GIỚI THIỆU VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO
Giới thiệu
Chương này tổng quan về sự phát triển của hệ thống thông tin di động, bắt đầu bằng trích dẫn từ cuộc trò chuyện qua mạng di động của Martin Cooper vào ngày 3 tháng 4 năm 1973.
Sự ra đời của điện thoại di động, cụ thể là Motorola DynaTAC, đã đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong lịch sử công nghệ, với trọng lượng khoảng 2.5 lbs và giá khoảng 9.000 USD Sự kiện này không chỉ thay đổi cách chúng ta giao tiếp mà còn mở ra một kỷ nguyên mới với sự phát triển của các thiết bị phức tạp như smartphone Những chiếc điện thoại thông minh hiện nay không chỉ đáp ứng nhu cầu liên lạc mà còn cung cấp nhiều ứng dụng hữu ích, từ việc kết nối với bạn bè qua mạng xã hội, tham gia trò chơi trực tuyến, đến việc tiêu thụ và sản xuất nội dung video, thực hiện các phép đo y tế, và sử dụng dịch vụ dựa trên định vị.
Các thiết bị không dây, được phát triển dựa trên định luật Moore, tiếp tục giữ vai trò quan trọng trong việc giới thiệu các tính năng mới và đặc điểm hấp dẫn, mang lại nhiều lợi ích cho người dùng cuối trong lĩnh vực công nghệ di động.
Chương này tập trung vào các công nghệ điều khiển quan trọng cho hệ thống vô tuyến mới (NR) 5G, nhấn mạnh các giải pháp hỗ trợ dịch vụ 5G trong truyền dẫn đường lên (UL) Các yêu cầu bao gồm độ trễ thấp, độ tin cậy cao, tiết kiệm năng lượng và ứng dụng gói nhỏ Tài nguyên không cần sự cho phép trong UL NR được gọi là “cho phép trước”, cho phép sử dụng các thông số kỹ thuật đã được cấu hình trước để truyền tải hiệu quả.
UE UL mà không cần lập lịch/cho phép Ngoài ra trạm gốc (BS) trong mạng NR5G được gọi là “NodeB thế hệ tiếp theo” hoặc “gNB”.
Thông tin di động tế bào: Nhập môn
Các tiêu chuẩn di động áp dụng nhiều kỹ thuật đa truy cập (MA) như đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA), đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA), đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) và đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA), như được nêu trong bảng 1.1.
Chúng ta cũng thảo luận về phương pháp song công liên quan, áp dụng cho thông tin hai chiều và các tài nguyên vật lý thực tế, nhằm gán cho từng người dùng.
Các phương pháp song công là song công phân chia theo thời gian (TDD) và song công phân chia theo tần số (FDD).
Bảng 1.1: Đa truy cập trong các thế hệ của các mạng tế bào khác nhau.
Thế hệ tế bào Kỹ thuật MA Phương pháp Tài nguyên Ví dụ đáng song công vật lý chú ý
1G FDMA FDD Tần số AMPS, NMT
2G TDMA FDD Các khe thời
3G CDMA FDD/TDD gian/Các mã WCDMA
4G OFDMA FDD/TDD Thời gian/tần
5G OFDMA FDD/TDD Thời gian/tần
Tất cả các kỹ thuật đa truy cập như TDMA, CDMA và OFDMA đều thuộc dạng đa truy cập "trực giao" (OMA), cho phép người dùng chia sẻ phương tiện không dây mà không gây nhiễu lẫn nhau Tuy nhiên, việc này bị giới hạn bởi số lượng tài nguyên có sẵn Trong TDMA, thời gian được chia thành các khe thời gian để nhiều người dùng có thể truy cập hệ thống CDMA phân biệt người dùng bằng các mã PN, cho phép truyền đồng thời trên toàn bộ kênh tần số OFDMA phân bổ người dùng cho các kênh tần số khác nhau tại các khe thời gian khác nhau Hệ thống 5G tiếp tục sử dụng OFDMA với khoảng cách giữa các sóng mang con và độ dài khe thời gian linh hoạt, nhằm hỗ trợ các yêu cầu thay đổi đa dạng 5G cũng dự kiến sẽ áp dụng NOMA.
Hình 1.1 Một cái nhìn tổng quan về các kỹ thuật đa truy cập khác nhau
Hình 1.1 trình bày cái nhìn tổng quan về các kỹ thuật truy cập khác nhau sẽ được thảo luận trong phần này, được so sánh qua ba tiêu chí chính: công suất, thời gian và tần số.
Hiệu quả phổ là một chỉ số quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất hệ thống qua các thế hệ công nghệ di động Hình 1.2 minh họa hiệu quả phổ của các chuẩn di động 2G, 3G, 4G và 5G so với tốc độ dữ liệu đỉnh lý thuyết Mỗi tiêu chuẩn mới đều yêu cầu tốc độ dữ liệu cao hơn, điều này làm nổi bật nhu cầu gia tăng hiệu quả phổ trong thời gian dài.
Mỗi thế hệ tế bào không chỉ mang lại hiệu suất tăng mà còn bổ sung nhiều tính năng mới Hình 1.3 minh họa sự gia tăng khả năng của người dùng và các tính năng dự kiến theo từng thế hệ di động Bắt đầu với dịch vụ thoại, chúng ta đã tiến xa đến dịch vụ thoại và tin nhắn ngắn (SMS) trong 2G, và khả năng dữ liệu được nâng cao đáng kể trong 3G với các dịch vụ chuyển mạch gói.
Hình 1.2 Hiệu quả phổ (bps/Hz) của sự phát triển tế bào số.
Hình 1.3 Các khả năng người dùng trong các thế hệ tế bào.
4G đã mang đến Internet di động với nhiều ứng dụng như Internet vạn vật (IoT), phương tiện đến mọi thứ (V2X) và thiết bị đến thiết bị (D2D) Hệ thống di động 5G thế hệ tiếp theo hứa hẹn sẽ nâng cao những khả năng này, mở ra cơ hội phát triển sản phẩm sáng tạo mới.
DL là hướng giao tiếp từ trạm phát sóng (BS) đến thiết bị cầm tay hoặc thiết bị người dùng (UE), trong khi UL là hướng giao tiếp ngược lại từ các UE đến BS UL cũng bao gồm quá trình truy cập ngẫu nhiên, trong đó các UE cố gắng kết nối với tài nguyên của hệ thống thông tin khi khởi động hoặc bắt đầu giao dịch mới.
Phương pháp phân tách giao tiếp giữa tải xuống (DL) và tải lên (UL) được gọi là song công Có hai cách thực hiện, đó là trong miền thời gian (TDD) và miền tần số (FDD) Trong TDD, các khe thời gian được phân bổ riêng cho DL và UL, trong khi FDD cho phép truyền tải DL và UL đồng thời trên các tần số khác nhau.
DL diễn ra đồng thời trên nhiều dải tần số khác nhau TDD có những lợi ích nổi bật như chỉ cần một phổ duy nhất được chia sẻ mà không cần phổ ghép, đồng thời cho phép các chế độ xem kênh đối xứng, trong đó các phép đo UL có thể được áp dụng cho kỹ thuật thông tin.
FDD (Frequency Division Duplex) có ưu điểm là yêu cầu đồng bộ thời gian thấp hơn, nhưng do sự phân tách tần số giữa đường truyền xuống (DL) và đường truyền lên (UL), các phép đo từ UL có thể không áp dụng hiệu quả cho kỹ thuật thông tin DL vì không đảm bảo tính tương hỗ.
