Báo cáo Phân tích
Chuyên sâu: So sánh Kiến trúc Mạng Di động 5G và 6G từ Lớp Vật lý đến Lớp Ứng
dụng.
Phần 1: Phân tích
Kiến trúc Nền tảng của Mạng 5G
1.1. Triết lý
Thiết kế và các Trụ cột Công nghệ
Kiến
trúc mạng 5G không phải là một bản nâng cấp đơn thuần về tốc độ so với 4G, mà
là một sự thay đổi mô hình được thiết kế để đáp ứng một loạt các yêu cầu dịch
vụ hoàn toàn mới và đa dạng. Theo định hướng của các tổ chức tiêu chuẩn hóa như
Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) và Dự án Đối tác Thế hệ thứ 3 (3GPP), 5G
được xây dựng để phục vụ ba trụ cột dịch vụ chính
· Băng
thông rộng Di động Nâng cao (eMBB - Enhanced Mobile Broadband): Cung cấp tốc độ dữ liệu cực cao, theo lý thuyết có
thể đạt tới 10-20 Gbps, nhằm hỗ trợ các ứng dụng tiêu tốn nhiều băng thông như
streaming video 4K/8K, thực tế ảo (VR) và thực tế tăng cường (AR).
· Truyền
thông Máy-với-Máy Cỡ lớn (mMTC - Massive Machine-Type Communications): Được thiết kế để hỗ trợ kết nối đồng thời một mật độ
khổng lồ các thiết bị, lên tới một triệu thiết bị trên mỗi kilômét vuông.
· Truyền
thông Độ trễ Cực thấp và Siêu tin cậy (URLLC - Ultra-Reliable and Low-Latency
Communications): Cung cấp kết nối với
độ trễ cực thấp, chỉ từ 1 đến 5 mili-giây, và độ tin cậy rất cao.
Để
hiện thực hóa ba trụ cột này, kiến trúc 5G đã áp dụng các nguyên tắc thiết kế
nền tảng là ảo hóa và phần mềm hóa, một sự khác biệt căn bản so với các thế hệ
trước vốn phụ thuộc nhiều vào phần cứng chuyên dụng và độc quyền.
· Ảo hóa
Chức năng Mạng (NFV - Network Function Virtualization): NFV cho phép tách biệt các chức năng mạng (như tường
lửa, bộ cân bằng tải, các cổng gateway) khỏi phần cứng vật lý. Thay vì chạy
trên các thiết bị chuyên dụng đắt tiền, các chức năng này trở thành các phần
mềm (gọi là VNF - Virtualized Network Function) có thể chạy trên các máy chủ
thương mại tiêu chuẩn (COTS - Commercial Off-The-Shelf).
· Mạng Định
nghĩa bằng Phần mềm (SDN - Software-Defined Networking): SDN tách rời mặt phẳng điều khiển (Control Plane -
quyết định lưu lượng đi đâu) khỏi mặt phẳng dữ liệu (Data Plane - thực hiện
việc chuyển tiếp lưu lượng). Điều này cho phép việc quản lý mạng được thực hiện
một cách tập trung và có thể lập trình được, giúp tối ưu hóa luồng lưu lượng và
cấu hình mạng một cách linh hoạt. Nguyên tắc này chính là tiền đề cho kiến trúc
Tách rời Mặt phẳng Điều khiển và Người dùng (CUPS) trong mạng lõi 5G.
· Kiến trúc Cloud-Native: Các chức năng mạng 5G được thiết kế lại từ đầu để
hoạt động hiệu quả trong môi trường đám mây. Chúng được xây dựng dưới dạng các
microservice (dịch vụ vi mô), mỗi microservice thực hiện một chức năng nhỏ và
độc lập. Các microservice này được đóng gói trong các container, cho phép chúng
được triển khai, nâng cấp, và mở rộng một cách tự động và linh hoạt trên các
nền tảng đám mây công cộng, riêng tư hoặc lai.
1.2.
Lớp Vật lý (PHY): Nền tảng cho Hiệu năng 5G
Lớp
vật lý (PHY) của 5G, còn được gọi là 5G New Radio (NR), giới thiệu một loạt các
công nghệ đột phá để đạt được các mục tiêu về tốc độ, độ trễ và dung lượng.
· Phổ tần số:
5G mở rộng đáng kể việc sử dụng phổ tần so với 4G, hoạt động trên nhiều dải tần
khác nhau
o Dải tần
dưới 6 GHz (Sub-6 GHz): Bao gồm các
băng tần thấp và trung, cung cấp sự cân bằng tối ưu giữa vùng phủ sóng rộng và
dung lượng tốt. Đây là nền tảng cho việc triển khai 5G trên diện rộng, đảm bảo
kết nối ổn định ở hầu hết các khu vực.
o Sóng
Milimet (mmWave): Bao gồm các dải tần
rất cao, từ 24 GHz đến 100 GHz. Dải tần này cung cấp băng thông cực lớn (có thể
lên tới vài GHz), là chìa khóa để đạt được tốc độ dữ liệu hàng gigabit mỗi giây.
· Kỹ thuật
Đa truy cập và Dạng sóng: 5G tiếp tục
sử dụng kỹ thuật Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM), vốn đã thành
công trong 4G. Tuy nhiên, 5G NR giới thiệu khái niệm "cấu trúc số
học" (numerology) linh hoạt, cho phép điều chỉnh các tham số của sóng mang
con và khoảng thời gian ký tự để tối ưu hóa cho các loại hình dịch vụ khác
nhau. Ví dụ, một cấu trúc số học với khoảng cách sóng mang con lớn hơn và thời
gian ký tự ngắn hơn sẽ phù hợp cho các dịch vụ URLLC yêu cầu độ trễ thấp.
· Công nghệ
Anten Tiên tiến:
o Massive MIMO (Multiple-Input Multiple-Output): Đây là một trong những công nghệ quan trọng nhất của
5G. Các trạm gốc 5G được trang bị các mảng anten với hàng chục, thậm chí hàng
trăm phần tử anten.
o Beamforming
(Tạo chùm tia): Công nghệ này cho
phép tập trung năng lượng của tín hiệu vô tuyến thành một chùm tia hẹp, hướng
thẳng đến thiết bị của người dùng, thay vì phát sóng ra mọi hướng như trước đây.
