5G – Chân trời mới của thế giới kết nối

Các kết nối kỹ thuật số trên thế giới sắp được chuyển đổi với thế hệ kết nối không dây tiếp theo, 5G. Công nghệ đột phá này đẩy rào cản kết nối cho các công nghệ thế hệ tiếp theo như AI, IoT, AR và VR thành những cơ hội mới cho những lợi ích mới. Ngoài ra, tiềm năng kinh tế của công nghệ 5G vào năm 2035 sẽ tạo ra 13,2 nghìn tỷ USD sản lượng kinh tế toàn cầu dựa trên báo cáo của IHS Markit (2019) về cách 5G sẽ đóng góp cho nền kinh tế toàn cầu. Trong bài viết này, chúng ta sẽ đi sâu hơn vào tầm quan trọng của công nghệ 5G và những lợi ích chính của chúng đối với kỷ nguyên kết nối và xử lý dữ liệu mới.

5G là gì?

5G hay mạng 5G là công nghệ kết nối không dây thế hệ thứ 5 sẽ giúp số hóa dễ tiếp cận hơn cho các doanh nghiệp, dịch vụ công và cá nhân để gặt hái những lợi ích của IoT, công nghiệp 4.0 và sự bùng nổ của các thiết bị thông minh. Thế hệ kết nối không dây tiếp theo, hay còn gọi là 5G, hoạt động như một chất xúc tác thúc đẩy sự tiến bộ của kết nối thông minh. Với tốc độ nhanh hơn gấp 100 lần so với 4G LTE, mạng 5G cung cấp băng thông rộng di động không giới hạn, độ trễ thấp, độ tin cậy cực cao trong giao tiếp M2M. Những tiến bộ quan trọng này sẽ tác động đến mọi ngành công nghiệp và đưa khả năng kết nối và hiệu suất không dây lên một cấp độ chưa từng có.

Nền tảng của 5G

Mạng di động đã phát triển từ lâu kể từ khi băng thông rộng di động (Mobile broadband), mạng di động viễn thông thế hệ đầu tiên (1G) được phát triển vào những năm 1980. Ngày nay, công nghệ di động không dây đã trở nên nổi bật hơn bao giờ hết với vai trò kết nối các thiết bị khác nhau đằng sau cấu trúc của các khuôn khổ được kết nối với nhau một cách liền mạch.

Sự phát triển của kết nối không dây mạng thông tin di động

1G (năm 1980s)

Thế hệ đầu tiên của mạng di động viễn thông, mạng 1G chỉ phục vụ khả năng gọi trên điện thoại di động (voice-only communication) <30 kHz, tốc độ 2,4 Kbps và độ trễ 1 giây.

2G (năm 1990s)

Thế hệ mạng di động thứ hai thay thế cho mạng 1G. Sự khác biệt chính giữa hai hệ thống di động 1G và 2G là các tín hiệu vô tuyến được sử dụng bởi các mạng 1G là analog, trong khi mạng 2G là digital (tín hiệu số). Mạng 2G truyền dữ liệu đơn giản với phổ <200 KHz, tốc độ 64 Kbps và độ trễ 300 – 1000ms (ví dụ: CDMA).

3G (năm 2000s):

Thế hệ mạng di động thứ ba, cho phép truyền cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn, hình ảnh,…). 3G mang băng thông rộng di động với phổ tần <20 MHz, tốc độ 2 Mbps và độ trễ 100 – 500ms (ví dụ: CDMA2000).

4G LTE (năm 2010s) – Fourth-generation Long Term Evolution

4G LTE là một chuẩn cho truyền thông không dây tốc độ dữ liệu cao dành cho điện thoại di động và các thiết bị đầu cuối dữ liệu. 4G LTE là công nghệ di động thế hệ thứ 4 (4G, nhưng thực chất LTE cung cấp tốc độ thấp hơn nhiều so với một mạng 4G thực sự) . 4G LTE có băng thông rộng di động nhanh hơn và tốt hơn 3G với phổ tần <100 MHz, tốc độ 100 Mbps và độ trễ 50ms.

