CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG 5G Trong chương này, trên cơ sở tình hình triển khai mạng 5G cũng như xu hướng triển khai 5G tại Việt Nam, và trên thế giới học viên sẽ tìm hiếu sơ bộ, tổng quan mạng 5G, các kiến trúc của mạng và ứng dụng của 5G từ đó đưa ra cái nhìn khái quát về 5G và các ứng dụng nổi bật khi triển khai dành cho đời sống nói chung và ứng dụng có hiệu quả khai thác tiềm năng của 5G trong nông nghiệp.1 Tổng quan về mạng 5G Trong viễn thông, 5G là tiêu chuẩn công nghệ thế hệ thứ năm cho mạng di động băng thông rộng, được các công ty điện thoại di động bắt đầu triển khai trên toàn thế giới vào năm 2019 và là sự kế thừa dự kiến của mạng 4G cung cấp kết nối với hầu hết các điện thoại di động hiện nay. Theo Hiệp hội GSM, mạng 5G được dự đoán sẽ có hơn 1,7 tỷ thuê bao trên toàn thế giới vào năm 2025. Giống như các thế hệ mạng trước đó, mạng 5G là mạng di động, trong đó khu vực dịch vụ được chia thành các khu vực địa lý nhỏ gọi là ô (cell). Tất cả các thiết bị không dây 5G trong một ô được kết nối với Internet và mạng điện thoại bằng sóng vô tuyến thông qua một ăng-ten cục bộ trong ô.
Ưu điểm chính của các mạng mới là chúng sẽ có băng thông lớn hơn, cho tốc độ tải xuống cao hơn, lên đến 10 Gbps. Do băng thông tăng lên, dự kiến các mạng sẽ ngày càng được sử dụng làm nhà cung cấp dịch vụ internet nói chung cho máy tính xách tay và máy tính để bàn và cũng sẽ tạo ra các ứng dụng mới trong internet vạn vật (IoT) và các khu vực giữa máy và máy. Điện thoại di động 4G không thể sử dụng các mạng mới, vốn yêu cầu các thiết bị không dây hỗ trợ 5G. Tốc độ tăng lên đạt được một phần bằng cách sử dụng thêm các sóng vô tuyến tần số cao hơn ngoài các tần số băng tần thấp và trung bình được sử dụng trong các mạng di động trước đây.
Tuy nhiên, sóng vô tuyến tần số cao hơn có phạm vi vật lý hữu ích ngắn hơn, đòi hỏi các ô địa lý nhỏ hơn. Đối với dịch vụ rộng rãi, mạng 5G hoạt động trên tối đa ba băng tần - thấp, trung bình và cao. Mạng 5G sẽ bao gồm các mạng bao gồm tối đa ba loại ô khác nhau, mỗi loại yêu cầu thiết kế ăng-ten cụ thể cũng như cung cấp sự cân bằng khác nhau giữa tốc độ tải xuống với khoảng cách và Luan van 2 khu vực dịch vụ. Điện thoại di động 5G và thiết bị không dây kết nối với mạng thông qua ăng-ten tốc độ cao nhất trong phạm vi tại vị trí của chúng.
5G có thể được triển khai ở băng tần thấp, băng trung tần hoặc băng tần cao từ 24 GHz lên đến 54 GHz. 5G băng tần thấp sử dụng dải tần số tương tự như điện thoại di động 4G, 600-900 MHz, cho tốc độ tải xuống cao hơn một chút so với 4G: 30-250 Mbps. Trạm di động băng tần thấp có phạm vi và vùng phủ sóng tương tự như trạm 4G. 5G băng tần trung bình sử dụng vi sóng 2,3-4,7 GHz, cho phép tốc độ 100-900 Mbps, với mỗi trạm di động cung cấp dịch vụ trong bán kính lên đến vài km.
Mức độ dịch vụ này được triển khai rộng rãi nhất và đã được triển khai ở nhiều khu vực đô thị vào năm 2020. 5G băng tần cao sử dụng tần số 24-47 GHz, gần cuối dải sóng milimet, mặc dù tần số cao hơn có thể được sử dụng trong tương lai. Nó thường đạt được tốc độ tải xuống trong phạm vi Gbps, có thể so sánh với internet cáp. Tuy nhiên, sóng milimet (mmWave hoặc mmW) có phạm vi hạn chế hơn, cần nhiều ô nhỏ.