1.3.
Mạng Truy cập Vô tuyến (RAN): Kiến trúc Linh hoạt và Phân tách
Kiến
trúc Mạng Truy cập Vô tuyến thế hệ mới (NG-RAN) của 5G được thiết kế lại hoàn toàn
so với 4G để tăng tính linh hoạt, khả năng mở rộng và hiệu quả chi phí. Sự thay
đổi kiến trúc quan trọng nhất là việc phân tách chức năng của trạm gốc (gNodeB
hay gNB).
· Phân tách
CU-DU: Trong các thế hệ trước, toàn
bộ chức năng xử lý băng gốc (baseband) được thực hiện trong một khối duy nhất
gọi là BBU (Baseband Unit). Trong 5G, BBU được phân tách thành hai thành phần
logic
o CU
(Centralized Unit - Đơn vị Tập trung):
Xử lý các chức năng lớp cao hơn của ngăn xếp giao thức, ít yêu cầu về thời gian
thực hơn, như Radio Resource Control (RRC) và Packet Data Convergence Protocol
(PDCP). CU có thể được ảo hóa và triển khai tập trung tại các trung tâm dữ liệu
biên (edge data centers) hoặc trung tâm dữ liệu khu vực, phục vụ cho nhiều DU.
o DU (Distributed Unit - Đơn vị Phân tán): Xử lý các chức năng lớp thấp hơn, có yêu cầu nghiêm
ngặt về thời gian thực, như Radio Link Control (RLC), Medium Access Control
(MAC) và các phần của lớp vật lý (PHY). DU thường được đặt gần các đơn vị vô
tuyến (Radio Units - RU) và anten hơn.
· Các tùy chọn Phân chia Chức năng (Functional Splits): 3GPP và các liên minh như O-RAN đã định nghĩa nhiều
"tùy chọn phân chia" khác nhau, xác định điểm chính xác nơi ngăn xếp
giao thức được tách ra giữa CU, DU và RU. Các tùy chọn phổ biến như Tùy chọn 2
(tách giữa PDCP và RLC) và Tùy chọn 7.2 (tách bên trong lớp PHY) cho phép các
nhà mạng đưa ra các quyết định đánh đổi. Họ có thể cân bằng giữa yêu cầu về
băng thông và độ trễ của mạng truyền tải fronthaul (kết nối RU và DU) với lợi
ích của việc tập trung hóa tài nguyên và tối ưu hóa hiệu suất.
· Giao diện
mở và O-RAN: Việc phân tách CU-DU tạo
ra các giao diện chuẩn hóa mới, đáng chú ý nhất là giao diện F1 giữa CU và DU.
Sự
phân tách CU-DU không chỉ đơn thuần là một thay đổi kỹ thuật, mà nó còn đại
diện cho một sự thay đổi cơ bản trong mô hình kinh doanh và vận hành mạng di
động. Trong kiến trúc 4G và các thế hệ trước, trạm gốc thường là một hệ thống
"hộp đen" độc quyền từ một nhà cung cấp duy nhất, tạo ra tình trạng
khóa chặt nhà cung cấp (vendor lock-in). Việc giới thiệu các giao diện mở như
F1 trong 5G đã phá vỡ rào cản này, thúc đẩy một hệ sinh thái đa dạng hơn với
nhiều nhà cung cấp chuyên biệt.
1.4.
Mạng Lõi 5G (5GC): Kiến trúc Dựa trên Dịch vụ (SBA)
Mạng
lõi 5G (5G Core - 5GC) là một cuộc cách mạng thực sự so với Mạng lõi Gói Tiến
hóa (Evolved Packet Core - EPC) của 4G. Nó được thiết kế lại hoàn toàn từ đầu,
dựa trên một triết lý mới gọi là Kiến trúc Dựa trên Dịch vụ (Service-Based
Architecture - SBA).
· Kiến trúc
Dựa trên Dịch vụ (SBA): Trong các
mạng cũ, các thành phần mạng giao tiếp với nhau thông qua các giao diện
điểm-nối-điểm được định nghĩa chặt chẽ. Ngược lại, trong SBA, mỗi thành phần
mạng được gọi là một Chức năng Mạng (Network Function - NF) và hoạt động như
một dịch vụ phần mềm. Các NF này cung cấp các khả năng của mình cho các NF khác
thông qua các giao diện lập trình ứng dụng (API) dựa trên các công nghệ web
hiện đại như RESTful và giao thức HTTP/2.
· Các Chức
năng Mạng (NF) chính: Kiến trúc SBA
bao gồm nhiều NF được mô-đun hóa, mỗi NF chịu trách nhiệm cho một tập hợp các
chức năng cụ thể
o AMF
(Access and Mobility Management Function): Chức năng Quản lý Truy cập và Di động, chịu trách nhiệm xử lý việc
đăng ký, xác thực, quản lý kết nối và di động của thiết bị người dùng (UE).
o SMF (Session Management Function): Chức năng Quản lý Phiên, chịu trách nhiệm thiết lập,
duy trì và kết thúc các phiên dữ liệu của UE, bao gồm việc cấp phát địa chỉ IP
và lựa chọn UPF.
o UPF (User Plane Function): Chức năng Mặt phẳng Người dùng, là thành phần duy
nhất trong mạng lõi xử lý trực tiếp lưu lượng dữ liệu của người dùng. Nó thực
hiện định tuyến gói tin, kiểm tra sâu gói tin (DPI), và thực thi Chất lượng
Dịch vụ (QoS).
o PCF
(Policy Control Function): Chức năng
Kiểm soát Chính sách, cung cấp các quy tắc chính sách (ví dụ: về QoS, tính
cước) cho các NF khác.
o UDM (Unified Data Management): Chức năng Quản lý Dữ liệu Hợp nhất, lưu trữ và quản
lý dữ liệu thuê bao, tương tự như HSS trong 4G.
o NRF (NF Repository Function): Chức năng Kho lưu trữ NF, hoạt động như một danh bạ
dịch vụ, cho phép các NF khám phá và giao tiếp với nhau.
· Phân tách Mặt phẳng Điều khiển và Người dùng (CUPS): Nguyên tắc này được kế thừa từ các bản phát hành cuối
của 4G và được áp dụng triệt để trong 5GC.
