Một số tính năng mới của Công nghệ 6G trong tương lai dưới góc nhìn của NTT Docomo

Hình 4-1 minh họa cho sự phát triển công nghệ từ các thế hệ thông tin di động trước đây cho đến 6G, có thể nhận thấy các thế hệ trước luôn có một công nghệ đặc trưng, nhưng từ 4G, công nghệ truy cập vô tuyến (RAT) bắt đầu có sự thay đổi. Từ 4G, bắt đầu có sự kết hợp nhiều công nghệ mới dựa trên ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM), các lĩnh vực kỹ thuật được dự báo sẽ còn đa dạng hơn ở 6G. Chất lượng thông tin tiến gần đến giới hạn Shannon đạt được nhờ công nghệ dựa trên OFDM, đồng thời, các yêu cầu và trường hợp ứng dụng sẽ được mở rộng hơn nữa (có thể tham khảo hai bài viết trước để tìm hiểu rõ nội dung này). Tương lai, sự kết hợp của nhiều công nghệ trong 6G sẽ đáp ứng các yêu cầu công nghệ ở mức cao.

Trong bài viết này, ngoài trình bày định nghĩa về công nghệ 6G RAT, các lĩnh vực kỹ thuật tiềm năng cho sự phát triển 5G và công nghệ 6G sẽ được phân tích trong bài viết.

Hình 4.1. Quá trình phát triển công nghệ viễn thông di động cho đến 6G

1.Tô pô mạng mới

Điều kiện lý tưởng để đạt tới tốc độ siêu cao, dung lượng cao (đặc biệt là đường lên) và cải thiện độ tin cậy của thông tin vô tuyến, thì thông tin phải ở khoảng cách gần và trong môi trường không bị vật cản (suy hao đường truyền thấp). Ngoài ra, càng tạo nhiều đường truyền càng tốt để tăng khả năng lựa chọn đường truyền (tăng khả năng dự phòng). Khi đó, cần có một cấu trúc kết nối mạng được phân tập trong miền không gian. Ở thế hệ trước, điều kiện lý tưởng để xây dựng một mạng di động là các ô hình lục giác không giao thoa với nhau. Tuy nhiên, để tăng khả năng lựa chọn đường đi, một cấu trúc liên kết của các mạng phân tán không trực giao trong không gian sẽ được hướng tới bằng cách loại bỏ khái niệm tế bào như trong hình 4.2. Cấu trúc liên kết của một mạng phân tán như vậy là khá quen thuộc trong sự phát triển của các dải tần số cao, cảm biến vô tuyến và cung cấp điện vô tuyến (điện không dây). 

Hình 4.2. Khái niệm mạng Tô pô mới 

Mặt khác, theo cách hiểu thông thường, cấu trúc kết nối mạng mới này không phải là một cấu hình mạng tốt vì có hiện tượng nhiễu giữa các ô và nhiều ăng-ten dự phòng được lắp đặt. Về mặt kỹ thuật, có thể tránh nhiễu bằng cách điều khiển búp sóng và lựa chọn đường truyền. Tuy nhiên, làm thế nào để thực hiện được giải pháp trên với chi phí thấp lại là một thách thức lớn. Có nhiều cách tiếp cận khác nhau nhưng có thể chọn cách không sử dụng ăng-ten trạm gốc thông thường .

Về vấn đề này, thời gian qua, có nhiều nghiên cứu khác nhau như: sử dụng ăng-ten kính, phản xạ, tích hợp cảm biến và ăng-ten thông tin, hợp tác giữa các thiết bị đầu cuối, các trạm gốc dạng thiết bị đầu cuối, công nghệ phân bổ bước sóng quang và truyền dẫn quang mới cho phép cấu trúc kết nối mạng phân tán, mở rộng công nghệ đường truyền, nội hạt tích hợp cả truy cập và trung kế (IAB) và nút mạng chỉ thu đường lên. Để nâng cao hiệu quả hoạt động của chức năng của cấu trúc kết nối mạng mới, công nghệ quản lý và điều khiển cấu trúc mạng sử dụng AI, v.v... sẽ giữ vai trò rất quan trọng. Ngoài ra, có thể cân nhắc đến phương án cấu trúc kết nối mạng sử dụng những yếu tố này kết hợp với thành phần tế bào thông thường.

