ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

***

CUNG VĂN TRANG

TỐI ƯU HIỆU SUẤT TRUYỀN VIDEO TRÊN MẠNG 5G SIÊU DÀY ĐẶC

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Hà Nội - 2021

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

***

CUNG VĂN TRANG

TỐI ƯU HIỆU SUẤT TRUYỀN VIDEO TRÊN MẠNG 5G SIÊU DÀY ĐẶC

Ngành : Công nghệ kỹ thuật điện tử - viễn thông Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử

Mã số : 8510302.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÂM SINH CÔNG

Hà Nội - 2021

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Lâm Sinh Công, người đã tận tình hướng dẫn thực hiện luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ này.

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy cô giáo tại Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà nội đã trang bị cho tác giả những kiến thức vô cùng hữu ích trong suốt những năm học vừa qua. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo, Khoa Điện tử viễn thông Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện cho tác giả trong suốt quá trình học tập.

Tác giả cũng xin cảm ơn Đề tài KHCN cấp ĐHQGHN, Mã số đề tài:

QG.20.52 đã hỗ trợ tôi trong quá trình thực hiện luận văn này.

Cuối cùng tác giả xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè những người đã luôn động viên và khuyến khích tác giả trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn này.

Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2021 Tác giả

Cung Văn Trang

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tác giả và được sự hướng dẫn khoa học của TS. Lâm Sinh Công. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong luận văn này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây. Những số liệu, công thức, hình ảnh, bảng biểu và các dữ liệu khác phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau, có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo.

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình. Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội không liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tác giả gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có).

Mặc dù đã có nhiều cố gắng và nỗ lực trong quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận văn, nhưng do những hạn chế về kiến thức, kinh nghiệm và thời gian nên luận văn có thể vẫn còn thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được sự góp ý quý giá của các nhà khoa học và bạn đọc để tiếp tục hoàn thiện luận văn một cách tốt nhất cũng như tiếp tục cho các nghiên cứu sau này. Góp ý xin gửi về địa chỉ email cungvantrang@gmail.com hoặc điện thoại số 0919983628.

Tác giả xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2021 Tác giả

Cung Văn Trang

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ... 2

LỜI CAM ĐOAN ... 3

MỤC LỤC ... 4

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ... 6

DANH MỤC CÁC BẢNG ... 7

DANH MỤC HÌNH VẼ ... 8

LỜI MỞ ĐẦU ... 9

1. Lý do chọn đề tài ... 9

2. Mục tiêu, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu ... 10

2.1. Mục tiêu nghiên cứu ... 10

2.2. Đối tượng nghiên cứu ... 10

2.3. Phạm vi nghiên cứu ... 10

2.4. Phương pháp nghiên cứu ... 10

3. Nhiệm vụ nghiên cứu, kết quả đạt được, ý nghĩa khoa học và thực tiễn ... 10

3.1. Nhiệm vụ nghiên cứu ... 10

3.2. Kết quả đạt được ... 11

3.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ... 11

4. Bố cục luận văn ... 11

CHƯƠNG I: LỊCH SỬ HÌNH THÀNH MẠNG 5G ... 12

1.1. Từ 1G đến 4G - Kết nối mọi người ... 12

1.2. 5G - Mạng mới cho những đổi mới ... 13

1.2.1. Các thành phần chính ... 16

1.2.2. Mạng truy cập vô tuyến ... 18

1.2.3. Lõi di động ... 22

1.2.4. Bảo mật và tính di động ... 25

1.2.5. Tùy chọn triển khai ... 28

CHƯƠNG II: ỨNG DỤNG CỦA MẠNG 5G ... 30

2.1. Băng thông lớn ... 30

2.2. Kiểm soát các nhiệm vụ quan trọng ... 32

2.3. Vạn vật kết nối internet ... 34

CHƯƠNG III: TRUYỀN VIDEO TRÊN MẠNG 5G SIÊU DÀY ĐẶC ... 39

3.1. Nhu cầu về mạng 5G ... 39

3.2. Mạng 5G siêu dày đặc ... 41

3.3. Truyền video trên mạng 5G siêu dày đặc ... 44

3.3.1. Truyền từ trạm cơ sở ... 46

3.3.2. Truyền D2D ... 46

3.3.3. Truyền phối hợp đa tầng ... 47

CHƯƠNG IV: TỐI ƯU HIỆU SUẤT TRUYỀN VIDEO TRÊN MẠNG 5G SIÊU DÀY ... 49

4.1. Các kỹ thuật lập lịch ... 49

4.1.1. Lập lịch vòng tròn ... 49

4.1.2. Lập lịch theo chỉ số chất lượng kênh tốt nhất ... 49

4.1.3. Kết hợp Lập lịch vòng tròn và Lập lịch theo chỉ số chất lượng kênh tốt nhất ... 49

4.1.4. Lập lịch công bằng theo tỷ lệ ... 50

4.2. Tối ưu hóa thuật toán lập lịch công bằng ... 52

4.3. Mô hình mô phỏng và đánh giá ... 54

4.3.1 Mô hình mô phỏng ... 54

4.3.2. Kết quả mô phỏng và đánh giá ... 55

KẾT LUẬN ... 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO ... 66

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

STT Tên viết

tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

1 3GPP The 3rd Generation Partnership

Project Dự án đối tác thế hệ thứ 3

2 5G NR 5G New Radio Mạng 5G vô tuyến mới

3 5G UDN 5G Ultradense Network Mạng 5G siêu dày đặc

4 CP Control Plane Mặt phẳng điều khiển

5 eMBB Enhanced Mobile Broadband Băng thông di động nâng cao

6 EPC Evolved Packet Core Lõi gói phát triển (Mạng lõi)

7 IoT Internet of Things Mạng lưới vạn vật kết nối Internet

8 IP Internet Protocol Giao thức Internet

9 LTE Long Term Evolution Sự tiến hóa dài hạn

10 PF Proportional Fair Công bằng theo tỷ lệ

11 RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến

12 UE User Equipment Thiết bị Người dùng

13 MBS Macro Base Station Trạm cơ sở lớn

14 SBS Small cell Base Station Trạm cơ sở nhỏ

15 MU Mobile User Người dùng di dộng

16 VAS Video Applications and Services Dịch vụ và ứng dụng video

17 D2D Device-to-Device Từ thiết bị đến thiết bị

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Các thế hệ mạng truyền thông không dây ... 15

Bảng 4. 1 - Độ trễ trung bình của 1 gói tin (01 trạm gNodeB) ... 56

Bảng 4. 2 - Tỷ lệ mất gói tin (01 trạm gNodeB) ... 57

Bảng 4. 3 - Thông lượng 01 trạm gNodeB ... 58

Bảng 4. 4 - Độ trễ trung bình của gói tin (03 trạm gNodeB) ... 60

Bảng 4. 5 - Tỷ lệ mất gói tin (03 trạm gNodeB) ... 61

Bảng 4. 6 - Thông lượng của 03 trạm gNodeB ... 62

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1. 1 - Các thế hệ mạng di động ... 13

