BÁO CÁO MÔN HỌC BÁO HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI ĐỀ TÀI Lát cắt mạng, QoS và chức năng mạng lõi 5G

BÁO CÁO MÔN HỌC BÁO HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI ĐỀ TÀI Lát cắt mạng, QoS và chức năng mạng lõi 5G BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA VIỄN THÔNG I ------ BÁO CÁO MÔN HỌC BÁO HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI ĐỀ TÀI Lát cắt mạng, QoS và chức năng mạng lõi 5G

Chức năng mạng lõi 5G

Yêu cầu về mạng lõi

Yêu cầu về hoạt động của mạng (IMT-2020):

Mạng cần có tính linh hoạt và khả năng lập trình để đáp ứng đa dạng thiết bị, người dùng và ứng dụng, đồng thời phải xử lý các yêu cầu ngày càng tăng từ mỗi loại.

 Hội tụ di động cố định: cho phép truy cập thông qua các loại mạng đa truy nhập theo kiểu tích hợp, liền mạch

 Quản lý tính di động nâng cao: Mạng phải hỗ trợ nhiều tùy chọn di động

Mạng cần cung cấp các phương thức phù hợp để hiển thị khả năng và thông tin liên quan của mình cho các bên thứ ba, nhằm đảm bảo khả năng tiếp xúc mạng hiệu quả.

 Khả năng nhận dạng và xác thực: Cần có một cách tiếp cận thống nhất đối với cơ chế xác thực và nhận dạng người dùng và thiết bị

Mạng cần triển khai các cơ chế hiệu quả nhằm đảm bảo tính bảo mật và bảo vệ dữ liệu cá nhân cho đa dạng thiết bị, người dùng và dịch vụ khác nhau.

Cơ chế báo hiệu hiệu quả cần được thiết kế nhằm giảm thiểu rủi ro kiểm soát và tắc nghẽn lưu lượng dữ liệu Hơn nữa, mạng cũng nên cung cấp các giao thức và cơ chế báo hiệu nhẹ, phù hợp với các thiết bị có tài nguyên hạn chế.

 Kiểm soát chất lượng dịch vụ: Mạng phải hỗ trợ các mức QoS khác nhau cho các dịch vụ và ứng dụng khác nhau

 Quản lý mạng: Mạng phải cung cấp một khung quản lý mạng thống nhất

 Tính phí: cần hỗ trợ các chính sách và yêu cầu tính phí khác nhau của các nhà khai thác mạng và nhà cung cấp dịch vụ

 Tương tác với các mạng không đồng loại: hỗ trợ người dùng liên kết với các mạng kế thừa khác

 Triển khai mở rộng mạng: thiết kế phải phù hợp với việc triển khai gia tăng các dịch vụ

Yêu cầu hiệu quả của mạng: gồm 4 khả năng

 Hiệu quả tài nguyên: Mạng 5G cần được tối ưu hóa để hỗ trợ các thiết bị và dịch vụ đa dạng của người dùng (UE)

5G tối ưu hóa hiệu quả trải nghiệm người dùng cho các ứng dụng dựa trên đám mây bằng cách giảm độ trễ và tăng tốc độ dữ liệu Trong những trường hợp yêu cầu truyền dữ liệu lớn hoặc nhạy cảm về thời gian, việc định vị các ứng dụng trong môi trường lưu trữ dịch vụ gần người dùng cuối là rất quan trọng Điều này giúp cải thiện khả năng xử lý và đáp ứng nhanh chóng, mang lại trải nghiệm mượt mà cho người dùng.

Để phân phối nội dung hiệu quả, các dịch vụ video như phát trực tiếp và thực tế ảo tạo ra áp lực lớn cho mạng di động Mạng 5G đáp ứng nhu cầu này bằng cách tối ưu hóa việc lưu trữ nội dung gần người dùng cuối, chẳng hạn thông qua điện toán biên đa truy cập, nhằm giảm thiểu độ trễ và cải thiện trải nghiệm người dùng.

Hiệu suất năng lượng là yếu tố quan trọng đối với thiết bị di động, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến việc sử dụng pin Do đó, thiết kế 5G cần giảm thiểu gánh nặng tín hiệu điều khiển lên các thiết bị này.

Mô hình kết nối

*Mạng 5G hỗ trợ cả mô hình kết nối trực tiếp và gián tiếp cho thiết bị của người dùng (UE)

Kết nối 3GPP trực tiếp cho phép cảm biến giao tiếp hiệu quả với máy chủ ứng dụng hoặc các thiết bị khác thông qua mạng 5G, như trong trường hợp camera giám sát kết nối không dây với 5G.

Kết nối 3GPP gián tiếp cho phép các thiết bị đeo thông minh, như đồng hồ theo dõi nhịp tim, kết nối với mạng 5G thông qua điện thoại thông minh qua Bluetooth.

Kết nối thiết bị trực tiếp cho phép các thiết bị sinh trắc học giao tiếp với nhau hoặc với điện thoại thông minh, như trong trường hợp kết nối giữa thiết bị theo dõi thể dục và điện thoại thông minh.

Hình 1.1 Các chế độ kết nối cho thiết bị

Kiến trúc chức năng mạng lõi

Hình 1.2 Kiến trúc hệ thống 5G không chuyển vùng

*Tóm tắt chức năng của từng chức năng mạng (NF)

1 Hàm ứng dụng(AF): cung cấp thông tin liên quan đến phiên làm việc để SMF có thông tin để quản lý, có chức năng của một máy chủ ứng dụng tương tác kiểm soát các chính sách, truy cập chức năng phơi sáng qua NEF để tương tác các chức năng mạng có liên quan

2 Hàm quản lý di động và truy cập cốt lõi (AMF): quản lý định tuyến gói tin, cung cấp đường truyền tin giữa UE và SMF,chức năng bảo mật AMF nhận và xử lý các yêu cầu phiên từ UE và mạng vô tuyến đồng thời chuyển tiếp sang cho SMF, nó xác định SMF nào phù hợp bằng cách truy vấn NRF trong quá trình xác thực UE nó tương tác với AUSF để lấy thông tin bảo mật

3 Hàm quản lý phiên(SMF): cung cấp kết nối(một phiên PDU) cho UE và điều khiển kết nối đó(ví dụ như lựa chọn lại các hàm chức năng người dùng và đường dẫn, thực hiện các chính sách tính phí v.v)

4 Hàm mặt phẳng người dùng(UPF): thực hiện định tuyến và chuyển tiếp lưu lượng

,xử lý QoS,phân loại các gói tin QoS rồi chuyển các phiên PDU tới UE

5 Hàm kiểm soát chính sách (PCF): kiểm soát và quản lý các quy tắc chính sách, bao gồm các quy tắc về thực thi QoS tính phí và vận chuyển lưu lượng

6 Hàm lựa chọn lát cắt mạng(NSSF): chọn các cá thể lát cắt mạng thích hợp cho UE

Khi UE yêu cầu đăng ký mạng, AMF sẽ gửi yêu cầu chọn lát cắt mạng tới NSSF kèm theo thông tin ưu tiên NSSF sau đó sẽ phản hồi bằng cách cung cấp danh sách các lát cắt phù hợp với UE.

