Viễn cảnh truyền thông không dây 6G (Phần 1)

Tổng khối lượng lưu lượng trong năm 2010 đã là 7,462 EB/tháng và dự báo lưu lượng này sẽ đạt đến 5016 EB/tháng vào năm 2030. Dự báo này cho thấy tầm quan trọng của việc cần thiết cải thiện các hệ thống truyền thông. Các hệ thống tự động ngày càng trở nên phổ biến trong mọi lĩnh vực cuả xã hội như công nghiệp, y tế, giao thông đường bộ, hàng không. Để cung cấp các hệ thống thông minh và tự động, hàng triệu các bộ cảm biến sẽ được lắp đặt trong các thành phố, các xe ô tô, các nhà ở, các cơ sở công nghiệp, các đồ chơi và các môi trường khác. Vì thế cần có tốc độ số liệu cao với kết nối tin cậy để hỗ trợ các ứng dụng này.

Tại một số vùng của thế giới, các mạng không dây 5G đã được triển khai. Kỳ vọng trong năm 2020, có thể 5G sẽ được triển khai trên toàn thế giới. Dự báo khoảng 65% dân số thế giới có thể truy nhập vào mạng 5G vào cuối năm 2025. Các mạng 5G sẽ cung cấp các tính năng mới và chất lượng dịch vụ tốt hơn so với các mạng 4G. Các mạng 5G sẽ cung cấp rất nhiều các loại dịch vụ khác nhau bao gồm: Băng rộng di động tăng cường (eMBB), Truyền thông siêu tin cậy trễ thấp (URLLC), Truyền thông kiểu máy số đông (mMTC). Công nghệ 5G đưa vào một số kỹ thuật bổ sung mới như các băng tần mới (chẳng hạn sóng mm và phổ quang), quản lý và sử dụng phổ nâng cao và tích hơp các băng tần cần được cấp phép và không cần cấp phép. 

Mặc dù các hệ thống truyền thông 5G sẽ cung cấp các cải thiện đáng kể so với các hệ thống trước nó, nhưng chúng không thể thực hiện các yêu cầu của các hệ thống tự động và thông minh tương lai sẽ xuất hiện sau 10 năm nữa. Các mạng 5G sẽ không có đủ dung lượng cho một mạng hoàn toàn tự động và thông minh để cung cấp mọi thứ như là một dịch vụ và trải nghiệm thực tế ảo. Sự phát triển nhanh của các hệ thống tự động đặt trọng tâm vào số liệu có thể vượt quá các khả năng của các hệ thống 5G. Một số thiết bị như các thiết bị thực tế ảo sẽ vượt quá khả năng của sau 5G (B5G: Beyond 5G) vì chúng đòi hỏi tốc độ số liệu tối thiểu 10 Gbs. Vì thế cùng với việc đạt giới hạn đỉnh của 5G vào năm 2030, các tài liệu đã bắt đầu đề cập đến các mục tiêu thiết kế cho các bước tiếp theo của nó.

Để khắc phục các hạn chế của 5G nhằm hỗ trợ các yêu cầu mới, cần phát triển một hệ thống không dây thế hệ 6 (6G) với các tính năng hấp dẫn mới. Các động lực chính của 6G sẽ là sự hội tụ của tất cả các tính năng cũ như mật độ mạng cao, thông lượng cao, độ tin cậy cao, tiêu thụ công suất thấp và kết nối số đông. 6G cũng sẽ tiếp tục xu thế của các thế hệ trước như đưa ra các dịch vụ mới cùng với các công nghệ bổ sung mới. Các dịch vụ mới bao gồm AI, các thiết bị đeo thông minh, các thiết bị cấy trên người, giao thông tự động, các thiết bị thực tế ảo, cảm biến và lập bản đồ 3D. Yêu cầu quan trọng nhất đối với các mạng 6G là khả năng xử lý khối lượng lớn số liệu và kết nối tốc độ số liệu cao trên một thiết bị.

