Tóm tắt
Kể từ khi được thương mại hóa lần đầu tiên vào đầu năm 2019, 5G đã đạt được nhiều tiến bộ trên khắp thế giới và thâm nhập vào cuộc sống hàng ngày. Giờ đây, việc quan tâm nghiên cứu về truyền thông không dây đang nhanh chóng chuyển sang hệ thống di động thế hệ tiếp theo, 6G. Bài viết này hình dung 6G là sự kết hợp giữa không gian vật lý, không gian mạng và kết nối với trí thông minh. Ngoài ra, tính tương tác là một thành phần quan trọng để cung cấp cho người dùng trải nghiệm thực sự hấp dẫn. Trong bài viết này, các kịch bản sử dụng 6G và các trường hợp sử dụng không thể được hỗ trợ đối với 5G được đề xuất. Các công nghệ tiên tiến nhất và các hoạt động tiêu chuẩn hóa liên quan đến 6G được thảo luận về mặt tương tác, trí thông minh và kết nối. Ngoài ra, các công việc trong tương lai sẽ được thực hiện để hoàn thành 6G sẽ sớm được nêu rõ.
1. Giới thiệu
Bộ phận Thông tin vô tuyến của Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU-R), đã công bố bản phát hành đầu tiên của Khuyến nghị IMT-2020 (thế hệ thứ 5, 5G) vào tháng 2/2021. Ngoài ra, Dự án hợp tác thế hệ thứ 3 (3GPP) Nhóm đặc tả kỹ thuật Mạng truy cập vô tuyến (TSG RAN) sẽ phê duyệt gói Rel-18 cho 5G-Advanced vào tháng 12/2021, tập trung vào băng thông rộng di động nâng cao (eMBB). Theo Khuyến nghị về Tầm nhìn của ITU-R, 3GPP và những đề xuất khác sẽ chuẩn bị các thông số kỹ thuật của 6G để ITU-R phê duyệt. Đúng như tên gọi, dịch vụ 6G thương mại đầu tiên dự kiến sẽ được triển khai vào khoảng năm 2030.
Hầu hết những đóng góp trước đây đã mô tả 6G về mặt tương tác giữa thế giới vật lý, thế giới kỹ thuật số và thế giới sinh học (con người), đặc biệt nhấn mạnh đến sự tích hợp thời gian thực của không gian mạng và vật lý. Dựa trên những đóng góp trước đó, đã khái niệm 6G như một hình tam giác, như trong Hình 1, trong đó ba điểm đỉnh được biểu thị bằng không gian mạng, không gian vật lý và khả năng kết nối với lõi bên trong tượng trưng cho trí thông minh.
Không gian mạng và không gian vật lý được tích hợp đầy đủ sẽ trở thành nền tảng mới của Internet để cung cấp nhiều loại ngành dọc 6G khác nhau bao gồm các ứng dụng dựa trên metaverse hoặc hệ thống vật lý mạng (CPS). Khả năng kết nối được cung cấp bởi các công nghệ truyền thông tiên tiến trong tương lai sẽ đóng vai trò thiết lập mối liên kết giữa không gian mạng, không gian vật lý và con người. Trí tuệ nhân tạo (AI) có tiềm năng trở thành nền tảng của 6G, nó sẽ có sẵn và có mặt khắp nơi để làm cho mọi thành phần của 6G trở nên thông minh. Ngoài ra, tính tương tác sẽ là một trong những thành phần chính của 6G. Nó sẽ làm phong phú thêm cuộc sống hàng ngày bằng cách cung cấp trải nghiệm sống động và xúc giác cho người dùng. Không giống như các thế hệ hệ thống di động mặt đất trước đây tập trung vào kết nối, 6G nên được xem là sự kết hợp giữa kết nối cũng như không gian mạng, không gian vật lý, trí tuệ với khả năng tương tác.
Hình 1. Khái niệm của các thành phần 6G
* Không gian mạng: Tất cả mọi thứ, bao gồm không gian, thời gian và thậm chí cả suy nghĩ, đều có thể được số hóa. Thông qua việc số hóa như vậy, chúng ta có thể tạo ra một không gian mạng nằm ở đâu đó trong mạng. Không gian mạng có thể là một bản sao kỹ thuật số của một không gian (vật lý) thực hoặc một biểu hiện kỹ thuật số của một loạt suy nghĩ. Bản sao kỹ thuật số của không gian vật lý còn được gọi là bản sao kỹ thuật số. Khi những suy nghĩ được thể hiện bằng kỹ thuật số, chúng có thể được gọi là một cặp song sinh kỹ thuật số (digital twin) tưởng tượng. Do đó, không gian mạng có thể là một dạng của bản song sinh kỹ thuật số, bản song sinh kỹ thuật số tưởng tượng hoặc sự kết hợp của cả hai. Cho đến nay, Internet được hiểu là một trường hợp điển hình của không gian mạng.