7 Hàm máy chủ xác thực(AUSF): cho phép triển khai máy chủ xác thực và là nơi lưu trữ khóa xác thực

8 Quản lý dữ liệu thống nhất(UDM): chịu trách nhiệm cấp quyền và quản lý đăng ký:hoạt động với AMF và AUSF như sau: AMF cung cấp các dịch vụ xác thực, ủy quyền và quản lý tính di động của UE AUSF lưu trữ dữ liệu để xác thực UE và UDM lưu trữ dữ liệu đăng ký UE

9 Chức năng phơi sáng mạng (NEF): Thể hiện khả năng của các chức năng mạng và các phần mạng như một dịch vụ cho các bên thứ ba Để hiển thị các khả năng, NEF lưu trữ thông tin khả năng và cung cấp thông tin đó theo yêu cầu khám phá khả năng

10 Hàm kho lưu trữ mạng(NRF) : Hỗ trợ khám phá và lựa chọn các chức năng mạng cần thiết (NF), Mỗi cá thể NF tự đăng ký khi được khởi tạo và cập nhật trạng thái của nó (tức là kích hoạt / hủy kích hoạt) để NRF có thể duy trì thông tin về các cá thể chức năng mạng khả dụng.

Đường hầm IP

Trước khi đi vào phiên, cần hiểu rõ về khái niệm đường hầm IP, nơi các trạm gốc (gNB) kết nối với mạng lõi, đóng vai trò quan trọng trong việc thiết lập các kết thúc giao tiếp giữa mặt phẳng người dùng và mặt phẳng điều khiển đối với thiết bị người dùng (UE) Kết nối này tồn tại giữa gNB và hai thành phần chính của mạng lõi: AMF và UPF.

Người dùng thiết bị (UE) có thể gửi một gói IP đến một điểm cuối trên mạng internet thông qua ba giai đoạn giao tiếp, bắt đầu từ mạng truy cập vô tuyến (RAN).

13 cung cấp kết nối không dây giữa thiết bị người dùng (UE) và gNB Nó sử dụng một liên kết, thường là đường dây, giữa gNB và mạng lõi Hơn nữa, liên kết này kết nối mạng lõi với các điểm cuối trên internet.

Quá trình truyền một gói IP từ thiết bị người dùng (UE) bắt đầu khi UE tạo ra gói IP với tiêu đề chứa địa chỉ IP nguồn và đích Gói này được gửi qua mạng truy cập vô tuyến (RAN) đến gNB, nhưng gNB không kết nối trực tiếp với Internet mà thông qua mạng lõi với kết nối cáp quang Để chuyển gói IP đến UPF quản lý phiên cho UE, gNB sẽ đóng gói gói IP ban đầu bằng cách thêm một tiêu đề IP mới, trong đó có địa chỉ IP nguồn của gNB và địa chỉ IP đích của UPF Quá trình này, gọi là đào hầm, biến gói IP gốc thành một khối dữ liệu trong gói IP mới, và đường dẫn từ gNB đến UPF được gọi là đường hầm CN.

Trong đường hầm, có thể xuất hiện nhiều đường thông tin, và tiêu đề của gói đường hầm sẽ bao gồm một ID điểm cuối đường hầm (TEID), ví dụ như TEID_cn5.

Trong mạng di động, nhiều UE sẽ kết nối với gNB và mỗi UE có thể tạo ra một hoặc nhiều đường hầm CN cho cùng một UPF Mạng lõi cần phân biệt các đường hầm thuộc về từng UE, và TEID đóng vai trò quan trọng trong việc này Đường hầm CN là một chiều, cung cấp kết nối lên cho UE, trong khi để đảm bảo trao đổi dữ liệu hai chiều, cần có một đường hầm AN một chiều tương tự Đường hầm AN sẽ được UPF thêm tiêu đề IP kèm theo TEID, và phần đầu này sẽ bị gNB loại bỏ trước khi gói tin được gửi đến UE.

Phiên PDU

Phiên PDU, hay còn gọi là phiên, là mối liên kết giữa thiết bị người dùng (UE) và mạng dữ liệu, cung cấp dịch vụ kết nối PDU Dịch vụ này cho phép trao đổi các PDU giữa UE và mạng dữ liệu, chẳng hạn như Internet.

Hình 1.4 Mô hình kết nối phiên PDU Để cũng cấp QoS trong phiên PDU , ta có các luồng QoS:

Hình 1.5 Luồng QoS chạy trong phiên PDU

Mỗi luồng QoS trong môi trường người dùng sẽ được cung cấp một chất lượng dịch vụ cụ thể Tuy nhiên, có thể có lưu lượng truy cập với các yêu cầu QoS khác nhau, dẫn đến việc nhiều luồng QoS hoạt động trong cùng một phiên PDU Để phân biệt giữa các luồng này, mỗi luồng QoS sẽ được gán một ID riêng biệt.

Các bước thiết lập một phiên PDU:

Để thiết lập phiên PDU mới, UE tạo một ID phiên PDU và gửi thông báo yêu cầu thiết lập phiên PDU đến AMF.

Trong bước 2, AMF xác định rằng thông báo nhận được tương ứng với yêu cầu tạo một phiên PDU mới Tiếp theo, ở bước 3, AMF gửi yêu cầu Nsmf_PDUSession_CreateSMContext đến SMF để thiết lập ngữ cảnh phiên PDU.

