7) kết nối thông minh với khả năng học máy (Machine Learning). Bảng dưới đây cho thấy sự so sánh của 6G với các hệ thống truyền thông 4G và 5G. Dự đoán rằng 6G sẽ yêu cầu trình điều khiển chỉ báo hiệu suất (KPI) mới bên cạnh KPI của hệ thống mạng 5G. Nhiều KPI của hệ thống 5G cũng sẽ có hiệu lực đối với 6G. Tuy nhiên, các KPI 5G phải được rà soát lại và các KPI mới phải được áp dụng cho 6G.

17082020 – comparison

A. YÊU CẦU DỊCH VỤ

Các hệ thống truyền thông 6G dự kiến sẽ ra mắt các loại dịch vụ có liên kết KPI sau đây, như báo IEEE Internet of Things đã đề cập:

  • Băng thông di động siêu rộng toàn hiện (uMUB)
  • Tốc độ cực cao với giao tiếp có độ trễ thấp (uHSLLC)
  • Giao tiếp máy khối lượng lớn (mMTC)
  • Mật độ dữ liệu siêu cao (uHDD)

Các yếu tố chính sau đây sẽ là đặc trưng của mạng 6G:

  • Giao tiếp tích hợp AI
  • Internet xúc giác
  • Hiệu quả năng lượng cao
  • Ít tắc nghẽn mạng truy cập và tồn đọng
  • Tăng cường bảo mật dữ liệu

Người ta ước tính rằng hệ thống 6G sẽ có khả năng kết nối không dây cùng một lúc cao hơn 1000 lần so với hệ thống 5G.

B. CÁC ĐẶC ĐIỂM MẠNG MỚI

Mạng tích hợp vệ tinh: Giao tiếp qua vệ tinh là điều bắt buộc để cung cấp kết nối toàn hiện. Nó gần như không bị giới hạn bởi hoàn cảnh địa lý và có thể hỗ trợ phạm vi phủ sóng toàn cầu liền đến các địa hình khác nhau như đất liền, biển, không khí và bầu trời để phục vụ kết nối toàn hiện của người dùng. Do đó, để cung cấp kết nối di động toàn cầu băng thông rộng luôn hoạt động, 6G được dự kiến ​​sẽ tích hợp các hệ thống vệ tinh trên không và mặt đất để đạt được mục tiêu. Việc tích hợp các mạng trên mặt đất, vệ tinh và mạng trên không vào một hệ thống không dây duy nhất sẽ rất quan trọng đối với 6G.

Kết nối thông minh: Trái ngược với thế hệ truyền thông không dây trước đó, 6G sẽ mang tính chuyển đổi và sẽ cập nhật tiến bộ không dây từ “những thứ được kết nối” thành “trí thông minh được kết nối”, theo một nghiên cứu của trường Khoa học và Công nghệ Hồng Kông. AI sẽ được ứng dụng trong từng bước của quy trình liên lạc cũng như quản lý tài nguyên vô tuyến.

Tích hợp liền mạch thông tin không dây và vận chuyển năng lượng: Mạng không dây 6G cũng sẽ truyền năng lượng để sạc các thiết bị pin, chẳng hạn như điện thoại thông minh và cảm biến. Do đó, hệ thống truyền thông tin và năng lượng không dây (WIET) sẽ được tích hợp.

Kết nối Super 3D toàn hiện: Truy cập mạng và các chức năng mạng cốt lõi trên máy bay không người lái và vệ tinh quỹ đạo trái đất tầm thấp sẽ làm cho kết nối super 3D của 6G trở nên phổ biến toàn cầu/

NHỮNG THÁCH THỨC VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG TƯƠNG LAI

Còn tồn tại một số vấn đề kỹ thuật cần được giải quyết để triển khai thành công hệ thống mạng 6G. Một số mối quan tâm trong đó sẽ được thảo luận ngắn gọn dưới đây.

     Sự lan truyền cao và sự hấp thụ THz (Tần số Terahertz) trong khí quyển: Các tần số THz cao cung cấp tốc độ dữ liệu cao. Tuy nhiên, các dải THz cần phải vượt qua thách thức đáng kể đối với việc truyền dữ liệu qua khoảng cách dài vì sự suy hao và các đặc tính hấp thụ của khí quyển, như Tiến sĩ Shahid Mumtaz đã phát biểu trong một nghiên cứu. Chúng ta cần phải có một thiết kế mới cho kiến ​​trúc bộ thu phát cho hệ thống truyền thông THz. Bộ thu phát phải có thể hoạt động ở tần số cao, và chúng ta cần đảm bảo sử dụng đầy đủ các băng thông thật rộng rãi.