Hình 1. 2 - Nhu cầu về mạng 5G ... 14

Hình 1. 3 - Các ứng dụng của mạng 5G [1] ... 16

Hình 1. 4 - Cấu trúc Mạng di động [3] ... 17

Hình 1. 5 - Cấu trúc Lõi di động [3] ... 18

Hình 1. 6 - Trạm gốc phát hiện và kết nối với các UE đang hoạt động [3] ... 19

Hình 1. 7 - Trạm gốc kết nối Mặt phẳng điều khiển [3] ... 19

Hình 1. 8 - Trạm gốc kết nối Mặt phẳng người dùng [3] ... 20

Hình 1. 9 - Giao thức kết nối Trạm gốc và Lõi di động [3] ... 20

Hình 1. 10 - Các Trạm gốc hợp tác bàn giao UE [3] ... 21

Hình 1. 11 - Các Trạm gốc hợp tác thực hiện truyền đa đường tới các UE [3] .. 21

Hình 1. 12 - Lõi di động 4G (Lõi gói phát triển) [3] ... 22

Hình 1. 13 - Lõi di động 5G (NG-Core) [3] ... 24

Hình 1. 14 - Thiết lập các kênh Kiểm soát với Mặt phẳng người [3] ... 26

Hình 1. 15 - Trình tự các kênh kết nối [3] ... 27

Hình 1. 16 - Các tùy chọn Không độc lập và Độc lập để triển khai 5G [3] ... 29

Hình 2. 1 - Những kỳ vọng của mạng 5G [1] ... 30

Hình 2. 2 - Thời lượng vùng có thể mở rộng trong 5G NR [5] ... 33

Hình 3. 1 - Kết nối 5G trên toàn cầu giai đoạn 2019-2025 ... 39

Hình 3. 2 - Mạng 5G siêu dày đặc [8] ... 41

Hình 3. 3 - Kiến trúc và các ứng dụng trong 5G UDN ... 42

Hình 3. 4 - Mô hình điều khiển truyền video trong mạng 5G UDN ... 45

Hình 4. 1 - Không gian văn phòng mở [35] ... 54

Hình 4. 2 – Mô hình mô phỏng 01 trạm gNodeB ... 56

Hình 4. 3 - Biểu đồ Độ trễ trung bình của gói tin (01 trạm gNodeB) ... 57

Hình 4. 4 - Biểu đồ Tỷ lệ mất gói tin (01 trạm gNodeB) ... 58

Hình 4. 5 - Biểu đồ Thông lượng của 01 trạm gNodeB ... 59

Hình 4. 6 - Mô phỏng 03 trạm gNodeB ... 60

Hình 4. 7 - Biểu đồ Độ trễ trung bình của gói tin (03 trạm gNodeB) ... 61

Hình 4. 8 - Biểu đồ Tỷ lệ mất gói tin (03 trạm gNodeB) ... 62

Hình 4. 9 – Biểu đồ Thông lượng hệ thống của 03 trạm gNodeB ... 63

LỜI MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài

- Sự phát triển nhanh chóng các công nghệ kết nối mạng đã đem lại nhiều thay đổi trong cuộc sống của con người. Hiện nay, mạng 5G - Thế hệ mạng di động thứ 5 đang trong quá trình phát triển, hứa hẹn sẽ mang đến sự thống nhất kết nối và đóng một vai trò lớn hơn nhiều so với các thế hệ mạng di động trước đây.

- Mạng 5G không chỉ kết nối mọi người mà còn kết nối, điều khiển máy móc, đồ vật và thiết bị - một nền tảng cho những cải tiến có thể kích hoạt các dịch vụ mới, nâng cao trải nghiệm người dùng mới và kết nối các ngành công nghiệp mới, như:

+ Xem bóng đá trực tiếp hay chơi game với yêu cầu đồ họa cao trực tuyến không có độ trễ với trải nghiệm thời gian thực;

+ Thực tế ảo tăng cường (Augmented Reality- AR)/ Công nghệ thực tế ảo (Virtual Reality – VR), như: du lịch ảo, mua sắm ảo...;

+ Thành phố thông minh; Nhà máy thông minh;

+ Khám, chữa bệnh và phẫu thuật từ xa;

+ Vạn vật kết nối internet.

- Các loại dịch vụ mới được cung cấp làm cho số lượng kết nối tăng trưởng nhanh chóng. Theo một số thông tin đăng tải trên website của Cục Tần số vô tuyến điện - Bộ Thông tin và Truyền thông:

+ Kỳ vọng sẽ có 1,9 tỷ thuê bao mạng 5G vào cuối năm 2024, chiếm hơn 20% số lượng thuê bao di động tại thời điểm đó;

+ Có thể tới 65% dân số thế giới sử dụng mạng 5G vào năm 2024;

+ Dự kiến năm 2022, mức tiêu thụ nội dung video trên điện thoại thông minh và máy tính bảng sẽ tăng 300%, tức là 50% mỗi năm. Video sẽ chiếm 75%

tổng lưu lượng truy cập dữ liệu di động.

- Mạng 5G chạy trên nền tảng toàn IP, rất khó để phân biệt giữa các loại hình dịch vụ với nhau trong khi chi phí để duy trì rất cao (Mạng 5G hoạt động trong băng tần bước sóng milimet). Một trạm gốc mạng 4G có thể phủ sóng tới 1 km và một trạm gốc mạng 3G có thể phủ sóng tới 5 km trong khi một trạm gốc mạng 5G chỉ là 300m - đồng nghĩa sẽ cần rất nhiều trạm gốc mạng 5G để có được vùng phủ sóng rộng như mạng 4G hiện nay).

- Các thuật toán lập lịch cho mạng 5G hiện tại đều sử dụng lại các đề xuất của mạng 4G, việc tối ưu thuật toán lập lịch cho mạng 5G còn chưa được nghiên

cứu sâu.

2. Mục tiêu, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu 2.1. Mục tiêu nghiên cứu

Trong luận văn này, mục tiêu nghiên cứu là có thể đề xuất giải pháp tối ưu thuật toán lập lịch công bằng theo tỷ lệ nhằm truyền video trên mạng 5G siêu dày đặc đạt hiệu quả tốt nhất trong môi trường trong nhà - đây môi trường nhỏ, đường truyền ngắn, có nhiều vật cản trên đường truyền.

2.2. Đối tượng nghiên cứu

Luận văn tập trung vào đối tượng nghiên cứu là thuật toán lập lịch công bằng theo tỷ lệ đã được ứng dụng trong các mạng 4G trước đây và đang sử dụng trong mạng 5G hiện nay.

2.3. Phạm vi nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong 3 khía cạnh gồm: kỹ thuật, người dùng dịch vụ và công cụ mô phỏng. Cụ thể:

- Khía cạnh kỹ thuật: Thuật toán lập lịch công bằng theo tỷ lệ.

- Khía cạnh người dùng dịch vụ: Mối quan hệ giữa thông lượng hệ thống và hiệu suất tài nguyên.

- Khía cạnh công cụ mô phỏng: Công cụ 5G-air-simulator chạy trên hệ điều hành Ubuntu.

2.4. Phương pháp nghiên cứu

Để đạt kết quả phù hợp với mục tiêu trong phạm vi nghiên cứu nêu trên, phương pháp nghiên cứu được thực hiện cụ thể như sau:

- Phân tích và đánh giá: Tìm hiểu các kết quả nghiên cứu đã được công bố liên quan trong lĩnh vực lập lịch công bằng theo tỷ lệ trong hệ thống mạng 5G.

- Xây dựng mô hình tính toán: Từ việc phân tích và đánh giá các kết quả nghiên cứu đã được công bố, xây dựng mô hình tính toán của thuật toán lập lịch công bằng theo tỷ lệ.

- Đề xuất phương pháp: Từ mô hình tính toán, xây dựng và giải bài toán tối ưu việc lập lịch công bằng theo tỷ lệ.

- Mô phỏng và đánh giá kết quả: Triển khai mô phỏng trên công cụ 5G-air- simulator để thu nhận kết quả các lần mô phỏng. So sánh các kết quả thu được để kiểm chứng và đánh giá tính hiệu quả của thuật toán.

3. Nhiệm vụ nghiên cứu, kết quả đạt được, ý nghĩa khoa học và thực tiễn

3.1. Nhiệm vụ nghiên cứu

Với các mục tiêu, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu đã được nêu bên trên, tác giả xác định các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể như sau:

- Xây dựng mô hình tính toán của thuật toán lập lịch công bằng theo tỷ lệ hiện nay.

- Xây dựng và giải bài toán tối ưu việc lập lịch công bằng theo tỷ lệ đảm bảo mức độ cân bằng giữa Thông lượng, Độ trễ và Tỷ lệ mất gói tin.

- Triển khai mô phỏng, kiểm chứng, đánh giá hiệu quả của giải pháp được đề xuất so với các giải pháp liên quan.

3.2. Kết quả đạt được

Đề xuất được mô hình tính toán mới cho thuật toán lập lịch công bằng theo tỷ lệ để tối ưu hiệu suất truyền video trên mạng 5G siêu dày đặc.

3.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Luận văn đã nghiên cứu, xây dựng thành công mô hình tính toán cho thuật toán lập lịch công bằng theo tỷ lệ để tối ưu hiệu suất truyền video trên mạng 5G siêu dày đặc trong môi trường trong nhà - môi trường nhỏ, đường truyền ngắn, có nhiều vật cản trên đường truyền.

4. Bố cục luận văn

Sau nội dung Lời mở đầu như đã trình bày và phần Kết luận, luận văn được tổ chức thành 04 chương, cụ thể như sau:

Chương I. Lịch sử hình thành mạng 5G Chương II. Ứng dụng của mạng 5G

Chương III. Truyền video trên mạng 5G siêu dày đặc

Chương IV. Tối ưu hiệu suất truyền video trên mạng 5G siêu dày đặc

CHƯƠNG I:

LỊCH SỬ HÌNH THÀNH MẠNG 5G 1.1. Từ 1G đến 4G - Kết nối mọi người

Mạng thông tin di động 1G (gọi tắt là 1G) là thế hệ đầu tiên của mạng di động viễn thông [1]. Mạng 1G dựa trên giao tiếp tín hiệu thoại tương tự được giới thiệu vào những năm đầu thập niên 1981. Thông qua mạng 1G, lần đầu tiên, mọi người không còn bị ràng buộc vào một chiếc điện thoại cố định. Khả năng kết nối khi đang di chuyển đã thay đổi cách mọi người giao tiếp, làm việc và giải trí. Với sự ưu việt của mạng 1G tại thời điểm đó, không mất quá nhiều thời gian các mạng 1G đã tăng trưởng và phát triển rộng khắp.

