Hệ thống tính toán biên di động trong mạng 5G

Mô hình phân tích Hệ thống tính toán biên di động trong mạng 5G: gồm 3 phần: giới thiệu mạng internet từ 1g5g; tích hợp mec vào mạng 5G; mô phòng multimechost; kết luận; tài liệu tham khảo................................

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TRƯƠNG MINH HỊA MƠ HÌNH PHÂN TÍCH HỆ THỐNG TÍNH TỐN BIÊN DI ĐỘNG TRONG MẠNG 5G LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thừa Thiên Huế, 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TRƯƠNG MINH HÒA MƠ HÌNH PHÂN TÍCH HỆ THỐNG TÍNH TỐN BIÊN DI ĐỘNG TRONG MẠNG 5G NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH MÃ SỐ: 8480101 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS ĐẶNG THANH CHƯƠNG Thừa Thiên Huế, 2023 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu luận văn riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Thừa Thiên Huế, ngày … tháng … năm 2023 TÁC GIẢ Trương Minh Hoà LỜI CẢM ƠN Hoàn thành luận văn này, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc TS Đặng Thanh Chương, Khoa Công nghệ Thông tin - Đại học Khoa học - Đại học Huế, người tận tình hướng dẫn cho tơi nhiều lời khuyên quý báu suốt trình thực đề tài Tôi xin chân thành cảm ơn giúp đỡ mặt Ban Giám hiệu, Phòng Quản lý sau đại học, Khoa Công nghệ Thông tin - Đại học Khoa học - Đại học Huế Quý Thầy Cơ tham gia giảng dạy suốt q trình học tập Xin chân thành gửi lời cảm ơn tới Ban Giám đốc Bệnh viện Nhi tỉnh Gia Lai, quý đồng nghiệp đơn vị, Phòng Kế hoạch tổng hợp - Công nghệ thông tin hỗ trợ tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành khóa học Cảm ơn tất bạn bè, đồng nghiệp người thân động viên, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn TÁC GIẢ Trương Minh Hoà MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MẠNG LÕI 5G 1.1 GIỚI THIỆU VỀ MẠNG 5G 1.1.1 Sơ lược mạng di động từ 1G đến 4G .3 1.1.2 Mạng thông tin di động 5G 1.1.3 Các đặc tính 5G thông số kỹ thuật .6 1.1.4 Những thách thức với mạng 5G .7 1.1.5 So sánh 4G với 5G 1.1.6 Kiến trúc mạng lõi 5G 10 1.1.7 Ứng dụng mạng 5G 12 1.2 HỆ THỐNG TÍNH TỐN BIÊN DI ĐỘNG MEC 13 1.2.1 Tính tốn đám mây di động 15 1.2.2 Tính tốn biên 16 1.2.3 So sánh điện toán biên di động điện tốn đám mây 18 1.2.4 Mơ hình khung kiến trúc MEC 19 1.3 TIỂU KẾT CHƯƠNG 25 CHƯƠNG 2.HỆ THỐNG TÍCH HỢP MEC TRONG 5G 26 2.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 26 2.2 HỆ THỐNG TÍCH HỢP MEC VÀO KIẾN TRÚC 5G 27 2.2.1 Tích hợp MEC vào kiến trúc 5G dựa kiến trúc 4G 27 2.2.2 Giải pháp ứng dụng công nghệ MEC cho triển khai 5G .30 2.2.3 Điều khiển lưu lượng .34 2.2.4 UE tính di động ứng dụng 36 2.2.5 Quản lý điều phối tài nguyên đám mây biên 39 2.2.6 Nhu cầu giải pháp triển khai MEC cho mạng 5G .41 2.3 TIỂU KẾT CHƯƠNG 45 CHƯƠNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG HỆ THỐNG TÍCH HỢP MEC TRONG 5G BẰNG SIMU5G 46 3.1 MƠ HÌNH MƠ HÌNH MEC TRONG MẠNG 5G 46 3.1.1 Giới thiệu Simu5G 46 3.1.2 Môi trường mô OMNeT++ 47 3.1.3 Thư viện SIMU5G 49 3.2 MƠ HÌNH MÔ PHỎNG VỚI MULTI MEC HOST 52 3.2.1 Kịch mô 54 3.2.2 Một số kết mô 57 3.3 TIỂU KẾT CHƯƠNG 62 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 3GPP 3rd Generation Partnership Project Dự án đối tác hệ thứ 1G First Generation of Mobile Networks Mạng thông tin di động hệ thứ 2G Second Generation of Mobile Networks Mạng thông tin di động hệ thứ hai 3G Third Generation of Mobile Networks Mạng thông tin di động hệ thứ ba 4G Fourth Generation of Mobile Networks Mạng thông tin di động hệ thứ tư 4C Communication, Computation, Truyền thơng, tính tốn, kiểm Control, and Caching soát lưu trữ 5G Fifth Generation of Mobile Networks Mạng thông tin di động hệ thứ tư AMPS Advanced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại di động tiên tiến AP Access point Điểm truy cập API Application Programming Interface Giao diện lập trình ứng dụng CDMA Code division multiple access Cơ chế đa truy cập phân theo mã BS Base Station Trạm sở CDMA Code Division Multiple Access đa truy nhập (đa người dùng) phân chia theo mã TD- Time Division Synchronous Code Đa truy cập đồng theo thời SCDMA Division Multiple Access gian DVB Digital Video Broadcasting Phát sóng video kỹ thuật số ETSI European Telecommunications Viện tiêu chuẩn viễn thông Standards Institute EDGE châu Âu Enhanced data rates for Global Hệ thống thông tin di động System for Mobile Communications tồn cầu cải tiến có cải thiện tốc độ truyền liệu Evolution GSM Global System Communications for Mobile Hệ thống thơng tin di động tồn cầu HDTV Truyền hình độ nét cao hay High Definition Television truyền hình độ phân giải cao IEEE Institute of Electrical and Electronics Viện Kỹ sư Điện Điện tử Engineers IoT Internet of Things Internet vạn vật ISG Independent Scientific Group Nhóm khoa học độc lập LTE Long-Term Evolution Tiến hóa dài hạn MEC Mobile Edge Computing Điện toán biên di động MT Mobile terminal Thiết bị đầu cuối di động MMS Multimedia Messaging Service Dịch vụ nhắn tin đa phương tiện MIMO Multiple In, Multiple Out Nhiều ngõ vào, Nhiều ngõ MEH Mobile Edge Host Máy chủ biên di động PS Processor sharing Nguyên tắc chia sẻ xử lý QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ QoE Quality of experience Chất lượng trải nghiệm RAN Radio Access Network Mạng truy cập vô tuyến TDMA Time division multiple access Cơ chế đa truy cập phân theo thời gian TV Television UMTS Universal Telecommunications System Truyền hình Mobile Hệ thống viễn thơng di động tồn cầu WCDMA Wideband Code Division Multiple Đa truy cập phân mã băng rộng Access WWWW Wireless World Wide Web Khơng gian thơng tin