Hệ thống truyền thông không dây 6G sẽ tăng QoS nhiều lần so với 5G cùng với một số tính năng hiện có. Nó sẽ bảo vệ hệ thống và đảm bảo an ninh số liệu người dùng. Nó sẽ cung cấp các dịch vụ tiện lợi. Hệ thống truyền thông không dây 6G được kỳ vọng là một phương tiện truyền thông toàn cầu. Nó được dự kiến đạt tốc độ vào khoảng 1Tb/s trong nhiều trường hợp. 6G được kỳ vọng đảm bảo kết nối đồng thời 1000 lần cao hơn 5G.

Ngoài ra nó cũng được kỳ vọng đảm bảo kết nối cự ly rất xa với độ trễ chỉ 1 ms. Tính năng hấp dẫn nhất của 6G là đảm bảo hỗ trợ hoàn toàn AI cho các hệ thống tự lái. Trong truyền thông 6G, dự tính lưu lượng kiểu video sẽ nổi trội. Các công nghệ quan trọng nhất đóng vai trò động lực cho 6G sẽ là băng terahertz (THz), AI, truyền thông không dây quang (OWC: optical wireless communications), nối mạng 3D, thiết bị bay không người lái (UAV: unmanned aerial vehicle) và chuyển công suất không dây.

Các xu thế trong truyền thông di động

Ngay từ khi bắt đầu hệ thống truyền thông di động tương tự đầu tiên vào các năm 1980, hầu như cứ 10 năm lại có một thế hệ các hệ thống truyền thông di động mới được đưa ra. Sự chuyển đổi từ thế hệ này sang thế hệ khác cải thiện các số đo QoS, bao hàm cả các dịch vụ mới và đảm bảo các tính năng mới. Trong 10 năm gần đây, lưu lượng số liệu tăng khủng khiếp do việc đưa ra các thiết bị thông minh và truyền thông M2M (máy đến máy). Hinh 1 cho thấy sự tăng trưởng hàm mũ của các kết nối di động. Dự báo lưu lượng năm 2030 sẽ tăng gấp 670 lần so với năm 2010.

ITU dự báo rằng đến cuối năm 2030 tổng khối lượng lưu lượng số liệu di động sẽ vượt quá 56 EB trên tháng. Số lượng thuê bao sẽ đạt đến 17,1 tỷ so với 5,32 tỷ trong năm 2010. Khối lượng lưu lượng cho từng thuê bao cũng sẽ tăng (Hình 2). Khối lượng lưu lượng cho từng thuê bao trong năm 2010 là 5,3 GB trên tháng. Tuy nhiên khối lượng này sẽ tăng 50 lần vào năm 2030. Số lượng đăng ký M2M sẽ tăng 33 lần trong năm 2020 và 455 lần trong năm 2030. Bảng 1 cho thấy một số so sánh về sử dụng kết nối di động trong các năm 2010, 2020 và 2030.

UM-MIMO BS (Ultra-Massive MIMO base station): trạm gốc nhiều anten phát thu mật độ siêu cao, sCell-RAN (Small cell Radom Access Network): mạng truy nhập ngẫu nhiên ô nhỏ, X/V/A/MR (Extended, Virtual, Augmented/Mixed): thực tế mở rộng/ ảo/tăng cường/pha trộn, VLC (Visible Light Communication): truyền thông ánh sáng nhìn được, sCell BS (sCell Base Station): trạm gốc ô nhỏ, sCell-AP (Small Cell Access Point): điểm truy nhập ô nhỏ, SDN/NFV (Software Defined Networking/Network Function Virtualization): Nối mạng được định nghĩa bằng phần mềm/ảo hóa phần tử mạng, UAV (Unmanned Aerial Vehicle): thiết bị bay không người lái, UAV (Drone) BS : trạm gốc đặt trên UAV (Drone), BCI (Brain Commputer Interface): giao diện não - máy tính, AI (Artificial Intellegence): trí tuệ nhân tạo, M2M (Machine to Machine): máy đến máy, M2H (Machine to Human): máy đến người, FSO (Free Space Optical): quang trong không gian tự do, eHealth (Electonic Health): chăm sóc sức khỏe điện tử, GEO (Geostationary Satellite): vệ tinh địa tĩnh, LEO (low earth orbit satellite): vệ tinh quỹ đạo trái đất tầm thấp, HAPS (High altitude Pseudo Satellite): vệ tinh độ cao ngẫu nhiên.