Với việc điện thoại di động nhanh chóng được phổ biến, những hạn chế của tín hiệu tương tự mạng 1G, như: Sự cồng kềnh thiết bị; dịch vụ đắt tiền; phạm vi phủ sóng ít và sử dụng tài nguyên phổ tần số kém hiệu quả. Cùng với đó, sự chuyển đổi sang liên lạc bằng giọng nói kỹ thuật số đã thúc đẩy bước nhảy vọt từ mạng 1G lên mạng 2G. Mạng 2G, đầu tiên được giới thiệu dựa trên công nghệ Đa truy cập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access), đã giải quyết được nhiều hạn chế của các mạng 1G đời đầu. Tiếp đó, mạng 2G cũng giới thiệu công nghệ Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access - CDMA), tiên phong bởi Qualcomm đã mang lại những cải tiến đáng kể như tăng hơn 10 lần số lượng cuộc gọi thoại có thể được hỗ trợ.

CDMA trở thành nền tảng cho mạng 3G với CDMA2000 và WCDMA.

Mạng 3G không chỉ tăng số lượng cuộc gọi thoại, sự thay đổi mô hình chính là các công nghệ dựa trên CDMA mới mà mạng 3G đã giới thiệu để tối ưu hóa mạng di động cho các dịch vụ dữ liệu, cho phép người dùng truy cập dịch vụ e- mail, thời tiết và tin tức ngay trên thiết bị di động. Sự chuyển đổi này đã thiết lập nền tảng cho băng thông rộng di động, giúp mở ra kỷ nguyên của điện thoại thông minh.

Mạng 4G LTE mang đến băng thông rộng di động nhanh hơn, tốt hơn, cùng với kiến trúc mạng toàn IP mới. Nó mang lại một thiết kế không dây dựa trên các dạng sóng sử dụng giải pháp Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing - OFDM) và nhiều quyền truy cập. Mạng 4G LTE đã tiếp tục phát triển và mang đến những phát minh công nghệ, như: Nhiều ăng-ten để phát và thu nhận tín hiệu (Multiple In, Multiple Out), tổng hợp sóng mang, điều chế bậc cao hơn để phân phối hiệu suất không dây cực nhanh, cũng như các giải pháp để tăng năng lực mạng một cách hiệu quả để giải quyết sự gia tăng lưu lượng dữ liệu (đã tăng hơn 4.000 lần trong 10

năm qua). Hiện nay, các mạng 4G LTE mới xuất hiện có thể cung cấp tốc độ truy cập dữ liệu cao nhất nhanh hơn khoảng 100.000 lần so với mạng 2G đầu tiên.

Với sự gia tăng của mạng 3G và mạng 4G LTE, kết nối băng thông rộng di động toàn cầu đã vượt qua băng thông rộng cố định vào năm 2010, với hơn 7 tỷ kết nối di động trên toàn thế giới. Giá trị kinh tế do lĩnh vực di động tạo ra tiếp tục phát triển và ước tính đến năm 2020 sẽ vào khoảng 3,7 nghìn tỷ USD. Đây chỉ là hai trong số nhiều cột mốc quan trọng thể hiện bản chất biến đổi của truyền thông di động, những đổi mới đáng kinh ngạc này đã xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn - chỉ ba thập kỷ.

Hình 1. 1 - Các thế hệ mạng di động¹

Hiện nay, thế giới đang đi đến một sự chuyển đổi khác - sẽ tiếp tục mở rộng vai trò của mạng di động để giải quyết nhu cầu cho các loại dịch vụ mới của cuộc sống, chẳng hạn như: Cho phép kiểm soát nhiệm vụ quan trọng thông qua các liên kết siêu tin cậy, độ trễ thấp và kết nối IoT. Đó là mạng 5G.

1.2. 5G - Mạng mới cho những đổi mới

Mạng 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 mạng 4G, hoạt động ở các băng tần 28 GHz, 38 GHz, và 60 GHz.

1 https://viettimes.vn/bai-1-cac-he-thong-the-he-thu-1-va-thu-2-post108317.html

Hình 1. 2 - Nhu cầu về mạng 5G²

Theo các nhà nghiên cứu, mạng 5G sẽ có tốc độ nhanh hơn khoảng 10 lần so với mạng 4G hiện nay, giúp mở ra nhiều khả năng mới và hấp dẫn. Chi tiết được nêu trong Bảng 1.1, theo đó, xe tự lái có thể tự đưa ra những quyết định quan trọng phụ thuộc vào thời gian và hoàn cảnh vận hành; Tính năng trò chuyện video sẽ có hình ảnh mượt mà, trôi chảy hơn làm cho chúng ta cảm thấy như đang ở trong cùng một mạng nội bộ; Các cơ quan chức năng trong thành phố có thể theo dõi tình trạng tắc nghẽn giao thông, mức độ ô nhiễm và nhu cầu tại các bãi đậu xe, từ đó gửi thông tin này đến những chiếc xe thông minh của người dân theo thời gian thực thông qua kết nối của hàng tỷ bộ cảm biến đã được tích hợp vào các thiết bị gia dụng, hệ thống an ninh, thiết bị theo dõi sức khỏe, khóa cửa, xe hơi và thiết bị đeo [2].

2 http://www.arfm.gov.vn/Thông tin di động 5G và những dự báo ấn tượng

Bảng 1.1 Các thế hệ mạng truyền thông không dây

Công nghệ 1G 2G 3G 4G 5G

Năm ra đời 1970-1980 1990-2004 2004-2010 2010-2020 2020 Dải Tần Số 824-894Mhz 840-

1900Mhz

1.8-2.5Ghz 2-8Ghz 3-300Ghz

Tốc độ 2.4Kbps 64Kbps 144kbps- 2Mbps

100Mbps- 1Gbps

Tốc độ mong muốn 10Gbps

Tín hiệu Tương tự Số Số Số Số

Chuẩn IEEE

802.11 802.11b 802.11g/a 802.11n 802.11ac

Chuẩn công nghệ

APMS,TACS GSM based, GPRS, EDGE

UMTS/HSPA LTE/ LTE nâng

cao, Wimax, Wifi

WWWW

Chuyển mạch

Mạch điện tử Mạnh điện tử, Gói dữ liệu

Gói dữ liệu (không cho giao tiếp không khí)

Tất cả các gói tin

Tất cả các gói tin

Mạng lõi PSTN PSTN Gói N/W Internet Internet Kiểu truyền

tin

Hợp nhất theo chiều ngang

Hợp nhất theo chiều ngang

Hợp nhất theo chiều ngang

Hợp nhất theo chiều ngang và chiều dọc

Hợp nhất theo chiều ngang và chiều dọc Dịch vụ Gọi thoại Thoại kỹ

thuật số, tin nhắn ký tự, sức chứa dữ liệu gói tin cao hơn

Tích hợp với dịch vụ thoại, video và dữ liệu chất lượng cao

Khả năng kết nối dữ liệu năng động, các thiết bị có thể đeo được

Khả năng kết nối thông tin cao, các thiết bị đeo được và trí tuệ nhân tạo

Như vậy, mạng 5G không chỉ là tăng băng thông. Mạng 5G còn thể hiện sự tái cấu trúc cơ bản của mạng truy cập theo cách tận dụng một số xu hướng công nghệ chính và thiết lập nó có khả năng đổi mới nhiều hơn. Giống như cách mà mạng 3G đã xác định sự chuyển đổi từ thoại sang băng thông rộng, lời hứa của mạng 5G chủ yếu là về việc chuyển đổi từ một dịch vụ truy cập duy nhất (kết nối băng thông rộng) sang một bộ sưu tập các dịch vụ và thiết bị phong phú hơn.

Mạng 5G dự kiến sẽ cung cấp, hỗ trợ cho giao diện người dùng nhập vai (ví dụ:

AR / VR), các ứng dụng quan trọng (ví dụ: an toàn công cộng, phương tiện tự lái) và IoT. Bởi vì những trường hợp sử dụng này sẽ bao gồm mọi thứ từ thiết bị gia dụng, đến robot công nghiệp, đến ô tô tự lái. Do đó, mạng 5G sẽ không chỉ hỗ trợ con người truy cập Internet từ điện thoại thông minh, mà còn có một loạt các thiết bị sẽ tự động làm việc cùng nhau [1].