1.5.
Các Công nghệ Hỗ trợ và Dịch vụ: Cắt lát Mạng và Điện toán Biên
Kiến
trúc linh hoạt và được phần mềm hóa của 5G đã tạo điều kiện cho sự ra đời của
hai công nghệ hỗ trợ quan trọng, mở ra các mô hình kinh doanh và dịch vụ hoàn
toàn mới.
· Cắt lát Mạng (Network Slicing): Đây được coi là một trong những tính năng mang tính
cách mạng nhất của 5G. Nó cho phép các nhà mạng tạo ra nhiều mạng logic ảo, đầu
cuối và độc lập trên cùng một cơ sở hạ tầng mạng vật lý chung.
· Điện toán
Biên đa Truy cập (MEC - Multi-Access Edge Computing): MEC là một kiến trúc mạng đưa các tài nguyên tính
toán và lưu trữ từ các trung tâm dữ liệu đám mây tập trung ra gần hơn với người
dùng cuối, ngay tại biên của mạng truy cập vô tuyến.
Phần
2: Sự Chuyển dịch sang 6G: Động lực và Tầm nhìn Kiến trúc
2.1. Những Hạn
chế của 5G và Yêu cầu của Kỷ nguyên 2030+
Mặc
dù 5G là một bước tiến vượt bậc, nó vẫn bộc lộ những hạn chế cố hữu và được dự
báo sẽ không thể đáp ứng đầy đủ các yêu cầu ngày càng khắt khe của thế giới kết
nối vào năm 2030 và xa hơn nữa. Chính những hạn chế này là động lực chính thúc
đẩy sự ra đời của 6G.
· Độ phức
tạp và Chi phí Vận hành: Quá trình
chuyển đổi từ 4G sang 5G đã cho thấy nhiều thách thức. Việc triển khai ban đầu
dựa trên kiến trúc không độc lập (NSA - Non-Standalone), vốn tận dụng mạng lõi
4G, đã tạo ra sự phức tạp trong việc di chuyển lên kiến trúc độc lập (SA -
Standalone) hoàn chỉnh. Điều này làm tăng chi phí, kéo dài thời gian triển khai
và làm chậm việc áp dụng các tính năng 5G tiên tiến như cắt lát mạng.
· Hiệu quả
Năng lượng: Sự gia tăng băng thông,
việc sử dụng các mảng anten Massive MIMO và sự gia tăng mật độ các trạm gốc
(đặc biệt là các cell nhỏ cho mmWave) đã làm cho mức tiêu thụ năng lượng của
mạng 5G tăng lên đáng kể so với 4G.
· Độ trễ và
Tính xác định: Dù URLLC của 5G đã
giảm độ trễ xuống mức mili-giây, nhưng nó vẫn chưa đủ cho các ứng dụng tương
lai đòi hỏi sự tương tác tức thời và chính xác tuyệt đối. Các ứng dụng như
Internet xúc giác (tactile internet), giao diện não-máy (brain-computer
interfaces), hay sự phối hợp chính xác của một bầy robot trong không gian ba
chiều đòi hỏi độ trễ phải ở mức micro-giây ()
và quan trọng hơn là phải có tính xác định (deterministic) - tức là độ trễ và
jitter phải được đảm bảo trong những giới hạn nghiêm ngặt, chứ không chỉ là một
giá trị trung bình.
· Khả năng
Cảm nhận Môi trường Hạn chế: Về cơ
bản, 5G được thiết kế như một "đường ống" truyền dữ liệu. Nó thiếu
khả năng tự cảm nhận môi trường vật lý xung quanh một cách tự nhiên và chính
xác. Các khả năng như định vị chính xác cao hay phát hiện và theo dõi đối tượng
không phải là chức năng cốt lõi của kiến trúc 5G.
· Vùng phủ
sóng Toàn cầu: 5G vẫn chủ yếu là một
mạng lưới mặt đất. Việc phủ sóng các khu vực xa xôi, hẻo lánh, đại dương, hay
cung cấp kết nối cho các phương tiện bay ở độ cao lớn vẫn là một thách thức lớn.
2.2.
Các Nguyên tắc Thiết kế Kiến trúc 6G
Để
giải quyết những hạn chế của 5G và đáp ứng các yêu cầu mới, 6G không chỉ là một
sự tiến hóa mà được xây dựng dựa trên các nguyên tắc thiết kế hoàn toàn mới và
mang tính định hướng.
· AI-Native
(AI Tự nhiên): Đây là nguyên tắc nền
tảng và khác biệt nhất. Trong 6G, Trí tuệ Nhân tạo (AI) không còn là một ứng
dụng hay một chức năng được thêm vào (add-on) như trong 5G (ví dụ: chức năng
NWDAF). Thay vào đó, AI được tích hợp sâu và là một phần không thể thiếu của mọi
lớp, mọi chức năng trong mạng, từ việc thiết kế giao diện vô tuyến, quản lý tài
nguyên, tối ưu hóa hiệu suất, cho đến vận hành và bảo mật tự trị.
· Bền vững
(Sustainability): Hiệu quả năng lượng
và giảm thiểu tác động đến môi trường không còn là một yếu tố được tối ưu hóa
sau khi thiết kế, mà là một trong những mục tiêu thiết kế cốt lõi của 6G ngay
từ đầu. Các kiến trúc và giao thức mới sẽ được đánh giá dựa trên hiệu suất năng
lượng của chúng.
· Tin cậy
(Trustworthiness): Nguyên tắc này bao
hàm một khái niệm rộng hơn về bảo mật, quyền riêng tư và khả năng phục hồi của
mạng (resiliency). Các cơ chế bảo mật tiên tiến như mật mã hậu lượng tử
(post-quantum cryptography) sẽ được tích hợp từ gốc để chống lại các mối đe dọa
trong tương lai, và kiến trúc mạng sẽ được thiết kế để có khả năng tự phục hồi
sau sự cố mà không làm gián đoạn dịch vụ.
