thông tin di động 5g use cases

Enhanced Mobile Broadband eMBB: Định nghĩa: eMBB là trường hợp sử dụng tập trung vào việc cung cấp kết nối di độngbăng thông rộng với tốc độ dữ liệu cực cao, dung lượng lớn và độ trễ th

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM

K HOA Đ I Ệ N – Đ I Ệ N T Ử

LỜI CẢM ƠN

Chúng tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy cô trong khoa Điện – Điện

Tử, và nhất là quý Thầy cô thuộc bộ môn Điện Tử - Viễn Thông đã giảng dạy và truyền đạt kiến thức chuyên ngành cho chúng tôi thực hiện đồ án trong thời gian vừa qua.

Đặc biệt chúng tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô Nguyễn Quỳnh Anh đã hỗ trợ, hướng dẫn chúng tôi làm báo cáo tiểu luận trong thời gian vừa qua Cảm ơn thầy đã cung cấp một số tài liệu hỗ trợ cho chúng tôi làm bài báo cáo này Cô đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ trong suốt thời gian thực hiện và cũng là người giúp chúng tôi kiểm tra những sai sót của đề tài.

Tuy nhiên, do thời gian và kiến thức còn hạn chế, dù đã cố gắng nhưng vẫn không tránh khỏi những sai sót, chúng tôi rất mong nhận được những lời góp ý quý báu của quý thầy

cô và bạn bè để chúng tôi hoàn thiện đề tài này tốt hơn.

2

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

TP.HCM, ngày tháng năm 2024

Giáo viên hướng dẫn

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

3

HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM

Khoa Điện – Điện tử

Mục lục

1 5G Use cases: 1

a Enhanced Mobile Broadband (eMBB): 1

b Massive Machine Type Communications (mMTC): 1

c Ultra-Reliable and Low Latency Communications (uRLLC): 1

2 Spectrum in 5G & their challenges 2

1. Dải tần thấp (Low-band) 2

2. Dải tần trung (Mid-band) 2

3 OFDMA in 5G: how it is used and how to reduce interfrequency interferences 3

4 Resource block and Resource element 4

5 Modulation in 5G 5

6 Massive MIMO và Beamforming trong 5G 5

7 Antenna for mmWave 6

8 3D beamforming in 5g 6

9 Massive MIMO antennas in 5G 7

10 Cloud RAN in 5G 7

11 5G architecture 8

12 gNB functions in NG-RAN 9

13 Packet Data Unit (PDU) session in 5G 10

14 Control and user plane separation in 5G 11

15 5G core network: Access and Mobility Management Function (AMF) 12

16 5G core network: Session Management Function (SMF) 12

17 5G core network: User Plan Function (UPF) 12

18 5G core network: Unified Data Management (UDM) 13

19 5G core network: Policy Charging Function (PCF) 13

21 Network slicing in 5G 14

22 5G core network: Network Repository Function (NRF) 14

23 5G Core Network: Network Slice Selection Function (NSSF) 15

24 5G core network: Network Exposure Function (NEF) 15

5

1 5G Use cases:

a Enhanced Mobile Broadband (eMBB):

 Định nghĩa: eMBB là trường hợp sử dụng tập trung vào việc cung cấp kết nối di động

băng thông rộng với tốc độ dữ liệu cực cao, dung lượng lớn và độ trễ thấp

 Đặc điểm:

o Tốc độ tải xuống cao 1gb/s

o Tốc độ tải lên (upload) nhanh

o Hỗ trợ nhiều thiết bị người dùng

o Kết nối ổn định và độ tin cậy cao

 Ứng dụng:

o Video độ phân giải cao (4K, 8K, 16K) và video 360 độ

o Truyền phát trực tiếp chất lượng cao

o Hội nghị truyền hình và các ứng dụng doanh nghiệp đòi hỏi băng thông lớn

b Massive Machine Type Communications (mMTC):

 Định nghĩa: mMTC là trường hợp sử dụng tập trung vào việc kết nối một số lượng lớn

các thiết bị IoT (Internet of Things) với yêu cầu băng thông thấp và dung lượng pin dài