Hình 1. 3 - Các ứng dụng của mạng 5G [1]

Những mục tiêu này có thể sẽ không đạt được trong tương lai gần, nhưng điều đó phù hợp với mỗi thế hệ mạng di động - đó là là một nỗ lực kéo dài hàng thập kỷ.

1.2.1. Các thành phần chính

Mạng di động cung cấp kết nối không dây đối với các thiết bị đang di chuyển. Những thiết bị này, được gọi là Thiết bị Người dùng (User Equipment - UE), theo truyền thống tương ứng với điện thoại thông minh và máy tính bảng, nhưng sẽ ngày càng bao gồm ô tô, máy bay không người lái, máy công nghiệp, nông nghiệp, robot, thiết bị gia dụng, thiết bị y tế, v.v [3].

Hình 1. 4 - Cấu trúc Mạng di động [3]

Như trong Hình 1.4, mạng di động bao gồm hai mạng con chính chính: RAN và Mobile Core. RAN quản lý phổ vô tuyến hay mạng truy cập vô tuyến, đáp ứng các yêu cầu về chất lượng dịch vụ của người dùng. Nó tương ứng với một tập hợp các trạm gốc phân tán. Như đã nói ở trên, trong 4G, chúng được đặt tên là eNodeB (hoặc eNB), viết tắt của Node B đã phát triển. Trong 5G, chúng được gọi là gNB (Chữ g là viết tắt của “Thế hệ tiếp theo - next Generation”).

Mobile Core là một gói chức năng phục vụ một số mục đích:

 Cung cấp kết nối Internet (IP) cho cả dịch vụ dữ liệu và thoại.

 Đảm bảo kết nối này đáp ứng các yêu cầu QoS đã hứa.

 Theo dõi tính di động của người dùng để đảm bảo dịch vụ không bị gián đoạn.

 Theo dõi việc sử dụng của người đăng ký để thanh toán và tính phí.

Mặc dù từ “Core” trong tên gọi của nó, từ góc độ Internet, Mobile Core vẫn là một phần của mạng truy nhập, cung cấp hiệu quả cầu nối giữa RAN ở một số khu vực địa lý và tập hợp IP truy cập Internet lớn hơn. 3GPP cung cấp sự linh hoạt đáng kể trong cách Mobile Core được triển khai về mặt địa lý, giả sử mỗi lần khởi tạo Mobile Core phục vụ một khu vực đô thị là một mô hình hoạt động tốt. RAN tương ứng sau đó sẽ trải dài hàng chục (hoặc thậm chí hàng trăm) tháp di động.

Xem xét kỹ hơn trong Hình 1.4, chúng ta thấy rằng Mạng Backhaul kết nối các trạm gốc thực hiện RAN với Mobile Core. Mạng này thường có dây, có thể

có hoặc không có cấu trúc liên kết vòng và thường được xây dựng từ các thành phần được tìm thấy ở những nơi khác trên Internet. Ví dụ: Mạng quang thụ động (Passiiie Optical Network - PON) triển khai Fiber-to-the-Home là một ứng cử viên hàng đầu để triển khai mô hình dự phòng RAN. Mạng backhaul rõ ràng là một phần cần thiết của RAN, nhưng nó là một tuỳ chọn chứ không được quy định bởi tiêu chuẩn 3GPP.

Mặc dù 3GPP chỉ định tất cả các phần tử triển khai RAN và Mobile Core trong một tiêu chuẩn mở, các nhà khai thác mạng trước đây đã mua các bản triển khai độc quyền của mỗi hệ thống con từ một nhà cung cấp. Mặc dù đúng là triển khai eNodeB có chứa các thuật toán phức tạp để lập lịch truyền trên phổ vô tuyến - các thuật toán được coi là tài sản trí tuệ có giá trị của các nhà cung cấp thiết bị - thì vẫn có cơ hội đáng kể để mở và tách cả RAN và Mobile Core thành các thành phần chi tiết.

Trước khi đi đến những chi tiết đó, Hình 1.5 vẽ lại các thành phần từ Hình 1.4 để làm nổi bật hai điểm khác biệt quan trọng. Đầu tiên là trạm gốc có một thành phần tương tự (được mô tả bởi một ăng-ten) và một thành phần kỹ thuật số (được mô tả bởi một cặp bộ xử lý). Thứ hai là Mobile Core được phân chia thành Mặt phẳng điều khiển và Mặt phẳng người dùng.

Hình 1. 5 - Cấu trúc Lõi di động [3]

Tầm quan trọng của hai thành phần này sẽ được làm rõ hơn trong những phần sau.

1.2.2. Mạng truy cập vô tuyến

Đầu tiên, mỗi trạm gốc thiết lập kênh không dây cho UE của thuê bao di

động khi hoạt động. Kênh này được giải phóng khi UE không hoạt động trong một khoảng thời gian nhất định.

Hình 1. 6 - Trạm gốc phát hiện và kết nối với các UE đang hoạt động [3]

Thứ hai, mỗi trạm gốc thiết lập kết nối “Mặt phẳng điều khiển 3GPP” giữa UE và thành phần Mặt phẳng điều khiển lõi di động tương ứng để chuyển tiếp lưu lượng báo hiệu giữa hai trạm. Lưu lượng báo hiệu này cho phép xác thực, duy trì kết nối và theo dõi việc di chuyển của UE.

Hình 1. 7 - Trạm gốc kết nối Mặt phẳng điều khiển [3]

Thứ ba, đối với mỗi UE đang hoạt động, trạm gốc thiết lập một hoặc nhiều kênh giao tiếp giữa thành phần Mặt phẳng người dùng lõi di động tương ứng.

Hình 1. 8 - Trạm gốc kết nối Mặt phẳng người dùng [3]

Thứ tư, trạm gốc chuyển tiếp cả gói điều khiển và gói dữ liệu người dùng giữa Mobile Core và UE. Các gói này được trao đổi qua SCTP/IP và Dịch vụ vô tuyến gói chung (General Packet Radio Service – GTP)/UDP/IP, tương ứng. SCTP là một phương tiện truyền tải đáng tin cậy thay thế cho Giao thức điều khiển truyền vận (Transmission Control Protocol), được điều chỉnh để mang thông tin báo hiệu (điều khiển) cho các dịch vụ điện thoại. GTP là một giao thức kết nối dành riêng cho 3GPP được thiết kế để chạy qua UDP.

Ngoài ra, cần lưu ý rằng kết nối giữa RAN và Mobile Core là dựa trên IP. Đây được giới thiệu là một trong những thay đổi chính giữa 3G và 4G. Trước 4G, nội bộ của mạng di động là dựa trên mạch, điều này không có gì đáng ngạc nhiên vì nguồn gốc của nó là mạng thoại.

Hình 1. 9 - Giao thức kết nối Trạm gốc và Lõi di động [3]

Thứ năm, mỗi trạm gốc điều phối việc chuyển giao UE với các trạm gốc lân cận, sử dụng các liên kết trực tiếp trạm với trạm. Các liên kết này được sử dụng để truyền cả gói mặt phẳng điều khiển (SCTP qua IP) và mặt phẳng người dùng (GTP qua UDP/IP).

Hình 1. 10 - Các Trạm gốc hợp tác bàn giao UE [3]

Thứ sáu, các trạm gốc điều phối quá trình truyền đa điểm không dây đến một UE từ nhiều trạm gốc, đây là một phần của việc chuyển giao UE từ trạm gốc này sang trạm gốc khác mà không làm gián đoạn kết nối.

Hình 1. 11 - Các Trạm gốc hợp tác thực hiện truyền đa đường tới các UE [3]

Như vậy, trạm gốc có thể được xem như một trạm giao nhận chuyên

biệt theo hướng Internet-to-UE. Nó phân mảnh các gói IP gửi đi thành các phân đoạn lớp vật lý và lên lịch cho chúng để truyền qua phổ vô tuyến có sẵn theo hướng UE-Internet; Nó tập hợp các phân đoạn lớp vật lý thành các gói IP và chuyển tiếp chúng (qua kênh giao tiếp GTP/UDP/IP) đến mặt phẳng người dùng khởi đầu của Mobile Core. Ngoài ra, dựa trên các quan sát về chất lượng kênh không dây và các chính sách trên mỗi thuê bao, nó quyết định xem có nên: (a) chuyển tiếp các gói gửi đi trực tiếp đến UE hay không, (b) chuyển tiếp gián tiếp các gói tới UE thông qua một trạm gốc lân cận, hay (c) sử dụng nhiều kênh giao tiếp khác nhau để tiếp cận UE.

