Báo cáo hệ thống viễn thông Đề tài sử dụng phần mềm optisystem Để khảo sát Ảnh hưởng của sợi quang Đến hệ thống thông tin quang

HỌC VIỆN KỸ THUẬT MẬT MÃBÁO CÁO HỆ THỐNG VIỄN THÔNG ĐỀ TÀI SỬ DỤNG PHẦN MỀM OPTISYSTEM ĐỂ KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA SỢI QUANG ĐẾN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG Giảng viên hướng dẫn: Phạm Thị Thú

HỌC VIỆN KỸ THUẬT MẬT MÃ

BÁO CÁO HỆ THỐNG VIỄN THÔNG

ĐỀ TÀI

SỬ DỤNG PHẦN MỀM OPTISYSTEM ĐỂ KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA

SỢI QUANG ĐẾN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

Giảng viên hướng dẫn: Phạm Thị Thúy An Sinh viên thực hiện: Mai Văn Đạt DT040112

Phạm Bích Phượng

Lê Đăng Minh

Hà Nội - 2024

MỤC LỤC

MỤC LỤC ii

CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC BẢNG BIỂU vii

MỤC LỤC HÌNH VẼ viii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN MẠNG DI ĐỘNG 5G 3

1.1 Tổng quan đề tài 3

1.1.1 Giới thiệu về mạng di động 5G 3

1.1.2 Con đường đến thế hệ thứ năm (5G) 4

1.2 Mục tiêu của bài luận 5

1.3 Phạm vi nghiên cứu 6

CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC MẠNG 5G 8

2.1 Kiến trúc tổng quan 8

2.1.1 Nội dung chính hệ thống mạng 5G 8

2.1.2 Mạng truy cập vô tuyến - RAN 15

2.1.3 Mạng lõi – core netwwork 17

2.1.4 Các lớp giao thức 21

2.2 Công nghệ liên quan 24

2.2.1 Small Cells 24

2.2.2 Massive MIMO 24

2.2.3 Beamforming 25

2.2.4 Sóng milimet 5G (mmWave) 27

2.3 So sánh với mạng 4G 28

CHƯƠNG 3 DỊCH VỤ VÀ ĐẶC ĐIỂM NỔI BẬT MẠNG DI ĐỘNG 5G 31

3.1 Dịch vụ cho phép 31

3.1.1 Truyền dữ liệu tốc độ cao 31

3.1.2 Băng thông rộng di động nâng cao (eMBB) 32

3.1.3 Critical Communications (CC) và Ultra Reliable and Low Latency Communications (URLLC) 33

3.1.4 Internet vạn vật khổng lồ (mIoT) 34

3.1.5 Hoạt động mạng linh hoạt 34

3.2 Tính năng nổi bật 35

CHƯƠNG 4 KỸ THUẬT CƠ BẢN TRONG MẠNG 5G 36

4.1 Kỹ thuật truy cập vô tuyến 36

4.1.1 OFDM (Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao) 36

4.1.2 NOMA (Truy cập đa người dùng không trực giao) 39

4.2 Quản lý tài nguyên mạng 42

4.2.1 Network Slicing (Phân mảnh mạng) 42

4.3 SDN (Mạng điều khiển bằng phần mềm) và NFV (Ảo hóa chức năng mạng) 45

4.3.1 Giải pháp đảm bảo an toàn công nghệ SDN 45

4.3.2 Giải pháp đảm bảo an toàn công nghệ NFV 48

4.4 Băng tần và phổ tần 49

4.4.1 Tổng quát 49

4.4.1 So sánh mmWave và Sub-6 GHz 50

Ứng dụng trong triển khai mạng 5G 51

4.5 Bảo mật và mã hóa 51

4.5.1 Mã hóa mạnh mẽ 52

4.5.2 Xác thực và bảo vệ tính toàn vẹn 53

4.5.3 Lợi ích của các biện pháp bảo mật trong 5G 53

4.5.4 Thách thức và hướng phát triển trong bảo mật 5G 53

4.5.5 Kết luận 54

CHƯƠNG 5 HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI 55

5.1 Mở rộng ứng dụng 55

5.1.1 Giao thông thông minh (xe tự hành) 55

5.1.2 Y tế từ xa (telemedicine) 57

5.2 Cải tiến công nghệ 59