Dựa trên dữ liệu từ UE, SMF tương tác với UDM và PCF để thu thập thông tin cần thiết cho việc tạo phiên PDU và xác định tính hợp lệ của yêu cầu.

Bước 5 Từ SMF đến AMF: Nếu yêu cầu hợp lệ, SMF trả về Phản hồi

Nsmf_PDUSession_CreateSMContext, bao gồm thông tin ngữ cảnh SM

Bước 6 Xác thực / ủy quyền phụ tùy chọn: Nếu phiên yêu cầu xác thực và ủy quyền, điều này được thực hiện

Bước 7 Mục đích của bước 7 là nhận được chính sách và kiểm soát tính phí (PCC) quy tắc trước khi chọn phiên bản UPF Bước 7 có hai bước phụ:

Bước 7a, SMF tiến hành chọn một cá thể PCF cho phiên PDU Trong quá trình này, có nhiều yếu tố cần được xem xét để phát hiện và lựa chọn PCF phù hợp cho phiên.

Bước 7b, SMF có khả năng thành lập hiệp hội chính sách SM để thiết lập liên kết quản lý phiên (SM) với PCF, đồng thời nhận các quy tắc PCC mặc định cho phiên PDU.

Trong bước 8, nếu yêu cầu thiết lập phiên PDU là "Yêu cầu ban đầu", SMF sẽ chọn một hoặc nhiều UPF cần thiết Đối với phiên PDU loại IP, SMF sẽ phân bổ địa chỉ IP (tiền tố) cho phiên PDU Nếu yêu cầu là "phiên PDU hiện có", SMF sẽ duy trì cùng một địa chỉ IP (tiền tố) đã được cấp cho UE.

Bước 9, SMF có khả năng thực hiện liên kết chính sách SM thông qua việc khởi xướng thủ tục sửa đổi khi đáp ứng các điều kiện kích hoạt yêu cầu kiểm soát chính sách Yêu cầu này liên quan đến việc SMF xác định các điều kiện để tương tác lại với PCF sau khi thiết lập phiên PDU.

Bước 10 SMF bắt đầu một thủ tục thiết lập phiên với UPF đã chọn Điều này liên quan đến hai bước sau

Trong bước 10a, SMF gửi yêu cầu thiết lập phiên đến UPF, đồng thời cung cấp các quy tắc phát hiện gói, thực thi và báo cáo đã được cài đặt trên UPF cho phiên PDU này.

Bước 10b UPF xác nhận bằng cách gửi thiết lập phiên phản ứng

Bước 11: Chuyển từ SMF sang AMF, SMF yêu cầu AMF gửi thông tin SM cho phiên PDU đến UE và AN Bản tin báo hiệu chuyển SM tới AMF chứa ID phiên PDU, giúp AMF xác định AN nào sẽ được sử dụng để kết nối tới UE.

Bước 12 AMF tới AN: AMF gửi thông tin liên quan đến phiên tới AN liên quan đến thông tin nhận được từ SMF

Bước 13 AN đến UE: AN thiết lập một đường hầm AN giữa gNB và mạng lõi cho phiên PDU AN truyền tải thông tin liên quan đến phiên tới UE, dựa trên dữ liệu nhận được từ SMF.

Bước 14 AN tới AMF: AN gửi một tin nhắn phản hồi tới AMF với Thông tin đường hầm

AN và các thông tin khác liên quan đến SM

Bước 15 AMF tới SMF: AMF chuyển tiếp thông tin SM nhận được từ AN đến SMF thông qua một bản tin yêu cầu ngữ cảnh

Bước 16 trong quy trình trao đổi SMF-UPF diễn ra khi SMF gửi yêu cầu sửa đổi phiên thông điệp tới UPF, kèm theo thông tin đường hầm AN và các quy tắc chuyển tiếp tương ứng UPF sẽ phản hồi SMF bằng thông báo phản hồi sửa đổi phiên RP-su Sau đó, UPF cung cấp các PDU đường xuống cho UE Nếu UE đã được xác thực, SMF sẽ tiến hành đăng ký phiên PDU với UDM bằng cách cung cấp thông tin SM.

Bước 16a, SMF khởi động quy trình sửa đổi phiên với UPF, cung cấp thông tin về đường hầm AN và các quy tắc chuyển tiếp cần thiết cho UPF.

Bước 17 SMF đến AMF: Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext phản hồi (nguyên nhân):

SMF phản hồi yêu cầu ngữ cảnh từ AMF ở bước 15, sau đó AMF tiếp tục chuyển các sự kiện liên quan mà SMF đã đăng ký, như báo cáo vị trí và thông tin về UE di chuyển vào hoặc ra khỏi khu vực quan tâm.

Bước 18 (Có điều kiện) SMF đến AMF: Nếu bất kỳ lúc nào sau bước 5, PDU thiết lập phiên không thành công, SMF thông báo cho AMF bằng cách gọi

Kết luận

Phần 1 đã trình bày các vấn đề về mạng lõi 5G , khái niệm và các hàm chức năng cùng với phiên làm việc 1.1 đã đưa ra được những yêu cầu cơ bản và yêu cầu về hoạt động của mạng do 3GPP đặt ra, sau đó 1.2 đã đưa ra mô hình kết nối của 5G ,1.3 cho chúng ra kiểm tra kiến trúc chức năng của mạng lõi, kế đến là giải thích về khái niệm đường hầm trong mạng 5G và cuối cùng đó chính là khía cạnh hoạt động chính của mạng lõi, đó là thiết lập phiên làm việc PDU

QoS và khả năng QoS

Khả năng QoS

Khả năng QoS và SLA đi kèm phục vụ hai mục đích:

 Cho phép các mạng cung cấp các mức QoS khác nhau cho khách hàng trên cơ sở yêu cầu của khách hàng

 Phân bổ tài nguyên mạng hiệu quả, phát huy tối đa dung lượng hiệu quả

ITU-T Y.3106 (Yêu cầu chức năng về chất lượng dịch vụ đối với mạng IMT-2020, Tháng

4 năm 2019) xác định quy trình quản lý vòng đời QoS bao gồm toàn bộ phạm vi khả năng liên quan đến việc cung cấp QoS ( Hình 2.1 )

Hình 2.1: Khả năng QoS Cấp cao của Mạng IMT-2020

BẢNG 2.1 Danh mục quản lý QoS ( 4 loại )

QoS lập kế hoạch Quá trình xác định các cơ chế và dịch vụ được thực hiện trên mạng

QoS cung cấp quá trình cấu hình và duy trì các phần tử mạng được lựa chọn dựa trên SLA của khách hàng và hiệu suất chất lượng quan sát được.