1.2.3. Mạng lõi di động

Chức năng chính của Mobile Core là cung cấp kết nối mạng dữ liệu gói bên ngoài (tức là Internet) cho các thuê bao di động, đồng thời đảm bảo rằng chúng được xác thực và đảm bảo chất lượng dịch vụ cho thuê bao. Một khía cạnh quan trọng của Mobile Core là nó cần quản lý khả năng di chuyển của tất cả người đăng ký bằng cách theo dõi nơi ở cuối cùng của họ ở mức độ chi tiết tại trạm gốc đang phục vụ. Thực tế là Mobile Core đang theo dõi từng người đăng ký - điều mà lõi của Internet không làm - điều này tạo ra rất nhiều sự phức tạp trong kiến trúc của nó, đặc biệt là khi những người đăng ký đó đang di chuyển.

Mạng lõi di động 4G

Mạng lõi di động 4G - cái mà 3GPP chính thức gọi là EPC, bao gồm 5 thành phần chính, 3 thành phần đầu tiên chạy trong CP và hai thành phần thứ hai chạy trong Mặt phẳng người dùng (User Plane – UP).

Hình 1. 12 - Lõi di động 4G (Lõi gói phát triển) [3]

 Quản lý thực thể di động (Mobility Management Entity – MME): Theo dõi và quản lý sự di chuyển của các UE trong toàn bộ RAN. Điều này bao gồm ghi nhớ khi UE không hoạt động.

 Máy chủ thuê bao tại nhà (Home Subscriber Server - HSS): Cơ sở dữ liệu chứa tất cả các thông tin liên quan đến thuê bao.

 Chức năng chính sách và quy tắc tính phí (Policy & Charging Rules Function – PCRF): Theo dõi và quản lý các quy tắc chính sách và ghi lại dữ liệu thanh toán về lưu lượng thuê bao.

 Cổng phục vụ (Serving Gateway – SGW): Chuyển tiếp các gói IP đến và đi từ RAN. Cố định đầu cuối Mobile Core của dịch vụ mang vào một UE (có khả năng di động), và do đó, liên quan đến việc chuyển giao từ trạm gốc này sang trạm gốc khác.

 Cổng gói (Packet Gateway – PGW): Về cơ bản là một bộ định tuyến IP, kết nối Mobile Core với Internet bên ngoài. Hỗ trợ các chức năng bổ sung liên quan đến quyền truy cập, bao gồm thực thi chính sách, định hình lưu lượng và tính phí.

Mặc dù được chỉ định là các thành phần riêng biệt, trên thực tế, SGW (hướng ra RAN) và PGW (hướng vào Internet) thường được kết hợp trong một thiết bị duy nhất, thường được gọi là S/PGW. Kết quả cuối cùng được minh họa trong Hình 1.12.

Lưu ý rằng 3GPP linh hoạt trong cách triển khai các thành phần Mobile Core để phục vụ một khu vực địa lý nhất định. Ví dụ: một cặp MME/PGW duy nhất có thể phục vụ một khu vực đô thị, với các SGW được triển khai trên ~10 địa điểm cạnh nhau trải khắp thành phố, mỗi trong số đó phục vụ ~100 trạm gốc.

Lõi di động 5G

Lõi di động 5G - cái mà 3GPP gọi là Thế hệ lõi tiếp theo (Next Generation Core - NG-Core), áp dụng kiến trúc microservice-like. Gọi là “microservice- like” bởi vì trong khi đặc điểm kỹ thuật 3GPP giải thích mức độ phân tách này, nó thực sự chỉ quy định một tập hợp các khối chức năng và không phải là một triển khai. Một tập hợp các khối chức năng rất khác với tập hợp các quyết định kỹ thuật dùng để thiết kế một hệ thống dựa trên dịch vụ vi mô. Điều đó nói lên rằng, việc xem tập hợp các thành phần được hiển thị trong Hình 1.13 như một tập hợp các dịch vụ nhỏ là một mô hình hoạt động tốt.

Hình 1. 13 - Lõi di động 5G (NG-Core) [3]

Sau đây tổ chức tập hợp các khối chức năng thành ba nhóm.

Nhóm đầu tiên chạy trong CP và có một đối tác trong EPC.

 AMF (Core Access and Mobility Management Function): Chịu trách nhiệm quản lý kết nối và khả năng tiếp cận, quản lý tính di động, xác thực và ủy quyền truy cập cũng như các dịch vụ định vị. Quản lý các khía cạnh liên quan đến tính di động của MME của EPC.

 SMF (Session Management Function): Quản lý từng phiên UE, bao gồm phân bổ địa chỉ IP, lựa chọn chức năng UP liên quan, các khía cạnh kiểm soát của QoS và các khía cạnh kiểm soát của định tuyến UP. Gần như tương ứng với một phần của MME của EPC và các khía cạnh liên quan đến kiểm soát của PGW của EPC.

 PCF (Policy Control Function): Quản lý các quy tắc chính sách mà các chức năng CP khác sau đó thực thi. Gần như tương ứng với PCRF của EPC.

 UDM (Unified Data Management): Quản lý danh tính người dùng, bao gồm cả việc tạo thông tin xác thực. Bao gồm một phần chức năng trong HSS của EPC.

 AUSF (Authentication Server Function): Về cơ bản là một máy chủ xác thực. Bao gồm một phần chức năng trong HSS của EPC.

Nhóm thứ hai cũng chạy trong Control Plane (CP) nhưng không có đối tác trực tiếp trong EPC:

 SDSF (Structured Data Storage Network Function): Một dịch vụ “trợ giúp”

được sử dụng để lưu trữ dữ liệu có cấu trúc. Có thể được triển khai bởi “Cơ sở dữ liệu SQL” trong một hệ thống dựa trên microservices.

 UDSF (Unstructured Data Storage Network Function): Một dịch vụ “trợ giúp”

được sử dụng để lưu trữ dữ liệu phi cấu trúc. Có thể được triển khai bởi “Kho

khóa / giá trị” trong hệ thống dựa trên dịch vụ vi mô.

 NEF (Network Exposure Function): Một phương tiện để hiển thị các khả năng được chọn cho các dịch vụ của bên thứ ba, bao gồm dịch giữa các đại diện bên trong và bên ngoài cho dữ liệu. Có thể được triển khai bởi "Máy chủ API" trong hệ thống dựa trên dịch vụ vi mô.

 NRF (NF Repository Function): Một phương tiện để khám phá các dịch vụ có sẵn. Có thể được thực hiện bởi “Dịch vụ khám phá” trong một hệ thống dựa trên dịch vụ vi mô.

 NSSF (Network Slicing Selector Function): Một phương tiện để chọn một lát mạng để phục vụ một UE nhất định. Các lát mạng về cơ bản là một cách để phân vùng tài nguyên mạng nhằm phân biệt dịch vụ được cung cấp cho những người dùng khác nhau.

Nhóm thứ ba bao gồm một thành phần chạy trong User Plane (UP):

 UPF: Chuyển tiếp lưu lượng giữa RAN và Internet, tương ứng với tổ hợp S/PGW trong EPC. Ngoài chuyển tiếp gói, nó chịu trách nhiệm thực thi chính sách, chặn hợp pháp, báo cáo sử dụng lưu lượng và chính sách QoS.

Trong số này, nhóm thứ nhất và thứ ba tốt nhất được xem như là sự tái cấu trúc đơn giản EPC của 4G, trong khi nhóm thứ hai là cách 3GPP chỉ đến một giải pháp gốc đám mây như là trạng thái mong muốn cuối cùng cho Lõi di động. Đặc biệt lưu ý, việc giới thiệu các dịch vụ lưu trữ riêng biệt có nghĩa là tất cả các dịch vụ khác có thể không có trạng thái và do đó, có thể mở rộng dễ dàng hơn. Cũng lưu ý rằng Hình 1.13 áp dụng một ý tưởng phổ biến trong các hệ thống dựa trên dịch vụ vi mô, cụ thể là, để hiển thị một kênh thông báo kết nối tất cả các thành phần thay vì bao gồm một tập hợp đầy đủ các kết nối theo cặp.

1.2.4. Bảo mật và tính di động

Bắt đầu với kiến trúc bảo mật, dựa trên hai giả định tin cậy. Đầu tiên, mỗi Trạm cơ sở tin tưởng rằng nó được kết nối với Lõi di động bằng một mạng riêng an toàn, qua đó nó thiết lập các kênh truyền được giới thiệu trong Hình 1.12:

Một kênh kết nối GTP/UDP/IP tới Mặt phẳng người dùng của Lõi (Core-UP) và một kênh kết nối sử dụng Giao thức truyền tải kiểm soát luồng (Stream Control Transport Protocol – SCTP)/IP đến Mặt phẳng điều khiển của lõi (Core- CP). Thứ hai, mỗi UE có một thẻ SIM do nhà khai thác cung cấp, thẻ sim này nhận dạng duy nhất thuê bao (tức là số điện thoại) và thiết lập các thông số vô tuyến (ví dụ: băng tần) cần thiết để giao tiếp với các Trạm gốc của nhà khai thác đó. Thẻ sim cũng bao gồm một khóa bí mật mà UE sử dụng để xác thực chính nó.