 Đặc điểm:

o Kết nối hàng triệu thiết bị

o Tiêu thụ năng lượng thấp

o Chi phí thiết bị thấp

o Hỗ trợ truyền dữ liệu nhỏ

 Ứng dụng:

o Đo lường thông minh (smart metering) trong các lĩnh vực điện, nước, khí đốt

o Nông nghiệp thông minh (smart agriculture) và thành phố thông minh (smartcity)

o Các ứng dụng IoT trong y tế, giao thông và công nghiệp

c Ultra-Reliable and Low Latency Communications (uRLLC):

 Định nghĩa: uRLLC là trường hợp sử dụng tập trung vào việc cung cấp kết nối cực kỳ

đáng tin cậy và độ trễ siêu thấp cho các ứng dụng quan trọng và nhạy cảm với thời gian

 Đặc điểm:

o Độ trễ cực thấp ở mức dưới 1ms.

o Độ tin cậy cực cao (99.999%).

o Khả năng phục hồi nhanh chóng.

 Ứng dụng:

o Xe tự lái (autonomous vehicles).

o Điều khiển rô bốt công nghiệp (industrial automation).

o Các hệ thống an toàn quan trọng (mission-critical systems).

2 Spectrum in 5G & their challenges

Hình 1: Phổ tần 5G

5G sử dụng một loạt các dải tần số để cung cấp dịch vụ, bao gồm các dải tần thấp, trung và cao(mmWave) Mỗi dải tần này có những đặc điểm riêng biệt và được sử dụng cho các mục đíchkhác nhau

1 Dải tần thấp (Low-band)

o Tần số: Dưới 1 GHz, thường là 600 MHz đến 900 MHz.

o Ưu điểm: Cung cấp vùng phủ sóng rộng và khả năng xuyên thấu tốt qua các

chướng ngại vật như tường và cây cối Thích hợp cho các khu vực nông thôn vàngoại ô

o Nhược điểm: Băng thông hạn chế, tốc độ dữ liệu thấp hơn so với các dải tần cao

o Nhược điểm: Áp lực cạnh tranh cao vì nhiều nước sử dụng dải tần này cho 5G,

dẫn đến vấn đề điều phối và phân bổ tần số

3 Dải tần cao (High-band, mmWave)

2

o Tần số: Trên 24 GHz, thường là 24 GHz đến 52 GHz.

o Ưu điểm: Cung cấp tốc độ dữ liệu rất cao và độ trễ thấp, lý tưởng cho các ứng

dụng đòi hỏi băng thông cao như thực tế ảo (VR) và thực tế tăng cường (AR)

o Nhược điểm: Phạm vi phủ sóng ngắn và khả năng xuyên thấu kém Cần một

mạng lưới dày đặc các trạm phát nhỏ để đảm bảo phủ sóng

Hình 3: Chế độ xem miền thời gian/tần số kết hợp của tín hiệu OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) là một kỹ thuật quan trọng

trong 5G, cung cấp sự sử dụng phổ tần hiệu quả và cho phép tốc độ dữ liệu cao OFDMA hoạtđộng bằng cách chia phổ tần thành nhiều sóng con (subcarrier) nhỏ, mỗi sóng con mang mộtphần dữ liệu của người dùng

Nhiễu liên tần số trong mạng 5G sử dụng OFDMA có thể phát sinh từ nhiều nguồn, bao gồm

sự chồng lấn tín hiệu từ các cell lân cận

 Phối hợp nhiễu giữa các cell (ICIC) và sử dụng tần số phân đoạn FFR

 Kỹ thuật ăng ten tiên tiến: như Massive MIMO và Beamforming

 Quản lý phổ động

 Chia mạng và quản lý tài nguyên

4 Resource block and Resource element

Resource Block (RB)

Trong 5G New Radio (NR), Resource Block (RB) là đơn vị tài nguyên nhỏ nhất được phân bổ

cho người dùng RB bao gồm một nhóm các sóng con liên tiếp trong miền tần số và một sốlượng nhất định các ký hiệu OFDM trong miền thời gian

Miền Tần Số: 12 Sóng Con, Độ rộng sóng con 60k Hz trong ffr1 và 120k Hz trong ffr2

4

Miền Thời Gian là Ký hiệu OFDM: Một RB thường tương ứng với một slot trong miền thời

gian Số lượng ký hiệu OFDM trong một slot phụ thuộc vào khoảng cách sóng con và cấu hìnhCP

