ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU KIẾN TRÚC 5G CORE NETWORK

Đây là công nghệ mà một phần phổ tần không dây được sử dụng cho kết nối backhaul giữa các trạm gốc thay cho sợi quang nhằm làm tăng mật độ mạng và hiệu quả về kinh tế.. Dịch vụ của 5G

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

HÀ NỘI - 2022

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GTVT Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

BỘ MÔN KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

LỜI CAM ĐOAN

Cam đoan không sao chép từ các đồ án, luận văn khác Các nội dung,

dữ liệu tham khảo đều đã được trích dẫn đầy đủ …

Người cam đoan

Nguyễn Văn A

LỜI NÓI ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài:

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền khoa học kĩ thuật, trên thế giới có nhiều công nghệ mới ra đời, lĩnh vực viễn thông quan trọng cũng được chú trọng phát triển Trong đó, phải kể đến mạng di động 5G sử dụng một loại backhaul không dây mới là backhaul và truy nhập hợp nhất (IAB) Đây là công nghệ mà một phần phổ tần không dây được sử dụng cho kết nối backhaul giữa các trạm gốc thay cho sợi quang nhằm làm tăng mật độ mạng và hiệu quả về kinh tế IAB có thể cung cấp giải pháp backhaul đa bước nhảy linh hoạt và có thể mở rộng, sử dụng các băng tần giống nhau hoặc khác nhau cho truy nhập và backhaul Từ góc

độ truyền tải, IAB cung cấp kết nối IP chung để cho phép dễ dàng nâng cấp thành truyền tải cáp quang khi cần thiết, hỗ trợ backhaul ngoài băng và trong băng Các nút IAB có thể hỗ trợ Ghép kênh phân chia theo thời gian TDM, Ghép kênh phân chia theo tần số FDM và Ghép kênh phân chia theo không gian SDM giữa các liên kết backhaul và truy nhập ở một nút IAB

Công nghệ 5G đã được nghiên cứu và dần phát triển rộng rãi trên nhiều quốc gia, cùng với 5G là các giải pháp Backhaul và truy nhập hợp nhất (IAB) Công nghệ này sẽ hết sức cần thiết cho sự phát triển của thế giới, do đó nhiều nước đã và đang xúc tiến các công tác triển khai công nghệ này, Việt Nam cũng không ngoại lệ Hiện nay, tại Việt Nam, công nghệ 5G đang được chú trọng phát triển, nghiên cứu mạnh mẽ Backhaul và truy nhập hợp nhất (IAB) là một trong những giải pháp mới

có thể cải thiện 5G New Radio để hỗ trợ không chỉ truy nhập mà còn cả backhaul không dây IAB là một khái niệm tiên tiến đầy hứa hẹn có thể

trở nên quan trọng đối với backhaul không dây của các địa điểm đường phố

II Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Mạng thông tin di động 5G và các công nghệ trong mạng thông

tin di động 5G

• Giải pháp Backhaul và truy nhập hợp nhất (IAB) cho mạng

di động 5G

III Phương pháp nghiên cứu:

Dựa trên phương pháp tổng hợp và phân tích các kết quả nghiên

di động 5G.

IV Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

• Mạng thông tin di động 5G và các công nghệ trong mạng thông

tin di động 5G

• Giải pháp Backhaul và truy nhập hợp nhất (IAB) cho mạng

di động 5G

V Kết cấu của đề tài:

Chương 1 Kiến trúc 5G Core Network

Chương 2 Network Slicing trong 5G Nêu tóm tắt nội dung

Chương 3 Chức năng quản lý phiên, ánh xạ giữa 4G Core Network và 5G Core Network

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2022

Sinh viên thực hiện

Vũ Văn Huy

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 4

MỤC LỤC 7

DANH MỤC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 9

DANH MỤC HÌNH VẼ 10

DANH MỤC BẢNG BIỂU 11

CHƯƠNG 1: MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G 12

1.1 Băng tần hoạt động của mạng 5G 12

1.2 Dịch vụ của 5G 12

1.3 Kiến trúc của 5G 12

1.4 Công nghệ trong mạng di động 5G 13

1.4.1 Millimeter Waves 13

1.4.1.1.Tổng quan 13

1.4.1.2.Thách thức của sóng mm-Wave 14

1.4.1.3.Đặc tính kênh truyền trong mạng mmWave Cellular 14

1.4.2 Small cell 16

1.4.2.1.Tổng quan 16

1.4.2.2.Tại sao phải dùng small cell? 16

1.4.2.3.Các loại small cell và mô hình triển khai 17

1.4.3.Massive MIMO 17

1.4.3.1.Tổng quan 17

1.4.3.2.Massive MIMO là gì? 18

1.4.3.3.Massive MIMO hoạt động thế nào? 18

1.4.3.4.Tại sao phải dùng Massive MIMO 19

1.4.3.5.Thách thức của massive MIMO 20

CHƯƠNG 2: CÁC GIẢI PHÁP BACKHAUL TRUYỀN THỐNG 21

2.1 Tổng quan về Mobile Backhaul 21

2.2 Những thách thức của Mobile Backhaul 21

2.3 Lựa chọn công nghệ cho Mobile Backhaul 21

2.4 Thị phần và xu hướng của các giải pháp Backhaul 21

2.5 Kết luận chương 21

CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP BACKHAUL VÀ TRUY NHẬP HỢP NHẤT (IAB)

CHO MẠNG DI ĐỘNG 5G 21

3.1 5G Backhaul 21

3.2 Khái niệm 3GPP về truy cập tích hợp và Backhaul 21

3.3 Kiến trúc IAB 21

3.4 Truy cập tích hợp & Backhaul (IAB) 22

3.5 Các trường hợp sử dụng và các cân nhắc khi triển khai 22

3.6 Phương pháp phân bổ tài nguyên IAB 22

3.7 Điều chỉnh cấu trúc liên kết IAB, Quản lý định tuyến & Xử lý QoS 22

3.8 Công nghệ mới nổi/trong tương lai 22

3.9 Kết luận chương 22

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 22

TÀI LIỆU THAM KHẢO 23

PHỤ LỤC 24

DANH MỤC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Từ viết

3G Third Generation Cellular Hệ thống thông tin di độngthế hệ thứ ba

AC Admission Cotrol Điều khiển cho phép

AI Acquistion Indicator Chỉ thị bắt

AICH Acquistion Indication

A-P Access Preamble Tiền tố

AS Access Slot Khe truy nhập

BER Bit Error Rate Tỷ số bit lỗi

BCH Broadcast Channel Kênh quảng bá

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1.Tên hình vẽ 12 Hình 1.2.Tên hình vẽ 15 Hình 1.3.Tên hình vẽ 20

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1.Tên bảng biểu 22 Bảng 1.2.Tên bảng biểu 30

Bảng 1.3.Tên bảng biểu 40

CHƯƠNG 1: MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G

1.1 Băng tần hoạt động của mạng 5G

Hình 1.1: Băng tần hoạt động của 5G

Băng tần cao 5G (mmWave) mang lại tần số cao nhất của 5G Chúng nằm trong khoảng từ 24 GHz đến khoảng 100 GHz.Chúng khó di chuyển qua chướng ngại vật, phạm vi ngắn, phạm vi phủ sóng của mmWave bị hạn chế Băng tần trung 5G hoạt động ở dải tần 2-6 GHz và cung cấp lớp dung lượng cho các khu vực thành thị và ngoại thành Dải tần này có tốc độ cao nhất hàng trăm Mbps