Độ trễ, hay thời gian truy cập tài nguyên mạng, ngày càng trở thành chỉ số quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất hệ thống, bất kể phương pháp sử dụng.
1.2.1 Sự phát triển của công nghệ di động
Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá các công nghệ truy cập vô tuyến di động (RATs) cùng với những ưu điểm và lợi thế phát triển của chúng Hình 1.1 minh họa sự tiến bộ của các tiêu chuẩn mạng di động từ 1G đến 4G Qua đó, chúng ta nhận thấy rằng sự phát triển của 2G và 3G đã dẫn đến sự gia tăng độ phức tạp của hệ thống theo nhiều tiêu chuẩn khác nhau Tuy nhiên, ngành công nghiệp đã chuyển mình để thống nhất thành một tiêu chuẩn 4G duy nhất, mặc dù độ phức tạp vẫn tiếp tục gia tăng Các kỹ thuật đa truy cập trực giao đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển này.
FDMA (đa truy cập phân chia theo tần số)
Việc gán nhiều sóng mang trên cùng một kênh là khó khăn
Các kênh băng hẹp (có băng thông nhỏ hơn băng thông kết hợp của kênh không dây) đang mong đợi
Các băng bảo vệ trong miền tần số là cần thiết để giảm sự phát xạ phổ đến các băng tần lân cận
Số lượng tài nguyên trực giao hữu hạn.
TDMA (đa truy cập phân chia theo thời gian)
Việc bù (cân bằng) nhiễu xuyên symbol là cần thiết
Sử dụng các băng bảo vệ trong miền thời gian cho phép sự biến thiên độ trễ thời gian của truyền dẫn UL
Đồng bộ hóa các khe thời gian trên tất cả mục đích sử dụng là rất quan trọng để không phá hủy nguyên tắc OMA
Số lượng tài nguyên trực giao hữu hạn.
CDMA (đa truy cập phân chia theo mã)
Sử dụng toàn bộ băng thông cùng lúc bằng cách sử dụng mã trải phổ
Số lượng tài nguyên trực giao hữu hạn.
OFDMA (đa truy cập phân chia theo tần số trực giao)
Gán nhiều sóng mang con khác nhau cho nhiều người dùng khác nhau (tại các khe thời gian khác nhau)
Số lượng tài nguyên trực giao hữu hạn.
Phổ tần đóng vai trò quan trọng cho các nhà khai thác, giúp đáp ứng nhu cầu tăng cao về thông lượng hệ thống và người dùng Ngành công nghiệp đang chuyển mình, không chỉ khai thác phổ tần được cấp phép mà còn tận dụng phổ không được cấp phép, thường được sử dụng cho các thiết bị WiFi, cũng như phổ dùng chung khi có thể.
1.2.2 Hệ thống tế bào thế hệ thứ nhất
Hệ thống di động 1G cho phép liên lạc bằng giọng nói, hỗ trợ người dùng khi cuộc gọi được “chuyển giao” giữa các trạm gốc khi di chuyển Công nghệ sử dụng điều chế tần số (FM) analog với phổ chia thành các kênh 30 kHz, trong đó mỗi cuộc gọi chiếm toàn bộ một kênh Hệ thống này được gọi là dịch vụ điện thoại di động tiên tiến (AMPS) Để mở rộng vùng phủ sóng, kỹ thuật tái sử dụng tần số được áp dụng, cho phép các kênh cùng tần số được sử dụng bởi nhiều người dùng khác nhau, miễn là khoảng cách giữa họ đủ lớn để giảm thiểu nhiễu đồng kênh.
Kết luận chương 1
Chương 1: “Giới thiệu về thông tin di động tế bào” khám phá lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di động từ 1G đến 4G, bao gồm các công nghệ đa truy cập như FDMA, TDMA và CDMA Bài viết cũng phân tích ưu điểm và nhược điểm của các hệ thống này, đồng thời nêu rõ cơ hội và thách thức cho các thế hệ thông tin di động tiếp theo Nội dung này giúp người đọc nắm bắt những vấn đề cốt lõi và cơ bản của hệ thống thông tin di động, làm nền tảng cho việc nghiên cứu các hệ thống sau này.
TỔNG QUAN VỀ MẠNG 5G
Sơ đồ kiến trúc mạng của 5G
Sơ đồ khối kiến trúc mạng 5G được thể hiện trong Hình 2.1, với lõi 5G (5GC) thay thế EPC Mạng truy cập vô tuyến thế hệ tiếp theo (NG-RAN) bao gồm nhóm đơn vị phân tán (DU) và nhóm đơn vị tập trung (CU), trong đó gNodeB thay thế eNodeB Việc xây dựng một kiến trúc mạng khả thi và có thể mở rộng là rất cần thiết cho 5G Phần này giới thiệu sự kết hợp giữa DU và CU nhằm hỗ trợ các tùy chọn phân tách RAN khác nhau, mang lại nhiều lợi ích Các phần tử của 5GC bao gồm nhiều thành phần quan trọng.
Chức năng quản lý truy cập và di động (AMF): thực hiện mã hóa và bảo vệ tính toàn vẹn, quản lý di động, xác thực và ủy quyền, v.v.
Chức năng quản lý phiên (SMF): thực hiện phân bổ và quản lý địa chỉ IP UE, lựa chọn và kiểm soát UPF, chuyển vùng, v.v.
Quản lý dữ liệu thống nhất (UDM): thực hiện quản lý thuê bao, dữ liệu người dùng, đăng ký và quản lý di động, v.v.
Hình 2.1 Sơ đồ khối kiến trúc mạng 5G.
Chức năng kiểm soát chính sách (PCF): thực hiện các quy tắc chính sách cho các chức năng CP, v.v.
Chức năng ứng dụng (AF): tương tác với khung chính sách để kiểm soát chính sách, v.v.
Chức năng mặt phẳng người dùng (UPF): thực hiện kết nối bên ngoài với mạng dữ liệu, xử lý QoS của UP, v.v.
Động lực của 5G
Các hệ thống mạng tế bào 5G cần cải thiện tính năng và hiệu suất thông qua LTE để giảm thiểu gánh nặng đầu tư cho các nhà khai thác trong việc triển khai dịch vụ 5G Việc duy trì một tiêu chuẩn di động toàn cầu duy nhất là rất quan trọng Các động lực chính của 5G bao gồm
Tốc độ dữ liệu người dùng tăng
Tăng dung lượng hệ thống
Số lượng lớn các kết nối
Giảm độ trễ từ đầu đến cuối
Hỗn hợp dịch vụ không đồng nhất
Triển khai băng thông linh hoạt
Sự linh hoạt của mạng
Di chuyển đến các giao tiếp hiệu quả hơn về năng lượng.
ITU đã cung cấp các mục tiêu 5G dưới dạng các yêu cầu IMT-2020, chúng được thể hiện trong bảng 2.1.
NR 5G hỗ trợ cả triển khai độc lập và không độc lập Triển khai NSA sử dụng LTE để mở rộng vùng phủ sóng, kết hợp mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu với EPC đang phát triển Dịch vụ 5G mang đến tốc độ dữ liệu cao thông qua kết nối kép, trong khi triển khai độc lập cung cấp phân luồng dữ liệu và điều khiển hiệu quả hơn.