tồn cầu DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Hiệu suất mạng 5G đề xuất .7 Bảng 1.2 So sánh thông số 4G 5G Bảng 3.1.Cấu hình tham số mơ 57 Bảng 3.2 Kết tính tốn nhiễu tín hiệu DL Nic UE[0]; UE[1]; UE[2] 60 Bảng 3.3 Kết tính tốn nhiễu tính hiệu UL UE[0]; UE[1]; UE[2] 62 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Các đặc tính mạng không dây 1G đến 4G Hình 1.2 Thơng số kỹ thuật mạng 4G 5G Hình 1.3 Kiến trúc hệ thống 5G 10 Hình 1.4 Kiến trúc mạng lõi hệ thống 5G .11 Hình 1.5 Điện tốn biên cho phép liệu từ thiết bị IoT phân tích biên mạng trước gửi đến trung tâm liệu đám mây 14 Hình 1.6 Xử lý tập trung sở hạ tầng cốt lõi 16 Hình 1.7 Xử lý phi tập trung biên 17 Hình 1.8 So sánh điện tốn đám mây tính tốn biên 19 Hình 1.9 Mơ hình khung MEC 20 Hình 1.10 Kiến trúc đề xuất cho MEC .21 Hình 2.1 Triển khai hệ thống tích hợp MEC mạng 5G 26 Hình 2.2 Minh họa kiến trúc tích hợp MEC với hệ thống 5G 28 Hình 2.3 Các mẫu di chuyển để triển khai MEC từ 4G sang 5G Trong sơ đồ bên trái, di chuyển MME, SGW, PGW HSS, ví dụ: để hỗ trợ mạng riêng ứng dụng quan trọng Ở bên phải, SGW-LBO MEC di chuyển sang 5G để giảm tải lưu lượng có chọn .30 Hình 2.4 Kiến trúc 5G dựa dịch vụ kiến trúc hệ thống MEC 31 Hình 2.5 Tích hợp hệ thống MEC kiến trúc mạng 5G 32 Hình 2.6 Các ví dụ triển khai vật lý MEC 34 Hình 2.7 Minh họa kịch cho tính di động ứng dụng triển khai MEC tích hợp mạng 5G 38 Hình 3.1 OMNeT++ module 48 Hình 3.7 Một kịch mơ Multi Host Mục tiêu kịch mô phỏng: Đánh giá kết truyền liệu gói tin yêu cầu khởi tạo ứng dụng UEWarningAlertApp từ UE vào vùng nhận dạng gnb1, gnb2 với yêu cầu kết nối tốt theo Hình 3.8 Ứng dụng MECWarningAlertApp tạo hệ thống MEC từ việc gọi khởi tạo yêu cầu MEC phục vụ UE Hình 3.8 Điều kiện UE kết nối gNB Cấu hình UE chạy ứng dụng có tên UEWarningAlertApp chịu trách nhiệm yêu cầu khởi tạo Services MEC tới UALCMP Bên cạnh mô-đun triển khai logic MECWarningAlertApp, AppDescriptor yêu cầu Tệp AppDescriptor mơ tả MECWarningAlertApp hiển thị Hình 3.9 55 Hình 3.9 Cấu hình UE Ứng dụng MEC yêu cầu 10 MB RAM, 10 MB nhớ, 1500 MIPS CPU ứng dụng yêu cầu sử dụng dịch vụ định vị (LocationServices) Hình 3.10 Hình 3.10 Khai báo AppDescriptor cho WarningAlertApp Đoạn mã tệp omnetpp.ini Hình 3.11 hiển thị cấu hình liên quan đến hệ thống máy chủ MEC Cả hai máy chủ MEC có khả tính tốn, mecHost2 có dịch vụ định vị chạy tảng MEC Vì thế, dịch vụ người điều phối MEC chọn để triển khai ứng dụng MEC 56 Hình 3.11 Cấu hình hệ thống MEC Trong giới hạn Luận văn, tìm hiểu appDescriptor mặc định so sánh với thay đổi thông số tốc độ di chuyển UE, yêu cầu thời gian phục vụ mecHost2 Kết chạy mơ sử dụng để phân tích đánh giá 3.2.2 Một số kết mô 3.2.2.1 Các tham số mô mô tả Bảng 3.1 Bảng 3.1.Cấu hình tham số mơ Tên tham số Giá trị #gNB #UE