Mới đây các mối quan tâm của nghiên cứu đã chuyển đến các phương pháp thích ứng và trí tuệ với trọng tâm là số liệu. Các mạng không dây 5G tới đây sẽ xây dựng nền tảng của các mang trí tuệ nhằm đảm bảo cho các hoạt động của AI. Dự báo đến năm 2030 dung lượng 5G sẽ đạt đến giới hạn của nó. Khi này chỉ có mạng 6G mới đảm bảo quản lý và thích ứng cho mạng hoàn toàn trí tuệ để cung cấp các dịch vụ tiên tiến. 

Các nhà nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu truyền thông 6G sẽ như thế nào vào năm 2030. Họ cũng đang xem xét các động lực có thể có đối với truyền thông không dây 6G. Một số xu thế động lực quan trọng cho phát triển 6G như sau: tốc độ bit cao, độ tin cậy cao, trễ thấp, hiệu suất năng lượng, hiệu suất tần phổ, phổ tần mới, truyền thông xanh, các mạng trí tuệ, khả dụng mạng và hội tụ truyền thông, địa phương hóa, điện toán, điều khiển và cảm biến. 6G sẽ là một hệ thống toàn cầu hoàn được kết nối và số hóa hoàn toàn. Nó sẽ thúc đẩy Cách mạng công nghiệp 4.0

Các viễn cảnh và ứng dụng

Trong tương lai, tất cả sẽ được tích hợp vào các hệ thống truyền thông không dây 6G. Tất cả các thiết bị, quản lý, xử lý tín hiệu lớp vật lý, quản lý tài nguyên và truyền thông dựa trên dịch vụ … sẽ được tích hợp bằng cách sử dụng AI. Nó sẽ thúc đẩy Cách mạng công nghiệp 4.0 là sự chuyển đổi số của quá trình sản xuất của công nghiệp. Hình 3 cho thấy viễn cảnh của kịch bản kiến trúc truyền thông 6G. Dưới đây ta sẽ xét ngắn gọn các viễn cảnh và các ứng dụng của truyền thông 6G.

Xã hội siêu thông minh

Các tính năng vượt trội của 6G sẽ đẩy nhanh quá trình xây dựng các xã hội siêu thông minh dẫn đến các cải thiện chất lượng cuộc sống, giám sát môi trường và tự động hóa bằng cách sử dụng truyền thông M2M dựa trên AI và tự thu thập năng lượng (energy harvesting). Kết nối không dây 6G sẽ làm cho xã hội của chúng ta trở nên siêu thông minh thông qua việc sử dụng các thiết bị di động thông minh, xe cộ tự hành… Ngoài ra rất nhiều thành phố sẽ triển khai các taxi bay dựa trên công nghệ không dây 6G. Các căn nhà thông minh sẽ trở thành hiện thực nhờ điều khiển từ xa bằng các lệnh phát đi từ các thiết bị thông minh.

Mở rộng môi trường truyền thông

Ngày nay, môi trường truyền thông có mặt ở khắp mọi nơi giống như không khí quanh ta và cần thiết như điện và nước. Các tòa nhà cao tầng, các drone, các ô tô bay, các máy bay và thậm chí không gian vũ trụ sẽ là các vùng hoạt động đương nhiên và không chỉ mặt đất mà cả bầu trời, không gian vũ trụ sẽ là các vùng truyền thông không thể thiếu. Nhu cầu đối với các vùng truyền thông trên biển và dưới biển không ngừng tăng. Do các nhu cầu của các mạng cảm biến, các xí nghiệp không cần con người, và các công trình xây dựng không cần con người, nên cũng cần xây dựng một vùng truyền thông trong môi trường không có con người. Vì vậy mọi nơi trên mặt đất, bầu trời, biển cả sẽ trở thành một vùng truyền thông.