     Sự phức tạp trong quản lý tài nguyên cho mạng 3D:  Mạng 3D mở rộng theo hướng dọc. Do đó, một thứ nguyên mới đã được thêm vào so với trước đây. Hơn nữa, nhiều đối thủ có thể can thiệp vào thông tin gốc, điều này có thể làm giảm đáng kể hiệu suất tổng thể của hệ thống.

     Các hạn chế về phần cứng không đồng nhất: Trong mạng 6G, một số lượng lớn các loại hệ thống truyền thông không đồng nhất, chẳng hạn như dải tần, cấu trúc liên kết mạng, truyền tải dịch vụ, v.v.. Hơn nữa, các điểm truy cập và thiết bị đầu cuối di động sẽ khác nhau đáng kể trong cài đặt phần cứng.

     Hệ thống không dây tự động: Mạng 6G sẽ cung cấp hỗ trợ đầy đủ cho các hệ thống tự động hóa như xe tự động, máy bay không người lái (UAV), và Công nghiệp 4.0 trên nền tảng AI. Tạp chí Nature Electronics cũng liệt kê rằng để tạo ra các hệ thống không dây tự trị, chúng ta cần có sự hội tụ của nhiều hệ thống con không đồng nhất, chẳng hạn như điện toán tự động, các quy trình tương tác, hệ thống của hệ thống, máy học (Machine Learning), Cloud tự động, máy của các hệ thống, và các hệ thống không dây không đồng nhất.

     Mô hình hóa sóng tần số phụ của THz (Submm Wave): Đặc tính lan truyền của Sóng mm và Sóng phụ (Submm) tùy thuộc vào điều kiện khí quyển; do đó, các hiệu ứng hấp thụ và phân tán có thể nhìn thấy được, nghiên cứu bởi Tạp chí Vật lý Ứng dụng.

     Khả năng của thiết bị: Hệ thống 6G sẽ cung cấp một số tính năng mới. Các thiết bị, chẳng hạn như điện thoại thông minh, phải có khả năng tải được các tính năng này. Đặc biệt, việc hỗ trợ thông lượng Tbps, AI, XR và cảm biến tích hợp đối với thiết bị riêng lẻ là một thách thức không nhỏ.

     Khả năng kết nối Backhaul dung lượng cao: Các mạng truy cập bằng 6G sẽ có mật độ rất cao. Hơn nữa, các mạng truy cập này rất đa dạng và rộng khắp trong một vị trí địa lý. Mỗi mạng truy cập này sẽ hỗ trợ kết nối tốc độ dữ liệu rất cao cho các dạng người dùng khác nhau. Các mạng backhaul 6G phải xử lý khối lượng dữ liệu khổng lồ để kết nối giữa mạng truy nhập và mạng lõi để hỗ trợ các dịch vụ tốc độ dữ liệu cao ở cấp độ người dùng; nếu không, một nút cổ chai sẽ được tạo ra.

Nâng cao công nghệ không dây của bạn với Daviteq

Mỗi thế hệ hệ thống liên lạc mang đến những tính năng mới và thú vị. Hệ thống liên lạc 5G, sẽ chính thức ra mắt trên toàn thế giới vào năm 2020, sở hữu những tính năng ấn tượng. Tuy nhiên, 5G sẽ không thể hỗ trợ hoàn toàn nhu cầu truyền thông không dây ngày càng tăng vào năm 2030. Do đó, 6G cần được phát triển. Nghiên cứu về 6G vẫn đang trong giai đoạn sơ khai và nghiên cứu. Bài báo này hình dung các triển vọng và cách thức để đạt được mục tiêu của truyền thông 6G. Bên cạnh việc làm rõ tầm nhìn và mục tiêu của truyền thông 6G, chúng tôi đã nêu các công nghệ khác nhau có thể được sử dụng cho truyền thông 6G.

Daviteq thiết kế và sản xuất cảm biến không dây cho nhiều loại ứng dụng IoT khác nhau.

 

Daviteq’s Industrial IoT Solutions for Manufacturing, Logistics & Utilities at GSMA