Tài liệu Nghiên cứu các ứng dụng và đánh giá chất lượng bộ tiền mã hóa sử dụng trong công nghệ mimo của mạng 5g

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI 60520203 NGHIÊN CỨU CÁC ỨNG DỤNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG BỘ TIỀN MÃ HÓA SỬ DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ MIMO CỦA MẠNG 5G HỌC VIÊN THỰC HIỆN: ĐỖ ANH TUẤN HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN THÚY ANH Hà Nộ , ……/……… LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những gì viết trong luận văn là do sự tham khảo, tìm tòi, học hỏi của bản thân và sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS. Nguyễn Thúy Anh. Mọi kết quả nghiên cứu cũng như ý tưởng của tác giả khác (nếu có) đều được trích dẫn cụ thể. Đề tài luận văn này cho đến nay chưa được bảo vệ tại bất kỳ một hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ nào và cũng chưa hề được công bố trên bất kỳ một phương tiện nào. Tôi xin chịu trách nhiệm về những lời cam đoan trên! Hà nội, ngày tháng năm 2021 Người cam đoan Đỗ Anh Tuấn 2 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành cuốn luận văn này, trước tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành của mình đến PGS.TS. Nguyễn Thúy Anh đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài luận văn. Tôi chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa, các Thầy Cô giáo Khoa Công nghệ Điện tử Thông tin Trường Đại học Mở Hà Nội. Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả những người thân của tôi đã quan tâm động viên và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Với khả năng nghiên cứu của bản thân còn nhiều thiếu sót, tôi xin kính mong được sự chỉ dẫn và đóng góp của các chuyên gia, các Thầy Cô và các bạn đồng nghiệp để đề tài này được hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! 3 LỜI NÓI ĐẦU Trong xu hướng phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp 4.0 trên thế giới, các ứng dụng trên điện thoại di động hiện nay đã chiếm một vị trí rất quan trọng trong các loại hình dịch vụ gia tăng. Các tập đoàn và công ty viễn thông đang cố gắng phát triển các dịch vụ gia tăng để cung cấp nhiều hơn nữa những tiện ích cho khách hàng đồng thời mang lại nguồn lợi nhuận lớn hơn, bên cạnh đó giúp lực lượng an ninh thực hiện các biện pháp nghiệp vụ góp phần giữ gìn an ninh Quốc gia. Đặc biệt, thông tin liên lạc nói chung và ngành thông tin vô tuyến nói riêng đang ở vào kỉ nguyên phát triển mạnh mẽ, vượt trội về cả hạ tầng phần cứng cũng như những nghiên cứu chuyên sâu về toán ứng dụng để áp dụng vào mô hình hệ thống và tối ưu phần mềm, giao diện của ngành viễn thông. Cùng với đó, nhu cầu sử dụng các ứng dụng truyền tin, giao tiếp không dây gia tăng về cả số lượng thiết bị, hình thức kết nối và cả chất lượng kết nối thông tin, công nghệ 4G LTE với 8 anten được trang bị tại trạm gốc đã làm rất tốt việc nâng cấp khả năng truyền dữ liệu trên 200Mb/s, tuy nhiên như thế vẫn là chưa đủ với các ứng dụng của Internet vạn vật (IoT), thực tế ảo (VR), truyền video chuẩn 4K và cao hơn cũng như nhiều ứng dụng khác sẽ được phát triển trong tương lai. Công nghệ viễn thông thế hệ thứ 5, với tên gọi 5G là xu thế tất yếu, nó đã và đang được phát triển, đề xuất nhằm giải quyết những nhu cầu ngày càng cao của cuộc sống Trong lĩnh vực an ninh, việc nghiên cứu, hiểu rõ các ứng dụng, vấn đề và các công nghệ ứng dụng trong mạng 5G có vai trò quan trọng. Đặc biệt vấn đề quản lý, bảo vệ hạ tầng mạng viễn thông, cũng như kiểm soát, theo dõi đối tượng là các thuê bao phục vụ cho mục đích xấu, ảnh hưởng mục đích chính trị…. Các trinh sát sử dụng thông tin viễn thông, di động khi thực hiện nhiệm vụ trong một số tình huống như chiến đấu, cứu hộ trong thảm họa, phòng chống khủng bố,… mang đến lợi ích to lớn trong an toàn an ninh thông tin và bảo vệ an ninh quốc gia. 4 Trước nhu cầu thực tiễn đó, việc “ Nghiên cứu các ứng dụng và đánh giá chất lượng bộ tiền mã hóa sử dụng trong công nghệ MIMO của mạng 5G” là vấn đề mang tính cấp thiết, khoa học và thực sự có ý nghĩa trong việc quản trị, khai thác và kinh doanh của các nhà mạng cũng như công tác nghiệp vụ của an ninh quốc gia. