CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G ● Giới thiệu chương: 5G là thế hệ thứ năm của công nghệ di động không dây, cung cấp tốc độ tải lên và tải xuống nhanh hơn, kết nối ổn định hơn và dung lượng được cải thiện so với các mạng trước đây. 5G nhanh hơn và đáng tin cậy hơn nhiều so với các mạng 4G phổ biến hiện nay và có tiềm năng thay đổi cách chúng ta sử dụng internet để truy cập các ứng dụng, mạng xã hội và thông tin. Ví dụ: công nghệ như xe ô tô tự lái, ứng dụng trò chơi tiên tiến và phương tiện truyền phát trực tiếp yêu cầu kết nối dữ liệu tốc độ cao, đáng tin cậy sẽ được hưởng lợi rất nhiều từ kết nối 5G. Kiến trúc hệ thống thông tin di động 5G 1.
Kiến trúc mạng 5G E2E Hình dưới đây cho thấy kiến trúc mạng 5G E2E, trong đó phác thảo mạng 5G E2E, các trạm gốc chủ yếu được tập trung cho quá trình chuyển đổi từ 3G sang 4G, do giao tiếp không dây bị tắc nghẽn từ các trạm gốc. Tuy nhiên, trong khi giao dịch từ 4G sang 5G, kiến trúc E2E của mạng 5G có ý nghĩa hơn nhiều vì trong mạng 5G, trạm gốc không phải là nút cổ chai chính.1 dưới đây mô tả kiến trúc của E2E do Huawei phát triển cho 5G.1: Kiến trúc mạng 5G SVTH: Lê Văn Lĩnh GVHD: PGS. Nguyễn Văn Cường 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 1.1 Thực thể Quản lý Dịch vụ và Mạng tương tác với tất cả các cấp dọc. Các lát mạng khác nhau được thể hiện ở Cấp độ Mạng với các bộ chức năng mạng được kết nối với nhau (NF) khác nhau.
Biểu diễn logic như vậy được ánh xạ thêm tới các tài nguyên cơ sở hạ tầng dựa trên phần cứng/phần mềm cư trú trong cái gọi là Cấp độ Tài nguyên & Chức năng (Resources & Functional Level). Ở cấp độ dịch vụ (Service level): Nhà cung cấp lát cắt cung cấp giao diện hướng bắc (NBI) cho người thuê nơi họ có thể yêu cầu/sửa đổi/giám sát/kiểm soát lát cắt của mình theo thỏa thuận cấp độ dịch vụ (SLA) với nhà cung cấp lát cắt. Các nhu cầu của các doanh nghiệp khác nhau được nắm bắt bởi SLA có thể yêu cầu các phiên bản khác nhau của NF được liên kết với các phiên bản lát mạng. Ở cấp độ mạng (Network level): Được thiết kế riêng cho các thiết bị khác nhau dựa trên mức độ hỗ trợ cần thiết.
Đặc biệt, thiết bị đầu cuối của người dùng như một phần của chuỗi E2E này có thể đóng vai trò tiêu điểm hơn bằng cách cung cấp vị trí, khả năng và số liệu thống kê để cho phép mạng tối ưu hóa các NF. Điều này cũng phù hợp với quá trình chuyển đổi để tăng cường hơn nữa Giao tiếp giữa thiết bị với thiết bị (D2D). Ví dụ trong Hình 2-2 mô tả hai trường hợp lát cắt mạng mẫu được điều chỉnh cho các ngành dọc ô tô và Internet vạn vật (IoT), trong đó các NF do 3GPP xác định được sử dụng để minh họa. Để hỗ trợ các dịch vụ quan trọng và độ trễ thấp trong lát ô tô, các NF được khởi tạo ở đám mây biên, trong khi các NF có thể được khởi tạo trong đám mây trung tâm cho lát IoT cho phép triển khai hiệu quả hơn về chi phí.
