Đồ án tốt nghiệp đạt loại giỏi đề tài quản lý chất lượng truyền dữ liệu trong mạng 5G. Tất cả các tiêu chuẩn hiện hành của công nghệ thông tin di động 2G3G4G đều được xây dựng trên nguyên tắc của tiêu chuẩn mở: khả năng tiếp cận, tập trung vào người dùng cuối, sử dụng miễn phí, không phân biệt đối xử, khả năng phát triển, không có giấy phép sử dụng, sự đổi mới. Theo định nghĩa ITU (International Telecommunication Union Liên minh Viễn thông Quốc tế), tiêu chuẩn mở là một tiêu chuẩn hoặc giao thức sẵn có như nhau để đọc và sử dụng mà không bị hạn chế bởi tất cả các bên quan tâm với các đặc điểm:
TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA TIÊU CHUẨN
Phát triển các tiêu chuẩn và đặc tả kỹ thuật 5G
Thập kỷ thứ hai của thế kỷ XXI - là thời điểm nghiên cứu về việc xây dựng mạng 5G Các yêu cầu sau đây được áp dụng trên các mạng của thế hệ thứ năm (so với LTE-A):
• Tăng tốc độ truyền dữ liệu đến thuê bao 10-100 lần;
• Tăng trưởng lưu lượng truy nhập trung bình cho thuê bao mỗi tháng đến
• Khả năng phục vụ số lượng lớn (100 lần) số lượng thiết bị đầu cuối thuê bao được kết nối với mạng;
• Giảm tiêu thụ điện năng nhiều lần cho các thiết bị đầu cuối thuê bao;
• Giảm độ trễ mạng 5 lần hoặc nhiều hơn;
• Giảm tổng chi phí vận hành các mạng thế hệ thứ năm
Liên minh Viễn thông Quốc tế ITU và 3GPP phân biệt hai giai đoạn phát triển
• Giai đoạn đầu cho tần số dưới 40 GHz;
• Giai đoạn hai cho tần số dưới 100 GHz;
• Giai đoạn đầu tiên sẽ kết thúc với việc phát hành phiên bản 3GPP LTE-Rel
15, dự kiến sẽ được hoàn thành vào tháng 6 năm 2018 Giai đoạn hai dự kiến được hoàn thành vào tháng 12 năm 2019, khi tài liệu LTE 16 chính thức dự kiến được phát hành [1]
Hình 1.1 Các giai đoạn chính phát triển 5G (theo phiên bản ITU và
Phân tích các hoạt động hiện tại của dự án hợp tác 3GPP về việc hình thành các yêu cầu kỹ thuật và đặc điểm của mạng di động 5G trong phiên bản 17 và 18 cho phép chúng ta dự đoán sự phát triển của thiết bị mạng di động Những yêu cầu và đặc điểm này bao gồm khoảng 50 công nghệ tiên tiến và 400 chủ đề nghiên cứu đầy hứa hẹn về các khía cạnh khác nhau của quá trình phát triển mang tính tiến hóa của mạng 5G theo hướng 5G nâng cao
Tiêu chuẩn hóa các thông số kỹ thuật di động di động đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo điều kiện cho những đổi mới trong tương lai đang được phát triển bởi dự án đối tác 3GPP và các tổ chức tiêu chuẩn khác Mỗi làn sóng đổi mới di động 5G được cấu trúc như bản phát hành tiếp theo của dự án hợp tác 3GPP nhằm giới thiệu một tập hợp các khả năng và công nghệ không dây di động
Sau khi hoàn thành thành công Phiên bản 16 vào tháng 12 năm 2019, dự án đối tác 3GPP đã bắt đầu xây dựng làn sóng đổi mới tiếp theo có trong phiên bản
17, dẫn đến việc phê duyệt một danh mục gồm khoảng 50 dự án mới dự kiến hoàn thành vào nửa cuối năm 2022 [4, 5]
Dự án đối tác 3GPP phiên bản 17 là một tập hợp các thông số kỹ thuật yêu cầu nhằm cải thiện hơn nữa công nghệ mạng 5G trong giai đoạn 3, được phát triển vào năm 2021 và được hoàn thiện vào năm 2022
Tại cuộc họp toàn thể của dự án hợp tác 3GPP TSG, lãnh đạo của các TSG mục tiêu và các WG đang làm việc đã nhất trí đề xuất về việc ban đầu kéo dài công việc tạo phiên bản 17 trong ba tháng, sau đó hoãn một số thời hạn cho hoàn thành công tác thông số kỹ thuật đến năm 2022 nhờ sử dụng họp điện tử trực tuyến trong các hoạt động Bởi vì định dạng trực tuyến công việc của các nhóm làm việc của dự án hợp tác 3GPP không cho phép sự phối hợp nhanh chóng giữa các vị trí để đạt được sự hiểu biết lẫn nhau giữa các nhà phát triển các thông số kỹ thuật và dẫn đến sự trao đổi thư từ kéo dài để đạt được sự đồng thuận Những thay đổi được thông qua đối với kế hoạch hoạt động 3GPP là:
• Đóng băng các thông số kỹ thuật của bản phát hành 17 liên quan đến các nghiên cứu về phân nhóm hoạt động RAN1 (mô tả các chức năng và quy trình ở dạng chung, phân tích logic, mô tả luồng thông báo và các thành phần chức năng) vào tháng 12 năm 2021;
• Đóng băng các thông số kỹ thuật cho Giai đoạn 3 Phiên bản 17 (mô tả các quy trình, thông báo và thành phần thông tin (IE), xác định các chức năng phần cứng để đảm bảo khả năng tương thích với nhiều nhà cung cấp khác nhau) vào tháng 3 năm 2022;
• Ngừng bổ sung các thông số kỹ thuật của bản phát hành 17 (mô tả ký hiệu mã hóa ASN.1 và giao diện OpenAPI) vào tháng 6 năm 2022;
• Dừng các thay đổi của RAN vào tháng 9 năm 2022
Phiên bản 17, hiện đang được phát triển, bao gồm các công nghệ tiên tiến liên quan đến mạng truyền thông phi mặt đất NTN (Non-Terrestrial Networks -mạng vệ tinh và trên không), mạng cảm biến không dây công nghiệp IWSN, phương tiện được kết nối với mọi thứ V2X (Vehicle to Everything - Xe cộ đến mọi thứ), Internet vạn vật công nghiệp IIoT (Industrial internet of Things - Internet vạn vật công nghiệp), băng thông rộng di động tiên tiến eMBB (Enhanced Mobile
Broadband) và truy cập không dây cố định [1]
Bước tiếp theo trong quá trình phát triển truyền thông di động 5G sẽ được phát hành 18 (Hình 1.2), sẽ định hình sự phát triển tiến hóa của mạng 5G nâng cao
Hình 1.2.Kế hoạch làm việc của Dự án Đối tác 3GPP cho Phiên bản 18.
Các công nghệ mới của phiên bản 17
Chiến lược chung của dự án hợp tác 3GPP có thể được phân loại theo các thành phần chính của hệ thống 5G Sự khác biệt giữa khái niệm “hệ thống 5G” và khái niệm “mạng 5G” là việc đưa vào hệ thống 5G (viết tắt là 5GS) và chức năng của thiết bị thuê bao 5G EU theo TS 23.501
Nghiên cứu của phiên bản 17 tập trung vào một số lĩnh vực chính của hệ thống 5G và một số lĩnh vực trong số đó đã được các nhà cung cấp hàng đầu triển khai vào thiết bị (Hình 1.3)
Hình 1.3.Những cải tiến lớn và công nghệ tiên tiến cho phiên bản 17.