sim-time-limit 35s Carrier Frequency 2GHz numBands 50 gNB1 initial (X, Y) (250m, 500m) gNB2 initial (X, Y) (750m, 500m) UE[0] initial (X,Y) (800m, 600m) UE[1] initial (X,Y) (875m, 600m) 57 Tên tham số Giá trị UE[2] initial (X,Y) (950m, 600m) UE speed 13.89mps; 20.89mps; 60mps UE TxPower 26 dBm gNb TxPower 46 dBm targetBler 0.01 blerShift fbPeriod 40 mecHost2 requestServiceTime 2us; 5us; 10us; 20us, mecHost2 subscriptionServiceTime 1us; 3us; 6us; 11us Dynamic Cell Association TRUE Enable Handover TRUE UE[*] mobility typename LinearMobility 3.2.2.2 - Các nút UE Phân tích tỷ lệ nhiễu tín hiệu UE[0], UE[1], UE[2] trường hợp Downlink (DL) qua lần mô ứng với trường hợp thay đổi thông số tốc độ UE, giử nguyên thời gian phục vụ mecHost2, mô tả qua Hình 3.12, Hình 3.13, Hình 3.14 58 Hình 3.12 Sơ đồ nhiễu tín hiệu DL Nic UE [0] qua lần mơ Hình 3.13 Sơ đồ nhiễu tín hiệu DL Nic UE [1] qua lần mơ Hình 3.14 Sơ đồ nhiễu tín hiệu DL Nic UE [2] qua lần mô Kết tính tốn chi tiết giá trị độ đo nhiễu tín hiệu DL UE[0]; UE[1]; UE[2] thể Bảng 3.2 59 Bảng 3.2 Kết tính tốn nhiễu tín hiệu DL Nic UE[0]; UE[1]; UE[2] Thông số UE [*] Mean Variance (Tốc độ di chuyển (kỳ vọng) (phương sai) UE, Thời gian (dB) (dB2) UE[0] 52.606419 61.543035 20.89mps; 10us; 6us UE[1] 52.291107 101.378416 UE[2] 47.795329 80.563572 UE[0] 54.229511 68.583877 13.89mps; 10us; 6us UE[1] 54.821087 67.203575 UE[2] 50.911553 52.743747 phục vụ) - Dựa vào bảng 3.2 cho ta thấy thay đổi tốc độ di chuyển UE với tố độ lớn cho giá trị phương sai lớn Điều cho ta thấy phân tán nhiều quanh giá trị trung bình tỉ lệ nhiễu tín hiệu trường hợp DL làm ảnh hưởng đến kết truyền liệu mạng - Tương tự, phân tích tỷ lệ nhiễu tín hiệu UE[0], UE[1], UE[2] trường hợp Uplink (UL) qua lần mô ứng với trường hợp thay đổi thông số tốc độ UE, giử nguyên thời gian phục vụ mecHost2, mơ tả qua Hình 3.15, Hình 3.16, Hình 3.17 60 Hình 3.15 Sơ đồ nhiễu tín hiệu UL UE[0] Hình 3.16 Sơ đồ nhiễu tín hiệu UL UE [1] Hình 3.17 Sơ đồ nhiễu tín hiệu UL Nic UE [2] 61 Kết tính tốn chi tiết giá trị độ đo nhiễu tín hiệu UL UE[0]; UE[1]; UE[2] thể Bảng 3.3 Bảng 3.3 Kết tính tốn nhiễu tính hiệu UL UE[0]; UE[1]; UE[2] Thông số UE [*] Mean Variance (kỳ vọng) (phương sai) (dB) (dB2) UE [0] 35.607057 39.378148 UE [1] 35.321357 67.839828 UE [2] 32.641823 61.781031 UE [0] 28.771672 64.066609 UE [1] 33.374315 65.058173 UE [2] 35.991807 54.461819 (Tốc độ di chuyển UE, Thời gian phục vụ) 20.89mps; 10us; 6us 13.89mps; 10us; 6us - Dựa vào bảng 3.3 cho ta thấy thay đổi tốc độ di chuyển UE với tố độ cao cho giá trị phương sai nhỏ Điều cho ta thấy giá trị trung bình tỉ lệ nhiễu tín hiệu trường hợp UL làm ảnh hưởng đến kết truyền liệu mạng - Kết so sánh theo thông số độ trễ (Delay) Rlc Downlink (DL) UE[0], UE [1], UE [2] qua lần mô ứng với thay đổi thông