(Tiểu luận) báo cáo đồ án môn học 2 đề tài tổng quan mạng thông tin di động (5g)

Với nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng về tốc độ truy cập cũng như truyền tải tín hiệu cũng nhu chất lượng hiển thị ngày càng được ổn định hơn thì qua trải qua nhiều năm phát triển

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN MẠNG 5G 2

CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC MẠNG 5G 4

2.1 Mạng truy cập vô tuyến 4

2.2 Mạng lõi 7

2.2.1 AMF 9

2.2.2 SMF 10

2.2.3 UPF 10

2.2.4 PCF 11

2.2.5 AF 11

2.2.6 NSSF 11

2.2.7 AUSF 11

2.2.8 UDM 11

2.2.9 NEF 12

2.2.10 NRF 12

CHƯƠNG 3: GIAO THỨC MẠNG 5G 13

3.1 Lớp PHY 14

3.2 Lớp 2 5G MAC, RLC, PDCP 16

3.2.1 MAC 17

3.2.2 RLC 19

3.2.3 PDCP 20

3.3 RRC 23

CHƯƠNG 4: PHỔ BĂNG TẦN, CÔNG SUẤT TRONG MẠNG 5G 24

CHƯƠNG 5: THUẬN LỢI VÀ THÁCH THỨC TRONG MẠNG 5G 26

TÀI LIỆU THAM KHẢO 28

h

LỜI MỞ ĐẦU

Theo Tổng Cục Thống kê, tổng số thuê bao điện thoại tại thời điểm cuối tháng 3/2020 ước tính đạt 129,2 triệu thuê bao Với nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng về tốc độ truy cập cũng như truyền tải tín hiệu cũng nhu chất lượng hiển thị ngày càng được ổn định hơn thì qua trải qua nhiều năm phát triển qua các thế hệ mạng di động 1G với công nghệ tương tự, 2G với số hóa dữ liệu, 3G di động băng thông, 4G internet di động

Với việc kế thừa những công nghệ đã có và phát triển thêm 5G hứa hẹn sẽ đem lại trải nghiệm cũng như đảm bảo được tốc độ truy cập tốt nhất đến người dùng so với các thế hệ mạng di động trước

Vậy 5G được hình thành như thế nào? Gồm những phần gì? Chúng hoạt động như thế nào? Tất cả sẽ được giải đáp qua đề tài “TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G” sẽ được tôi làm rõ qua 5 chương:

 Chương1: Giới thiệu tổng quan về mạng thông tin di động 5G

 Chương 2: Kiến trúc mạng 5G

 Chương 3: Giao thức mạng 5G

 Chương 4: Phổ băng tần, công suất hệ thống trong mạng 5G

 Chương 5: Thuận lợi và thách thức trong mạng di động 5G

h

3GPP THIRD GENARATION PARTNERSHIP PROJECT

SMF SESSION MANAGEMENT FUNCTION

UPF USER PLANE FUNCTION

PCF POLICY CONTROL FUNCTION

AF APPLICATION FUNCTION

UDM UNIFIED DATA MANAGEMENT

AUSF AUTHENTICATION SEVER FUNCTION

DN DATA NETWORK

NSSF NETWORK SLICE SELECTION

PDU PROTOCOL DATA UNIT

RAN RADIO ACCESS NETWORK

NEF NETWORK EXPOSURE FUNCTION

NRF NF REPOSITORY FUNCTION

UE USER EQUIPMENT INFORMATION

CHF CHARGING FUNCTION

MEC MOBILE EDGE COMPUTING

PBCH PHYSICAL BROADCAST CHANNEL

PDSCH PHYSICAL DOWNLINK SHARE CHANNEL PDCCH PHYSICAL DOWNLINK CONTROL CHANNEL PRACH PHYSICAL RANDOM ACCESS CHANNEL

PUSCH PHYSICAL UPLINK SHARE CHANNEL

PUCCH PHYSICAL UPNLINK CONTROL CHANNEL MAC MEDIUM ACCESS CONTROL

RLC RADIO LINK CONTROL

PDCP PACKET DATA CONVERGENCE PROTOCOL SDAP SERVICE DATA ADAPTATION PROTOCOL NAS NON – ACCESS STRATUM

PCCH PAGING CONTROL CHANNEL

BCCH BROADCAST CONTROL CHANNEL

CCCH COMMON CONTROL CHANNEL

h

DTCH DEDICATED TRAFFIC CHANNEL RACH RANDOM ACCESS CHANNEL

SCH SYNCHRONIZATION CHANNEL HARQ AUTOMATIC REPEAT REQUESTS

ARQ AUTOMATIC REPEAT REQUEST

h

Ch ương 1: Giới thiệu tổng quan mạng 5G

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 các thế hệ 4G,3G,2G,1G Kể từ khi hệ

thống 1G được Nordic Mobile Telephone giới thiệu lần đầu tiên vào nă, 1981 thì

cứ khoảng 10 lại xuất hiện một thế hệ điện thoại di động mới Các hệ thống 2G

đầu tiên bắt đầu tung ra vào năm 1991, 3G đầu tiên tiên xuất hiện lần đầu vào năm

