Luận văn Thạc sĩ Công nghệ kỹ thuật điện tử-viễn thông: Tối ưu hiệu suất truyền video trên mạng 5G siêu dày đặc

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:69

Thêm vào BST

Báo xấu

18
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu là có thể đề xuất giải pháp tối ưu thuật toán lập lịch công bằng theo tỷ lệ nhằm truyền video trên mạng 5G siêu dày đặc đạt hiệu quả tốt nhất trong môi trường trong nhà - đây môi trường nhỏ, đường truyền ngắn, có nhiều vật cản trên đường truyền.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Công nghệ kỹ thuật điện tử-viễn thông: Tối ưu hiệu suất truyền video trên mạng 5G siêu dày đặc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ *** CUNG VĂN TRANG TỐI ƯU HIỆU SUẤT TRUYỀN VIDEO TRÊN MẠNG 5G SIÊU DÀY ĐẶC LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Hà Nội - 2021
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ *** CUNG VĂN TRANG TỐI ƯU HIỆU SUẤT TRUYỀN VIDEO TRÊN MẠNG 5G SIÊU DÀY ĐẶC Ngành : Công nghệ kỹ thuật điện tử - viễn thông Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử Mã số : 8510302.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÂM SINH CÔNG Hà Nội - 2021
2 LỜI CẢM ƠN Trước hết, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Lâm Sinh Công, người đã tận tình hướng dẫn thực hiện luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ này. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy cô giáo tại Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà nội đã trang bị cho tác giả những kiến thức vô cùng hữu ích trong suốt những năm học vừa qua. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo, Khoa Điện tử viễn thông Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện cho tác giả trong suốt quá trình học tập. Tác giả cũng xin cảm ơn Đề tài KHCN cấp ĐHQGHN, Mã số đề tài: QG.20.52 đã hỗ trợ tôi trong quá trình thực hiện luận văn này. Cuối cùng tác giả xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè những người đã luôn động viên và khuyến khích tác giả trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn này. Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2021 Tác giả Cung Văn Trang
3 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tác giả và được sự hướng dẫn khoa học của TS. Lâm Sinh Công. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong luận văn này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây. Những số liệu, công thức, hình ảnh, bảng biểu và các dữ liệu khác phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau, có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo. Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình. Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội không liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tác giả gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có). Mặc dù đã có nhiều cố gắng và nỗ lực trong quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận văn, nhưng do những hạn chế về kiến thức, kinh nghiệm và thời gian nên luận văn có thể vẫn còn thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được sự góp ý quý giá của các nhà khoa học và bạn đọc để tiếp tục hoàn thiện luận văn một cách tốt nhất cũng như tiếp tục cho các nghiên cứu sau này. Góp ý xin gửi về địa chỉ email cungvantrang@gmail.com hoặc điện thoại số 0919983628. Tác giả xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2021 Tác giả Cung Văn Trang