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới giảng viên hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn Thúy Anh, cũng như cán bộ phản biện, các thành viên hội đồng bảo vệ luận văn tốt nghiệp. Công nghệ MIMO của mạng 5G là một công nghệ mới, chưa có nhiều tài liệu tiếng Việt, vì vậy luận văn này chủ yếu dựa vào tài liệu nước ngoài với nhiều từ ngữ chuyên ngành mới được dịch lại từ tiếng Anh (làm cho nhiều nội dung có thể chưa hoàn toàn được rõ nghĩa). Kính mong các thầy cô góp ý thêm. Hà Nội, ngày……..tháng…….năm……. Sinh viên Đỗ Anh Tuấn 5 TÓM TẮT Luận văn tập trung tìm hiểu về hệ thống viễn thông, xu hướng mạng 5G, và đặc biệt nghiên cứu các ứng dụng và đánh giá chất lượng bộ tiền mã hóa (gồm kỹ thuật tách tín hiệu tuyến tính) trong mạng 5G; đưa ra ưu điểm, nhược điểm kỹ thuật tách tín hiệu và mô hình mô phỏng ứng dụng trong công nghệ MIMO. Luận văn được chia thành 04 nội dung chính, gồm: PHÂN TÍCH YÊU CẦU ĐỀ TÀI VÀ GIỚI THIỆU TỔNG QUAN: Chương này sẽ trình bày mục đích, yêu cầu và lý do việc nghiên cứu, phân tích công nghệ MIMO là cấp thiết. Tiếp theo, giới thiệu về mô hình viễn thông cơ bản để có cái nhìn tổng quan về quá trình phát triển, những tồn tại trong mội trường truyền dẫn vô tuyến, viễn thông, trong đó sẽ trình bày cụ thể công nghệ 5G (Mô hình viễn thông cơ bản; Môi trường truyền dẫn vô tuyến; Hiện tượng Fading; Giới thiệu công nghệ MIMO trong mạng 5G) Chương 1 - HỆ THỐNG MIMO: Chương này sẽ trình bày các nội dung trong công nghệ MIMO (Công nghệ MIMO và MU MIMO; Hệ thống Massive MIMO; Các ứng dụng trong công nghệ MIMO của mạng 5G;Truyền dữ liệu đường xuống) . Chương 2 - PHÂN TÍCH CHẤT LƯỢNG BỘ TIỀN MÃ HÓA (KỸ THUẬT TÁCH TÍN HIỆU TUYẾN TÍNH): (Bộ tiền mã hóa ZF; Bộ tiền mã hóa MMSE; Tốc độ truyền dữ liệu đạt được). Chương 3 - MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG MIMO TRÊN MATLAB Kết luận, tổng kết lại những công việc đã thực hiện được trong luận văn và đề xuất hướng phát triển tiếp theo. 6 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ______________________________________________02 LỜI CẢM ƠN _________________________________________________03 LỜI NÓI ĐẦU_________________________________________________04 TÓM TẮT ___________________________________________________06 MỤC LỤC ___________________________________________________07 PHÂN TÍCH YÊU CÂU ĐỀ TÀI VÀ GIỚI THIỆU TỔNG QUAN _____08 • • • • • • • • • Đặt vấn đề ____________________________________________08 Phân tích lý do__________________________________________09 Phạm vi đối tượng nghiên cứu______________________________10 Lịch sử và mô hình viễn thông cơ bản________________________10 Viễn thông trong xu thế cách mạng công nghiệp mới ____________13 Viễn thông trong công tác an ninh, quốc phòng ________________17 Môi trường truyền dẫn vô tuyến_____________________________18 Hiện tượng Fading_______________________________________19 Giới thiệu công nghệ MIMO trong mạng 5G___________________22 CHƯƠNG 1. HỆ THỐNG MIMO_________________________________25 1.1. Công nghệ MIMO và MU MIMO__________________________25 1.2. Hệ thống Massive MIMO_________________________________35 1.3. Các lợi ích, ứng dụng trong công nghệ MIMO của mạng 5G______37 1.4. Truyền dữ liệu đường xuống _____________________________38 1.5 Kết luận chương ________________________________________40 CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH CHẤT LƯỢNG BỘ TIỀN MÃ HÓA (KỸ THUẬT TÁCH TÍN HIỆU TUYẾN TÍNH) _________________________41 2.1. Bộ tiền mã hóa MMSE và ZF _____________________________41 2.2. Bộ tiền mã hóa MRT____________________________________42 2.3. Tốc độ truyền dữ liệu đạt được ____________________________43 2.4. Kết luận chương________________________________________47 CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG MIMO TRÊN MATLAB ____________________________________________________48 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ___________________________54 PHỤ LỤC 1 (Source Matlab Code) ________________________________56 DANH MỤC HÌNH ẢNH________________________________________63 DANH SÁCH THUẬT NGỮ _____________________________________64 KÍ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN__________________________65 TÀI LIỆU THAM KHẢO________________________________________66 7 PHÂN TÍCH YÊU CÂU ĐỀ TÀI VÀ GIỚI THIỆU TỔNG QUAN • Đặt vấn đề Trong tình