Đánh giá hiệu năng giải pháp điện toán biên (MEC) trong 5G bằng Simu5G - Phần 2

Đồ án tốt nghiệp (P2) đánh giá chi tiết hiệu năng giải pháp điện toán biên MEC trong mạng 5G. Phân tích kết quả mô phỏng bằng công cụ Simu5G.

• Tác giả: Nguyễn Cao Kỳ
• Người hướng dẫn: TS. Hoàng Thị Phương Thảo
• Trường học: Trường Đại Học Điện Lực
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử - Viễn Thông
• Đề tài: Đánh Giá Hiệu Năng Giải Pháp Điện Toán Biên Đa Người Dùng (MEC) Trong 5G Sử Dụng Simu5G - Phần 2
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Đồ án MEC 5G và Simu5G

Đồ án MEC 5G: Đánh giá hiệu năng với Simu5G (P2) là một nghiên cứu toàn diện về Điện toán biên đa truy cập (Multi-Access Edge Computing) trong mạng 5G. Đây là phần tiếp theo của một đề tài tốt nghiệp tại Trường Đại học Điện lực, khoa Điện tử - Viễn thông. Nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá hiệu năng các giải pháp MEC thông qua công cụ mô phỏng Simu5G. Simu5G là một thư viện mô phỏng mạnh mẽ dựa trên khung OMNeT++, cho phép các nhà nghiên cứu kiểm tra và phân tích các kịch bản mạng 5G phức tạp. Nội dung phần 2 đề tài sẽ đi sâu vào các khía cạnh kỹ thuật của điện toán biên, cách triển khai mô phỏng và những kết quả đánh giá chi tiết.

1.1. Khái niệm MEC trong môi trường 5G

MEC (Multi-Access Edge Computing) là công nghệ cho phép các dịch vụ tính toán được triển khai gần người dùng cuối, giảm độ trễ và tăng hiệu năng mạng. Trong mạng 5G, MEC đóng vai trò thiết yếu bằng cách xử lý dữ liệu tại các máy chủ biên thay vì gửi toàn bộ tới mạng lõi (CN). Điều này giúp tối ưu hóa băng thông, giảm độ trễ end-to-end (E2E) và cải thiện chất lượng dịch vụ (QoS).

1.2. Tầm quan trọng của Simu5G trong nghiên cứu

Simu5G cung cấp một nền tảng mô phỏng toàn diện cho các mạng 5G, hỗ trợ mô hình giao thức NR và các tính năng MEC cấp hệ thống. Công cụ này cho phép các nhà nghiên cứu đánh giá hiệu năng các giải pháp MEC trong các kịch bản thực tế mà không cần đầu tư chi phí lớn cho cơ sở hạ tầng vật lý.

II. Kiến trúc mạng 5G và các thành phần chính

Mạng 5G được thiết kế với kiến trúc hiện đại, bao gồm mạng truy cập vô tuyến (RAN) và mạng lõi (CN). Kiến trúc 5G hỗ trợ hai chế độ hoạt động chính: SA (Standalone) và NSA (Non-Standalone). Kiến trúc SA là hoàn toàn độc lập không phụ thuộc vào 4G, trong khi NSA tích hợp với 4G LTE. Các yêu cầu kỹ thuật của 5G bao gồm tốc độ truyền dữ liệu cao (20 Gbps), độ trễ thấp (1 ms), độ tin cậy cao và khả năng kết nối lớn. Chuẩn của 5G được xác định bởi 3GPP, đảm bảo tính tương thích và hiệu suất toàn cầu. MEC được tích hợp vào kiến trúc 5G để hỗ trợ các ứng dụng yêu cầu độ trễ thấp như xe tự lái, phẫu thuật từ xa và thực tế tăng cường (AR).

2.1. Mạng truy cập RAN và mạng lõi CN

RAN (Radio Access Network) đảm nhiệm việc kết nối các thiết bị người dùng với mạng lõi. CN (Core Network) xử lý các chức năng quản lý, định tuyến và dịch vụ. Sự phối hợp giữa RAN và CN tạo nên nền tảng 5G mạnh mẽ với hiệu năng cao và độ trễ tối thiểu.

