Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự bùng nổ của lưu lượng dữ liệu và số lượng thiết bị kết nối đặt ra áp lực lớn đối với hạ tầng mạng viễn thông. Kể từ thời điểm mạng 4G được triển khai thương mại hoàn tất vào tháng 4 năm 2017 tại Việt Nam, nhu cầu truyền dẫn dữ liệu quốc tế đã tăng trưởng mạnh. Bên cạnh điện thoại thông minh (smartphone), hệ sinh thái thiết bị người dùng (UE) ngày càng mở rộng với các thiết bị đeo (smart-watch, thiết bị theo dõi sức khỏe) và cảm biến nhà thông minh (smart-home). Sự gia tăng liên tục này dẫn đến nguy cơ quá tải đường truyền và đòi hỏi hạ tầng mạng thế hệ tiếp theo phải đáp ứng khả năng tương tác linh hoạt, độ trễ thấp và dung lượng lớn.

Trong mô hình truyền thống, các nhà cung cấp dịch vụ mạng (NSP) chủ yếu triển khai dịch vụ mới bằng cách mua sắm và lắp đặt các thiết bị phần cứng chuyên dụng từ các hãng như Cisco, Juniper. Cách tiếp cận này bộc lộ nhiều hạn chế: chi phí mua sắm thiết bị và vận hành (CAPEX/OPEX) đắt đỏ, cấu hình phức tạp, khó quản lý tập trung, tính tương thích giữa các hệ thống kém, chu kỳ nâng cấp phần mềm chậm và thời hạn giấy phép bản quyền ngắn. Trước yêu cầu chuyển đổi số và xu hướng ảo hóa hạ tầng (tiêu biểu như tập đoàn AT&T tại Mỹ đã công bố mục tiêu ảo hóa 75% hạ tầng mạng vào năm 2020), công nghệ Ảo hóa Chức năng Mạng (NFV) kết hợp với Mạng được định nghĩa bằng phần mềm (SDN) trở thành giải pháp kỹ thuật then chốt nhằm tối ưu hóa tài nguyên phần cứng và tự động hóa quy trình vận hành.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể như sau:

  1. Tìm hiểu công nghệ Ảo hóa Chức năng Mạng (NFV - Network Function Virtualization).
  2. Nghiên cứu ứng dụng công nghệ NFV trong mạng thông tin di động 5G.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Công nghệ NFV và mô hình ứng dụng NFV trong kiến trúc mạng thông tin di động 5G.
  • Phạm vi nghiên cứu: Tìm hiểu cơ chế hoạt động, kiến trúc tiêu chuẩn theo ETSI, các thách thức kỹ thuật và các kịch bản ứng dụng trọng tâm của NFV trong mạng 5G bao gồm mạng truy nhập vô tuyến đám mây (C-RAN), phối hợp đa điểm (CoMP), truyền thông trực tiếp thiết bị - thiết bị (D2D) và mạng siêu mật độ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nội dung dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế và khung lý thuyết viễn thông hiện đại:

  • Khung tiêu chuẩn 5G của ITU: Yêu cầu kỹ thuật hệ thống IMT-2020 do Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) ban hành, phân chia thành 3 nhóm ứng dụng: Băng rộng di động nâng cao (eMBB), Truyền thông thời gian trễ thấp và tin cậy cực cao (URLLC), và Truyền thông máy số lượng lớn (mMTC).
  • Kiến trúc tham chiếu NFV của ETSI: Khung chuẩn hóa do Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI) ban hành, bao gồm 3 khối thành phần cốt lõi: Chức năng mạng ảo (VNF), Hạ tầng ảo hóa chức năng mạng (NFVI), và Khối Quản lý và Điều phối (MANO).
  • Các mô hình mạng hỗ trợ: Mạng được định nghĩa bằng phần mềm (SDN), Mạng truy nhập vô tuyến đám mây (C-RAN), và các tiêu chuẩn giao diện vô tuyến do 3GPP và IETF định nghĩa.

Phương pháp nghiên cứu được tác giả áp dụng trong đồ án:

  • Phương pháp nghiên cứu lý thuyết và tổng hợp tài liệu: Thu thập, đọc hiểu và phân tích có hệ thống các văn bản tiêu chuẩn, tài liệu kỹ thuật chuyên ngành về hệ thống mạng 5G và kiến trúc ảo hóa NFV/SDN.
  • Phương pháp phân tích số liệu và mô hình hóa: Phân tích nguyên lý vận hành, cơ chế định tuyến chuỗi dịch vụ (SFC) và đánh giá các chỉ số tối ưu hóa tài nguyên phần cứng thông qua mô hình so sánh giữa hạ tầng truyền thống không ảo hóa và hạ tầng VNF.

Nguồn dữ liệu của đồ án được trích xuất từ các tài liệu chuẩn hóa của ITU, ETSI, 3GPP, báo cáo kỹ thuật từ các nhà mạng quốc tế (như AT&T) và các nghiên cứu mô phỏng hiệu năng tài nguyên trạm gốc.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về mạng di động 5G

Chương 1 hệ thống hóa các khái niệm, bối cảnh phát triển, yêu cầu kỹ thuật và kiến trúc mạng thông tin di động thế hệ thứ 5. Tác giả phân tích chi tiết 3 nhóm ứng dụng chính theo định hướng của ITU IMT-2020:

  • eMBB (Enhanced Mobile Broadband): Đạt tốc độ đường xuống 10 Gbps (gấp 100 lần tốc độ sóng mang đơn của LTE), sử dụng băng thông rộng tới 2 GHz kết hợp các dải tần số cao (sóng milimet - mmWave).
  • URLLC (Ultra-Reliable and Low-Latency Communications): Cung cấp đường truyền với độ trễ cực thấp (dưới vài mili-giây) và độ tin cậy trên 99%, phục vụ các ứng dụng thành phố thông minh, điều khiển giao thông, xe tự hành và phẫu thuật từ xa.
  • mMTC (Massive Machine Type Communications): Hỗ trợ mật độ kết nối lên tới 1 triệu thiết bị/km² cho các hệ sinh thái IoT với yêu cầu tối ưu hóa năng lượng (hiệu quả năng lượng cao hơn 50–100 lần so với LTE).
Nhóm ứng dụng 5G Tốc độ truyền dẫn / Băng thông Độ trễ / Độ tin cậy Ứng dụng tiêu biểu
eMBB Tốc độ đường xuống 10 Gbps; băng thông 2 GHz Tối ưu hóa băng thông rộng Truyền hình UHD, 4K, thực tế ảo (VR), AR
URLLC Tốc độ truyền dữ liệu nhanh, trễ < vài ms Độ tin cậy > 99%, trễ cực thấp Xe tự hành, y tế từ xa, điều khiển lưới điện
mMTC Tối ưu hóa cho truyền dữ liệu tốc độ thấp Tiết kiệm năng lượng cao (50–100x LTE) Smart-home, quan trắc môi trường, đo xa IoT

Kiến trúc mức cao của mạng 5G được tác giả mô tả thông qua 3 lớp chức năng:

  1. Lớp Dịch vụ Đổi mới (Innovative Services): Cung cấp các trải nghiệm truyền thông băng rộng tốc độ cao, đa phương tiện UHD/4K, thực tế ảo và các dịch vụ IoT.
  2. Lớp Nền tảng Cho phép (Enabling Platform): Cung cấp khuôn khổ phần mềm, nền tảng All-IP, mô hình Network-as-a-Service, hệ sinh thái API, kết hợp SDN, NFV và Virtualized RAN nhằm quản lý và cấu hình linh hoạt các chức năng mạng.
  3. Lớp Cơ sở hạ tầng Siêu kết nối (Hyper-Connected Infrastructure): Phần cứng mạng hỗ trợ mở rộng băng thông (cmWave, mmWave), phân chia tế bào nhỏ (small cell), kỹ thuật Multi-RAT, Massive MIMO, Beamforming, kênh phản hồi CSI/CQI, đa truy nhập phi trực giao NOMA và truyền thông D2D với cự ly hoạt động lên đến 500 m.

Chương 2. Công nghệ NFV

Chương 2 trình bày toàn diện về cơ sở công nghệ NFV, bắt đầu từ việc chỉ rõ các điểm nghẽn của hạ tầng mạng phần cứng chuyên dụng truyền thống. Tác giả phân tích kiến trúc tham chiếu tiêu chuẩn của ETSI bao gồm 3 khối chức năng chính:

  1. Chức năng Mạng Ảo hóa (VNF): Các phần mềm đảm nhận chức năng mạng (firewall, routing, NAT, load balancer) chạy trên máy ảo. Một VNF được cấu thành từ các thành phần VNFC (VNF Components) và được định nghĩa thông qua tệp đặc tả VNFD (VNF Descriptor) lưu trữ trong VNF Catalog. VNF tương tác với hệ thống qua 5 giao diện chuẩn hóa (SWA-1 đến SWA-5) và chịu sự quản lý trực tiếp từ Trình quản lý phần tử (EMS).
  2. Hạ tầng Ảo hóa Chức năng Mạng (NFVI): Bao gồm tài nguyên phần cứng COTS (máy chủ tính toán, thiết bị lưu trữ, thiết bị mạng) và lớp phần mềm ảo hóa (Hypervisor). NFVI được chia thành 3 miền quản trị:
    • Miền tính toán (Compute Domain): Phần cứng CPU, bộ nhớ, thiết bị lưu trữ và cổng giao tiếp I/O.
    • Miền ảo hóa (Hypervisor Domain): Tạo lập và cô lập tài nguyên cho các VM thông qua các giải pháp như KVM/Libvirt, Xen, VMware vSphere hoặc Hyper-V.
    • Miền hạ tầng mạng (Infrastructure Network Domain): Quản lý chuyển mạch Top-of-Rack, router, cung cấp mạng ảo và tách biệt luồng traffic giữa các VNF.
  3. Khối Quản lý và Điều phối (NFV MANO): Chịu trách nhiệm quản lý vòng đời dịch vụ và tài nguyên toàn cục với 3 thành phần con:
    • NFV Orchestrator (NFVO): Quản lý vòng đời dịch vụ mạng (Network Service), tạo lập đồ thị chuyển tiếp VNF-FG, chứng thực và cấp quyền tài nguyên.
    • VNF Manager (VNFM): Điều phối, cấu hình, theo dõi hiệu năng và quản lý vòng đời từng thực thể VNF (khởi tạo, tăng/giảm quy mô scale up/down, nâng cấp, giải phóng).
    • Virtualized Infrastructure Manager (VIM): Quản lý và điều phối trực tiếp tài nguyên compute, storage, network của NFVI (tiêu biểu như OpenStack hoặc VMware).

Đồ án cũng tổng hợp 9 trường hợp sử dụng (Use Cases) NFV do ETSI định nghĩa:

  • Cơ sở hạ tầng NFV dưới dạng dịch vụ (IaaS).
  • Chức năng mạng ảo như một dịch vụ (VNFaaS).
  • Nền tảng mạng ảo dưới dạng dịch vụ (PaaS).
  • Biểu đồ chuyển tiếp VNF (VNF Forwarding Graph / SFC).
  • Ảo hóa mạng lõi di động (EPC) và hệ thống con đa phương tiện IP (IMS).
  • Ảo hóa trạm gốc di động (RAN).
  • Ảo hóa môi trường gia đình (Home Gateway).
  • Ảo hóa mạng phân phối nội dung (CDN).
  • Ảo hóa các chức năng của mạng truy cập cố định (DSL, FTTdp).

Về mặt hiệu năng, tác giả thảo luận các kỹ thuật tăng tốc xử lý cho NFVI như Intel DPDK, SR-IOV, VT-d, CPU pinning, PCI Passthrough, kiến trúc kết nối bộ nhớ thế hệ mới (NGMI) và các mô hình hành vi chuyển tiếp NF nhằm phục vụ công tác kiểm tra, khắc phục sự cố và tuân thủ chính sách mạng.

Chương 3. Ứng dụng công nghệ NFV trong mạng di động 5G

Chương 3 tập trung vào các giải pháp ứng dụng NFV để giải quyết các bài toán kiến trúc của mạng truy nhập vô tuyến 5G:

  • Biểu đồ chuyển tiếp VNF (SFC) cho dịch vụ Internet di động: Luồng dữ liệu được điều hướng linh hoạt qua chuỗi chức năng mạng ảo từ trạm gốc (eNodeB) đến Cổng phục vụ (sGW) và mạng lõi IP. Khác với mạng truyền thống phải kích hoạt tính năng trên toàn mạng, NFV cho phép kích hoạt chức năng chuyên biệt theo từng lớp dịch vụ hoặc người thuê.
  • Ảo hóa khối xử lý băng tần cơ sở (BBU Pooling trong C-RAN): Thay vì duy trì các khối BBU vật lý chuyên dụng tại từng trạm phát sóng (BS), tài nguyên xử lý tín hiệu được tập trung và ảo hóa trên nền tảng đám mây. Kỹ thuật này cho phép kích hoạt tài nguyên tính toán theo nhu cầu thực tế của từng trạm vô tuyến từ xa (RRU).
  • Ứng dụng cho CoMP, D2D và Mạng siêu mật độ: Tích hợp NFV và SDN giúp quản lý tập trung việc phối hợp truyền/nhận đa điểm (CoMP DL/UL), kiểm soát tài nguyên can nhiễu trong mạng tế bào nhỏ siêu mật độ, và hỗ trợ thiết lập liên kết truyền thông trực tiếp D2D trong phạm vi lên đến 500 m.
Tiêu chí so sánh Kiến trúc truyền thống (Không ảo hóa) Kiến trúc ảo hóa NFV (VNF / C-RAN)
Phần cứng triển khai Thiết bị phần cứng chuyên dụng nguyên khối Máy chủ tiêu chuẩn công nghiệp COTS
Bố trí đơn vị xử lý BBU Đặt cố định tại từng vị trí trạm gốc Gộp tài nguyên (BBU Pooling) trên đám mây
Kích hoạt tính năng Cấu hình tĩnh trên toàn bộ mạng lưới Kích hoạt động theo chuỗi dịch vụ (SFC)
Hiệu quả sử dụng tài nguyên BBU Cố định công suất, lãng phí khi tải thấp Tiết kiệm tới 25% tổng số BBU cần thiết
Mức độ tiêu thụ BBU hoạt động Luôn duy trì số lượng lớn BBU vật lý Tiết kiệm tới 55% số BBU đang hoạt động