Resource Element (RE) là đơn vị tài nguyên nhỏ nhất trong 5G NR Mỗi RE được xác định

bởi một sóng con trong miền tần số và một ký hiệu OFDM trong miền thời gian

Công thức trong miền tần số: B=N×Δff

 B: Băng thông sóng mang

 N: Số lượng sóng con trong một RB

 Δff: Khoảng cách sóng con

Công thức trong miền thời gian: Tslot=NS×Tsymbol

 T_slot: Thời lượng của slot

 N_S: Số lượng ký hiệu trong một slot

 T_symbol: Thời lượng của một ký hiệu OFDM

5 Modulation in 5G

Trong 5G có các điều chế như sau:

OFDM là một kỹ thuật điều chế sử dụng nhiều sóng con trực giao để truyền dữ liệu Các sóng

con được tách ra để giảm nhiễu, tối ưu hoá cho phổ tần

QAM kết hợp cả điều chế biên độ và pha để mã hóa dữ liệu Gồm: 16-QAM: 4 bit/ký hiệu

64-QAM: 6 bit/ký hiệu 256-64-QAM: 8 bit/ký hiệu

FBMC là một kỹ thuật điều chế sử dụng các sóng con chồng lấn với các bộ lọc tiên tiến để

giảm bức xạ ngoài dải, cải thiện hiệu quả phổ tần so với OFDM

UFMC áp dụng các bộ lọc cho các băng tần con thay vì các sóng con đơn lẻ, cung cấp tính linh

hoạt và giảm độ trễ

5

AMC là kỹ thuật điều chỉnh động các tham số điều chế và mã hóa dựa trên điều kiện kênh

truyền thời gian thực:

Điều chế bậc cao: là 256-QAM

Điều chế bạc thấp: QPSK

6 Massive MIMO và Beamforming trong 5G

Trong hệ thống Massive MIMO, trạm gốc sử dụng hàng chục đến hàng trăm ăng ten để gửi vànhận tín hiệu Điều này cho phép tối ưu hóa việc sử dụng các tài nguyên thời gian và tần số,phục vụ nhiều người dùng cùng lúc mà không gây nhiễu lẫn nhau Tăng cường dung lượng cell,giảm nhiễu và tăng cường khả năng phủ sóng

Beamforming là một kỹ thuật sử dụng nhiều ăng ten để kiểm soát hướng sóng bằng cách điều

chỉnh biên độ và pha của các tín hiệu ăng ten để hỗ trợ tốc đọ cao, cải thiện phủ sóng

Digital Beamforming: Điều chỉnh biên độ và pha của tín hiệu trong miền số trước khi truyền

RF

Analog Beamforming: Điều chỉnh pha của các tín hiệu ăng ten trong miền RF.

Hybrid Beamforming: kỹ thuật số và kỹ thuật tương tự để tối ưu hóa hiệu suất.

7 Antenna for mmWave

mmWave cho phép truyền dữ liệu với tốc độ rất cao và độ trễ cực thấp

Các Loại Anten mmWave:

Anten MIMO Dual-Band: sử dụng các phần tử phát xạ để hoạt động ở nhiều băng tần khác

8 3D beamforming in 5g

Công nghệ này kết hợp khả năng điều khiển chùm tia theo cả hai chiều ngang và dọc Mở rộngkhả năng điều khiển chùm tia theo chiều dọc, cho phép điều chỉnh tín hiệu cả theo chiều cao vàchiều ngang

 Thu thập thông tin vị trí: Beamforming 3D bắt đầu bằng việc thu thập thông tin về vị

trí của các thiết bị người dùng Điều này bao gồm tọa độ ba chiều của thiết bị trongkhông gian

 Mô hình chùm tia 3D: Dựa trên thông tin thu thập được, hệ thống sẽ sử dụng các thuật

toán tối ưu hóa để thiết kế mô hình chùm tia 3D

 Điều khiển theo phương vị và độ cao: Hệ thống sẽ điều chỉnh hướng chùm tia theo cả

hai là ngang và độ cao để tối ưu hóa phạm vi phủ sóng và chất lượng tín hiệu

 Điều chỉnh động: Khi người dùng di chuyển, hệ thống sẽ liên tục cập nhật và điều chỉnh

hướng chùm tia để đảm bảo tín hiệu luôn mạnh nhất tại vị trí của người dùng

 Giảm nhiễu: Beamforming 3D giúp giảm nhiễu bằng cách tập trung tín hiệu vào một

khu vực cụ thể, giảm thiểu tràn tín hiệu sang các khu vực không mong muốn

9 Massive MIMO antennas in 5G

Massive MIMO sử dụng một số lượng lớn ăng-ten (thường là hàng trăm hoặc hàng nghìn) tạitrạm gốc để truyền và nhận tín hiệu đồng thời đến và từ nhiều thiết bị người dùng