* Khả năng tương tác: Con người có thể truy cập không gian ảo bằng cách sử dụng các thiết bị cảm biến tiên tiến có thể cho phép họ cảm thấy như thể họ thực sự có mặt ở nơi được quan tâm, tương tác trực tiếp với môi trường ảo xung quanh cũng như những người dùng khác. Việc sử dụng video ba chiều với 6 bậc tự do (6DoF) hoặc công nghệ hình ba chiều, âm thanh không gian 6DoF, nhận dạng cử chỉ/lời nói, nhận thức xúc giác và tích hợp đa giác quan đều có thể giúp mọi người tận hưởng trải nghiệm thực tế, ngay cả trong không gian ảo.
* Sự thông minh: AI sẽ được nhúng ở mọi nơi, không chỉ trong mạng bao gồm cả lõi mà còn trong thiết kế giao diện không gian. Ngoài ra, AI sẽ trở thành một phần của các dịch vụ mới do mạng cung cấp. AI sẽ dẫn tới một mạng lưới tự chủ, an toàn và linh hoạt hơn cũng như các ứng dụng được tùy chỉnh và tư nhân hóa hơn. Ngoài ra, AI có thể tăng cường khả năng của mạng truy cập vô tuyến (RAN) bằng cách cải thiện các chức năng của lớp vật lý (PHY) và quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM). Khả năng dự đoán của AI có thể hỗ trợ các trường hợp sử dụng 6G có yêu cầu khắt khe bằng cách chủ động phản ứng với các môi trường thay đổi về kênh, mô hình lưu lượng truy cập và hành vi của người dùng. Theo đó, mọi thứ ở mọi nơi sẽ trở nên thông minh và kết nối với nhau.
* Khả năng kết nối: Khả năng kết nối giữa không gian mạng và không gian vật lý được cung cấp bởi các liên kết truyền thông. Việc xây dựng mối quan hệ giữa hai bên này có thể tác động lớn đến ngành công nghiệp và xã hội trong tương lai bằng cách tạo ra và phát triển các ứng dụng và kịch bản sử dụng mới. Để cung cấp cho người dùng Internet trong tương lai những trải nghiệm thực sự phong phú, tầm nhìn thể tích với tương tác xúc giác là điều không thể tránh khỏi. Điều này đòi hỏi tốc độ dữ liệu cao chưa từng có và độ chính xác cao về độ trễ, tính đồng bộ, độ tin cậy và bản địa hóa. Đối với kết nối 6G, các yêu cầu về tốc độ dữ liệu, độ trễ, tính đồng bộ, độ tin cậy, bản địa hóa và mật độ kết nối không chỉ phải nghiêm ngặt hơn mà còn phải được đáp ứng đồng thời.
2. Các kịch bản sử dụng
Giống như cách phân loại trong 5G, các trường hợp sử dụng của 6G có yêu cầu tương tự có thể được phân loại thành các nhóm hoặc các tình huống sử dụng cụ thể. Sau đây là các kịch bản sử dụng được đề xuất cho 6G.
Băng thông rộng siêu di động (uMBB): Các trường hợp sử dụng trong công nghệ này yêu cầu tốc độ dữ liệu cao hơn nhiều so với tốc độ dữ liệu được yêu cầu trong sử dụng eMBB 5G.
Truyền thông kiểu máy cực lớn (uMTC): Các trường hợp sử dụng trong công nghệ này yêu cầu số lượng kết nối đồng thời trên mỗi không gian lớn hơn nhiều so với yêu cầu trong công nghệ sử dụng giao tiếp kiểu máy lớn (mMTC) 5G.
Truyền thông có độ chính xác cực cao (uHPC): Các trường hợp sử dụng trong công nghệ này yêu cầu độ trễ thấp hơn nhiều, độ tin cậy cao hơn, tính đồng bộ chính xác hơn hoặc định vị chính xác hơn so với những yêu cầu trong công nghệ sử dụng liên lạc có độ trễ thấp (URLLC) cực kỳ đáng tin cậy 5G. Các yêu cầu này được thực thi độc lập hoặc kết hợp với nhau.
Vùng phủ sóng 3 chiều mở rộng (e3DC): Các trường hợp sử dụng trong công nghệ này yêu cầu tích hợp thông tin liên lạc vệ tinh di động mặt đất và phi mặt đất bao gồm máy bay không người lái, trạm trên không và trạm nền tảng tầm cao (HAPS) để cung cấp kết nối tới mọi ngóc ngách trên trái đất.
3. Tiềm năng của 6G
Băng thông: Hiện tại, tài nguyên phổ tần dưới 100 GHz đang bị tắc nghẽn nghiêm trọng. Để đảm bảo đủ băng thông, chúng ta cần khám phá các dải tần số phụ THz và/hoặc THz và đảm bảo khả năng sử dụng của chúng để liên lạc.