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính kèm số liệu trong văn bản

  • Thông số kỹ thuật mạng 5G: Tổng hợp hệ thống chỉ tiêu IMT-2020 gồm tốc độ đường xuống 10 Gbps (eMBB), băng thông 2 GHz, khả năng truyền thông trực tiếp D2D trong phạm vi 500 m, mật độ 1 triệu kết nối/km², và hiệu quả sử dụng năng lượng cao hơn 50–100 lần so với mạng 4G LTE.
  • Chỉ số tối ưu hóa tài nguyên phần cứng BBU: Việc áp dụng kiến trúc VNF và cơ chế gộp tài nguyên BBU (BBU pooling) trên nền tảng đám mây giúp tiết kiệm tới 25% tổng số đơn vị BBU cần thiết và tiết kiệm tới 55% số lượng BBU đang hoạt động so với kiến trúc phần cứng truyền thống không ảo hóa.
  • Tiến trình chuyển đổi công nghệ: Ghi nhận mục tiêu chuyển đổi hạ tầng thực tế của nhà mạng viễn thông quốc tế (AT&T ảo hóa 75% hạ tầng mạng vào năm 2020 bằng công nghệ NFV/SDN).

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Tách rời hoàn toàn các chức năng mạng phần mềm (VNF) khỏi phần cứng độc quyền, triển khai trên các máy chủ thương mại phổ thông COTS.
  • Áp dụng mô hình điều phối MANO (NFVO, VNFM, VIM) để tự động hóa quản lý vòng đời tài nguyên và cấu hình chuỗi dịch vụ (SFC) linh hoạt theo từng nhu cầu dịch vụ.
  • Tận dụng các kỹ thuật phần cứng và ảo hóa chuyên sâu (Intel DPDK, SR-IOV, VT-d, CPU pinning, kết cấu bộ nhớ NGMI) để giải quyết bài toán suy giảm hiệu năng khi ảo hóa mặt phẳng dữ liệu.

Đóng góp của đề tài

  • Hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về kiến trúc 3 lớp của mạng 5G và mô hình tham chiếu NFV theo chuẩn ETSI.
  • Làm rõ cơ chế triển khai các dịch vụ viễn thông nâng cao (C-RAN, CoMP, D2D, mạng siêu mật độ) trên nền tảng ảo hóa, chỉ ra giải pháp kỹ thuật cụ thể giúp nhà khai thác viễn thông giảm thiểu CAPEX/OPEX và rút ngắn chu kỳ triển khai dịch vụ mới.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Đề tài chủ yếu dừng lại ở mức độ nghiên cứu lý thuyết, tổng hợp tiêu chuẩn kỹ thuật (ETSI, ITU, 3GPP) và phân tích các mô hình kiến trúc dựa trên tài liệu tham khảo; chưa tiến hành triển khai cài đặt thử nghiệm thực tế (testbed) hoặc đo kiểm thông lượng, độ trễ thực tế trên các nền tảng mã nguồn mở (như OpenStack, OpenSourceMANO kết hợp OpenAirInterface).
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Xây dựng mô hình thử nghiệm thực tế (testbed) kết hợp NFV MANO với mạng truy nhập vô tuyến mở (Open RAN/vRAN) để đo kiểm các chỉ số QoS/QoE; nghiên cứu sâu hơn về cơ chế bảo mật và khả năng cô lập tài nguyên giữa các lát cắt mạng (Network Slicing) trong môi trường 5G.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên, học viên ngành Kỹ thuật Viễn thông, Điện tử - Viễn thông và Mạng máy tính: Cung cấp tài liệu tổng quan hệ thống về kiến trúc mạng 5G theo chuẩn IMT-2020 và mô hình ảo hóa chức năng mạng NFV.
  • Kỹ sư mạng và chuyên viên kỹ thuật viễn thông: Cung cấp thông tin tham khảo về các giao diện kết nối tiêu chuẩn của VNF (SWA-1 đến SWA-5), cấu trúc khối điều phối MANO và các kỹ thuật tối ưu hóa phần cứng (DPDK, SR-IOV) phục vụ chuyển đổi hạ tầng viễn thông.
  • Phần đáng tham khảo nhất: Khung kiến trúc chi tiết NFV ETSI và 9 kịch bản sử dụng trong Chương 2; mô hình gộp tài nguyên BBU pooling cùng phân tích định lượng tiết kiệm tài nguyên trong Chương 3.