5.2.1 Tiềm năng của 6G 59

5.2.2 Tích hợp AI 64

5.3 Thách thức 67 KẾT LUẬN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

NG-RAN Next Generation RadioAccess Network Mạng truy cập vô tuyến thế hệ mới

eMBB Enhanced MobileBroadband Băng thông rộng di động nâng cao URLLC Ultra Reliable Low LatencyCommunications Truyền thông siêu tin cậy và độ trễthấp mIoT Massive Internet of Things Internet vạn vật khổng lồ

OFDM Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần sốtrực giao

NOMA Non-Orthogonal MultipleAccess Truy cập đa người dùng không trựcgiao SDN Software-DefinedNetworking Mạng điều khiển bằng phần mềm

NFV Network FunctionsVirtualization Ảo hóa chức năng mạng

PCF Policy Control Function Chức năng kiểm soát chính sách

AMF Management FunctionAccess and Mobility Chức năng quản lý truy cập và diđộng

SMF Session ManagementFunction Chức năng quản lý phiên UPF User Plane Function Chức năng mặt phẳng người dùng AUSF Authentication ServerFunction Chức năng máy chủ xác thực NSSF Network Slice SelectionFunction Chức năng lựa chọn lát cắt mạng NEF Network Exposure Function Chức năng phơi bày mạng

QAM Quadrature AmplitudeModulation Điều chế biên độ cầu phương

PRB Physical Resource Block Khối tài nguyên vật lý

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Bảng so sánh mạng 4G và 5G 29 Bảng 4.1 So sánh mmWave và Sub-6 GHz 50

MỤC LỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Tổng quan về 5GS 8

Hình 2.2 Kiến trúc 5GS 9

Hình 2.3 Kiến trúc NSA 11

Hình 2.4 Kiến trúc SA 12

Hình 2.5 Kiến trúc trạm gốc 4G/5G (Base Station Architecture) 15

Hình 2.6 Kiến trúc mạng lõi 5G (5G Core Architecture) 17

Hình 2.7 Quy trình luồng cuộc gọi 5G 18

Hình 2.8 Sơ đồ mạng lõi 5G không chuyển vùng 19

Hình 2.9 Sơ đồ chuyển vùng mạng lõi 5G 19

Hình 2.10 Giao thức ngăn xếp mặt phẳng điều khiển giữa UE, 5G-AN, AMF và SMF 21

Hình 2.11 Giao thức ngăn xếp mặt phẳng người dùng giữa UE, 5G-AN và UPF 23

Hình 2.12 Hoạt động của 5G Massive MIMO trong môi trường đa người dùng 25

Hình 2.13 Định hình chùm tia kỹ thuật số (Định hình chùm tia băng tần cơ sở, mã hóa trước) 26

Hình 3.1 Hiệu suất chính của mạng 5G theo tiêu chuẩn IMT-2020 31

Hình 3.2 Băng thông rộng di động nâng cao (eMBB) 33

Hình 3.3 Ultra Reliable and Low Latency Communications (URLLC) 34

Hình 4.1 Phân chia tần số truyền tín hiệu trên các tần số sóng mang liền kề 36

Hình 4.2 Một hệ thống OFDM hoàn chỉnh bao gồm một máy phát (trái) và máy thu (phải) Bộ khuếch đại công suất trong máy phát không được hiển thị 37

Hình 4.3 NOMA đường xuống cho trường hợp một BS (trạm gốc) và hai UE (thiết bị người dùng) 40

Hình 4.4 NOMA cho 5G 41

Hình 4.5 Network Slicing có nhiều tính năng ưu việt 43

Hình 4.6 Ba lớp kết nối trong kiến trúc SDN 47

Hình 5.1 Tương lai xe tự hành 5G 56 Hình 5.2 AI sẽ hỗ trợ những ứng dụng và dịch vụ mới nào với công nghệ 6G 64

