CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG DI ĐỘNG 5G Thế giới kết nối của chúng ta đang thay đổi. 5G, với kiến trúc mạng di động thế hệ tiếp theo, có tiềm năng hỗ trợ hàng nghìn ứng dụng mới trong cả phân khúc tiêu dùng, quản lý nhà nước và công nghiệp. Khả năng của mạng di động 5G gần như vô hạn khi tốc độ và thông lượng cao hơn theo cấp số nhân, độ trễ vô cùng nhỏ, hỗ trợ số lượng kết nối vô cùng lớn so với các mạng hiện tại. mạng di động 5G sẽ đóng một vai trò quan trọng trong mọi thứ, từ tự động hóa sản xuất tiên tiến đến các phương tiện tự hành hoàn toàn, và cả quản lý nhà nước… 1.
Kiến trúc tổng quan mạng di động 5G 1. Khái lược về mạng di động 5G Các tiêu chuẩn 3GPP cho kiến trúc mạng 5G đã được đưa ra bởi dự án đối tác thế hệ thứ 3 (3GPP - 3rd Generation Partnership Project), tổ chức phát triển các tiêu chuẩn quốc tế cho thông tin di động. Liên minh viễn thông quốc tế (ITU) và các đối tác xác định các yêu cầu và dòng thời gian cho các hệ thống thông tin di động, 3GPP phát triển các thông số kỹ thuật cho các yêu cầu đó trong một loạt các bản phát hành. 5G là một hệ sinh thái thông minh, sẵn sàng khơi dậy những cải tiến mới và các dịch vụ được tùy biến cao.
Kiến trúc mạng của công nghệ di động 5G cải tiến rất nhiều so với các kiến trúc trước đây. Ngoài ra, kiến trúc của mạng 5G mang lại khả năng bảo mật tốt hơn so với mạng 4G LTE hiện nay. Tóm lại, công nghệ di động 5G mang lại ba lợi thế chính: - Tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn, lên đến tốc độ nhiều Gbps. - Công suất lớn hơn, cung cấp năng lượng cho một lượng lớn thiết bị IoT trên mỗi km vuông.
- Độ trễ thấp hơn, xuống đến mili giây (một chữ số), điều này cực kỳ quan trọng trong các ứng dụng như xe được kết nối trong các ứng dụng hệ thống giao thông thông minh ITS (Intelligent Transport System) và xe tự hành, hệ thống chăm sóc y tế phẫu thuật từ xa, nơi cần phản hồi gần như tức thời. Luan van 3 Để mang lại tầm nhìn đầy đủ về mạng di động 5G, cũng như quá trình phát triển nâng cấp mạng di động, luận văn đi vào nghiên cứu các mô hình chuyển đổi kiến trúc mạng hiện có lên mạng 5G theo các tiêu chuẩn và khuyến nghị của 3GPP. Các tùy chọn triển khai mạng di động 5G 1. Độc lập và không độc lập 3GPP xác định cả mạng lõi 5G mới, được gọi là 5GC, cũng như công nghệ truy cập vô tuyến mới có tên là 5G NR (New Radio).
Nhưng khác các thế hệ trước được yêu cầu triển khai cả mạng truy cập và mạng lõi đồng bộ của cùng một thế hệ (ví dụ như lõi EPC và mạng vô tuyến LTE cùng tạo thành hệ thống 4G, còn với 5G nó có thể tích hợp các phần tử của các thế hệ khác nhau trong các cấu hình triển khai khác nhau, cụ thể là dự án đối tác thế hệ thứ 3 (3GPP) giới thiệu hai tùy chọn kiến trúc chính để triển khai 5G từ LTE: Không độc lập (NSA) và độc lập (SA) - Mô hình SA (Standalone Access): Kiến trúc độc lập - chỉ sử dụng một công nghệ truy cập vô tuyến - Mô hình NSA (Non-Standalone Access): Kiến trúc không độc lập – cho phép kết hợp nhiều công nghệ truy cập vô tuyến ➢ Trong kịch bản độc lập (SA), 5G NR hoặc các tế bào vô tuyến LTE đã phát triển (eLTE - evolved LTE) và mạng lõi được vận hành độc lập. Điều này có nghĩa là các tế bào vô tuyến NR hoặc LTE đã phát triển được sử dụng cho cả mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người dùng. Tùy chọn độc lập là một giải pháp đơn giản để các nhà khai thác quản lý và có thể được triển khai như một mạng độc lập có sử dụng chuyển giao giữa các thế hệ, thông thường là giữa 5G và 4G để đảm bảo tính dịch vụ liên tục. Có ba biến thể của SA được định nghĩa trong 3GPP [17]: - Tùy chọn 1: Sử dụng EPC và truy cập LTE eNB (tức là theo các mạng 4G LTE hiện tại); - Tùy chọn 2: Sử dụng 5GC và truy nhập NR (còn gọi là gNB); - Tùy chọn 5: Sử dụng 5GC và truy nhập LTE ng-eNB (tức eNB cải tiến).