CN 5G ITU đã cung cấp sơ đồ trong Hình 2.2 để xác định các dịch vụ 5G Ba trường hợp sử dụng chính (các góc của tam giác) là các ứng dụng dự kiến của 5G trong tương lai.
Băng rộng di động tăng cường (eMBB)
Liên lạc kiểu máy với số lượng lớn (mMTC)
Các trường hợp sử dụng 5G bao gồm nhà thông minh, máy bay không người lái, năng lượng kết nối, ô tô tự lái, và thực tế ảo/trò chơi thực tế tăng cường Việc giới thiệu các kỹ thuật độ trễ thấp bắt đầu từ LTE nhằm chuẩn bị cho các dịch vụ 5G đa dạng Hệ thống mạng tế bào 5G dự kiến sẽ hỗ trợ các ứng dụng này thông qua các công nghệ tiên tiến.
Sự triển khai phổ linh hoạt: phổ được cấp phép, không được cấp phép và chia sẻ, băng thông lớn hơn và liền kề, đa RAT, v.v.
Hình 2.2 Các kịch bản sử dụng của IMT-2020.
Bộ số liệu linh hoạt hỗ trợ nhiều trường hợp sử dụng và triển khai phổ tần, bao gồm băng tần dưới và trên 6 GHz, với các khe thời gian linh hoạt và băng thông truyền tải rộng.
Kiến trúc mạng hiện đại đã được cải thiện để hỗ trợ xu hướng đám mây trong ngành CNTT, bao gồm các công nghệ SDN/NFV và lát cắt mạng Điều này giúp tối ưu hóa việc tính toán cạnh đa truy cập và giảm độ trễ, mang lại hiệu suất cao hơn cho các ứng dụng và dịch vụ trực tuyến.
Bảng 2.1: Sự so sánh của các yêu cầu IMT-2010 và IMT-2020.
Tiêu chí hệ thống IMT-2010 IMT-2020 Chú thích
Tốc độ dữ liệu DL: 1 Gbps DL: 20 Gbps Tốc độ dữ liệu đạt được lớn nhất dưới các điều đỉnh UL: 0.5 Gbps UL: 10 Gbps kiện lý tưởng
Dung lượng lưu Tổng lưu lượng cung lượng khu vực 0.1 10 cấp cho mỗi khu vực
Hiệu suất năng Số lượng bit thông tin lượng mạng 1x 100x (ít hơn) cho mỗi đơn vị của sự
(bit/Joule) tiêu thụ năng lượng
10 4 10 6 Tổng số thiết bị kết nối
(thiết bị/km 2 ) trên mỗi khu vực đơn vị
Thời gian từ khi bắt đầu gửi một gói dữ liệu đến Độ trễ (ms) 10 1 khi nhận được tại đích
(một đường từ đầu đến cuối).
350 500 Tốc độ lớn nhất mà một
(kmph) QoS có thể đạt được
Thông lượng dữ liệu Hiệu suất phổ
1x 3x (nhiều hơn) trung bình trên mỗi đơn
(bps/Hz) vị của phổ và cho mỗi tế bào
Tốc độ dữ liệu Tốc độ dữ liệu đạt được người dùng mong 10 100 ở khắp nơi qua khu vực đợi (Mbps) bao phủ
Điều chế QAM mang lại sự cân bằng tối ưu giữa băng thông và công suất với chi phí hợp lý, đồng thời kết hợp mã phân cực và các mã sửa lỗi tiên tiến khác.
Mạng 5G đang phát triển mạnh mẽ với các kỹ thuật tiên tiến như NOMA, song công và định hình phổ tần động So với mạng di động 4G hiện tại, 5G hứa hẹn sẽ cung cấp dung lượng hệ thống lớn hơn và độ trễ thấp hơn.
Các công nghệ của 5G
Mạng truy cập vô tuyến đám mây (RAN) và đa truy cập không trực giao là những công nghệ quan trọng trong lĩnh vực viễn thông hiện đại Kỹ thuật thông tin M2M, điện toán cạnh di động, và bộ nhớ đệm không dây đóng vai trò then chốt trong việc tối ưu hóa hiệu suất mạng Ngoài ra, mạng cực kỳ dày đặc và giao tiếp song công cũng góp phần nâng cao khả năng kết nối và truyền tải dữ liệu Chúng ta sẽ cùng khám phá sâu hơn về các công nghệ này.
Khi tìm hiểu về massive MIMO, chúng ta sẽ giải quyết thuật ngữ đầu tiên.
Massive MIMO là công nghệ sử dụng hơn 64 phần tử ăng ten để xử lý tín hiệu, giúp giảm thiểu các nhược điểm của kênh và phần cứng như nhiễu và pha đinh Công nghệ này dựa vào định luật số lớn để kết hợp tín hiệu từ nhiều ăng ten, mang lại hiệu suất cao hơn Massive MIMO có hai tùy chọn chính: một là tăng cường năng lượng theo hướng mong muốn và giảm năng lượng theo hướng không mong muốn, tạo thành chùm; hai là gửi các luồng dữ liệu độc lập trên mỗi ăng ten để cải thiện khả năng ghép kênh không gian.
Kỹ thuật này có thể được sử dụng để tăng tốc độ dữ liệu của người dùng hoặc hệ thống Cả hai tùy chọn được thể hiện trong Hình 2.3.
Massive MIMO, với khả năng tạo búp sóng, có thể được triển khai qua các mảng ăng ten sắp xếp theo hình dạng tuyến tính, hình chữ nhật hoặc hình tròn Công nghệ này sẽ được ứng dụng trong các mạng 4G và 5G, nhờ vào việc sử dụng các dải tần số cao dẫn đến các mảng ăng ten lớn và nhỏ gọn do bước sóng ngắn hơn Ngoài ra, massive MIMO có thể hoạt động theo các phương pháp song công FDD hoặc TDD, trong đó hệ thống TDD cho phép người dùng áp dụng định lý tương hỗ để tận dụng các thông tin quan sát được.
Việc áp dụng massive MIMO cho ghép kênh không gian đã trở nên phổ biến trong công nghệ 4G và sẽ tiếp tục được triển khai trong 5G Ghép kênh không gian yêu cầu hạng của ma trận kênh giữa anten phát và thu phải lớn hơn 1 Đối với hệ thống MIMO 4 × 4, để quan sát toàn bộ công suất, ma trận kênh cần đạt hạng đầy đủ, tức là bằng 4.
Do hiệu quả của ghép kênh không gian trong LTE, việc áp dụng công nghệ này trong 5G với quy mô lớn hơn là hợp lý Tuy nhiên, thách thức lớn là kích thước MIMO càng lớn thì khả năng trải nghiệm hạng đầy đủ càng giảm Điều này đặt ra yêu cầu thiết kế một mảng MIMO hiệu quả hơn.
Việc gửi 256 lớp cho một người dùng trong hệ thống 256 × 256 là một thách thức lớn, dẫn đến việc 5G giới hạn số lượng lớp DL tối đa trên mỗi người dùng là 8 Độ phức tạp trong việc triển khai massive MIMO trong miền số là đáng kể, và chùm tia lai đã được giới thiệu để cân bằng giữa hiệu suất và khả năng Với giới hạn 8 lớp, câu hỏi đặt ra là cách tối ưu hóa các mức độ tự do còn lại Một phần có thể được sử dụng để tạo ra hoặc định hình chùm, trong khi phần còn lại được dùng để ghép kênh cho các người dùng khác thông qua mảng ăng ten, được gọi là MIMO nhiều người dùng (MU-MIMO) Trong mô hình này, nhiều người dùng có thể truyền tải và nhận các tín hiệu của họ như thể chúng đến từ một nguồn ghép kênh duy nhất, với các trọng số chùm tia cho phép tạo ra chùm tia theo phương vị và hướng độ cao.