2.2. Kiến trúc SA và NSA

Kiến trúc SA cung cấp độc lập hoàn toàn, cho phép triển khai 5G mà không cần phụ thuộc 4G LTE. Kiến trúc NSA cho phép các nhà cung cấp dần dần nâng cấp, kết nối kép E-UTRA-NR giữa 4G và 5G để tối ưu hóa hiệu năng trong giai đoạn chuyển đổi.

III. Phần mềm mô phỏng và thư viện Simu5G

Simu5G là một thư viện mô phỏng chuyên biệt xây dựng trên khung OMNeT++, cung cấp các mô hình chi tiết cho mạng 5G. Công cụ này bao gồm mô hình giao thức NR đầy đủ, mô hình MEC cấp hệ thống và cấp máy chủ, cũng như khung đánh giá E2E toàn diện. OMNeT++ là một nền tảng mô phỏng sự kiện rời rạc mạnh mẽ, hỗ trợ các mô phỏng mạng quy mô lớn với độ chính xác cao. Simu5G cho phép các nhà nghiên cứu cấu hình các tham số mạng, mô hình giao thức, tải công việc và kịch bản tính toán biên một cách linh hoạt. Khung CO (Co-simulation Framework) cho phép tích hợp các công cụ mô phỏng bên ngoài, mở rộng khả năng phân tích. Thông qua Simu5G, các nhà nghiên cứu có thể đánh giá hiệu năng MEC dưới các điều kiện mạng khác nhau, từ đó đưa ra những kết luận có giá trị thực tiễn cao.

3.1. Khung mô phỏng OMNeT và tính năng

OMNeT++ cung cấp môi trường phát triển tích hợp (IDE) và ngôn ngữ lập trình mô phỏng mạnh mẽ. Nó hỗ trợ mô phỏng sự kiện rời rạc, trực quan hóa dữ liệu thực thời và phân tích thống kê chi tiết, giúp đánh giá hiệu năng các hệ thống mạng phức tạp.

3.2. Mô hình MEC và khung đánh giá E2E

Mô hình MEC trong Simu5G bao gồm các thành phần máy chủ MEC, các ứng dụng biên và chính sách điều phối công việc. Khung E2E cung cấp đo lường độ trễ, tiêu thụ năng lượng và thông lượng, hỗ trợ đánh giá toàn diện hiệu năng của giải pháp MEC trong các tình huống thực tế.

IV. Kịch bản thử nghiệm và đánh giá hiệu năng MEC

Phần 2 của đề tài tập trung vào triển khai mô phỏng các kịch bản thử nghiệm ứng dụng MEC trong mạng 5G bằng Simu5G. Các tham số mô phỏng bao gồm số lượng người dùng, tải công việc, kích thước dữ liệu, yêu cầu độ trễ và cấp độ tín hiệu. Kịch bản thử nghiệm được thiết kế để mô phỏng các ứng dụng thực tế như xử lý video, game trực tuyến, và ứng dụng IoT (Internet vạn vật). Đánh giá kết quả tập trung vào các chỉ số như độ trễ end-to-end, tỷ lệ thông lượng, tỷ lệ lỗi khối (BLER) và tiêu thụ năng lượng. Các kết quả thử nghiệm cho thấy hiệu năng của MEC trong việc giảm độ trễ và tối ưu hóa tài nguyên mạng. Qua đó, đề tài cung cấp những khuyến nghị thực tiễn cho triển khai MEC trong các mạng 5G thương mại.

4.1. Thiết kế kịch bản và tham số mô phỏng

Các kịch bản thử nghiệm được xây dựng dựa trên các ứng dụng 5G phổ biến, bao gồm điều khiển tự động, ứng dụng AR/VR, và các dịch vụ thời gian thực. Tham số mô phỏng được tối ưu hóa để phản ánh các điều kiện mạng thực tế, từ đó đảm bảo độ chính xác của kết quả mô phỏng.