• Cải thiện vùng phủ sóng và định vị (chuyển từ mét sang cm) trong mạng 5G, cải thiện hoạt động của giao diện vô tuyến NR (New Radio - Vô tuyến mới) và cải thiện chất lượng nhận thức dịch vụ QoE (Quality of Experience - Chất lượng trải nghiệm) cho các lớp mạng 5G khác nhau, bổ sung các dải tần mới cho các băng tần con FR1 (Frequency Band 1- Băng tần 1) sóng thấp và giữa và FR2
(Frequency Band 2 - Băng tần 2) sóng milimet, mmWave;
• Tạo ra các thiết bị có công suất giảm trong giao diện vô tuyến NR, mở rộng hỗ trợ cho mạng riêng, cải thiện mạng không người lái hỗ trợ hệ thống liên lạc trên không cho máy bay không người lái, hỗ trợ điện toán biên di động MEC (Mobile
Edge Cloud - Đám mây biên di động) trong mạng lõi 5G, cung cấp dịch vụ dựa trên vùng lân cận trong 5GS, tự động hóa mạng 5G cho giai đoạn 2 và các chức năng quản lý, cải thiện công nghệ phân tách và chuyển mạch truy cập để đảm bảo sự cộng tác liền mạch giữa mạng 5G và Wi-Fi/Wi-Fi 6E
Các vấn đề trong phiên bản 17 mà các chuyên gia cũng nên chú ý bao gồm các giải pháp và cải tiến sau: dịch vụ IoT và công nghiệp URLLC (Ultra-Reliable
Low Latency Communication - Giao tiếp có độ trễ thấp cực kỳ đáng tin cậy) qua giao diện vô tuyến NR, hỗ trợ giao diện vô tuyến NR trong các mạng phi mặt đất vệ tinh và HAPS (High Altitude Pseudo Satellite - Vệ tinh giả cao độ), ăng-ten và thuật toán MIMO (Multi Input Multi Output - Nhiễu đầu vào và nhiễu đầu ra) khổng lồ , truy cập tích hợp thông qua các trạm gốc gNB (Next Generation Node B
- Nút B thệ hệ sau) để kết nối backhaul trong mạng 5G IAB (Interactive
Avertising Bureau - Cục quảng cáo tương tác), định vị MBS, dịch vụ phát sóng và phát đa hướng NR, các lớp mạng trong mạng truy cập vô tuyến RAN cho giao diện vô tuyến NR, liên kết phụ NR, đa RAT (Radio Access Technology - Công nghệ truy nhập vô tuyến) kép khả năng kết nối, dịch vụ hỗ trợ đường dây thuê bao của các thiết bị không dây có bao nhiêu thẻ SIM (MUSIM) cho giao diện vô tuyến LTE (Long Term Evolution - Phát triển dài hạn), truyền “dữ liệu nhỏ” tới giao diện vô tuyến NR ở trạng thái không hoạt động các dịch vụ ưu tiên thường trực và truyền thông - chỉ kể tên một số của họ [4]
Tiêu chuẩn hóa lớp vật lý tiên tiến của mạng truy cập vô tuyến 5G RAN Kể từ tháng 1 năm 2020, nhóm phụ RAN1 (Lớp vật lý của mạng truy cập vô tuyến) đã bắt đầu nghiên cứu một số tính năng của lớp vật lý nhằm cải thiện hiệu suất và hiệu suất tổng thể của các công nghệ giao diện vô tuyến 5G NR: cải tiến công nghệ MIMO, cải tiến chia sẻ phổ tần, tiết kiệm năng lượng và UE (User Equipment - Thiết bị người dùng) bảo hiểm Phân nhóm RAN1 cũng đang tiến hành các nghiên cứu cần thiết và đặc tả các yêu cầu kỹ thuật để cải thiện lớp vật lý ở các dải tần từ
Ngoài ra, công nghệ định vị mạng 5G sẽ được cải tiến để đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt về độ chính xác và độ trễ cho môi trường công nghiệp và trong nhà Sau đó, công nghệ này đã thêm chức năng bổ sung cho IoT công nghiệp, cũng như NB-IoT (Narrowband Internet of Things - Internet vạn vật băng thông hẹp) Hỗ trợ thông số kỹ thuật cho các kết hợp thiết bị NR băng thông thấp hơn sẽ được bổ sung và phạm vi phủ sóng NR sẽ được mở rộng để hỗ trợ các kịch bản di động lớn quan trọng đối với việc áp dụng 5G ở các nước đang phát triển
Là một phần của phiên bản 17, nhóm con RAN1 tiếp tục nỗ lực chuẩn hóa quyền truy cập vô tuyến 5G NR để hỗ trợ các mạng phi mặt đất (NTN), cụ thể là mạng vệ tinh và nền tảng tầm cao (HAPS), mở đường cho việc giới thiệu hỗ trợ cho NB-IoT và cho các vệ tinh có quỹ đạo khác nhau
Tiêu chuẩn hóa giao diện 5G NR tiên tiến Vào tháng 4 năm 2020, phân nhóm RAN2 (lớp giao thức mạng truy cập vô tuyến) cũng bắt đầu nghiên cứu các chức năng tiêu chuẩn hóa nhằm nâng cao hiệu suất và hiệu suất của 5G NR: cải tiến công nghệ MultiRadio trong kết nối DC kép và tổng hợp phổ CA, cải thiện khả năng truy cập và truyền tải tích hợp mạng IAB, sử dụng giao diện 5G NR để truyền dữ liệu nhỏ, tăng cường tiết kiệm năng lượng trong UE thuê bao, cải thiện các giải pháp để tự tổ chức mạng SON (Self Organizing Network - Mạng tự tổ chức) và công nghệ phát đa hướng
Nhóm con 3GPP RAN2 sẽ chuẩn hóa công nghệ multicast, tập trung vào chức năng multicast đơn cell theo hướng đa cell Điều quan trọng cần lưu ý là multicast sẽ sử dụng lại hoàn toàn lớp vật lý của giao thức unicast NR để nâng cao khả năng multicast, phối hợp phân trang cho UE nhiều SIM Tiêu chuẩn hóa kiến trúc 5G RAN tiên tiến Nhóm con RAN3 (lớp kiến trúc mạng truy cập vô tuyến) hiện đang nỗ lực chuẩn hóa các yêu cầu trải nghiệm QoE mới cho giao thức 5G NG-RAN (Next Generation RAN - RAN thế hệ sau) và 5G NR, bắt đầu bằng nghiên cứu về chức năng QoE trong 5G và nó khác với mạng LTE như thế nào
Kiến trúc 5G NG-RAN linh hoạt hơn LTE RAN do cấu trúc của gNB, bao gồm sự phân tách các chức năng trong mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người dùng, cũng như sự tách biệt giữa gNB-RU, gNB-CU và mô-đun phân phối gNB-
CU, gNB-DU Dựa trên cấu trúc được thông qua, nhóm con RAN3 sẽ bổ sung hỗ trợ phân tách mặt phẳng CP (Control Plane - Mặt phẳng điều khiển) và UP (User
Các công nghệ mạng then chốt của phiên bản 17 (5G)
Công nghệ mạng lõi 5G Phiên bản 17 bao gồm một loạt cải tiến nhằm cải thiện việc quản lý và vận hành mạng lõi 5G Đổi mới mạng SON tự tổ chức trong mạng 5G Công việc này nhằm mục đích xác định các trường hợp sử dụng, yêu cầu mạng cũng như các dịch vụ và quy trình quản lý cho các chức năng SON sau: tối ưu hóa vùng phủ sóng và công suất, tối ưu hóa cân bằng tải, tối ưu hóa phân bổ tài nguyên mạng 5G, chức năng mạng tự phục hồi 5G (bao gồm quản lý phần mềm tự động và tự động xử lý dữ liệu cấu hình mạng) Bước tiếp theo trong quá trình phát triển mạng SON sẽ là sự chuyển đổi từ các SON cổ điển thích ứng với chức năng của chúng tới các trạng thái cụ thể của môi trường, tới các mạng lưới tự duy trì SSN (Self-Sustaining Network - Mạng tự duy trì), có thể liên tục duy trì các chỉ số hiệu suất chính (KPI - Key Performance
Indicator) của mình trước những thay đổi về cấu hình và trường hợp sử dụng có tính biến động cao đối với mạng 6G (Sixth Generation Networks - Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ sáu) Vì vậy, ở thời điểm hiện tại, công nghệ SON được 3GPP coi là công nghệ động lực cho sự phát triển của mạng 5G theo hướng sử dụng các thuật toán trí tuệ nhân tạo - ML (Machine Learning) và DL (Deap
Cải thiện việc quản lý mạng riêng và mở rộng hỗ trợ thực sự cho mạng 5G không công cộng nhằm mục đích:
• Đặc điểm kỹ thuật của các kịch bản triển khai cho mạng riêng;
• Tích hợp công cộng với khả năng quản lý và cách ly để triển khai tại chỗ trong các nhà máy, doanh nghiệp và tòa nhà để cung cấp vùng phủ sóng trong một khu vực địa lý nhất định;
• Nghiên cứu cung cấp hỗ trợ cho mạng tự trị với đăng ký và thông tin xác thực thuộc về một thực thể của mạng không tự trị;
• Nghiên cứu khả năng thích ứng và khởi tạo thiết bị thuê bao UE cho mạng riêng
Cải thiện việc tách mạng 5G thành các lớp mạng (giai đoạn 2) Trong cải tiến hệ thống 5G này, phiên bản 17 khám phá các lỗ hổng trong quy trình hệ thống 5G hiện tại để hỗ trợ mẫu lát cắt chung như được định nghĩa bởi GSMA và khám phá các giải pháp để giải quyết các lỗ hổng hiện có, chẳng hạn như số lượng UE tối đa trong một lớp mạng, số phiên PDU (Packet Data Unit - Đơn vị dữ liệu gói) tối đa trong một lớp mạng, tốc độ dữ liệu DL và UL tối đa trên mỗi UE trong một lớp mạng Điều này sẽ dẫn đến sự hiểu biết chung và triển khai thực tế các lớp mạng trong mạng 5G
Cải thiện khả năng kết nối, nhận dạng và theo dõi các hệ thống máy bay không người lái UAV (Unmanned Aerial Vehicle - Thiết bị bay không người lái) Để đáp ứng nhu cầu của lĩnh vực hệ thống máy bay không người lái (UAS) mới và đang phát triển nhanh chóng, bao gồm các phương tiện bay không người lái (UAV, đồng nghĩa với máy bay không người lái), nhiều công việc đã được thực hiện trong các nhóm làm việc của dự án đối tác 3GPP nhằm chuẩn hóa các yêu cầu cho 5G Mạng để đáp ứng nhu cầu kết nối UAS và UAV với mạng 5G, cũng như bộ điều khiển UAV để quản lý cẩn thận lưu lượng hàng không của UAV Công trình phát hành 17 nhằm mục đích khám phá các khía cạnh kiến trúc và hệ thống của mạng 5G để hỗ trợ các chức năng chỉ huy và điều khiển UAV (ví dụ: bộ điều khiển UAV, nhận dạng và theo dõi UAV), ủy quyền và xác thực trong các tình huống liên lạc (ví dụ: bộ điều khiển UAV với UAV); cần có những cải tiến liên lạc tiềm năng để trao đổi lưu lượng giữa bộ điều khiển UAV và UAV, xem xét cả kết nối LOS (Line Of Sight - Đường ngắm) và NLOS (Non-Line Of Sight - Không có đường ngắm) [4]
Các cải tiến của điện toán biên MEC trong 5GC (5G Core - Mạng lõi 5G ) giải quyết các vấn đề chính và hỗ trợ chuyển tiếp nội dung và lưu lượng ứng dụng
UE đến các ứng dụng được triển khai trên máy chủ biên MEC, chẳng hạn như phát hiện IP (Internet Protocol - Giao thức Internet) được triển khai trên máy chủ ứng dụng trong môi trường điện toán biên; cải thiện 5GC để hỗ trợ thay đổi suôn sẻ máy chủ ứng dụng phục vụ các thiết bị thuê bao UE; cung cấp hiệu quả (tức là độ trễ thấp) cho các ứng dụng cục bộ với thông tin, chẳng hạn như QoS, có ảnh hưởng đến kiểm soát chính sách và tính phí
Những đổi mới trong công nghệ thực tế mở rộng trong mạng 5G Công nghệ thực tế mở rộng 5G (XR - Extended Reality) là một con đường phát triển từ thực tế tăng cường (AR - Augmented Reality), thực tế ảo (VR - Virtual reality), thực tế hỗn hợp (MR - Mixed reality) đến thực tế mở rộng (XR)
Mạng 5G cung cấp các liên kết liên lạc tốc độ cao, độ trễ thấp giữa các thiết bị thực tế mở rộng XR và ứng dụng XR Ngoài ra, mạng 5G mang đến cơ hội thay đổi kiến trúc của dịch vụ XR di động Máy chủ đám mây biên MEC được sử dụng để cải thiện hiệu quả xử lý hình ảnh trên thiết bị thuê bao 5G và cho phép sử dụng hiệu quả hơn đồ họa chân thực và hình ảnh trực quan có độ trễ thấp Hình dạng của thiết bị XR có thể độc lập với các ràng buộc về nhiệt, điện năng và hình dạng truyền thống Nghiên cứu trong phiên bản 17 sẽ bắt đầu kiểm tra các yêu cầu về hiệu suất mạng 5G cho nhiều trường hợp sử dụng khác nhau trong danh mục dịch vụ thực tế ảo rộng hơn này (ví dụ: VR, AR, MR và XR).