Khi xem xét chùm tia, tăng ích mảng có nhiều ứng dụng quan trọng Nó có thể mở rộng vùng phủ sóng, giảm công suất phát của thiết bị trên kênh UL, và cải thiện tỷ lệ nhiễu tín hiệu trên nhiễu tạp âm (SINR) Những cải tiến này dẫn đến thông lượng người dùng cao hơn và giảm công suất truyền trên kênh DL, từ đó nâng cao hiệu quả công suất tổng thể.
Số lượng phần tử ăng ten cần thiết phụ thuộc vào một vài yếu tố:
Tăng ích của mảng (vùng phủ sóng, giảm công suất, v.v.)
Các lớp ghép kênh cần thiết
Nhiều người dùng dự kiến sẽ được phục vụ
Dải tần số được sử dụng
Độ phức tạp xử lý tín hiệu (ước tính CSI, tương tự so với miền số, v.v.)
Tăng hiệu suất hệ thống (SINR, dung lượng, tốc độ dữ liệu, v.v.).
Sử dụng nhiều kỹ thuật ăng ten mang lại lợi ích lớn trong việc giảm thiểu sự thay đổi kênh, điều này rất quan trọng để chống lại pha đinh đa đường Để đạt được sự giảm thiểu này, ít nhất 64 ăng ten cần được sử dụng trong mảng ăng ten Các trường hợp triển khai 5G được 3GPP đưa ra có nhiều ứng dụng khác nhau cho các dịch vụ eMBB, uRLLC và mMTC, trong đó số lượng ăng ten tối đa cho DL và UL lần lượt là 256 và 32.
2.3.2 Kết nối mạng bằng phần mềm
Các chức năng mạng ảo (NFV) và kết nối mạng bằng phần mềm (SDN) đang thúc đẩy sự chuyển đổi sang mạng tập trung vào phần mềm, mang lại cải tiến về hiệu suất hệ thống và tiết kiệm chi phí cho các nhà mạng Những công nghệ này giúp các nhà khai thác quản lý mạng dễ dàng hơn, hỗ trợ triển khai các tính năng mới và tăng cường khả năng di động của mạng Đồng thời, sự phát triển này cũng tạo cơ hội cho các nhà cung cấp dịch vụ mới, như gã khổng lồ dịch vụ Internet và nhà cung cấp dịch vụ cáp, tham gia vào thị trường mạng không dây Việc áp dụng NFV và SDN bắt đầu từ việc ảo hóa các chức năng quan trọng như EPC (vEPC) và sau đó mở rộng xuống các lớp phần mềm giao thức ở phía vật lý.
Việc chuyển sang SDN giúp các nhà khai thác mạng chủ động triển khai nhiều trường hợp sử dụng khác nhau, nổi bật là kỹ thuật lát cắt mạng Kỹ thuật này cho phép mạng tự động kết hợp các chức năng truy cập và mạng lõi để đáp ứng các yêu cầu cụ thể như độ trễ và băng thông Xu hướng này đã bắt đầu từ 4G với sự xuất hiện của nhiều dịch vụ đa dạng, và 3GPP đang phát triển LTE để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng Kiến trúc mạng LTE hiện tại cần linh hoạt và có khả năng mở rộng hơn để hỗ trợ dịch vụ 5G Lát cắt mạng được đề xuất như một giải pháp hiệu quả cho các trường hợp sử dụng phong phú trong tương lai.
Lát cắt mạng tạo ra các kiến trúc mạng ảo dựa trên nguyên tắc SDN và NFV, cho phép tối ưu hóa hạ tầng vật lý chung để đáp ứng nhu cầu của ứng dụng và dịch vụ Các mạng ảo này bao gồm các chức năng mạng được khởi tạo nhằm cung cấp một mạng logic hoàn chỉnh từ đầu đến cuối, đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất Chẳng hạn, kỹ thuật thông tin mMTC yêu cầu dung lượng người dùng mà không cần độ trễ thấp, trong khi xe tự lái lại phụ thuộc vào độ trễ thấp và không cần dịch vụ eMBB với băng thông cao nhất.
Hình 2.4 Ví dụ về một phần mạng hỗ trợ dịch vụ uR-LLC, eMBB và mMTC.
Hình 2.4 cung cấp ví dụ sơ đồ khối làm thế nào để mạng có thể được cắt để hỗ trợ các dịch vụ 5G khác nhau được đưa ra ở trên.
2.3.3 Điện toán cạnh đa truy cập Để hỗ trợ các yêu cầu về độ trễ thấp hơn, chỉ tối ưu hóa trong giao diện vô tuyến 5G là không đủ mà chúng ta cần phải tối ưu hóa mạng Điện toán cạnh đa truy cập (MEC) là một phương pháp dịch chuyển các chức năng trung tâm của mạng lõi hoặc trung tâm dữ liệu gần với cạnh của mạng (về phía ăng ten), nơi mà dữ liệu sẽ được vận hành theo Phương pháp này được thể hiện bằng cách sử dụng nguyên tắc dịch chuyển, độ trễ từ đầu đến cuối của người dùng có thể được giảm đáng kể Ngoài ra, lưu lượng đường trục cũng có thể được giảm đi vì các dung lượng đường trục đã được giảm đáng kể bởi điều này.
MEC (Mobile Edge Computing) cho phép điện toán đám mây được triển khai gần hơn với các thiết bị người dùng thông qua mạng truy cập Điều này được hỗ trợ bởi điện toán sương mù, với cạnh mạng được xác định bởi các ăng ten trong các đầu vô tuyến từ xa (RRH) kết nối với mạng truy cập vô tuyến (RAN) Việc thực hiện tính toán tại rìa mạng giúp giảm độ trễ, một yếu tố quan trọng cho ứng dụng di động khi kết nối với máy chủ Càng gần với rìa, độ trễ mà ứng dụng gặp phải càng thấp, với các yêu cầu cụ thể như độ trễ < 1 ms cho robot công nghiệp, < 10 ms cho ứng dụng thực tế tăng cường, và < 100 ms cho các ứng dụng lái xe hỗ trợ.
Hình 2.5 minh họa khái niệm phân phối chức năng từ mạng lõi và trung tâm dữ liệu (điện toán đám mây) đến cạnh (điện toán sương mù) Việc này không chỉ giúp giảm độ trễ ứng dụng mà còn giảm lưu lượng đường trục bằng cách tránh gửi đồng thời các gói lớn vào mạng để xử lý và sau đó chuyển tất cả trở lại cạnh.
MEC sẽ thực hiện chức năng tính toán và lưu trữ với một số mục tiêu của thị trường để triển khai MEC là:
Giảm tổng chi phí sở hữu (OPEX và CAPEX)
Tăng doanh thu bằng cách áp dụng công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và mạng phân phối nội dung để phát triển các dịch vụ mới.
Di chuyển tự nhiên khi ảo hóa tạo ra mạng truy cập (cạnh và sương mù)
Cải thiện hiệu suất (độ trễ thấp hơn, giảm lưu lượng tái sinh).