hình hiện nay, khi các thiết bị viễn thông, thiết bị thông minh đã và đang được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống và nhiều ngành nghề trong xã hội với số lượng tăng cấp số nhân từng ngày, dẫn tới việc gia tăng lưu lượng dữ liệu di động tốc độ rất nhanh. Căn cứ vào báo cáo dự báo tăng trưởng dữ liệu di động của Cisco, được mô phỏng qua biểu đồ Hình A dưới đây, lưu lượng dữ liệu di động sẽ tăng gấp gần 8 lần từ năm 2017 đến năm 2022 (chiếm phần lớn là khu vực Chấu Á) và tốc độ tăng trưởng hàng năm vào khoảng 50%, có nghĩa gần 78 Exabytes có thể đạt được môi tháng vào 2022; với số lượng lớn là các thiết bị thông minh sử dụng, được theo dự báo tại Hình B. Hình A. Dự báo tình hình lưu lượng dữ liệu di động theo khu vực 8 Hình B. Dự báo tình hình tăng trưởng của thiết bị di động trên thế giới Vì vậy, các mạng băng rộng di động trên thế giới và đặc biệt là khu vực Châu Á (trong đó có Việt Nam) sẽ bị quá tải khi phải đáp ứng nhu cầu lưu lượng dữ liệu quá lớn. Từ đó, nhu cầu đặt ra để triển khai các dịch vụ di động đa dạng, đặc thù và đảm bảo các yêu cầu về chất lượng cho các mạng và thiết bị viễn thông thế hệ tiếp theo, cũng như về băng thông, độ trễ là cấp thiết (nhằm phục vụ cho các ứng dụng: truyền phát video với công nghệ Ultra HD, điện toán đám mây, AR, Internet vạn vật (IoT)…). Việc đảm bảo tốc độ dữ liệu lớn cho mọi vị trí, địa điểm, đòi hỏi việc phát triển các dịch vụ di động, thành phần và công nghệ mới cần mang tính đột phá. Dó đó, tầm quan trọng của việc sử dụng công nghệ MIMO (đặc biệt là Massive MIMO) là rất lớn, cụ thể là khi được kết hợp với femto cells và mmWaves sẽ trở thành giải pháp hoàn thiện cho hệ thống thông tin di động 5G. • Phân tích lý do Nhờ vào những ưu điểm vượt trội của công nghệ đa anten, nhiều đầu vào và nhiều đầu ra (MIMO – Multiple Input Multiple Output) mà công nghệ này 9 ngày càng trở nên phổ biến và được ưu tiên nghiên cứu, phát triển rộng rãi nhằm ứng dụng cho nhiều dự án thuộc lĩnh vực viễn thông, vô tuyến… Một trong những ưu điểm lớn nhất của công nghệ MIMO là khả năng nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần vô tuyến bằng cách ghép kênh không gian nhằm tăng dung lượng và phân tập không gian giúp tăng chất lượng hệ thống. Bên cạnh đó, MIMO còn cung cấp độ lợi “array gain” nhằm tăng cường khả năng chống nhiễu và tăng vùng phủ sóng của hệ thống vô tuyến. Vì vậy, ta có thể thấy việc cải thiện dung lượng và chất lượng của hệ thống vô tuyến mà không cần phải tăng công suất hay băng tần sẽ được xử lý hiệu quả bởi MIMO. Hơn nữa, trong tình hình quá tải của các mạng băng rộng di động trên thế giới hiện nay, thì công nghệ MIMO (đặc biệt là Massive MIMO) sẽ là giải pháp kịp thời cho các các ứng dụng thông tin vô tuyến đạt tốc độ và chất lượng cao như: WLAN IEEE 802.11, các chuẩn thông ti di động 3GPP2 UMB (Ultra Mobile Broadband), 4G, 5G... Qua bài luận văn này, tôi sẽ tập trung trình bày những tìm hiểu của mình về hệ thống MIMO nói chung cũng như phân tích chất lượng bộ tiền mã hóa trước khi mô phỏng hệ thống MIMO trên Matlab để chứng minh các ưu điểm và khả năng của nó (đặc biệt về hệ thống m-MIMO đơn tế bào (đơn cell) mà không có ảnh hưởng của thành phần nhiễu liên cell tới hệ thống). Từ đó tiếp tục nghiên cứu, rút kinh nghiệm để cải thiện và phát triển hệ thống cho ra các kết quả tối ưu nhất. • Phạm vi đối tượng nghiên cứu Trong phạm vi luận văn này, tôi xin phép được nghiên cứu các vấn đề sau: - Công nghệ MIMO và Massive MIMO với các lợi ích, ứng dụng khi triển khai trên mạng 5G. - Phân tích chất lượng bộ tiền mã hóa (qua MMSE, ZF và MRT). - Xây dựng mô phỏng hệ thống MIMO trên Matlab. - Kết quả, đánh giá và hướng phát triển. • Lịch sử và mô hình viễn thông cơ bản Lịch sử và tổng quan về viễn thông: Viễn thông là một thuật ngữ liên quan tới việc truyền tin và tín hiệu. Khái niệm viễn thông được chính thức sử dụng khi cha đẻ của máy điện báo Samuel Finley Breese Morse sau nghiên cứu nhiều năm, ông đã sáng chế chiếc máy điện báo đầu tiên. Bức điện báo đầu tiên dùng mã Morse được truyền đi trên Trái Đất từ Nhà Quốc hội Mỹ tới Baltimore cách đó 64 km đã đánh dấu kỷ nguyên mới của viễn thông. Trong bức thông điệp đầu tiên này Morse đã viết "Thượng đế sáng tạo nên những kỳ tích". 