QoS và vấn đề chất lượng truyền dữ liệu trong mạng 5G
Chất lượng tiếp nhận dịch vụ QoE của người thuê bao bao gồm tất cả các thành phần hệ thống của đường dẫn từ đầu đến cuối (thiết bị đầu cuối thuê bao, mạng, cơ sở hạ tầng dịch vụ, v.v.) và có thể bị ảnh hưởng bởi yếu tố con người kết hợp với kỳ vọng vốn có của cá nhân hoặc nội dung của thông tin nhận được (nội dung) Các yếu tố ảnh hưởng đến QoE được thể hiện trong Hình 1.6
Hình 1.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến QoE
Chất lượng dịch vụ QoS trong 5G Là một phần của quá trình phát triển mạng truyền thông di động theo hướng mạng 5G, kiến trúc mạng của các mô-đun chịu trách nhiệm về chất lượng dịch vụ sẽ được xem xét (Hình 1.7) Phát triển khái niệm ảo hóa các chức năng mạng NFV (Network functions virtualization) sẽ đóng vai trò là điều kiện tiên quyết cho việc ảo hóa các chức năng quản lý chất lượng, có thể được biểu diễn dưới dạng hai chức năng chính:
• Kiểm soát QoS CQCF (Cloud QoS Control Function - Chức năng điều khiển QoS của đám mây);
• Quản lý QoS CQMF (Cloud QoS Management Function - Chức năng quản lý QoS của đám mây)
Nhiệm vụ của CQCF: hỗ trợ kiểm soát thời gian thực các luồng lưu lượng trong mạng 5G dựa trên mức QoS được thiết lập trong quá trình kết nối Các cơ chế kiểm soát QoS chính là lập hồ sơ lưu lượng, lập lịch và kiểm soát luồng
Nhiệm vụ của CQMF: Quản lý QoS nhằm đảm bảo hỗ trợ QoS trong mạng
5G theo các thỏa thuận dịch vụ SLA (Service Level Agreement - Thỏa thuận cấp độ dịch vụ), giám sát, bảo trì, đánh giá và mở rộng quy mô QoS
Các yêu cầu chính về chất lượng dịch vụ bao gồm:
• Tốc độ truyền dữ liệu;
• Tính đồng đều về chất lượng phục vụ thuê bao;
Các thuật toán ưu tiên lưu lượng truy cập trong mạng 5G sẽ dựa trên các quy trình phân loại lưu lượng, cần được xây dựng phù hợp với khả năng học hỏi của quy trình này, vì các đặc điểm lưu lượng sẽ có những thay đổi linh hoạt trong các tình huống khẩn cấp cũng như với sự ra đời của các dịch vụ mới và các ứng dụng Cần hỗ trợ ưu tiên cho các dịch vụ thương mại khẩn cấp, chẳng hạn như dịch vụ y tế, cũng như các dịch vụ được cung cấp theo quy định của địa phương (dịch vụ đa phương tiện trong các tình huống khẩn cấp, quyền truy cập vào các dịch vụ khẩn cấp, cảnh báo an toàn công cộng, v.v.)
Hình 1.7 Ảo hóa các chức năng giám sát và điều khiển trong mạng 5G
Quản lý chất lượng dịch vụ trong mạng di động cho phép các nhà khai thác:
• Cải thiện chất lượng tiếp nhận dịch vụ của thuê bao;
• Tăng doanh thu từ các dịch vụ được cung cấp
Trong số các rủi ro quan trọng truyền thống đối với chất lượng dịch vụ, thông thường chúng ta nên chọn ra những điều sau:
• Ít tham gia của thuê bao vào các quá trình thay đổi và hiện đại hóa mạng (thiếu mong muốn / khả năng thay đổi thiết bị đầu cuối thuê bao sang thiết bị đầu cuối hiện đại, không sẵn sàng sử dụng các dịch vụ hiện đại, v.v.);
• Chi phí mua hoặc hiện đại hóa thiết bị cao để tổ chức các dịch vụ mới;
• Giảm thời gian giữa sự xuất hiện của nhu cầu đối với một dịch vụ và thời điểm thực hiện nó (tăng tốc các quá trình thị trường);
• Rủi ro về sự phân mảnh của dịch vụ (phân phối không kịp thời các thành phần nhất định của dịch vụ cho thuê bao, mặc dù chúng phải được phân phối đồng thời);
• Không thể tiếp cận khẩn cấp của bất kỳ dịch vụ nào;
• Chậm trễ trong việc cung cấp dịch vụ
Dự kiến, quyết định về yêu cầu nào cần được tối ưu hóa sẽ được đưa ra dựa trên dịch vụ mà người đăng ký hiện đang sử dụng Do đó, cấu hình mạng đáp ứng các yêu cầu của một dịch vụ cụ thể có thể không phải do nhà khai thác viễn thông thực hiện mà do nhà cung cấp dịch vụ trực tiếp thực hiện thông qua API (Application programming interface - Giao diện lập trình ứng dụng) trong khuôn khổ khái niệm Mạng được xác định bằng phần mềm SDN (Software Defined
Một trong những tiêu chí QoS chính là tỷ lệ các gói bị mất do lỗi khi nhận gói dữ liệu (Packet Error Loss Rate, PELR) Do đó, Bảng 1.1 cho thấy giá trị của số lượng gói IP bị mất lớn nhất đối với các chương trình phát sóng video khi được truyền qua các mạng di động thuộc nhiều thế hệ khác nhau
Bảng 1.1 Yêu cầu PELR để phát sóng luồng video Điều kiện cung cấp QoS PELR
8KUHD Thế hệ di động 3G/4G 4G 4G 5G
Phát sóng video với chất lượng đảm bảo 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9
• SDTV (Standard-Definition Television - Truyền hình độ nét tiêu chuẩn) - truyền hình kỹ thuật số tiêu chuẩn;
• HDTV (High Definition Television - Truyền hình độ nét cao) - truyền hình kỹ thuật số độ nét cao;
• 4K UHD (Ultra High-Definition - Độ phân giải siêu cao) - TV độ phân giải cực cao với độ phân giải gần đúng của cạnh lớn hơn của màn hình là 4000 pixel;
• 8K UHD (Ultra High-Definition - Độ phân giải siêu cao) - TV độ phân giải cực cao với độ phân giải gần đúng của cạnh lớn hơn của màn hình là 8000 pixel Đối với dịch vụ M2M, QoS cũng phụ thuộc phần lớn vào tỷ lệ gói tin bị mất khi nhận được trên mạng 3G/4G/5G Xét rằng các điều kiện dịch vụ cho thiết bị đầu cuối thuê bao M2M sẽ được xác định cho các trường hợp dịch vụ có cả chất lượng được đảm bảo GBR (Guaranteed Bit Rate) và không có bảo đảm non-GBR (non-Guaranteed Bit Rate), các yêu cầu về chia sẻ các gói bị mất có thể khác nhau ba bậc độ lớn (Bảng 1.2)
Bảng 1.2 Yêu cầu PELR cho dịch vụ M2M Điều kiện cung cấp QoS PELR
Không đảm bảo chất lượng (non-GBR) 10 -2 10 -3 10 -4 Đảm bảo chất lượng (GBR) 10 -2 10 -6 10 -7
Ngược lại, trong mạng 5G, các chỉ số về chất lượng trải nghiệm QoE của thuê bao, được đưa ra trong Bảng 1.3
Bảng 1.3 Yêu cầu QoE trong mạng 5G
Chỉ số QoE Yêu cầu
Băng thông mỗi thuê bao 5Gb / giây
Trễ D2D менее 1 мс Độ khả dụng 0% Độ tin cậy 99,999%
Bảng 1.4 cho thấy các yêu cầu về độ trễ trong mạng 3G/4G/5G, được quy định trong 3GPP và dự án METIS (Mobile and wireless communications enablers for the twenty-twenty information society) Theo bảng, với quá trình chuyển đổi từ thế hệ này sang thế hệ khác trong mạng thông tin di động, các yêu cầu về giới hạn dưới của tổng độ trễ truyền dữ liệu sẽ tăng lên Ngoài ra, phân tích về yêu cầu độ trễ tổng thể của mạng 5G đã chứng minh rằng độ trễ của mạng truy cập vô tuyến RAN (Radio Access Network) 5G cần phải nhỏ hơn 1 ms [2]
Bảng 1.4 Yêu cầu độ trễ tổng cho mạng 3G/4G/5G Điều kiện cung cấp QoS PDB, ms
Non-GBR Không xác định 100 - 300 Không xác định
So sánh các yêu cầu về độ trễ trong mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người dùng tương ứng đối với lưu lượng báo hiệu và thuê bao (Hình 1.8) chỉ ra rằng các yêu cầu đối với mạng 5G sẽ nghiêm ngặt hơn: hai lần đối với lưu lượng mặt phẳng điều khiển và 10 lần đối với lưu lượng mặt phẳng thuê bao
Hình 1.8 Yêu cầu về độ trễ mặt phẳng tín hiệu và người dùng đối với mạng
4G/5G Để kết thúc phân tích QoS trong mạng 5G, chúng ta trình bày so sánh số lượng lớp QoS cho các thế hệ truyền thông di động khác nhau (Hình 1.9)
Hình 1.9 So sánh số lượng lớp QoS cho các thế hệ thông tin di động
Theo phân tích so sánh ở trên, chúng ta có thể kết luận rằng mỗi thế hệ mới có số lượng lớp QoS lớn hơn và kết quả là có nhiều tùy chọn linh hoạt hơn để điều chỉnh các chỉ số chất lượng của các loại lưu lượng khác nhau.