Hình 2.5 Sơ đồ mạng thể hiện chức năng điện toán phân tán đối với cạnh
Dải sóng mm và phổ tần 5G
LTE có băng thông tối đa 20 MHz và tốc độ dữ liệu người dùng đã tăng lên nhờ vào các lớp không gian HOM, MIMO và kỹ thuật CA Mặc dù các giải pháp hiện tại hỗ trợ tối đa 5 CA, các thông số kỹ thuật LTE 3GPP có thể hỗ trợ tới 32 nhà mạng, mở ra cơ hội tăng tốc độ dữ liệu Để đạt được tốc độ dữ liệu Gbps, các nhà khai thác thường cần tổng hợp phổ tần được cấp phép và không được cấp phép thông qua truy cập hỗ trợ giấy phép Băng tần 46 (B46) với phổ tần 5.15-5.925 GHz đã được xác định cho mục đích này.
Hình 2.6 Sự xem xét băng tần 5G.
5G có băng thông tối đa 100 MHz cho các dải tần số dưới 6 GHz, cho phép tốc độ dữ liệu cao, mặc dù băng thông thấp hơn cũng có thể cung cấp dịch vụ 5G Sự phân bổ phổ tần phân mảnh tạo ra nhu cầu về tính linh hoạt trong các tham số OFDMA Ngoài việc sử dụng phổ tần được cấp phép và không được cấp phép (5-5.9, 64-71 GHz), một lựa chọn khác là sử dụng phổ tần dịch vụ vô tuyến băng rộng của băng dân sự (CBRS) với phạm vi từ 3.55-3.7 GHz, tổng băng thông 150 MHz, được điều chỉnh bởi khung ủy quyền phổ ba tầng để chia sẻ với người dùng liên bang và không liên bang Hình 2.6 tóm tắt các mục cần xem xét khi sử dụng các dải tần 5G.
Trong các tần số mới, việc triển khai TDD trở nên quan trọng hơn bao giờ hết Chúng ta không chỉ kỳ vọng vào sự thay đổi khả dụng của băng thông ở các dải tần số thấp (< 1 GHz), trung bình (< 6 GHz) và cao (> 6 GHz), mà còn mong muốn phương pháp song công cũng sẽ được cải tiến.
Một số nhà khai thác đang tập trung vào việc cung cấp dịch vụ 5G tốc độ cao (khoảng 1Gb/giây) thông qua truy cập không dây, thay vì triển khai cáp/sợi Họ cũng hỗ trợ các ứng dụng băng rộng di động, giúp phát triển hệ sinh thái dựa trên sóng mm, cho phép công nghệ 5G hoạt động hiệu quả với các thiết bị sử dụng pin.
Các nghiên cứu về các tập hợp phổ tần không đồng nhất cho thấy rằng phổ tần được cấp phép luôn được ưu tiên sử dụng Đồng thời, đã có những sáng kiến nhằm hỗ trợ các dịch vụ sử dụng phổ tần không được cấp phép, như WiFi hiện nay.
Liên minh MulteFire cho phép triển khai công nghệ LTE và 5G độc lập trong phổ tần chung và không được cấp phép, nhằm cung cấp các dịch vụ riêng biệt, kiến trúc mạng máy chủ trung lập và hỗ trợ mạng công nghiệp.
Bảng 2.2: Các băng tần số 5G mới.
Khu vực Băng tần ( 6 Băng thông >
Phổ tần cho dịch vụ 5G đang gặp nhiều thách thức, với một số dải tần số mới được xem xét trong NR 5G theo từng vùng, như thể hiện trong bảng 2.2 Các nhà khai thác và nhà sản xuất thiết bị hiện đang phải đối mặt với nhiều tùy chọn khác nhau để xác định phổ tần số, điều này ít phổ biến hơn so với tình hình ở Hoa Kỳ.
Thiết kế dạng sóng cho 5G
CP-OFDM, mặc dù có một số hạn chế như SCS cố định trong 4G LTE, chi phí CP và sự phát xạ OOB cao, vẫn là dạng sóng chính cho các hệ thống 5G nhờ vào những ưu điểm của nó và khả năng tương thích ngược Để khắc phục những hạn chế này, một số sửa đổi đã được đề xuất nhằm tối ưu hóa CP-OFDM cho các ứng dụng 5G.
Internet vạn vật (IoT) đóng vai trò quan trọng trong sự tăng trưởng nhanh chóng của người dùng 5G, với các thiết bị IoT như cảm biến thường gửi dữ liệu ngắn hạn và có công suất hạn chế Ngược lại, eMBB yêu cầu truyền tải khối lượng dữ liệu lớn trong thời gian ngắn Sự khác biệt trong các đặc điểm truyền tải dẫn đến việc CP-OFDM với SCS cố định tạo ra dạng sóng không chính xác Để đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng IoT, 5G cần hỗ trợ chế độ truyền với độ trễ rất thấp thông qua các khung ngắn Để đạt được truyền tải độ trễ thấp, cần thiết phải có TTI ngắn và giảm thiểu thời gian hoạt động của các thiết bị giá rẻ Việc phát xạ OOB có thể được cải thiện bằng cách áp dụng cửa sổ miền thời gian, giúp làm mượt quá trình chuyển đổi giữa các symbol.
Các tham số OFDM đã được thiết kế để hỗ trợ triển khai nhiều phổ tần khác nhau Hiện tại, giá trị SCS được sử dụng là 15, 30 và 60.
120, 240 và 480 kHz Kích thước FFT tối đa hiện được đặt thành 4096 và số khối tài nguyên (RB) tối đa có thể được truyền cũng tăng lên đến 275 (hoặc
Sóng mang con 3300 mang lại nhiều lợi thế trong việc triển khai phổ tần và cải thiện hiệu quả truyền tải Chẳng hạn, công nghệ LTE sử dụng những sóng này để tối ưu hóa khả năng truyền thông.
Với việc áp dụng bộ số liệu mới, chúng ta có thể tận dụng tới 99 MHz trong tổng số 100 MHz của phổ tần có sẵn, thay vì chỉ 18 MHz trong phổ tần 20 MHz Ví dụ, trong triển khai 100 MHz, các tham số như SCS = 30 kHz và kích thước FFT = 4096 sẽ dẫn đến tần số lấy mẫu là 122.88 MHz, gấp 4 lần so với LTE, trong khi sử dụng phổ tần lớn gấp 5 lần.
Hệ thống OFDMA linh hoạt là yếu tố then chốt cho việc triển khai hiệu quả các dịch vụ 5G Các dải tần số thấp hơn dự kiến sẽ phục vụ cho các triển khai rộng rãi với SCS nhỏ hơn và độ dài khung phụ lớn hơn, trong khi các dải tần số cao hơn sẽ được sử dụng cho các triển khai dày đặc với SCS lớn hơn và thời gian khung con ngắn hơn Khả năng triển khai này có thể được phát triển từ một hệ thống số học linh hoạt Để giảm phát xạ OOB, nhiều giải pháp như lọc và cửa sổ đã được áp dụng cho OFDM, bao gồm F-OFDM, Wola-OFDM, UF-OFDM và FBMC, nhằm phát triển các dạng sóng mới cho 5G và các công nghệ tương lai.
Công nghệ đa truy cập từ 1G đến 5G
Trong lịch sử phát triển của các hệ thống tế bào, nhiều kỹ thuật đa truy cập đã được triển khai Thế hệ đầu tiên sử dụng FDMA, trong đó dải tần số được chia thành các kênh tần số, và người dùng được phân bổ vào các kênh này Đến thế hệ thứ hai, các công nghệ TDMA và CDMA được áp dụng, cho phép dải tần số được chia thành các kênh tần số nhỏ hơn, nâng cao hiệu suất truyền tải dữ liệu.
