CÔNG NGHỆ MẠNG 6G: CÁC ĐẶC TRƯNG VÀ ƯU ĐIỂM VƯỢT TRỘI SO VỚI MẠNG DI ĐỘNG THẾ HỆ TRƯỚC

Tóm tắt

Mạng thế hệ thứ sáu (6G - 6^th Generation) được định nghĩa là mạng di động hoạt động ở tần số vô tuyến chưa được khai thác và sử dụng các công nghệ nhận thức như AI (Artificial intelligence) để cho phép liên lạc tốc độ cao, độ trễ thấp với tốc độ nhanh hơn nhiều lần so với mạng thế hệ thứ năm. Bài viết này thảo luận về thế hệ mạng dữ liệu di động mới, 6G. Bài viết cũng giải thích các chức năng cốt lõi của 6G, các ưu điểm vượt trội so với mạng di động thế hệ trước và cách thức hoạt động của nó.

Mạng 6G là gì?

6G là tiêu chuẩn hệ thống di động thế hệ thứ sáu hiện đang được phát triển cho truyền thông không dây qua mạng dữ liệu di động trong viễn thông. Đây là sản phẩm kế thừa tiếp theo trên công nghệ sau 5G và có thể sẽ nhanh hơn nhiều.

Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) tiêu chuẩn hóa các thế hệ không dây cho mỗi thập kỷ. Thông thường, chúng được biểu thị bằng một khoảng trống trong “giao diện vô tuyến”, biểu thị sự thay đổi trong quá trình truyền hoặc mã hóa dữ liệu. Điều này được triển khai để các thiết bị cũ không thể được cập nhật lên thế hệ mới hơn vì làm như vậy sẽ tạo ra lượng “nhiễu” và “ô nhiễm quang phổ” vô hạn.

Thông thường, các thế hệ tiếp theo (tức là thế hệ G tiếp theo) sử dụng mã hóa kỹ thuật số phức tạp hơn nhiều mà các máy tính lỗi thời không thể đạt được. Chúng phụ thuộc vào các dải tần phát sóng rộng hơn mà trước đây các chính phủ không cho phép tiếp cận. Ngoài ra, chúng còn có các dãy ăng-ten vô cùng phức tạp mà trước đây không thể chế tạo được. Ngày nay, chúng ta đang ở thế hệ thứ năm. Tiêu chuẩn đầu tiên cho 5G sóng vô tuyến thế hệ mới (New Radio - NR) được phát triển vào năm 2017 và hiện đang được triển khai trên toàn cầu.

Theo một báo cáo có tiêu đề “6G trải nghiệm siêu kết nối tiếp theo cho tất cả mọi người”, ITU bắt đầu làm việc vào năm 2021 để đưa ra tuyên bố về sứ mệnh 6G. Tiêu chuẩn này có thể sẽ hoàn thành vào năm 2028 khi có sẵn các thiết bị 6G đầu tiên. Vào khoảng năm 2030, việc triển khai sẽ gần như phổ biến.

Hình 1. Các cột mốc quan trọng cho các thế hệ truyền thông (1–6G).

6G hoạt động như thế nào?

Hoạt động chính xác của 6G vẫn chưa được biết vì thông số kỹ thuật vẫn chưa được ITU phát triển, hoàn thiện và công bố đầy đủ. Tuy nhiên, tùy thuộc vào các thế hệ mạng di động trước đây, người ta có thể mong đợi một số chức năng cốt lõi. Về cơ bản, 6G sẽ hoạt động bằng cách:

• Tận dụng phổ tần miễn phí: Một phần đáng kể của nghiên cứu 6G tập trung vào việc truyền dữ liệu ở tần số cực cao. Về mặt lý thuyết, 5G có thể hỗ trợ tần số lên tới 100GHz, mặc dù hiện tại không có tần số nào trên 39GHz được sử dụng. Đối với 6G, các nhà nghiên cứu đang cố gắng truyền dữ liệu qua các sóng ở phạm vi hàng trăm gigahertz (GHz) hoặc terahertz (THz). Những sóng này rất nhỏ và dễ vỡ, tuy nhiên vẫn còn một lượng lớn phổ chưa được sử dụng có thể cho phép tốc độ truyền dữ liệu đáng kinh ngạc.

• Cải thiện hiệu quả của phổ tần miễn phí: Các công nghệ không dây hiện tại cho phép truyền hoặc nhận trên một tần số cụ thể cùng một lúc. Để liên lạc hai chiều, người dùng có thể chia luồng của họ theo tần số (Frequency Divison Duplex - FDD) hoặc bằng cách xác định các khoảng thời gian (Time Divison Duplex - TDD). 6G có thể nâng cao hiệu quả của việc phân phối phổ tần hiện tại bằng cách sử dụng toán học phức tạp để truyền và nhận đồng thời trên cùng một tần số.