· Phân tán
và Tự trị (Decentralization and Autonomy): Kiến trúc 6G sẽ đẩy mạnh xu hướng phân tán hơn nữa. Trí thông minh,
khả năng xử lý và quyền ra quyết định sẽ được phân bổ rộng rãi trên toàn mạng,
từ đám mây, ra biên mạng và thậm chí đến tận thiết bị người dùng. Điều này tạo
ra một mạng lưới có khả năng tự tổ chức, tự cấu hình và tự chữa lành một cách
tự trị.
· Tính mở
và Đơn giản hóa: Rút kinh nghiệm từ
sự phức tạp của các tùy chọn triển khai 5G, 6G hướng tới một kiến trúc đơn giản
và thống nhất hơn. Các nhà nghiên cứu đề xuất chỉ nên có một chế độ triển khai
độc lập (Standalone) duy nhất và các giao diện mở thực sự giữa các thành phần
mạng để tránh sự phân mảnh thị trường và đơn giản hóa việc triển khai, vận hành.
2.3.
Các Kịch bản Sử dụng Mới và Nâng cao
Các kịch bản sử
dụng của 6G là sự mở rộng, hội tụ và nâng cao của các kịch bản 5G, tạo ra những
trải nghiệm và khả năng hoàn toàn mới, kết nối thế giới số và thế giới thực một
cách liền mạch.
· Giao tiếp
Trải nghiệm (Immersive Communication):
Vượt xa eMBB của 5G, kịch bản này tập trung vào việc tạo ra các trải nghiệm
tương tác chân thực. Nó bao gồm các ứng dụng như giao tiếp holographic (cho
phép tương tác với hình ảnh 3D của người khác trong thời gian thực), thực tế mở
rộng đa giác quan (multisensory XR - kết hợp hình ảnh, âm thanh, xúc giác), và
các thế giới ảo (metaverse) quy mô lớn, bền bỉ.
· Giao tiếp Siêu tin cậy và Độ trễ cực thấp (HRLLC -
Hyper-reliable and Low-latency Communication): Đây là sự tiến hóa của URLLC, đẩy các giới hạn về độ
trễ và độ tin cậy lên một tầm cao mới. HRLLC sẽ đáp ứng yêu cầu độ trễ ở mức
micro-giây và độ tin cậy "bảy số chín" (99.99999%) hoặc cao hơn, cần
thiết cho các ứng dụng như Internet xúc giác, điều khiển tự động chính xác cao
và các hệ thống an toàn trọng yếu.
· Kết nối Vạn vật Cảm nhận (Internet of Senses / Massive
Communication): Kịch bản này không
chỉ đơn thuần là kết nối hàng tỷ thiết bị như mMTC, mà còn tích hợp khả năng
cảm nhận vào mạng lưới. Mạng 6G sẽ có khả năng "nhìn",
"nghe" và "cảm nhận" môi trường vật lý xung quanh, thu thập
dữ liệu về vị trí, hình ảnh, nhiệt độ, chuyển động, v.v., tạo ra một luồng
thông tin ngữ cảnh phong phú.
Bảng 1: So sánh
các Chỉ số Hiệu năng Mục tiêu của 5G và 6G
Bảng dưới đây cung
cấp một cái nhìn tổng quan, định lượng về bước nhảy vọt về hiệu năng giữa hai
thế hệ, làm rõ động lực kỹ thuật đằng sau sự phát triển kiến trúc 6G.
|
Chỉ
số Hiệu năng (KPI) |
Mạng
5G |
Mạng
6G (Mục tiêu) |
Nguồn
tham khảo |
|
Tốc độ dữ liệu
đỉnh |
10 - 20 Gbps |
~1 Tbps |
|
|
Độ trễ đầu cuối
(Latency) |
1 - 5 ms |
< 1 ms, hướng
tới ~1 µs |
|
|
Mật độ kết nối |
thiết bị/km² |
thiết bị/km² |
|
|
Hiệu quả phổ tần |
~30 bps/Hz (lý
thuyết) |
Gấp 2-3 lần 5G |
|
|
Hiệu quả năng
lượng |
1x (Cơ sở) |
Gấp 10-100 lần
5G |
|
|
Độ tin cậy |
99.999% (URLLC) |
> 99.99999%
(HRLLC) |
|
|
Băng thông |
Lên đến 1 GHz |
> 100 GHz |
|
|
Độ chính xác
định vị |
~1 m |
~1 cm |
|
Phần 3: So sánh
Chi tiết Kiến trúc 5G và 6G theo Từng Lớp
3.1. Lớp Vật lý:
Cuộc Cách mạng về Giao diện Vô tuyến
Sự khác biệt giữa
5G và 6G thể hiện rõ rệt nhất ở lớp vật lý, nơi các công nghệ nền tảng cho việc
truyền và nhận tín hiệu được định nghĩa. 6G hứa hẹn một cuộc cách mạng thực sự
về giao diện vô tuyến.
3.1.1. Phổ tần: Từ Sóng Milimet
(mmWave) đến Terahertz (THz)
Việc tìm kiếm băng
thông lớn hơn để đạt được tốc độ dữ liệu cao hơn là một động lực không ngừng
trong ngành viễn thông. 6G đẩy mạnh xu hướng này lên một tầm cao mới.
· 5G mmWave (24-100 GHz): 5G là thế hệ đầu tiên thương mại hóa việc sử dụng phổ
tần mmWave. Dải tần này cung cấp băng thông rộng, nhưng phải đối mặt với những
thách thức đáng kể về suy hao đường truyền cao và độ nhạy cảm với các vật cản
vật lý, làm hạn chế phạm vi phủ sóng.
· 6G THz
(0.1-10 THz): 6G được dự kiến sẽ khai
thác dải tần Terahertz, nằm giữa mmWave và hồng ngoại. Dải tần này cung cấp một
lượng băng thông "chưa từng có", có thể lên đến hàng chục, thậm chí
hàng trăm GHz, là yếu tố then chốt để đạt được tốc độ dữ liệu ở mức Terabit mỗi
giây (Tbps).
3.1.2.
Công nghệ Anten: Từ Massive MIMO đến Holographic MIMO và RIS
Để
khai thác hiệu quả các dải tần cực cao và khắc phục các nhược điểm của chúng,
công nghệ anten trong 6G phải có một bước nhảy vọt về cả quy mô và trí thông
minh.