Quá trình giám sát QoS bao gồm việc thu thập số liệu thống kê, lỗi và cảnh báo Dữ liệu này được sử dụng để tạo ra các báo cáo phân tích, từ đó giúp thực hiện các thay đổi và nâng cấp mạng hiệu quả.

Tối ưu hóa QoS là quá trình giám sát và xử lý dữ liệu nhằm xác định các chỉ số chất lượng mạng và dịch vụ Khi phát hiện mức chất lượng không đạt yêu cầu, hệ thống sẽ tự động thực hiện các hành động khắc phục cần thiết.

Các yêu cầu quan trọng đối với việc lập kế hoạch QoS bao gồm:

 Hỗ trợ lập kế hoạch QoS theo hướng dịch vụ cho mạng IMT-2020

 Hỗ trợ mô hình động các tình huống sử dụng IMT-2020 đa dạng

 Chuyển đổi mô hình dịch vụ sang mô hình lưu lượng một cách chính xác

 Hỗ trợ ước tính chính xác về phạm vi phủ sóng, dung lượng, tài nguyên và các yêu cầu của mạng

 Ước tính và phân bổ tài nguyên mạng theo cách hiệu quả tối đa hóa việc sử dụng

 Hỗ trợ định tuyến nhận biết QoS để đáp ứng các yêu cầu dịch vụ khác nhau về độ trễ, băng thông, thông lượng, cân bằng tải, chi phí, v.v

Yêu cầu cung cấp QoS như sau:

 Hỗ trợ E2E QoS cho các tình huống sử dụng IMT-2020 đa dạng

 Hỗ trợ dịch SLA tập trung vào dịch vụ sang mô tả lát mạng hướng đến tài nguyên

Hỗ trợ cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS) đầu cuối hiệu quả nhờ vào khả năng chế độ xem mạng toàn cầu, chức năng mạng mềm hóa theo yêu cầu, cùng với quản lý phân chia mạng tự động và điều phối.

 Hỗ trợ kiểm soát QoS thống nhất và không thể truy cập (truy cập cố định hoặc di động) từ quan điểm mạng lõi (CN)

 Hỗ trợ liên kết và ánh xạ QoS thích hợp giữa UE, AN, CN và các mạng dữ liệu (DN) khác

 Hỗ trợ mức độ chi tiết QoS tốt hơn dựa trên các luồng để đáp ứng các yêu cầu dịch vụ khác nhau

Hệ thống hỗ trợ thực thi QoS thông qua việc phân loại luồng, đánh dấu, và tránh tắc nghẽn Nó cũng thực hiện định hình hàng đợi và lập lịch hàng đợi dựa trên các quy tắc QoS để đảm bảo hiệu suất mạng tối ưu.

- Các yêu cầu giám sát QoS như sau:

 Cung cấp cơ chế hỗ trợ giám sát QoS E2E theo thời gian thực

 Cung cấp giao diện cho các ứng dụng để giám sát QoS

Chúng tôi cam kết đáp ứng yêu cầu của người dùng được ủy quyền bằng cách cung cấp thông tin giám sát chất lượng dịch vụ (QoS) theo thời gian thực trong khoảng thời gian nhất định sau khi nhận được yêu cầu.

 Cung cấp thông tin sự kiện và tham số QoS theo thời gian thực cho ứng dụng hoặc thực thể mạng được ủy quyền

 Hỗ trợ cập nhật hoặc làm mới tốc độ để theo dõi QoS theo thời gian thực trong một thời gian nhất định

Ghi chép lịch sử các sự kiện QoS là rất quan trọng, bao gồm việc ghi nhận các phần của SLA không được đáp ứng, cùng với dấu thời gian và vị trí của những sự kiện này.

 Hỗ trợ các mức độ chi tiết khác nhau để giám sát QoS

- Các yêu cầu tối ưu hóa QoS như sau:

 Hỗ trợ phát hiện bất thường QoS thông minh dựa trên phân tích dữ liệu QoS

 Hỗ trợ dự đoán lưu lượng dựa trên phân tích dữ liệu QoS

 Hỗ trợ dự đoán bất thường QoS dựa trên phân tích dữ liệu QoS

 Hỗ trợ tối ưu hóa QoS để cung cấp và đảm bảo mức hiệu suất dịch vụ mong muốn trong suốt vòng đời của dịch vụ

Khung kiến trúc QoS

Khuyến nghị Y.1291, được ban hành vào tháng 5 năm 2004, thiết lập khung kiến trúc hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QoS) trong mạng gói, cung cấp cái nhìn tổng quan về các cơ chế và dịch vụ cần thiết để đảm bảo QoS hiệu quả.

Khung Y.1291 thiết lập các cơ chế mạng chung nhằm điều khiển phản hồi của dịch vụ mạng đối với yêu cầu dịch vụ, có thể áp dụng cho các phần tử mạng riêng lẻ hoặc để báo hiệu và quản lý lưu lượng giữa các phần tử mạng Các yếu tố này được tổ chức thành ba mặt phẳng: dữ liệu, kiểm soát và quản lý, như thể hiện trong Hình 2.2.

Mặt phẳng điều khiển

Mặt phẳng điều khiển là thành phần quan trọng trong mạng, chịu trách nhiệm cho các cơ chế quản lý và điều hành Nó bao gồm các yếu tố như thỏa thuận mức dịch vụ (SLA), khôi phục lưu lượng, đo lường và ghi lại lưu lượng truy cập, cùng với việc thiết lập các chính sách quản trị Mặt phẳng điều khiển ảnh hưởng đến cả hoạt động của mạng và mặt phẳng dữ liệu, đảm bảo hiệu suất và sự ổn định cho hệ thống.

Một thỏa thuận mức dịch vụ (SLA) là một hợp đồng giữa khách hàng và nhà cung cấp dịch vụ, trong đó xác định các tiêu chí về mức độ sẵn có, khả năng phục vụ, hiệu suất và các thuộc tính khác liên quan đến dịch vụ.