Băng tần thấp của 5G hoạt động dưới 2 GHz và cung cấp phạm vi phủ sóng rộng Băng tần này sử dụng phổ tần hiện có và đang được sử dụng cho 4G LTE, về cơ bản cung cấp kiến trúc LTE 5g cho các thiết bị 5G hiện đã sẵn sàng Do đó, hiệu suất của 5G băng tần thấp tương tự như 4G LTE và hỗ trợ

sử dụng cho các thiết bị 5G trên thị trường hiện nay

Tần số giao tiếp của điện thoại hiện nay ở dưới mức 3 GHz nhưng mạng 5G sẽ yêu cầu những băng tần cao hơn Các thế hệ điện thoại di động mới thường được gán dải tần số mới và băng thông rộng quang phổ trên một kênh tần số (1G lên đến 30 kHz, 2G lên đến 200 kHz, 3G lên đến 20 MHz, và 4G lên tới 100 MHz)

1.2 Dịch vụ của 5G

Về dịch vụ mạng, hệ thống thông tin di động 5G sẽ tách ra khỏi các thế

hệ công nghệ viễn thông trước đây vì trải nghiệm của khách hàng vượt quá giới hạn thời gian và địa điểm, điều này sẽ được kích hoạt bởi việc truyền dữ liệu cực nhanh và giao diện người dùng sáng tạo

Hình 1.2: Dịch vụ mạng 1.3 Kiến trúc của 5G

Sơ đồ kiến trúc mạng 4G sau đây cho thấy các thành phần chính của mạng lõi 4G:

Hình 1.3: Kiến trúc mạng lõi 4G (Nguồn: 3GPP)

Trong kiến trúc mạng 4G, Thiết bị Người dùng (UE) như điện thoại thông minh hoặc thiết bị di động, kết nối qua Mạng truy cập vô tuyến LTE (E-UTRAN) với Lõi gói phát triển (EPC) và sau đó xa hơn với Mạng bên ngoài, như Internet NodeB đã phát triển (eNodeB) tách lưu lượng dữ liệu người dùng (mặt phẳng người dùng) khỏi lưu lượng dữ liệu quản lý của mạng (mặt phẳng điều khiển) và cung cấp cả hai nguồn cấp dữ liệu riêng biệt vào EPC

Bước sóng ở dải tần này Có thể dùng những anten nhỏ gọn hay xuyên qua những vật cản như nhà, cây cối Ngay cả khi được phát ở công suất thấp, những tín hiệu này có thể truyền đi một cách đáng tin cậy trên những khoảng cách xa hàng cây số trong hầu như bất cứ điều kiện nào

Các nhóm xây dựng tiêu chuẩn truyền thông không dây đã làm đủ kiểu

để tăng dung lượng cho các mạng di động thế hệ thứ tư (4G) theo chuẩn LTE ngày nay Một cách để giải quyết vấn đề đó là chỉ cần truyền tín hiệu trên một dải tần số hoàn toàn mới mà chưa bao giờ dược sử dụng cho dịch vụ di động trước đây Đó là lý do tại sao các nhà cung cấp đang thử nghiệm việc broadcast trên sóng millimeter (millimeter waves), sử dụng tần số cao hơn tần

số vô tuyến từ lâu đã được sử dụng cho điện thoại đi động

Theo định nghĩa của Liên minh Viễn thông Thế giới (ITU), dải tần số millimeter wave, còn được gọi là dải tần số siêu cao, là dải tần số từ 30 đến

300 GHz

1.4.1.2.Thách thức của sóng mm-Wave

Tuy tiềm năng của sóng mmWave là rất lớn và việc phát triển nó là xu thế tất yếu nhưng hiện nay các công ty viễn thông vẫn chưa thể sử dụng vì các thiết bị thu phát sóng, mạch điện RF và các hệ thống ăng-ten ở tần số millimeter-wave là quá tốn kém và ở các tần số đó việc truyền tín hiệu giữa các trạm thu phát và thiết bị di động truyền thống sẽ không được tốt Thêm vào đó ngành công nghiệp bán dẫn không có khả năng về mặt kỹ thuật cũng như không có đủ nhu cầu từ thị trường để tạo ra các linh kiện điện tử, loại dành cho người tiêu dùng phổ thông, đủ nhanh để hoạt động ở tần số millimeter wave Điều lo ngại lớn hơn nữa khi tín hiệu millimeter-wave sẽ bị hấp thụ và phân tán do không khí, mưa, và cây cối và không đi xuyên vào bên trong nhà được Ta có thể thấy mức suy hao của sóng mmWave là rất nhiều

và khoảng cách phát cũng không cao Vì thế tiềm năng của sóng mmWave mang lại là rất lớn nhưng trở ngại cũng không hề nhỏ

