1. Giới thiệu chung

Con người khác biệt với các loài cổ xưa nhờ khả năng tưởng tượng và lập kế hoạch cho tương lai, từ đó dẫn đến các cuộc cách mạng nông nghiệp, khoa học, công nghiệp và cuối cùng là thời đại thông tin. Giao tiếp đóng vai trò then chốt trong các cuộc cách mạng này, từ tín hiệu khói, trống đến hệ thống điện tử đầu thế kỷ 19, và đến những năm 1920, tín hiệu vô tuyến bắt đầu được ứng dụng trong truyền thông. Nhu cầu giao tiếp mọi lúc mọi nơi đã thúc đẩy sự ra đời và phát triển của viễn thông di động với năm thế hệ mạng từ 1980 đến 2020.

Vì bài viết này tập trung vào lĩnh vực viễn thông vô tuyến, nên cần lưu ý rằng việc sử dụng tín hiệu vô tuyến đầu tiên trong truyền thông diễn ra vào những năm 1920. Trong khi những phát minh về điện báo và điện thoại có dây có tác động đáng kể đến cuộc sống con người trong nửa đầu thế kỷ 20, thì chính nhu cầu của con người là có thể giao tiếp với nhau, khi đang di chuyển, từ bất kỳ đâu và vào bất kỳ lúc nào, đã đưa chúng ta đến kỷ nguyên viễn thông di động. Năm thế hệ dịch vụ di động đầu tiên đã được phát triển trong khoảng những năm 1980 và những năm 2020 như minh họa trong Hình 1.1.

Hình 1.1: Năm thế hệ dịch vụ di động đầu tiên

Mạng RAN ngày càng trở thành tài sản có giá trị đầu tư và chiếm tỷ trọng lớn nhất trong các hệ thống viễn thông di động và theo thời gian, đã định hình nhiều sự đổi mới và tăng tốc của cuộc cách mạng thời đại thông tin. Một sự thay đổi đáng kể trong kiến ​​trúc RAN là chuyển sang hỗ trợ dữ liệu chuyển mạch gói để cải thiện thông lượng lưu lượng dữ liệu trong 3G. Tiếp theo, một kiến ​​trúc hỗn hợp (lai) khác đã định hình với sự ra đời của LTE 4G RAN. Với 5G, RAN đã được thiết kế lại hoàn toàn để tận dụng lợi thế của mạng được xác định bằng phần mềm (SDN) và ảo hóa và điện toán đám mây hóa các chức năng mạng.

Hình 1.2: Các thành phần chính của một mạng di động

Một mạng di động đơn giản bao gồm ba thành phần chính, như được thể hiện trong Hình 1.2. RAN (Mạng truy nhập vô tuyến) là thành phần quan trọng kết nối thiết bị người dùng (UE) với mạng lõi (CN) – nơi xử lý xác thực, định tuyến, di động và các chức năng chuyển mạch. Sự tiến hóa của RAN từ chuyển mạch gói (3G), kiến trúc lai (4G) đến ảo hóa và điện toán đám mây (5G) phản ánh xu hướng hiện đại hóa mạng lưới. Các giao thức trong mạng di động, trong hình 1.3, như NAS và RRC, đảm nhận thiết lập, duy trì kết nối và quản lý tài nguyên vô tuyến. Các lớp khác như PDCP, RLC, MAC và PHY cùng phối hợp đảm bảo truyền tải dữ liệu hiệu quả giữa các thành phần mạng.