Hình 1. 14 - Thiết lập các kênh Kiểm soát với Mặt phẳng người [3]

Với điểm bắt đầu này, Hình 1.14 cho thấy trình tự kết nối cho mỗi UE. Khi một UE hoạt động lần đầu tiên, nó sẽ giao tiếp với Trạm gốc gần đó qua một liên kết vô tuyến tạm thời (chưa được xác thực) (Bước 1). Trạm gốc chuyển tiếp yêu cầu đến Core-CP qua kênh kết nối hiện có và Core-CP (cụ thể là MME trong 4G và AMF trong 5G) khởi tạo giao thức xác thực với UE (Bước 2). 3GPP xác định một tập hợp các tùy chọn để xác thực và mã hóa, trong đó các giao thức thực tế được sử dụng là một lựa chọn triển khai. Ví dụ, Tiêu chuẩn Mã hóa Nâng cao - Advanced Encryption Standard (AES) là một trong những tùy chọn để mã hóa. Lưu ý rằng việc trao đổi xác thực này ban đầu là rõ ràng vì liên kết Trạm cơ sở đến UE chưa được bảo mật.

Khi UE và Core-CP hài lòng với danh tính của nhau, Core-CP sẽ thông báo cho các thành phần khác về các tham số mà họ sẽ cần để phục vụ UE (Bước 3). Điều này bao gồm: (a) hướng dẫn Core-UP khởi tạo mặt phẳng người dùng (ví dụ: gán địa chỉ IP cho UE và đặt tham số QCI thích hợp); (b) hướng dẫn Trạm gốc thiết lập một kênh được mã hóa tới UE; và (c) cung cấp cho UE khóa đối xứng nó sẽ cần để sử dụng kênh được mã hóa với Trạm gốc. Khóa đối xứng được mã hóa bằng khóa công khai của UE (vì vậy chỉ UE mới có thể giải mã bằng khóa bí mật của nó). Sau khi hoàn tất, UE có thể sử dụng kênh bình diện người dùng end-to-end thông qua Core-UP (Bước 4).

Có ba chi tiết lưu ý bổ sung về quá trình này.

Đầu tiên, kênh điều khiển an toàn giữa UE và Core-CP được thiết lập trong Bước 2 vẫn khả dụng và được Core-CP sử dụng để gửi các hướng dẫn điều khiển bổ sung đến UE trong suốt phiên kết nối.

Thứ hai, kênh mặt phẳng người dùng được thiết lập trong Bước 4 được gọi là Dịch vụ mang mặc định - Default Bearer Service, nhưng các kênh bổ sung có

thể được thiết lập giữa UE và Core-UP, mỗi kênh có một giá trị QCI tiềm năng khác nhau. Điều này có thể được thực hiện trên cơ sở từng ứng dụng, ví dụ, dưới sự kiểm soát của Mobile Core thực hiện Kiểm tra gói tin sâu - Deep Packet Inspection (DPI) trên lưu lượng truy cập, tìm kiếm các luồng yêu cầu xử lý đặc biệt.

Hình 1. 15 - Trình tự các kênh kết nối [3]

Thứ ba, trong khi các kênh mặt phẳng người dùng kết quả là end-to-end về mặt logic, mỗi kênh thực sự được thực hiện như một chuỗi các kênh kết nối, như minh họa trong Hình 1.15. Điều này có nghĩa là mỗi thành phần trên đường dẫn end-to-end kết thúc một kênh kết nối xuôi bằng cách sử dụng một mã định danh cục bộ cho một UE nhất định và bắt đầu kênh kết nối ngược để nhận dạng cục bộ thứ hai cho UE đó. Trong thực tế, các kênh kết nối theo luồng này thường được đóng gói thành một kênh kết nối liên thành phần duy nhất, điều này làm cho không thể phân biệt mức độ dịch vụ được cung cấp cho bất kỳ kênh UE end-to-end cụ thể nào. Đây là một hạn chế của 4G mà 5G đang có tham vọng sửa chữa.

Hỗ trợ cho tính di động bây giờ có thể được hiểu là quá trình thực hiện lại một hoặc nhiều bước được thể hiện trong Hình 1.14 khi UE di chuyển trong toàn bộ RAN. Liên kết chưa được xác thực được chỉ ra bởi (1) cho phép UE được biết đến với tất cả các Trạm gốc trong phạm vi. Dựa trên Chỉ số chất lượng kênh truyền (Channel Quality Indicator – CQI) đo được của tín hiệu, các Trạm gốc giao tiếp trực tiếp với nhau để đưa ra quyết định chuyển giao. Sau khi được thực hiện, quyết định sau đó được thông báo tới Mobile Core, kích hoạt lại các chức năng thiết lập được chỉ ra bởi (3), từ đó xây dựng lại kênh kết nối người dùng giữa Trạm gốc và SGW được hiển thị trong Hình 1.15 (hoặc tương ứng, giữa Trạm gốc và Chức năng mặt phẳng người dùng (User Plane Function – UPF) trong 5G). Một trong những tính năng độc đáo nhất của mạng di động là mặt phẳng người dùng của Mobile Core (ví dụ: UPF trong 5G) lưu vào bộ đệm dữ

liệu trong quá trình chuyển giao, tránh các gói bị rớt và truyền lại từ đầu đến cuối.

Nói cách khác, mạng di động duy trì trạng thái UE (phiên) khi có tính di động (tương ứng với các kênh điều khiển và dữ liệu được mô tả bởi (2) và (4) trong Hình 1.14 tương ứng), nhưng nó chỉ có thể làm như vậy khi cùng một Lõi di động phục vụ UE (tức là chỉ có Trạm gốc thay đổi). Điều này thường xảy ra đối với một UE di chuyển trong một khu vực đô thị, các Lõi di động không thể phân biệt được việc luân chuyển của một UE. UE được gán một địa chỉ IP mới và không có nỗ lực nào được thực hiện để đệm và sau đó cung cấp dữ liệu trong quá trình di chuyển (bất kỳ UE nào không hoạt động trong một khoảng thời gian cũng sẽ mất phiên của nó, với một phiên mới được thiết lập và địa chỉ IP mới được chỉ định khi UE hoạt động trở lại).

1.2.5. Tùy chọn triển khai

Với 4G RAN/EPC đã được triển khai trên thị trường và triển khai 5G RAN/NG-Core mới, chúng ta không thể bỏ qua vấn đề chuyển đổi từ 4G sang 5G. 3GPP chính thức đưa ra nhiều tùy chọn triển khai, có thể tóm tắt như sau.

 4G độc lập / 5G độc lập

 Không độc lập (4G + 5G RAN) qua EPC của 4G

 Không độc lập (4G + 5G RAN) trên NG-Core của 5G

Lựa chọn thứ hai trong số ba lựa chọn, thường được gọi là hoạt động Không độc lập (Non Standalone), liên quan đến các trạm gốc 5G được triển khai cùng với các trạm gốc 4G hiện có ở một khu vực địa lý nhất định để cung cấp tốc độ dữ liệu và tăng dung lượng. Cuối cùng, các nhà khai thác dự kiến sẽ hoàn thành việc chuyển đổi sang 5G bằng cách triển khai NG Core và kết nối các trạm gốc 5G của họ với nó để hoạt động Độc lập (Standalone). Hoạt động Không độc lập và Độc lập được minh họa trong Hình 1.16.

Hình 1. 16 - Các tùy chọn Không độc lập và Độc lập để triển khai 5G [3]

Mạng 5G đã được tung ra vào năm 2020 để đáp ứng nhu cầu kinh doanh và người tiêu dùng. Tiềm năng cho 5G không chỉ giới hạn ở những trường hợp sử dụng đang hiện hữu, còn có rất nhiều ứng dụng mới đang phát triển vẫn chưa được xác định hoàn toàn hoặc thậm chí chưa được biết đến ngày nay (Tương tự như việc không ai có thể tưởng tượng được những chuyển đổi mà điện thoại thông minh hiện đại đã tạo ra khi 4G LTE ban đầu được hình thành 2004). Do đó, 5G đang được thiết kế với tính linh hoạt và khả năng mở rộng để cung cấp sự thống nhất nền tảng kết nối cho những đổi mới trong tương lai.