Chúng có thể bị cản trở hoặc bị chặn bởi các vật liệu như tường hay cửa sổ. Do chi phí cao hơn, các kế hoạch chỉ triển khai các ô này trong môi trường đô thị dày đặc và các khu vực tập trung đông người như sân vận động thể thao và trung tâm hội nghị. Các tốc độ trên là những tốc độ đạt được trong các thử nghiệm thực tế vào năm 2020 và tốc độ dự kiến sẽ tăng lên trong quá trình triển khai. Dải phổ từ 24,25-29,5 GHz là dải phổ 5G mmWave được cấp phép và triển khai nhiều nhất trên thế giới.2 Kiến trúc và công nghệ trong mạng 5G.
Kiến trúc mạng 5G Mạng di động cung cấp kết nối không dây với các thiết bị đang di chuyển. Những thiết bị này, được gọi là Thiết bị Người dùng (UE), theo truyền thống tương ứng với điện thoại thông minh và máy tính bảng, nhưng sẽ ngày càng bao gồm ô tô, máy bay không người lái, máy công nghiệp và nông nghiệp, robot, thiết bị gia dụng, thiết bị y tế, v. Luan van 3 Hình 1.1: Kiến trúc tổng quát mạng 5G. Như trong Hình 1.1, mạng di động bao gồm hai thành phần chính: Mạng truy nhập vô tuyến (RAN) và Mạng lõi.
RAN quản lý phổ vô tuyến, đảm bảo nó được sử dụng hiệu quả và đáp ứng các yêu cầu về chất lượng dịch vụ của mọi người dùng. Nó tương ứng với một tập hợp các trạm gốc phân tán. Trong 4G, chúng được đặt tên là eNodeB (hoặc eNB), viết tắt của Node B. Trong 5G, chúng được gọi là gNB (chữ g là viết tắt của “Thế hệ tiếp theo”).
Mạng lõi là một gói chức năng (trái ngược với một thiết bị) phục vụ một số mục đích: Cung cấp kết nối Internet (IP) cho cả dịch vụ dữ liệu và thoại. Đảm bảo kết nối này đáp ứng các yêu cầu QoS. Theo dõi tính di động của người dùng để đảm bảo dịch vụ không bị gián đoạn. Theo dõi việc sử dụng của người đăng ký để lập hóa đơn và tính phí.
Trước khi tìm hiểu rõ từng thành phần, Hình 1.2 vẽ lại các thành phần từ Hình 1.1 để làm nổi bật hai điểm khác biệt quan trọng. Đầu tiên là trạm gốc có một thành phần tương tự (được mô tả bởi một ăng-ten) và một thành phần kỹ thuật số (được mô tả bởi một cặp bộ xử lý). Thứ hai là mạng lõi được phân vùng thành mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người dùng, tương tự như việc phân chia mặt phẳng điều khiển/dữ liệu đối với Internet. Luan van 4 Hình 1.2: Mạng lõi di động được chia thành Mặt phẳng điều khiển và Mặt phẳng người dùng.
Kiến trúc mạng truy nhập Đầu tiên, mỗi trạm gốc thiết lập kênh không dây cho UE của người đăng ký khi khởi động hoặc chuyển giao khi UE đang hoạt động. Kênh này được giải phóng khi UE không hoạt động trong một khoảng thời gian định trước.3: Trạm gốc phát hiện (và kết nối với) UE đang hoạt động. Thứ hai, mỗi trạm gốc thiết lập kết nối “Mặt phẳng điều khiển 3GPP” giữa UE và thành phần Mặt phẳng điều khiển lõi di động tương ứng, và chuyển tiếp lưu lượng báo hiệu giữa hai trạm. Lưu lượng báo hiệu này cho phép xác thực UE, đăng ký và theo dõi tính di động.4: Trạm gốc thiết lập kết nối mặt phẳng điều khiển giữa mỗi UE và mạng lõi.