Đo lường và ghi nhận lưu lượng truy cập là cần thiết để giám sát các thuộc tính động của luồng dữ liệu, thông qua việc sử dụng các chỉ số hiệu suất như tốc độ dữ liệu và tỷ lệ mất gói.

 Khôi phục lưu lượng đề cập đến phản ứng của mạng đối với các lỗi

Chính sách là một tập hợp các quy tắc quan trọng nhằm quản trị, quản lý và kiểm soát quyền truy cập vào tài nguyên mạng.

Phân loại, đánh dấu và phân biệt QoS

Tài liệu 3GPP TS 23.501 sử dụng các thuật ngữ sau:

 Phân loại lưu lượng: Nhóm lưu lượng truy cập thành các lớp dựa trên các giá trị

QoS do người dùng xác định

 Đánh dấu mặt phẳng người dùng: Đánh dấu các gói để cho biết chúng thuộc phân loại QoS nào

 Sự khác biệt QoS: Sử dụng một bộ giá trị QoS khác nhau cho các loại lưu lượng truy cập khác nhau

Hình 2.3 từ TS 23.501 minh họa các nguyên tắc 5G trong việc phân loại và đánh dấu mặt phẳng lưu lượng người dùng, đồng thời lập bản đồ các luồng QoS Quá trình ánh xạ diễn ra hai lần để đảm bảo chất lượng dịch vụ tối ưu.

Hình 2.3: Các nguyên tắc phân loại, đánh dấu mặt phẳng người dùng và khác biệt trong 5G

 QFI cùng với hồ sơ QoS cho AN

 Đánh dấu luồng QoS (tức là QFI) và thông tin cần thiết để cho phép phân loại

 Thực thi băng thông và đánh dấu lưu lượng trên mặt phẳng người dùng tới UPF

 Các quy tắc QoS cho phép phân loại và đánh dấu lưu lượng trên mặt phẳng người dùng đến UE.

Kiến trúc QoS 3GPP

Hình 2.4 từ TS 38.300 (Nhóm đặc điểm kỹ thuật Mạng truy cập vô tuyến; NR; NR và NG-RAN Mô tả chung; Giai đoạn 2 [Bản phát hành 16]; Tháng 9 năm 2020) cung cấp cái nhìn tổng quan về kiến trúc QoS của 3GPP, bao gồm mạng truy cập vô tuyến (RAN) và mạng lõi (5GC) NG-RAN và 5GC đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) thông qua việc ánh xạ các gói dữ liệu tới các luồng QoS tương ứng.

Tại RAN, sóng vô tuyến có khả năng truyền tải nhiều luồng QoS nếu các thông số hiệu suất đủ đáp ứng Các luồng trong phiên PDU được truyền qua các đường hầm hai chiều đến UPF trong mạng lõi Mạng lõi sẽ thực hiện các chức năng cần thiết để đảm bảo QoS cho từng luồng.

Tham số QoS

5QI, hay còn gọi là định danh 5G QoS, là một giá trị số nguyên dùng để tham chiếu đến các đặc tính chất lượng dịch vụ (QoS) Giá trị này cho phép cấu hình trước sự kết hợp tiêu chuẩn hóa của các đặc tính QoS, giúp các mạng truy cập (AN) và mạng lõi (CN) nhận biết và xử lý các yêu cầu QoS cho mỗi luồng dữ liệu thông qua 5QI.

ARP: Bao gồm 3 thuộc tính:

 Độ ưu tiên ARP: Xác định tầm quan trọng tương đối của luồng QoS

Khả năng sử dụng trước ARP xác định xem một luồng QoS có thể nhận tài nguyên đã được phân bổ cho một luồng QoS khác có mức ưu tiên ARP thấp hơn hay không.

Lỗ hổng bảo mật liên quan đến ARP có thể dẫn đến việc xác định xem luồng QoS có thể bị mất tài nguyên gán cho nó hay không Điều này cho phép luồng QoS với mức ưu tiên ARP cao hơn được chấp nhận, gây ra những rủi ro tiềm ẩn cho hệ thống mạng.

RQA (thuộc tính QoS phản chiếu): Tham số không bắt buộc Một số lưu lượng nhất định trên luồng này có thể sử dụng QoS phản chiếu

Tốc độ luồng bit được chia thành hai loại: Tốc độ bit được đảm bảo (GBR) và tốc độ bit không đảm bảo (non-GBR) GBR đảm bảo cung cấp ít nhất dung lượng tốc độ bit tối thiểu cho luồng, trong khi luồng QoS không phải GBR không đảm bảo tốc độ bit Các thông số của luồng QoS GBR rất quan trọng để duy trì chất lượng dịch vụ.

Tốc độ luồng bit đảm bảo (GFBR) cho cả uplink (UL) và downlink (DL) thể hiện tốc độ bit mà mạng cam kết cung cấp cho luồng chất lượng dịch vụ (QoS) trong khoảng thời gian trung bình.

 Tốc độ luồng bit tối đa (MFBR) UL và DL: Giới hạn tốc độ bit ở tốc độ bit cao nhất được mong đợi ở luồng QoS

Kiểm soát thông báo: Tham số này cho biết liệu thông báo có được yêu cầu từ NG-

RAN hay không khi GFBR không còn (hoặc có thể trở lại) được đảm bảo cho luồng QoS trong suốt thời gian tồn tại của luồng QoS

Tốc độ bit tổng hợp: Hai tham số liên quan đến tốc độ bit được liên kết với mỗi UE:

 Tốc độ bit tối đa tổng hợp trên mỗi phiên (Session-AMBR): Đối với mỗi phiên

PDU của một UE xác định tốc độ bit tổng hợp tối đa cho tất cả các luồng QoS không phải GBR trong một phiên PDU cụ thể Giá trị này được đo lường qua cửa sổ tính trung bình AMBR và là một thông số tiêu chuẩn hóa Cần lưu ý rằng Session-AMBR không áp dụng cho các luồng QoS GBR.

Tốc độ bit tối đa tổng hợp trên mỗi thiết bị người dùng (UE-AMBR) là một tham số quan trọng, giới hạn tốc độ bit tổng hợp có thể cung cấp cho tất cả các luồng chất lượng dịch vụ (QoS) không phải là bảo đảm băng thông (GBR) của một thiết bị người dùng.