MỞ ĐẦU

Trong thời đại công nghệ số, sự phát triển vượt bậc của công nghệ thông tin và truyền thông đã làm thay đổi sâu sắc cách con người sống, làm việc và kết nối với nhau Trong bối cảnh đó, mạng 5G ra đời như một bước ngoặt quan trọng trong lĩnh vực viễn thông, mang đến tốc độ truyền tải dữ liệu vượt trội, độ trễ thấp hơn và khả năng kết nối hàng tỷ thiết bị Không chỉ dừng lại ở việc đáp ứng nhu cầu truyền thông

cơ bản, 5G còn mở ra những cơ hội mới trong các lĩnh vực như giao thông thông minh, y tế từ xa, và xây dựng các thành phố thông minh, góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững của xã hội

Bài luận này tập trung nghiên cứu về mạng 5G với các nội dung chính như sau: Chương 1: Tổng quan về mạng 5G, giới thiệu các khái niệm cơ bản và các ứng dụng tiềm năng của mạng 5G trong đời sống và công nghiệp

Chương 2: Cấu trúc mạng 5G, bao gồm kiến trúc tổng quan và các thành phần chính như mạng truy cập vô tuyến (RAN), mạng lõi (Core Network), cùng các công nghệ liên quan như Small Cell, Massive MIMO, Beamforming, và mmWave

Chương 3: Các dịch vụ và tính năng nổi bật của mạng 5G, từ băng thông di động nâng cao (eMBB), truyền thông siêu tin cậy và độ trễ thấp (URLLC), đến hỗ trợ IoT quy mô lớn

Chương 4: Kỹ thuật cơ bản trong mạng 5G, bao gồm các phương pháp truy cập vô tuyến như OFDM và NOMA, quản lý tài nguyên mạng thông qua Slicing Network, SDN và NFV, cũng như các băng tần và biện pháp bảo mật

Chương 5: Hướng phát triển tương lai của mạng 5G, nhấn mạnh vào việc

mở rộng ứng dụng, cải tiến công nghệ và các thách thức cần giải quyết, đồng thời đưa ra định hướng cho mạng 6G

Bằng cách trình bày có hệ thống và chi tiết các khía cạnh quan trọng của mạng 5G, bài luận hy vọng mang đến cái nhìn toàn diện về công nghệ này, đồng thời làm rõ vai trò của nó trong việc định hình một xã hội kết nối và phát triển bền vững

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Tổng quan

1.1.1 Mục đích

o Sử dụng phần mềm Optisystem để mô phỏng và đánh giá ảnh hưởng

của sợi quang (cụ thể là suy hao) đến chất lượng truyền dẫn quang

o Hiểu và phân tích các tham số chính của hệ thống thông tin quang

1.1.2 Yêu cầu

o Mô phỏng hệ thống thông tin quang với các thông số mặc định và thay đổi để quan sát tác động đến chất lượng tín hiệu

o Sử dụng công suất bộ phát quang theo tháng sinh của sinh viên và tần

số phát quang theo danh sách lớp

1.2 Cơ sở lý thuyết

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG

1 Thực hành theo nội dung bài đã học

1.1 Vẽ sơ đồ hệ thống

 Sơ đồ khối hệ thống bao gồm:

o Bộ phát quang (Laser): Tạo nguồn tín hiệu quang.

o Sợi quang: Môi trường truyền dẫn.

o Bộ thu quang: Nhận và giải mã tín hiệu.

o Thiết bị đo: Spectrum Analyzer, BER Analyzer, Optical Power

Meter, v.v

(Vẽ sơ đồ và chèn hình ảnh từ phần mềm Optisystem.)