Kết luận chương 1
Phiên bản 17, được 3GPP mô tả là "có lẽ là bản phát hành linh hoạt nhất trong lịch sử 3GPP về mặt nội dung", ban đầu dự kiến hoàn thành vào năm 2021, nhưng đại dịch đã đẩy lùi thời hạn đến tháng 3 hoặc tháng 6/2002 Mục đích chính của phiên bản 17 là tăng cường các trường hợp sử dụng hiện tại như băng thông rộng di động, tự động hóa công nghiệp, C-V2X và các mạng riêng, đồng thời giới thiệu các khả năng mới bao gồm các lĩnh vực như điện toán biên, kết nối vệ tinh (NTN - mạng phi mặt đất), máy bay không người lái và hỗ trợ cho mmWave ở băng tần
52, 6 - 71GHz Vào năm 2022, theo GSA, các phát triển 5G sẽ bao gồm "tích hợp sóng mang 5G trong mạng SA, khả năng URLLC để hỗ trợ giao tiếp giữa máy với máy trong hệ thống 5G SA, tăng cường hỗ trợ mmWave, chia nhỏ mạng trong mạng 5G và giới thiệu thoại qua vô tuyến mới (VoNR) trong mạng 5G SA"
Trong mạng 5G, Quality of Service (QoS) đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng truyền dữ liệu, mở ra cánh cửa cho các ứng dụng tiên tiến và trải nghiệm người dùng tốt hơn Vấn đề chất lượng truyền dữ liệu trong mạng 5G đặt ra những thách thức lớn do sự đa dạng và phức tạp của các ứng dụng Các dịch vụ như IoT, truyền video 4K/8K, tự động lái xe, hoặc trò chơi trực tuyến đòi hỏi từ mạng 5G sự linh hoạt để cung cấp đủ băng thông và độ trễ thấp để hoạt động một cách mượt mà và ổn định.
KIẾN TRÚC MẠNG 5G
Kiến trúc mạng 5G
Để đáp ứng các yêu cầu của ITU cho các trường hợp sử dụng 5G khác nhau, chẳng hạn như hỗ trợ eMBB, mMTC, URLLC và các tình huống khác, 3GPP đã tiến hành một nghiên cứu sâu hơn trước khi phát triển phân tích yêu cầu thiết kế mạng mới và đề xuất nhiều chỉ số chức năng quan trọng hơn Ví dụ: tốc độ dữ liệu đường xuống tối đa phải đạt 20 Gbit/s, hiệu suất phổ trên nó phải là 30 bit/s/Hz Độ trễ truyền dữ liệu trong mặt phẳng điều khiển phải nhỏ hơn 10 ms, trong mặt phẳng người dùng - dưới 0,5 ms đối với các kịch bản URLLC, thời gian gián đoạn giao tiếp - 0 ms Có những yêu cầu hiệu suất được cải thiện khác Để đáp ứng nhu cầu của các trường hợp sử dụng khác nhau, kiến trúc mạng truy cập 5G phải hỗ trợ các phương pháp triển khai khác nhau Với sự tồn tại của hệ thống LTE, mạng 5G và LTE sẽ được triển khai song song trong thời gian dài sắp tới 3GPP đã phát triển các tiêu chuẩn cho các loại kiến trúc mạng khác nhau để phù hợp với các kiểu triển khai khác nhau Để thích ứng với các tình huống khác nhau, mạng 5G hỗ trợ đồng thời hai phương pháp triển khai:
• Phương pháp thứ nhất là triển khai mạng phi tập trung, tương tự như hệ thống LTE, trong đó mạng bao gồm các trạm gốc thực hiện toàn bộ ngăn xếp giao thức;
• Thứ hai là tập trung, trong đó trạm gốc bao gồm một mô-đun trung tâm -
CU (Centralized Unit - Đơn vị tập trung) và một hoặc nhiều mô-đun phân phối -
DU (Distributed Unit - Đơn vị phân phối) CU và DU lần lượt hỗ trợ các ngăn xếp giao thức và chức năng khác nhau
Bất kể kiến trúc mạng phát triển như thế nào trong tương lai, mạng truy cập vô tuyến và mạng lõi vẫn sẽ tuân theo các nguyên tắc phát triển của riêng chúng và giao diện vô tuyến cuối cùng sẽ được triển khai trong mạng truy cập vô tuyến Các hệ thống tương tự như hệ thống do 3GPP phát triển đã tồn tại Kiến trúc mạng 5G tiếp tục được chia thành hai phần, như trong (Hình 2.1), bao gồm mạng lõi 5GCore và mạng Aceess vô tuyến thế hệ tiếp theo (NG-RAN)
Mạng lõi 5G bao gồm ba nút logic chính:
• Chức năng quản lý truy cập và di động - AMF (Access and Mobility
Management Function - Chức năng quản lý truy cập và di động);
• Chức năng truyền dữ liệu người dùng - UPF (User Plane Function - Chức năng mặt phẳng người dùng);
• Chức năng quản lý phiên - SMF (Session Management Function - Chức năng quản lý phiên)
NG-RAN bao gồm hai nút: gNB và ng-eNB gNB là điểm cuối giao thức dành riêng cho UE cho mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người dùng của giao diện NR và ng-eNB là điểm cuối giao thức dành riêng cho UE cho mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người dùng của giao diện E-UTRA (Evolved UMTS
Terrestrial Radio Access - Phát triển UMTS Truy cập vô tuyến mặt đất) Các trạm gốc thuộc loại gNB và ng-eNB được kết nối với nhau thông qua giao diện Xp Mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi được kết nối thông qua giao diện NG Giao diện NG-C được sử dụng giữa gNB/ng-eNB và AMF và giao diện NG-U được sử dụng giữa UPF [3]
Giao diện NG có thể thực hiện giao tiếp bất kỳ với bất kỳ nút nào giữa các nút AMF/UPF và nút NG-RAN, nghĩa là một AMF/UPF có thể kết nối với nhiều gNB/ng-eNB và một gNB/ng-eNB có thể kết nối với nhiều AMF/UPF Đối với UE di chuyển trong vùng đăng ký được phân bổ ở phía mạng, ngay cả khi xảy ra chuyển đổi giữa gNB/ng-eNB, nó vẫn có thể nằm trong AMF/UPF tương ứng và thiết bị người dùng không cần bắt đầu cập nhật đăng ký mới quá trình Điều này giúp giảm tải tín hiệu giao diện và xử lý tín hiệu trong mạng lõi 5G Khi đường kết nối giữa AMF/UPF và NG-RAN đủ dài hoặc xảy ra phân bổ tài nguyên mới, AMF/UPF được kết nối với UE có thể bị thay đổi
Trong NG-RAN và 5GC có sự tách biệt về chức năng Mối quan hệ giữa các đối tượng chức năng gNB, ng-eNB, AMF, UPF và SMF, cũng như sự phân chia chức năng giữa chúng, có thể được thấy trong (Hình 2.2)
Hình 2.2 Tách các chức năng đối tượng trong kiến trúc mạng 5G.
Giao diện không dây
Giao diện không dây của mạng 5G kế thừa thuật ngữ của hệ thống LTE, tức là giao diện giữa thiết bị người dùng và mạng truy cập vẫn được gọi là giao diện
Uu hay giao diện vô tuyến Các giao thức giao diện không dây chủ yếu được sử dụng để tạo, cấu hình lại và truyền dữ liệu của các dịch vụ khác nhau trong giao tiếp không dây Trong công nghệ giao diện không dây 5G mới, giao diện không dây là giao diện giữa thiết bị đầu cuối và trạm gốc gNB Giao diện không dây hoàn toàn mở Nếu các tiêu chuẩn của nó được đáp ứng, các thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau có thể giao tiếp với nhau
Ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến được chia thành ba lớp: vật lý (L1), liên kết (L2) và mạng (L3) và hai mặt phẳng - điều khiển và người dùng Phần này thảo luận về một số chức năng cơ bản của lớp vật lý, liên kết dữ liệu và mạng a) Lớp vật lý
Lớp vật lý nằm ở lớp thấp nhất của giao diện không dây và cung cấp tất cả các chức năng cần thiết để truyền luồng bit qua phương tiện liên kết truyền thông vật lý Phần này tập trung vào các loại và định nghĩa của các liên kết dữ liệu và ánh xạ các liên kết giao thông tới các liên kết vật lý Thiết kế lớp vật lý chi tiết hơn sẽ được trình bày trong các chương tiếp theo
Lớp vật lý cung cấp các chức năng truyền thông tin cho lớp MAC và các lớp trên Các dịch vụ được cung cấp bởi lớp vật lý được mô tả thông qua các kênh truyền tải Các lớp trên mô tả bản chất của dữ liệu được truyền bởi lớp vật lý sang lớp MAC và sang các lớp cao hơn
Kênh dữ liệu đường xuống
Có ba loại kênh dữ liệu đường xuống, ít hơn một (Multicast - truyền đa hướng) so với LTE Lý do kênh multicast không được hỗ trợ là do dịch vụ dữ liệu multicast có mức độ ưu tiên thấp so với các dịch vụ khác và không nhận được đủ sự hỗ trợ từ các nhà khai thác Mặc dù kênh multicast không được hỗ trợ trong bản phát hành R15 nhưng nó vẫn có thể được triển khai trong các phiên bản công nghệ 5G trong tương lai nếu có nhu cầu Các kênh được đặc trưng bởi những điều sau đây:
1 Kênh quảng bá - ВСН (Broadcast Channel)
Kênh này sử dụng định dạng truyền cố định, được xác định trước, trong đó tín hiệu có thể được truyền đi khắp vùng phủ sóng của ô