Hình 1.3: Các lớp giao thức của mạng di động 3G

2.Tiến hóa của mạng RAN

Để hiểu sự tiến bộ trong mạng di động, cần nhìn lại các động lực phát triển qua bốn thập kỷ. 1G ra đời vào những năm 1980 với mục tiêu cơ bản: cho phép con người giao tiếp mọi lúc, mọi nơi. Tuy nhiên, do dùng công nghệ tương tự, 1G dễ bị nhiễu và thiếu ổn định. 2G chuyển sang kỹ thuật số, cải thiện chất lượng và thêm tính năng nhắn tin SMS, từ đó hình thành văn hóa giao tiếp mới. MMS và 2.5G tiếp tục mở rộng khả năng chia sẻ dữ liệu, cho phép duyệt web và gửi email khi đang di chuyển. 3G đáp ứng nhu cầu dữ liệu ngày càng tăng, hỗ trợ tốc độ cao và giới thiệu cuộc gọi video cùng sự xuất hiện của điện thoại thông minh. 4G (LTE) đánh dấu bước chuyển sang mạng hoàn toàn IP, mở ra kỷ nguyên ứng dụng di động trong mọi lĩnh vực đời sống, từ âm nhạc, thực phẩm, mua sắm, TV, thể thao, trò chơi, phương tiện truyền thông xã hội, tin tức, văn phòng và kinh doanh, sức khỏe, theo dõi thú cưng, v.v.

Trong khi bốn thế hệ mạng di động đầu tiên chủ yếu tập trung vào người dùng và người các thuê bao đăng ký, nhu cầu bùng nổ về tự động hóa công nghiệp, giao tiếp giữa máy với máy, ứng dụng từ xa có độ trễ cực thấp, chơi game, lái xe tự động và sự xuất hiện của các thiết bị IoT dựa trên AI - tất cả các ngành dọc mới này đều yêu cầu một kiến ​​trúc hoàn toàn mới cho mạng di động. Đó là khởi đầu của kỷ nguyên 5G mang tính cách mạng.

2.1. Mạng 2G RAN

Mạng di động 2G được thiết kế để cung cấp dịch vụ thoại kỹ thuật số và dữ liệu ở mức vừa phải, sử dụng công nghệ GSM và kỹ thuật TDMA để chia sẻ tài nguyên vô tuyến. Kiến trúc RAN 2G gồm hai thành phần chính: BTS (trạm thu phát) và BSC (bộ điều khiển trạm gốc), chịu trách nhiệm quản lý các BTS trong một khu vực. Để đáp ứng nhu cầu truyền dữ liệu, GPRS (2.5G) được giới thiệu, bổ sung kết nối dựa trên gói cho GSM. Tuy nhiên, hạn chế thiết kế khiến RAN 2.5G không đáp ứng hiệu quả cho tất cả thiết bị GPRS, dẫn đến sự ra đời của kiến trúc RAN 3G hoàn chỉnh hơn.

Hình 2.1: RAN 2G

2.2. Mạng 3G RAN

Mạng RAN thế hệ thứ ba (3G) được triển khai từ cuối những năm 1990 và đầu 2000 nhằm cùng tồn tại và dần thay thế mạng 2G/2.5G. 3G sử dụng công nghệ WCDMA và kiến trúc UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network), Hệ thống RAN 3G, được thể hiện trong Hình 2.2, có hai thành phần mới; thành phần đầu tiên là NodeB, thay thế hệ thống BTS trong mạng 2G và thành phần thứ hai là bộ điều khiển mạng vô tuyến, hay RNC, chịu trách nhiệm điều phối tài nguyên vô tuyến và tính di động giữa một số NodeB.

Hình 2.2: Kiến trúc mạng RAN 3G/3.5G

Việc triển khai mạng 3G đánh dấu bước tiến lớn trong ngành viễn thông, mở ra khả năng truyền tải dữ liệu tốc độ cao hơn nhiều so với 2G, từ đó thúc đẩy sự bùng nổ về số lượng thuê bao. Trong giai đoạn giữa những năm 2000, điện thoại thông minh ra đời và dần trở nên phổ biến. Tuy nhiên, kiến trúc ban đầu của 3G không được thiết kế để đáp ứng đặc điểm của các thiết bị này – luôn kết nối và chạy các ứng dụng yêu cầu dữ liệu biến động, tốc độ trung bình thấp nhưng đỉnh cao, và độ trễ thấp.