➢ Trong kịch bản không độc lập (NSA), các tế bào vô tuyến NR được kết hợp với các tế bào vô tuyến LTE sử dụng kết nối kép (Dual - connectivity) để cung cấp Luan van 4 truy cập vô tuyến và mạng lõi có thể là EPC hoặc 5GC tùy thuộc vào sự lựa chọn của nhà khai thác. Kịch bản này có thể được lựa chọn bởi các nhà khai thác muốn tận dụng các triển khai 4G hiện có, kết hợp các tài nguyên vô tuyến LTE và NR với EPC hiện có, hoặc 5GC mới cung cấp dịch vụ di động 5G. Giải pháp này sẽ yêu cầu kết nối chặt chẽ với LTE RAN. Trải nghiệm người dùng cuối sẽ phụ thuộc vào các công nghệ truy cập vô tuyến được sử dụng.
Có ba biến thể của NSA được định nghĩa trong 3GPP [17]: - Tùy chọn 3: Sử dụng EPC và LTE eNB hoạt động như trạm truy cập chính và NR en-gNB hoạt động như trạm truy cập phụ; - Tùy chọn 4: Sử dụng 5GC và NR gNB hoạt động như trạm truy cập chính và LTE ng-eNB hoạt động như trạm truy cập phụ; - Tùy chọn 7: Sử dụng 5GC và LTE ng-eNB hoạt động như trạm truy cập chính và một NR gNB hoạt động như trạm truy cập phụ. Các tùy chọn trong các kich bản SA và NSA được thể hiện trong hình 1. Tổng quan về các lựa chọn SA và NSA Luan van 5 Kết nối kép (Dual-connectivity): là hoạt động trong đó một UE nhất định sử dụng tài nguyên vô tuyến được cung cấp bởi ít nhất hai điểm truy cập mạng khác nhau (ví dụ: truy cập NR từ gNB và truy cập LTE từ eNB). NSA cho phép triển khai dịch vụ 5G nhanh chóng với mức đầu tư tối thiểu bằng cách tận dụng cơ sở hạ tầng LTE hiện có.
SA bao gồm một Công nghệ truy cập vô tuyến (RAT), có nghĩa là có thể cung cấp các cải tiến 5G đầy đủ được thiết kế để chỉ hoạt động trong kiến trúc SA vô tuyến mới (NR) 5G. 3GPP giới thiệu sáu tùy chọn kiến trúc để triển khai 5G như trong hình 1. Các tùy chọn kiến trúc này được chia thành hai kịch bản triển khai: SA và NSA. SA triển khai 5G bằng cách sử dụng một công nghệ truy cập vô tuyến RAT, trong khi NSA cho phép triển khai 5G bằng cách sử dụng hệ thống LTE hiện có.
các lựa chọn 1, 2 và 5 thuộc kiếm trúc SA, trong khi các lựa chọn 3, 4 và 7 thuộc kiến trúc NSA. Tuy nhiên, vì tùy chọn 1 là hệ thống LTE kế thừa, trong đó E-UTRAN NodeB (eNB) được kết nối với lõi gói phát triển (EPC), còn được gọi là mạng lõi 4G, nên nó không được xem xét khi triển khai các kịch bản NR. Trong triển khai NSA, kết nối kép đa vô tuyến (MR-DC) cung cấp một UE có khả năng kết nối đồng thời với hai nút RAN thế hệ khác nhau. Trong số hai node, một node đóng vai trò là node chính (MN- Master Node) và nút kia đóng vai trò là node phụ (SN- Secondary Node).