2.Mở rộng vùng phủ sóng bao gồm mạng phi mặt đất

Công nghệ mở rộng vùng phủ sóng là cần thiết để cung cấp dịch vụ cho máy bay không người lái, ô tô bay, tàu và trạm vũ trụ, vì các các đối tượng này hoạt động trên bầu trời cao, vùng biển xa – những nơi hiện nay vẫn chưa được mạng di động mặt đất bao phủ hoàn toàn. Do đó, các cấu trúc kết nối mạng mới nên được khảo sát theo ba chiều bao gồm cả phương thẳng đứng. Ngoài ra, công nghệ cho phép truyền dẫn vô tuyến đạt khoảng cách xa trên vài chục km được coi là cần thiết chủ yếu dựa trên giả định có ứng dụng truyền tải nội hạt vô tuyến và IAB.

Trong việc siêu mở rộng vùng phủ sóng, bằng cách xem xét việc sử dụng các vệ tinh địa tĩnh (GEO), vệ tinh tầm thấp (LEO), các vệ tinh giả tầm cao (HAPS) … cho phép phủ sóng lên các khu vực núi cao và vùng sâu, vùng xa, vùng biển xa, vùng không gian cao cũng như cung cấp các dịch vụ thông tin liên lạc đến các khu vực mới. Đặc biệt, HAPS gần đây lần nữa gây chú ý nhờ khả năng định vị tại một địa điểm cố định ở độ cao xấp xỉ 20 km và có thể tạo thành một vùng phủ sóng rộng với ô bán kính lớn hơn 50 km trên đất liền (minh họa tại Hình 4-3). Ngoài phạm vi phủ sóng rộng nêu trên, HAPS còn có lợi thế trong việc đảm bảo truyền tải nội hạt tới các trạm gốc di động một cách kịp thời và đơn giản cũng như trong việc đảm bảo sự độc lập với các mạng thông tin liên lạc mặt đất (các mạng công cộng ). HAPS được đánh giá không chỉ hiệu quả trong đối phó với thảm họa mà còn giá trị trong nhiều trường hợp ứng dụng trong công nghiệp được dự kiến trong 5G⁺ và 6G. 

        Hình 4.3. Các lợi ích của HAPS và các trường hợp áp dụng

3.Mở rộng tần số và cải thiện việc sử dụng phổ tần

Trong 5G NR, các băng tần đến 52,6 GHz được hỗ trợ và phần mở rộng đến khoảng 100 GHz được khảo sát cho các phiên bản tương lai. Ngoài ra, đối với 6G, FCC Hoa Kỳ khuyến nghị xem xét các tần số cao hơn trong 5G như 95 GHz đến 3 THz. Trong các dải tần số cao như vậy, từ phần cao của dải sóng milimet đến dải "sóng terahertz", một băng tần cao có thể được sử dụng cho công nghệ 5G, và nó đang được nghiên cứu để đạt được tốc độ dữ liệu cực cao vượt quá 100 Gbps. Hiện tại, như trong Hình 4-4, chúng tôi giả định rằng các sóng vô tuyến lên đến xấp xỉ 300 GHz được coi là trong phạm vi khảo sát cho công nghệ 6G. Tuy nhiên,“sóng terahertz” có vấn đề ở chỗ tính chất tuyến tính của sóng vô tuyến cao hơn sóng milimet và không truyền đi xa. Việc khảo sát công nghệ như sự tiến bộ trong công nghệ thiết bị vô tuyến (RF) và ứng dụng dựa trên cấu trúc kết nối mạng mới nói trên là cần thiết.

Hình 4-4 Mô tả khái niệm về công nghệ truy cập vô tuyến có tính đến sự phát triển của các băng tần cao đó và sự mở rộng vùng phủ sóng mới ngoài vùng phủ sóng mặt đất hiện nay như bầu trời cao và ngoài biển xa. Mặc dù đây là những hướng phát triển khác nhau, nhưng vẫn có những vấn đề chung về mặt kỹ thuật do vùng phủ sóng và hiệu suất năng lượng quan trọng hơn hiệu suất phổ tần. Đối với công nghệ vô tuyến, dạng sóng tín hiệu của một sóng mang đơn lẻ trở nên chiếm ưu thế so với OFDM. Khi khu vực ứng dụng của công nghệ vô tuyến được mở rộng bao gồm cả IAB trong tương lai, tầm quan trọng của công nghệ vô tuyến theo nghĩa hiệu quả năng lượng của một sóng mang đơn lẻ có thể tăng.