Kênh này sử dụng truyền HARQ Nó có thể điều chỉnh phương pháp điều chế, tốc độ mã hóa và công suất truyền được sử dụng trong truyền dữ liệu để điều chỉnh kênh Nó có thể truyền khắp tế bào hoặc sử dụng công nghệ tạo chùm tia, hỗ trợ các kỹ thuật phân bổ tài nguyên động hoặc bán thống kê và hỗ trợ việc thu tín hiệu không liên tục bằng thiết bị người dùng nhằm mục đích tiết kiệm năng lượng
2 Kênh tìm gọi - PCH (Paging Channel)
Kênh này hỗ trợ cơ chế tiết kiệm năng lượng của UE (đối với thiết bị đầu cuối, khoảng thời gian thu không liên tục được định cấu hình thông qua cấu hình mạng) và yêu cầu khả năng truyền dữ liệu trong toàn bộ vùng phủ sóng của ô, cũng như ánh xạ tới các dịch vụ được sử dụng động hoặc các kênh tài nguyên vật lý khác
Kênh dữ liệu đường lên
Có hai loại kênh dữ liệu đường lên Đặc tính truyền dữ liệu của từng kênh như sau:
• Kênh truyền tải có tách biệt người dùng đường lên - UL-SCH (Uplink
Shared Channel - Kênh chia sẻ đường lên)
Kênh này hỗ trợ công nghệ tạo chùm tia, điều chế thích ứng/tốc độ mã hóa/điều khiển công suất truyền, đồng thời hỗ trợ truyền HARQ và sử dụng phân bổ tài nguyên động hoặc bán thống kê
• Kênh truyền tải truy cập ngẫu nhiên - RACH (Random Access Channel - Kênh truy cập ngẫu nhiên)
Kênh mang thông tin điều khiển hạn chế và dễ bị xung đột Ánh xạ kênh truyền tải tới kênh vật lý
Kênh vật lý NR bao gồm:
• Kênh quảng bá vật lý PBCH (Physical Broadcast Channel), mang một phần bản tin hệ thống, cung cấp cho thiết bị đầu cuối thông tin cần thiết để truy cập mạng cùng với tín hiệu đồng bộ hóa PBCH cùng với tín hiệu đồng bộ được gọi là kênh đồng bộ theo hướng “xuống”
• Kênh điều khiển đường xuống vật lý PDCCH (Physical Downlink Control
Channel) được sử dụng để gửi thông tin điều khiển theo hướng đường xuống và chủ yếu truyền tải thông tin liên quan đến điều khiển Nó cung cấp thông tin cần thiết để nhận PDSCH và truyền PUSCH, cấu hình cấu trúc khung cho thiết bị người dùng, gửi các bản tin điều khiển công suất cho PUCCH, PUSCH và SRS, đồng thời hướng dẫn UE điều phối các tài nguyên do PDSCH chiếm giữ
• Kênh chia sẻ dữ liệu đường xuống vật lý PDSCH (Physical Downlink
Shared Channel) truyền dữ liệu đường xuống và cũng gửi thông tin tìm gọi và 7 một số thông tin hệ thống
• Kênh truy cập ngẫu nhiên vật lý (PRACH) được sử dụng để truyền các yêu cầu ban đầu của thiết bị đầu cuối di động
• Kênh điều khiển đường lên vật lý (PUCCH) truyền thông tin điều khiển đường lên Nó được sử dụng để thiết bị đầu cuối gửi bản tin HARQ về kết quả truyền dữ liệu đường xuống Nó gửi báo cáo thông tin trạng thái kênh (CSI) để giúp lên lịch truyền dữ liệu đường xuống và cũng gửi yêu cầu gửi dữ liệu đường lên
• Kênh chia sẻ đường lên vật lý (PUSCH) mang dữ liệu đường lên và một số dữ liệu điều khiển đường lên
Mối quan hệ giữa các kênh truyền tải và kênh vật lý có thể được nhìn thấy trong (Hình 2.3 và 2.4) Trên đường xuống, dữ liệu BCH được hiển thị trực tiếp trên РВСН; Dữ liệu PCH và DL-SCH được ánh xạ tới PDSCH Trên đường lên, dữ liệu RACH được ánh xạ tới PRACH; Dữ liệu UL-SCH được hiển thị trên PUSCH
Hình 2.3 Sơ đồ kết nối các kênh truyền tải và kênh vật lý đường xuống
Hình 2.4 Sơ đồ kết nối các kênh truyền tải và kênh vật lý đường lên
Quá trình truyền dữ liệu cơ bản ở lớp vật lý có thể được xem trong (Hình 2.5) Trước khi chuyển đổi dữ liệu BCH, PCH, DL-SCH và UL-SCH thành dữ liệu lớp vật lý, cần thêm bảo vệ CRC (Cyclic Redundancy Check - Kiểm tra dự phòng theo chu kỳ) để hỗ trợ chức năng kiểm tra và truyền lại một lần, thực hiện mã hóa kênh, khớp tốc độ, điều chế, ánh xạ tài nguyên tới mảng ăng-ten và sau đó chỉ để truyền dữ liệu này qua giao diện vô tuyến Tại điểm nhận, các quá trình ngược lại xảy ra, chẳng hạn như thu nhiều ăng-ten, giải mã tài nguyên, giải điều chế và giải mã Việc truyền qua kênh truy cập ngẫu nhiên được thực hiện bằng cách gửi một loạt cái gọi là phần mở đầu PRACH Các thủ tục tính toán CRC và mã hóa kênh không được thực hiện cho nó [1, 3]
Lớp vật lý bao gồm một số tín hiệu tham chiếu:
• DM-RS (Demodulation reference signal) - tín hiệu tham chiếu giải điều chế
• PT-RS (Phase-tracking reference signal)- tín hiệu tham chiếu để bù nhiễu pha của bộ phát và bộ thu
• SRS (Sounding reference signal) - tín hiệu tham chiếu âm thanh
• CSI-RS (Channel-state information reference signal) - tín hiệu tham chiếu thông tin trạng thái kênh
• PSS (Primary synchronization signal) - tín hiệu đồng bộ sơ cấp
• SSS (Secondary synchronization signal) - tín hiệu đồng bộ thứ cấp
Hình 2.5 Quá trình cơ bản gửi và nhận dữ liệu lớp vật lý b) Lớp liên kết dữ liệu
Lớp liên kết dữ liệu bao gồm bốn lớp con:
• Lớp con điều khiển truy cập trung bình - MAC (Medium Access Control - Kiểm soát truy cập trung bình);
• Lớp con điều khiển liên kết vô tuyến - RLC (Radio Link Control - Điều khiển liên kết vô tuyến);
• Lớp con giao thức hội tụ dữ liệu gói - PDCP (Packet Data Convergence
Protocol - Giao thức hội tụ dữ liệu gói);
• Lớp con thích ứng dữ liệu dịch vụ - SDAP (Service Data Adaptation
Protocol - Giao thức thích ứng dữ liệu dịch vụ)
So với LTE, NR có thêm lớp SDAP Nó được giới thiệu chủ yếu vì giao diện
NG dựa trên điều khiển luồng QoS, trong khi giao diện vô tuyến dựa trên điều khiển sóng mang dữ liệu mặt phẳng người dùng (DRB - Data Radio Beare) Giữa hai lớp này cần có một mức độ thích ứng Trong mạng LTE, các kênh EPS (Evolved Packet System - Hệ thống gói phát triển) và DRB có sự tương ứng một một, do đó không cần phải điều chỉnh
Kiến trúc lớp vật lý và các công nghệ chính
a) Kiến trúc lớp vật lý
Như đã đề cập, lớp vật lý cung cấp các dịch vụ cho lớp MAC dưới dạng các khối truyền tải Nó chịu trách nhiệm về một số chức năng như xử lý, điều chế và mã hóa HARQ lớp vật lý, xử lý tín hiệu đa ăng-ten, ánh xạ tài nguyên tần số thời gian từ tín hiệu đến vật lý và ánh xạ kênh truyền tải đến vật lý
Thiết kế lớp vật lý là một phần quan trọng trong thiết kế hệ thống 5G tổng thể So với 4G, ITU và 3GPP đã đề xuất các yêu cầu cao hơn và toàn diện hơn đối với các đặc tính kỹ thuật chính của 5G Tuy nhiên, các số liệu chính khó đạt được nhất, chẳng hạn như tốc độ đỉnh, hiệu suất phổ, tốc độ người dùng và độ trễ truyền dẫn, phải đạt được thông qua thiết kế lớp vật lý Để đạt được mục tiêu này, thiết kế giao diện vô tuyến 5G mới giới thiệu một số giải pháp mới dựa trên việc sử dụng toàn diện các nguyên tắc thiết kế của hệ thống LTE Thiết bị hệ thống lớp vật lý 5G có các đặc điểm sau
1 Công nghệ OFDM (Orthogonal Frequency Division Muitiplex - Ghép kênh phân chia tần số trực giao) và MIMO làm nền tảng của thiết bị lớp vật lý
Sự kết hợp giữa công nghệ OFDM và MIMO hiện đã được khẳng định, cả về phân tích lý thuyết và triển khai hệ thống thực tế, nhằm tận dụng hiệu quả dung lượng hệ thống và đặc tính kênh vô tuyến, đồng thời là công nghệ phù hợp nhất để cải thiện hiệu suất phổ tần và tốc độ cực đại Từ góc độ toàn hệ thống, việc triển khai ghép kênh không gian bằng cách ưu tiên nhiều người dùng sẽ cải thiện hơn nữa hiệu quả phổ tần của toàn bộ hệ thống Về công nghệ OFDM, đường xuống 5G giống như LTE và sử dụng công nghệ Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA - Orthogonal Frequency Division Multiple Access) Đường lên hỗ trợ cả Đa truy cập phân chia theo tần số sóng mang đơn (SC-FDMA - Single Carrier Frequency Division Multiple Access) (như trong LTE) và OFDMA (như trong đường xuống) Trong thiết kế MIMO, thiết bị mạng 5G tận dụng tối đa trải nghiệm thiết kế hệ thống LTE và sử dụng thiết kế tích hợp quyền truy cập, điều khiển và dữ liệu với nhau [2]
2 Cấu trúc truyền dẫn cơ bản linh hoạt hơn