1.4.1.3.Đặc tính kênh truyền trong mạng mmWave Cellular

Như ta đã đề cập ở phần trước mối quan tâm lớn trong mmWave là khả năng suy hao trong truyền sóng lớn, dẫn đến khoảng cách phát tín hiệu bị thu hẹp Suy hao được thể hiện rõ trong công thức Friis cụ thể: trong không gian

tự do suy hao của anten đa hướng tỉ lệ với bình phương tần số sóng mang

Công thức

• Pt = cường độ tín hiệu tại anten phát

• P r = cường độ tín hiệu tại anten thu

•λ = bước sóng của sóng mang (m)

•Gt = mức khuếch đại (gain) của anten phát

•Gr = mức khuếch đại (gain) của anten thu

•d = khoảng cách giữa các anten (T-R) đo bằng mét (>0)

•L : tham số suy hao của hệ thống do suy hao trên đường truyền, suy hao do các bộ lọc, suy hao của anten (L >= 1)

L = 1 nghĩa rằng không có suy hao do phần cứng

Suy hao trong không gian tự do

Công thức

Mặc dù suy hao lớn nhưng bù lại việc tăng tần số hoạt động cũng giúp làm giảm kích thước thiết bị vô tuyến và cải thiện tính định hướng của anten, ngoài ra băng tần rộng hơn có thể được cung cấp để truyền dữ liệu với tốc độ truyền dẫn cao hơn giúp cung cấp các dịch vụ vô tuyến băng rộng tích hợp tới nhiều người sử dụng trong một vùng xác định Việc các anten truyền có định hướng góp phần giúp giảm thiểu can nhiễu, cũng chứng tỏ tầm quan trọng của thu phát beamforming đối với hệ thống di động mmWave

Trong đó analog beamforming/ hybrid beamforming thường được dùng

để hỗ trợ một hoặc nhiều phương thức truyền được đề cập ở mục sau, nơi mà tất cả các anten chia sẻ một lượng nhỏ các chuỗi RF (nhỏ hơn rất nhiều so với

số lượng anten) và thường có beamforming không đổi về biên độ/hệ số tiền mã hóa

Hình 1.7: Mô hình hệ thống di động mmWave, trong đó BS giao tiếp thông qua các beamforming sử dụng anten sắp xếp theo mảng

Hình 1.8: Sơ đồ khối của BS-MS thu phát sử dụng RF và búp sóng dải

nền baseband ở cả 2 đầu

Kênh các thành phần đa đường trong mmWave (MPCs) chủ yếu được tạo ra bởi sự tán xạ thứ nhất và thứ 2 theo thứ tự, với các góc độ khác nhau về góc vật lý xuất phát (AoDs) và góc độ đến (AoAs) Bởi vì số MPCs về cơ bản

là nhỏ hơn nhiều so với số lượng anten, AoDs và AoAs là rời rạc ở miền tọa

độ góc Kết quả là, một cảm biến dựa trên các tiếp cận kênh dự đoán, có thể phù hợp tốt, đặc biệt cho các hệ thống mmWave

Công thức

Trong đó:

() l  t là hệ số liên hợp phức của

Lt() là số MPCs

pt() độ tăng của xung

() l  t độ trễ tương đối của MPC

 ()t là AoA tại BS

( ) l  t là AoDs từ MSs

Biểu thức ặ) là vector chuyển hướng phụ thuộc vào số lượng anten và các góc láị Nói chung chỉ có một số lượng rất nhỏ MPCs đủ mạnh có thể tìm được để hình thành các búp sóng giữa BS và MS Kết quả cho thấy độ trễ lan truyền có thể được giảm nhẹ hơn nữa bở beamforming trong không gian Hơn nữa thời gian để liên kết trong thực tế là tương đối dài hơn so với thời gian gói truyền trong giao tiếp mmWavẹ Do đó các kênh thường được xem như là Quasi-static