Giá trị mặc định trong thiết lập phiên PDU áp dụng cho các luồng không phải GBR, với SMF truy xuất các giá trị Session-AMBR và các giá trị mặc định cho 5QI và ARP từ UDM, bao gồm cả tùy chọn mức độ ưu tiên 5QI.

 Tỷ lệ mất gói tối đa: Tham số này chỉ ra tốc độ tối đa cho các gói bị mất của luồng

QoS có thể được dung nạp trong các hướng uplink và downlink

 Các thông số 5G QoS dành riêng cho mạng truy cập có dây: Có các tham số bổ sung chỉ áp dụng cho mạng truy cập có dây

Tốc độ bit dòng được đảm bảo (GFBR) và tốc độ bit dòng tối đa (MFBR) chỉ áp dụng cho các dòng GBR, trong khi tốc độ bit tối đa tổng hợp trên mỗi phiên và tốc độ bit tối đa tổng hợp của mỗi UE chỉ áp dụng cho các luồng không phải GBR.

Đặc điểm QoS

Mỗi 5QI được gán một tập hợp các giá trị đặc trưng mô tả quá trình xử lý chuyển tiếp gói, liên quan đến luồng QoS giữa UE và UPF Các đặc điểm này đóng vai trò quan trọng trong quy trình QoS.

Loại tài nguyên: Có ba loại tài nguyên: GBR, GBR có độ trễ tới hạn và không phải

GBR bao gồm hai loại tài nguyên được ủy quyền theo yêu cầu, yêu cầu chính sách động và kiểm soát tính phí Định nghĩa về PDB (ngân sách trễ gói) và PER (tỷ lệ lỗi gói) khác nhau giữa các loại tài nguyên GBR và GBR có độ trễ tới hạn MDBV (khối lượng dữ liệu tối đa) chỉ áp dụng cho tài nguyên GBR trễ tới hạn Trong khi đó, luồng QoS không phải GBR có thể được ủy quyền trước thông qua chính sách tĩnh và kiểm soát sạc.

Mức độ ưu tiên trong lập lịch tài nguyên giữa các luồng QoS thể hiện tầm quan trọng của từng luồng, với các đặc điểm nổi bật như khả năng phân bổ tài nguyên hợp lý và đảm bảo chất lượng dịch vụ.

 Giá trị số thấp nhất tương ứng với mức độ ưu tiên cao nhất

Mức độ ưu tiên đóng vai trò quan trọng trong việc phân biệt các luồng QoS từ cùng một UE, đồng thời cũng giúp phân loại các luồng QoS giữa các UE khác nhau.

Khi xảy ra tắc nghẽn, nếu không thể đáp ứng tất cả các yêu cầu QoS cho một hoặc nhiều luồng QoS, mức ưu tiên sẽ được áp dụng để xác định luồng nào được ưu tiên Cụ thể, các luồng QoS với mức ưu tiên thấp hơn (n) sẽ được ưu tiên hơn so với các luồng có mức ưu tiên cao hơn (n+1, n+2, …).

Trong tình huống không có tắc nghẽn, mức ưu tiên đóng vai trò quan trọng trong việc phân phối tài nguyên giữa các luồng QoS Hơn nữa, bộ lập lịch cũng có khả năng ưu tiên các luồng khác nhau để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

QoS dựa trên các tham số khác (ví dụ: loại tài nguyên, điều kiện vô tuyến) để tối ưu hóa hiệu suất ứng dụng và dung lượng mạng

 Mọi 5QI tiêu chuẩn hóa được liên kết với một giá trị mặc định cho mức độ ưu tiên, như được chỉ định trong TS 23.501

Mức độ ưu tiên có thể được chỉ định thông qua 5QI tiêu chuẩn hóa tới AN, và nếu giá trị này được nhận diện, nó sẽ được áp dụng thay cho giá trị mặc định.

Mức độ ưu tiên có thể được chỉ định thông qua 5QI đã được cấu hình trước cho AN, và nếu giá trị này được nhận, nó sẽ được áp dụng thay vì giá trị đã được thiết lập trước đó.

Ngân sách trễ gói (PDB) là một yếu tố quan trọng, xác định giới hạn tối đa cho thời gian trì hoãn của một gói tin giữa UE và UPF Đặc tính này đảm bảo rằng quá trình truyền tải dữ liệu diễn ra hiệu quả và đúng thời gian, góp phần vào việc tối ưu hóa hiệu suất mạng.

 Đối với một số 5QI, giá trị của PDB là giống nhau trong UL và DL

Trong trường hợp truy cập 3GPP, PDB đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ cấu hình các chức năng của lớp liên kết và lập lịch, chẳng hạn như thiết lập trọng số ưu tiên cho quá trình lập lịch.

Đối với các luồng GBR QoS sử dụng tài nguyên có độ trễ tới hạn, một gói được xem là bị mất nếu thời gian trễ vượt quá PDB, trong khi cụm dữ liệu không vượt quá MDBV và luồng QoS không vượt quá GFBR.

 Đối với các luồng GBR QoS với loại tài nguyên GBR không vượt quá GFBR, 98% các gói không gặp phải độ trễ vượt quá PDB của 5QI

Các dịch vụ sử dụng luồng GBR QoS và gửi với tốc độ nhỏ hơn hoặc bằng GFBR có thể tin tưởng rằng việc giảm gói do tắc nghẽn sẽ không xảy ra.

Các dịch vụ sử dụng luồng QoS không phải GBR cần chuẩn bị để đối phó với sự cố và chậm trễ gói do tắc nghẽn Trong các tình huống chưa được kiểm tra, 98% các gói không gặp độ trễ vượt quá PDB của 5QI.

PDB cho các tài nguyên không phải GBR và GBR chỉ ra "cận trên mềm", nghĩa là một gói "đã hết hạn" (ví dụ: lớp liên kết SDU đã vượt quá PDB) không cần phải bị loại bỏ và không được thêm vào PER.

Đối với tài nguyên GBR có độ trễ tới hạn, các gói vượt quá thời gian PDB sẽ được đưa vào PER và có thể bị loại bỏ hoặc phân phối dựa trên quyết định cục bộ.