Để khắc phục điểm yếu này, 3GPP đã lần lượt phát hành các bản nâng cấp. Phiên bản Rel-5 giới thiệu công nghệ HSDPA giúp tăng tốc độ tải xuống; Rel-6 bổ sung HSUPA để cải thiện tốc độ tải lên; và Rel-7 với các cải tiến đồng bộ HSPA+ (gọi là 3.5G). Những cải tiến này không chỉ kéo dài vòng đời của mạng 3G mà còn tạo nền tảng kỹ thuật quan trọng để phát triển mạng 4G sau này.

2.3. Mạng 4G RAN 

Trong thập niên 2010, khi các nhà cung cấp viễn thông toàn cầu tập trung triển khai và mở rộng mạng 3G/3.5G, một công nghệ cạnh tranh mới nổi là WiMAX (IEEE 802.16) đã xuất hiện, hứa hẹn đạt tốc độ lên đến 100 Mbps – vượt xa 3.5G. WiMAX được kỳ vọng sẽ thay thế truy cập băng thông rộng truyền thống và tạo áp lực lớn lên các nhà mạng. Đáp lại, 3GPP đẩy nhanh quá trình chuẩn hóa LTE/4G nhằm giữ vững vị thế. Nhu cầu về một chuẩn toàn cầu cho chuyển vùng cũng khiến nhiều nhà mạng đang sử dụng WCDMA chọn LTE là lộ trình phát triển tiếp theo.

Hình 2.3 cho thấy kiến trúc LTE RAN được đơn giản hóa. Kiến trúc LTE RAN có sự thay đổi quan trọng so với các thế hệ trước khi loại bỏ RNC và giới thiệu eNodeB – trạm gốc phát triển từ NodeB, được thiết kế kết nối trực tiếp với mạng IP. eNodeB nhỏ gọn, hiệu suất cao nhờ vào tiến bộ phần cứng, và thường kết hợp với khối vô tuyến từ xa (RRH) thông qua cáp quang sử dụng chuẩn giao tiếp CPRI. Dù triển khai LTE rất nhanh, tốc độ dữ liệu ban đầu chưa đạt kỳ vọng cho đến khi công nghệ tổng hợp sóng mang được đưa vào trong 3GPP Rel-10 (LTE-Advanced), cho phép ghép tối đa 5 sóng mang để đạt băng thông 100 MHz. Đồng thời, LTE-Advanced sử dụng MIMO (8x8 cho tải xuống và 4x4 cho tải lên) để cải thiện hiệu năng.

Hình 2.3: Kiến trúc RAN 4G LTE

Sự phổ biến của điện thoại thông minh và ứng dụng di động dẫn đến sự gia tăng lưu lượng dữ liệu không đồng đều theo khu vực, gây áp lực về phủ sóng và dung lượng. Cell nhỏ ra đời để giải quyết các vùng phủ yếu và nhiễu, tăng cường chất lượng dịch vụ. Tuy nhiên, gắn eNodeB riêng cho từng cell nhỏ là không hiệu quả, dẫn đến giải pháp CRAN (RAN tập trung) – gom các eNodeB vào một cụm điều khiển gọi là BBU pool.

Đến năm 2016, mạng 4.5G (LTE-Pro, theo 3GPP Rel-13/14) cung cấp tốc độ và băng thông vượt trội, hỗ trợ 32 sóng mang và nâng cấp MIMO đến 64 phần tử. Một cải tiến đáng kể là ứng dụng công nghệ định hình búp sóng ăng-ten (beamforming), giúp tập trung tín hiệu về phía người dùng, cải thiện hiệu suất truyền tải theo cả chiều ngang và chiều dọc trong không gian.