1.4.2 Small cell

1.4.2.1.Tổng quan

Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng dải tần millimeter-wave có thể cung cấp độ phủ sóng tốt trong lĩnh vực di động Các đo đạc thực tế cho thấy một thiết bị di động không nhất thiết phải có một đường truyền thẳng (line-of-sight) để kết nối với một trạm thu phát Tính phản xạ cao của tín hiệu ở tần số này hoá ra lại là một điểm mạnh thay vì là một điểm yếụ Đối với các tín hiệu millimeter-wave được phát ở công suất thấp, khả năng mất tín hiệu bắt đầu từ khoảng 200 mét

Small cell là các base station nhỏ - di động đòi hỏi điện năng tối thiểu để hoạt động và đặt cách nhau mỗi 250m một lần trong thành phố Để giảm thiểu tín hiệu bị dropped, các nhà khai thác có thể cài đặt hàng ngàn trạm này trong một thành phố để tạo một mạng lưới dày đặc, hoạt động như một nhóm chuyển tiếp (relay team), nhận các tín hiệu từ các base station khác và gửi dữ liệu tới người dùng ở bất kỳ vị trí nàọ

Ngoài việc broadcast trên millimeter wave, 5G base station cũng có nhiều anten hơn so với các base station hiện nay – để tận dụng lợi thế của một công nghệ mới khác gọi là massive MIMỌ

1.4.2.2.Tại sao phải dùng small cell?

Small cell có mục đích cung cấp cho người dùng cuối một trải nghiệm

di động được cải thiện trong các khu đô thi có độ nghẽn caọ

- Tăng công sức trong khu vực có mật độ sử dụng caọ

- Cải thiện vùng phủ sóng và tốc độ dữ liệu

- Tăng tuổi thọ của pin điện thoại bằng cách giảm điện năng tiêu thụ

1.4.2.3.Các loại small cell và mô hình triển khai

Có 3 loại small cell: femtocells, picocells và microcells

Femtocells có phạm vi nhỏ nhất trong các loại small cells và thường được triển khai trong tòa nhà hoặc doanh nghiệp nhỏ Femtocells thường có phạm vi tối đa dưới 10m

Picocells thường được lắp đặt ở khu vực trong nhà lớn như trung tâm thương mại, văn phòng, nhà ga Nó có thể hỗ trợ tối đa 100 người dùng cùng một lúc và có phạm vi dưới 200m

Microcells là small cell lớn nhất và mạnh nhất Chúng thường được lắp ngoài trời trên đèn giao thông hoặc biển báo và có thể sử dụng tạm thời cho các sự kiện lớn Microcells có tầm hoạt động dưới 2km, trong khi tháp microcell có thể bao phủ đến 20 dặm (32km)

1.4.3.Massive MIMO

1.4.3.1.Tổng quan

Các base station 4G hiện nay có 12 port cho mỗi anten xử lý tất cả các lưu lượng di động: 8 port phát và 4 port thu Nhưng 5G base station có thể hỗ trợ khoảng 100 port, có nghĩa là một base station có thể gửi và nhận tín hiệu

từ nhiều người dùng cùng lúc, tăng dung lượng của mạng đi động lên 22 lần hoặc cao hơn

Công nghệ này được gọi là massive MIMO Tất cả bắt đầu với MIMO,

có nghĩa là multi-input multi-output MIMO mô tả wireless system sử dụng hai hay nhiều máy phát và máy thu để gửi và nhận dữ liệu nhiều hơn cùng một lúc

MIMO hiện tại được tìm thấy trên một số 4G base station Nhưng cho đến nay, masssive MIMO chỉ được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và một vài thử nghiệm thực địa

Hình 1.9: Một số cấu hình anten và các mô hình triển khai cho một

massive MIMO base station