Giảm độ trễ là một thông số quan trọng khi thiết kế mạng 5G Số liệu này ở lớp vật lý được chia thành hai phần: độ trễ xử lý và độ trễ truyền Giảm độ trễ xử lý đạt được bằng cách tăng hiệu quả của thuật toán tiếp nhận tín hiệu và khả năng xử lý phần cứng Bằng cách thiết kế hệ thống ở lớp vật lý có tính đến độ trễ xử lý tín hiệu nhất định, tính linh hoạt về kiến trúc không chỉ đảm bảo hiệu quả phổ tần mà còn giảm thiểu độ trễ truyền dữ liệu Việc tạo ra một kiến trúc hệ thống linh hoạt được thể hiện ở hai khía cạnh: cấu trúc khung linh hoạt và song công linh hoạt
3 Thiết kế cấu trúc khung linh hoạt
Tính linh hoạt của khung là cơ sở của kiến trúc hệ thống linh hoạt Các dải phổ được phân bổ cho 5G được chia thành hai loại: ghép nối và không ghép nối Cấu trúc khung tương ứng trong mạng 4G có dạng hai mô hình: FDD (Frequency
Division Duplex - Song công phân chia tần số) và TDD (Time Division Duplex - Song công phân chia thời gian) Mạng 5G sẽ hỗ trợ thông lượng lớn hơn, đặc biệt là sử dụng tần số cao - tốc độ người dùng sẽ là 100 Mbps Trong những điều kiện như vậy, việc phân bổ phổ tần theo cặp sẽ ngày càng trở nên khó khăn và phổ tần không ghép đôi sẽ trở thành hướng phát triển chính của 5G Đây là lý do tại sao một phần quan trọng của thiết kế hệ thống là thiết kế cấu trúc khung TDD, với trọng tâm chính là lựa chọn khoảng thời gian của tất cả các khe thời gian và tính linh hoạt của cấu hình
Tính linh hoạt của cấu hình là rất quan trọng khi kết hợp các loại dịch vụ khác nhau Công nghệ 5G hướng tới nhiều kịch bản triển khai khác nhau, chẳng hạn như Internet vạn vật, Internet, v.v Các loại dịch vụ đa dạng hơn so với 4G Xét về tỷ lệ đường lên/đường xuống và thời gian cập nhật, các dịch vụ khác nhau có những đặc điểm khác nhau Do đó, giao diện vô tuyến mới đặt ra yêu cầu cao hơn về tốc độ thay đổi khe thời gian trong cấu trúc khung và tỷ lệ ký hiệu của cả hai liên kết trong mỗi khe, điều này sẽ thích ứng với các 15 loại dịch vụ khác nhau và cung cấp mức trải nghiệm người dùng cao hơn Đồng thời, để có khoảng thời gian phản hồi ngắn hơn, cấu hình cấu trúc khung phải tính đến khả năng hoàn thành việc truyền và phản hồi dữ liệu trong cùng một khoảng thời gian, nghĩa là hỗ trợ cấu hình cấu trúc khung tự trị NR không chỉ thực hiện cấu hình cấu trúc khung bán tĩnh mà còn thực hiện cấu hình hoàn toàn động
Trong cấu trúc khung linh hoạt, cần tìm kiếm độ trễ ngắn hơn để giảm thời gian truyền Trong LTE, tham số cơ bản để ưu tiên và truyền dữ liệu là khoảng thời gian 1 ms, rõ ràng là không thể đáp ứng yêu cầu về độ trễ của mạng 5G ở mức mili giây Do đó, thiết kế giao diện vô tuyến mới phải hỗ trợ khoảng thời gian truyền dữ liệu ngắn hơn, nghĩa là việc xác định mức độ ưu tiên và phản hồi phải xảy ra trên cơ sở các khung siêu ngắn hoặc các khe nhỏ
4 Thiết kế song công linh hoạt
Trong mạng 4G, việc sử dụng từng chế độ trong số hai chế độ song công (FDD và TDD) phải tuân theo các quy tắc nhất định Hệ thống TDD được cấu hình để tránh nhiễu giữa đường lên và đường xuống trong các ô khác nhau thông qua các phương tiện như cài đặt khoảng bảo vệ và đồng bộ hóa lẫn nhau Hệ thống FDD tổ chức đường lên và đường xuống bằng cách sử dụng phổ ghép đôi Là một phần của thiết kế NR, các giải pháp linh hoạt hơn đang dần được phát triển để cải thiện hiệu suất phổ Trước hết, tín hiệu đường lên và đường xuống đối xứng được giới thiệu, nghĩa là cả hai liên kết đều sử dụng cùng một tín hiệu OFDM Trong LTE, công nghệ OFDMA được sử dụng ở đường xuống, trong khi công nghệ SC- FDMA được sử dụng ở đường lên Trong NR, đường lên hỗ trợ cả công nghệ SC- FDMA và công nghệ OFDMA, đồng thời trạm gốc có thể được cấu hình lại linh hoạt tùy theo tình hình mạng thực tế Với tính đối xứng tín hiệu, máy thu có thể cùng xử lý tín hiệu đường lên và đường xuống và loại bỏ nhiễu tốt hơn để cải thiện hiệu suất hệ thống Ngoài ra, công nghệ OFDMA và MIMO có thể được tích hợp tốt hơn, giúp cải thiện đáng kể hiệu suất phổ tần đường lên so với mạng LTE
Hệ thống ăng-ten quy mô lớn là nền tảng của thiết kế NR, hệ thống này phải hỗ trợ dải tần số lên tới 100 GHz Khi tần số tăng lên, số lượng ăng-ten trong hệ thống ăng-ten cũng tăng tương ứng, nhưng phạm vi phủ sóng của một ăng-ten sẽ nhanh chóng giảm do suy hao Trong quá trình thiết kế hệ thống thực tế, công nghệ tạo chùm tia không chỉ được áp dụng cho việc truyền dữ liệu mà còn cho việc truy cập ban đầu của người dùng vào hệ thống và điều khiển việc truyền dữ liệu, tức là vào thiết kế tích hợp các kênh phát sóng, điều khiển và dữ liệu
6 Sử dụng một số lượng lớn các công nghệ mới
Giao diện vô tuyến 5G mới giới thiệu một số công nghệ truyền dẫn kỹ thuật số cốt lõi nguyên bản Tiêu biểu nhất trong số đó liên quan đến lĩnh vực mã hóa kênh Giao diện vô tuyến mới sử dụng kết hợp mã LDPC (Low-Density parity-
Check code) cho liên kết dữ liệu và mã cực cho kênh điều khiển, thay vì kết hợp mã turbo cho liên kết dữ liệu và mã mẫu bit đuôi (TVCC - Tail-Biting Convolutional Coding) cho kênh điều khiển trong hệ thống LTE So với mã turbo, mã LDPC không phức tạp bằng và có độ trễ giải mã thấp hơn, giúp truyền dữ liệu lớn hiệu quả hơn Ưu điểm về hiệu năng của mã cực đối với các gói dữ liệu nhỏ sẽ cải thiện hiệu quả hiệu suất phủ sóng của giao diện vô tuyến mới
Do đó, giao diện vô tuyến và LTE mới được thiết kế dựa trên hệ thống OFDM Cái trước có cấu trúc truyền dẫn cơ bản linh hoạt hơn, hỗ trợ hệ thống 17 mảng ăng-ten tích hợp và giới thiệu một số công nghệ mới mang lại sự linh hoạt trong việc triển khai hệ thống và có những ưu điểm rõ ràng so với hệ thống 4G về các khía cạnh như hỗ trợ đa dịch vụ, hiệu suất phổ tần, tốc độ cao nhất và độ trễ thấp b) Các công nghệ cơ bản
Có thể xem các công nghệ chính lớp vật lý được hỗ trợ trong NR trong (Bảng 2.2) Một số công nghệ này được trình bày trong bản tóm tắt ngắn gọn dưới đây
Bảng 2.2 Mô tả các công nghệ chính lớp vật lý NR
Các công nghệ chính Mô tả kỹ thuật
Chế độ song công Hỗ trợ các mô hình FDD và TDD
Khoảng cách sóng mang con
Hỗ trợ tiền tố tuần hoàn thông thường và mở rộng (tiền tố tuần hoàn được sử dụng ở khoảng cách sóng mang con 60 kHz)
Cấu trúc khung Độ dài khung là 10 ms, một khung chứa 10 khung con, 5 khung con tạo thành một nửa khung;
Hỗ trợ cấu hình cấu trúc khung bán tĩnh và động
Dạng sóng cơ bản Đường xuống: CP-OFDM; Đường lên: CP-OFDM, DFTS-OFDM
Thông lượng sóng mang đơn
Dưới 6 GHz: lên tới 100 MHz;
Trên 6 GHz: lên tới 400 MHz
Truy cập đa hướng Đường xuống: Đa truy cập trực giao; Đường lên: đa truy cập trực giao và đa truy cập không trực giao
Kênh điều khiển: mã cực, mã RM, mã lặp lại, mã đối xứng;
Kênh dữ liệu: mã LDPC
Các loại điều chế Đường xuống: QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM Đường lên: CP-OFDM hỗ trợ QPSK, 16QAM, 64QAM và 256QAM;
DFT-S-OFDM hỗ trợ π/2-BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM và 256QAM và 256QAM
Hiển thị tài nguyên Hỗ trợ các loại phân phối tài nguyên tập trung và phân tán
Kênh phát sóng; liên kết điều khiển và dữ liệu được tích hợp vào một thiết kế đa ăng-ten duy nhất Truyền dữ liệu đường xuống hỗ trợ các sơ đồ truyền như truyền vòng kín, vòng mở, bán vòng lặp và truyền đa điểm Truyền dữ liệu ngược dòng dựa trên sơ đồ truyền có và không có sổ mã Kết hợp lựa chọn sơ đồ truyền dẫn đường xuống và kỹ thuật phản hồi Mạch truyền dữ liệu đường lên được cấu hình trực tiếp theo tín hiệu mức cao
Kết luận chương 2
Kiến trúc mạng của công nghệ di động 5G cải thiện rất nhiều so với kiến trúc trước đây Các mạng lớn có mật độ tế bào lớn cho phép những bước nhảy vọt về hiệu suất Ngoài ra, kiến trúc của mạng 5G mang lại khả năng bảo mật tốt hơn so với mạng 4G LTE hiện nay Việc cân nhắc thiết kế cho kiến trúc mạng 5G hỗ trợ các ứng dụng đòi hỏi cao rất phức tạp Vì vậy, kiến trúc 5G phải hỗ trợ cho việc quản lý chất lượng truyền dữ liệu Vì lý do này, ta sẽ đi vào tìm hiểu chi tiết về
“Quản lý chất lượng truyền dữ liệu trong mạng 5G” sẽ được mô tả rõ hơn trong chương 3.