Hình4.4. Mở rộng công nghệ truy cập radio cho khai thác và phủ sóng tần số mới

Ngoài ra, khi các dải tần số mới như dải sóng milimet và dải sóng terahertz được thêm vào dải tần hiện có, các dải tần rất rộng sẽ được sử dụng phổ biến hơn. Do đó, có thể có nhiều lĩnh vực nghiên cứu liên quan như tối ưu hóa việc lựa chọn sử dụng của nhiều băng tần cho các ứng dụng, khảo sát lại phương pháp tái sử dụng tần số giữa các tế bào, nâng cấp phương pháp song song trong đường lên và đường xuống, và khảo sát lại phương pháp sử dụng dải tần thấp.

4.Hoàn thiện hơn nữa các công nghệ truyền dẫn vô tuyến

Trong 5G, công nghệ MIMO qui mô lớn (mMIMO) sử dụng nhiều phần tử ăng-ten là một trong những chìa khóa, đặc biệt với vai trò như công nghệ sử dụng hiệu quả sóng milimet. Trong 5G⁺ (nâng cao) và 6G, dự kiến sẽ có những tiến bộ hơn nữa như mMIMO với nhiều phần tử ăng-ten hơn, nhiều lớp hơn cho ghép kênh phân tập không gian, và bố trí anten phân tán kết hợp với cấu trúc kết nối mạng mới.

Liên quan đến việc công nghệ truy cập vô tuyến gần như đạt đến giới hạn Shannon trong công nghệ dựa trên OFDM, tín hiệu nhanh hơn Nyquist (FTN), nén và truyền tín hiệu không trực giao bằng cách sử dụng tốc độ lấy mẫu nhanh hơn băng thông tần số trong miền thời gian đã được nghiên cứu. Rất khó để vượt quá giới hạn Shannon ngay cả khi sử dụng FTN trong xem xét một đường truyền nhất định đối với một băng thông cho trước. Nhưng khi xem xét các yếu tố khác như tỷ lệ công suất đỉnh trên trung bình (PAPR), FTN có thể mang lại các lợi ích nhất định. Hơn nữa, như thể hiện trong Hình 4-5, công nghệ MIMO ảo qui mô lớn (VM) đã được đề xuất như một công nghệ để đạt được độ lợi ghép kênh phân tập không gian tương đương với mMIMO với một ăng-ten duy nhất. Trong kỹ thuật VM-MIMO, cũng như trong FTN, tốc độ lấy mẫu thu nhanh hơn băng thông tần số. Các đặc tính của ăng-ten được thay đổi đạt tốc độ rất cao và theo chu kỳ để tạo ra một số lượng lớn các ăng-ten ảo và để tăng số lượng lớp giành cho ghép kênh phân tập không gian. Vì không bị ràng buộc bởi các điều kiện giới hạn Shannon, về mặt lý thuyết, các ăng-ten ảo có thể mang lại nhiều lợi ích mặc dù các vấn đề như điều kiện áp dụng và tính khả thi trong môi trường thực vẫn còn tồn tại. 

Hình 4.5. Áp dụng tỷ lệ truyền dẫn đơn nhanh hơn băng thông tần số

5.Cải tiến cho URLLC và các mạng IoT công nghiệp

Trong nhiều trường hợp ứng dụng công nghiệp, việc đảm bảo mức hiệu suất yêu cầu  là cần thiết. Chẳng hạn trong điều khiển từ xa và tự động hóa nhà máy và một phương pháp hiện thực hóa hiệu quả cao của một mạng (mạng riêng lẻ) chuyên biệt  cho công nghiệp, nó khác biệt với dạng dịch vụ nỗ lực tốt nhất của mạng công cộng, đây là một chủ đề được quan tâm nhiều trong thời gian gần đây. Ngoài “5G cục bộ” được thảo luận ở Nhật Bản, nhiều công ty đã tham gia vào các dự án nghiên cứu toàn cầu như 5G-ACIA. Có sự biến thiên rộng trong các yêu cầu dựa trên ứng dụng của từng ngành công nghiệp, và trong khi một số trường hợp mà không phải lúc nào cũng yêu cầu độ trễ thấp, những trường hợp rất khắc nghiệt, trong đó không chỉ độ trễ trung bình phải thấp mà còn phải có độ trễ thấp ổn định không có sự dao động được coi là bắt buộc.