4 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... 2 LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... 3 MỤC LỤC .............................................................................................................. 4 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................. 6 DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................... 7 DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................... 8 LỜI MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 9 1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................. 9 2. Mục tiêu, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu ................................ 10 2.1. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................... 10 2.2. Đối tượng nghiên cứu ..................................................................................... 10 2.3. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................ 10 2.4. Phương pháp nghiên cứu................................................................................ 10 3. Nhiệm vụ nghiên cứu, kết quả đạt được, ý nghĩa khoa học và thực tiễn............. 10 3.1. Nhiệm vụ nghiên cứu ...................................................................................... 10 3.2. Kết quả đạt được ............................................................................................ 11 3.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn......................................................................... 11 4. Bố cục luận văn ................................................................................................. 11 CHƯƠNG I: LỊCH SỬ HÌNH THÀNH MẠNG 5G.............................................. 12 1.1. Từ 1G đến 4G - Kết nối mọi người................................................................. 12 1.2. 5G - Mạng mới cho những đổi mới ................................................................ 13 1.2.1. Các thành phần chính .................................................................................. 16 1.2.2. Mạng truy cập vô tuyến ............................................................................... 18 1.2.3. Lõi di động .................................................................................................. 22 1.2.4. Bảo mật và tính di động ............................................................................... 25 1.2.5. Tùy chọn triển khai ...................................................................................... 28 CHƯƠNG II: ỨNG DỤNG CỦA MẠNG 5G ....................................................... 30 2.1. Băng thông lớn ............................................................................................... 30 2.2. Kiểm soát các nhiệm vụ quan trọng ................................................................ 32 2.3. Vạn vật kết nối internet .................................................................................. 34 CHƯƠNG III: TRUYỀN VIDEO TRÊN MẠNG 5G SIÊU DÀY ĐẶC ............... 39 3.1. Nhu cầu về mạng 5G ...................................................................................... 39 3.2. Mạng 5G siêu dày đặc .................................................................................... 41 3.3. Truyền video trên mạng 5G siêu dày đặc ........................................................ 44 3.3.1. Truyền từ trạm cơ sở ................................................................................... 46 3.3.2. Truyền D2D................................................................................................. 46