Ghép kênh không gian: sử dụng nhiều ăng-ten, nó có thể tạo ra nhiều kênh không gian độc

lập để truyền dữ liệu đến nhiều thiết bị người dùng cùng lúc

Beamforming: Massive MIMO sử dụng beamforming (tạo chùm) để tập trung năng lượng tín

hiệu vào các hướng cụ thể, hướng tới các thiết bị người dùng

Xử lý tín hiệu tiên tiến: Massive MIMO sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu phức tạp để tối

ưu hóa việc phân bổ tài nguyên và cải thiện chất lượng tín hiệu

Lợi ích: tăng dung lượng mạng, cải thiện vùng phủ sóng nhờ beamforming.

Massive MIMO cũng được sử dụng trong các hệ thống FWA để cung cấp kết nối băng thôngrộng không dây tốc độ cao cho các hộ gia đình và doanh nghiệp

7

10 Cloud RAN in 5G

Là phân tách các chức năng của mạng truy cập vô tuyến (RAN) truyền thống thành các thànhphần phần mềm và phần cứng, sau đó được ảo hóa và tập trung hóa

Cloud RAN bao gồm:

 Centralized Units (CU): Xử lý các tác vụ mức cao như các lớp giao thức và quản lý di

động

 Distributed Units (DU): Quản lý các chức năng thời gian thực yêu cầu độ trễ thấp như

điều khiển liên kết vô tuyến và lịch trình

 Remote Radio Heads (RRH): Các đơn vị radio đơn giản được triển khai tại các trạm

gốc để truyền và nhận tín hiệu RF

 Fronthaul: Một liên kết băng thông cao, độ trễ thấp kết nối RRH với DU/CU.

11 5G architecture

Hình 4: Cấu trúc mạng 5G

 UE (User Equipment): Thiết bị người dùng, RAN (Radio Access Network): Mạng

truy cập vô tuyến kết nối UE với mạng lõi

 AMF (Access and Mobility Management Function): Chức năng quản lý truy cập và di

động

8

 SMF (Session Management Function): Chức năng quản lý phiên làm việc

 UPF (User Plane Function): Chức năng mặt phẳng người dùng

 PCF (Policy Control Function): Chức năng kiểm soát chính sách

 UDM (Unified Data Management): Chức năng quản lý dữ liệu hợp nhất

 AUSF (Authentication Server Function): Chức năng máy chủ xác thực

 NSSF (Network Slice Selection Function): Chức năng lựa chọn lát cắt mạng

 AF (Application Function): Chức năng ứng dụng

 DN (Data Network): Mạng dữ liệu, chẳng hạn như Internet hoặc mạng dịch vụ,

 Nguyên lý hoạt động:

 Thiết bị người dùng (UE) khởi tạo kết nối, RAN chuyển tiếp kết nối tới AMF qua

giao diện N2, AMF xử lý và quản lý kết nối AMF liên lạc với SMF để quản lý phiênlàm việc SMF nhận yêu cầu từ AMF và thiết lập phiên làm việc SMF thiết lập đườngtruyền dữ liệu với UPF PCF nhận và xử lý các yêu cầu chính sách từ SMF Dữ liệu từ

UE được truyền qua RAN tới UPF, rồi từ UPF tới mạng dữ liệu DN

12 gNB functions in NG-RAN

gNB (gNodeB) là thành phần cơ bản của NG-RAN, đóng vai trò là trạm gốc trong mạng 5G

Nó đảm nhiệm nhiều chức năng quan trọng để cung cấp kết nối không dây cho các thiết bịngười dùng (UE) và giao tiếp với lõi mạng 5G (5GC) Các chức năng chính của gNB trongNG-RAN bao gồm:

1 Chức năng mặt phẳng điều khiển (Control Plane):

 Quản lý kết nối radio: Thiết lập, duy trì và giải phóng kết nối radio với UE.