Hình 2.4: Kiến trúc RAN 4.5G

2.4. Mạng 5G RAN

Trong hai thập kỷ đầu thế kỷ 21, trí tuệ nhân tạo (AI), tự động hóa công nghiệp và sự phát triển của điện toán đám mây đã thúc đẩy mạnh mẽ khả năng làm việc từ xa và tối ưu hóa hạ tầng CNTT. Người dùng và doanh nghiệp có thể dễ dàng mở rộng hoặc thu hẹp tài nguyên điện toán mà không cần đầu tư lớn ban đầu. Trong khi đó, sự cạnh tranh từ các công ty OTT (Over-the-top) – cung cấp dịch vụ miễn phí, sáng tạo – đã buộc các nhà mạng truyền thống phải tái thiết lại kiến trúc mạng, nhằm nâng cao hiệu quả đầu tư và cung cấp các dịch vụ khác biệt.

ARPU (doanh thu trung bình trên mỗi người dùng) toàn cầu tiếp tục giảm, nhưng sự nổi lên của nhu cầu kết nối máy với máy (M2M) và Internet vạn vật (IoT) từ các lĩnh vực như giao thông, nông nghiệp, sân bay, tiện ích,... đã mở ra nguồn doanh thu mới. Tuy nhiên, để đáp ứng các nhu cầu khắt khe của những ứng dụng mới này – như độ trễ cực thấp, thông lượng cao, mạng chia lát và tính linh hoạt – một kiến trúc mạng di động thế hệ mới là cần thiết. Do đó, ITU-R đã ban hành bộ tiêu chuẩn IMT-2020 vào năm 2015 làm nền tảng phát triển mạng 5G. (Hình 2.5).

Hình 2.5: Tầm nhìn của ITU về tiêu chuẩn đối với IMT-2020

Hình 2.6: Khái quát tiến trình từ 2G RAN lên 5G RAN

Để đáp ứng yêu cầu của ITU về IMT-2020, kiến ​​trúc RAN 5G (hiển thị trong Hình 2.6) phải được phân tách, cung cấp tính linh hoạt và khả năng thích ứng cao hơn cho các trường hợp sử dụng khác nhau, đôi khi có các yêu cầu trái ngược nhau.

Kiến trúc RAN 5G được thiết kế phân tách để linh hoạt đáp ứng các yêu cầu khác nhau. Ví dụ, mMTC (truyền thông máy loại lớn) như cảm biến môi trường hoặc đo đạc tiêu thụ ít năng lượng, cần độ tin cậy cao nhưng băng thông thấp, độ trễ cao. Ngược lại, URLLC (liên lạc siêu tin cậy, độ trễ thấp) như xe tự lái, phẫu thuật từ xa yêu cầu độ trễ cực thấp và băng thông lớn.

Để giải quyết sự đa dạng này, NodeB thế hệ mới – gọi là gNB – được tách thành Đơn vị Trung tâm (CU) xử lý các lớp giao thức cao, và Đơn vị Phân tán (DU) xử lý giao thức thấp hơn. Các DU kết nối với các Đơn vị vô tuyến (RU), phụ trách xử lý tín hiệu từ ăng-ten 5G.

Một lợi thế nổi bật của 5G là khả năng đám mây hóa: DU và CU có thể chạy trên phần cứng tiêu chuẩn (COTS) và được triển khai trên hạ tầng đám mây riêng hoặc công cộng. CU thậm chí có thể tích hợp với nền tảng điện toán biên (Edge computing), giúp ứng dụng chạy gần người dùng hơn, cải thiện hiệu năng và độ trễ đáng kể.