5 3.3.3. Truyền phối hợp đa tầng.............................................................................. 47 CHƯƠNG IV: TỐI ƯU HIỆU SUẤT TRUYỀN VIDEO TRÊN MẠNG 5G SIÊU DÀY ............................................................................................................ 49 4.1. Các kỹ thuật lập lịch ....................................................................................... 49 4.1.1. Lập lịch vòng tròn ....................................................................................... 49 4.1.2. Lập lịch theo chỉ số chất lượng kênh tốt nhất .............................................. 49 4.1.3. Kết hợp Lập lịch vòng tròn và Lập lịch theo chỉ số chất lượng kênh tốt nhất ....................................................................................................................... 49 4.1.4. Lập lịch công bằng theo tỷ lệ ....................................................................... 50 4.2. Tối ưu hóa thuật toán lập lịch công bằng ........................................................ 52 4.3. Mô hình mô phỏng và đánh giá ...................................................................... 54 4.3.1 Mô hình mô phỏng........................................................................................ 54 4.3.2. Kết quả mô phỏng và đánh giá .................................................................... 55 KẾT LUẬN........................................................................................................... 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 66
6 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Tên viết STT Tiếng Anh Tiếng Việt tắt The 3rd Generation Partnership 1 3GPP Dự án đối tác thế hệ thứ 3 Project 2 5G NR 5G New Radio Mạng 5G vô tuyến mới 3 5G UDN 5G Ultradense Network Mạng 5G siêu dày đặc 4 CP Control Plane Mặt phẳng điều khiển Băng thông di động nâng 5 eMBB Enhanced Mobile Broadband cao Lõi gói phát triển (Mạng 6 EPC Evolved Packet Core lõi) Mạng lưới vạn vật kết nối 7 IoT Internet of Things Internet 8 IP Internet Protocol Giao thức Internet 9 LTE Long Term Evolution Sự tiến hóa dài hạn 10 PF Proportional Fair Công bằng theo tỷ lệ 11 RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến 12 UE User Equipment Thiết bị Người dùng 13 MBS Macro Base Station Trạm cơ sở lớn 14 SBS Small cell Base Station Trạm cơ sở nhỏ 15 MU Mobile User Người dùng di dộng 16 VAS Video Applications and Services Dịch vụ và ứng dụng video 17 D2D Device-to-Device Từ thiết bị đến thiết bị
7 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Các thế hệ mạng truyền thông không dây .......................................... 15 Bảng 4. 1 - Độ trễ trung bình của 1 gói tin (01 trạm gNodeB) .......................... 56 Bảng 4. 2 - Tỷ lệ mất gói tin (01 trạm gNodeB) ............................................... 57 Bảng 4. 3 - Thông lượng 01 trạm gNodeB ....................................................... 58 Bảng 4. 4 - Độ trễ trung bình của gói tin (03 trạm gNodeB) ............................. 60 Bảng 4. 5 - Tỷ lệ mất gói tin (03 trạm gNodeB) ............................................... 61 Bảng 4. 6 - Thông lượng của 03 trạm gNodeB ................................................. 62
8 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. 1 - Các thế hệ mạng di động ................................................................ 13 Hình 1. 2 - Nhu cầu về mạng 5G ...................................................................... 14 Hình 1. 3 - Các ứng dụng của mạng 5G [1] ...................................................... 16 Hình 1. 4 - Cấu trúc Mạng di động [3] ............................................................. 17 Hình 1. 5 - Cấu trúc Lõi di động [3] ................................................................. 18 Hình 1. 6 - Trạm gốc phát hiện và kết nối với các UE đang hoạt động [3]........ 19 Hình 1. 7 - Trạm gốc kết nối Mặt phẳng điều khiển [3] .................................... 19 Hình 1. 8 - Trạm gốc kết nối Mặt phẳng người dùng [3] .................................. 