QUẢN LÝ CHẤT LƯỢNG TRUYỀN DỮ LIỆU TRONG MẠNG 5G
Các nguyên tắc cơ bản của quản lý chất lượng truyền dữ liệu
Luồng QoS là phạm vi quản lý QoS nhỏ nhất trong hệ thống 5G Một luồng QoS có thể hoặc được đảm bảo tốc độ bit GBR hoặc không được đảm bảo tốc độ bit NGBR Mô hình 5G QoS cũng hỗ trợ QoS phản ảnh (Reflective QoS) Việc đưa ra khái niệm luồng QoS dẫn đến phạm vi xử lý QoS trên một luồng khác với truyền tunnel (trên một phiên PDU) và cho phép điều khiển QoS linh hoạt hơn Một luồng QoS được đặc trưng bởi:
• Một hồ sơ QoS (QoS Profile) được SMF cung cấp cho AN (Access Network
- Mạng truy nhập) thông qua AMF trên điểm tham chuẩn N2 hoặc được lập cấu hình trước trong AN;
• Một hay nhiều quy tắc QoS (QoS Rule) được SMF cung cấp cho UE thông qua AMF trên điểm tham chuẩn NG1 và/hoặc được UE rút ra bằng cách áp dụng điều khiển QoS phản ảnh;
• Một hay nhiều PDR (Packet Detection Rule - quy tắc phát hiện gói) được SMF cung cấp cho UPF Đối với mỗi luồng QoS, hồ sơ QoS bao gồm các thông số sau: - SQI (SG QoS Identifier - Nhận dạng 5G QoS)
• ARP (Allocation and Retention Priority - Ưu tiên phân bổ và giữ lại); - Đối với mỗi luồng chỉ là luồng QoS Non-GBR, hồ sơ còn chứa thông số RQA
(Reflective QoS Attribute - Thuộc tính QoS phản ảnh);
• Đối với mỗi luồng chỉ là luồng QoS GRB, hồ sơ còn chứa: (1) UL/DL GFBR (Uplink /Downlink Guaranteed Flow Bit Rate - tốc độ bít luồng đảm bảo đường lên đường xuống), (2) MFBR (Maximum Flow Bit Rate - tốc độ bịt luồng cực đại);
• Trong trường hợp luồng QoS chỉ là luồng QoS GBR, các thông số QoS còn chứa: (1) điều khiển thông báo, (2) tỷ lệ mất gói cực đại đường lên và đường xuống b) Các nguyên tắc cơ bản của quản lý chất lượng truyền dữ liệu
Nguyên tắc quản lý chất lượng truyền dữ liệu trong mạng 5G dựa trên việc chia lưu lượng dữ liệu người dùng thành nhiều luồng và truyền chúng với chất lượng khác nhau Các luồng này được xác định bởi thông số kỹ thuật 3GPP là QoS Flow và được chỉ định bởi QFI (ID luồng QoS) Luồng dữ liệu QoS Flow về cơ bản là kênh truyền dữ liệu ảo của hệ thống 5GS với chất lượng nhất định theo cấu hình QoS (Tệp QoS Pro, Bảng 3.1) Luồng QoS được chia thành hai loại: Luồng QoS GBR và Luồng QoS không phải GBR Luồng dữ liệu được quản lý bởi mô- đun quản lý phiên SMF
Bảng 3.1 Hồ sơ chất lượng luồng QoS
Thông số/ Mã định danh/ Thuộc tính
Phát trực tiếp với sự đảm bảo tốc độ truyền dữ liệu (Luồng QoS GBR)
Truyền phát không đảm bảo tốc độ dữ liệu (Luồng QoS không phải GBR)
Mã định danh QoS 5G (5QI) + + Ưu tiên phân bố và duy trì mạng tài nguyên ARP + +
Tốc độ truyền dữ liệu được đảm bảo ở đường lên và đường xuống GFBR
(Tốc độ bit luồng được đảm bảo)
Tốc độ truyền dữ liệu tối đa trong MFBR đường lên và đường xuống
(Tốc độ bit luồng tối đa)
Thuộc tính QoS phản chiếu
Trong mạng lõi EPC, một điểm tương tự của QoS Flow là kênh ảo IP-CAN Bearer, được hình thành theo mặc định trong quá trình AT tham gia mạng cho tất cả lưu lượng truy cập (Default IP-CAN Bearer) hoặc dành riêng cho một loại lưu lượng cụ thể (Dedicated IP-CAN Bearer) Theo đó, bằng cách tương tự trong mạng 5G, các Luồng QoS chuyên dụng được tạo cho một số loại lưu lượng truy cập (được đặt dựa trên mẫu) nhất định và tất cả lưu lượng truy cập còn lại không khớp với bất kỳ mẫu nào sẽ được truyền bằng Luồng QoS mặc định [4] c) Phân loại và đánh dấu luồng QoS Ở đường lên, các quy tắc mà thiết bị đầu cuối thuê bao phân chia lưu lượng thành các luồng dữ liệu QoS Flow được chỉ định là Quy tắc QoS Các quy tắc này có thể được truyền “ngầm” đến thiết bị đầu cuối thuê bao bằng cách sử dụng các bản tin báo hiệu trong quá trình thiết lập/sửa đổi phiên PDU, có thể được truyền
“ngầm” bằng cách sử dụng thuộc tính chất lượng “gương” RQA, có thể được cấu hình sơ bộ cho AT
Quy tắc phân chia lưu lượng Quy tắc QoS chứa:
• Mã định danh quy tắc (duy nhất trong phiên PDU);
• Mã định danh của luồng QFI mà quy tắc áp dụng;
• Một bộ bộ lọc lưu lượng truy cập (mẫu) cho biết mức độ ưu tiên (thứ tự sử dụng) Ở đường xuống, cổng UPF của mạng lõi 5GC gom các luồng dữ liệu dịch vụ SDF vào các luồng dữ liệu QoS Flow theo yêu cầu chất lượng truyền dẫn
Hình 3.1 Nguyên tắc phân loại và đánh dấu luồng QoS d) Kiến trúc QoS
Giống như 4G LTE, mạng lõi nhận biết được dịch vụ và xử lý dịch vụ chứ không phải mạng truy nhập Đối với mỗi thiết bị được kết nối, sẽ có một hay nhiều phiên PDU, mỗi phiên sẽ có một hay nhiều luồng QoS và các DRB Các gói IP được ấn định tài nguyên vào các luồng QoS tùy theo các yêu cầu QoS Mỗi gói có thể được đánh dấu bằng một QFI để hỗ trợ xử lý đường lên Sau đó các luồng này được ấn định tài nguyên lên DRB Ấn định tài nguyên luồng QoS lên DRB không nhất thiết phải là một - một Nhiều luồng QoS có thể được ấn định tài nguyên lên một DRB Các UPF trong mạng lõi sẽ ấn định tài nguyên các gói IP lên các luồng QoS tùy theo yêu cầu của QoS
Hình 3.2 cho thấy kiến trúc QoS trong hệ thống 5G, cho thấy:
• Đối với mỗi UE, 5GC thiết lập một hay nhiều phiên PDU;
• Đối với mỗi UE, 5G-RAN thiết lập ít nhất một DRB cho phiên PDU Sau đó có thể các DRB cho một hay nhiều luồng QoS của phiên này được lập cấu hình;
• 5G-RAN ấn định tài nguyên các gói thuộc các phiên PDU khác nhau lên các DBR khác nhau;
• Các bộ lọc gói của NAS (NAS Filter) trong UE và trong 5G CN liên kết các gói đường lên UL và các gói đường xuống DLvới các luồng QoS (Hình 3.1)
Các quy tắc ấn định tài nguyên mức AS trong UE và 5G RAN liên kết QoS đường lên và đường xuống với các DBR
5GC và 5G RAN đảm bảo chất lượng dịch vụ (độ tin cậy và trễ yêu cầu) bằng cách ấn định tài nguyên các gói vào các luồng QoS và các DRB tương ứng Như vậy sẽ có hai bước ấn định tài nguyên các luồng IP lên các luồng QoS (NAS) và từ các luồng QoS lên các DRB (AS)
Trong NR, DRB định nghĩa xử lý gói trên giao diện vô tuyến (Uu) Mỗi một DRB phục vụ các gói được xử lý cùng một chuyển phát Các DRB khác nhau có thể được thiết lập cho các xử lý chuyển phát khác nhau [2]
Trên đường xuống, 5G RAN ấn định tài nguyên các luồng QoS lên các DRB dựa trên QoS Flow ID (đánh dấu N3) và các hồ sơ QoS tương ứng
Hình 3.2 Kiến trúc tổng quát kiểm soát chất lượng truyền dữ liệu trong mạng
Trên đường lên, UE đánh dấu các gói đường lên trên Uu bằng QFI để đánh dấu các gói chuyển phát đến CN Trên đường lên, 5G-RAN có thể điều khiển ấn định tài nguyên theo hai cách khác nhau:
• Ấn định tài nguyên phân ảnh hay Implicit (Implicit - ẩn): đối với từng DRB
UE giám sát các QoS flow ID của các gói đường xuống và thực hiện ấn định tài nguyên các gói đường lên nên các QoS flow tương ứng với các QoS flow ID và phiên PDU dựa trên quan trắc các gói đường xuống đối với DRB này;
• Lập cấu hình Explicit (Explicit - hiện): 5G RAN có thể lập cấu hình “ấn định tài nguyên luồng QoS lên DRB" bằng RRC;
Thông số chất lượng truyền dữ liệu trong mạng 5G
Mã nhận dạng 5QI có các giá trị vô hướng cũng như nghĩa đen và xác định một tập hợp các tham số đặc trưng cho chất lượng truyền dữ liệu trong mạng 5G: Loại lưu lượng (Loại tài nguyên):
• Tốc độ truyền dữ liệu được đảm bảo;
• Tốc độ truyền dữ liệu được đảm bảo và độ trễ;
• Không đảm bảo về tốc độ truyền dữ liệu
Mức độ ưu tiên để xử lý các gói lưu lượng:
• Độ trễ cho phép trong việc truyền các gói lưu lượng giữa AT và Cổng UPF;
• Tỷ lệ các gói được truyền có lỗi;
• Khoảng thời gian trung bình được sử dụng khi tính toán tốc độ truyền dữ liệu tối đa và được đảm bảo;
• Kích thước gói tối đa (Khối lượng truyền dữ liệu tối đa) được truyền qua mạng 5G1
Các giá trị của mã định danh chất lượng 5QI cho các loại lưu lượng khác nhau được đưa ra trong Bảng 3.2 độ trễ truyền gói trong mạng lõi là 1 ms, phần còn lại của độ trễ truyền gói liên quan đến giao diện vô tuyến của mạng truy cập 5G- AN.23 [4]
Bảng 3.2 Giá trị nhận dạng chất lượng 5QI
Mức độ ưu tiên xử lý Độ trễ cho phép (PDB), mili giây
Tỷ lệ gói tin truyền có lỗi
20 100 mili giây 10 -2 Thoại hội thoại
Video hội thoại (truyền luồng trực tiếp)
Trò chơi thời gian thực, tin nhắn V2X, giám sát tự động dây truyền, điện áp môi trường
Video không hội thoại (Truyền luồng nhỡ đệm)
65 7 75 mili giây 10 -6 Lưu lượng thuê bao trong MCPTT
Lưu lượng thuê bao trong khuôn khổ giao tiếp thoại Push To Talk, không liên quan đến Mission Critical
10 100 mili giây 10 -6 Báo hiệu -IMS
Video được lưu vào bộ đệm dành cho người dùng ưu tiên
7 70 100 mili giây 10 -3 Âm thanh, video trực tiếp, trờ chơi tương tác
Video với bộ nhớ đệm, các dịch vụ dựa trên TCP
Video với bộ nhớ đệm, các dịch vụ dựa trên TCP
Mission Critical (ví dụ báo hiệu MCPTT)
70 55 200 mili giây 10 -6 Dữ liệu Mission
Critical (ví dụ dữ liệu như QCI 6/8/9)
Các ứng dụng eMBB trễ nhỏ
11 5 mili giây 10 -5 Điều khiển từ xa
82 12 10 mili giây 10 -5 Các hệ thống vận tải thông minh
83 13 20 mili giây 10 -5 Các hệ thống vận tải thông minh
84 19 10 mili giây 10 -4 Tự động rời rạc
85 22 10 mili giây 10 -4 Tự động rời rạc Ưu tiên duy trì và phân bổ tài nguyên mạng ARP bao gồm 3 tham số:
• Ưu tiên phân bổ nguồn lực;
• Một tham số đặc trưng cho khả năng lấy đi tài nguyên mạng đã được phân bổ cho một thuê bao khác có mức độ ưu tiên thấp hơn;
• Một tham số đặc trưng cho khả năng giữ lại phần được phân bổ tài nguyên mạng liên quan đến thuê bao có mức độ ưu tiên cao hơn Ưu tiên phân bổ tài nguyên được sử dụng khi mạng quá tải, phải đưa ra quyết định phân bổ tài nguyên mạng luồng QoS hoặc luồng dịch vụ SDF Giá trị ưu tiên thường được sử dụng để quản lý tài nguyên liên quan đến luồng QoS Flow với tốc độ dữ liệu GBR được đảm bảo Mức độ ưu tiên phân bổ nguồn lực thay đổi từ 1 đến 15 Giá trị 1 là mức ưu tiên cao nhất.