5G (năm 2020s)

5G (Thế hệ mạng di động thứ 5 hoặc hệ thống không dây thứ 5) là thế hệ tiếp theo của công nghệ truyền thông di động sau thế hệ 4G, hoạt động ở các băng tần 28, 38, và 60 GHz. Theo các nhà phát minh, mạng 5G sẽ có tốc độ nhanh hơn khoảng 100 lần so với mạng 4G hiện nay, giúp mở ra nhiều khả năng mới và hấp dẫn. 5G với băng thông rộng di động nâng cao với 400 MHz lên đến 50 GHz, tốc độ ≥ 10Gbps và độ trễ 1ms.

Công nghệ 5G hoạt động như thế nào?

5G và các mạng di động di động khác như 4G LTE sử dụng sóng vô tuyến hay tần số vô tuyến (Radio Frequency – RF) để giao tiếp với các trạm gốc. Tuy nhiên, 5G sử dụng phổ EMF cao hơn với tần số cao hơn. Hơn nữa, 5G sử dụng công nghệ kỹ thuật số mới cho phép các thiết bị kết nối với nhiều trạm gốc và ăng-ten đồng thời với nhiều chùm tia mục tiêu để cung cấp cho người dùng 5G tốc độ và băng thông nâng cao trong một vùng phủ sóng rộng. Công nghệ này được gọi là Massive MIMO, viết tắt của Multiple-Input Multiple-Output.

Nếu như các mạng 2G, 3G, 4G trước đây phụ thuộc vào dải tần số duy nhất thì mạng 5G ổn định hơn khi hoạt động trên cả 3 dài tần số. Trong đó, 5G sẽ duy trì ở 2 mức tầng trung bình và tần cao, mỗi tần đều có ưu và nhược điểm khác nhau:

Băng tần thấp

Phổ băng tần thấp dùng để chỉ các tần số vô tuyến thấp hơn dưới 1 GHz. Tín hiệu trạm gốc di động băng tần thấp 5G có thể đạt hàng trăm dặm vuông với tốc độ tải xuống khoảng 30-250 Mbps. Hầu hết các nhà mạng Hoa Kỳ đều lắp đặt các tháp di động băng tần thấp với tần số từ 600 đến 800 MHz. 5G băng tần thấp tốt hơn một chút so với 4G LTE với tốc độ dữ liệu nhanh hơn 20%. Tuy nhiên, với phạm vi phủ sóng diện rộng của 5G băng tần thấp, các nhà mạng có thể xây dựng nền tảng cho IoT và IIoT (Internet vạn vật công nghiệp) để phủ sóng trên toàn quốc.

Băng tần trung bình

Băng tần trung bình 5G, còn được gọi là “sub-6 GHz”, có tần số từ 1 GHz đến 6 GHz, nhanh hơn khoảng sáu lần so với 4G LTE. Hơn nữa, mặc dù các sóng vô tuyến băng tần trung cung cấp dịch vụ trong các khu vực nhỏ hơn so với 5G băng tần thấp, nhưng các mạng băng tần trung bình vẫn tạo ra sự cân bằng tốt về dung lượng và vùng phủ sóng. Beamforming là một công nghệ 5G cụ thể nhắm mục tiêu nhiều chùm tia 5G có bước sóng giống hệt nhau để tránh nhiễu tín hiệu và suy hao lưu lượng ở tần số cao hơn. Công nghệ mới này là một lợi ích chính trong cấu trúc mạng 5G vì nó sẽ cho phép sử dụng băng thông có mục tiêu trong các ứng dụng quan trọng tận dụng các dải phổ tần số cao. Vùng phủ sóng của các tháp di động băng tần trung tập trung nhiều hơn xung quanh các khu vực đô thị với các tín hiệu có thể đi trong bán kính vài km, không xa bằng Băng tần thấp, nhưng vẫn xa hơn 5G băng tần cao. So với các nhà mạng của Mỹ tập trung nhiều hơn vào 5G băng tần thấp và cao, phần còn lại của thế giới đang tập trung phát triển mạng di động 5G băng tần trung bình.