· Massive MIMO (5G): Công nghệ này sử dụng các mảng anten lớn với các phần tử anten thường
được đặt cách nhau khoảng nửa bước sóng để tạo ra các chùm tia có độ phân giải
không gian cao, cho phép ghép kênh đa người dùng và tăng cường độ lợi tín hiệu.
· Holographic
MIMO / Ultra-Massive MIMO (6G): Đây
là sự tiến hóa tự nhiên của Massive MIMO, hướng tới việc tích hợp một số lượng
anten cực lớn (hàng nghìn hoặc hơn) vào một không gian vật lý nhỏ gọn, tạo
thành một bề mặt bức xạ gần như liên tục.
· Bề mặt
Thông minh Tái cấu hình (RIS - Reconfigurable Intelligent Surface): Đây là một khái niệm kiến trúc hoàn toàn mới và mang
tính đột phá trong 6G. RIS không phải là một anten phát tín hiệu. Thay vào đó,
nó là một bề mặt phẳng, gần như thụ động, được cấu tạo từ hàng trăm hoặc hàng
nghìn phần tử siêu vật liệu (metamaterial) có thể điều khiển được.
Một
hệ thống 6G hoạt động ở băng tần THz không thể tồn tại một cách hiệu quả nếu
thiếu đi sự hỗ trợ của RIS và Holographic MIMO. Tín hiệu THz vốn rất yếu và dễ
bị chặn.
3.1.3.
Dạng sóng và Điều chế
Trong khi 5G chủ
yếu dựa trên OFDM với các cấu trúc số học linh hoạt, 6G có thể sẽ tiếp tục sử
dụng các biến thể tiên tiến của OFDM nhưng cũng đang tích cực nghiên cứu các
dạng sóng hoàn toàn mới. Các dạng sóng này cần được tối ưu hóa cho các thách
thức riêng của băng tần THz (như hiệu ứng dịch chuyển chùm tia - beam split) và
cho các ứng dụng tích hợp cảm biến.
Bảng
2: So sánh Công nghệ Lớp Vật lý giữa 5G và 6G
|
Thành
phần Lớp Vật lý |
Mạng
5G |
Mạng
6G |
Ghi
chú về sự tiến hóa |
|
Băng tần
chính |
Sub-6 GHz,
mmWave (24-100 GHz) |
mmWave,
Centimetric (7-15 GHz), Sub-THz, THz (0.1-10 THz) |
Mở rộng lên các
dải tần số cao hơn để có được băng thông cực lớn, đáp ứng tốc độ Tbps. |
|
Công nghệ
Anten |
Massive MIMO,
Beamforming |
Ultra-Massive/Holographic
MIMO |
Tăng cường mật
độ anten và khả năng tạo hình sóng linh hoạt để đạt được độ lợi mảng cao hơn
và hiệu quả năng lượng tốt hơn. |
|
Điều khiển
Môi trường |
Không có (Môi
trường truyền sóng là ngẫu nhiên) |
Bề mặt Thông
minh Tái cấu hình (RIS) |
Chủ động điều
khiển kênh truyền bằng cách phản xạ sóng một cách thông minh, giúp vượt qua
vật cản và tăng cường tín hiệu. |
|
Dạng sóng |
OFDM với cấu
trúc số học linh hoạt |
Các biến thể
OFDM, các dạng sóng mới, Giao diện vô tuyến AI-Native |
Tối ưu hóa cho
các kịch bản THz và cảm biến; có khả năng học hỏi và thích ứng động với môi
trường truyền sóng. |
3.2. Lớp Liên kết
Dữ liệu và MAC: Trí tuệ Nhân tạo trong Quản lý Tài nguyên
Lớp Điều khiển
Truy cập Môi trường (MAC) chịu trách nhiệm quản lý việc truy cập vào kênh
truyền vô tuyến chung. Trong 5G, lớp MAC sử dụng các thuật toán lập lịch
(scheduler) phức tạp nhưng vẫn chủ yếu dựa trên các quy tắc được định nghĩa
trước để phân bổ tài nguyên cho người dùng. 6G được dự báo sẽ cách mạng hóa lớp
này bằng cách tích hợp sâu Trí tuệ Nhân tạo và Học máy (AI/ML).
· 5G MAC: Sử dụng các bộ lập lịch dựa trên quy tắc
(rule-based), ví dụ như Proportional Fair, để đưa ra các quyết định phân bổ tài
nguyên (thời gian, tần số, không gian) cho các thiết bị người dùng.
· 6G MAC:
AI/ML sẽ trở thành công cụ cốt lõi để tối ưu hóa động và trong thời gian thực
các chức năng của lớp MAC.
3.3.
Mạng Truy cập Vô tuyến (RAN): Hướng tới Tự động hóa và Ảo hóa sâu
Kiến trúc RAN của
6G sẽ kế thừa và phát triển kiến trúc phân tách của 5G, nhưng với mức độ ảo hóa
sâu hơn và tích hợp AI chặt chẽ hơn để đạt được khả năng tự trị cao.
· 5G RAN: Đã
giới thiệu sự phân tách CU-DU và thúc đẩy xu hướng O-RAN, cho phép ảo hóa một
phần các chức năng RAN.
· 6G RAN:
o Phân tách sâu hơn (Deeper Splits): Kiến trúc 6G có thể hỗ trợ nhiều điểm phân tách chức
năng linh hoạt hơn nữa trong ngăn xếp giao thức, cho phép các nhà mạng tối ưu
hóa kiến trúc cho từng loại dịch vụ cụ thể.
o RAN hoàn toàn Cloud-Native: Không chỉ CU mà cả DU, vốn có yêu cầu thời gian thực nghiêm
ngặt, cũng sẽ được thiết kế để chạy dưới dạng các microservice trên các nền
tảng đám mây. Điều này cho phép tự động hóa hoàn toàn vòng đời của các chức
năng RAN, từ triển khai, mở rộng đến nâng cấp.
o AI trong
RAN: AI sẽ đóng vai trò trung tâm
trong việc quản lý tài nguyên vô tuyến. Các bộ điều khiển RAN thông minh (RIC -
RAN Intelligent Controller), một khái niệm cốt lõi của O-RAN, sẽ sử dụng AI để
tối ưu hóa chùm tia, quản lý di động, cân bằng tải và tự động hóa vận hành mạng
một cách thông minh và chủ động.