Trong TDMA, tài nguyên được phân bổ qua khe thời gian, trong khi CDMA sử dụng chuỗi mã PN Độ phức tạp của máy thu TDMA tăng nhanh chóng khi tốc độ dữ liệu, thứ tự điều chế và số lượng anten tăng CDMA ở thế hệ thứ ba đã triển khai băng thông lớn hơn và giới thiệu khái niệm kênh chia sẻ, trong đó tài nguyên vật lý bao gồm khe thời gian và mã PN Độ phức tạp của công nghệ CDMA cũng tăng theo tốc độ dữ liệu, dẫn đến băng thông trải rộng WCDMA cần mức tăng xử lý cao hơn để triệt tiêu nhiễu hiệu quả.
Hình 2.7 Kỹ thuật thông tin đường lên và đường xuống.
Thế hệ thứ tư của các hệ thống tế bào đã áp dụng công nghệ OFDMA, duy trì khái niệm kênh chia sẻ với tài nguyên vật lý là các khe thời gian và sóng mang con tần số Công nghệ này đảm bảo tính khả dụng của tài nguyên và băng thông thông tin luôn ở mức mong muốn Nhờ vào việc sử dụng xử lý tín hiệu miền tần số và tần số tuần hoàn, độ phức tạp của máy thu được quản lý hiệu quả, điều này cũng là lý do mà thế hệ thứ năm tiếp tục lựa chọn OFDMA.
Hình 2.8 Miền tốc độ của hai người dùng DL và UL.
Hình 2.7 minh họa sự khác biệt giữa các liên kết thông tin Downlink (DL) và Uplink (UL) Trong DL, tín hiệu chung được truyền đi, bao gồm tổng của tất cả các User Equipment (UE) trong tế bào, mỗi UE có vị trí vật lý khác nhau và trải qua các pha đinh đa đường khác nhau, ký hiệu là h i Mỗi UE cũng có tạp âm cộng tính riêng, ký hiệu là n i Ngược lại, UL bắt đầu với việc truyền tín hiệu riêng lẻ, bị suy hao do pha đinh khác nhau từ các vị trí vật lý trong tế bào Những tín hiệu này được tổng hợp tại ăng ten thu của trạm gốc, nơi mà trạm gốc bổ sung tạp âm cộng tính.
Hình 2.8 minh họa các vùng tốc độ của đa truy cập DL và UL trong trường hợp hai người dùng Các phép đo so sánh OMA được thể hiện bằng đường liền nét, trong khi sự chống lại mã hóa chồng chất được biểu diễn bằng đường đứt nét Đường cong bên trái đại diện cho dung lượng DL, còn đường cong bên phải thể hiện dung lượng UL.
Đa truy cập không trực giao là gì?
Trong hệ thống đa truy cập trực giao (OMA) như TDMA và FDMA, tài nguyên được phân bổ một cách trực giao để tránh nhiễu giữa các người dùng, nhưng số lượng người dùng bị giới hạn bởi tài nguyên có sẵn Ngược lại, đa truy cập không trực giao (NOMA) cho phép sử dụng nhiễu nội bào trong phân bổ tài nguyên, với các kỹ thuật loại bỏ nhiễu như loại bỏ nhiễu liên tiếp (SIC) và bộ tách nhiều người dùng (MUD) nhằm giảm thiểu nhiễu NOMA hiện đang được 3GPP xem xét trong Phiên bản 16.
Hình 2.9 Sự phân bố phổ và công suất của NOMA và OMA.
NOMA, hay Non-Orthogonal Multiple Access, là một công nghệ cho phép nhiều người dùng chia sẻ tài nguyên mà không cần trực giao, từ đó nâng cao thông lượng cho từng người dùng cũng như toàn bộ hệ thống Công nghệ này có thể được triển khai trong các miền như miền công suất, miền mã và nhiều miền khác.
Miền công suất NOMA tận dụng sự khác biệt cường độ kênh giữa các người dùng, cho phép đạt được lưu lượng tối ưu trong mạng đơn bào Hình 2.7 và 2.8 minh họa rõ ràng kỹ thuật này, trong khi Hình 2.9 so sánh phân bổ phổ tần và công suất của NOMA với OMA Trong các hệ thống NOMA, hai người dùng có thể cùng chia sẻ một dải phổ tần, với mỗi người dùng nhận được một mức công suất khác nhau.
Các sơ đồ NOMA miền mã tận dụng các phương pháp phát hiện đa người dùng với độ phức tạp thấp Những ví dụ tiêu biểu bao gồm đa truy cập mã thưa (SCMA), đa truy nhập phân chia xen kẽ (IDMA) và phân tán mật độ thấp (LDS)-CDMA.
Một số lợi ích có thể có khi sử dụng NOMA là:
NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access) vượt trội hơn OMA (Orthogonal Multiple Access) nhờ khả năng kết nối lớn, khi OMA bị giới hạn bởi số lượng tài nguyên trực giao Về lý thuyết, NOMA có thể hỗ trợ số lượng người dùng không giới hạn, mang lại tiềm năng phát triển mạnh mẽ cho các ứng dụng và dịch vụ di động trong tương lai.
OMA có độ trễ thấp hơn nhờ vào việc chờ các khối tài nguyên có sẵn để truyền, trong khi NOMA hỗ trợ truyền lịch biểu linh hoạt và truyền miễn phí.
Hiệu suất phổ tần của NOMA được cải thiện đáng kể so với OMA, với mỗi người dùng NOMA có khả năng sử dụng toàn bộ băng thông Điều này cho phép người dùng được phân nhóm đúng có thể đạt tốc độ dữ liệu cao hơn, vượt trội hơn so với người dùng OMA, vốn chỉ được phép sử dụng một lượng băng thông hạn chế.
Các thành phần hệ thống tế bào của NOMA là:
Nhóm nhiều người dùng, tức là quyết định những người dùng nào sẽ được nhóm lại với nhau để triển khai NOMA.
Phân bổ tài nguyên (công suất, mã, v.v.), ví dụ đối với trường hợp NOMA miền công suất, người dùng có chênh lệch công suất lớn là thuận lợi.
Các kỹ thuật khử nhiễu SIC hoặc MUD để loại bỏ sự thêm vào NOMA được điều khiển.
Với SIC hoặc MUD, NOMA có thể hỗ trợ khái niệm đa truy cập này.
Chúng tôi mong muốn hỗ trợ sự gia tăng đáng kể về dung lượng hệ thống và số lượng người dùng trong các hệ thống tương lai Sự gia tăng này đặt ra những thách thức mới, yêu cầu chúng ta nghiên cứu các giải pháp sáng tạo Trong bối cảnh này, việc lựa chọn công nghệ truy cập vô tuyến trở nên cực kỳ quan trọng, với NOMA được đề xuất như một giải pháp tiềm năng để đáp ứng nhu cầu của hệ thống trong tương lai.
Kết luận chương 2
Trong chương này, chúng ta khám phá tổng quan về mạng tế bào 5G, tập trung vào các kỹ thuật đa truy cập trực giao và không trực giao cũng như kiến trúc mạng qua các thế hệ công nghệ Các yêu cầu IMT-2020 cho 5G bao gồm băng thông rộng di động tăng cao, kỹ thuật thông tin từ máy cỡ lớn đến máy với độ tin cậy cao và độ trễ thấp Chúng ta cũng thảo luận về các sửa đổi cần thiết, như OFDM linh hoạt, để đáp ứng những yêu cầu này.