20 Hình 1. 9 - Giao thức kết nối Trạm gốc và Lõi di động [3] ............................... 20 Hình 1. 10 - Các Trạm gốc hợp tác bàn giao UE [3] ......................................... 21 Hình 1. 11 - Các Trạm gốc hợp tác thực hiện truyền đa đường tới các UE [3].. 21 Hình 1. 12 - Lõi di động 4G (Lõi gói phát triển) [3] ......................................... 22 Hình 1. 13 - Lõi di động 5G (NG-Core) [3]...................................................... 24 Hình 1. 14 - Thiết lập các kênh Kiểm soát với Mặt phẳng người [3] ................ 26 Hình 1. 15 - Trình tự các kênh kết nối [3] ........................................................ 27 Hình 1. 16 - Các tùy chọn Không độc lập và Độc lập để triển khai 5G [3] ....... 29 Hình 2. 1 - Những kỳ vọng của mạng 5G [1] ................................................... 30 Hình 2. 2 - Thời lượng vùng có thể mở rộng trong 5G NR [5] ......................... 33 Hình 3. 1 - Kết nối 5G trên toàn cầu giai đoạn 2019-2025................................ 39 Hình 3. 2 - Mạng 5G siêu dày đặc [8]............................................................... 41 Hình 3. 3 - Kiến trúc và các ứng dụng trong 5G UDN ...................................... 42 Hình 3. 4 - Mô hình điều khiển truyền video trong mạng 5G UDN .................. 45 Hình 4. 1 - Không gian văn phòng mở [35] ...................................................... 54 Hình 4. 2 – Mô hình mô phỏng 01 trạm gNodeB.............................................. 56 Hình 4. 3 - Biểu đồ Độ trễ trung bình của gói tin (01 trạm gNodeB) ................ 57 Hình 4. 4 - Biểu đồ Tỷ lệ mất gói tin (01 trạm gNodeB) .................................. 58 Hình 4. 5 - Biểu đồ Thông lượng của 01 trạm gNodeB .................................... 59 Hình 4. 6 - Mô phỏng 03 trạm gNodeB ............................................................ 60 Hình 4. 7 - Biểu đồ Độ trễ trung bình của gói tin (03 trạm gNodeB) ................ 61 Hình 4. 8 - Biểu đồ Tỷ lệ mất gói tin (03 trạm gNodeB) .................................. 62 Hình 4. 9 – Biểu đồ Thông lượng hệ thống của 03 trạm gNodeB ..................... 63
9 LỜI MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài - Sự phát triển nhanh chóng các công nghệ kết nối mạng đã đem lại nhiều thay đổi trong cuộc sống của con người. Hiện nay, mạng 5G - Thế hệ mạng di động thứ 5 đang trong quá trình phát triển, hứa hẹn sẽ mang đến sự thống nhất kết nối và đóng một vai trò lớn hơn nhiều so với các thế hệ mạng di động trước đây. - Mạng 5G không chỉ kết nối mọi người mà còn kết nối, điều khiển máy móc, đồ vật và thiết bị - một nền tảng cho những cải tiến có thể kích hoạt các dịch vụ mới, nâng cao trải nghiệm người dùng mới và kết nối các ngành công nghiệp mới, như: + Xem bóng đá trực tiếp hay chơi game với yêu cầu đồ họa cao trực tuyến không có độ trễ với trải nghiệm thời gian thực; + Thực tế ảo tăng cường (Augmented Reality- AR)/ Công nghệ thực tế ảo (Virtual Reality – VR), như: du lịch ảo, mua sắm ảo...; + Thành phố thông minh; Nhà máy thông minh; + Khám, chữa bệnh và phẫu thuật từ xa; + Vạn vật kết nối internet. - Các loại dịch vụ mới được cung cấp làm cho số lượng kết nối tăng trưởng nhanh chóng. Theo một số thông tin đăng tải trên website của Cục Tần số vô tuyến điện - Bộ Thông tin và Truyền thông: + Kỳ vọng sẽ có 1,9 tỷ thuê bao mạng 5G vào cuối năm 2024, chiếm hơn 20% số lượng thuê bao di động tại thời điểm đó; + Có thể tới 65% dân số thế giới sử dụng mạng 5G vào năm 2024; + Dự kiến năm 2022, mức tiêu thụ nội dung video trên điện thoại thông minh và máy tính bảng sẽ tăng 300%, tức là 50% mỗi năm. Video sẽ chiếm 75% tổng lưu lượng truy