Ánh xạ 5QI chuẩn hoá tới đặc tính QoS

Kết luận

QoS (Chất lượng dịch vụ) đóng vai trò quan trọng trong mạng công nghiệp, đặc biệt khi mạng gặp sự cố như tắc nghẽn hoặc sử dụng quá mức Thiếu QoS có thể gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng, đặc biệt đối với lưu lượng truy cập yêu cầu truyền tải thời gian thực, như Thoại qua IP, dẫn đến âm thanh bị cắt xén hoặc không rõ ràng Ngoài ra, chất lượng phát video cũng bị ảnh hưởng, gây ra tình trạng buffering hoặc hình ảnh bị pixel hóa trong quá trình phát lại.

Lát cắt mạng

Khái niệm

Một trong những tính năng quan trọng nhất của 5G là cắt mạng, cho phép các nhà khai thác tạo ra nhiều mạng đầu cuối ảo, gọi là các lát mạng, thông qua công nghệ ảo hóa như SDN và NFV Mỗi lát mạng có thể được tùy chỉnh theo các yêu cầu khác nhau về chức năng, chất lượng dịch vụ (QoS) và người dùng cụ thể.

*Ưu điểm của mạng dựa trên lát cắt so với mạng truyền thống

Việc phân chia mạng có thể cung cấp các mạng logic với hiệu suất tốt hơn so với các mạng có kích thước phù hợp với tất cả

Một phần mạng có thể tăng hoặc giảm quy mô khi yêu cầu dịch vụ và số lượng người dùng thay đổi

Các lát mạng cho phép cách ly tài nguyên mạng giữa các dịch vụ khác nhau, giúp cấu hình của từng phần không ảnh hưởng đến nhau Nhờ đó, độ tin cậy và bảo mật của mỗi lát cắt có thể được cải thiện đáng kể.

Một mạng được tùy chỉnh theo yêu cầu QoS có khả năng tối ưu hóa việc phân bổ và sử dụng tài nguyên mạng vật lý, đặc biệt trong cơ sở hạ tầng mạng lõi.

33 b Các thiết bị IoT lớn

Hình 3.1 Các lát mạng 5G triển khai trên cùng 1 cơ sở hạ tầng

Yêu cầu đối với lát cắt mạng

Các yêu cầu chung cho việc phân chia mạng như sau:

 Hỗ trợ là cần thiết để cung cấp kết nối cho người dùng gia đình và chuyển vùng trong cùng một phần mạng

 Trong cấu hình mạng 5G dùng chung, các nhà khai thác có thể áp dụng tất cả các yêu cầu đối với tài nguyên mạng được phân bổ của họ

 IMS cần được hỗ trợ như một phần của phần mạng

 IMS cần được hỗ trợ độc lập với các lát mạng

Các yêu cầu quản lý đối với việc phân chia mạng như sau:

- Nhà điều hành sẽ có thể tạo, sửa đổi và xóa một phần mạng

- Nhà điều hành phải có thể xác định và cập nhật tập hợp các dịch vụ và khả năng được hỗ trợ trong một phần mạng

- Nhà điều hành có thể định cấu hình thông tin liên kết UE với một phần mạng

- Nhà điều hành sẽ có thể định cấu hình thông tin liên kết một dịch vụ với một phần mạng

Nhà điều hành cần có khả năng gán và di chuyển UE giữa các phần mạng khác nhau, cũng như xóa UE khỏi phần mạng dựa trên các yếu tố như đăng ký, khả năng của UE, công nghệ truy cập, chính sách của nhà điều hành và các dịch vụ mà phần mạng cung cấp.

Cần thiết phải thiết lập cơ chế cho VPLMN (mạng di động mặt đất công cộng được truy cập) để được ủy quyền bởi HPLMN (mạng di động mặt đất công cộng gia đình), nhằm gán UE cho một phần mạng có các dịch vụ cần thiết hoặc cho một phần mạng mặc định.

- Lưu lượng và dịch vụ trong một phần mạng không được ảnh hưởng đến lưu lượng và dịch vụ trong phần mạng khác trong cùng một mạng

Việc tạo, sửa đổi và xóa một phần mạng cần được thực hiện mà không làm ảnh hưởng đến lưu lượng và dịch vụ của các phần mạng khác trong cùng hệ thống.

- Một lát mạng phải có thể mở rộng quy mô (tức là, điều chỉnh dung lượng của nó

- Nhà khai thác mạng có thể xác định dung lượng tối đa cho một phần mạng

Nhà khai thác mạng có khả năng xác định dung lượng tối thiểu có sẵn cho từng phần của mạng Việc điều chỉnh quy mô các phần mạng khác trên cùng một hệ thống sẽ không làm ảnh hưởng đến tính khả dụng của dung lượng tối thiểu đã được xác định cho phần mạng cụ thể đó.

- Nhà khai thác mạng có thể xác định dung lượng tối đa cho một phần mạng

Nhà khai thác mạng có khả năng xác định thứ tự ưu tiên giữa các phần mạng khác nhau, đặc biệt trong tình huống nhiều phần mạng cạnh tranh về tài nguyên trong cùng một hệ thống mạng.

Cách xác định lựa chọn 1 lát cắt mạng

Thông tin hỗ trợ lựa chọn lát mạng đơn (S-NSSAI) xác định một lát mạng duy nhất Một S-NSSAI bao gồm hai yếu tố:

Loại lát / dịch vụ (SST) đề cập đến hành vi dự kiến của các lát cắt liên quan đến tính năng và dịch vụ Các giá trị SST được tiêu chuẩn hóa tạo điều kiện cho khả năng tương tác toàn cầu, giúp mạng 5G hỗ trợ hiệu quả hơn cho các trường hợp sử dụng chuyển vùng Bảng 3.1 cung cấp danh sách các SST đã được tiêu chuẩn hóa.