10 Nói đến lịch sử của Viễn thông, không thể không nhắc đến Alexander Graham Bell, ông là người đầu tiên sáng chế ra điện thoại. Để tưởng nhớ ông, ngày 7 tháng 8 năm 1922 mọi máy điện thoại trên nước Mỹ đều ngừng hoạt động để tưởng nhớ và bày tỏ lòng biết ơn nhà khoa học xuất sắc A.G Bell (1847 1922). Trên quy mô xã hội, nếu điện tín (1884), điện thoại (1876), radio (1895) và vô tuyến truyền hình (1925) đã làm thay đổi cách giao tiếp trong quan hệ con người thì sự xuất hiện của vệ tinh viễn thông (1960) sợi quang học (1977), công nghệ không dây đã làm nên một hệ thần kinh thông minh nhạy bén trên Trái Đất. Có thể nói lĩnh vực viễn thông đã làm thay đổi bộ mặt, tính cách của Trái Đất, đã hiện thực hóa khả năng liên kết của mỗi người của mỗi quốc gia, gắn kết mọi người với nhau nhờ một mạng lưới viễn thông vô hình và hữu hình trên khắp Trái Đất và vũ trụ. Sự hội tụ trong lĩnh vực viễn thông Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu sử dụng và truyền dữ liệu của con người cũng tăng lên theo hàm số mũ. Ngành viễn thông đóng góp vai trò lớn lao trong việc vận chuyển đưa tri thức của loài người đến mỗi người, thúc đẩy quá trình sáng tạo đưa thông tin khắp nơi về các ngành lĩnh vực khoa học, các thông tin giải trí cũng như thời sự khác. Viễn thông đem lại sự hội tụ, hay sự thống nhất về các loại hình dịch vụ truyền dữ liệu dịch vụ như thoại, video (truyền hình quảng bá và truyền hình theo yêu cầu), và dữ liệu Internet băng rộng thúc đẩy ngành công nghệ thông tin phát triển lên một mức cao hơn với đa dạng các loại hình dịch vụ và chi phí rẻ hơn. Mạng viễn thông giúp người sử dụng có thể gọi điện thoại qua mạng Internet, có thể xem hình ảnh của bạn bè trên khắp thế giới, có thể chia sẻ nguồn dữ liệu, có thể thực hiện những giao dịch mua bán tới mọi nơi trên thế giới một cách đơn giản. Viễn thông ngày càng tạo nên một thế giới gần hơn hội tụ cho tất cả mọi người. Viễn thông hiện đại * Điện thoại: Đối với hệ thống điện thoại có dây truyền thống, người sử dụng ở bên chủ gọi quay số (gửi số bằng xung) hoặc bấm số (gửi số bằng tone) của bên bị gọi. Bên chủ gọi sẽ được kết nối với bên bị gọi thông qua một số tổng đài. Tiếng nói được thu bằng một micrô nhỏ nằm trong ống nghe, chuyển thành tín hiệu điện và truyền tới tổng đài gần nhất. Tín hiệu này sẽ được chuyển thành tín hiệu số để truyền đến tổng đài kế tiếp. Ở đầu người nghe, tín hiệu điện sẽ được chuyển thành tín hiệu âm thanh và phát ra ở ống nghe. Hầu hết điện thoại cố định là điện thoại tương tự. Các cuộc gọi ở cự li ngắn (cùng một tổng đài) có thể chỉ sử dụng tín hiệu tương tự. Đối với cuộc gọi đường 11 dài, tín hiệu được biến thành tín hiệu số để truyền đi xa. Tín hiệu số có thể được truyền đi chung với dữ liệu Internet, giá rẻ hơn, và có thể phục hồi lại khi truyền qua một khoảng cách xa trong khi đó tín hiệu tương tự thì không tránh khỏi bị nhiễu làm sai lệch. Điện thoại di động ra đời đã tác động nhiều lên mạng viễn thông. Ở một số nước, số lượng thuê bao điện thoại di động còn nhiều hơn điện thoại cố định. Mạng viễn thông đã trải qua nhiều tiến bộ vượt bậc khi xuất hiện những công nghệ mới. Vào thập niên 90, thông tin quang được chấp nhận và sử dụng rộng rãi. Ưu điểm của nó là tốc độ truyền dẫn được tăng lên rất cao. Để có được điều này là do vài nguyên nhân. Thứ nhất, sợi quang nhỏ hơn rất nhiều so với các loại cáp trước đó. Thứ hai, không có hiện tượng xuyên âm nên hàng trăm sợi quang có thể được gộp chung lại thành một sợi cáp. Thứ ba, những công nghệ ghép kênh đã tăng tốc độ truyền dẫn trên sợi quang theo cấp số nhân. Tín hiệu thoại sau khi được số hóa sẽ trở thành những mẫu có dung lượng một byte. Các mẫu của mỗi cuộc điện thoại sẽ được xếp cạnh và xen kẽ nhau theo một trật tự nhất định để truyền đi xa. Kỹ thuật này gọi là phân kênh theo thời gian (TDM). * Vô tuyến truyền hình: phương thức truyền hình ảnh và âm thanh từ xa đến người xem qua làn sóng mặt đất hoặc vệ tinh mà không cần đến dây cáp dẫn tín hiệu. Theo phương thức này, tín hiệu hình ảnh và âm thanh được điều chế vào một sóng cao tần và được khuếch đại đến một mức cần thiết để phát đi đến máy thu thông qua mạng máy phát trên mặt đất hoặc máy phát trực tiếp trên vệ tinh. Trong VTTH áp dụng nguyên tắc truyền liên tục hình ảnh đối tượng [nguyên tắc do nhà