CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG DI ĐỘNG 5G 1. Giới thiệu chung Mạng di động 5G không chỉ đem lại tốc độ dữ liệu cao hơn, dung lượng mạng lớn hơn mạng di động 4G mà nó còn nhắm đến những các dịch vụ mới với độ tin cậy cực cao để xử lý những công việc cực kì quan trọng. Mạng di động 5G hướng đến mục tiêu ảo hóa kết nối vạn vật một cách hiệu quả, tất cả dựa vào việc nâng cấp tốt hơn nữa dịch vụ thông tin di động băng rộng truyền thống. Điều này đồng nghĩa rằng thế hệ tiếp theo của các ứng dụng, các dịch vụ và các kịch bản sử dụng sẽ đặt ra những yêu cầu cực kì đa dạng.
Để vượt qua thách thức này, 5G sẽ cần có một kiến trúc hoàn toàn mới, lấy người sử dụng làm trung tâm. Có thể tiếp nhận và quản lý hàng tỉ kết nối, đem đến một giải pháp mới để kết nối vạn vật, đồng thời lại tối ưu chi phí và hiệu quả sử dụng. 5G không chỉ có sự kết nối, mà còn cả việc đưa nội dung, dữ liệu, là đa phương tiện, đến gần hơn với người dùng. Tất cả các loại băng tần và phổ, từ các băng tần thấp dưới 1GHz cho đến những băng tần siêu cao như sóng mm.
Nền tảng đó sẽ hỗ trợ hàng loạt dịch vụ mới trong khi vẫn cung cấp cơ hội cho việc triển khai mới hay việc quản lý thuê bao và tính phí. Chìa khóa thành công cho tầm nhìn đó chính là một thiết kế giao diện truyền thông linh hoạt, tùy biến cao, thích hợp với tất cả các dải tần cũng như tất cả các loại dịch vụ. Mạng di động 5G bắt đầu triển khai vào năm 2020 và tới năm 2025 sẽ được phổ biến toàn cầu. Năm 2015, Tổ chức liên minh viễn thông quốc tế (ITU) đã chính thức đặt tên IMT-2020 cho bộ tiêu chuẩn mạng di động 5G với kỳ vọng 5G sẽ được hiện thực hóa vào năm 2020.
Theo IMT-2020, mạng di động 5G phải đáp ứng được những tiêu chí tổng quát như sau [8]: - Tốc độ dữ liệu cao hơn mạng di động 4G từ 10 đến 100 lần. - Độ trễ của mạng 5G giảm đáng kể so với mạng 4G và gần như bằng 0. 7 - Tốc độ nhanh hơn, kết nối ổn định và đáng tin cậy, phạm vi vùng phủ rộng hơn. - Kết nối được số lượng lớn thiết bị.
Khả năng tương tác linh hoạt và hỗ trợ nhiều loại thiết bị khác nhau như thiết bị đeo tay, máy tính bảng v. - Đáp ứng được thông lượng cao hơn, khoảng vài chục Tbps. - Đảm bảo kết nối liên tục không bị rớt mạng, khi các thiết bị di chuyển với tốc độ cực nhanh, lên tới hơn 500kmph. - Hiệu quả phổ hệ thống cao hơn rất nhiều so với mạng 4G, nâng hiệu quả sử dụng phổ lên từ 5 đến 15 lần.
- Tiết kiệm năng lượng lên hơn 100 lần. - Giảm chi phí tiêu hao trên mỗi bit dữ liệu khoảng 100 lần. Kiến trúc của ma ̣ng di đô ̣ng 5G 1. Khái quát chung Mạng di động 5G được phát triển để đáp ứng nhu cầu người dùng ngày càng cao như: tốc độ truyền dữ liệu cao, hiệu suất sử dụng tốt, người dùng nhiều, năng lượng tiêu thụ và chi phí thấp là nền tảng cho cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4.