cập dữ liệu di động. - Mạng 5G chạy trên nền tảng toàn IP, rất khó để phân biệt giữa các loại hình dịch vụ với nhau trong khi chi phí để duy trì rất cao (Mạng 5G hoạt động trong băng tần bước sóng milimet). Một trạm gốc mạng 4G có thể phủ sóng tới 1 km và một trạm gốc mạng 3G có thể phủ sóng tới 5 km trong khi một trạm gốc mạng 5G chỉ là 300m - đồng nghĩa sẽ cần rất nhiều trạm gốc mạng 5G để có được vùng phủ sóng rộng như mạng 4G hiện nay). - Các thuật toán lập lịch cho mạng 5G hiện tại đều sử dụng lại các đề xuất của mạng 4G, việc tối ưu thuật toán lập lịch cho mạng 5G còn chưa được nghiên
10 cứu sâu. 2. Mục tiêu, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu 2.1. Mục tiêu nghiên cứu Trong luận văn này, mục tiêu nghiên cứu là có thể đề xuất giải pháp tối ưu thuật toán lập lịch công bằng theo tỷ lệ nhằm truyền video trên mạng 5G siêu dày đặc đạt hiệu quả tốt nhất trong môi trường trong nhà - đây môi trường nhỏ, đường truyền ngắn, có nhiều vật cản trên đường truyền. 2.2. Đối tượng nghiên cứu Luận văn tập trung vào đối tượng nghiên cứu là thuật toán lập lịch công bằng theo tỷ lệ đã được ứng dụng trong các mạng 4G trước đây và đang sử dụng trong mạng 5G hiện nay. 2.3. Phạm vi nghiên cứu Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong 3 khía cạnh gồm: kỹ thuật, người dùng dịch vụ và công cụ mô phỏng. Cụ thể: - Khía cạnh kỹ thuật: Thuật toán lập lịch công bằng theo tỷ lệ. - Khía cạnh người dùng dịch vụ: Mối quan hệ giữa thông lượng hệ thống và hiệu suất tài nguyên. - Khía cạnh công cụ mô phỏng: Công cụ 5G-air-simulator chạy trên hệ điều hành Ubuntu. 2.4. Phương pháp nghiên cứu Để đạt kết quả phù hợp với mục tiêu trong phạm vi nghiên cứu nêu trên, phương pháp nghiên cứu được thực hiện cụ thể như sau: - Phân tích và đánh giá: Tìm hiểu các kết quả nghiên cứu đã được công bố liên quan trong lĩnh vực lập lịch công bằng theo tỷ lệ trong hệ thống mạng 5G. - Xây dựng mô hình tính toán: Từ việc phân tích và đánh giá các kết quả nghiên cứu đã được công bố, xây dựng mô hình tính toán của thuật toán lập lịch công bằng theo tỷ lệ. - Đề xuất phương pháp: Từ mô hình tính toán, xây dựng và giải bài toán tối ưu việc lập lịch công bằng theo tỷ lệ. - Mô phỏng và đánh giá kết quả: Triển khai mô phỏng trên công cụ 5G-air- simulator để thu nhận kết quả các lần mô phỏng. So sánh các kết quả thu được để kiểm chứng và đánh giá tính hiệu quả của thuật toán. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu, kết quả đạt được, ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3.1. Nhiệm vụ nghiên cứu
11 Với các mục tiêu, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu đã được nêu bên trên, tác giả xác định các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể như sau: - Xây dựng mô hình tính toán của thuật toán lập lịch công bằng theo tỷ lệ hiện nay. - Xây dựng và giải bài toán tối ưu việc lập lịch công bằng theo tỷ lệ đảm bảo mức độ cân bằng giữa Thông lượng, Độ trễ và Tỷ lệ mất gói tin. - Triển khai mô phỏng, kiểm chứng, đánh giá hiệu quả của giải pháp được đề xuất so với các giải pháp liên quan. 3.2. Kết quả đạt được Đề xuất được mô hình tính toán mới cho thuật toán lập lịch công bằng theo tỷ lệ để tối ưu hiệu suất truyền video trên mạng 5G siêu dày đặc. 3.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Luận văn đã nghiên cứu, xây dựng thành công mô hình tính toán cho thuật toán lập lịch công bằng theo tỷ lệ để tối ưu hiệu suất truyền video trên mạng 5G siêu dày đặc trong môi trường trong nhà - môi trường nhỏ, đường truyền ngắn, có nhiều vật cản trên đường truyền. 4. Bố cục luận văn Sau nội dung Lời mở đầu như đã trình bày và phần Kết luận, luận văn được tổ chức thành 04 chương, cụ thể như sau: Chương I. Lịch sử hình thành mạng 5G Chương II. Ứng dụng của mạng 5G Chương III. Truyền video trên mạng 5G siêu dày đặc Chương IV. Tối ưu hiệu suất truyền video trên mạng 5G siêu dày đặc