 Bộ phân biệt lát (SD): Thông tin tùy chọn bổ sung cho SST để phân biệt giữa nhiều phần mạng của cùng một SST

Bảng 3.1 Giá trị lát / loại dịch vụ được tiêu chuẩn hóa

STT Giá trị Đặc Trưng eMBB 1 Mảnh phù hợp để xử lý băng thông rộng d i động nâng cao 5G

URLLC 2 Slice phù hợp để xử lý các thông tin liên lạc siêu đáng tin cậy và độ trễ thấp

MIoT 3 Slice phù hợp để xử lý IoT khổng lồ

V2X 4 Lát phù hợp để xử lý các dịch vụ V2X

Các khía cạnh chức năng của Network Slicing

AMFcess and Mobility Management Funcion PCF= Policy Control Funcion NF=Network Funcion SMF=Session Management Funcion NRF=Network Repository Funcion UPF=User Plane Funcion

NSSF=Network Slice Selection Funcion

Hình 3.2 Các chức năng mạng hỗ trợ việc cắt mạng

Các NF phổ biến là:

Chức năng quản lý truy cập và di chuyển (AMF) là một phần quan trọng trong quy trình đăng ký của người dùng thiết bị (UE) khi truy cập vào mạng AMF chịu trách nhiệm đăng ký và hủy đăng ký UE, thiết lập bối cảnh người dùng, thực hiện lựa chọn phiên bản mạng, xác thực và ủy quyền truy cập mạng, cũng như kiểm soát chính sách truy cập Khi nhận được yêu cầu thiết lập phiên từ UE, AMF sẽ phát hiện và lựa chọn SMF phù hợp nhất để quản lý phiên.

Chức năng lựa chọn lát mạng (NSSF) cho phép AMF truy xuất các lát mạng được phép dựa trên đăng ký người dùng và tương tác với NSSF để chọn phiên bản mạng phù hợp, chẳng hạn như dựa vào S-NSSAI được phép, ID mạng 5G và các thông số khác NSSF sẽ phản hồi bằng một thông báo chứa danh sách các cá thể lát mạng thích hợp cho UE, cho phép quá trình đăng ký chuyển sang AMF khác nếu cần thiết.

Chức năng kho lưu trữ mạng (NRF): Trong quá trình tương tác AMF-NSSF,

NSSF có thể trả về danh tính của một hoặc nhiều NRF để trở thành được sử dụng để chọn

NF và dịch vụ trong (các) cá thể lát mạng đã chọn

Các NF dành riêng cho lát cắt là:

Chức năng quản lý phiên (SMF) cho phép UE gửi thông báo đến AMF để yêu cầu phiên PDU liên kết với S-NSSAI và mạng dữ liệu (DN) AMF sẽ chọn SMF phù hợp để quản lý phiên PDU, thiết lập phiên cho UE và điều khiển hoạt động của mặt phẳng người dùng Bên cạnh đó, SMF cũng chọn UPF và yêu cầu thực thi QoS cùng các chính sách tính phí.

Chức năng mặt phẳng người dùng (UPF): Khi một phiên PDU được thiết lập, các luồng QoS cho phiên PDU này qua phần mạng này sẽ đi qua UPF

Chức năng kiểm soát chính sách (PCF): SMF nhận thông tin chính sách liên quan đến việc thiết lập phiên họp từ QTDND

Chức năng kho lưu trữ mạng (NRF): SMF sử dụng NRF để khám phá các NF cần thiết cho từng phần mạng riêng lẻ.

Mẫu lát cắt chung

GST cung cấp danh sách các thuộc tính tiêu chuẩn hóa để mô tả các loại lát mạng khác nhau Loại lát mạng (NEST) trong GST chứa giá trị và có thể được phân loại thành hai loại khác nhau.

NEST chuẩn hóa (S-NEST) là quá trình mà các thuộc tính được xác định giá trị bởi các tổ chức phát triển tiêu chuẩn (SDO), nhóm làm việc, và diễn đàn như 3GPP, GSMA, Hiệp hội ô tô 5G (5GAA), cũng như Liên minh 5G cho Công nghiệp được kết nối và Tự động hóa (5G-ACIA).

NEST riêng (P-NEST) là các thuộc tính được xác định với giá trị khác biệt bởi các nhà cung cấp phần mạng, khác với các thuộc tính trong S-NEST.

Hiệp hội GMSA đã phát triển GST thành danh sách các thuộc tính cần thiết để mô tả một loạt NEST, giúp xây dựng mạng bằng cách phân bổ giá trị cho từng thuộc tính trong GST Nhà khai thác mạng có thể sử dụng NEST để xác định tài nguyên và chức năng cần thiết cho việc khởi tạo các lát mạng Quy trình tạo NEST và điền GST bao gồm ba bước.

Bước đầu tiên là nghiên cứu các trường hợp sử dụng và xác định yêu cầu dịch vụ thông qua các cuộc thảo luận với khách hàng trong những ngành nghề cụ thể, như các lĩnh vực dọc hoặc doanh nghiệp đặc thù.

*Bước 2: Chuyển đổi các yêu cầu dịch vụ được xác định trong bước 1 thành kỹ thuật các yêu cầu

*Bước 3: Ghi lại các yêu cầu kỹ thuật được đưa ra trong bước 2 bằng cách sử dụng

NEST bằng cách điền các giá trị của từng thuộc tính của GST

Một số thuộc tính chung của mẫu lát cắt mạng là: Tiện lợi, khả năng trì hoãn, tiết kiệm năng lượng, hỗ trợ cho lưu lượng truy cập ….

Kết Luận

Network slicing trong mạng 5G mang lại cơ hội kinh doanh mới cho các nhà khai thác mạng bằng cách cho phép họ cắt nhỏ mạng thành các mạng logic và cho thuê các lát cắt này Ví dụ, một công ty điện lực có thể thuê một network slice dài hạn để phục vụ cho các thiết bị IoT như cảm biến và đồng hồ đo, với tùy biến tối ưu cho nhu cầu của họ Đồng thời, nhà tài trợ cho sự kiện như buổi hòa nhạc có thể thuê một network slice ngắn hạn, được tối ưu hóa cho streaming và VoIP, nhằm đảm bảo trải nghiệm tốt nhất cho người tham dự.

Network slicing được kỳ vọng sẽ mở ra cơ hội cho các mô hình kinh doanh mới trong thị trường di động, cho phép các nhà cung cấp hạ tầng cloud như Google và Amazon tham gia Công nghệ này cho phép các nhà khai thác mạng cho thuê mạng lưới, tập trung vào việc nâng cao trải nghiệm khách hàng Điều này khác biệt với hiện tại, khi mà các nhà khai thác không thể tách biệt một phần mạng để tối ưu hóa cho các mạng MVNO khác nhau, khiến cho tất cả các mạng MVNO phải chia sẻ cùng một hạ tầng mạng.