Tổng kết chương I

Chương này đã giới thiệu tổng quan về các mạng viễn thông di động từ khi bắt đầu xuất hiện mạng 1G đến mạng 5G hiện nay cũng như những ưu điểm nổi bật, những thách thức cần ngiên cứu của mạng 5G. Qua đó, cung cấp cái nhìn tổng quan về lý do lựa chọn đề tài. Ngoài ra, nội dung Chương I cũng bước đầu đề cập đến vai trò của mạng 5G trong hiện tại và tương lai. Chi tiết sẽ tiếp tục được trình bày trong các chương tiếp theo.

CHƯƠNG II:

ỨNG DỤNG CỦA MẠNG 5G

Ngày nay, ngành công nghiệp di động đã thống nhất xác định 3 danh mục chính của dịch vụ mạng 5G: Băng thông di động nâng cao - Enhanced Mobile Broadband; Kiểm soát quan trọng theo sứ mệnh - Mission-Critical Control; Vạn vật kết nối internet - Internet of Things.

Hình 2. 1 - Những kỳ vọng của mạng 5G [1]

Với mỗi mục đích của dịch vụ đều sẽ thúc đẩy một loạt các yêu cầu rất đa dạng.

2.1. Băng thông lớn

Với tốc độ thông lượng cuối cùng có thể lên tới 20 Gbps, khi có tần số sóng milimet (mmW), eMBB sẽ cho phép trải nghiệm theo hướng dữ liệu mới yêu cầu tốc độ dữ liệu cao, dẫn đến trải nghiệm người dùng nhanh hơn và tốt hơn. Nhưng lợi ích của eMBB không chỉ là tốc độ tải xuống nhanh hơn mà cung cấp các cơ hội mới và trải nghiệm người dùng ngày càng liền mạch [4].

* Nâng cao trải nghiệm của người dùng:

Ví dụ, tại các địa điểm công cộng như sân vận động và đấu trường, nơi hàng nghìn người hâm mộ đang kết nối Internet và chia sẻ trải nghiệm của họ thông qua các ứng dụng trên thiết bị di động của họ, nhu cầu về kết nối và băng thông đang tăng lên theo cấp số nhân.

eMBB có thể xử lý các tình huống “điểm nóng” như thế này, cung cấp cho người dùng khả năng truy cập băng thông rộng nâng cao ở các khu vực đông

dân cư, cả trong nhà và ngoài trời. Người hâm mộ không chỉ tận hưởng khả năng kết nối liền mạch mà các nhà tổ chức sự kiện cũng sẽ có những khả năng mới để thúc đẩy trải nghiệm người hâm mộ. Khả năng video nâng cao kết hợp với dung lượng mạng được cải thiện có thể cung cấp cho người hâm mộ quyền truy cập trên thiết bị di động trong thời gian thực để phát lại tức thì với nội dung video hậu trường, thường dành cho người xem tại nhà. Nó cũng sẽ cho phép người hâm mộ tải video về trải nghiệm sân vận động của họ lên phương tiện truyền thông xã hội trong thời gian thực, chia sẻ nó bên ngoài sân vận động với bạn bè và gia đình của họ.

Các chủ sở hữu và nhà điều hành không gian sân vận động và sự kiện, nhượng quyền thể thao chuyên nghiệp, các công ty truyền thông và hơn thế nữa sẽ có thể tăng lượng người tham dự, doanh thu và giữ chân khán giả với trải nghiệm người dùng được hỗ trợ 5G.

* Thành phố thông minh hơn, an toàn hơn

eMBB cuối cùng sẽ hoạt động trên nhiều thiết bị được kết nối hơn điện thoại thông minh, điều này có nghĩa là sẽ có những phát triển mới thú vị cho các thành phố thông minh hơn. Ví dụ: hãy xem xét cách các thành phố tự quản có thể cải thiện an toàn và bảo mật bằng cách đặt các thiết bị video hỗ trợ AR/VR ở những vị trí chiến lược mà trước đây công nghệ cũ không thể thực hiện được.

Theo dõi luồng giao thông và kết nối nguồn cấp dữ liệu này với phân tích AI tức thì có thể tiết kiệm những giây quý giá khi điều động nhân viên y tế đến một vụ tai nạn ô tô. Cảnh sát, xe kéo và các phương tiện dịch vụ khác bao gồm cả máy bay không người lái cũng có thể được điều động đồng thời sớm hơn, giải tỏa sự xáo trộn nhanh hơn và trả lại luồng giao thông bình thường. Và tín hiệu giao thông thậm chí có thể được phối hợp với các phương tiện phản ứng đầu tiên để giảm thời gian phản hồi hơn nữa. Sự gia tăng về thông lượng dữ liệu kết hợp với độ trễ cực thấp sẽ giúp điều này trở nên khả thi đối với các thành phố trong thời gian tới.

* Trải nghiệm ảo không bị ràng buộc

Ngoài việc cho phép sử dụng, chia sẻ nội dung đa phương tiện trên quy mô lớn và triển khai các ứng dụng dữ liệu lớn cho các thành phố thông minh, eMBB sẽ hỗ trợ các chức năng chính trong cuộc sống công việc hàng ngày của chúng ta - và sẽ thực hiện điều đó qua kết nối không dây.

Từ những người đi làm truy cập các ứng dụng dựa trên đám mây trong quá trình đi làm, đến những người làm việc trong lĩnh vực giao tiếp với văn phòng, đến toàn bộ văn phòng thông minh, nơi tất cả các thiết bị đều được kết nối

không dây và liền mạch, 5G sẽ gỡ rối công việc của chúng ta.

Nó cũng sẽ cho phép các ứng dụng trải nghiệm thực tế ảo và AR hoàn toàn nhập vai, chẳng hạn như các cuộc họp khách hàng và nội bộ. Hãy tưởng tượng kết nối với một cuộc họp từ xa với quyền truy cập video 360 độ, tương tác không có độ trễ và thậm chí là dịch ngôn ngữ theo thời gian thực cho những người tham gia. Các doanh nghiệp cũng sẽ có thể tạo ra những trải nghiệm mới để cho khách hàng trực tiếp xem qua một thiết kế hoặc ý tưởng ảo. Hoặc đối với nhân viên, đào tạo thông qua mô phỏng VR có thể giúp nâng cao tiêu chuẩn cho các phương pháp hay nhất trong toàn công ty, có tác động tích cực đến việc cung cấp dịch vụ tổng thể của công ty.

2.2. Kiểm soát các nhiệm vụ quan trọng

Các trường hợp sử dụng cho eMBB, chẳng hạn như phát trực tuyến video và duyệt web nhanh cũng rất hữu ích, nhưng chúng không phải lúc nào cũng quan trọng. Nếu độ trễ của mạng dẫn đến mất thêm nửa giây để tải xuống video hoặc hiển thị trang web, nó có thể sẽ không làm hỏng trải nghiệm của người tiêu dùng. Nhưng trong việc ngăn ngừa tai nạn giao thông hoặc vận hành robot công nghiệp, nửa giây đó rất quan trọng [5].

* Tự động hóa công nghiệp

Các kỹ sư chịu trách nhiệm về các thông số kỹ thuật 5G đã vượt ra ngoài các trường hợp sử dụng của người tiêu dùng và thiết kế 5G NR để đáp ứng hoặc vượt quá các yêu cầu về kiểm soát quan trọng. Những yêu cầu đó ảnh hưởng đến công việc phát triển trong các lĩnh vực như tự động hóa công nghiệp, đây là một trong những trường hợp sử dụng khó khăn nhất. Chúng cũng ảnh hưởng đến công việc trong các ứng dụng như:

+ Cơ sở hạ tầng thành phố thông minh;

+ Xe hướng dẫn tự động (AGV);

+ Robot và máy bay không người lái;

+ Các hệ thống liên quan đến an toàn và tự động trên xe;

+ Thủ tục y tế từ xa.

Các ứng dụng như vậy sẽ không thành công trong điều kiện độ tin cậy thấp (mất kết nối) hoặc có độ trễ cao.

Tại sao lại nhấn mạnh vào độ trễ thấp? Bởi vì Cách mạng công nghiệp 1.0 (cơ giới hóa), 2.0 (điện khí hóa) và 3.0 (số hóa) dựa vào yếu tố con người để kết nối các quy trình. Cách mạng công nghiệp 4.0 dựa vào 5G để kết nối chúng bằng cách giảm độ trễ xuống còn ~1 mili giây.