khoa học người Bồ Đào Nha Paiva (A. de Paiva) đề xuất vào cuối thế kỷ XIX, và độc lập với ông là nhà khoa học Nga Bakhơmetievưi (P. I. Bakhmet'evyj)]: ở trạm truyền, hình ảnh đối tượng được biến đổi liên tục thành các tín hiệu điện tử (phân tích hình ảnh) chuyển theo kênh thông vào các máy thu; ở đó, lại thực hiện việc biến đổi ngược lại (tổng hợp hình ảnh). VTTH đã được phát triển cùng với việc sử dụng phân tích và tổng hợp thiết bị quang cơ, và mở đầu là một kĩ sư người Đức Nipkôp (P. G. Nipkow) vào năm 1884. Giữa những năm 30 thế kỷ XX, đã xuất hiện những hệ thống đầu tiên VTTH điện tử. Sự phát triển của hệ thống hiện đại VTTH gắn liền với việc nâng cao độ nét hình ảnh, độ chống nhiễu và tác động tầm xa. Từ giữa những năm 80 của thế kỷ XX, hệ thống VTTH kĩ thuật số đã bắt đầu được ứng dụng… 12 Hệ thống viễn thông được thể hiện tổng quan qua sơ đồ khối cơ bản tại Hình C dưới đây. Trong mô hình cơ bản này, thiết bị truyền tin hay máy phát (transmitter) sẽ lấy nguồn thông tin (information source) và chuyển đổi nó thành tín hiệu (signal) số hoặc tương tự để phù hợp với kênh truyền và có thể truyền được trong môi trường truyền dẫn. Tín hiệu sẽ được truyền trên một kênh truyền (channel), qua môi trường truyền dẫn (không gian, nước, cáp,…) tới bên thu. Máy thu (Receiver) có tác dụng thu nhận tín hiệu từ môi trường và khôi phục tín hiệu ngược lại thành thông tin. Tạp âm là bất kì một tín hiệu nào đó xuất hiện trong hệ thống truyền thông, ảnh hưởng tới tín hiệu truyền như gây méo, gây nhiễu,… Tạp âm có thể đến từ bản thân hệ thống thiết bị truyền, nhận hoặc đến từ yếu tố bên ngoài hệ thống như môi trường truyền. NGUỒN THÔNG TIN TRANSMIT TER RECEIVER ĐÍCH CHANNEL TẠP ÂM TẠP ÂM Hình C. Mô hình cơ bản một hệ thống viễn thông • Viễn thông trong xu thế cách mạng công nghiệp mới Cách mạng công nghiệp lần thứ tư (cách mạng công nghiệp 4.0) đã và đang diễn ra sâu, rộng với tốc độ phát triển không ngừng trên toàn thế giới, trong tất cả các lĩnh vực và mọi mặt của đời sống, xã hội. Viễn thông cũng không nằm ngoài dòng chảy và xu thế phát triển tất yếu đó. 13 Thế hệ thông tin di động thứ nhất (1G) xuất hiện đầu tiên trên thế giới vào những năm đầu thập niên 80 của thế kỷ XX, là hệ thống giao tiếp thông tin qua kết nối tín hiệu tương tự (analog). Thế hệ thông tin di động thứ hai (2G) xuất hiện trên thế giới vào năm 1991, là thế hệ kết nối thông tin di động mang tính cải cách và khác hoàn toàn so với thế hệ đầu tiên, sử dụng các tín hiệu kỹ thuật số (digital) thay cho tín hiệu tương tự, có phạm vi kết nối rộng hơn và đặc biệt là sự xuất hiện của tin nhắn ngắn dạng văn bản SMS. Thế hệ thông tin di động thứ ba (3G), tiên tiến hơn hẳn các thế hệ trước đó, nó cho phép người dùng di động truyền tải cả dữ liệu thoại và dữ liệu phi thoại (email, tin nhắn, hình ảnh, âm thanh, video clip...), trong số các dịch vụ của 3G, điện thoại thấy hình (video) được coi là dịch vụ tiêu biểu, nổi bật; 3G cũng đánh dấu một bước tiến lớn trong việc chuyển tiếp giữa điện thoại di động thông thường và điện thoại thông minh. Nhưng công nghệ 3G không thể đáp ứng được yêu cầu của các thiết bị thông minh và dẫn đến sự ra đời của thế hệ thông tin di động thứ tư (4G) với tốc độ nhanh hơn hàng trăm lần so với 3G, hỗ trợ truyền hình di động và cuộc gọi video chất lượng cao; 4G dẫn đến sự gia tăng mạnh mẽ của thiết bị di động thông minh và điện thoại có thể làm tất cả mọi thứ. 4G đang phổ biến trên toàn thế giới, nhưng giờ đây người ta bắt đầu nói về công nghệ kế nhiệm của nó, 5G. Hiện nay, với sự phát triển nhanh chóng của Internet vạn vật (IoT) trên toàn thế giới và công nghệ nhà thông minh và thành phố thông minh, 4G sẽ nhanh chóng bị thay thế là điều không tránh khỏi. Với tốc độ truyền dữ liệu cực cao, khả năng kết nối cực lớn, độ trễ thấp, công suất lớn, nguồn tiêu thụ nhỏ, 5G sẽ làm được nhiều việc mà 4G không đáp ứng được. Để tải về cùng một bộ phim dài hai tiếng, mạng 3G mất 26 giờ, mạng 4G mất 06 phút, nhưng mạng 5G chỉ mất 3,6 giây. Công nghệ 5G sẽ tạo ra một cuộc cách mạng về kết nối, 2G/3G/4G kết nối 07 tỷ người thì 5G sẽ kết nối hàng tỷ thiết bị, chuyển tải toàn bộ thế giới vật lý vào thế giới ảo, giúp mọi vật giao tiếp với nhau, những hệ thống tự động hóa sẽ thực hiện đúng như ý muốn con người. 