Các thông tin phát triển của ngành di động đang phác lên một bức tranh tươi sáng về tương lai 5G khi cho thấy trải nghiệm di động được cải thiện, các tính năng, khả năng mới và được ứng dụng mở rộng sang nhiều ngành.
Khi mạng 5G phát triển như chúng ta biết, phạm vi phủ sóng sẽ rộng lớn, trong khi các ứng dụng như IoT công nghiệp, C-V2X (phương tiện di động kết nối mọi thứ), nông nghiệp thông minh và thực tế mở rộng (XR) di động sẽ chín muồi nhờ tốc độ nhanh hơn, độ trễ thấp hơn và độ tin cậy cao hơn. Đồng thời, chính cơ sở hạ tầng mạng sẽ trở nên bền vững hơn.
Tuy nhiên, trải nghiệm 5G hiện tại đối với nhiều người là rất khác nhau. Rõ ràng là còn một chặng đường dài trước khi 5G được phủ sóng nhiều nơi, mặc dù điện thoại thông minh hỗ trợ công nghệ này hiện đã được phổ biến rộng rãi.
Hành trình để hoàn thiện 5G hy vọng sẽ liên quan đến việc loại bỏ các thuyết âm mưu và các mối đe dọa về sức khỏe, nhưng cũng đòi hỏi những mối quan tâm chính đáng hơn, chẳng hạn như an toàn sân bay (ở một số khu vực), phải được giải quyết. Hãy cùng xem xét kỹ hơn về việc 5G sẽ đi đến đâu và nó sẽ đến đó như thế nào.
Các triển khai mạng 5G
Tính đến cuối tháng 12/2021, theo Hiệp hội các nhà cung cấp di động toàn cầu (GSA), 487 nhà mạng tại 145 quốc gia hoặc vùng lãnh thổ đã đầu tư vào mạng di động 5G hoặc 5G FWA/mạng băng thông rộng gia đình. Trong số này, 200 nhà mạng tại 78 quốc gia/vùng lãnh thổ đã công bố triển khai dịch vụ 5G tương thích với chuẩn của 3GPP (di động hoặc FWA), với 187 nhà mạng cung cấp dịch vụ di động 5G thương mại và 83 nhà mạng cung cấp dịch vụ 5G FWA.
Một bước phát triển gần đây là sự ra đời của các mạng 5G độc lập (SA), kết hợp 5G New Radio (NR) trên mạng truy cập vô tuyến (RAN) và cơ sở hạ tầng lõi 5G ở phía sau - khác với các mạng 5G không độc lập (NSA) dựa trên các triển khai 4G LTE hiện tại. Được hỗ trợ bởi cơ sở hạ tầng dựa trên kiến trúc cloud-native microservice, mạng 5G SA có thể cung cấp độ trễ thấp, hỗ trợ thiết bị diện rộng và chia nhỏ mạng để đáp ứng các trường hợp sử dụng và khách hàng có yêu cầu cấp dịch vụ khác nhau.
GSA đã xác định 99 nhà mạng tại 50 quốc gia đang "đầu tư vào 5G SA cho các mạng công cộng dưới dạng thử nghiệm, lập kế hoạch, trả tiền cho các giấy phép, triển khai hoặc vận hành các mạng".
Theo GSA, có ít nhất 20 nhà mạng tại 16 quốc gia đã triển khai mạng 5G SA công cộng, trong khi 5 nhà mạng khác đã triển khai công nghệ 5G SA nhưng vẫn chưa triển khai dịch vụ hoặc mới chỉ khởi chạy mạng. 25 nhà mạng nữa đang trong quá trình triển khai hoặc thử nghiệm 5G SA công cộng và 27 nhà mạng đang có kế hoạch làm như vậy và rõ ràng là "các lần ra mắt mạng 5G này được GSA thống kê cho đến nay sẽ là lần đầu tiên của nhiều nhà mạng".