1.2 Mô hình mô phỏng

 Cách thiết lập:

o Chọn tốc độ bít: 2,5 Gbps.

o Đặt chiều dài truyền dẫn: 100 km.

o Cài đặt các tham số toàn cục: chiều dài chuỗi (128 bits), số mẫu trên mỗi bit (64 mẫu), tổng số mẫu (8192 mẫu).

o Tùy chỉnh công suất phát và tần số phát quang theo yêu cầu

 Thiết bị đo đặt trong hệ thống:

o Optical Power Meter: Đo công suất quang tại đầu ra

o BER Analyzer: Phân tích tỉ lệ lỗi bit

o Spectrum Analyzer: Hiển thị phổ tín hiệu

1.3 Các tham số mô phỏng chi tiết

 Thông số mặc định:

o Bước sóng: 1300 nm hoặc 1550 nm.

o Công suất nguồn phát: Theo tháng sinh

o Tần số phát quang: 193,n THz (n là số thứ tự trong danh sách lớp).

2 Kết quả mô phỏng

2.1 Kết quả hệ thống ban đầu

 Chụp lại các biểu đồ và số liệu từ phần mềm:

o Dạng sóng tín hiệu quang tại đầu ra

o Công suất quang tại đầu thu

o Tỉ lệ lỗi BER ban đầu

(Chèn hình ảnh hoặc bảng dữ liệu từ phần mềm.)

2.2 Kết quả với các kịch bản thay đổi

 Thay đổi bước sóng: So sánh kết quả giữa 1300 nm và 1550 nm.

 Thay đổi công suất nguồn phát: Ghi nhận ảnh hưởng của tăng/giảm công

suất phát đến BER

 Thay đổi chiều dài sợi quang: Phân tích tác động của độ dài truyền dẫn đến

chất lượng tín hiệu

(Chèn bảng so sánh, biểu đồ, hình ảnh minh họa.)

3 Phân tích kết quả nhận được

 Ảnh hưởng của bước sóng:

o Bước sóng 1550 nm cho suy hao thấp hơn so với 1300 nm, dẫn đến

BER tốt hơn

 Ảnh hưởng của công suất nguồn phát:

o Công suất phát càng lớn, tín hiệu càng mạnh, BER càng thấp Tuy nhiên, công suất quá cao có thể gây méo tín hiệu

 Ảnh hưởng của chiều dài sợi quang:

o Chiều dài tăng, suy hao tín hiệu tăng, BER xấu hơn

(Phân tích kèm biểu đồ hoặc dữ liệu minh họa.)

CHƯƠNG 3 KIẾN THỨC THU ĐƯỢC

 Hiểu về cách sử dụng phần mềm Optisystem để thiết kế, mô phỏng hệ thống thông tin quang

 Nắm được các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu, như bước sóng, công suất phát và chiều dài truyền dẫn

 Kỹ năng đọc và phân tích dữ liệu từ các thiết bị đo quang như BER

Analyzer, Optical Power Meter

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN

 Báo cáo tổng hợp đầy đủ các nội dung yêu cầu từ phần mô phỏng đến phân tích

 Các kịch bản thay đổi tham số giúp làm rõ ảnh hưởng của sợi quang và các yếu tố liên quan đến hệ thống thông tin quang

(Bạn cần bổ sung dữ liệu thực tế từ phần mềm và chèn các biểu đồ, hình ảnh minh họa trực tiếp trong báo cáo để hoàn thiện.)

KẾT LUẬN

Tóm lược nội dung chính

Bài luận đã tổng hợp và phân tích chi tiết những khía cạnh đáng chú ý của mạng 5G Nổi bật nhất là khả năng truyền tải dữ liệu với tốc độ cao, độ trễ gần như bằng không, và khả năng kết nối nhiều thiết bị đồng thời Các tiến bộ kỹ thuật như MIMO, Network Slicing, và điện toán biên đã được phân tích như là nền tảng cho việc phát triển của mạng 5G Tài liệu cũng đã so sánh những điểm khác biệt vượt trội giữa 5G và 4G, nhấn mạnh rằng 5G không chỉ là một cải tiến mà là một cuộc cách mạng về công nghệ viễn thông