5G sẽ thay đổi cơ bản cuộc sống của loài người. Hiện nay, có thể nói, trên thế giới có dịch vụ viễn thông nào thì ở Việt Nam có và có thể cung cấp dịch vụ đó. Đặc biệt cuối năm 2018 vừa qua, với việc triển khai dịch vụ chuyển mạng giữ số, Việt Nam là nước thứ 4 trong khu vực ASEAN thực hiện chính sách chuyển mạng giữ nguyên số. Dịch vụ chuyển mạng giữ nguyên số được triển 14 khai sẽ đem lại nhiều lợi ích cho thị trường viễn thông, doanh nghiệp viễn thông, thuê bao di động và đáp ứng mục tiêu quản lý của cơ quan quản lý nhà nước. Đây là điều kiện để tạo lập, duy trì thị trường viễn thông cạnh tranh triệt để nhất, sôi động nhất, không những chỉ đối với thị trường trong nước mà còn nâng cao năng lực cạnh tranh, sẵn sàng khả năng phát triển kinh doanh ra các nước khác trong quá trình hội nhập quốc tế. Chuyển mạng giữ số cũng là động lực cho các doanh nghiệp viễn thông năng động, đổi mới, sáng tạo, tăng cường năng lực thực sự, thực chất của mình bằng cách nâng cao chất lượng dịch vụ, chất lượng phục vụ, chăm sóc khách hàng. Người sử dụng dịch vụ thông tin di động hoàn toàn chủ động lựa chọn doanh nghiệp cung cấp dịch vụ phù hợp với nhu cầu của mình trong khi vẫn gsố điện thoại, xóa bỏ rào cản phải thay số điện thoại mới, gây rắc rối trong công việc và sinh hoạt của người sử dụng. Như vậy, người sử dụng đã trở thành trung tâm, trở thành giá trị quý giá nhất đối với doanh nghiệp và điều này càng phù hợp với xu hướng phát triển tất yếu về cá nhân hoá, cá thể hoá người sử dụng dịch vụ trong tương lai. Trong những ngày này, trên thế giới cũng như Việt Nam, việc “chuyển đổi số”, xây dựng “Chính phủ số”, “xã hội số”, “kinh tế số” đang là những nội dung được quan tâm hàng đầu và là con đường, là mục tiêu phát triển tất yếu trong thời đại cách mạng công nghiệp lần thứ tư. Nhìn lại lịch sử phát triển viễn thông Việt Nam, tuy chỉ là một phần cụ thể trong tổng thể chung, là một phần của muôn vẻ đời sống xã hội, song cũng là một minh chứng thực tiễn quan trọng cho giá trị, con đường, mục tiêu và hiệu quả của xu thế phát triển tất yếu khách quan nói trên. Chúng ta cũng thấy được những cơ sở quan trọng để góp phần thực hiện thành công đổi mới và phát triển đất nước qua các cuộc “chuyển đổi số” này. Công cuộc “chuyển đổi số” đầu tiên, đúng như nghĩa đen, nghĩa thực tại của nó, đó là quyết tâm đi tắt đón đầu, “bỏ qua công nghệ trung gian, đi thẳng vào công nghệ hiện đại, theo hướng số hóa, tự động hóa, đa dạng hóa dịch vụ” từ những năm đầu của công cuộc đổi mới đất nước 1986. Thời kỳ đó, công nghệ analog, chuyển mạch, kết nối nhân công, để gọi một cuộc điện thoại từ Thủ đô Hà Nội đến Thành phố Hồ Chí Minh, người dân phải chờ hàng tiếng đồng hồ để kết nối; mật độ điện thoại chỉ đạt 0,2 máy/100 dân, kém 07 lần so với các nước châu Phi. Trong bối cảnh đó, trong khi 95% thế giới đang dùng mạng viễn thông analog, trong muôn vàn khó khăn của kinh tế và bao vây, cấm vận của Mỹ nhưng với quyết định dũng cảm, táo bạo và với tư duy đột phá, sáng tạo, quyết liệt, dám làm, dám chịu trách nhiệm đã đưa viễn thông nước nhà phát triển thần kỳ. Ngành 15 bưu điện là ngành kinh tế kỹ thuật đầu tiên của Việt Nam đón nhận Huân chương Sao vàng, được Đảng, Nhà nước và Nhân dân đánh giá là ngành đi đầu trong sự nghiệp đổi mới và đóng góp quan trọng vào sự nghiệp phát triển kinh tế - xã hội đất nước. Công cuộc “chuyển đổi số” thứ hai, đó là mở cửa Internet tại Việt Nam vào cuối năm 1997. Internet mở ra không gian sống mới, không gian số cho mỗi người, trong đó có không gian giao tiếp, làm việc, học tập, giải trí; kết nối Việt Nam với toàn cầu; thay đổi nhận thức và tư duy; mở ra, kết nối và trao đổi một thế giới tri thức bao la, rộng lớn. Giai đoạn này cũng đã chứng kiến và phản ánh một kết quả quan trọng của việc đấu tranh, cân nhắc trong tư duy. Việc mở cửa Internet và cạnh tranh viễn thông là cơ sở quan trọng để Việt Nam sớm ký kết được BTA và WTO, đưa Việt Nam hội nhập kinh tế quốc tế và phát triển. Công cuộc “chuyển đổi số” thứ ba, đó là việc khai trương mạng lưới và dịch vụ thông tin di động công nghệ 2G năm 1993, tiếp theo đó là các công nghệ chuyển tiếp 2,5G, 2,75G và các thế hệ công nghệ tiếp theo như 3G và 4G. Từ những thay đổi kỳ diệu được mang lại trong cuộc sống khi lần đầu tiên được sử dụng