• Tận dụng ưu điểm mạng lưới: Mạng lưới đã là một chủ đề phổ biến trong nhiều thập kỷ, nhưng mạng 5G vẫn chủ yếu dựa trên kiến trúc hub-and-spoke. Do đó, thiết bị của người dùng cuối (điện thoại) liên kết với các trạm phát (tháp di động), kết nối với đường trục. 6G có thể sử dụng các máy làm bộ khuếch đại dữ liệu của nhau, cho phép mỗi thiết bị mở rộng phạm vi phủ sóng ngoài việc sử dụng dữ liệu đó.

6G sẽ dựa vào việc sử dụng có chọn lọc các tần số khác nhau để đánh giá độ hấp thụ và điều chỉnh bước sóng phù hợp. Kỹ thuật này sẽ tận dụng thực tế là các nguyên tử và phân tử tạo ra và hấp thụ bức xạ điện từ ở những bước sóng nhất định, đồng thời tần số phát xạ và hấp thụ của bất kỳ vật liệu cụ thể nào đều giống hệt nhau.

Khi nào 6G sẽ sẵn sàng?

Như đã đề cập ở trên, dự kiến Internet 6G sẽ ra mắt thương mại vào khoảng năm 2030-2035. Việc thu thập yêu cầu và nghiên cứu ban đầu về 6G đã bắt đầu và giống như các thế hệ trước, sẽ tiếp tục trong suốt vòng đời của nó. Dự kiến phát triển và tiêu chuẩn hóa thông số kỹ thuật 6G vào năm 2025-2029. Thử nghiệm đầu tiên trong phòng thí nghiệm và thử nghiệm 6G dự kiến sẽ bắt đầu vào năm 2028, chuẩn bị cho 6G được phát hành thương mại vào hoặc gần năm 2030.

Các bước hướng tới sự sẵn sàng thương mại bao gồm việc chuyển từ 5G sang 5G Advanced vào năm 2024-2025. 5G Advanced dựa trên thông số kỹ thuật Phiên bản 18 của 3GPP (the 3rd Generation Partnership Project), dự kiến sẽ hoàn thiện vào giữa năm 2024. Sau khi 3GPP Release 18 được hoàn thiện, hầu hết các thiết bị và mạng 5G Advanced sẽ được thương mại hóa vào khoảng thời gian năm 2025.

3GPP Phiên bản 19 dự kiến sẽ đặt nền móng cho 6G và dự kiến hoàn thành vào cuối năm 2025. Các cải tiến tiếp theo về 6G sẽ diễn ra trong các phiên bản tương lai, bao gồm cả Phiên bản 20-22. Mặc dù các mốc thời gian chính xác cho các bản phát hành tiếp theo chưa được công bố chính thức vào thời điểm này, nhưng các mốc thời gian phát hành trước đó cho thấy một chu kỳ phát triển không bao gồm việc lên ý tưởng hoặc hoàn thiện trong khoảng 2 đến 2,5 năm. Do đó, mong đợi việc phát hành thương mại 6G vào khoảng năm 2030.

Các ưu điểm của 6G so với 5G

Sự hấp dẫn của việc chuyển đổi sang công nghệ mới hoặc chuẩn bị cho sự xuất hiện của mạng không dây thế hệ tiếp theo đang thu được những lợi ích mà các phiên bản trước không mang lại. Mặc dù vẫn chưa biết chính xác 6G sẽ hoạt động như thế nào cho đến khi nó được phát triển sâu hơn, nhưng nhiều chuyên gia dự đoán những kết quả cụ thể cho sự phát triển sắp tới này trong công nghệ không dây. Nhìn chung, 6G sẵn sàng cung cấp các ưu điểm chính so với 5G, bao gồm:

- Tăng công suất bằng cách bao gồm phổ tần phụ THz và dải chức năng từ 30 đến 300 GHz.

- Cải thiện vùng phủ sóng và độ tin cậy thông qua phổ mở rộng, lên tới 99,99999%.

- Tăng tốc độ tối đa lên tới 1 terabit mỗi giây.

- Giảm độ trễ, với mục tiêu hỗ trợ độ trễ micro giây.

- Hiệu suất quang phổ tăng hơn ba lần, lên tới 100 bps/Hz

- Tăng khả năng hỗ trợ di chuyển, lên tới 1000 km/h hoặc 600 mph.

Những thách thức 6G

Mỗi thế hệ công nghệ truyền thông di động đều là một thành tựu lớn trong nghiên cứu và phát triển, thúc đẩy sự đổi mới và các trường hợp sử dụng. 6G cũng không phải là ngoại lệ, tuy nhiên, một số công nghệ cơ bản không tồn tại ngày nay. Các nhà nghiên cứu đang tăng tốc tìm kiếm những cách mới để giải quyết những thách thức mà 6G mang lại, bao gồm:

- Tần số liên lạc cao hơn trên 100 gigahertz (GHz) và thậm chí có thể trên 1 terahertz (THz). Điều này sẽ đòi hỏi các thiết kế và vật liệu bán dẫn tần số vô tuyến (RF) mới.