Sử dụng chất lượng “gương” (Reflective QoS)
Sử dụng chất lượng “gương” hoặc dịch nghĩa đen chất lượng “phản chiếu” (Reflective QoS) cho phép thiết bị đầu cuối thuê bao quản lý các mẫu lưu lượng trong quy tắc QoS của các luồng QoS theo hướng đi lên (UL) theo một cách độc lập mà không cần nhu cầu tương tác tín hiệu với mô-đun điều khiển
Phiên SMF qua giao diện N1 để giới thiệu các mẫu này Thiết bị đầu cuối thuê bao tự động tạo ra một mẫu lưu lượng dựa trên phân địa chỉ dịch vụ của gói được truyền tới hướng xuống (DL) và chứa RQI Mô hình lưu lượng truy cập được đặt ở chế độ “được phản chiếu”, sau đó nguồn của gói sẽ trở thành người nhận trong mẫu và người nhận theo đó sẽ trở thành nguồn
Quy tắc QoS được hình thành trên cơ sở chất lượng “gương”, bao gồm: Mã định danh luồng QFI, một bộ lọc gói IP hoặc Ethernet và mức độ ưu tiên
Không phải tất cả các thiết bị đầu cuối thuê bao đều có thể hỗ trợ chức năng RQA chất lượng “gương”, do đó, trong quá trình thiết lập phiên PDU, AT sẽ thông báo cho mạng về sự hỗ trợ của thuộc tính này Các quy tắc QoS được tạo trong AT dựa trên chất lượng “gương” được quản lý bởi các gói dữ liệu của Mặt phẳng dữ liệu Để thực hiện việc này, phần địa chỉ dịch vụ của các gói dữ liệu của luồng QoS Flows nhất định được truyền theo hướng DL chứa:
• Mã định danh luồng QFI;
• Bộ đếm ngược thời gian RQ
Khi mạng lõi 5GC quyết định rằng chất lượng nhân bản nên được sử dụng cho luồng dữ liệu dịch vụ SDF nhất định thuộc Luồng QoS, thì SMF sẽ thực hiện các hành động sau:
• Truyền đến mạng truy cập NG-RAN qua giao diện số 2 (chuyển qua mô- đun AMF) thuộc tính RQA cùng với cấu hình QoS của Luồng QoS;
• Thông báo cho cổng UPF qua giao diện số 4 về nhu cầu thêm tham số QoS phản chiếu vào các gói của luồng dịch vụ SDF
Cổng UPF, sau khi nhận được hướng dẫn áp dụng chất lượng “gương” liên quan đến luồng dịch vụ SDF, bắt đầu đóng gói các mã định danh QFI và RQI vào phần địa chỉ dịch vụ của các gói của luồng dịch vụ này được truyền qua giao diện số 3 Nút mạng truy cập RAN, sau khi nhận được gói dữ liệu chứa mã định danh
RQI, sẽ thông báo cho thiết bị đầu cuối thuê bao về mã định danh luồng QFI mà gói đó thuộc về
Sơ đồ tín hiệu trong Hình 3.9 cho thấy một ví dụ về cách tổ chức truyền Luồng QoS mới mà không sử dụng tín hiệu mạng lõi 5G Core và bao gồm các bước sau:
1 Trạng thái ban đầu: Phiên PDU giữa trạm gốc gNB và cổng UPF được thiết lập, liên kết dữ liệu ảo DRB được kích hoạt trên giao diện vô tuyến;
2 Trạm cơ sở gNB nhận được từ cổng UPF một gói dữ liệu đường xuống (gói DL), phần địa chỉ dịch vụ trong đó chứa mã định danh luồng mới QFI và mã định danh chất lượng phản chiếu RQI;
3.Trạm gốc gNB quyết định sử dụng kênh ảo DRB hiện có để truyền Luồng QoS trên giao diện vô tuyến, đồng thời sử dụng tín hiệu RRC để thay đổi các tham số DRB trên thiết bị đầu cuối thuê bao;
4 Trạm cơ sở gNB gửi yêu cầu cập nhật DRB đến thiết bị đầu cuối thuê bao, chứa các tham số mới của kênh ảo DRB và mã định danh luồng QFI;
5 Thiết bị đầu cuối thuê bao cập nhật các tham số của kênh ảo DRB và bảng tương ứng luồng QFI và DRB;
6 Thiết bị đầu cuối thuê bao gửi phản hồi Hoàn tất cập nhật DRB;
7 Trạm gốc gNB gửi các gói DL của luồng QFI đến thiết bị đầu cuối thuê bao thông qua kênh ảo DRB
Hình 3.9 Sơ đồ tín hiệu để tổ chức truyền luồng QoS mới sử dụng tín hiệu luồng RRC
Ngoài ra, việc truyền Luồng QoS mới có thể được kiểm soát mà không cần sử dụng tín hiệu RRC “rõ ràng” (Hình 3.10) Một ví dụ về sơ đồ báo hiệu để tổ chức truyền Luồng QoS mới trong trường hợp này bao gồm các bước sau:
1 Trạng thái ban đầu: Phiên PDU giữa trạm gốc gNB và cổng UPF được thiết lập, liên kết dữ liệu ảo DRB được kích hoạt trên giao diện vô tuyến;
2 GNB nhận gói dữ liệu đường xuống (gói DL) từ cổng UPF, phần địa chỉ dịch vụ trong đó chứa mã định danh luồng QFI mới;
3 Trạm gốc gNB quyết định sử dụng DRB ảo hiện có để truyền luồng QoS trên giao diện vô tuyến (nếu cần sử dụng DRB ảo mới thì quy trình tương ứng để thiết lập DRB mới sẽ được thực hiện);
4 Trạm gốc gNB gửi gói DL đến thiết bị đầu cuối thuê bao thông qua kênh ảo DRB đã chọn Trong gói DL, phần địa chỉ dịch vụ của giao thức SDAP chứa các mã định danh QFI và RQI;
5 Thiết bị đầu cuối thuê bao nhận được gói DL dựa trên nhận dạng Trình điều khiển QFI và RQI thiết lập mẫu lưu lượng ảo kênh DRB;
6 Việc trao đổi dữ liệu được thực hiện bằng luồng QFI mới
Kết luận chương 3
Quản lý chất lượng truyền dữ liệu (QoS) trong mạng 5G đóng vai trò then chốt trong việc cung cấp trải nghiệm tối ưu cho người dùng và hỗ trợ các ứng dụng mới có yêu cầu cao về dữ liệu và độ trễ Nguyên tắc cơ bản của QoS bao gồm ưu tiên hóa, phân bổ tài nguyên và giám sát liên tục để đảm bảo mức độ chất lượng tốt nhất
Trong mạng 5G, các thông số chất lượng truyền dữ liệu quan trọng như băng thông, độ trễ và độ tin cậy được tối ưu hóa Băng thông rộng rãi cho phép truyền tải lượng lớn dữ liệu, trong khi độ trễ thấp hỗ trợ các ứng dụng đòi hỏi phản hồi nhanh như thực tế ảo hay xe tự lái Độ tin cậy cao cũng là yếu tố quan trọng, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu kết nối ổn định như y tế từ xa hay công nghiệp tự động hóa
Reflective QoS, khái niệm về sử dụng chất lượng "gương," đóng vai trò quan trọng trong việc tự động cải thiện chất lượng dịch vụ dựa trên thông tin phản hồi từ người dùng hoặc hệ thống giám sát Bằng cách này, mạng có khả năng tự thích nghi và cải thiện dịch vụ một cách tự động, tăng cường khả năng linh hoạt và hiệu suất của mạng 5G Tóm lại, việc áp dụng nguyên tắc cơ bản của QoS, theo dõi và điều chỉnh thông số chất lượng truyền dữ liệu cùng với sử dụng chất lượng
"gương" sẽ giúp tối ưu hóa trải nghiệm người dùng và hiệu suất mạng trong môi trường đa dạng và phức tạp của mạng 5G
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Mạng 5G đem lại tiềm năng vô cùng lớn cho việc quản lý chất lượng truyền dữ liệu Với tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn, độ trễ thấp hơn và khả năng kết nối đa dạng, 5G mở ra cơ hội cho các ứng dụng mới và cải thiện trải nghiệm người dùng Tuy nhiên, để tận dụng hết tiềm năng của nền tảng này, việc quản lý chất lượng truyền dữ liệu là rất quan trọng Điều này đòi hỏi việc thiết lập và tuân thủ các tiêu chuẩn QoS chặt chẽ, đảm bảo rằng mọi luồng dữ liệu được ưu tiên và xử lý một cách hiệu quả Đồ án đã hoàn thành việc nghiên cứu các nội dung, kết quả sau:
• Tìm hiểu tổng quan về sự phát triển của tiêu chuẩn 5G
• Tìm hiểu kiến trúc mạng 5G và các công nghệ cơ bản
• Quản lý chất lượng truyền dữ liệu trong mạng 5G
B Hướng phát triển của đề tài Để tối ưu hóa quản lý chất lượng truyền dữ liệu trong mạng 5G, việc xác định và cấu hình các thông số QoS (ví dụ: QCI, QoS Class Identifier) phải được thực hiện một cách tỉ mỉ và linh hoạt, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng loại dịch vụ Hơn nữa, việc triển khai hệ thống giám sát liên tục và cơ chế tự động hóa trong việc điều chỉnh các thông số QoS là cần thiết để duy trì và cải thiện chất lượng dịch vụ theo thời gian thực Ngoài ra, việc đầu tư vào nghiên cứu và phát triển công nghệ để tối ưu hóa quản lý chất lượng truyền dữ liệu sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất và trải nghiệm người dùng trên mạng 5G.