Đánh giá hiệu năng kỹ thuật kết nối kép trong mạng 5G

Bài viết tập trung nghiên cứu kết nối kép (dual connectivity) của UE với trạm gNodeB và eNodeB trong Giai đoạn 1. Bên cạnh việc tìm hiểu lý thuyết, mô hình mô phỏng được xây dựng trong bài báo để so sánh hiệu năng của UE trong trường hợp sử dụng kỹ thuật DC và trường hợp chỉ có kết nối đơn tới 1 trạm eNodeB. Kết quả mô phỏng cho ta thấy kỹ thuật DC có khả năng cải thiện rất lớn hiệu năng của UE.

Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) Đánh giá hiệu kỹ thuật kết nối kép mạng 5G Nguyễn Quỳnh Chi, Lâm Sinh Công Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội Email: congls@vnu.edu.vn Tóm tắt nội dung—Mạng thông tin di động hệ thứ dần triển khai phổ biến để cung cấp dịch vụ tốc độ cao, thời gian thực hỗ trợ số lượng lớn kết nối cho người dùng Việc triển khai mạng 5G thường chia làm giai đoạn Giai đoạn triển khai nhiều nước giới, trạm phát 5G gNodeB 4G eNodeB hoạt động đồng thời với kết nối tới mạng lõi 4G Giai đoạn 2, trạm 5G gNodeB hoạt động độc lập kết nối tới mạng lõi 5G Trong báo này, tập trung nghiên cứu kết nối kép (dual connectivity) UE với trạm gNodeB eNodeB Giai đoạn Bên cạnh việc tìm hiểu lý thuyết, mơ hình mơ xây dựng báo để so sánh hiệu UE trường hợp sử dụng kỹ thuật DC trường hợp có kết nối đơn tới trạm eNodeB Kết mô cho ta thấy kỹ thuật DC có khả cải thiện lớn hiệu UE Từ khóa: 5G, 4G, kết nối kép, I GIỚI THIỆU Mạng thông tin di động hệ thứ dựng dựa thành công hệ mạng di động trước để hỗ trợ loại hình dịch vụ tốc độ cao, thời gian trễ thấp cung cấp số lượng lớn kết nối cho người dùng [1] Các yêu cầu thông số chất lượng dịch vụ 5G quy định ITU tiêu chuẩn kỹ thuật xác định tổ chức 3GPP Theo kỹ thuật định nghĩa cho mạng 5G, hệ thống hoạt động với tần số cao, băng thông lớn Cụ thể, tần số hoạt động mạng 5G dải tần số GHz dải tần số milimet 30 GHz hay gọi ngắn gọn sóng mmwave [2] Dải băng tần sóng mmwave lớn, nhiên sóng chịu ảnh hưởng lớn từ môi trường truyền tin Một số kết đo đạc sóng mmwave suy hao 35 dB qua thể người hay vật vật liệu xây dựng vôi, gạch - vật cản khơng thể tránh q trình truyền tin thực tế [3], [4] Do đó, trạm thơng tin di động 5G (gọi gNodeB) thường cung cấp vùng phủ sóng nhỏ với bán kính nhỏ 200m [5] Q trình phát triển mạng thơng tin di động hệ thứ chia thành giai đoạn [6], [7] Giai đoạn ISBN 978-604-80-5958-3 318 1, mạng thông tin di động 5G tồn hoạt động song song với hệ mạng thông tin di động trước đó, cụ thể mạng 5G Khi đó, ta có kiến trúc mạng thơng tin di động Không tồn độc lập (Non-Stand Alone) Trong giai đoạn này, hệ thống mạng lõi chủ yếu dựa tảng mạng lõi EPC 4G Tuy nhiên, mạng lõi có cải tiến để hỗ trợ cho việc kết nối đồng thời trạm di động 5G (gNodeB) 4G (eNodeB) Giai đoạn 2, mạng thông tin di động 5G hoạt động hoàn toàn độc lập với hệ thống khác Khi kiến trúc mạng di động gọi Kiến trúc độc lập (Stand Alone) Trong mơ hình kiến trúc độc lập, mạng lõi hồn thiện để tương tích hồn tồn với trạm di động 5G Tại giai đoạn phát triển, mạng thông tin di động 5G chứa đựng kỹ thuật tiên tiến như: kỹ thuật slicing để phân loại loại hình dịch vụ xác định luồng liệu thông suốt từ người dùng đến mạng lõi; kỹ thuật OFDM nâng cao với trọng điểm thay đổi linh động chu kỳ khe thời gian để cung cấp loại hình dịch vụ khác từ dịch vụ tốc độ cao dến dịch vụ thời gian thực; kỹ thuật kết nối song song (Dual Connectivity - DC) cho phép người dùng kết nối với nhiều trạm gốc [6]–[8] Trong báo này, tập trung vào đánh giá hiệu kỹ thuật Kết nối song song (DC) Hiệu kỹ thuật kết nối song song nghiên cứu tài liệu trước [9], [10] Trong Tài liệu [10], hiệu kỹ thuật DC đánh giá cho mạng 4G LTE với trạm phát nhỏ so sánh với trường hợp không sử dụng DC Kết mô rằng, kỹ thuật DC nâng cao thơng lượng mạng giảm lỗi chuyển giao Tài liệu [9] đánh giá hiệu kỹ thuật DC so sánh với kỹ thuật chuyển giao cứng với thông số độ trễ trung bình gói tin thơng lượng người dùng lớp ứng dụng Trong báo này, tác giả định trạm UE phép kết nối với trạm eNodeB sóng mmwave Trong báo Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2021) Hình 1: Sơ đồ mơ hình DC sử dụng trạm gNodeB eNodeB [7], [13] này, đánh giá hiệu UE trường hợp DC với trạm sở có trạm mmwave eNodeB trạm gNodeB Các thông số sử dụng số tín hiệu ồn Gaussian (SNR), hệ số điều chế mã hóa (Modulation and Coding Scheme - MCS) thông lượng UE II KỸ - DUAL CONNECTIVITY (DC) Truyền thông hợp tác kỹ thuật tiên tiến truyền thông vô tuyến [8], [11] triển khai hệ thống thông tin di động hệ thứ [1], [12] Đối với mạng thông tin di động 4G, kỹ thuật DC kết hợp trạm eNodeB với để phục vụ người dùng Trong mạng 5G, trạm gNodeB kết hợp với trạm gNodeB khác trạm eNodeB trạm eNodeB tồn để cung cấp kết nối cho người dùng Mục đích kỹ thuật truyền thơng hợp tác • Nâng cao hiệu phổ, hiệu suât sử dụng lương • Nâng cao vùng phủ sóng • Nâng cao chất lượng dịch vụ • Cải thiện thông lượng mạng Trong báo này, tập trung đánh giá hiệu người dùng mạng 5G sử dụng kết nối DC với trạm gNodeB eNodeB Mơ hình kết nối DC trạm gNodeB eNodeB mơ tả hình sau Theo Hình ta thấy mơ hình mạng DC với gNodeB eNodeB tồn trường hợp sau • Trường hợp 1: Trạm eNodeB mạng 4G LTE trạm gNodeB 5G kết nối tới mạng lõi EPC THUẬT KẾT NỐI KÉP ISBN 978-604-80-5958-3 319 4G Trong trường hợp này, trạm 5G gNodeB gọi với tên gọi khác en-gNodeB Mơ hình mạng thường tồn giai đoạn đầu mạng 5G số trạm 5G vận hành hệ thống mạng lõi 5G (5G core) chưa triển khai Trạm gNodeB eNodeB trao đổi thơng tin với thơng giao diện vơ tuyến X2 [7] • Trường hợp 2: Trạm eNodeB kết nối tới EPC gNodeB tới mạng lõi 5G Mơ hình xảy hệ thống mạng lõi 5G triển khai trạm gNodeB hoạt động độc lập với trạm eNodeB Trong mơ hình này, việc giao tiếp trạm không cần thiết Đối với mơ hình trên, UE giả thiết kết nối với trạm eNodeB gNodeB cách ln phiên cách lựa chọn trạm phát có kênh truyền tốt Khi UE bắt đầu kết nối vào mạng, định kết nối tới trạm sở, trạm gọi trạm thứ cấp (Primary Cell hay PCell), trạm lại gọi trạm sơ cấp (Secondary Cell hay SCell) Thông thường, trạm eNodeB sử dụng trạm thứ cấp trạm gNodeB gọi trạm sơ cấp Trong hệ thống gồm nhiều trạm sở sử dụng kỹ thuật DC, khái niệm nhóm MeNodeB SeNodeB sử dụng để tập hợp trạm PCell SCell tương ứng Hình Lưu ý rằng, trạm sở nhóm SeNodeB tồn trạm thứ cấp sơ cấp (Primary Secondary Cell - PSCell) hoạt động gần tương đương trạm sơ cấp PCell A Truyền tín hiệu điều khiển Phiên số 15 3GPP xác định trạm thứ cấp PCell bao gồm đầy đủ chức trạm sở, trạm sơ cấp SCell hoạt động với số chức Ví dụ kênh truyền điều khiển đường lên PUCCH kênh truy cập ngẫu nhiên (CBRA) khơng hoạt động trạm SCell Trong đó, trách nhiệm truyền tin điều khiển (Control Information) tín hiệu phản hồi, tín hiệu thơng báo chất lượng kênh truyền yêu cầu lập lịch thuộc chức trạm PCell Hình [7] Trong trường hợp kỹ thuật tập hợp sóng mang sử dụng trạm PCell SCell, việc sử dụng trạm sơ cấp PCell để truyền thông tin điều khiển yêu cầu lập lịch PCell SCell không hiệu độ trễ truyền tin lớn Do đó, sóng mang sử dụng trạm SCell để truyền tín hiệu điều khiển kênh PUCCH CBRA, trạm SCell gọi trạm thứ cấp sơ cấp PSCell Ngồi ra, đường lên (uplink), thơng tin điều khiển truyền trực tiếp từ UE tới trạm thứ cấp SCell Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) Hình khung nhóm trạm sơ cấp MeNodeB SNB hoàn toàn đồng với nhau, UE tính tốn đồng thời cơng suất sử dụng để truyền tin với trạm PCell SCell Trong trường hợp truyền khơng đồng Hình 4, khung trạm PCell SCell tương đối khác Khi đó, cơng suất phát cho nhóm cell xác định dựa theo thời gian truyền Nếu mức cơng suất tổng nhóm vượt mức cơng suất tối đa cho phép UE mức cơng suất phát khoảng thời gian UE bị hạn chế lại Bên cạnh đó, việc khơng đồng truyền tin nhóm PCell SCell, viêc xác định mức công suất phát cho phức tạp Hình 4: Power control mode Hình 2: Cell Group in DC B Điều khiển công suất Việc điều khiển công suất thường xem xét UE lượng UE phụ thuộc vào khả pin Khi UE thực kết nối DC sử dụng kỹ thuật tập hợp sóng mang, cấp vài sóng mang để truyền tin UE thực việc truyền tin sóng mang cho tổng cơng suất tất sóng mang phải nhỏ ngưỡng xác định trước Do biến đổi kênh truyền, UE tự điều chỉnh cơng suất phát một vài khe thời gian (time slot) cho công suất sử dụng tối thiểu thiểu đảm bảo thành công việc truyền tin hay cách khác đảm bảo vùng vủ sóng đường lên Bên cạnh đó, UE khơng thể hiệu chỉnh cơng suất sóng mang, nên UE thường phân chia công suất phù hợp nhóm cell theo chu kỳ Kỹ thuật DC hỗ III MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ A Mơ hình mô Trong báo này, thực mô đánh giá hiệu UE Trường hợp gNodeB eNodeB kết nối tới 4G EPC Mơ hình mạng 5G tồn độc lập UE có kết nối tới trạm eNodeB sử dụng làm mơ hình tham chiếu Cả trạm gNodeB eNodeB giả thiết sử dụng sóng mmwave Hình 3: Power control mode trợ trường hợp truyền đồng truyền không đồng gNodeB eNodeB Đối với trường hợp truyền đồng ISBN 978-604-80-5958-3 320 Hình 5: Mơ hình mô kết nối đơn với trạm eNodeB Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2021) Hình mơ tả mơ hình mơ trường hợp UE kết nối tới trạm eNodeB sử dụng sóng mmwave Người dùng UE di chuyển với tốc độ không đổi v km/h vùng phủ sóng trạm eNodeB Vật cản đường truyền giả thiết tòa nhà phân bố ngẫu nhiên đường truyền Thông số Kích thước tối đa vật cản Số lượng vật cản Vị trí eNodeB Vị trí gNodeB Vị trí ban đầu UE Vị trí cuối UE Ngưỡng chuyển giao Tốc độ UE Khoảng thời gian gói tin Giá trị 20 m2 (50,70) m (150,70)m (90, -5)m (110, -5)m -5 dB m/s 20ms Bảng I: Thông số mô dùng đường xuống Trong trường hợp có UE hệ thống giả thiết khơng có nhiễu ký tự, nhiễu gồm ồn nhiệt Gaussian thường có giá trị thống kê khơng đổi Do đó, giá trị SNR chủ yếu phụ thuộc vào tín hiệu nhận trạm sở Hình cho thấy Hình 6: Mơ hình mơ kết nối kép gNodeB eNodeB Hình mơ tả mơ hình mơ UE có DC với trạm mmwave eNodeB gNodeB Do tín hiệu mmwave có tốc độ suy hao nhanh theo khoảng cách gặp vật cản, kênh truyền UE với trạm phát thường thăng giáng mạnh; đặc biệt UE di chuyển mơi trường có nhiều vật cản Điều làm cho UE nằm ngồi vùng phủ sóng trạm gốc chu dù khoảng cách UE trạm gốc không lớn Việc đặt thêm trạm gNodeB sử dụng sóng mmwave kỳ vọng nâng cao cải thiện phủ sóng hiệu UE Để đánh giá mức độ cải thiện hiệu sử dụng đồng thời trạm gNodeB eNodeB, ta thiết lập mơ hình mơ với thơng số Bảng I Ngưỡng chuyển giao sử dụng trường tồn đồng thời trạm gNodeB eNodeB Khi ngưỡng SNR tín hiệu nhận UE nhỏ -5dB UE tự động kết nối với trạm khác trạm cấp tín hiệu tốn Mục đích mơ tìm khả đáp ứng hệ thống UE truyền với tốc độ xác định Do đó, ta giả thiết UE liên tục phát gói tin với tốc độ 50 gói tin/s tương đương với 400 kb/s B Kết mơ phân tích 1) Tỉ số tín hiêu/nhiễu Gaussian: Trước hết ta phân tích tỉ số tín hiêu chia cho nhiễu (SNR) thu người ISBN 978-604-80-5958-3 321 Hình 7: SNR người dùng với Mơ hình kết nối kép đơn tỉ số SNR UE với kỹ thuật DC cải thiện đáng kể so với kỹ thuật sử dụng trạm đơn Cụ thể, với kỹ thuật sử dụng trạm gốc, 100% tín hiệu nhận có giá trị SNR nhỏ 15 dB Trong với kỹ thuật DC, khoảng 42% tín hiệu nhận có giá trị SNR lớn 15 dB Đây lợi ích việc sử dụng trạm phát Khi tín hiệu từ trạm PCell bị suy giảm, UE kết nối với trạm SCell gNodeB Trong trường hợp có trạm eNodeB, UE kết nối với trạm cho dù tín hiệu nhận nhỏ 2) Chỉ số Modulation and Coding (MCS): Trong mạng 4G 5G, số điều chế mã hóa (MCS) sử dụng trạm phát thu để thống tốc Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) độ mã (số lượng bit liệu/tổng số bit sử dụng) phương pháp điều chế tương ứng Như vậy, số MCS cao cho tốc độ truyền liệu kết thông lượng cao Theo Hình vẽ ta thấy sử dụng coi bước khởi đầu việc triển khai mạng 5G mạng 4G 5G hoạt động Các kết mô rằng, kỹ thuật DC nâng cao thông lượng người dùng lên đến 281% trì tỉ lệ lỗi gói tin khoảng 3% Tuy nhiên, tính khả thi việc triển khai kỹ thuật DC cịn phụ thuộc vào chi phí vận hành lượng băng thông cấp phép nhà mạng TÀI LIỆU Hình 8: MCS với Mơ hình kết nối kép đơn trạm phát, số MCS chạy từ đến 20 Trong với kỹ thuật DC, trạm phát truyền với số MCS từ đến 28 Chỉ số kết 3) Thông lượng BLER: Thơng lượng UE tính tính số lượng gói tin truyền thành cơng đơn vị thời gian kích thước gói tin đó, chương trình kích thước gói tin cố định 1024 bytes Trong đó, tỉ lệ gói tin bị lỗi BLER tính bẳng tỉ số gói tin bị lỗi số gói tin truyền Theo Bảng Single eNodeB DC gNodeB + eNodeB Successful Packets 127.5 Mbps 358.2 Mbps BLER 0.039 0.037 Bảng II: Thông lượng BLER II ta thấy, kỹ thuật DC có khả cải thiện lớn thơng lượng UE Cụ thể, thông lượng UE sử dụng kỹ thuật DC tăng khoảng 281% so với trường hợp sử dụng trạm phát tỉ lệ lỗi gói tin trì khoảng 