chiếc điện thoại di động, mặc dù là một tài sản thật lớn, với mức cước cuộc gọi và cước thuê bao hàng tháng lớn đến hàng triệu đồng (trong những năm đầu của thập niên 90). Tuy nhiên, khi chuyển sang công nghệ 3G, 4G vì sự đáp ứng chưa kịp thời về chính sách quản lý, về tư duy quản lý, sự đi sau về công nghệ và thiếu nhân tố cạnh tranh mới mà viễn thông của Việt Nam đang xếp hạng ở thứ 100, mật độ thuê bao di động băng rộng năm 2017 của Việt Nam ở dưới mức trung bình của thế giới, đứng thứ 115/193 quốc gia và vùng lãnh thổ. Bây giờ, chúng ta đang đứng trước công cuộc “chuyển đổi số” thứ tư với cuộc cách mạng khoa học công nghệ 4.0, đó là 5G, cáp quang băng thông rộng đến từng nhà, mỗi người một điện thoại thông minh, Internet kết nối vạn vật, trí tuệ nhân tạo và dữ liệu lớn với các thiết bị viễn thông “Made in Vietnam” được đưa vào tiêu dùng. Khi tất cả các thiết bị vô tri, vô giác cũng biết cất tiếng nói, khi toàn bộ xã hội thực tại được đưa vào xã hội ảo thì càng phải cần thiết hơn nữa sự đổi mới, sáng tạo, đột phá trong tư duy quản lý. Quản lý phải hướng tới khách quan, tôn trọng khách quan và phù hợp với quy luật phát triển khách quan; cần hơn nữa sự quyết tâm, dám làm, dám chịu trách nhiệm với những người quản lý có tâm và có tầm, có năng lực, trình độ và có đạo đức, bởi thật nguy hiểm và hậu quả, hệ luỵ thật khôn lường khi không chỉ có 7 tỷ người mà là hàng nghìn tỷ thiết bị một ngày nào đó được vận hành và hoạt động theo một tư tưởng xấu với mục tiêu xấu, động cơ đi ngược lại lợi ích và sự phát triển chung. 16 Như vậy, con đường phát triển viễn thông đã được xác định. Vai trò, vị trí của viễn thông trong lịch sử cũng như trong cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đã rõ ràng. Nhưng để hướng tới những thành quả thực sự, để không “bỏ lỡ con tàu” 4.0 như Thủ tướng Chính phủ Nguyễn Xuân Phúc đã nói, chúng ta cần thấy lại sự dũng cảm, quyết tâm, sáng tạo trong lĩnh vực viễn thông của thời kỳ đổi mới 1986, sự kiên quyết, táo bạo, tự lực, tự cường bứt khỏi tư duy lối mòn, khắc phục tâm lý và thói quen ỷ lại, chờ đợi cấp trên, chờ đợi đầu tư của ngân sách Nhà nước. Các doanh nghiệp phải thấm nhuần triết lý kinh doanh “đầu tư trước kinh doanh sau” và đặc biệt đó là trách nhiệm của quản lý, là sự đột phá trong tư duy, chính sách quản lý và phát triển, là sự hướng tới và tiếp cận “quản lý phải đi trước sự phát triển” • Viễn thông trong công tác an ninh, quốc phòng Căn cứ tình hình thực tế: Trong sự phát triển mạnh mẽ của hệ thống viễn thông, thông tin 5G, các loại hình thông tin cơ động, đa môi trường sẽ được phát triển nhanh chóng, dẫn đến khả năng kiểm soát thông tin ngày càng khó khăn và phức tạp, khả năng lộ, lọt thông tin qua các phương tiện kỹ thuật được sử dụng ngày càng tăng, cụ thể: (1)Với khả năng hỗ trợ đa nền tảng truy cập và siêu kết nối, 5G chứa đựng nhiều nguy cơ về an ninh. Do số lượng thiết bị truy cập lớn, khả năng kiểm soát an ninh và các lỗ hổng phát sinh từ phía người sử dụng là một trong những vấn đề đối với mạng 5G. Dữ liệu mạng lưới hoàn toàn có thể bị lấy cắp thông qua việc kiểm soát truy cập tại các thiết bị đầu cuối; (2)Đối với mạng 5G các mối đe dọa xảy ra ở bất kỳ nút nào trong mạng lưới cũng có khả năng đe dọa tới toàn bộ mạng lưới và gây ra các sự cố trên diện rộng. Khi số lượng các nút mạng gia tăng, các kho dữ liệu mà tin tặc có thể xâm nhập cũng tăng theo, đồng thời gia tăng nguy cơ tấn công và mất cắp dữ liệu với quy mô lớn và trong thời gian ngắn; (3)Ngoài ra đối với mạng 5G, do kết cấu hạ tầng mạng phức tạp và tiềm ẩn nhiều kẽ hở, các dịch vụ trọng yếu có khả năng bị kiểm soát thông qua đó phá hoại kết cấu hạ tầng mạng viễn thông, gây gián đoạn, làm giảm chất lượng đường truyền, ảnh hưởng lớn đến vấn đề an ninh kinh tế, an ninh quốc phòng không chỉ một quốc gia mà có thể cả một nhóm quốc gia, thậm chí an ninh quốc tế. Các loại tấn công từ chối dịch vụ DDoS cũng có thể xảy ra đối với mạng 5G trong các giai đoạn khác nhau. Kẻ chủ đích có thể lợi dụng các lỗ hổng thông tin phát tán mã độc, thông qua mạng liên lạc nhanh chóng xâm nhập vào các nút mạng và các thiết bị đầu cuối, sau khi đã đạt được một khối lượng đủ lớn thì chúng bắt đầu cuộc tấn công. Yêu cầu đặt ra đối với an ninh, quốc phòng trong việc nghiên cứu, triển