Băng tần cao (MmWave)

Dải tần số cao sóng 5G milimet (mmWave) nhanh hơn 10 lần so với mạng 4G LTE. Phổ tần 5G mmWave nằm trong khoảng từ 24-50 GHz, cung cấp tốc độ gigabit trên giây (Gbps) với khả năng đạt tốc độ dữ liệu 10 Gbps. Đặc điểm của mmWave là hiệu suất cực nhanh và độ trễ thấp, nhưng nó cũng có phạm vi phủ sóng ngắn chỉ hơn 1 Km. Hơn nữa, sóng vô tuyến tần số cao hơn không thể xuyên qua các vật thể rắn như tòa nhà, kính và tán lá, điều này có thể là một nhược điểm hoặc lợi thế. Trong một số trường hợp, đây có thể là một lợi ích cho việc giữ một mạng 5G hạn chế, riêng tư và an toàn trong một nhà máy thông minh. Hầu hết các tháp di động 5G băng tần cao sẽ có sẵn xung quanh các khu vực đô thị dày đặc như sân vận động, trung tâm hội nghị và trung tâm mua sắm. Trong các ứng dụng thực tế hiện nay, mạng mmWave 5G có tốc độ trong thế giới thực từ 1-3 Gbps khi bạn ở gần một trong các tháp di động mmWave. Một số công ty như Samsung và Qualcomm đã nâng tiêu chuẩn lên cao hơn với tốc độ cao nhất trên 7 Gbps trên băng tần cao 5G mmWave.

Sự khác biệt giữa 5G và 4G là gì?

Trước đây, mạng 4G hoặc 4G LTE đã cho phép truyền phát video chất lượng cao và gọi điện trên các thiết bị di động không dây với tốc độ và băng thông được nâng cao so với mạng di động thế hệ thứ ba (3G). Tuy nhiên, mạng 4G đã trở thành một nút thắt cổ chai cho các ứng dụng ngày càng phức tạp và theo hướng dữ liệu, đòi hỏi kết nối thời gian thực, độ trễ thấp. Nhưng với sóng mm tần số cao 5G, khả năng kết nối được mở rộng với các điểm chuẩn hiệu suất từ hiệu suất 5G. Ngoài ra, với các công nghệ thu phát mới, tần số và phổ tần mới mà nó sử dụng, 5G có nhiều lợi thế hơn so với 4G trước đó: băng thông rộng hơn, độ trễ thấp, giao tiếp M2M lớn, bảo mật cao hơn và cải thiện hiệu quả năng lượng.

Tính năng chính của mạng 5G cho các ứng dụng thông minh

Băng thông rộng di động nâng cao (Enhanced Mobile Broadband – EMBB)

Băng thông rộng di động nâng cao 5G đề cập đến tốc độ dữ liệu nhanh hơn (lên đến 10 Gbps), thông lượng cao hơn, dung lượng nhiều hơn và vùng phủ sóng rộng. Ngoài ra, eMBB của mạng 5G sẽ là công cụ cải thiện nhiều chức năng khác nhau, bao gồm truyền phát video ultra-HD và 360 °, AR và VR.

Độ trễ thấp đáng tin cậy (Ultra-Reliable Low Latency Communication – URLLC)

Độ trễ thấp đề cập đến tốc độ và chất lượng mạng tăng lên cho các ứng dụng quan trọng yêu cầu trao đổi dữ liệu thời gian thực, liên tục mà không ảnh hưởng đến độ tin cậy của kết nối. Ví dụ, so với 4G, uRLLC của mạng 5G đã giảm thời gian trễ từ 20ms xuống <1ms với độ tin cậy 99,999%. Điều này cung cấp trải nghiệm thời gian thực quan trọng cho các ứng dụng như lái xe tự động, phẫu thuật từ xa có hỗ trợ robot và tự động hóa nhà máy.