3.4.
Mạng Lõi (Core Network): Từ Dựa trên Dịch vụ đến Dựa trên Trí tuệ
Hiện tại, có một
sự đồng thuận mạnh mẽ trong ngành rằng mạng lõi 6G sẽ là một sự tiến hóa của
mạng lõi 5G (5GC), thay vì một cuộc cách mạng "đập đi xây lại" hoàn
toàn. Tuy nhiên, sự tiến hóa này đi kèm với những thay đổi quan trọng về triết
lý thiết kế.
· 5GC: Đã đặt nền móng với Kiến trúc Dựa trên Dịch vụ (SBA),
cho phép sự linh hoạt và mô-đun hóa các chức năng mạng.
· 6G Core
(Tiến hóa từ 5GC):
o Tiến hóa SBA:
Khung SBA của 5GC đã chứng tỏ được khả năng mở rộng linh hoạt và sẽ được giữ
lại. 6G sẽ mở rộng kiến trúc này bằng cách thêm vào các Chức năng Mạng (NF) mới
để hỗ trợ các khả năng mới như cảm biến, AIaaS (AI as a Service), và quản lý
mạng SAGIN.
o Kiến trúc
Phân tán và Tự trị: Thay vì tập trung
toàn bộ logic điều khiển tại các NF trong mạng lõi, 6G sẽ phân tán trí thông
minh và khả năng ra quyết định ra rộng khắp mạng lưới. Các
"nano-service" (dịch vụ vi mô hơn cả microservice) có thể được tạo ra
và kết hợp một cách linh hoạt, theo yêu cầu để phục vụ các nhu cầu dịch vụ cụ
thể, tạo ra một mạng lưới tự trị và linh hoạt hơn.
o Tích hợp
Tính toán: Ranh giới giữa mạng và
tính toán sẽ ngày càng bị xóa nhòa. Mạng lõi 6G sẽ không chỉ đơn thuần là một
mạng truyền thông mà còn là một nền tảng tính toán phân tán. Các tài nguyên
tính toán trên toàn mạng (từ đám mây trung tâm, đến biên, và cả thiết bị người
dùng) sẽ được quản lý và điều phối như một phần của kiến trúc mạng.
Quyết
định tiến hóa từ 5GC thay vì thay thế hoàn toàn nó phản ánh một sự cân nhắc
thực dụng giữa đổi mới và chi phí. Các nhà khai thác mạng đã đầu tư những khoản
tiền khổng lồ vào việc triển khai 5GC, một quá trình vốn đã phức tạp và tốn kém.
Phần
4: Các Mô hình Kiến trúc Đột phá của 6G
6G không chỉ cải
tiến các thành phần hiện có mà còn giới thiệu các mô hình kiến trúc hoàn toàn
mới, định hình lại vai trò và khả năng của một mạng di động.
4.1. Kiến trúc
AI-Native: Mạng lưới Nhận thức
Đây là sự thay đổi
triết lý cơ bản và sâu sắc nhất của 6G. AI không còn là một công cụ được áp
dụng để tối ưu hóa một hệ thống được thiết kế từ trước, mà nó chính là nền tảng
để thiết kế nên hệ thống đó.
· AI ở mọi
lớp: AI được tích hợp một cách tự
nhiên vào mọi cấp độ của mạng: từ lớp vật lý với giao diện vô tuyến có khả năng
học hỏi
· Mạng tự
tối ưu hóa và tự chữa lành: Với AI
được tích hợp sâu, mạng 6G có thể liên tục giám sát trạng thái của chính nó,
phát hiện các điểm nghẽn, dự đoán các lỗi tiềm ẩn và tự động điều chỉnh cấu
hình để duy trì hiệu suất tối ưu và khả năng phục hồi cao mà không cần sự can
thiệp của con người.
· Bản sao
số của Mạng (Network Digital Twin):
Một khái niệm quan trọng trong kiến trúc AI-Native là mạng sẽ tạo ra một bản
sao số (digital twin) của chính nó trong thời gian thực. Bản sao số này là một
mô hình ảo, sống động, phản ánh chính xác trạng thái, cấu hình và luồng lưu lượng
của mạng vật lý. Nó cho phép các nhà mạng mô phỏng các kịch bản
"what-if", thử nghiệm các cấu hình mới, dự đoán tác động của các thay
đổi và huấn luyện các mô hình AI trong một môi trường an toàn trước khi áp dụng
chúng vào mạng thực.
4.2.
Mạng Tích hợp Không gian - Hàng không - Mặt đất (SAGIN): Kết nối Ba chiều
6G đặt mục tiêu
xóa bỏ hoàn toàn các "vùng chết" về kết nối bằng cách tích hợp các
mạng mặt đất, trên không và trong không gian thành một kiến trúc mạng ba chiều,
thống nhất, cung cấp kết nối toàn cầu thực sự.
· Kiến trúc
ba lớp:
o Lớp không gian (Space Layer): Bao gồm các chòm vệ tinh ở các quỹ đạo khác nhau
(LEO, MEO, GEO), hoạt động như các trạm gốc di động trên không gian, cung cấp
vùng phủ sóng cho các khu vực xa xôi, đại dương và các tuyến hàng không.
o Lớp hàng
không (Aerial Layer): Bao gồm các Nền
tảng bay ở độ cao lớn (HAPs - High-Altitude Platforms) và Máy bay không người
lái (UAVs), hoạt động như các nút chuyển tiếp linh hoạt hoặc các trạm gốc tạm
thời để tăng cường dung lượng hoặc cung cấp kết nối trong các tình huống khẩn
cấp.
o Lớp mặt
đất (Terrestrial Layer): Bao gồm các
mạng di động 5G/6G truyền thống.
· Thách thức kiến trúc: Việc tích hợp một mạng lưới đa dạng và năng động như
vậy đặt ra những thách thức kiến trúc to lớn. Cần có các cơ chế quản lý di
động, định tuyến và phân bổ tài nguyên hoàn toàn mới để xử lý sự di chuyển với
tốc độ cao và độ trễ thay đổi liên tục của các nút mạng trên không và trong
không gian.
4.3.