Các thành phần kỹ thuật quan trọng của mạng không dây 5G như massive MIMO, RAN và SDN đã được thảo luận Bài viết cũng đã nêu rõ những lợi ích và thách thức của CP-OFDM, đồng thời đề xuất hướng đi khả thi cho việc thiết kế dạng sóng mới.
MẠNG TRUY CẬP VÔ TUYẾN MỚI NR
GIỚI THIỆU
Chương này giới thiệu mạng truy cập vô tuyến mới NR (RAN), chịu trách nhiệm truyền tải thông tin dữ liệu và quản lý thiết bị qua không khí Các thành phần chính của RAN bao gồm thiết bị người dùng (UEs) và nút truy cập vô tuyến thế hệ tiếp theo (NG-RAN), hay còn gọi là trạm gốc Nút NG-RAN, hay gNB, kết nối giao thức mặt phẳng người dùng NR và mặt phẳng điều khiển với UE, đồng thời kết nối với mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người dùng của E-UTRA.
Chương này sẽ tập trung vào gNB NR, bao gồm các chức năng quan trọng như quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM), lập lịch và truyền dẫn thông tin cuộc gọi cũng như hệ thống Ngoài ra, gNB còn đảm nhiệm việc phát hành và thiết lập kết nối, tương tác với E-UTRA và điều khiển di động.
Cả mặt phẳng người dùng NR và mặt phẳng điều khiển NR đều sử dụng ngăn xếp giao thức mô-đun tương tự như LTE Ngăn xếp giao thức lớp 2 cho mặt phẳng người dùng NR được minh họa trong Hình 3.1 (a) và bao gồm các lớp và chức năng cần thiết.
Giao thức tương thích dữ liệu dịch vụ (SDAP): Thực hiện ánh xạ giữa một luồng chất lượng dịch vụ (QoS) và thiết bị mang dữ liệu vô tuyến.
Giao thức hội tụ dữ liệu gói (PDCP): Đánh số thứ tự, nén/giải nén tiêu đề, mã hóa và bảo vệ tính toàn vẹn.
Điều khiển kết nối vô tuyến (RLC): Đánh số thứ tự, phân đoạn và ghép đoạn.
Điều khiển truy cập môi trường (MAC) là quá trình ánh xạ các kênh logic để truyền tải thông tin, đồng thời thực hiện sửa lỗi thông qua cơ chế yêu cầu phát lại tự động lai (HARQ).
Lớp vật lý: Truyền dẫn và tiếp nhận qua không khí Ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển được thể hiện trong Hình 3.1 (b) và bao gồm:
Giao thức kiểm soát tầng không truy cập (NAS): Xác thực, quản lý di động và kiểm soát bảo mật.
Điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC) lớp 3: Thiết lập kết nối RRC, chức năng di động và khôi phục lỗi liên kết vô tuyến
Các lớp PDCP, RLC, MAC và PHY.
Hình 3.1 (a): Ngăn xếp giao thức mặt phẳng người dùng NR, và (b): Ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển.
Trong Hình 3.2, luồng dữ liệu được mô tả với mỗi lớp nhận một đơn vị dữ liệu dịch vụ (SDU) từ lớp cao hơn, xử lý và chuyển đổi thành đơn vị dữ liệu giao thức (PDU) cho lớp bên dưới Lớp SDAP, mới so với LTE, nhận các gói IP để tạo PDU dựa trên yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) PDU MAC khi chuyển đến lớp vật lý được gọi là khối vận chuyển (TB) Chương này sẽ trình bày các chức năng chính của Phiên bản 15 và đặc tính thiết kế của từng lớp giao thức, với lớp vật lý NR tại giao diện vô tuyến cho cả hai hướng đường xuống và đường lên được đề cập trong mục 3.2, cùng với tổng quan về các khía cạnh tần số vô tuyến trong mục 3.3.
Tiếp theo là lớp MAC trong mục 3.4, lớp RLC trong mục 3.5, lớp PDCP vàSDAP trong mục 3.6, lớp RRC trong mục 3.7 Mục 3.8 là kết luận của chương.
LỚP VẬT LÝ
Trước khi khám phá chi tiết các kênh và tín hiệu của lớp vật lý, chúng ta cần xem xét quy trình tổng quát để hiểu cách các phần khác nhau kết hợp với nhau Một ví dụ điển hình là quy trình truy cập ngẫu nhiên, được sử dụng cho việc kết nối ban đầu Khi một UE cố gắng kết nối với một tế bào NR độc lập lần đầu tiên sau khi bật nguồn, quy trình này sẽ được thực hiện.
UE điều chỉnh kênh tần số vô tuyến (RF) và tìm kiếm một tế bào để kết nối Dải tần số của kênh RF, nằm dưới hoặc trên 24 GHz, quyết định phạm vi của RF cũng như các tham số lớp vật lý mà UE giả định trong quá trình tìm kiếm tế bào.
UE tìm kiếm khối dãy đồng bộ (SSB) để xác định tế bào của gNB trên lưới đồng bộ Quá trình này thường yêu cầu vận hành một bộ tương quan cho các mẫu tín hiệu đồng bộ chính (PSS), tương tự như trong công nghệ LTE.
Sau khi phát hiện tín hiệu PSS, UE nhận thấy tín hiệu đồng bộ hóa thứ cấp (SSS) và giả định rằng nó đã xác định vị trí SSB Tiếp theo, UE thực hiện giải mã kênh quảng bá vật lý (PBCH) trên đường xuống liên kết với sự hỗ trợ từ tín hiệu tham chiếu giải điều chế (DMRS) của PBCH.
Việc đọc khối thông tin chính (MIB) trong tải PBCH giúp UE nhận biết thông tin hệ thống tối thiểu còn lại (RMSI), được lập lịch qua không gian tìm kiếm kênh điều khiển đường xuống vật lý (PDCCH) loại 0 và truyền tải trên kênh chia sẻ đường xuống vật lý (PDSCH) RMSI cung cấp thông tin hệ thống thiết yếu để thực hiện truyền dẫn truy cập ngẫu nhiên trên đường lên.
UE có khả năng đo các SSB bổ sung để xác định SSB nào có chất lượng tốt nhất, chẳng hạn như công suất nhận cao nhất Dựa trên sự tương thích giữa chất lượng SSB và tài nguyên truy cập ngẫu nhiên, UE sẽ suy ra tài nguyên truy cập ngẫu nhiên cần sử dụng, nhờ vào việc nhiều hướng chùm tia có thể được áp dụng trong phổ tần sóng milimet.
UE gửi một tín hiệu mở đầu trên kênh PRACH để thông báo cho gNB về sự hiện diện của mình Khi gNB phát hiện tín hiệu PRACH, nó sẽ lập lịch phản hồi qua PDCCH, cho phép UE thực hiện lịch trình đường lên đầu tiên.
UE gửi yêu cầu kết nối qua kênh chia sẻ đường lên vật lý (PUSCH) khi được cho phép gNB giải mã PUSCH nhờ vào sự hỗ trợ của DMRS UL liên quan.