số tốc độ UE không thay đổi, yêu cầu thời gian phục vụ mecHost2 thay đổi, thể qua Hình 3.18, Hình 3.19 Hình 3.20 62 Hình 3.18 Độ trễ (Delay) theo đường DL UE [0] Hình 3.19 Độ trễ (Delay) theo đường DL UE [1] Hình 3.20 Độ trễ (Delay) theo đường DL UE [2] 63 - Kết so sánh theo thông số độ trễ (Delay) Rlc Uplink (UL) UE[0], UE [1], UE [2] qua lần mô ứng với thông số tốc độ UE không thay đổi, yêu cầu thời gian phục vụ mecHost2 thay đổi, thể qua Hình 3.21, Hình 3.22 Hình 3.23 Hình 3.21 Độ trễ (Delay) theo đường UL UE [0] Hình 3.22 Độ trễ (Delay) theo đường UL UE [1] 64 Hình 3.23 Độ trễ (Delay) theo đường UL UE [2] - Qua hình 21, hình 3.22, hình 3.23 thay đổi thời gian phục vụ MecHost2 với khoản thời gian thay đổi nhỏ, tốc độ di chuyển UE với vận tốc cao 60 (mps) Điều cho ta thấy tốc độ trễ gói tin tiệm cận gần Kết phù hợp với tốc độ truyền tải mạng 5G với tốc độ cao Tại nút gNB - Kết so sánh theo thông số độ trễ (Delay) gNB1, gNB2 qua lần mô ứng với thông số tốc độ UE không thay đổi, yêu cầu thời gian phục vụ mecHost2 thay đổi, thể qua Hình 3.24 Hình 3.25 Hình 3.24 Độ trễ (Delay) MAC gNB1 65 Hình 3.25 Độ trễ (Delay) MAC gNB2 - So sánh độ trễ liệu gNB1, gNB2 UE đạt tốc độ di chuyển cao 60mps với thời gian phục vụ MestHost thay đổi Theo hình 3.24, hình 3.25 hiển thị có thay đổi độ trễ liệu truyền qua gNB1, gNB2 Sự thay đổi diễn không lớn với lý khoảng cách thay đổi thời gian phụ thuộc MestHost2 qua lần mô ngắn 3.3 TIỂU KẾT CHƯƠNG Trong phạm vi Chương 3, tìm hiểu mơ mơ hình khung MEC tích hợp với trình giả lập Simu5G, cung cấp cơng cụ hoàn chỉnh để tạo nhanh ứng dụng MEC hệ thống MEC chạy mạng 5G Việc triển khai API ETSI tiêu chuẩn, kết hợp với khả chạy Simu5G chế độ mô phỏng, cho phép nhà phát triển MEC kiểm tra đánh giá ứng dụng MEC thực chạy máy chủ thực Các ứng dụng thực tế khai thác Simu5G để mô mạng truyền tải 5G chúng sử dụng dịch vụ MEC để lấy thông tin liên quan đến hoạt động mạng 5G Các cấu hình cần thiết để chạy hệ thống MEC ứng dụng liên quan đến MEC với Simu5G thể kết chạy, sơ đồ bảng số liệu Kết mô đánh giá số độ đo thông qua việc thay đổi tốc độ di chuyển UE thời gian phục vụ MecHost ảnh hướng lớn đến việc tỷ lệ độ nhiễu tính hiệu, truyền tải liệu từ UE đến MecHost thông qua trạm gNB mô tả 66 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Trong phạm vi nghiên cứu Luận văn “” luận văn tập trung nghiên cứu mô hình tích hợp hệ thống tính tốn biên di động MEC mạng lõi 5G Trên sở đó, luận văn tìm hiểu chi tiết hệ thống tính tốn biên di động ứng dụng MEC việc phát triển mạng 5G Qua trình bày số giải pháp ứng dụng công nghệ MEC cho triển khai 5G đồng thời giải quản lý điều phối tài nguyên đám mây biên Dựa theo đó, Luận văn tìm hiểu mơ mơ hình khung MEC tích hợp với trình giả lập Simu5G, cung cấp cơng cụ hồn chỉnh để tạo