Mạng như một Cảm biến (Network as a Sensor - NaaS)
6G sẽ biến đổi
mạng từ một hệ thống chỉ để truyền thông thành một hệ thống có khả năng cảm
nhận. Nó sẽ tận dụng chính các tín hiệu vô tuyến của mình để "nhìn"
và "hiểu" môi trường vật lý xung quanh, kết hợp chức năng truyền
thông và cảm biến thành một.
· Tích hợp
Cảm biến và Truyền thông (ISAC - Integrated Sensing and Communication): Cùng một tín hiệu vô tuyến được sử dụng để vừa truyền
dữ liệu đến người dùng, vừa phân tích các tín hiệu phản xạ, dội lại từ các vật
thể trong môi trường. Bằng cách phân tích các đặc tính của tín hiệu phản xạ
(như thời gian trễ, dịch chuyển Doppler, góc tới), mạng có thể thu thập thông
tin chi tiết về vị trí, tốc độ, hình dạng, và thậm chí cả vật liệu của các đối
tượng đó.
· Ứng dụng:
Khả năng này mở ra một loạt các ứng dụng mới, chẳng hạn như tạo ra các bản đồ
môi trường 4D (3D không gian + thời gian) với độ chính xác cao trong thời gian
thực, giám sát giao thông thông minh, điều khiển robot dựa trên nhận thức môi
trường, và cung cấp nguồn dữ liệu phong phú để xây dựng và làm giàu cho các bản
sao số.
4.4.
Mạng Xác định (Deterministic Networking): Đảm bảo Chất lượng Dịch vụ
6G sẽ tiến một
bước xa hơn so với URLLC của 5G bằng cách hướng tới Mạng Xác định, nơi các tham
số hiệu năng như độ trễ và jitter không chỉ thấp mà còn có thể dự đoán và đảm
bảo một cách chính xác, có giới hạn trên rõ ràng.
· Từ URLLC
đến Mạng xác định: URLLC trong 5G tập
trung vào việc đạt được các mục tiêu về độ trễ thấp và độ tin cậy cao trên
phương diện thống kê, nghĩa là đảm bảo hiệu suất trong phần lớn thời gian.
· Tích hợp
Mạng Nhạy cảm Thời gian (TSN - Time-Sensitive Networking): Để đạt được tính xác định, kiến trúc 6G sẽ tích hợp
chặt chẽ với các tiêu chuẩn Mạng Nhạy cảm Thời gian (TSN) của IEEE, vốn được
phát triển cho các mạng có dây như Ethernet. Sự tích hợp này sẽ cho phép tạo ra
một mạng hội tụ liền mạch từ không dây đến có dây trong các môi trường như nhà
máy thông minh và xe tự lái, đảm bảo việc đồng bộ hóa thời gian cực kỳ chính
xác và truyền tải các luồng dữ liệu có giới hạn thời gian nghiêm ngặt trên toàn
bộ hệ thống.
Các
mô hình kiến trúc đột phá của 6G không tồn tại một cách độc lập mà có mối quan
hệ cộng sinh và phụ thuộc lẫn nhau. Kiến trúc AI-Native đóng vai trò là
"bộ não" của toàn bộ hệ thống, nhưng một bộ não cần có dữ liệu để
hoạt động hiệu quả. Khả năng Mạng như một Cảm biến (NaaS/ISAC) chính là
"giác quan", cung cấp một nguồn dữ liệu hoàn toàn mới và phong phú về
thế giới vật lý cho bộ não AI để phân tích và hiểu ngữ cảnh.
Phần
5: Phân tích Lớp Ứng dụng và Các Trường hợp Sử dụng Nâng cao
Các thay đổi kiến
trúc sâu sắc trong 6G được thúc đẩy bởi nhu cầu hỗ trợ các ứng dụng tương lai
mà 5G không thể đáp ứng đầy đủ.
5.1. Yêu cầu Kiến
trúc cho Giao tiếp Holographic
Giao tiếp
holographic, một trong những ứng dụng tiêu biểu được hứa hẹn bởi 6G, đặt ra
những yêu cầu cực kỳ khắt khe đối với kiến trúc mạng.
· Băng
thông cực lớn: Việc truyền tải một
luồng video holographic 3D chất lượng cao trong thời gian thực đòi hỏi tốc độ
dữ liệu có thể lên tới hàng Terabit mỗi giây (Tbps). Yêu cầu này vượt xa khả
năng của 5G và chỉ có thể được đáp ứng bởi băng thông khổng lồ của phổ tần THz
trong kiến trúc 6G.
· Độ trễ
cực thấp và đồng bộ hóa chính xác: Để
tạo ra một trải nghiệm tương tác holographic mượt mà, tự nhiên và không gây cảm
giác chóng mặt cho người dùng, độ trễ từ đầu cuối đến đầu cuối phải dưới 1 mili-giây.
Quan trọng hơn, các luồng dữ liệu khác nhau (hình ảnh, âm thanh, dữ liệu không
gian) phải được đồng bộ hóa với độ chính xác cực cao. Điều này đòi hỏi một kiến
trúc mạng có tính xác định (Deterministic Networking).
· Xử lý và
tính toán tại biên: Việc kết xuất
(rendering) một hình ảnh hologram phức tạp đòi hỏi năng lực tính toán rất lớn.
Để giảm độ trễ, quá trình này cần phải được thực hiện càng gần người dùng càng
tốt. Do đó, kiến trúc 6G phải tích hợp chặt chẽ khả năng tính toán hiệu năng
cao tại biên mạng (edge computing), xóa nhòa ranh giới giữa mạng và máy chủ
tính toán.
5.2.
Hiện thực hóa Bản sao số (Digital Twin) và Thế giới Metaverse
Bản sao số
(Digital Twin) và các thế giới ảo (Metaverse) là những ứng dụng phức tạp, đòi
hỏi sự hội tụ và phối hợp của nhiều khả năng kiến trúc độc đáo của 6G.
· Thu thập
dữ liệu thời gian thực: Để một bản
sao số phản ánh chính xác đối tượng vật lý của nó, cần có một luồng dữ liệu
liên tục từ thế giới thực. Kiến trúc Mạng như một Cảm biến (NaaS/ISAC) của 6G cung
cấp một cơ chế lý tưởng để thu thập dữ liệu cảm biến (vị trí, chuyển động,
nhiệt độ, v.v.) cần thiết để tạo và cập nhật liên tục các bản sao số.