4.2. Kết quả đánh giá và những phát hiện chính

Kết quả đánh giá cho thấy MEC giảm độ trễ E2E từ 50-70% so với các giải pháp không sử dụng biên dạo. Hiệu suất thông lượng cũng được cải thiện đáng kể, đặc biệt trong các kịch bản có tải cao. Những phát hiện này xác nhận giá trị của MEC trong mạng 5G hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ 5G VÀ GIẢI PHÁP ĐIỆN TOÁN BIÊN ĐA NGƯỜI DÙNG 1. Giới thiệu chung 5G là viết tắt của 5th Generation, hay được gọi là thế hệ thứ 5 hiểu đơn giản hơn là thế hệ tiếp theo của công nghệ truyền thông di động sau 4G. Release 15 là tiêu chuẩn đầu tiên của 5G được 3GPP công bố vào năm 2018 được sửa đổi bổ sung lần cuối vào năm 2019. Hiện này đã có thêm 2 phiên bản nữa đã được ra mắt cung cấp thêm nhiều tính năng và cải thiện cho 5G là Release 16 năm 2020 và Release 17 năm 2021.

Mạng 5G có nhiệm vụ cải thiện hiệu suất sử dụng của mạng tiền nhiệm 4G LTE và cung cấp thêm các dịch vụ mới. “SMARTER” là từ được 3GPP sử dụng để mô tả các loại yêu cầu khác với việc sử dụng mạng 5G.1 cho thấy phiên bản Release 15 được công bố từ quý 2 năm 2017 và được sử dụng đến hết quý 3 năm 2018 do sự ra đời của phiên bản Release 16. 1 Lịch phát hành phiên bản 15 của 5G Băng rộng di động nâng cao (eMBB): Là yêu cầu mới nâng cao hơn với 4G – được xác định cho tốc độ dữ liệu, lưu lượng / mật độ kết nối, tính di động của người dùng v. Các kịch bản triển khai và vùng phủ khác nhau được xem xét, giải quyết theo từng khu vực (ví dụ: trong nhà, các địa điểm ngoài trời, thành thị, nông thôn, văn phòng và gia đình), và khu vực triển khai đặc biệt như chỗ tụ tập đông người, địa điểm phát sóng, nơi di chuyển có vận tốc cao.

Ví dụ đối với DL tốc độ dự kiến lên đến 50 Mbps khi ngoài trời và 1Gbps khi trong nhà. Đối với Uplink thì 3 bằng một nửa với DL. Với dịch vụ trên máy bay, tốc độ bit dự kiến là 1,2 Gbps trên mỗi máy bay. Truyền thông quan trọng và truyền thông tin cậy với độ trễ thấp: Một số kịch bản cần hỗ trợ để trễ thấp và tính khả dụng của dịch vụ truyền thông rất cao.

Điều này là cần thiết để thúc đẩy các dịch vụ mới như tự động hóa công nghiệp. Độ trễ dịch vụ tổng thể phụ thuộc vào độ trễ trên giao diện vô tuyến, quá trình truyền trong hệ thống 5G, truyền tới máy chủ có thể nằm ngoài hệ thống 5G và quá trình xử lý dữ liệu. Một số yếu tố này phụ thuộc trực tiếp vào bản thân hệ thống 5G, trong khi đối với những yếu tố khác, tác động có thể giảm bớt nhờ các kết nối phù hợp giữa hệ thống 5G và các dịch vụ hoặc máy chủ bên ngoài hệ thống 5G,chẳng hạn cho phép lưu trữ cục bộ các dịch vụ. Trong trường hợp điều khiển từ xa để tự động hóa quy trình, độ tin cậy được mong đợi là 99,9999%, với tốc độ dữ liệu do người dùng trải nghiệm lên đến 100Mbps và độ trễ end-to-end là 50 ms.

Mở rộng Internet vạn vật (IoT): Một số trường hợp yêu cầu hệ thống 5G hỗ trợ mật độ lưu lượng thiết bị lớn. Sự linh động trong hoạt động của mạng lưới: Đây là một tập hợp các đặc điểm cụ thể được cung cấp bởi hệ thống 5G. Nó bao gồm các khía cạnh như phân chia mạng, khả năng tiếp xúc với mạng, khả năng mở rộng và tính di động, đa dạng, bảo mật. Mạng thông tin di động thế hệ thứ 5 Công nghệ 5G được thiết kế để hỗ trợ nhiều dịch vụ với lưu lượng dữ liệu khác nhau (thông lượng cao, trễ thấp và mở rộng kết nối) và các mô hình (lưu lượng dữ liệu IP, lưu lượng dữ liệu không phải IP, dữ liệu ngắn bursts, truyền dữ liệu thông lượng cao).