Mạng di động 5G hoạt động là sự kết hợp giữa tần số thấp và mạng tần số cao. Kiến trúc của mạng di động 5G gồm nhiều tầng khác nhau, vì vậy không gian mạng dữ liệu và độ phủ sóng sẽ rộng hơn nhờ các trạm con trung gian ở giữa. Với mô hình và kiến trúc đó thì ở các tầng trên sẽ sử dụng dải phổ tần cao hơn, tốc độ truyền tín hiệu mạnh và lớn hơn, càng về gần với người dùng thì phổ tần sẽ giảm xuống. Với kiến trúc như vậy và sự kết hợp sử dụng nhiều dải tần với nhau trong mạng sẽ đảm bảo được kết nối và đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng.
Mô hình kiến trúc mạng di động 5G được mô tả như hình 1.1: Kiến trúc mạng di động 5G - Mạng lõi Nano. Mạng di động 5G được phát triển nhằm tăng cường tốc độ truyền dữ liệu và sử dụng hiệu quả tài nguyên. Do đó, mạng di động 5G được phát triển theo kiến trúc đảm bảo những tính năng chính sau: - Tốc độ dữ liệu và độ trễ: Mạng di động 5G cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao lên đến vài Gbps và độ trễ chỉ khoảng 2ms-5ms. - Thiết bị máy kiểu giao tiếp đa thiết bị: Khác với các mạng di động trước đây, mạng di động 5G cho phép kết nối nhiều thiết bị cùng lúc và có thể chia sẽ những dữ liệu trùng nhau từ các thiết bị như: điện thoại thông minh, thiết bị gia dụng, tivi, xe ô tô, thiết bị cảm ứng, … - Phổ tần 5G: Sự gia tăng nhu cầu kết nối của các thiết bị đòi hỏi lưu lượng, số lượng phổ tần cho hệ thống 5G cũng tăng lên.
Các băng tần cao thuộc bước sóng cm và bước sóng milimet là các băng tần tiềm năng, vì chúng có khả năng cung cấp kênh có độ rộng lớn. Do đó, cung cấp được tốc 9 độ dữ liệu cao. Cho phép truyền tải rộng hơn băng thông thông thường 20MHz của mạng di động 4G. - Kết hợp nhiều công nghệ: Mạng di động 5G không phải là thay đổi công nghệ mới, mà nó hỗ trợ và phát triển thêm nhiều công nghệ mới.
Nó kết hợp nhiều hệ thống như GSM, HSPA (Phương thức kết nối gói tốc độ cao), LTE và các hệ thống hỗ trợ truy cập với hiệu suất cao hơn. Mạng di động 5G hoạt động gồm nhiều tầng được mô tả như hình 1.2 [8], gồm các trạm phát sóng gốc (macrocell), các trạm trung gian (femtocells) và các kết nối từ thiết bị đến thiết bị. Việc chia thành nhiều tầng sẽ đảm bảo hiệu suất, công suất mạng sẽ tốt hơn, đồng thời giúp làm giảm độ nhiễu khi truyền dữ liệu.2: Mô hình của mạng di động 5G đa tầng. - Hỗ trợ tối đa khai thác dữ liệu: Trong quá trình khai thác, mỗi thiết bị truy cập có các yêu cầu khác nhau về tốc độ, độ trễ, nội dung truy cập.
Tuy nhiên, trong mạng di động 5G vấn đề này sẽ được giải quyết linh hoạt và thông minh, bởi vì các tầng có thể hỗ trợ nhau để chuyển tải đến người dùng cuối nội dung tốt nhất. Dữ liệu có thể là từ trạm phát sóng gốc hoặc từ trạm trung gian hoặc từ người dùng cuối. 10 - Hiệu suất và hiệu quả hơn khi sử dụng tài nguyên: Một trong những thách thức chính của mạng di động 5G là nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng của các thiết bị kết nối mạng. Làm sao để kéo dài tuổi thọ cũng như thời gian dùng pin, cải thiện hiệu quả năng lượng và khai thác mạng với năng lượng tiêu thụ ít nhất.