Các mạng 5G riêng (private) được thiết kế cho các nhu cầu cụ thể là một lựa chọn hấp dẫn đối với nhiều tổ chức và doanh nghiệp (DN) - đặc biệt là những tổ chức và DN muốn hoặc cần, giữ dữ liệu của họ an toàn tại chỗ và/hoặc yêu cầu kết nối độ trễ thấp đáng tin cậy cho các trường hợp sử dụng như sản xuất thông minh.
Theo GSA, 166 tổ chức đang sử dụng công nghệ 5G cho mạng di động riêng hoặc các thử nghiệm, trong đó 32 tổ chức triển khai mạng 5G SA.
Bảng 1: Tóm tắt về các triển khai mạng 5G trên thế giới (Nguồn: GSA)
Mặc dù có rất nhiều tranh luận xung quanh các mạng 5G riêng, nhà phân tích Pablo Tomasi của Omdia đã lưu ý rằng năm 2022 có thể không phải là năm chứng kiến sự khởi sắc: "5G sẽ ngày càng đóng một vai trò quan trọng, nhưng bất chấp những gì mọi người muốn, đây sẽ không phải là năm của 5G. Những gì chúng ta vẫn thấy trên thị trường là LTE riêng (private) là một công nghệ đủ tốt để giải quyết phần lớn các trường hợp ứng dụng. Vẫn còn rất nhiều điều chưa chắc chắn về những gì 5G private có thể mà LTE không thể đáp ứng", ông trao đổi trong một cuộc phỏng vấn gần đây được trang lightreading đăng tải.
Phổ tần 5G
Các trường hợp ứng dụng chính được dự kiến cho 5G gồm băng thông rộng di động nâng cao (eMBB), truyền thông độ trễ thấp siêu đáng tin cậy (URLLC), truyền thông kiểu máy quy mô lớn (mMTC) và truy cập không dây cố định (FWA) cần các kết hợp và lượng phổ tần số vô tuyến khác nhau. Có ba băng tần 5G chính: thấp (<1GHz), trung bình (1 - 6 GHz) và cao (24 - 100GHz hay còn gọi mmWave).
Phổ tần số trong băng tần thấp đáp ứng phạm vi phủ sóng rộng và khả năng thâm nhập trong nhà tốt, tốc độ và độ trễ cao hơn một chút so với tốc độ và độ trễ của mạng 4G LTE.
Phổ tần số trong băng tần trung mang lại sự kết hợp tốt giữa tốc độ (~ 100Mbps) và vùng phủ sóng, trong khi phổ mmWave băng tần cao có thể cung cấp tốc độ rất nhanh (≥1Gbps) trong các khoảng cách ngắn.
Một bước phát triển mới trong mạng 5G là việc sử dụng rộng rãi công nghệ song công phân chia theo thời gian (TDD), hoạt động tốt ở phổ băng tần trung và cao, trái ngược với công nghệ song công phân chia theo tần số (FDD), hoạt động tốt cho các tần số băng tần thấp. Ứng dụng TDD, các trạm gốc và thiết bị truyền và nhận lưu lượng sử dụng cùng một kênh tần số tại các thời điểm khác nhau, trong khi FDD là chế độ song công sử dụng các kênh khác nhau để truyền và nhận.
Một vấn đề tiềm ẩn với TDD là nhiễu bên trong và giữa các mạng, giải pháp thường là đồng bộ hóa các mạng hoạt động trong cùng một dải tần số và khu vực địa lý. Tuy nhiên, như GSMA - hiệp hội ngành đại diện cho lợi ích của các nhà mạng trên toàn thế giới - đã lưu ý, có những tác động đối với các trường hợp ứng dụng có thể được hỗ trợ theo các điều kiện/tình huống này. GSMA cho biết trong một báo cáo tháng 3/2021: “Các cơ quan quản lý cần cân nhắc điều này khi quyết định làm thế nào để cung cấp phổ tần ở các băng tần 5G TDD và các điều kiện kỹ thuật để sử dụng”.