2001 và hệ thống 4G đã được chuẩn hóa vào năm 2012 Sự phát triển các hệ thống

tiêu chuẩn của các mạng 2G (GSM) và 3G (IMT-2000 và UMTS) mất khoảng 10

năm kể từ khi R & D chính thức bắt đầu và quá trình phát triển hệ thống 4G đã

được bắt đầu từ năm 2001 hoặc 2002 Các công nghệ tiền đề cho một thế hệ mới

thường được giới thiệu trên thị trường từ một vài năm trước đó

Theo các nhà phát minh, mạng 5G sẽ có tốc độ nhanh hơn khoảng 100 lần so với

mạng 4G hiện nay, giúp mở ra nhiều khả năng mới và hấp dẫn Lúc đó, xe tự lái

có thể đưa ra những quyết định quan trọng tùy theo thời gian và hoàn cảnh Tính

năng chat video sẽ có hình ảnh mượt mà và 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, do đó có thể gửi những thông tin này đến những chiếc xe thông

minh của mọi người dân theo thời gian thực

Mạng 5G được xem là chìa khóa để chúng ta đi vào thế giới mạng lưới vạn vật kết

nối Internet (IoT) trong đó các bộ cảm biến là những yếu tố quan trọng để trích

xuất dữ liệu từ các đối tượng và từ môi trường Hàng tỷ bộ cảm biến là những yếu

tố quan trọng để trích xuất dữ liệu từ các đối tượng môi trường Hàng tỷ bộ cảm

biến sẽ được tích hợp vào các thiết bị gia dụng, hệ thống an ninh, thiết bị theo dõi

sức khẻo, khóa cửa, xe hơi và thiết bị đeo Tuy nhiên để cung cấp 5G các mạng sẽ

cần phải tăng cường hạ tầng cơ sở mạng lưới ( gọi là trạm gốc) Họ có thể bắt đầu

bằng cách khai thác dải phổ hiện còn trống Sóng tín hiệu với tần số đo MHz sẽ

được nâng cao lên thành GHz hay thậm chí nhanh hơn Tần số giao tiếp của điện

thoại hiện nay ở dưới mức 3GHz nhưng mạng 5G sẽ yêu cầu những băng tần cao

hơn Mạng 5G được tung ra vào năm 2020 để đáp ứng nhu cầu kinh doanh và

người tiêu dùng

Ngoài việc cung cấp các kết nối nhanh hơn và dung lượn lớn hơn, một lợi thế rất

quan trọng của 5G là thời gian phản hồi nhanh được gọi là độ trễ Độ trễ thời gian

dành cho các thiết bị phản hồi với nhau qua mạng không dây Mạng 3G có thời

gian phản hồi thông thường là 100 ms, 4G là khoảng 30 ms và 5G sẽ thấp đến 1

ms Điều này gần như ngay lập tức mở ra một thế giới mới của các ứng dụng được

kết nối

h

Công nghệ 1G 2G 3G 4G 5G

Năm ra đời 1970-1980 1990-2004 2004-2010 2010-2020 2020

Dải Tần số

824-894MHz 840-1900MHz 1.8-2.5GHz 2-8GHz 3-300 GHz Tốc độ 2.4Kbps 64Kbps 144K-

2Mbps

1Gbps

100M-10Gbps Tín hiệu Tương tự Số Số Số Số

Hình 1: Bảng thống kê các thế hệ về thông tin di động

Hiện tại tại Việt Nam, Viettel cũng đã thử nghiệm thành công cuộc gọi mạng 5G

vào đầu năm 2020 và chính thức là nhà cung cấp thứ 6 trên thế giới sản xuất thiết

bị này, vừa là nhà khai thác viễn thông vừa có khả năng sản xuất các thiết bị mạng