* Tăng cường giao tiếp siêu đáng tin cậy, độ trễ thấp (eURLLC)

Để cung cấp độ tin cậy và tính sẵn sàng của mạng 5G cần thiết cho mission-critical control, Rel-16 của 5G NR sắp tới bao gồm khả năng giao tiếp siêu đáng tin cậy, độ trễ thấp được nâng cao. eURLLC được thiết kế để đảm bảo độ tin cậy mất gói tin ở mức thấp nhất là .0001% - độ trễ dưới 1 mili giây. Nó cũng được thiết kế cho đa kết nối để tạo ra các liên kết dự phòng đảm bảo độ tin cậy.

Ví dụ, để đạt được độ trễ cực thấp như vậy, 5G NR cho phép thời lượng khe cắm có thể mở rộng xuống tới 125 micro giây, bằng 1/8 so với 4G LTE, minh hoạ tại Hình 2.2. Một trong những mục tiêu của thời lượng vùng có thể mở rộng này là giảm thời gian chờ truyền dữ liệu, chuẩn bị, truyền dữ liệu, xử lý dữ liệu đã nhận và gửi phản hồi.

Hình 2. 2 - Thời lượng vùng có thể mở rộng trong 5G NR [5]

- Thích ứng với nhu cầu tự động hóa công nghiệp

Để hỗ trợ các ứng dụng quan trọng như tự động hóa công nghiệp, 5G NR bao gồm các cơ chế để truyền các thông điệp có mức độ ưu tiên cao giữa tất cả các dữ liệu và dịch vụ khác đang chạy trên mạng.

Một bước là nâng cấp các mạng Ethernet công nghiệp hiện có như PROFINET và EtherCAT lên 5G không dây. Vì vậy, eURLLC cũng kết hợp mạng nhạy cảm với thời gian - Time-Sensitive Networking (TSN), một tập hợp các tiêu chuẩn IEEE 802.1 cho phép đồng bộ hóa các máy. TSN cung cấp phân phối gói xác định - thời gian truyền đã biết cho các gói thời gian thực - thay vì thời gian truyền có thể thay đổi, nỗ lực cao nhất điển hình của Ethernet. 5G xác định các bộ điều hợp TSN cung cấp các chức năng Ethernet và kết nối hệ thống TSN với các thiết bị.

Một kỹ thuật khác tạo khoảng trống trên kênh truyền và ghép kênh các dịch vụ quan trọng với nó. Nó lắng nghe các tin nhắn ưu tiên cao, đột xuất giữa các dịch vụ thoại và dữ liệu thông thường, đồng thời cho phép truyền các tin nhắn đó bất cứ lúc nào. Ví dụ, trong các hệ thống liên quan đến an toàn, việc tạo khoảng trống sẽ cho phép các lệnh đi qua một cách đáng tin cậy và không bị chậm trễ. Khung 5G NR cho phép lưu lượng truy cập danh nghĩa phục hồi sau khi bị khoảng trống mà không phải chịu thêm độ trễ do quá nhiều lần truyền lại.

- Giao tiếp giữa thiết bị với thiết bị và chia sẻ phổ

Các thiết bị quan trọng cần giao tiếp thiết bị với thiết bị - Device to Device (D2D) và trao đổi thông tin thời gian thực trực tiếp khi chúng tạm thời nằm ngoài vùng phủ sóng của mạng. Loại liên kết trực tiếp đó trong khuôn khổ đa kết nối được minh họa trong Cellular Vehicle-to-Everything (C-V2X) như một phần của LTE Advanced Pro, được chuyển sang 5G.

Ngoài ra, các kỹ thuật chia sẻ phổ tần mới trong 5G NR cho phép dễ dự đoán chất lượng dịch vụ hơn và hoạt động đồng bộ giữa các nút 5G. Chúng kích hoạt Đa điểm phối hợp - Coordinated Multi-Point (CoMP) cho URLLC - cái sẽ được yêu cầu cho các ứng dụng IoT công nghiệp như tự động hóa nhà máy.

2.3. Vạn vật kết nối internet

Internet hiện nay được sử dụng rộng rãi cho nhiều dịch vụ: truy xuất thông tin, video phát trực tuyến, chia sẻ tệp, mua sắm trực tuyến, ngân hàng, mạng xã hội, v.v. Đó là được gọi là “Web 2.0”. Nhưng Internet vẫn tiếp tục sự phát triển của nó và sẽ cho phép các đối tượng kết nối với nhau để nhận một số thông tin, thực hiện một số hành động hoặc chia sẻ thông tin. Thế giới mới của các thiết bị được kết nối này được gọi là IoT và sẽ hình thành Internet mới, được đặt tên là

“Web 3.0”. IoT là một thuật ngữ chung, chỉ định các đối tượng được kết nối và có thể bao gồm nhiều đối tượng, nhiều dịch vụ, nhiều tình huống, v.v [6].

- Thành phố thông minh:

Khái niệm Thành phố thông minh là một trong những khái niệm được nhiều người đề cập và đồng tình nhất trong thế giới IoT. Có nhiều lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn như ô tô và giao thông giám sát và quản lý, môi trường thành phố (đèn đường, rác thải, ô nhiễm; v.v.), hoặc bản thân người dùng cuối và các thiết bị di động của họ. Trong trường hợp sử dụng IoT này, tôi xin đề cập:

+ Giám sát lưu lượng xe nơi các cảm biến trên đường có thể cho phép phát hiện giao thông đường kẹt, ô nhiễm hoặc đường bị hư hỏng và tự động đề xuất định tuyến lại cho người dùng cuối có thiết bị giống như GPS và có thể nhận được thông tin.

+ Đèn đường có thể được trang bị cảm biến để phát hiện ô tô hoặc con người chuyển động và sau đó có thể tự động bật khi có một số hoạt động trong khu vực và bị tắt nếu không. Nó có thể giúp tiết kiệm năng lượng cho thành phố, đồng thời đảm bảo an ninh bằng cách tránh tạo ra các vùng tối xung quanh mọi người.

+ Một số các cảm biến để phát hiện ô nhiễm bất thường ở một số nơi, hoặc mực nước hoặc lửa. Trong trường hợp này, việc phát hiện sớm môi trường bất thường trong các tình huống có thể được sử dụng để cảnh báo cho mọi người sống trong khu vực liên quan.

+ Một số các cảm biến cho thùng rác, cho nhà vệ sinh công cộng hoặc phát hiện những nơi bẩn và sau đó thông báo cho dịch vụ thích hợp để thực hiện các hành động phù hợp (dọn dẹp nhà vệ sinh, đổ thùng, vv). Với các cảm biến như vậy, các đội sẽ được thông báo để chỉ thực hiện công việc khi cần thiết. Nó có thể giúp tiết kiệm tiền bằng cách tối ưu hóa quy trình làm việc.

+ Đối với người dùng cuối có các thiết bị di động thông minh, các cảm biến trong cửa hàng hoặc địa điểm có thể phát hiện người dùng cuối và cung cấp cho họ một ưu đãi đặc biệt nếu đó là một khách hàng tốt của cửa hàng này chẳng hạn hoặc đề xuất cho họ một mức giảm giá của rạp chiếu phim nếu bộ phim sẽ được chiếu nằm trong nhu cầu của họ.

+ Quy hoạch đô thị và thành phố có thể dựa trên dữ liệu cảm biến thu thập thực tế về thành phố được sử dụng như thế nào; sự phát triển của thành phố dựa trên việc sử dụng thực tế được đo lường bằng cách định lượng khả năng di chuyển của người dân và nhu cầu cơ sở hạ tầng.

+ Giám sát kết cấu đường có trơn tru không, cây cầu có an toàn không?

Cảm biến được xây dựng vào cơ sở hạ tầng có thể cảnh báo các vấn đề tiềm ẩn và tự động hóa bảo trì.

+ Hỗ trợ xe tự hành hoặc xe tự lái: điều này đang xảy ra với một số hình thức giao thông công cộng trên đường dành riêng (đường sắt ví dụ: theo dõi).

Tuy nhiên, IoT cho phép đặt các cảm biến trên những con đường chung cho hỗ trợ các phương tiện tự hành cho giao thông công cộng, giao hàng, đi chung xe và vận chuyển chung, v.v.

+ Tích hợp các dịch vụ trong một thành phố sử dụng nhiều nguồn dữ liệu:

tổng hợp dữ liệu, khai thác dữ liệu và xử lý và phân tích các điều kiện thời gian thực. Vì ví dụ, một cơ sở dữ liệu về các mặt hàng bị đánh cắp (ví dụ, xe đạp trong môi trường thành phố) đã tham gia với thẻ cảm biến sở hữu trên xe đạp cộng với khả năng cảm biến trên đường có thể được kết hợp thành một dịch vụ

phục hồi xe đạp.

Khi thành phố trở nên lớn hơn, nhiều dịch vụ hơn sẽ có thể được hình dung, liên kết