Cho đến nay, phổ tần số ở băng tần trung và thấp - thường được gọi là “sub-6GHz” - đã được sử dụng rộng rãi nhất trong các mạng 5G, đặc biệt là phổ tần băng C nằm giữa dải tần Wi-Fi 2,4GHz và 5GHz. Tuy nhiên, mmWave, có thể cung cấp băng thông dữ liệu cao ở những nơi bị hạn chế về mặt địa lý nhưng đông dân cư như các quận thành phố, trung tâm mua sắm và sân vận động thể thao, đang bắt đầu triển khai trên khắp thế giới.
Theo GSA, 140 nhà mạng tại 25 quốc gia/vùng lãnh thổ có giấy phép cho phép xây dựng mạng 5G sử dụng phổ băng tần cao từ 24,25 GHz - 48,2 GHz. Trong số này, 28 nhà mạng tại 16 quốc gia/vùng lãnh thổ đã triển khai mạng 5G sử dụng phổ mmWave.
Vùng phủ sóng di động và tốc độ dữ liệu cao nhất trong mạng 5G có thể được cải thiện bằng một kỹ thuật gọi là Carrier Aggregation (kết hợp sóng mang), được 3GPP giới thiệu lần đầu tiên trong 4G LTE. Ở đây, các phần khác nhau của phổ được chia thành các sóng mang thành phần chính và phụ (PCC và SCC), với đường lên, điều khiển và dữ liệu người dùng được gửi trên PCC. Các tế bào mạng được chia tương tự thành PCell và SCell. Với tập hợp sóng mang, đường lên có thể hoạt động trên băng tần thấp và đường xuống trên băng tần trung hoặc cao, dẫn đến hiệu suất tổng thể tốt hơn.
Khi nói đến việc cung cấp phổ tần cho 5G, các cơ quan quản lý chủ yếu áp dụng phương thức thông thường là đấu giá các giấy phép độc quyền trên toàn quốc, mặc dù một số nhà mạng cũng đã dành một phần cho các tổ chức để xây dựng mạng 5G riêng.
Vào tháng 3/2021, GSMA đã đưa ra lập trường của tổ chức này về việc phân bổ phổ tần 5G trong một “lộ trình dành cho các nhà quản lý”:
1. 5G cần phổ tần được hài hòa mới đáng kể, vì vậy việc giải phóng các băng tần chính nên được ưu tiên để đáp ứng nhu cầu thị trường.
2. 5G cần phổ tần trên các dải tần thấp, trung và cao để mang lại vùng phủ sóng rộng khắp và hỗ trợ nhiều trường hợp sử dụng.
3. Chính phủ và cơ quan quản lý các nước nên hỗ trợ các băng tần được hài hòa mới trên trường quốc tế để giúp các dịch vụ 5G phát triển lâu dài hơn (ví dụ: UHF, 3,3-4,2GHz, 4,8GHz và 6GHz). Điều này bao gồm việc tham gia vào quá trình của Uỷ ban Vô tuyến thế giới WRC-23 để đảm bảo có đủ phổ dải tần trung bình và thấp.
4. Phổ tần được cấp phép độc quyền trên các khu vực địa lý rộng là yếu tố quan trọng đối với sự thành công của 5G.
5. Chia sẻ phổ tần và phổ tần không được cấp phép có thể đóng vai trò bổ sung cho nhau.
6. Dành phổ tần sang cho sử dụng cục bộ hoặc ngành dọc trong các băng tần ưu tiên (tức là 3,5/26/28GHz) có thể gây nguy hiểm cho sự thành công của các dịch vụ 5G công cộng và có thể lãng phí phổ tần. Các phương pháp chia sẻ như cho thuê thường là những lựa chọn tốt hơn trong những tình huống này.
7. Các chính phủ và cơ quan quản lý nên tránh tăng giá phổ tần 5G vì điều này có liên quan đến tốc độ băng thông rộng chậm hơn và phạm vi phủ sóng kém hơn. Các mối quan tâm chính là giá dự trữ quá cao, phí hàng năm, nguồn cung cấp phổ tần hạn chế (ví dụ: thông qua thiết bị hỗ trợ) và việc thiết kế đấu giá không chặt chẽ.