Ngoài ra, năng lượng có thể được hấp thụ từ môi trường xung quanh (sóng, năng lượng vô tuyến) ở khoảng cách nhỏ. Hấp thụ năng lượng có thể sử dụng cho các thiết bị hoặc giao tiếp trong một tế bào nhỏ của mạng. Do đó, khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng có thể được thực hiện thông qua việc hấp thụ năng lượng từ xung quanh, cụ thể là trực tiếp từ các trạm phát sóng gốc. Mạng di động 5G được thiết kế từ đầu và các chức năng mạng được phân chia theo dịch vụ.
Đó là lý do tại sao kiến trúc này được gọi là kiến trúc dựa trên dịch vụ cốt lõi của mạng di động 5G. Các thành phần chức năng chính của mạng di động 5G Các thành phần chức năng chính của mạng di động 5G được mô tả như hình 1. - Thiết bị người dùng (UE): như điện thoại thông minh 5G hoặc thiết bị di động 5G kết nối qua mạng truy cập vô tuyến mới 5G với lõi 5G và xa hơn nữa với mạng internet. - Chức năng di động quản lý và truy cập (AMF): hoạt động như một điểm vào duy nhất cho kết nối UE.
Dựa trên dịch vụ do UE yêu cầu, AMF chọn chức năng quản lý phiên tương ứng (SMF) để quản lý phiên người dùng. - Chức năng mặt phẳng người dùng (UPF): vận chuyển lưu lượng dữ liệu IP (mặt phẳng người dùng) giữa thiết bị người dùng (UE) và các mạng bên ngoài. - Chức năng máy chủ xác thực (AUSF): cho phép AMF xác thực UE và truy cập các dịch vụ của lõi 5G.3: Các thành phần chức năng chính của mạng di động 5G. - Các chức năng khác: bao gồm chức năng quản lý phiên (SMF), chức năng kiểm soát chính sách (PCF), chức năng lưu trữ mạng (NRF), chức năng phơi sáng mạng (NEF) và quản lý dữ liệu hợp nhất (UDM).
Các chức năng này cung cấp khung kiểm soát chính sách, áp dụng các quyết định chính sách và truy cập đăng ký thông tin, để quản lý hành vi mạng. Mạng IP phẳng Mạng IP phẳng là giải pháp quan trọng làm cho mạng di động 5G có thể áp dụng được đối với tất cả các loại công nghệ. Để đáp ứng nhu cầu khách hàng cho các ứng dụng thời gian thực, dữ liệu gửi qua mạng điện thoại di động băng thông rộng, các nhà khai thác mạng không dây đang chuyển sang kiến trúc mạng IP phẳng. Mạng này cung cấp phương thức để nhận biết thiết bị sử dụng tên ký hiệu, khác với kiến trúc có phân cấp như được sử dụng trong “normal” của địa chỉ IP.
Với việc chuyển sang kiến trúc IP phẳng, các nhà khai thác di động có thể: - Giảm số lượng các phần tử mạng trong các dữ liệu đường dẫn đến giảm chi phí hoạt động. 12 - Giảm độ trễ hệ thống và cho phép các ứng dụng hoạt động với độ sai lệch thấp của trễ. - Phát triển truy cập vô tuyến và gói mạng lõi độc lập với nhau đến một mức độ lớn hơn so với trước đây, tạo linh hoạt hơn trong kế hoạch lập mạng và triển khai. - Phát triển một mạng lõi linh hoạt có thể phục vụ như là cơ sở cho sự đổi mới dịch vụ thông qua cả điện thoại di động và mạng truy nhập IP chung.
- Tạo ra một nền tảng cho phép nhà khai thác dịch vụ di động băng thông rộng để có thể cạnh tranh với mạng có dây. Mạng di động 5G sử dụng IP phẳng làm cho dễ dàng hơn mạng truy nhập vô tuyến (RAN) khác nhau để nâng cấp trong một mạng lõi nano duy nhất. Hệ thống kết hợp Mạng viễn thông hiện nay theo hình thức phân cấp, lưu lượng truy cập thuê bao gộp chung lại tại tập hợp điểm (BSC/RNC) và sau đó chuyển đến cổng.