- Xử lý nhanh hơn để xử lý tốc độ trên 1 terabit mỗi giây (Tbps). Điều này sẽ yêu cầu xử lý quang học, hoặc thậm chí là công nghệ điện toán lượng tử.

- Tiêu thụ năng lượng và giảm thiểu. Dựa trên số bit dữ liệu trên mỗi kilowatt, mạng 5G hiệu quả hơn 90% so với mạng 4G tiền nhiệm. Tuy nhiên, sự gia tăng lớn về mật độ và lưu lượng truy cập dự kiến sẽ làm mất đi những khoản tiết kiệm này, dẫn đến mức tiêu thụ năng lượng ròng của 5G có khả năng cao gấp 4 đến 5 lần so với 4G. Vì mạng 6G sẽ dày đặc hơn và nhanh hơn so với 5G nên mức tiêu thụ năng lượng dự kiến cũng sẽ tăng đáng kể.

Liệu 6G sẽ thay thế 5G hay 4G LTE?

Trong thời gian 4G LTE (Long Term Evolution) và 5G xuất hiện, các công ty lo ngại về thời điểm mạng 2G và 3G ngừng hoạt động. Cuối cùng, mạng 2G và 3G đã ngừng hoạt động ở Mỹ và ít nhất chúng dự kiến ​​sẽ đóng cửa ở nhiều thị trường khác. Xem xét gần đây, theo nghĩa tương đối, kết nối 2G và 3G đã bị loại bỏ ở các khu vực phát triển công nghệ hơn, thật dễ dàng để thấy mức độ chồng chéo thường tồn tại. Suy cho cùng, 2G vẫn tồn tại trong quá trình triển khai 4G LTE và một số nhà mạng vẫn hỗ trợ 2G khi 5G bắt đầu xuất hiện.

Tuy nhiên, nhiều doanh nghiệp muốn biết liệu 6G sẽ thay thế chức năng của 5G hay 4G LTE hay không và nếu có thì khi nào các nhà mạng sẽ ngừng hoạt động mạng 5G và 4G LTE của họ. Cuối cùng, một ngày nào đó 4G LTE và 5G sẽ trở nên lỗi thời. Tuy nhiên, hiện tại không có công nghệ nào được dự kiến sẽ loại bỏ dần.

Bao lâu nữa sẽ có thiết bị 6G?

Người ta vẫn chưa hoàn toàn biết chính xác khi nào các thiết bị 6G sẽ được tung ra thị trường. Thông thường, các thiết bị đầu tiên có phiên bản kết nối tiếp theo sẽ xuất hiện khi các nhà mạng chuẩn bị triển khai thương mại. Ví dụ: Verizon đã dẫn đầu khi phát hành mạng 5G vào đầu năm 2019 và nhìn chung đi đôi với việc Samsung phát hành dòng thiết bị 5G đầu tiên cùng năm đó.

Nói chung, người tiêu dùng có thể mong đợi một mối tương quan tương tự khi nói đến việc ra mắt thương mại mạng 6G và thiết bị 6G. Nhu cầu về các thiết bị có công nghệ mạng 6G vốn gắn liền với tính sẵn có của thế hệ công nghệ cụ thể đó. Mặc dù quá trình phát triển các thiết bị 6G sẽ bắt đầu trước khi mạng 6G được triển khai chính thức nhưng chúng sẽ không được tung ra thị trường cho đến khi 6G gần như sẵn sàng, có thể là trong khoảng thời gian từ năm 2029 đến năm 2031.

Với suy nghĩ đó, các thiết bị thế hệ đầu tiên thường đắt hơn và không mang lại tầm nhìn đầy đủ về công nghệ. Và các Doanh nghiệp có thể sẽ đợi cho đến khi 6G có sẵn trên toàn quốc trước khi bắt đầu sử dụng, tại thời điểm đó các sản phẩm thương mại thế hệ 2 sẽ có sẵn, với nhiều tính năng hơn với mức giá hợp lý hơn.

Tài liệu tham khảo

[1] Alsharif, M.H.; Kelechi, A.H.; Yahya, K.; Chaudhry, S.A. Machine Learning Algorithms for Smart Data Analysis in Internet of Things Environment: Taxonomies and Research Trends. Symmetry 2020, 12, 88. [CrossRef]

[2] Letaief, K.B.; Chen, W.; Shi, Y.; Zhang, J.; Zhang, Y.-J.A. The roadmap to 6G: AI-empowered wireless networks. IEEE Commun. Mag. 2019, 57, 84–90. [CrossRef]

[3] 1st 6G Wireless Summit. Available online: http://www.6gsummit.com/2019/ (accessed on 28 March 2020).

[4] Gui, G.; Liu, M.; Kato, N.; Adachi, F.; Tang, F. 6G: Opening New Horizons for Integration of Comfort, Security and Intelligence. IEEE Wirel. Commun. 2020, 1–7. [CrossRef]

TS. Hồ Đức Chung