Massive Machine-Type Communications (MMTC)

5G cũng hỗ trợ giao tiếp Máy với Máy (Machine-to-Machine), cho phép kết nối với một số lượng lớn máy và thiết bị trong một khu vực rộng liên quan đến việc tạo, truyền và xử lý dữ liệu mà không có sự can thiệp của con người. Với Massive MIMO và định dạng chùm, mạng 5G từ băng tần trung đến cao sẽ được hưởng lợi từ sự thúc đẩy lớn với số lượng kết nối tăng gấp 100 lần cùng một lúc. Lợi ích quan trọng là mang lại tiềm năng to lớn cho các ứng dụng IoT công nghiệp, nơi các cảm biến, thiết bị và robot có thể giao tiếp với nhau để thực hiện các hành động tự động. Do đó, một số ứng dụng hứa hẹn nhất sẽ được hưởng lợi từ mạng 5G sẽ bắt đầu từ quá trình tự động hóa sản xuất và nhà máy, nơi các cảm biến và thiết bị giao tiếp theo thời gian thực trong một môi trường mạng riêng khép kín.

Quyền riêng tư và Bảo mật

Một yếu tố khác làm tăng sự quan tâm của các công ty đối với 5G là sự cải thiện quyền riêng tư và bảo mật của mạng 5G. Các công ty có thể xây dựng mạng 5G riêng cho các ứng dụng của riêng họ. Ví dụ: bằng cách tạo một mạng riêng trong một nhà máy thông minh, các công ty có thể tận dụng tối đa eMBB, uRLLC và mMTC của mạng 5G. Việc kiểm soát mạng đối với các tài sản và ứng dụng được kết nối, giúp tăng cường bảo mật khỏi các cuộc tấn công bên ngoài nhắm mục tiêu và khai thác lỗ hổng của mạng công cộng. Ngoài ra, vì các dải phổ 5G mmWave không thể đi qua các vật thể rắn, nên những kẻ tấn công cần phải vào cơ sở để truy cập vào mạng riêng của công ty.

Độ tin cậy cao, Tính khả dụng và Hiệu quả năng lượng

Bất chấp hiệu suất mạnh mẽ của mạng 5G, nó sẽ cung cấp mức tiêu thụ năng lượng tốt hơn và chi phí thấp hơn so với các thế hệ mạng di động trước đây. Các thiết bị 5G được kết nối sẽ kiểm soát việc sử dụng năng lượng của chúng tùy trạng thái hoạt động hoặc không hoạt động. 5G có khả năng giảm 90% mức tiêu thụ mạng lõi bằng cách phân bổ việc sử dụng năng lượng một cách hiệu quả.

Các lĩnh vực thị trường sẽ tận dụng lợi thế của 5G

Trong các ngành công nghiệp sau, 5G sẽ đóng góp đáng kể theo nhiều cách khác nhau: từ việc cho phép xử lý nhanh hơn, cải thiện an toàn tại nơi làm việc, tăng hiệu quả hoạt động và giảm lượng khí thải carbon của nhà máy.

Thành phố thông minh
Sản xuất thông minh – Tự động hóa công nghiệp
Chăm sóc sức khỏe – IoMT (Massive Internet of Medical Things)
Kiosk và bán lẻ – Thiết bị AR, VR và Thiết bị đeo được nâng cao
Năng lượng và Tiện ích – Kiểm soát Lưới điện Thông minh và Trí thông minh Dự đoán
Công nghiệp ô tô – Vận tải thông minh và Lái xe tự hành
Giám sát, An ninh Công cộng

Kết luận

Tiềm năng của 5G sẽ biến đổi hoàn toàn vô số ứng dụng trong nền kinh tế công nghiệp 4.0 với mức độ kết nối chưa từng có. Mạng 5G sẽ giúp nhận ra toàn bộ tiềm năng của các lợi ích của Công nghiệp 4.0. Nó sẽ tăng cường các công nghệ thông minh khác nhau như trí tuệ nhân tạo, IoT, phân tích dữ liệu tiên tiến, điện toán đám mây, máy bay không người lái, in 3D, tự động hóa quy trình bằng robot, v.v. tất cả các ứng dụng đều yêu cầu độ trễ thấp để xử lý thời gian thực và đưa ra quyết định ngay lập tức.