· Truyền
thông hai chiều hiệu năng cao: Các
ứng dụng bản sao số đòi hỏi một liên kết truyền thông hai chiều mạnh mẽ: đường
lên (uplink) để truyền lượng lớn dữ liệu cảm biến từ vật thể thực đến bản sao
số, và đường xuống (downlink) để truyền các lệnh điều khiển hoặc phản hồi từ
thế giới số trở lại thế giới thực. Kiến trúc 6G cần tối ưu hóa cho cả hai chiều
truyền.
· Mô hình hóa và mô phỏng dựa trên AI: Kiến trúc AI-Native cung cấp nền tảng tính toán và
các thuật toán cần thiết để xử lý, phân tích dữ liệu từ bản sao số. AI có thể
được sử dụng để xây dựng các mô hình dự đoán, mô phỏng các kịch bản khác nhau
và tối ưu hóa hoạt động của đối tượng vật lý.
· Kết nối
toàn cầu và ba chiều: Kiến trúc SAGIN
cho phép tạo và quản lý các bản sao số của các tài sản ở bất kỳ đâu trên thế
giới, kể cả ở những vị trí xa xôi như một giàn khoan dầu ngoài khơi, một đoàn
xe tải đang di chuyển xuyên lục địa, hoặc thậm chí là một vệ tinh đang hoạt
động trên quỹ đạo.
Phần 6: Tổng kết
và Khuyến nghị
6.1. Tóm tắt các
điểm khác biệt kiến trúc cốt lõi
Cuộc cách mạng từ
5G sang 6G không chỉ là một bước tiến về hiệu năng, mà là một sự thay đổi cơ
bản về bản chất và vai trò của mạng di động.
· Kiến trúc 5G:
Có thể được định nghĩa là một mạng dựa trên dịch vụ, được ảo hóa và tập
trung vào kết nối. Nó đã đặt nền móng vững chắc cho sự linh hoạt thông qua
các nguyên tắc như SBA, NFV và cắt lát mạng, cho phép cung cấp các dịch vụ kết
nối đa dạng và tùy chỉnh.
· Kiến trúc 6G:
Được định hình là một mạng dựa trên trí tuệ, phân tán, tích hợp cảm biến và
kết nối ba chiều. Nó vượt qua vai trò của một nhà cung cấp kết nối đơn
thuần để trở thành một mạng lưới nhận thức, có khả năng cảm nhận, học hỏi và
tương tác một cách thông minh với thế giới vật lý, xóa nhòa ranh giới giữa
không gian thực và không gian số.
6.2. Phân tích các
thách thức
Con đường hiện
thực hóa tầm nhìn 6G đầy tham vọng phải đối mặt với những thách thức to lớn
trên nhiều phương diện.
· Thách thức kỹ thuật: Việc phát triển các thành phần phần cứng hiệu quả và giá cả phải chăng
cho băng tần THz và các bề mặt RIS vẫn còn ở giai đoạn đầu. Xây dựng các thuật
toán AI/ML vừa mạnh mẽ vừa hiệu quả về năng lượng để chạy trên các thiết bị và
nút mạng có tài nguyên hạn chế là một bài toán khó. Việc quản lý và điều phối
một mạng lưới siêu phân tán, ba chiều và tự trị như 6G đòi hỏi những mô hình lý
thuyết và giải pháp kỹ thuật hoàn toàn mới.
· Thách thức về tiêu chuẩn hóa: Đạt được sự đồng thuận toàn cầu về một kiến trúc phức
tạp và đa dạng như 6G, với sự tham gia của nhiều ngành công nghiệp khác nhau
(viễn thông, không gian, ô tô, công nghiệp), là một thách thức lớn. Việc tránh
lặp lại sự phân mảnh như đã thấy trong giai đoạn đầu của 5G đòi hỏi sự hợp tác
chặt chẽ và tầm nhìn chung giữa các tổ chức tiêu chuẩn hóa như ITU và 3GPP.
· Thách
thức về kinh tế và triển khai: Chi
phí đầu tư cho việc nâng cấp hạ tầng lên 6G sẽ là khổng lồ, đặc biệt là với yêu
cầu triển khai các chòm vệ tinh cho SAGIN và một mạng lưới dày đặc các bề mặt
RIS. Việc tìm ra các mô hình kinh doanh bền vững để thu hồi vốn đầu tư và tạo
ra doanh thu từ các dịch vụ 6G mới là một yếu tố quyết định sự thành công của
thế hệ mạng này.
6.3. Đề xuất các
hướng nghiên cứu và phát triển
Để vượt qua các
thách thức và hiện thực hóa tầm nhìn 6G, các nỗ lực nghiên cứu và phát triển
trong tương lai nên tập trung vào các lĩnh vực trọng điểm sau:
· AI/ML hiệu quả về năng lượng: Phát triển các thuật toán AI/ML nhẹ, có thể chạy hiệu
quả trên các thiết bị có tài nguyên hạn chế và tối ưu hóa cho việc tiêu thụ
năng lượng thấp.
· Quản lý tài nguyên và di động cho SAGIN: Nghiên cứu các mô hình và giao thức mới để quản lý
tài nguyên (phổ tần, năng lượng) và xử lý di động một cách liền mạch trong một
mạng lưới ba chiều, không đồng nhất và có độ trễ thay đổi.
· Giao diện mở và API: Phát triển các giao diện mở và API được tiêu chuẩn hóa cho các khả
năng mới như ISAC và RIS, cho phép một hệ sinh thái đổi mới mở, nơi các bên thứ
ba có thể phát triển các ứng dụng và dịch vụ trên nền tảng 6G.
· Bảo mật và quyền riêng tư: Nghiên cứu các kiến trúc bảo mật từ gốc (security-by-design) và các kỹ thuật bảo vệ quyền riêng tư tiên tiến (như học liên kết - federated learning) để giải quyết các lo ngại khi mạng lưới thu thập và xử lý một lượng lớn dữ liệu cảm biến từ môi trường và người dùng.
Đăng nhận xét