3% IV KẾT LUẬN Trong báo này, chúng tơi tập trung tìm hiểu đánh giá hiệu UE sử dụng DC sử dụng trạm phát Với mơ hình DC, giả sử UE kết nối đồng thời với trạm phát 5G gNodeB 4G eNodeB, trạm kết nối với mạng lõi 4G EPC Với mơ hình trạm phát, ta giả thiết có trạm phát eNodeB sử dụng Mơ hình mạng DC ISBN 978-604-80-5958-3 322 [1] Christofer Larsson, “Fundamentals of 5G Mobile Networks.” Academic Press, 2018 [2] 3GPP TS 38.213 version 15.6.0 Release 15, “5G; NR; Physical layer procedures for control,” 2019 [3] A Al-Saman, M Cheffena, O Elijah, Y A Al-Gumaei, S K Abdul Rahim, and T Al-Hadhrami, “Survey of millimeter-wave propagation measurements and models in indoor environments,” Electronics, vol 10, no 14, 2021 [Online] Available: https: //www.mdpi.com/2079-9292/10/14/1653 [4] K Haneda, L Tian, H Asplund, J Li, Y Wang, D Steer, C Li, T Balercia, S Lee, Y Kim, A Ghosh, T Thomas, T Nakamurai, Y Kakishima, T Imai, H Papadopoulas, T S Rappaport, G R MacCartney, M K Samimi, S Sun, O Koymen, S Hur, J Park, J Zhang, E Mellios, A F Molisch, S S Ghassamzadeh, and A Ghosh, “Indoor 5g 3gpp-like channel models for office and shopping mall environments,” in 2016 IEEE International Conference on Communications Workshops (ICC), 2016, pp 694–699 [5] 3GPP TR 38.901 version 15.0.0 Release 15, “5G; Study on channel model for frequencies from 0.5 to 100 GHz,” 07 2018 [6] E D S P J Skold, 5G NR, The Next Generation Wireless Access Technology Wiley Publishing, 2020 [7] 3GPP TS 37.340 version 15.3.0 Release 15, “Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); LTE; 5G; NR; Multiconnectivity; Overall description; ,” 2018 [8] M Agiwal, H Kwon, S Park, and H Jin, “A survey on 4g-5g dual connectivity: Road to 5g implementation,” IEEE Access, vol 9, pp 16 193–16 210, 2021 [9] Michele Polese, “Performance Comparison of Dual Connectivity and Hard Handover for LTE-5G Tight Integration in mmWave Cellular Networks.” [10] ——, “Performance Comparison of Dual Connectivity and Hard Handover for LTE-5G Tight Integration in mmWave Cellular Networks.” [11] Q Li, R Q Hu, Y Qian, and G Wu, “Cooperative communications for wireless networks: techniques and applications in lte-advanced systems,” IEEE Wireless Communications, vol 19, no 2, pp 22–29, 2012 [12] S Sesia, I Toufik, and M Baker, LTE, The UMTS Long Term Evolution: From Theory to Practice Wiley Publishing, 2009 [13] M Kollar, “Dual connectivity for lte-nr cellular networks in evolved packet system and critical review on challenges in sgnb release,” SN Applied Sciences, 2019  ... với kỹ thuật DC cải thiện đáng kể so với kỹ thuật sử dụng trạm đơn Cụ thể, với kỹ thuật sử dụng trạm gốc, 100% tín hiệu nhận có giá trị SNR nhỏ 15 dB Trong với kỹ thuật DC, khoảng 42% tín hiệu. .. cao hiệu phổ, hiệu suât sử dụng lương • Nâng cao vùng phủ sóng • Nâng cao chất lượng dịch vụ • Cải thiện thơng lượng mạng Trong báo này, tập trung đánh giá hiệu người dùng mạng 5G sử dụng kết nối. .. mạng lõi EPC THUẬT KẾT NỐI KÉP ISBN 978-604-80-5958-3 319 4G Trong trường hợp này, trạm 5G gNodeB gọi với tên gọi khác en-gNodeB Mơ hình mạng thường tồn giai đoạn đầu mạng 5G số trạm 5G vận hành