Như thể hiện trong Hình 4-6, các tùy chọn khác nhau được xem xét cho cấu hình mạng và tính di động giữa các mạng công cộng và mạng công nghiệp, và được thảo luận trong 5G-ACIA, v.v...

Hình 4.6. Độ phủ công cộng và các mạng công nghiệp

6.Mở rộng sự tích hợp nhiều công nghệ vô tuyến khác nhau

Khi miền kỹ thuật của thông tin di động được mở rộng để hỗ trợ các trường hợp ứng dụng rộng hơn, sự hợp tác và tích hợp với các công nghệ vô tuyến ngoài thông tin di động chuyên dùng cho các ứng dụng khác nhau hiện tại phải được xem xét. Cũng như với 5G, sự hợp tác phải tiếp tục với các giao tiếp vô tuyến băng tần không được cấp phép như mạng LAN vô tuyến. Ngoài ra, hợp tác với thông tin vô tuyến sử dụng các sóng khác với sóng vô tuyến, chẳng hạn như thông tin liên lạc sóng âm dưới nước, cũng được xem xét. Hơn nữa, truy cập được hỗ trợ bởi cấp phép (LAA) và việc sử dụng tích hợp các kết nối truy cập và kết nối trung kế, tức là IAB, là một ví dụ, nhưng cách tiếp cận để tích hợp các công nghệ vô tuyến sử dụng các thông số kỹ thuật và tần số khác nhau vào hệ thống thông tin di động cũng có thể hiểu được. Những điều này sẽ giúp trong việc thiết lập một hệ sinh thái có thể hỗ trợ nhiều trường hợp ứng dụng hơn.

7.Đa chức năng hóa và trí tuệ nhân tạo AI ở mọi nơi trong mạng di động

Trong sự hợp nhất vật lý-mạng, hình ảnh và các thông tin cảm biến khác nhau được truyền tới mạng thông qua các thiết bị IoT. Do đó, một số lĩnh vực kỹ thuật được xem xét để phân tích thông tin đó bằng AI, sau đó áp dụng vào việc nâng cấp điều khiển thông tin vô tuyến như điều khiển búp sóng và đánh giá đường truyền. Ví dụ, sử dụng AI nhằm cải thiện độ trễ và độ tin cậy của đa truy cập không trực giao (NOMA), hoặc nhằm dự đoán trước sự thay đổi môi trường và tự động bố trí các trạm gốc di động ở vị trí tối ưu vào mọi lúc. 

Tương lai đầy hứa hẹn đối với sự phát triển của sử dụng sóng vô tuyến của thông tin vô tuyến cho các ứng dụng khác nhau ngoài truyền thông tin. Khả năng các ứng dụng cho cảm biến như định vị và phát hiện đối tượng, công nghệ cung cấp điện không dây (điện vô tuyến) (ví dụ: thu năng lượng) cũng có thể được cân nhắc. Đặc biệt, các dải tần số cao như dải sóng milimet và dải băng tần terahertz không chỉ phù hợp với truyền thông tốc độ cao và dung lượng lớn mà còn hướng tới việc định vị và cảm biến chính xác siêu cao. Nghiên cứu về định vị nói riêng đã được quan tâm hơn ngay cả trong 5G⁺ (nâng cao), cùng với đó là hy vọng rằng định vị chính xác siêu cao với sai số vài cm có thể đạt được trong một số môi trường nhất định. Ở đây, ứng dụng công nghệ AI có nhiều lợi thế trong tất cả các lĩnh vực của hệ thống thông tin vô tuyến. Ngoài ra trong tương lai, công nghệ AI cũng có tiềm năng trong thiết kế của chính giao diện vô tuyến.

Biên dịch từ Sách trắng,  NTT DOCOMO - Nguyễn Hoàng Anh - Trung tâm Đào tạo và Chuyển giao công nghệ TT&TT