Truyền thông giữa người và các vật dụng

Các chức năng tiên tiến như các thiết bị XR (VR, AR, MR), các ảnh độ phân giải cao và các ảnh toàn kỳ (holograph) lớn hơn 8K và các truyền thông ngũ giác quan, trong đó có xúc giác sẽ phát triển mạnh mẽ và truyền thông giữa con người và giữa con người và vật dụng sẽ trở nên phong phú và siêu thực. Vì thế các dịch vụ giải trí mới và các dịch vụ doanh nghiệp (enterprise service), xem các môn thể thao… sẽ được cung cấp mọi nơi, mọi lúc. Nhờ sự phổ biến và phát triển nhanh chóng của các dịch vụ IoT, yêu cầu đối với truyền thông của các vật dụng sẽ trở nên rất lớn. Vì thế cần có truyền thông tốc độ cao, trễ thấp để đáp ứng yêu cầu xử lý khối lượng số liệu lớn (bao gồm các ảnh độ phân giải cao và điều khiển thiết bị) vượt quá khả năng của con người.

Kết hợp giữa mạng máy tính (cyber) và môi trường vật lý - CPF (cyber-physical fusion) ngày càng hoàn thiện

Rất nhiều dịch vụ sử dụng CPF sẽ được tạo ra trong thập niên 2020 và sẽ được sử dụng trong tất cả các môi trường, nhưng sẽ cần CPF tiên tiến hơn trong thập niên 2030. Bằng cách phát và xử lý khối lượng thông tin lớn không trễ giữa không gian mạng máy tính (cyberspace: không gian cyber) và không gian vật lý, hai không gian này sẽ ngày càng được kết hợp chặt chẽ hơn và cuối cùng có thể lấp kín khoảng trống giữa hai không gian này. 

Đối với con người, không gian cyber có thể hỗ trợ suy nghĩ và hành động của con người trong thời gian thực thông qua các thiết bị đeo và các vi thiết bị cài cắm trên cơ thể con người. Tất cả các vật thể như các thiết bị vận tải bao gồm các xe ô tô, máy xây dựng, máy công cụ, các camera giám sát và các bộ cảm biến khác nhau sẽ được liên kết vào không gian cyber. Chúng sẽ hỗ trợ an toàn và an ninh, các giải pháp cho các vấn đề xã hội và cuộc sống phong phú của con người.

Thực tế mở rộng

Các dịch vụ thực tế mở rộng (XR: extended reality) bao gồm thực thế tăng cường (AR: augmented reality), thực tế pha trộn (MR: mixed reality) và thực tế ảo (VR: virtual reality) là các tính năng rất quan trọng của các hệ thống truyền thông 6G. Tất cả các tính năng này là các đối tượng của 3D và AI vì chúng là các phần tử động lực quan trọng. 

Ngoài việc đảm bảo các yêu cầu cảm nhận về tính toán, tự nhận biết, lưu trữ, giác quan, và sinh lý học, 6G sẽ đảm bảo trải nghiệm AR/MR/VR giống như thực tế bằng cách tích hợp thiết kế liên kết và kết nối không dây 6G chất lượng cao. VR là trải nghiệm 3D được phỏng tạo bởi máy tính trong đó các công nghệ máy tính sử dụng các thiết bị đeo trên đầu để tạo nên một thế giới ảo giống như thật. Các bộ đeo này tạo ra cảm giác thực và thay thế môi trường thực hoặc tạo ra thế giới ảo. 