Nhận định của nhóm

Mạng 5G được xem là nền tảng quan trọng thúc đẩy đổi mới công nghệ trong nhiều lĩnh vực như y tế thông minh, giao thông tự động, và công nghiệp 4.0 Khả năng kết nối vạn vật (IoT) giúp mạng 5G hứa hẹn trở thành hạ tầng chính cho xã hội số và góp phần tiết kiệm năng lượng nhờ hiệu quả tiêu thụ Tuy nhiên, việc triển khai 5G vẫn còn đối mặt với những thách thức như chi phí cao, yêu cầu hạ tầng lớn, và vấn đề bảo mật

Hướng nghiên cứu tiếp theo

 Tăng cường hiệu suất mạng: Tiếp tục tối ưu hóa các công nghệ như

mMIMO, beamforming, và quản lý tài nguyên nhằm cải thiện phạm vi phủ sóng và hiệu quả truyền tải

 Phát triển ứng dụng IoT: Tăng cường nghiên cứu và ứng dụng IoT trong

các ngành công nghiệp và giao thông thông minh, đặc biệt là trong các môi trường đô thị đông đúc

 Bảo mật mạng 5G: Đệ xuất các giao thức bảo mật tiên tiến nhằm khắc

phục lỗ hổ và nâng cao tính toàn vẹn dữ liệu

 Khám phá 6G: Chuẩn bị các nghiên cứu định hướng cho thế hệ tiếp theo,

tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) và công nghệ lượng tử để đáp ứng nhu cầu không ngừng tăng lên của xã hội

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] TS Nguyễn Như Hiền, TS Lại Khắc Lãi (2007), "Hệ mờ & Nơron trong kỹ thuật điều khiển", Nhà xuất bản Khoa học tự nhiên và công nghệ Hà Nội

[2] ARM Keil (2020), Guide to Cortex-M Voice Solutions Truy cập từ:

https://armkeil.blob.core.windows.net/developer/Files/pdf/white-paper/guide-to-cortex-m-voice-solutions.pdf

[3] Google AI (2023), "Build and Convert Model for Edge Devices" Truy cập từ: https://ai.google.dev/edge/litert/microcontrollers/build_convert?

hl=vi#model_conversion

[4] Deep Learning for Beginners Truy cập từ: https://tailieusharefree.blogspot.com/2023/10/deeplearningforbeginner.html

[5] Viblo (2023), "Nhận diện Text trong Hình ảnh với CRNN+CTC" Truy cập từ: htt ps://viblo.asia/p/nhan-dien-text-trong-hinh-anh-voi-crnnctc-Eb85o9rBZ2G

[6] "[NN] Mạng nơ-ron nhân tạo - Neural Networks" Truy cập từ: https://viblo.asia/p/NN-Mang-no-ron-nhan-tao-neural-networks

[7] "Ứng dụng neural network vào nhận dạng tiếng nói trên kit ARM Cortex-M3" Truy cập từ: https://123docz.net/document/3023063-ung-dung-neural-network-vao-nhan-dang-tieng-noi-tren-kit-arm-cortex-m3.htm

[8] Ben J Shannon, Kuldip K Paliwal (2003), "A Comparative Study of Filter Bank Spacing for Speech Recognition", Microelectronic Engineering Research Conference

[9] Deller John R., Jr., Hansen John J.L., Proakis John G., "Discrete-Time Processing

of Speech Signals", IEEE Press, ISBN 0-7803-5386-2

[10] “Learn to Build Your First Speech-to-Text Model in Python” Analytics Vidhya

Truy cập từ: https://www.analyticsvidhya.com/blog/2019/07/learn-build-first-speech-to-text-model-python/

[11] NVIDIA OpenSeq2Seq Documentation (2019), "Speech Recognition Models" Truy cập từ: https://nvidia.github.io/OpenSeq2Seq/html/speech-recognition.html#models

[12] YouTube (2020), "Neural Networks: Speech Recognition" Truy cập từ: https://www.youtube.com/watch?v=qKz_lmgad3o

[13] YouTube (2021), "End-to-End Speech Recognition System with CRNN and

v=C1NZWhq8NIk&list=PLdYUksKpxbttF4KHL8CsnDy_EvbOOnixT