sau Ericsson, Nokia, Huawei, Samsung và ZTE

Công nghệ mạng 5G được đánh giá sẽ cất cánh từ năm 2020, theo báo cáo tổng

quan về xu hướng tiếp thị 2020 của công ty tiếp thị Blue C (Mỹ) Bên cạnh các xu

hướng công nghệ khác như chat bot, blockchain… 5G dự kiến sẽ tác động đến

nhiều lĩnh vực của nền kinh tế toàn cầu.h

Chương 2: Kiến trúc mạng 5G

Hình 2: Mô hình kiến trúc mạng 5G

Hầu hết các nhà khai thác ban đầu sẽ tích hợp mạng 5G với mạng 4G hiện có để

cung cấp cấp kết nối liên tục Kiến trúc mạng 5G minh họa 5G và 4G hoạt động

cùng nhau với các máy chủ trung tâm và cục bộ cung cấp nội dung nhanh hơn cho

người dùng và các ứng dụng có độ trễ thấp.Về cơ bản mạng di động không dây 5G

có hai thành phần chính là: Mạng truy cập vô tuyến (Radio Access Network) và

mạng lõi (Core Network)

2.1 Mạng truy cập vô tuyến (Radio Access Network)

Mạng truy cập vô tuyến (RAN) bao gồm nhiều loại phương tiện khác nhau bao

gồm các tế bào nhỏ, tháp và các hệ thống trong nhà và hệ thống chuyên dụng kết

nối người dùng di động và thiết bị không dây vói mạng lõi chính

Các ô nhỏ sẽ là một tính năng chính của mạng 5G, đặc biệt là ở tần số sóng

milimet mới (mmWave) trong đó phạm vi kết nối rất ngắn Để cung cấp kết nối

liên tục các ô nhỏ sẽ được phân phối theo cụm tùy thuộc vào nơi người dùng yêu

cầu kết nối sẽ bổ sung cho mạng macro cung cấp vùng phủ sóng rộng

h

Các tế bào macro 5G sẽ sử dụng ăng-ten MIMO (nhiều đầu vào, nhiều đầu ra) có

nhiều thành phần hoặc kết nối để gửi và nhận nhiều dữ liệu cùng một lúc Lợi ích

cho người dùng là nhiều người có thể kết nối với mạng và duy trì thông lượng cao

Trong đó ăng-ten MIMO sử dụng số lượng rất lớn các phần ăng-ten, chúng thường

được gọi là MIMO lớn Tuy nhiên, kích thước vật lý tương tụ như ăng-ten của

trạm gốc 3G và 4G hiện có

Hình 3:Mô hình truyền tín hiệu từ người dùng lên trạm phát trong hệ thống massive

MIMO

Một kiến trúc 5G trong đó một mạng truy cập vô tuyến (RAN) bao gồm các

macrocell, picocell và femtocell chồng chéo lên nhau Kiến trúc có thể được tách

thành các mặt phẳng điều khiển và dữ liệu Được chỉ ra trong hình dưới là một

femtocell có độ bao phủ nhỏ nhất có thể bị chồng chéo hoàn toàn bởi một picocell

và một picocell có độ bao phủ lớn hơn có thể bị chồng chéo hoàn toàn bởi một

macrocell Mỗi RAN có một kết nối với đám mây, trong đó đám mây (Cloud

Network) với CC (cognition cycle) là một bổ sung mới cho mạng 5G

h

Hình 4: Mô tả các RAN trong mạng thông tin di động 5G

Đường liền nét với mũi tên biểu thị giao tiếp với trạm gốc, trong khi đường chấm

chấm với mũi tên biểu thị giao tiếp giữa hai nút

Cấu trúc phân tách điều khiển dữ liệu ( control/ data separation architecture) giúp

giảm tải các thông điệp điều khiển từ picocell và femtocell sang macrocell để cung

cấp dung lượng kênh cao hơn cho việc truyền dữ liệu Đường chấm chấm với mũi

tên biểu thị trao đổi thông điệp điều khiển, trong khi đường liền nét với mũi tên

biểu thị truyền dữ liệu

h

Hình 5: Mô tả giao tiếp trong RAN

2.2 Mạng lõi (Core Network)

Mạng lõi là mạng trao đổi dữ liệu di động quản lý tất cả các kết nối thoại, dữ liệu

và internet di động Đối với 5G mạng lõi đang được thiết kế lại để tích hợp tốt hơn

các dịch vụ dựa trên internet và đám mây và cũng bao gồm các máy chủ phân tán

trên toàn mạng cải thiện thời gian phản hồi (giảm độ trễ)