Câu hỏi thường gặp

1. Kiến trúc tham chiếu NFV theo tiêu chuẩn ETSI gồm những khối chính nào?
Kiến trúc NFV của ETSI gồm 3 khối cốt lõi:

  • Chức năng Mạng Ảo hóa (VNF): Các hàm phần mềm mạng chạy trên máy ảo.
  • Hạ tầng Ảo hóa Chức năng Mạng (NFVI): Gồm phần cứng COTS và lớp ảo hóa Hypervisor, chia thành 3 miền: Compute, Hypervisor và Infrastructure Network.
  • Khối Quản lý và Điều phối (MANO): Điều phối dịch vụ và quản lý tài nguyên.

2. Khối NFV MANO bao gồm những thành phần con nào và nhiệm vụ của chúng là gì?
MANO gồm 3 thành phần chính:

  • NFV Orchestrator (NFVO): Quản lý vòng đời dịch vụ mạng (Network Service), tạo lập đồ thị chuyển tiếp VNF-FG và cấp quyền tài nguyên toàn cục.
  • VNF Manager (VNFM): Quản lý vòng đời từng thực thể VNF (khởi tạo, nâng cấp, tăng/giảm quy mô, thu hồi).
  • Virtualized Infrastructure Manager (VIM): Quản lý và điều phối trực tiếp các tài nguyên tính toán, lưu trữ và mạng của NFVI (ví dụ: OpenStack).

3. Việc áp dụng VNF trong mô hình C-RAN giúp tiết kiệm tài nguyên BBU như thế nào?
Thay vì đặt BBU vật lý cố định tại mọi trạm, NFV cho phép gộp tài nguyên (BBU pooling) trên nền tảng đám mây và cấp phát động theo tải. Kết quả phân tích trong đồ án chỉ ra rằng mô hình VNF giúp tiết kiệm tới 25% tổng số BBU cần thiết và tiết kiệm tới 55% số lượng BBU đang hoạt động so với kiến trúc không ảo hóa.

4. Kỹ thuật truyền thông trực tiếp D2D trong 5G có đặc điểm và phạm vi hoạt động ra sao?
D2D cho phép các thiết bị người dùng (DUE) truyền thông trực tiếp với nhau bằng cách chia sẻ tài nguyên tần số của mạng mà không cần qua trạm gốc. Mục đích của D2D là cung cấp dịch vụ trong phạm vi lên đến 500 m, giúp giảm tải trạm gốc, tiết kiệm năng lượng phát và tái sử dụng phổ tần.

5. Các công nghệ nào được sử dụng để khắc phục tình trạng suy giảm hiệu năng khi ảo hóa chức năng mạng?
Đồ án chỉ ra các kỹ thuật tối ưu hóa phần cứng và lớp ảo hóa bao gồm: Intel DPDK, SR-IOV, VT-d, kỹ thuật ghim lõi xử lý (CPU pinning), PCI Passthrough và cấu trúc liên kết bộ nhớ thế hệ mới (NGMI).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Công nghệ NFV và ứng dụng trong mạng thông tin di động 5G" đã hệ thống hóa thành công cơ sở lý thuyết về mạng 5G theo chuẩn IMT-2020 và khung kiến trúc ảo hóa NFV theo tiêu chuẩn ETSI. Tác giả đã làm rõ cơ chế vận hành của các khối VNF, NFVI, MANO cùng 9 trường hợp sử dụng tiêu biểu của công nghệ ảo hóa trong viễn thông. Đồ án chứng minh được hiệu quả của NFV trong việc tối ưu hóa hạ tầng mạng 5G thông qua các số liệu định lượng về gộp tài nguyên BBU (tiết kiệm tới 25% tổng số BBU và 55% BBU hoạt động), làm tài liệu tham khảo có giá trị học thuật cho sinh viên và kỹ sư ngành Kỹ thuật Viễn thông.