12 CHƯƠNG I: LỊCH SỬ HÌNH THÀNH MẠNG 5G 1.1. Từ 1G đến 4G - Kết nối mọi người Mạng thông tin di động 1G (gọi tắt là 1G) là thế hệ đầu tiên của mạng di động viễn thông [1]. Mạng 1G dựa trên giao tiếp tín hiệu thoại tương tự được giới thiệu vào những năm đầu thập niên 1981. Thông qua mạng 1G, lần đầu tiên, mọi người không còn bị ràng buộc vào một chiếc điện thoại cố định. Khả năng kết nối khi đang di chuyển đã thay đổi cách mọi người giao tiếp, làm việc và giải trí. Với sự ưu việt của mạng 1G tại thời điểm đó, không mất quá nhiều thời gian các mạng 1G đã tăng trưởng và phát triển rộng khắp. Với việc điện thoại di động nhanh chóng được phổ biến, những hạn chế của tín hiệu tương tự mạng 1G, như: Sự cồng kềnh thiết bị; dịch vụ đắt tiền; phạm vi phủ sóng ít và sử dụng tài nguyên phổ tần số kém hiệu quả. Cùng với đó, sự chuyển đổi sang liên lạc bằng giọng nói kỹ thuật số đã thúc đẩy bước nhảy vọt từ mạng 1G lên mạng 2G. Mạng 2G, đầu tiên được giới thiệu dựa trên công nghệ Đa truy cập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access), đã giải quyết được nhiều hạn chế của các mạng 1G đời đầu. Tiếp đó, mạng 2G cũng giới thiệu công nghệ Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access - CDMA), tiên phong bởi Qualcomm đã mang lại những cải tiến đáng kể như tăng hơn 10 lần số lượng cuộc gọi thoại có thể được hỗ trợ. CDMA trở thành nền tảng cho mạng 3G với CDMA2000 và WCDMA. Mạng 3G không chỉ tăng số lượng cuộc gọi thoại, sự thay đổi mô hình chính là các công nghệ dựa trên CDMA mới mà mạng 3G đã giới thiệu để tối ưu hóa mạng di động cho các dịch vụ dữ liệu, cho phép người dùng truy cập dịch vụ e- mail, thời tiết và tin tức ngay trên thiết bị di động. Sự chuyển đổi này đã thiết lập nền tảng cho băng thông rộng di động, giúp mở ra kỷ nguyên của điện thoại thông minh. Mạng 4G LTE mang đến băng thông rộng di động nhanh hơn, tốt hơn, cùng với kiến trúc mạng toàn IP mới. Nó mang lại một thiết kế không dây dựa trên các dạng sóng sử dụng giải pháp Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing - OFDM) và nhiều quyền truy cập. Mạng 4G LTE đã tiếp tục phát triển và mang đến những phát minh công nghệ, như: Nhiều ăng-ten để phát và thu nhận tín hiệu (Multiple In, Multiple Out), tổng hợp sóng mang, điều chế bậc cao hơn để phân phối hiệu suất không dây cực nhanh, cũng như các giải pháp để tăng năng lực mạng một cách hiệu quả để giải quyết sự gia tăng lưu lượng dữ liệu (đã tăng hơn 4.000 lần trong 10
13 năm qua). Hiện nay, các mạng 4G LTE mới xuất hiện có thể cung cấp tốc độ truy cập dữ liệu cao nhất nhanh hơn khoảng 100.000 lần so với mạng 2G đầu tiên. Với sự gia tăng của mạng 3G và mạng 4G LTE, kết nối băng thông rộng di động toàn cầu đã vượt qua băng thông rộng cố định vào năm 2010, với hơn 7 tỷ kết nối di động trên toàn thế giới. Giá trị kinh tế do lĩnh vực di động tạo ra tiếp tục phát triển và ước tính đến năm 2020 sẽ vào khoảng 3,7 nghìn tỷ USD. Đây chỉ là hai trong số nhiều cột mốc quan trọng thể hiện bản chất biến đổi của truyền thông di động, những đổi mới đáng kinh ngạc này đã xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn - chỉ ba thập kỷ. Hình 1. 1 - Các thế hệ mạng di động1 Hiện nay, thế giới đang đi đến một sự chuyển đổi khác - sẽ tiếp tục mở rộng vai trò của mạng di động để giải quyết nhu cầu cho các loại dịch vụ mới của cuộc sống, chẳng hạn như: Cho phép kiểm soát nhiệm vụ quan trọng thông qua các liên kết siêu tin cậy, độ trễ thấp và kết nối IoT. Đó là mạng 5G. 1.2. 5G - Mạng mới cho những đổi mới Mạng 5G (Thế hệ mạng di động thứ 5 hoặc hệ thống không dây thứ 5) là thế hệ tiếp theo của công nghệ truyền thông di động sau thế hệ mạng 4G, hoạt động ở các băng tần 28 GHz, 38 GHz, và 60 GHz. 1 https://viettimes.vn/bai-1-cac-he-thong-the-he-thu-1-va-thu-2-post108317.html