Nhiều tính năng nâng cao của 5G bao gồm ảo hóa chức năng mạng (NVF) và cắt

mạng (NETWORK SLICING ) cho các ứng dụng và dịch vụ khác nhau sẽ được

quản lý trong lõi

h

Hình 6: Máy chủ đám mây cục bộ trong mạng 5G

Hình trên là minh họa về các máy chủ đám mây cục bộ cung cấp kết nối nhanh

hơn cho người dùng và thời gian phản hồi thấp hơn

Cắt mạng (NETWORK SLICING) cho phép một cách thông minh để phân đoạn

mạng cho một ngành, doanh nghiệp hoặc ứng dụng củ thế Một ví dụ cụ thể như

các dịch vụ khẩn cấp có thể hoạt động trên một lát mạng độc lập với những người

dùng khác

Ảo hóa chức năng mạng (NVF) là khả năng khởi tạo các chức năng mạng theo

thời gian thực tại bất kỳ vị trí mong muốn nào trong nền tảng đám mây của nhà

điều hành Các chức năng mạng được sử dụng để chạy trên phần cứng chuyên

dụng Ví dụ như tường lửa và mã hóa cơ sở kinh doanh giờ đây có thể hoạt động

trên phần mềm trên máy ảo NVF rất quan trọng để cho phép hiệu quả tốc độ và sự

nhanh nhẹn để hỗ trợ các ứng dụng kinh doanh mới và là một công nghệ quan

trọng cho lõi sẵn sàng 5G

h

Hình 7: Kiến trúc mạng lõi 5G (Core Network)

2.2.1 AMF (Access and Mobility Management Function)

Chức năng quản lý di động và truy cập lõi 5G (AMF) nhận tất cả thông tin liên

quan đến kết nối và phiên từ thiết bị người dùng (UE) thông qua giao diện N1 và

N2 nhưng chỉ chịu trách nhiệm xử lý các nhiệm vụ kết nối và quản lý di động Tất

cả các thông báo liên quan đến quản lý phiên được chuyển tiếp qua giao diện tham

chiếu N11 đến chức năng quản lý phiên (SMF)

Tóm lại AMF có những chức năng chính như sau:

• Quản lý đăng ký

• Quản lý kết nối

• Quản lý di động

• Cung cấp đường truyền tin giữa UE và SMF

• Là máy chủ ngầm để định tuyến gói tin

• Xác thực truy cập

h

• Chức năng neo bảo mật

• Quản lí dịch vụ vị trí cho các dịch vụ quy định

• Thông báo sự kiện di động UE

2.2.2 SMF (Session Management Function)

• Thực hiện chức năng quản lý phiên, phân bố địa chỉ IP cho các UE

• Gửi QOS và thông tin tới RAN thông qua AMF

• Chọn và điều khiển UPF để định tuyến lưu lượng SMF gửi tin đến UPF qua

giao diện N4

• Chức năng chọn UPF thông qua MEC sẽ lựa chọn UPF nào thích hợp nhất để

kết nối với SMF

• Trong quá trình thiết lập và sửa đổi phiên, SMF cũng tương tác với PCF qua

giao diện N7 để lấy dữ liệu và các thông tin cần thiết từ PCF

• SMF thực hiện vai trò của máy chủ DHCP (là một giao thức cho phép cấp phát

địa chỉ IP một cách tự động cùng với các cấu hình liên quan khác như

subnetmark và gateway mặc định) và hệ thống quản lý địa chỉ IP

• Cùng với UPF, SMF duy trì một bản ghi trạng thái phiên PDU bằng ID phiên

và PDU 24 bit SMF thiết lập tham số cấu hình trong UPF xác định tham số

điều khiển lưu lượng và đảm bảo định tuyến các gói phù hợp trong khi đảm

bảo phân phối các gói đến, mặc dù có thông báo dữ liệu đường xuống( down

link)

• SMF chịu trách nhiệm kiểm tra xem UE có tuân thủ các đăng ký người dùng và

tính phí kết nồi hay không.để thực hiện điều này thì SMF tương tác với CHF

2.2.3 UPF (The User Plane Function)

UPF kết nối với Gnodeb qua giao diện N3,kết nồi với SMF qua giao diện N4 ,kết

nối với DN qua giao diện N6 và kết nối với các UPF khác qua giao diện N9.Sau

đây là các chức năng của UPF:

• UPF là điểm neo cho tính di động intra/inter RAT(công nghệ truy cập vô tuyến

của cùng thế hệ mạng hay giữa các thế hệ mạng với nhau)

• Là điểm phiên PDU bên ngoài kết nồi với DN (mạng dữ liệu)