 Quản lý di động: Xử lý các thủ tục chuyển giao (handover) khi UE di chuyển giữa các

gNB

 Lập lịch radio: Phân bổ tài nguyên radio (ví dụ: thời gian, tần số, công suất) cho UE.

 Quản lý cấu hình radio: Cấu hình các thông số radio của UE và gNB.

 Bảo mật: Thực hiện các chức năng bảo mật như xác thực, toàn vẹn và bảo mật dữ liệu.

2 Chức năng mặt phẳng người dùng (User Plane):

 Xử lý dữ liệu người dùng: Chuyển tiếp dữ liệu giữa UE và 5GC.

 Mã hóa và giải mã dữ liệu: Đảm bảo an toàn cho dữ liệu người dùng.

 Điều chế và giải điều chế: Chuyển đổi dữ liệu thành dạng sóng radio và ngược lại.

9

 Điều khiển công suất: Điều chỉnh công suất phát của gNB và UE để tối ưu hóa hiệu

suất và tiết kiệm năng lượng

3 Chức năng khác:

 Đo lường và báo cáo: Thu thập thông tin về chất lượng tín hiệu, nhiễu và các thông số

khác, và báo cáo về 5GC để tối ưu hóa mạng

 Hỗ trợ các tính năng nâng cao: Cung cấp các tính năng nâng cao như beamforming,

MIMO và network slicing

Phân chia gNB:

Trong NG-RAN, gNB có thể được phân chia thành hai đơn vị chức năng:

 gNB-CU (Central Unit): Đảm nhận các chức năng mặt phẳng điều khiển và một số

10

 UE: Thiết bị người dùng, như điện thoại di động hoặc thiết bị IoT.

 gNB: Trạm gốc 5G, kết nối UE với mạng lõi 5G.

 UPF: Chức năng mặt phẳng người dùng, quản lý việc truyền tải dữ liệu thực.

 QoS Flow: Dòng lưu lượng QoS, đảm bảo dữ liệu được truyền với các tham số QoS

đã định trước

 Data Radio Bearer (DRB): Kết nối vô tuyến dữ liệu giữa UE và gNB.

 N3 GTP-U Tunnel: Đường hầm GTP-U trên giao diện N3, kết nối giữa gNB và

UPF để truyền dữ liệu người dùng

Nguyên lý hoạt động:

 UE thiết lập kết nối với mạng thông qua gNB và giao diện Uu để truyền cơ sở dữliệu

 UE thực hiện các thủ tục xác thực và bảo mật của dữ liệu

 UE đăng ký với Chức năng quản lý truy cập và di động (AMF) trong mạng lõi 5G

 UE gửi yêu cầu thiết lập phiên PDU tới Chức năng quản lý phiên (SMF)

 SMF chịu trách nhiệm cấp phát địa chỉ IP và thiết lập các thông số QoS

 SMF và UPF hợp tác để thiết lập đường truyền dữ liệu và thực hiện các chính sáchQoS

 UPF quản lý việc chuyển tiếp dữ liệu thực giữa UE và mạng dữ liệu (DN)

 Khi các tham số đã được thiết lập, mạng lõi 5G gửi thông báo xác nhận tới UE, kíchhoạt phiên PDU

11

14 Control and user plane separation in 5G

 Hình 6: Control and user plane

 UE thiết lập kết nối với mạng qua RAN (Radio Access Network) và gửi yêu cầu đăng kýtới AMF

 AMF xử lý tín hiệu đăng ký và xác thực thông qua AUSF và UDM

 Sau khi UE được xác thực, UE gửi yêu cầu thiết lập phiên PDU tới SMF

 SMF xử lý yêu cầu và liên lạc với PCF để áp dụng các chính sách QoS và điều khiểnliên quan

 SMF phối hợp với UPF để thiết lập phiên PDU, bao gồm việc cấp phát địa chỉ IP vàthiết lập các dòng lưu lượng QoS

 Dữ liệu người dùng được truyền từ UE qua RAN tới UPF

 UPF xử lý và chuyển tiếp dữ liệu tới mạng dữ liệu (DN) thông qua các kênh đã đượcthiết lập với QoS đã định

 Trong suốt quá trình phiên PDU hoạt động, SMF và UPF liên tục giám sát và điều chỉnhcác tham số nếu cần thiết để đảm bảo chất lượng dịch vụ và hiệu suất mạng

12