3. Mạng Open RAN

Trong khi quá trình tiến hóa lên 5G mở ra nguồn doanh thu mới cho ngành viễn thông ngoài các dịch vụ điện thoại di động truyền thống, thì nó lại đặt ra một tình thế tiến thoái lưỡng nan đáng kể cho các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông lớn và lâu đời. Như đã giải thích trước đây, mạng 5G mới được thiết kế để cung cấp tính linh hoạt, khả năng lập trình năng động và theo thời gian thực, cũng như khả năng thích ứng nhanh với các yêu cầu mới của thị trường ngành dọc. Đó chính là tấm vé để các nhà cung cấp dịch vụ truyền thống cạnh tranh trực tiếp với các đối thủ mới nổi trong lĩnh vực truyền thông, dù là các công ty cung cấp dịch vụ qua mạng hay các nhà cung cấp dịch vụ đám mây gốc-những người không có bất kỳ gánh nặng cơ sở hạ tầng cũ nào để mang theo cũng như không phải duy trì khả năng tương thích ngược với hệ thống cũ. Tuy nhiên, quá trình chuyển đổi này không đơn giản như việc áp dụng một thiết kế công nghệ mới; nó đòi hỏi sự thay đổi về văn hóa và hoạt động trong các mô hình kinh doanh của công ty viễn thông truyền thống, nơi cơ sở hạ tầng được triển khai trước đây có tuổi thọ dự kiến ​​là 10–15 năm và thời gian hoàn vốn là nhiều năm. Đặc biệt, các thành phần RAN được nâng cấp cho các nhà cung cấp dịch vụ di động sau mỗi 3–4 năm và được thay thế sau mỗi 10 năm. Các thành phần này có xu hướng dựa trên thiết kế độc quyền phức tạp của Nhà sản xuất thiết bị mạng (NEM) tương ứng và được triển khai trên phần cứng được sản xuất riêng, hiệu suất cao và có chủ đích. Thông thường, thiết kế phần cứng không linh hoạt và đòi hỏi phải thay thế sẽ gây tốn kém và phức tạp đối với mỗi thế hệ không dây. Với số lượng các nhà sản xuất thiết bị mạng NEM cung cấp thiết bị trong các miền RAN, cạnh tranh với nhau để giành thị phần, hầu hết các thành phần RAN đều sử dụng các giao thức cụ thể của chính nhà cung cấp. Các giao diện giữa các thành phần RAN này được thiết kế cạnh tranh để có hiệu suất tối ưu và chỉ dành cho phần cứng độc quyền của NEM, do vậy hạn chế khả năng vận hành của nhiều nhà cung cấp trên cùng một miền mạng RAN, như được hiển thị ở lớp dưới cùng của Hình 1.10. Việc khóa chặt nhà cung cấp này với mạng RAN đã làm tăng đáng kể chi phí cho các công ty viễn thông truyền thống, từ CAPEX tới OPEX, cũng như kéo dài thời gian đưa ra thị trường và hạn chế khả năng cung cấp các dịch vụ sáng tạo và khác biệt. Tất cả các yếu tố trên đã khiến các công ty viễn thông đánh giá lại kiến ​​trúc mạng mới và xem xét chuyển sang hệ thống Open RAN để phá vỡ sự hạn chế của NEM, kích thích khả năng cạnh tranh trên thị trường và thúc đẩy sự đổi mới. Nỗ lực đầu tiên hướng đến tính cởi mở đã dẫn đến việc tách rời các thành phần phần cứng và phần mềm của các thành phần RAN, như thể hiện ở lớp thứ hai từ dưới cùng của Hình 1.10. Ngoài ra, một số thành phần phần mềm, đặc biệt là trong CU, đã được ảo hóa, tạo ra thuật ngữ mới vRAN hoặc RAN ảo hóa. Tuy nhiên, các giao diện ở giai đoạn đó chưa hoàn toàn mở hoặc được chuẩn hóa.