Hệ điều hành mạng (Network operating system) ánh xạ các lát mạng logic tới cấp độ “tài nguyên và chức năng”, ví dụ: sử dụng các bộ điều khiển (có thể lập trình) khác nhau, cũng như các kỹ thuật ảo hóa. Kiến trúc cắt mạng Một số thỏa thuận cấp độ dịch vụ tự trị đang được cung cấp bởi Kiến trúc cắt mạng để đáp ứng nhu cầu cần thiết. Một lát cắt mạng có thể được phân loại thành hai loại: một dành cho thể hiện mạng con của lát cắt mạng RAN (NSSI) và loại còn lại dành cho CN NSSI. Một mạng cắt mạng có thể cung cấp một số dịch vụ khác nhau cùng một lúc và dịch vụ và mạng cắt mạng là độc lập.
Hình dưới đây cho thấy sơ đồ 3GPP của mạng cắt. SVTH: Lê Văn Lĩnh GVHD: PGS. Nguyễn Văn Cường 2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 1.2: Kiến trúc cắt mạng Lớp cơ sở hạ tầng (Infrastructure Layer) Lớp này bao gồm cơ sở hạ tầng vật lý, tài nguyên ảo hóa, NFV và SDN và nó sẽ hỗ trợ kết nối như một dịch vụ. IL bao gồm việc triển khai, kiểm soát và quản lý cơ sở hạ tầng.
Sử dụng SDN, NFV và các công nghệ liên quan khác, tài nguyên mạng vật lý, bao gồm điện toán, lưu trữ và mạng, được chuyển đổi thành tài nguyên mạng ảo. Hơn nữa, các yếu tố cơ sở hạ tầng khác nhau có thể được sử dụng để đáp ứng nhu cầu của nhiều lát cắt khác nhau. Với mạng lõi và mạng biên, có một thỏa thuận chung để triển khai chức năng mạng ảo bằng cách sử dụng cơ sở hạ tầng phần cứng chung. Tuy nhiên, do các ràng buộc khác nhau của các dịch vụ khác nhau được triển khai trên mạng, cơ sở hạ tầng đám mây định vị tập trung đơn giản có thể không phù hợp với tất cả các lát cắt.
Lớp này cũng bao gồm cơ sở hạ tầng đám mây biên và đám mây lõi, đồng thời các phương pháp kiểm soát SDN hiệu quả được sử dụng để thúc đẩy tính linh hoạt của mạng Lớp chức năng mạng (Network Function Layer) NFL bao gồm mặt phẳng người dùng và mặt phẳng điều khiển, có thể được cấu hình thông qua trình quản lý hợp nhất. Lớp này có thể được điều chỉnh cho phù hợp với các trường hợp sử dụng cụ thể, biến các lát mạng thành các gói vận hành dịch vụ và tài nguyên. Tất cả các chức năng liên quan đến cắt được thực hiện trong lớp này. Lớp này hỗ trợ quản lý vòng đời, bao gồm quản lý, kiểm soát, điều chỉnh và kết thúc đối với từng lát mạng.
Nó cũng cung cấp các giao diện trên các ứng SVTH: Lê Văn Lĩnh GVHD: PGS. Nguyễn Văn Cường 3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP dụng và chức năng mạng. Các dịch vụ mạng chạy dưới sự kiểm soát và giám sát của trình quản lý chức năng lát cắt mạng (NSFM). Lớp kinh doanh (Business Layer) Mạng phải có khả năng đáp ứng nhiều yêu cầu, bao gồm phẫu thuật từ xa, Internet xúc giác, lái xe tự động và lưới điện thông minh.
Sách trắng 5GMF chia giao tiếp của mạng di động 5G thành ba loại: băng thông rộng di động nâng cao (eMBB), giao tiếp kiểu máy lớn (mMTC) và giao tiếp siêu tin cậy và độ trễ thấp (URLLC). Điều phối và quản lý (Orchestration and Management) Các chức năng quản lý và điều phối hiệu quả là những thành phần thiết yếu của mạng di động. Mỗi lát phải được quản lý độc lập và có khả năng bảo mật độc lập để ngăn chặn các thực thể trái phép truy cập thông tin quản lý. Các chức năng SDN gần đây đã được phát triển để thực hiện các hoạt động mạng.