8. Các cơ quan quản lý nên xem xét kỹ lưỡng nhu cầu cải tiến 5G bao gồm cung cấp các băng tần bổ sung và hỗ trợ băng thông rộng hơn trong các băng tần hiện có. Các biện pháp cũng cần được thực hiện để đảm bảo giấy phép có giá cả phải chăng và được thiết kế hiệu quả.
9. Các cơ quan quản lý nên xem xét cẩn trọng các điều khoản, điều kiện và mục tiêu cấp phép phổ tần 5G phù hợp, đồng thời tham khảo ý kiến của ngành công nghiệp để tối đa hóa lợi ích của 5G cho tất cả mọi người.
10. Các chính phủ cần áp dụng các biện pháp chính sách phổ tần quốc gia để khuyến khích đầu tư dài hạn vào mạng 5G (ví dụ: giấy phép dài hạn, quy trình gia hạn, lộ trình phổ tần, v.v.)
Hệ sinh thái thiết bị 5G
Khi mạng 5G triển khai trên khắp thế giới, số lượng thiết bị có thể sử dụng mạng 5G ngày càng tăng. Theo dữ liệu GSA mới nhất (tháng 1/2022), có tổng cộng 1.257 thiết bị 5G ở 22 hệ số dạng từ 180 nhà cung cấp đã được công bố. Trong số này, 857 (68,2%) được “hiểu” là có thể bán được (tăng 21,7% theo quý).
Bảng 2: Thống kê số lượng thiết bị 5G của GSA (* máy bay không người lái, màn hình treo, robot, TV, máy ảnh, femtocell/small cell, bộ lặp, dongle/adapter, bộ chuyển mạch, một máy bán hàng và bộ giải mãi) (Dữ liệu: GSA).
Bảng 3: Thiết bị 5G nhiều nhất vẫn là điện thoại (48,8%), sau đó là FWA CPE (thiết bị tại nhà của khách hàng) (16,7%) và các module 5G (13,8%). (Dữ liệu: GSA)
Báo cáo của GSA cho biết: “Dựa trên các tuyên bố trước đây của các nhà cung cấp và tỷ lệ xuất xưởng thiết bị gần đây, chúng ta có thể kỳ vọng sẽ thấy số lượng thiết bị thương mại đạt gần mốc 1000 vào cuối quý 1/2022”.
Tất nhiên, kết quả của việc gia tăng mạng và thiết bị là có nhiều kết nối hơn. Vào tháng 5/2021, công ty phân tích CCS Insight dự báo rằng kết nối với mạng 5G sẽ đạt 670 triệu trên toàn thế giới vào cuối năm 2021 và trên đà đạt 3,6 tỷ vào năm 2025.
Bảng 4: Dự báo kết nối 5G trên toàn thế giới (Nguồn: CCS Insight)
Vào giữa thập kỷ này, CCS Insight dự báo hơn 75% điện thoại di động ở Bắc Mỹ, Tây Âu và Châu Á - Thái Bình Dương chuyển sang mạng 5G, trong khi Hàn Quốc và Trung Quốc nổi bật với tốc độ triển khai 5G hiện tại (cả hai quốc gia sẽ vượt qua mốc 20% trong năm 2021).
Công ty phân tích: “Các rủi ro trong việc triển khai 5G sẽ vẫn còn, từ việc không thể đoán trước về đại dịch toàn cầu và những bất ổn cao mà nền kinh tế thế giới đang đối mặt, đến việc thiếu hụt nguồn cung cấp linh kiện cho điện thoại thông minh và các thiết bị thông minh khác. Tuy nhiên, ngành công nghiệp di động đã vững bước trên con đường nâng cấp lên 5G và những thách thức ngắn hạn sẽ không thể cản trở bước tiến dài hạn của nó."