• UPF định tuyến và chuyển tiếp gói tin (ví dụ:hỗ trợ quá trình phân loại của

đường lên uplink để định tuyến luồng lưu lượng đến một trường hợp của mạng

dữ liệu)

h

• UPF thực hiện kiểm tra gói tin và xử lý QoS, ví dụ như lọc gói, thực thi tốc độ

UL/DL, đánh dấu QoS phản chiếu trong Down link Phân loại các gói tin theo

QoS rồi sau đó chuyển các phiên PDU tới UE

• Báo cáo việc sử dụng lưu lượng

• Đánh dấu gói tin vận chuyển trong đường lên và đường xuống

2.2.4 PCF (Policy Control Function)

PCF kết nồi với AMF qua giao diện N15,kết nối với SMF qua giao diện N7,kết

nồi với AF qua giao diện N5.PCF có các chức năng sau:

• Hỗ trợ khung chính sách thống nhất để điều chỉnh chế độ mạng

• Cung cấp các chính sách cho CPF để thực thi chúng

• Truy cập thông tin đăng ký có liên quan đến các quyết định chính sách trong

UDR

• Là nơi cắt mạng,chuyển vùng ,quản lý di động

2.2.5 AF (Application Function)

AF kết nối với PCF qua giao diện N5:

• Chức năng ứng dụng: hoàn thành vai trò của một máy chủ ứng dụng

• tương tác với khung chính sách để kiểm soát chính sách

• Truy cập chức năng phơi sáng mạng thông qua NEF để tương tác các chức

năng mạng có liên quan

2.2.6 NSSF (Network Slice Selection Function)

Kết nồi với AMF qua giao diện N22:

• Xác định AMF nào sẽ được sử dụng để phục vụ cho UE dựa trên cấu hình,danh

sách các AMF bằng cách truy vấn NRF

• Chuyển hướng lưu lượng truy cập đến 1 lát mạng, các lát mạng có thể xác định

cho các thuê bao khác nhau

• Lựa chọn lat mạng để phục vụ UE

• Xác định NSSAI và nếu cần thì ánh xạ tơi S-NSSAI

2.2.7 AUSF (Authentication Server Function)

AUSF kết nối với AMF qua giao diện N12 và UDM qua giao diện N13:

• Triển khai máy chủ xác thực

• Là nơi lưu trữ chìa khóa xác thực

2.2.8 UDM (Unified Data Management)

UDM kết nồi với SMF qua giao diện N10 và AUSF qua giao diện N13.UDM bao

gồm UDR và FE

h

• Xử lý nhận dạng người dùng

• Ủy quyền truy cập dựa trên dữ liệu đăng ký (ví dụ : hạn chế chuyển vùng)

• Quản lý đăng ký

• Chức năng đánh chặn hợp pháp

• Quản lý SMS:để thực hiện được chức năng này UDM sử dụng dữ liệu đăng ký

(bao gồm dữ liệu xác thực) được lưu trữ trong UDR

2.2.9 NEF (Network Exposure Function)

NEF hỗ trợ các chức năng độc lập sau:

• Lưu trữ /truy xuất thông tin dưới dạng dữ liệu có cấu trúc bằng giao diện được

tiêu chuẩn hóa đến kho lưu trữ UDR

• NEF có thể truy cập UDR nằm trong cùng 1 PLMN

• Cung cấp bảo mật thông tin từ ứng dụng bên ngoài vào mạng

• Xác thực,ủy quyền và hỗ trợ điều chỉnh các chức năng ứng dụng

• Dịch thông tin nội bộ từ bên ngoài:dịch giữa thông tin được trao đổi với AF và

thông tin được trao đổi với chức năng mạng bên trong

2.2.10 NRF (NF Repository Function)

Các chức năng mạng khác nhau được kết nối với nhau thông qua giao diện SBI:

• NRF cung cấp chức năng khám phá cho các dịch vụ NF.Nhận yêu cầu khám

phá từ NF và cung cấp thông tin về các NF được phát hiện

• Duy trì hồ sơ NF của các phiên bản NF có sẵn và các dịch vụ được hỗ trợ

Trong bối cảnh cắt mạng,dựa trên triển khai mạng,nhiều NRF có thể được triển

khai ở các cấp độ khác nhau:

• Cấp PLMN (NRF được cấu hình với thông tin cho toàn bộ PLMN)

• Mức chia sẻ lát cắt(NRF được cấu hình với thông tin thuộc về nhóm lát cắt

mạng)

• Mức độ cụ thể của lat cắt(NRF được cấu hình với thông tin thuộc về SNSSAI)

Trong bối cảnh chuyển vùng NRF,nhiều NRF có thể được triển khai trong các