Thứ ba, đối với mỗi UE đang hoạt động, trạm gốc thiết lập một hoặc nhiều đường hầm giữa UE với mặt phẳng người dùng của mạng lõi tương ứng.5) Luan van 5 Hình 1.5: Trạm gốc thiết lập một hoặc nhiều đường hầm giữa mỗi UE và Mặt phẳng người dùng của Mạng lõi. Thứ tư, trạm gốc chuyển tiếp cả gói của mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người dùng giữa Mạng lõi và UE. Các gói này được chuyền qua giao thức SCTP/IP và GTP/UDP/IP tương ứng. SCTP (Stream Control Transport Protocol) là một phương tiện truyền tải đáng tin cậy thay thế cho TCP, được điều chỉnh để mang thông tin báo hiệu (điều khiển) cho các dịch vụ điện thoại.
GTP (General Packet Radio Service) là một giao thức đường hầm dành riêng cho 3GPP được thiết kế để chạy qua UDP.6: Mặt phẳng điều khiển từ trạm gốc đến trạm gốc (và trạm gốc đến mạng lõi) được truyền qua SCTP/IP và mặt phẳng người dùng được truyền qua GTP/UDP/IP. Thứ năm, mỗi trạm gốc điều phối việc chuyển giao UE với các trạm gốc lân cận, sử dụng các liên kết trực tiếp giữa trạm với trạm. Chính xác như kết nối trạm-lõi được hiển thị trong hình trước, các liên kết này được sử dụng để truyền cả gói tin trên mặt phẳng điều khiển (SCTP qua IP) và mặt phẳng người dùng (GTP qua UDP/IP).7) Luan van 6 Hình 1.7: Trạm gốc thực hiện quá trình chuyển giao UE. Thứ sáu, các trạm gốc điều phối quá trình truyền đa điểm không dây đến một UE từ nhiều trạm gốc, có thể có hoặc không là một phần của việc chuyển giao UE từ trạm gốc này sang trạm gốc khác.8: Trạm gốc hợp tác để thực hiện truyền đa đường (tập hợp liên kết) tới các UE.
Kiến trúc mạng lõi Hình 1.9: Kiến trúc mạng lõi 5G Kiến trúc mạng lõi 5G được phân thành 3 nhóm chính. Nhóm đầu tiên chạy trong Mặt phẳng điều khiển (CP) và có một đối tác trong EPC: Luan van 7 AMF (Chức năng quản lý di động và truy cập cốt lõi): Chịu trách nhiệm quản lý kết nối và khả năng tiếp cận, quản lý tính di động, xác thực và ủy quyền truy cập cũng như các dịch vụ định vị. Quản lý các khía cạnh liên quan đến tính di động của EPC’s MME. SMF (Chức năng quản lý phiên): Quản lý từng phiên UE, bao gồm cấp phát địa chỉ IP, lựa chọn chức năng UP liên quan, các khía cạnh kiểm soát của QoS và các khía cạnh kiểm soát của định tuyến UP.
Gần như tương ứng với một phần của MME của EPC và các khía cạnh liên quan đến kiểm soát của PGW của EPC. PCF (Chức năng Kiểm soát Chính sách): Quản lý các quy tắc chính sách mà các chức năng CP khác sau đó thực thi. Gần như tương ứng với PCRF của EPC. UDM (Quản lý dữ liệu hợp nhất): Quản lý danh tính người dùng, bao gồm cả việc tạo thông tin xác thực.
Bao gồm một phần chức năng trong HSS của EPC. AUSF (Chức năng máy chủ xác thực): Về cơ bản là một máy chủ xác thực. Bao gồm một phần chức năng trong HSS của EPC. Nhóm thứ hai cũng chạy trong Mặt phẳng điều khiển (CP) nhưng không có đối tác trực tiếp trong EPC: SDSF (Chức năng mạng lưu trữ dữ liệu có cấu trúc): Một dịch vụ “trợ giúp” được sử dụng để lưu trữ dữ liệu có cấu trúc.
Có thể được triển khai bởi “Cơ sở dữ liệu SQL” trong một hệ thống dựa trên microservices.