nhanh ứng dụng MEC hệ thống MEC chạy mạng 5G Cụ thể, kịch mơ hình mơ MultiMechost Simu5G, công cụ đánh giá hệ thống tích hợp MEC 5G dựa phần mềm mô OMNeT++ thực Một số kết phân tích mơ hình thể thông qua việc đánh giá với đồ thị, làm sở cho nghiên cứu Trong thời gian tới tiếp tục nghiên cứu, cải tiến mơ hình tốn tìm hiểu, mở rộng với kịch phức tạp hơn, xác định giá trị tối ưu tham số ngưỡng mơ hình để đảm bảo QoS cách tốt nhất, đồng thời nghiên cứu ứng dụng phương pháp học máy, học tăng cường vào toán quản lý tài nguyên mạng lõi 5G 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ahmed E and Rehmani M.H (2017), “Mobile edge computing: Opportunities, solutions, and challenges, Future Generation Computer Systems”, 70 (2017) 59 – 63”https://doi.org/10.1016/j.future.2016.09.015 [2] Cruz-Pérez F.A and Ortigoza-Guerrero L (2006) “Fractional Resource Reservation in Mobile cellular Systems” Resource, Mobility, and Security Management in Wireless Networks and Mobile Communications, pp 335-362 [3] Do T V et al (2019), “Comparison of scheduling algorithms for multiple mobile computing edge clouds”, SIMULATION MODELLING PRACTICE AND THEORY 93, pp 104-118 , 15 p (2019) [4] 3GPP TS 23.501 V15.1.0 (2018), “3rd Generation Partnership Project; Technical Specification GroupServices and System Aspects; System Architecture for the 5G System; Stage (Release 15)” (2018-03) [5] Guo S et al (2018), “Resource Modeling and Scheduling for Mobile Edge Computing: A Service Provider's Perspective”, IEEE Access, Vol 6, pp.35611 - 35623 [6] Hu Y.C et al (2015), “Mobile Edge Computing A key technology towards 5G”, ETSI White Paper No 11, ISBN No 979-10-92620-08-5 (https://www.etsi.org/images/files/ETSIWhitePapers/etsi_wp11_mec_a_key_te chnology_towards_5g.pdf) [7] Kekki S et al (2018), “MEC in 5G networks”, ETSI white paper, no 28, pp.1– 28, Jun 2018 [8] Mao, Y et al (2016), “Mobile Edge Computing: Survey and Research Outlook”, IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2016 [9] Sabella, S et al (2016), “Mobile Edge Computing Architecture: The role of MEC in the Internet of Things”, IEEE Consumer Electronics Magazine, 5(4), 2016 [10] https://www.etsi.org/images/files/ETSIWhitePapers/etsi_wp24_MEC_deploy ment_in_4G_5G_FINAL.pdf 68 [11] S Kekki et al., “Mec in 5g networks,” ETSI white paper, pp 1-28, Jun 2018 [12] https://ictvietnam.vn/trien-khai-mec-cho-mang-5g-tai-viet-nam-ung-dung-vagiai-phap-55023.html [13] G Nardini et al., “Simu5G–An OMNeTCC Library for End-to-End Performance Evaluation of 5G networks”, IEEE Access, VOLUME 8, 2020 DOI: 10.1109/ACCESS.2020.3028550 [14] Simu5G: Simulator for 5G New Radio Networks Accessed: Oct 2022 [Online] Available: http://simu5g.org/ [15] Accessed: Jul 2023 OMNeTCC [Online] Available: https://omnetpp.org 69