khai các hệ thống viễn thông thế hệ mới: Đứng trước nhu cầu nghiên cứu, ứng dụng khoa học và công nghệ để phát triển kinh tế, tăng cường quốc phòng, an 17 ninh và trật tự - an toàn xã hội, các nhu cầu triển khai Chính phủ điện tử, chuyển đổi số và yêu cầu nâng cao năng lực tiếp cận cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4, nhằm phát huy hiệu quả của hệ thống mạng viễn thông di động 5G nói trên, công tác bảo mật và an toàn thông tin cần được triển khai với nhiều giải pháp mang tính đặc thù, với độ tin cậy cao, tập trung không chỉ vào các ứng dụng và thiết bị đầu cuối mà cả trên cơ sở hạ tầng mạng lõi. Trong đó, có thể tính toán đến cả việc thay thế và làm chủ các thuật toán và tham số mật mã khi sử dụng nó trong các mạng chuyên dùng của Chính phủ, nhằm hạn chế khả năng lây lan lỗi trên diện rộng từ bên ngoài. • Môi trường truyền dẫn vô tuyến Môi trường truyền dẫn vô tuyến được mô tả như Hình D dưới đây. Trong môi trường này, tín hiệu truyền đi theo nhiều hướng, nhiều đường dẫn khác nhau, sử dụng môi trường không gian thực tế làm kênh truyền. Môi trường truyền dẫn có thể là trong một tòa nhà, ngoài trời, hoặc phản xạ trên các tầng điện li. Tùy thuộc vào môi trường truyền dẫn mà kênh truyền dẫn có các tính chất khác nhau. Trong quá trình truyền nhận tín hiệu do có nhiều yếu tố tác động như là hiện tượng phản xạ, khúc xạ, tán xạ,…, hoặc do va đập vào nhiều vật cản khác nhau làm cho tín hiệu thu được không được chính xác như tín hiệu ban đầu chẳng hạn như bị suy hao, dịch pha và hiện tượng này được gọi là hiện tượng fading đa đường (multipath fading). Hình D. Mô hình truyền dẫn đa đường 18 Những đường truyền dẫn trong Hình D có thể được mô hình toán thành một kênh truyền được gọi là đặc tuyến kênh truyền. Nhiều đường truyền dẫn (Multipath) như vậy được biểu diễn như Hình E tại các thời điểm khác nhau. Thời gian trễ truyền dẫn liên quan tới độ dài của tuyến truyền dẫn và vận tốc ánh sáng. Trễ truyền dẫn là hiệu số giữa thời điểm nhận được tín hiệu và thời điểm phát tín hiệu. Đáp ứng xung của kênh truyền ℎ(𝜏) là phép biểu diễn toán học của kênh ở miền thời gian. Hình E. Đặc tuyến kênh truyền • Hiện tượng Fading Hiện tượng Fading được hiểu là hiện tượng sai lạc tín hiệu thu một cách bất thường xảy ra đối với các hệ thống vô tuyến do tác động của môi trường truyền dẫn. Các yếu tố gây ra Fading đối với các hệ thống vô tuyến mặt đất: ▪ Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với hệ thống sóng ngắn. ▪ Sự hấp thụ gây bởi các phần tử khí, hơi nước, mưa, tuyết, sương mù… sự hấp thụ này phụ thuộc vào dải tấn số công tác đặc biệt là dải tần cao (>10GHz). ▪ Sự khúc xạ gây bởi sự không đồng đều của mật độ không khí. ▪ Sự phản xạ sóng từ bề mặt trái đất, đặc biệt trong trường hợp có bề mặt nước và sự phản xạ sóng từ các bất đồng nhất trong khí quyển. Đây cũng là một yếu tố dẫn đến sự truyền lan đa đường. ▪ Sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ từ các chướng ngại trên đường truyền lan sóng điện từ gây nên hiện tượng trải trễ và giao thoa sóng tại điểm thu do tín hiệu nhận được là tổng của rất nhiều tín hiệu truyền theo 19 nhiều đường. Hiện tượng này đặc biệt quan trọng trong thông tin di động. Hiện tượng này có thể được chia thành hai thành phần chính và dựa vào đó kênh truyền sẽ được mô hình toán kết hợp bởi cả hai, cụ thể là: Fading quy mô lớn (Large Scale Fading) và Fading quy mô nhỏ (Small Scale Fading) như Hình F dưới đây. Hình F. Sơ đồ phân loại fading (1)Fading quy mô lớn (Large scale fading) Large scale fading là kết quả của việc suy giảm tín hiệu do tín hiệu truyền trên một khoảng cách lớn và nhiễu xạ xung quanh trong đường truyền. - (Suy hao đường truyền): Trong không gian tự do, sự suy giảm của tín 4𝜋𝑑 hiệu đo khoảng cách được tính toán bằng công thức 𝐿 = 20 𝑙𝑜𝑔 ( 𝜆 ) trong trường hợp Line of Sight (LOS) với 𝑑 là khoảng cách đường truyền, 𝜆 là bước sóng của sóng mang. Trong thực tế thì fading này sẽ thay đổi chậm và người ta ước tính được nó thay đổi trong khoảng vài chục khoảng thời gian (coherence). - Shadow fading (Hiệu ứng bóng râm): do ảnh hưởng của các vật cản trên đường truyền, ví dụ như các toàn nhà cao tầng, các ngọn núi, đồi... làm cho biên độ bị suy giảm. Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn 20