Các chức năng điều khiển được tách biệt khỏi mặt phẳng dữ liệu thông qua giao diện có độ phức tạp thấp. Việc tách rời này mang lại tính linh hoạt, khả năng mở rộng và tính khả dụng cao hơn đồng thời giảm chi phí. Đối với các dịch vụ cụ thể, hành vi của các mạng có thể được thay đổi bằng cách sửa đổi phần mềm điều khiển các chức năng. Việc kiểm soát kiến trúc mạng di động 5G áp dụng khái niệm quản lý và kiểm soát mạng di động được xác định bằng phần mềm (SDMNCM).
Các chức năng được thực thi bởi bộ điều khiển, bao gồm các chức năng của mặt phẳng điều khiển mạng di động. Chúng ta đề nghị phát triển một cơ sở thông tin hợp lý có thể được sử dụng trong SDMNCM. Dữ liệu có thể được đặt tùy ý trên đám mây cạnh. Sử dụng phương pháp do phần mềm xác định, tất cả các chức năng này có thể được thực hiện bởi bộ điều khiển di động do phần mềm xác định có thể lập trình, điều này sẽ có giá trị lớn trong hoạt động của mạng di động.
Chức năng mạng vEPC vEPC là một mạng và là viết tắt của lõi gói phát triển ảo. Virtual Evolve Packet Core (vEPC) là một phác thảo để chuyển đổi và xử lý dữ liệu cho các mạng di động. Nhiều chức năng mạng ảo (VNF) ảo hóa các chức năng của lõi gói phát triển LTE (EPC). Việc giảm chi phí xây dựng và khả năng triển khai nhanh các môi trường dịch vụ được cung cấp bởi ảo hóa.
Các chức năng của lõi gói nâng cao (EPC) LTE được so sánh với các thành phần của vEPC lõi gói nâng cao trong Hình 1. SVTH: Lê Văn Lĩnh GVHD: PGS. Nguyễn Văn Cường 4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 1.3: Sơ đồ mạng vEPC Chức năng quản lý truy cập và di động (AMF) AMF có một số chức năng của 4G EPC MME; nó quản lý đăng ký, kết nối, tính di động, bối cảnh, xác thực truy cập và ủy quyền. Chức năng quản lý phiên (SMF) SMF có một số chức năng của chức năng 4G EPC MME/PGW; nó quản lý phiên, phân bổ địa chỉ IP (tĩnh hoặc DHCP), điều khiển lưu lượng và thực thi chính sách.
Chức năng mặt phẳng người dùng (UPF) UPF có một số chức năng của 4G EPC SGW/PGW; nó quản lý định tuyến gói và chuyển tiếp gói. UPF cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc kết nối với DN và RAN. Chức năng kiểm soát chính sách (PCF) PCF có một số chức năng của 4G EPC PCRF. Nó cung cấp các quy tắc chính sách để kiểm soát mặt phẳng và thống nhất khung chính sách.
SVTH: Lê Văn Lĩnh GVHD: PGS. Nguyễn Văn Cường 5 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chức năng máy chủ xác thực (AUSF) AUSF có một số chức năng của 4G HSS; nó hoạt động như một máy chủ xác thực. Quản lý dữ liệu hợp nhất (UDM) UDM có một số chức năng 4G EPC HSS; nó quản lý nhận dạng người dùng, dữ liệu người đăng ký và thông tin xác thực. Chức năng Network Exposure (NEF) NEF mới và không xuất hiện trong 4G EPC.
Nó cung cấp một giao diện tiếp xúc để trao đổi thông tin giữa các mạng bên trong và bên ngoài. Chức năng Ứng dụng (AF) AF có khả năng tương tự như chức năng 4G AF; nó truy cập NEF và tương tác với PCF. Chức năng lựa chọn lát cắt mạng (NSSF) NSSF là một chức năng mới không xuất hiện trong 4G EPC. Nó chọn các phiên bản lát mạng và AMF thích hợp cho người dùng.