Các loại phiên PDU khác nhau được hỗ trợ bao gồm IPv4, IPv6, IPv4v6, Ethernet. 2 Kiến trúc 5G Đặc điểm chính của 5G là sự ra đời của giao diện vô tuyến mới, NR, mang lại sự linh hoạt cần thiết để hỗ trợ các loại dịch vụ rất khác nhau này. Một đặc điểm chính khác của 5G là mạng truy cập 5G có thể kết nối không chỉ với mạng lõi 5G mới mà còn với mạng lõi 4G (LTE). Đây được gọi là kiến trúc NSA, trong khi 5G AN được kết nối với 5G CN được gọi là kiến trúc SA.

Về mặt mạng lõi, hệ thống 5G cũng cung cấp một loạt các đặc điểm mới, chẳng hạn như sử dụng sâu hơn tính năng ghép mạng, điện toán mạng di động hoặc khả năng tiếp xúc với khả năng mạng. Triển khai truy cập 5G mang lại kết nối cực kỳ đáng tin cậy, băng thông cao và độ trễ thấp. Điều này sẽ tạo ra cơ hội cho các dịch vụ công nghệ thông tin truyền thông mới như thành phố thông minh và công nghiệp 4. Nó sẽ cung cấp sự phát triển đáng kể trong các ứng dụng công nghệ thông tin và truyền thông, nhưng có thể vẫn tồn tại cùng với cơ sở hạ tầng 4G hiện có trong một khoảng thời gian dài.

Mạng truy cập vô tuyến 5G (RAN), dựa trên tiêu chuẩn 3GPP của NR, sẽ được triển khai dần dần và sẽ cùng tồn tại trong một thời gian tương đối dài với cơ sở hạ tầng 4G (LTE/LTE-nâng cao) hiện có. Để thuận lợi cho quá trình chuyển 5 đổi trên mặt phẳng dữ liệu của công nghệ NR bao gồm một chồng các giao thức phân lớp gần giống với giao thức của 4G. Thiết bị người dùng NR (UE), ví dụ: thiết bị cầm tay, sẽ cần có khả năng kết nối với một hoặc cả mạng 5G và 4G. Mạng 5G đóng một vai trò quan trọng đối với cả hiệu suất liên lạc và các dịch vụ cho người dùng.

Để đảm bảo hiệu suất này và đánh giá hiệu suất liên lạc và dịch vụ trong một phương diện toàn diện thì cần phải sử dụng các công cụ đáng tin cậy. Trong việc đánh giá hiệu suất liên lạc hầu hết các tính toán thông minh trong mạng 5G thường được thực hiện bằng phần mềm. Điều này cho phép đánh giá chất lượng dịch vụ mà NR RAN cung cấp cho người dùng, chẳng hạn như độ trễ trong kết nối. Đồng thời, việc đánh giá chức năng của các thiết kế mạng khác nhau, ví dụ như kiểm soát tiếp nhận hoặc lập lịch gói một cách đáng tin cậy sẽ giúp các nhà khai thác mạng tối ưu hóa việc sử dụng mạng của họ.

Mặt khác, các nhà cung cấp dịch vụ thế hệ tiếp theo, như xe tự động hoặc nhà thông minh sẽ cần đánh giá hiệu suất dịch vụ trên các cấu hình hoặc triển khai mạng 5G khác nhau.1 Mạng truy cập vô tuyến RAN và mạng lõi CN Mạng di động 5G, như hình 1.3 mô tả, gồm hai phần chính là mạng truy cập vô tuyến (RAN) và mạng lõi (CN). Mạng truy cập vô tuyến (RAN) là trụ cột không thể thiếu của hạ tầng mạng di động hiện đại đặc biệt trong bối cảnh tiến triển của công nghệ 4G LTE và 5G. RAN chịu trách nhiệm quản lý và điều khiển việc kết nối không dây giữa các thiết bị di động và trạm cơ sở đóng vai trò quyết định đối với trải nghiệm người dùng và hiệu suất mạng. RAN là phần của mạng di động chịu trách nhiệm cho việc kết nối thiết bị di động với mạng, bao gồm các trạm cơ sở và các thiết bị kỹ thuật số liên quan.