Hiệu suất phổ: Do bước sóng ngắn của mmWave và THz, có thể xây dựng một dãy ăng-ten dày đặc hơn nhiều dẫn đến MIMO cực lớn ở phía mạng và MIMO cực lớn ở phía đầu cuối. Điều này có thể không chỉ mở rộng vùng phủ sóng bằng cách tăng cường độ lợi định dạng chùm tia mà còn cải thiện hiệu suất phổ bằng cách khai thác độ phân giải không gian cao hơn. MU-MIMO cực cao với độ phân giải không gian cao hơn sẽ cho phép tái sử dụng phổ hiệu quả hơn nhiều. Các bề mặt thông minh của siêu vật liệu hoặc cửa sổ kính được in bằng dây dẫn trong suốt hoặc lưới kim loại có thể điều khiển sóng vô tuyến tác động lên chúng theo hướng mong muốn, từ đó loại bỏ các vùng bị che khuất hoặc giảm tổn thất xuyên thấu. Các bề mặt thông minh có thể cấu hình lại (RIS) này có khả năng cải thiện vùng phủ sóng, công suất và hiệu suất năng lượng bằng cách kiểm soát các đặc tính truyền sóng một cách thông minh: phản xạ, khúc xạ, tán xạ và hấp thụ. RIS có thể hiển thị môi trường thân thiện với các kênh ngẫu nhiên.
Mật độ mạng: Trong kiến trúc 3GPP RAN, gNB có thể được phân tách thành ba mô-đun chức năng, thiết bị trung tâm (CU), thiết bị phân phối (DU) và thiết bị vô tuyến (RU), được kết nối bằng cáp quang. Trong kiến trúc này, một mạng siêu dày đặc (UDN) thường được triển khai bằng cách tăng mật độ RU. Trong UDN, có thể có nhiều RU hơn số người dùng đang hoạt động. Đối với kiến trúc RAN trong tương lai, truy cập tích hợp và truyền dẫn ngược (IAB) cũng cần được coi là một trục quan trọng của UDN. Việc thay thế cáp quang bằng mạng không dây có thể giảm đáng kể chi phí vốn (CAPEX) và chi phí vận hành (OPEX) của các liên kết truyền dẫn ngược. Ngoài ra, IAB có thể cung cấp khả năng nhiều bước nhảy, đặc biệt hữu ích để nâng cao phạm vi phủ sóng trong mmWave hoặc triển khai THz trong tương lai. Ngoài việc sử dụng thông tin vô tuyến, các ứng dụng khác của THz, cảm biến, hình ảnh và bản địa hóa có thể có tác động đến các ngành dọc. Do tính định hướng cao của MIMO cực lớn và băng thông rộng của phổ THz, độ chính xác của việc phát hiện và phạm vi sẽ được cải thiện đáng kể. Các thuộc tính như vận tốc, kích thước, khoảng cách và tư thế thu được từ các phép đo sử dụng THz sẽ đóng vai trò quan trọng để hỗ trợ các trường hợp sử dụng 6G. Do đó, khi tính đến những thực tế này và đặc điểm lan truyền kém của mmWave và THz, cần nghiên cứu khái niệm mạng truy cập tích hợp cực kỳ dày đặc và mọi thứ (UD-IAX) để đảm bảo sử dụng hiệu quả phổ băng tần cao.
5. Kết luận
Mục tiêu chính của 6G là đạt được “trí thông minh và kết nối ở mọi nơi”, nhằm mang lại trải nghiệm thực sự phong phú và khả năng truy cập Internet băng rộng phổ biến cho mọi người trên toàn cầu bằng cách thu hẹp khoảng cách kỹ thuật số hiện có. Các thế hệ hệ thống di động trước đây được thiết kế làm nền tảng để cung cấp kết nối. Trong kỷ nguyên 5G, định nghĩa về hệ thống di động đã được thay đổi để tạo ra một hệ sinh thái cho ngành công nghiệp và kinh doanh. Tuy nhiên, cho đến thời điểm hiện tại, mặc dù đã triển khai thành công 5G nhưng vẫn chưa chứng tỏ được những chiến lược độc đáo của mình so với thế hệ trước. Để cung cấp trải nghiệm thực sự phong phú cho mọi người trên toàn cầu, không chỉ cần có một số khả năng mới ngoài khả năng kết nối mà còn cần có rất nhiều cải tiến đối với chính khả năng kết nối trong 6G. Nhờ vào khả năng tương tác của mạng thế hệ tiếp theo 6G sẽ là một bước đi đột phá nhằm giúp con người có thể giao tiếp nhanh chóng, truyền dữ liệu chính xác từ mọi mặt của đời sống xã hội.
Tài liệu tham khảo
[1] Viswanathan Harish., Mogensen Preben E. Communications in 6G era IEEE Access, 8 (2020).
[2] ITU-R, Minimum requirements related to technical performance for IMT-2020 radio interface(s), Report ITU-R M.2410-0, 2017.
TS. Hồ Đức Chung