MN được kết nối với SN và mạng lõi 4G/ 5G. SN có thể được kết nối với mạng lõi tùy thuộc vào các tùy chọn. Trong trình bày về các tùy chọn dưới đây, en-gNB đại diện cho một gNB có thể kết nối với EPC và eNB. Một ng-eNB là viết tắt của LTE nâng cao (eLTE) eNB có thể giao tiếp với 5GC và gNB.
en-gNB cung cấp kết cuối giao thức mặt phẳng điều khiển/ người dùng NR đối với UE, trong khi ng-eNB cung cấp kết cuối giao thức mặt phẳng điều khiển/ người dùng LTE đối với UE. Tùy chọn 2: Tùy chọn 2 là tùy chọn NR SA, được mô tả trong hình 1.2, trong đó gNB được kết nối với 5GC, gNB có thể giao tiếp với các UE mà không cần sự trợ giúp của mạng 4G trước đây. Luan van 6 Hình 1. Kiến trúc NR tùy chọn 2 Tùy chọn này giới thiệu cả 5GC và RAN ngay từ ngày đầu triển khai và là mục tiêu cuối cùng của các lộ trình di chuyển 5G.
Nó có thể hỗ trợ đầy đủ các dịch vụ 5G mới bao gồm băng thông rộng di động nâng cao (eMBB), truyền thông máy với số lượng kết nối lớn (mMTC), truyền thông độ trễ thấp siêu đáng tin cậy (URLLC) và cắt lát mạng. Vì kết nối kép không phải là yêu cầu bắt buộc đối với tùy chọn này, nên nó yêu cầu khối lượng công việc ít hơn khi nâng cấp eNB để liên kết với hệ thống NR [22]. Tùy chọn 3 (3/3a/3x): Họ tùy chọn 3 là một tùy chọn của NSA, trong đó en- gNB được triển khai trong mạng LTE và do đó không cần 5GC. Trong tùy chọn này, các dịch vụ 5G được triển khai bằng kết nối EN-DC với LTE là node chính và NR là node phụ.
Tùy chọn này có thể được các nhà khai thác đã có mạng LTE ưa thích vì nó cho phép dịch chuyển lên 5G nhanh chóng với nâng cấp LTE tối thiểu mà không có 5GC [22]. Tuy nhiên, nó cũng có một nhược điểm, đó là phạm vi của dịch vụ 5G bị hạn chế ở khả năng RAN do phụ thuộc vào lõi EPC hiện hữu. Ví dụ: URLLC hoặc phân chia lát cắt mạng không được hỗ trợ. Do đó, các nhà khai thác lựa chọn tùy chọn 3 về lâu dài sẽ cần chuyển sang tùy chọn 2 nếu như họ muốn cung cấp đầy đủ các dịch vụ 5G.
Tùy chọn này được chia thành ba loại dựa trên phương pháp phân chia lưu lượng như trong Hình 1.3 Luan van 7 Hình 1. Các biến thể kiến trúc NR của tùy chọn 3. Từ góc độ mặt phẳng điều khiển, eNB được kết nối với EPC và en-gNB hoạt động với eNB thông qua giao diện X2 cho tất cả các biến thể tùy chọn 3. Đối với người dùng, phân chia lưu lượng được thực hiện tại eNB cho tùy chọn 3, trong khi phân chia lưu lượng trong tùy chọn 3a được thực hiện tại EPC.
Trong tùy chọn 3, eNB có thể truyền lưu lượng mặt phẳng người dùng từ EPC tới UE trực tiếp qua giao diện vô tuyến LTE hoặc chuyển tiếp một phần lưu lượng tới en-gNB qua giao diện X2.