Một môi trường thực sự VR phải kết hợp được tất cả 5 giác quan. AR là quang cảnh thực của một thế giới thực tế vật lý với các chi tiết được tăng cường bởi các đầu vào cảm biến được xử lý bởi máy tính như số liệu về âm thanh, video, thị giác, và GPS (hệ thống định vị toàn cầu). Nó sử dụng thực tế hiện thời và bổ sung cho nó bằng các sử dụng một thiết bị nào đó. MR hòa nhập thế giới thực tại và thế giới ảo tạo ra một bầu không khí mới và các mường tượng mới để tương tác trong thời gian thực. MX đôi khi được gọi là thực tế lai ghép. 

Một đặc trưng quan trọng của MX là các nội dung của thế gới thực và thế giới nhân tạo có thể đáp ứng với nhau trong thời gian thực. XR bao trùm tất cả: các môi trường kết hợp thực và ảo, và các tương tác người - máy được tạo ra bởi công ngệ máy tính và các thiết bị đeo. Nó bao gồm tất cả các dạng để mô tả nó như AR, VR và MR. Nó kết hợp chung các thuật ngữ AV, VR và MR vào một thuật ngữ. Kết nối không dây tốc độ số liệu cao, trễ thấp và tin cậy cao trong hệ thống 6G là các nhân tố quan trọng cho một trải nghiệm XR (AR, VR và MR) đích thực.

Các hệ thống robot và tự hành được kết nối

Hiện nay nhiều nhà nghiên cứu công nghệ ô tô đang nghiên cứu các xe ô tô tự hành và được kết nối. Các hệ thống 6G sẽ hỗ trợ phát triển các robot được kết nối và các hệ thống tự hành. Hệ thống UAV đưa hàng là một thí dụ của các hệ thống này. Vận tải và xe tự hành có thể thay đổi đáng kế cách sống hàng ngày của chúng ta. Hệ thống 6G có thể thúc đẩy triển khai thực sự các xe tự hành. Xe tự hành sẽ nhận biết môi trường xung quanh nó bằng cách kết hợp nhiều loại cảm biến khác nhau như LiDAR (Light detection and Ranging: đo khoảng cách dựa trên chiếu xạ ánh sáng), radar, sonar (đo khoảng cách bằng sóng âm), odometry (đánh giá sự thay đổi vị trí dựa trên sự di chuyển của các bộ cảm biến) và các IMU (inertial measurement unit: các bộ đo gia tốc và độ xoay để xác định vị trí). Hệ thống 6G sẽ hỗ trợ kết nối tin cậy giữa xe đến mọi thứ (vehicle-to-everything) và giữa xe đến server (vehicle-to server).

UAV là một kiểu của máy bay không người lái. Các mạng 6G sẽ hỗ trợ bộ điều khiển mặt đất và các cuộc truyền thông của hệ thống giữa UAV với mặt đất. Các UAV được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như quân sự, thương mại, khoa học, nông nghiệp, vui chơi giải trí, an ninh trật tự, giao hàng, giám sát, chụp ảnh trên không trung, quản lý thảm họa và đua drone (drone racing). Ngoài ra UAV còn được sử dụng để phát quảng bá không dây và truyền dẫn tốc độ cao khi không có trạm gốc hoặc nó không hoạt động.

Tương tác không dây giữa não và máy tính

Giao diện não - máy tính (BCI: brain-computer interface) là một phương pháp để điều khiển các đồ dùng và dụng cụ được sử dụng hàng ngày trong các xã hội thông minh, nhất là các đồ dùng và dụng cụ được sử dụng trong gia đình và trong các hệ thống y tế. Đây là truyền thông trực tiếp giữa não bộ và các thiết bị bên ngoài. BCI bắt các tín hiệu của não bộ phát đến một thiết bị số, phân tích và chuyển đổi chúng vào các lệnh hay các hành động. Các tính năng của truyền thông 6G sẽ hỗ trợ việc các thực hiện thực sự hệ thống BCI để tạo ra một cuộc sống thông minh.