14 Hình 1. 2 - Nhu cầu về mạng 5G2 Theo các nhà nghiên cứu, mạng 5G sẽ có tốc độ nhanh hơn khoảng 10 lần so với mạng 4G hiện nay, giúp mở ra nhiều khả năng mới và hấp dẫn. Chi tiết được nêu trong Bảng 1.1, theo đó, xe tự lái có thể tự đưa ra những quyết định quan trọng phụ thuộc vào thời gian và hoàn cảnh vận hành; Tính năng trò chuyện video sẽ có hình ảnh mượt mà, trôi chảy hơn làm cho chúng ta cảm thấy như đang ở trong cùng một mạng nội bộ; Các cơ quan chức năng trong thành phố có thể theo dõi tình trạng tắc nghẽn giao thông, mức độ ô nhiễm và nhu cầu tại các bãi đậu xe, từ đó gửi thông tin này đến những chiếc xe thông minh của người dân theo thời gian thực thông qua kết nối của hàng tỷ bộ cảm biến đã được tích hợp vào các thiết bị gia dụng, hệ thống an ninh, thiết bị theo dõi sức khỏe, khóa cửa, xe hơi và thiết bị đeo [2]. 2 http://www.arfm.gov.vn/Thông tin di động 5G và những dự báo ấn tượng
15 Bảng 1.1 Các thế hệ mạng truyền thông không dây Công nghệ 1G 2G 3G 4G 5G Năm ra đời 1970-1980 1990-2004 2004-2010 2010-2020 2020 Dải Tần Số 824-894Mhz 840- 1.8-2.5Ghz 2-8Ghz 3-300Ghz 1900Mhz Tốc độ 2.4Kbps 64Kbps 144kbps- 100Mbps- Tốc độ 2Mbps 1Gbps mong muốn 10Gbps Tín hiệu Tương tự Số Số Số Số Chuẩn 802.11 802.11b 802.11g/a 802.11n 802.11ac IEEE Chuẩn công APMS,TACS GSM UMTS/HSPA LTE/ LTE WWWW nghệ based, nâng GPRS, cao, EDGE Wimax, Wifi Chuyển Mạch điện tử Mạnh điện Gói dữ liệu Tất cả các Tất cả các mạch tử, Gói dữ (không cho gói tin gói tin liệu giao tiếp không khí) Mạng lõi PSTN PSTN Gói N/W Internet Internet Kiểu truyền Hợp nhất Hợp nhất Hợp nhất Hợp nhất Hợp nhất tin theo chiều theo chiều theo chiều theo chiều theo chiều ngang ngang ngang ngang và ngang và chiều dọc chiều dọc Dịch vụ Gọi thoại Thoại kỹ Tích hợp với Khả năng Khả năng thuật số, tin dịch vụ thoại, kết nối dữ kết nối nhắn ký tự, video và dữ liệu năng thông tin sức chứa liệu chất động, các cao, các dữ liệu gói lượng cao thiết bị có thiết bị đeo tin cao hơn thể đeo được và trí được tuệ nhân tạo
16 Như vậy, mạng 5G không chỉ là tăng băng thông. Mạng 5G còn thể hiện sự tái cấu trúc cơ bản của mạng truy cập theo cách tận dụng một số xu hướng công nghệ chính và thiết lập nó có khả năng đổi mới nhiều hơn. Giống như cách mà mạng 3G đã xác định sự chuyển đổi từ thoại sang băng thông rộng, lời hứa của mạng 5G chủ yếu là về việc chuyển đổi từ một dịch vụ truy cập duy nhất (kết nối băng thông rộng) sang một bộ sưu tập các dịch vụ và thiết bị phong phú hơn. Mạng 5G dự kiến sẽ cung cấp, hỗ trợ cho giao diện người dùng nhập vai (ví dụ: AR / VR), các ứng dụng quan trọng (ví dụ: an toàn công cộng, phương tiện tự lái) và IoT. Bởi vì những trường hợp sử dụng này sẽ bao gồm mọi thứ từ thiết bị gia dụng, đến robot công nghiệp, đến ô tô tự lái. Do đó, mạng 5G sẽ không chỉ hỗ trợ con người truy cập Internet từ điện thoại thông minh, mà còn có một loạt các thiết bị sẽ tự động làm việc cùng nhau [1]. Hình 1. 3 - Các ứng dụng của mạng 5G [1] Những mục tiêu này có thể sẽ không đạt được trong tương lai gần, nhưng điều đó phù hợp với mỗi thế hệ mạng di động - đó là là một nỗ lực kéo dài hàng thập kỷ. 1.2.1. Các thành phần chính Mạng di động cung cấp kết nối không dây đối với các thiết bị đang di chuyển. Những thiết bị này, được gọi là Thiết bị Người dùng (User Equipment - 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, nông nghiệp, robot, thiết bị gia dụng, thiết bị y tế, v.v [3].