Tiến trình phát triển của các chuẩn 5G
3GPP là một tập hợp các tổ chức viễn thông phát triển và duy trì các tiêu chuẩn cho GSM (2G), UMTS (3G), LTE (4G) và 5G - và trong thời gian tới là 6G.
Bảng 5: Lộ trình công bố các chuẩn 5G của 3GPP (Ảnh: Ericsson)
Các chuẩn 5G của 3GPP được phát hành liên tục. Giai đoạn đầu tiên, bản phát hành 15 (Release 15), tập trung vào băng thông rộng di động nâng cao (eMBB) và giao tiếp cơ bản có độ trễ thấp siêu đáng tin cậy (URLLC), trong khi trọng tâm của Release 16, được hoàn thành sau 3 tháng trì hoãn liên quan đến đại dịch vào tháng 7/2020, đang mở rộng phạm vi các trường hợp sử dụng, bao gồm URLLC nâng cao, IoT công nghiệp và mạng riêng.
Release 16 cũng bao gồm hỗ trợ cho phổ không được cấp phép (NR-U), định vị trong nhà dựa trên 5G, liên kết phụ dựa trên NR cho giao tiếp di động giữa phương tiện di động với mọi thứ (C-V2X) và truy cập tích hợp và backhaul (IAB), cho phép các trạm gốc mmWave đóng vai trò cho cả truy cập không dây và backhaul. Các cải tiến cũng được thực hiện trong Release 16 cho MIMO đa người dùng, kiến trúc dựa trên dịch vụ (SBA) và phân chia mạng (networking slicing).
Release 17, được 3GPP mô tả là "có lẽ là bản phát hành linh hoạt nhất trong lịch sử 3GPP về mặt nội dung", ban đầu dự kiến hoàn thành vào năm 2021, nhưng đại dịch đã đẩy lùi thời hạn đến tháng 3 hoặc tháng 6/2002. Mục đích chính của Release 17 là tăng cường các trường hợp sử dụng hiện tại như băng thông rộng di động, tự động hóa công nghiệp, C-V2X và các mạng riêng, đồng thời giới thiệu các khả năng mới bao gồm các lĩnh vực như điện toán biên, kết nối vệ tinh (mạng phi mặt đất - NTN), máy bay không người lái và hỗ trợ cho mmWave ở băng tần 52,6 - 71GHz.
Release 18, với thời gian dự kiến vào tháng 3/2023, được coi là đủ quan trọng để có thương hiệu “5G Advanced” của riêng mình.
Theo 3GPP, hơn 500 bài thuyết trình đã được xem xét để xác định các chủ đề để đưa vào Release 18/5G Advanced, được nhóm lại thành “băng thông rộng di động nâng cao” (eMBB), “eMMB không nâng cao” (non-eMMB) và “các liên chức năng” cho cả eMBB và tiến hoá do non-eMBB”.
Các phát triển eMBB đáng chú ý trong Release 18 tập trung vào định dạng chùm/MIMO, hiệu quả mạng trong quá trình chuyển đổi LTE-5G và tiết kiệm điện năng mạng; những tiến bộ không phải eMBB tập trung vào việc giảm chi phí thiết bị và mức tiêu thụ điện năng (RedCap), các dịch vụ thực tế mở rộng (XR) và cải thiện khả năng kiểm soát máy bay không người lái và phát hiện máy bay không người lái giả mạo; chức năng trong Release 18 nhắm mục tiêu đến cả trường hợp ứng dụng eMBB và non-eMBB bao gồm việc sử dụng AI/ML để cải thiện hiệu suất của cả lớp truy cập vô tuyến và vật lý cũng như tính khả thi của song công trên các dải tần TDD.
Con đường tới 6G
Khi các mạng độc lập ra mắt, phổ tần mới sẽ khả dụng và hệ sinh thái thiết bị phát triển, việc triển khai 5G đang vượt ra ngoài phạm vi truy cập không dây cố định và băng thông rộng di động nâng cao, đồng thời bắt đầu cho phép nhiều trường hợp sử dụng hơn. Nhưng vẫn còn một chặng đường dài phía trước.