Giao tiếp xúc giác (Haptic communication)

Haptic communication là giao tiếp không dùng lời nói mà thông qua cảm ứng xúc giác (haptic hay touch: chạm, sờ). Truyền thông 6G sẽ hỗ trợ giao tiếp xúc giác; người dùng từ xa có thể nhận được trải nghiệm xúc giác thông qua một hệ thống tương tác thời gian thực. Các tính năng cao hơn của các mạng truyền thông 6G sẽ hỗ trợ thực hiện các hệ thống haptic.

Chăm sóc sức khỏe thông minh

Các hệ thống chăm sóc sức khỏe y tế cũng sẽ hưởng lợi từ các hệ thống 6G vì các sự đổi mới như AR/VR, hiển diện từ xa holographic, điện toán biên (edge computing) và AI sẽ hỗ trợ xây dựng các hệ thống chăm sóc sức khỏe thông minh. 6G sẽ hỗ trợ hệ thống giám sát từ xa tin cậy trong các hệ thống chăm sóc sức khỏe thông minh. Phẫu thuật từ xa có thể được thực hiện nhờ truyền thông 6G. Hệ thống 6G tốc độ số liệu cao, trễ thấp và siêu tin cậy sẽ hỗ trợ truyền tải các khối lượng lớn số liệu y tế nhờ vậy có thể cải thiện thực hiện chăm sóc và chất lượng chăm sóc.

Tự động hóa và sản xuất

6G sẽ đảm bảo tự động hóa hoàn toàn dựa trên AI. Thuật ngữ tự động hóa đề cập đến điều khiển tự động các quá trình, các thiết bị và các hệ thống. Các hệ thống tự động hóa 6G sẽ đảm bảo truyền thông tin cậy, khả định cỡ và an ninh cao bằng cách sử dụng các mạng truyền thông tốc độ số liệu cao và trễ thấp. Hệ thống 6G cũng đảm bảo tính toàn vẹn vì nó đảm bảo chuyển số liệu không lỗi, không mất số liệu giữa phát và thu.

Truyền thông tin của 5 giác quan

Để trải nghiệm thế giới xung quanh, con người sử dụng 5 giác quan: thính giác, thị giác, khứu giác, vị giác và xúc giác. Các hệ thống truyền thông 6G sẽ chuyển từ xa các số liệu nhận được từ 5 giác quan này. Công nghệ này sử dụng quá trình thần kinh thông qua việc tích hợp các giác quan từ cơ thể người và môi trường xung quanh và sử dụng cơ thể một cách hiệu quả trong môi trường này và hoàn cảnh địa phương. Công nghệ BCI sẽ hỗ trợ hiệu quả ứng dụng này.

Internet mọi thứ (IoE: Internet of Everthing)

Internet mọi thứ là sự tích hợp liền mạch và kết hợp tự động giữa một số lượng rất lớn của các phần tử điện toán và các bộ cảm biến, các đối tượng hay các thiết bị, con người, các quá trình và số liệu bằng cách sử dụng hạ tầng Internet. 6G sẽ đảm bảo hỗ trợ IoE đầy đủ. IoE là một khái niệm mở rộng của IoT, nó là thuật ngữ bao trùm tích hợp bốn thuộc tính trong cùng một khung như: số liệu, con người, các quá trình và các thiết bị vật lý. IoT nói chung đề cập đến các thiết bị vật lý, các đối tượng vật lý và truyền thông giữa chúng với nhau, nhưng IoE đưa ra trí tuệ để kết hợp con người, số liệu, các quá trình và các đối tượng vật lý vào một hệ thống. IoE sẽ được sử dụng cho các xã hội thông minh như ô tô thông minh, chăm sóc sức khỏe thông minh và các cơ sở công nghiệp thông minh.

(Còn tiếp)

(Bài đăng ấn phẩm in Tạp chí TT&TT số 13+14 tháng 10/2020)

B.S.TS Nguyễn Phạm Anh Dũng