17 Hình 1. 4 - Cấu trúc Mạng di động [3] Như trong Hình 1.4, mạng di động bao gồm hai mạng con chính chính: RAN và Mobile Core. RAN quản lý phổ vô tuyến hay mạng truy cập vô tuyến, đáp ứng các yêu cầu về chất lượng dịch vụ của người dùng. Nó tương ứng với một tập hợp các trạm gốc phân tán. Như đã nói ở trên, trong 4G, chúng được đặt tên là eNodeB (hoặc eNB), viết tắt của Node B đã phát triển. Trong 5G, chúng được gọi là gNB (Chữ g là viết tắt của “Thế hệ tiếp theo - next Generation”). Mobile Core là một gói chức năng 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 đã hứa.  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 thanh toán và tính phí. Mặc dù từ “Core” trong tên gọi của nó, từ góc độ Internet, Mobile Core vẫn là một phần của mạng truy nhập, cung cấp hiệu quả cầu nối giữa RAN ở một số khu vực địa lý và tập hợp IP truy cập Internet lớn hơn. 3GPP cung cấp sự linh hoạt đáng kể trong cách Mobile Core được triển khai về mặt địa lý, giả sử mỗi lần khởi tạo Mobile Core phục vụ một khu vực đô thị là một mô hình hoạt động tốt. RAN tương ứng sau đó sẽ trải dài hàng chục (hoặc thậm chí hàng trăm) tháp di động. Xem xét kỹ hơn trong Hình 1.4, chúng ta thấy rằng Mạng Backhaul kết nối các trạm gốc thực hiện RAN với Mobile Core. Mạng này thường có dây, có thể
18 có hoặc không có cấu trúc liên kết vòng và thường được xây dựng từ các thành phần được tìm thấy ở những nơi khác trên Internet. Ví dụ: Mạng quang thụ động (Passiiie Optical Network - PON) triển khai Fiber-to-the-Home là một ứng cử viên hàng đầu để triển khai mô hình dự phòng RAN. Mạng backhaul rõ ràng là một phần cần thiết của RAN, nhưng nó là một tuỳ chọn chứ không được quy định bởi tiêu chuẩn 3GPP. Mặc dù 3GPP chỉ định tất cả các phần tử triển khai RAN và Mobile Core trong một tiêu chuẩn mở, các nhà khai thác mạng trước đây đã mua các bản triển khai độc quyền của mỗi hệ thống con từ một nhà cung cấp. Mặc dù đúng là triển khai eNodeB có chứa các thuật toán phức tạp để lập lịch truyền trên phổ vô tuyến - các thuật toán được coi là tài sản trí tuệ có giá trị của các nhà cung cấp thiết bị - thì vẫn có cơ hội đáng kể để mở và tách cả RAN và Mobile Core thành các thành phần chi tiết. Trước khi đi đến những chi tiết đó, Hình 1.5 vẽ lại các thành phần từ Hình 1.4 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 Mobile Core được phân chia thành Mặt phẳng điều khiển và Mặt phẳng người dùng. Hình 1. 5 - Cấu trúc Lõi di động [3] Tầm quan trọng của hai thành phần này sẽ được làm rõ hơn trong những phần sau. 1.2.2. Mạng truy cập vô tuyến Đầu tiên, mỗi trạm gốc thiết lập kênh không dây cho UE của thuê bao di
19 động khi hoạt động. Kênh này được giải phóng khi UE không hoạt động trong một khoảng thời gian nhất định. Hình 1. 6 - Trạm gốc phát hiện và kết nối với các UE đang hoạt động [3] 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 để chuyển tiếp lưu lượng báo hiệu giữa hai trạm. Lưu lượng báo hiệu này cho phép xác thực, duy trì kết nối và theo dõi việc di chuyển của UE. Hình 1. 7 - Trạm gốc kết nối Mặt phẳng điều khiển [3] Thứ ba, đối với mỗi UE đang hoạt động, trạm gốc thiết lập một hoặc nhiều kênh giao tiếp giữa thành phần Mặt phẳng người dùng lõi di động tương ứng.