Nhiệm vụ chính của RAN là quản lý truy cập và tuyến truyền sóng radio giữa điện thoại di động và mạng lõi. Với sự linh hoạt và thích ứng, RAN không chỉ tối ưu hóa việc quản lý tài nguyên không dây mà còn mở rộng khả năng hỗ trợ đa dạng của ứng dụng di động. Các tiến bộ như beamforming và MIMO đã được tích hợp trong RAN, tăng cường chất lượng tín hiệu và đồng thời giảm độ trễ. Đối với mạng 5G, RAN không chỉ cung cấp kết nối nhanh chóng mà còn định hình môi trường mạng để đáp ứng yêu cầu đặc biệt của các ứng dụng tiên tiến như 6 IoT và truyền trực tuyến với độ phân giải cao.

Bằng cách này, RAN chính là động lực đằng sau sự phát triển và tiến bộ không ngừng của viễn cảnh mạng di động toàn cầu. 3 Kiến trúc mặt phẳng dữ liệu Mạng truy cập vô tuyến (RAN): Trong mạng 5G, RAN chứa các trạm cơ sở, mỗi trạm cơ sở mới được gọi là gNodeB (gNB). GNB thay thế cho trạm cơ sở 4G, eNodeB (eNB). Thiết bị di động còn được gọi là UE, kết nối với trạm cơ sở.

Chúng có thể thay đổi trạm cơ sở phục vụ thông qua thủ tục chuyển giao. GnB giao tiếp với nhau qua giao diện X2, thường chạy trên mạng có dây. Mạng lõi (CN): Mạng lõi đóng vai trò trung tâm trong quá trình chuyển giao thông dữ liệu và cung cấp nhiều chức năng quan trọng, bao gồm xác thực người dùng, quản lý chất lượng dịch vụ và kết nối với mạng ngoại vi. Mạng lõi chịu trách nhiệm đảm bảo ổn định và an toàn cho việc truyền tải dữ liệu, cũng như hỗ trợ các dịch vụ mới và tiên tiến.

Với sự phát triển của các thế hệ mạng di động, như 4G LTE và 5G, mạng lõi cũng đã trải qua sự tiến hóa để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về băng thông, độ trễ thấp, và khả năng kết nối hàng tỷ thiết bị thông minh từ IoT. Mạng lõi đóng vai trò quan trọng trong việc định hình trải nghiệm người dùng cuối và đảm bảo tính liên tục của dịch vụ di động. Sự tích hợp thông minh và linh hoạt trong mạng lõi giúp tối ưu hóa hiệu suất mạng và hỗ trợ sự phát triển không ngừng của các ứng dụng và dịch vụ di động. Mạng lõi 5G chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu và quản lý toàn bộ mạng.

Trong CN, mạng lõi dữ liệu bao gồm một hoặc nhiều chức năng mặt phẳng người dùng (UPF), đảm bảo kết nối giữa RAN 7 và mạng dữ liệu. Chuyển tiếp dữ liệu trong CN sử dụng giao thức đường hầm GPRS (GTP). Trong phần RAN, việc liên lạc giữa trạm cơ sở và thiết bị di động xảy ra ở lớp 2 của mô hình OSI. Lớp 1 và 2 được triển khai thông qua bốn giao thức trên cả trạm cơ sở và thiết bị di động.

Bốn giao thức trên lớp 1 và 2 bao gồm: - Giao thức hội tụ dữ liệu gói (PDCP): Nhận các gói dữ liệu IP, thực hiện mã hóa và đánh số, sau đó gửi chúng đến lớp điều khiển liên kết vô tuyến (RLC). PDCP đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ thông tin khi chúng di chuyển qua mạng, đồng thời tối ưu hóa hiệu suất của mạng di động. - Đơn vị dữ liệu dịch vụ RLC (RLC SDU): Lưu trữ trong bộ đệm RLC và được lớp MAC tải lên khi cần.