Để đạt được Open RAN đầy đủ như mong muốn, giống như được hiển thị trong lớp trên cùng của Hình 1.10, một số nhóm Open RAN (ví dụ: Liên minh O-RAN, TIP) đã được thành lập để cung cấp các thông số kỹ thuật được xác định rõ ràng cho một mạng RAN hoàn toàn mở. Các nhóm này chia sẻ một triết lý chung tập trung vào thiết kế và triển khai các chức năng mạng RAN đa nhà cung cấp, có thể lập trình, hoàn toàn phân tách, mô-đun và có thể tương tác bằng cách sử dụng các giao diện mở chạy trên các hệ thống ảo dựa trên đám mây và tận dụng phần cứng thông thường COTS. Điều này cho phép các nhà khai thác thiết kế và triển khai các mạng và phân đoạn mạng hỗn hợp từ thiết bị phần cứng của nhiều nhà cung cấp, đóng vai trò quan trọng trong việc linh hoạt hình thành và cung cấp đa dạng các trường hợp sử dụng trên cùng một cơ sở hạ tầng O-RAN.

4. Mạng 6G và con đường phía trước

Sự phát triển quan trọng khác sẽ tác động đến mạng lưới tương lai sau 5G là nghiên cứu 6G đang diễn ra để chuẩn bị cho sự ra mắt thương mại vào cuối năm 2030. Nghiên cứu 6G liên quan đến bốn lĩnh vực chính.

Đầu tiên là phổ tần mới trong phạm vi dưới terahertz và terahertz. Các phạm vi phổ tần mới này sẽ cải thiện hiệu quả, hiệu suất và khả năng kết nối của các ứng dụng và dịch vụ.

Lĩnh vực thứ hai của nghiên cứu 6G là thiết kế mạng hỗ trợ AI từ gốc, cho phép truy cập vào các dịch vụ AI và ML theo thời gian thực từ bất kỳ phân đoạn mạng nào đến bất kỳ ứng dụng nào khi có yêu cầu. Nghiên cứu như vậy sẽ có tác động sâu rộng đến kiến trúc và triển khai mạng trong tương lai.

Lĩnh vực thứ ba mà 6G quan tâm và phát triển sẽ nhắm đến Mạng phi mặt đất (NTN). NTN được công nhận là một yếu tố quan trọng sẽ cung cấp khả năng kết nối hiệu quả về chi phí với dung lượng cao cho phép thu hẹp khoảng cách số giữa các khu vực trên toàn thế giới.

Lĩnh vực thứ tư của nghiên cứu 6G liên quan đến hiệu quả sử dụng năng lượng. Mặc dù chúng ta dự kiến ​​sẽ chứng kiến ​​sự bùng nổ về số lượng thiết bị và khả năng kết nối trong 6G, các công nghệ mới đang được nghiên cứu để cung cấp hiệu quả năng lượng cao hơn và khả năng của các nguồn năng lượng bền vững và không cần pin.

Hình 4.1: Tiến trình tiến tới mạng RAN mở hoàn toàn Open RAN

5. Kết luận

Kỳ vọng của mạng 5G và cuối cùng là mạng 6G trong việc hỗ trợ các ứng dụng và ngành dọc mới khi chúng ta bước vào một ranh giới kỹ thuật số mới với AI/ ML và tự động hóa sẽ đặt ra nhu cầu rất lớn đối với cơ sở hạ tầng mạng để cung cấp khối lượng dữ liệu khổng lồ trên các băng thông của phổ tần cho nhiều người dùng và thiết bị với độ trễ đầy thách thức. Trong bối cảnh đó, mạng RAN mới đã được thiết kế để đáp ứng những thách thức này. Từ việc giới thiệu chức năng phân tách RAN và giao diện mở trong 5G đến kiến ​​trúc và hệ sinh thái O-RAN mở và có thể tương tác hoàn toàn, đến cuối cùng là RAN 6G với AI gốc được nhúng, mạng O-RAN đã đang và sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng đối với việc mở rộng các dịch vụ viễn thông và kỹ thuật số trong mọi khía cạnh của cuộc sống con người.

Ban Cơ sở Hạ tầng Thông Tin và Truyền Thông