Khi yêu cầu kết nối được chấp nhận và quy trình truy cập ngẫu nhiên hoàn tất,
UE bắt đầu giám sát PDCCH để lập lịch cho tải xuống (DL) và tải lên (UL), đồng thời thực hiện các phép đo dựa trên tín hiệu tham chiếu DL như CSI-RS cho tế bào dịch vụ và tế bào lân cận Kết quả từ các phép đo này giúp gNB trong việc điều chỉnh liên kết và quản lý di động hiệu quả.
Mỗi kênh và tín hiệu trên được mô tả chi tiết trong phần còn lại của phần này.
3.2.1 Cấu trúc khung và tài nguyên
Ghép kênh phân chia tần số trực giao theo tiền tố vòng (CP-OFDM) đã được lựa chọn làm dạng sóng NR sau một nghiên cứu toàn diện trong Phiên bản 14, nhờ vào hiệu suất tốt của nó ở tần số dưới 7 GHz, nơi nó cũng được sử dụng trong LTE CP-OFDM có thể áp dụng cho các tần số sóng mang milimet với tỷ lệ thích hợp của khoảng cách sóng mang con (SCS) và dạng sóng không thay đổi trên các dải tần khác nhau, tạo điều kiện thuận lợi cho việc thực hiện Sơ đồ khối máy phát được thể hiện trong Hình 3.3, trong đó việc vô hiệu hóa hoạt động tiền mã hóa biến đổi dẫn đến dạng sóng UL ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) trong mặt phẳng điều khiển, đồng thời cho phép tạo ra dạng sóng OFDM biến đổi Fourier rời rạc (DFT), tức là dạng sóng UL LTE bảo vệ.
NR có cấu trúc khung linh hoạt, cho phép không bị giới hạn trong các cấu trúc ghép kênh phân chia theo tần số hoặc phân chia theo thời gian như LTE.
Truyền dẫn đường xuống và đường lên được tổ chức thành các khung dài 10ms, mỗi khung gồm mười khung con dài 1 ms Đối với SCS 15 kHz, độ dài khe là 14 symbols với CP thông thường và 12 symbols với CP mở rộng, được phân chia theo thời gian dựa trên khoảng cách sóng mang con để đảm bảo số lượng khe trong khung con là số nguyên Các thông số này được hỗ trợ trong Phiên bản 15 và 16, như thể hiện trong bảng 3.1.
Với tần số sóng mang 30 kHz, mỗi khung con sẽ có hai khe, trong khi ở tần số 240 kHz, số khe trên mỗi khung con tăng lên thành 16.
Mỗi khung được chia thành hai nửa khung bằng nhau, với nửa khung 0 chứa các khung con từ 0 đến 4 và nửa khung 1 chứa các khung con từ 5 đến 9 Trên mỗi sóng mang, có một bộ khung cho đường lên và một bộ khung cho đường xuống.
Bảng 3.1: Các số bộ số liệu NR Phiên bản 15. à SCS Tiền tố tuần hoàn Hỗ trợ dữ liệu Hỗ trợ đồng bộ
2 60 Bình thường, mở rộng Có Không
Các symbol OFDM trong một khe có thể được phân loại thành đường xuống hoặc đường lên Việc báo hiệu các định dạng khe sử dụng chỉ báo định dạng khe (SFI) trong các kênh điều khiển đường xuống Trong một khe của khung đường xuống, UE giả định rằng truyền dẫn chỉ diễn ra trong các symbol đường xuống hoặc các symbol linh hoạt Cả hai phương thức song công phân chia theo tần số (FDD) và song công phân chia theo thời gian (TDD) đều hỗ trợ truyền trong phổ ghép và không ghép đôi.
Hình 3.3 Sơ đồ khối máy phát cho CP-OFDM với sự trải phổ DFT tùy ý trong
Các khía cạnh của RF
Phiên bản 16 NR được thiết kế để hoạt động ở hai dải tần số vô tuyến:
FR1 và dải tần số 2 (FR2) FR1 trải dài từ 410 MHz - 7.125 MHz, trong khi
Dải tần số 3 được xác định là MHz, trong khi dải tần từ 52.600 MHz đến 114 GHz được phân loại là dải tần số 4 trong các bản phát hành NR tương lai Phiên bản 16 hoạt động trên các băng tần NR trong FR1 và FR2, được liệt kê chi tiết trong bảng 3.6 và bảng 3.7.
Bảng 3.6: Các băng tần số hoạt động của Phiên bản 16 NR trong FR1.
Băng Băng UL Băng DL Chế độ
The article provides a comprehensive overview of various frequency bands utilized in telecommunications, detailing the specific uplink (Tx) and downlink (Rx) frequency ranges for each band Key bands include NR BS (1920 MHz – 1980 MHz and 2110 MHz – 2170 MHz), FDD n2 (1850 MHz – 1910 MHz and 1930 MHz – 1990 MHz), and TDD n38 (2570 MHz – 2620 MHz) Additional bands like n5, n7, n12, and n20 are also highlighted, showcasing their respective frequency ranges The document emphasizes the importance of these frequency bands in ensuring efficient communication and connectivity across different networks, including FDD and TDD configurations.
Băng thông kênh UE cho phép hỗ trợ một sóng mang RF NR đơn trong cả đường lên và đường xuống tại UE Từ góc độ của BS, các băng thông kênh UE khác nhau có thể được sử dụng trong cùng một phổ để truyền và nhận dữ liệu từ các UE kết nối.
Mối quan hệ giữa băng thông kênh, dải bảo vệ ở các rìa và cấu hình băng thông truyền dẫn tối đa (tính theo RBs có thể sử dụng) được minh họa rõ ràng trong Hình 3.10.
Bảng 3.7: Các băng tần số hoạt động của Phiên bản 16 NR trong FR2.
Băng Băng UL Băng DL độ
Các tần số NR BS Rx/UE Tx và BS Tx/UE Rx được quy định như sau: n257 từ 26500 MHz đến 29500 MHz, n258 từ 24250 MHz đến 27500 MHz, n260 từ 37000 MHz đến 40000 MHz, và n261 từ 27500 MHz đến 28350 MHz, tất cả đều sử dụng công nghệ TDD Việc đánh số và đặt các sóng mang dựa trên các tần số tham chiếu RF, được thiết kế bởi các kênh tần số vô tuyến NR (NR-ARFCN) trong các khoảng từ 0 đến 2016666 cho FR1 và 2016667 đến 3279165 cho FR2 Bộ quét tần số toàn cầu định nghĩa là một tập hợp các tần số tham chiếu RF dùng trong báo hiệu để xác định vị trí của các kênh RF, các khối SS và các phần tử khác, do đó, giá trị NR-ARFCN rất quan trọng.
N REF có thể được ánh xạ tới tần số tham chiếu RF là F
Độ phân giải bộ quét tần số toàn cầu (ΔF GLOBAL) được xác định là 5 kHz ở FR1 và 15 kHz ở FR2 Tần số tham chiếu (F REF ffs) là 3 GHz, với N REF ffs đạt 600000 ở FR2 và bằng không ở các tần số khác.
Bộ quét kênh và bộ quét đồng bộ giúp hoàn thiện việc sắp xếp kênh bằng cách xác định một tập con các tần số tham chiếu RF từ bộ quét tần số toàn Độ phân giải của bộ quét kênh được xác định là bội số của ΔF GLOBAL, với các mức độ phân giải như 15 kHz, 30 kHz và 100 kHz được quy định trong FR1.
Hình 3.10 Băng thông truyền dẫn lớn nhất và băng thông kênh.
Lớp MAC
Lớp MAC NR được cấu hình bởi RRC và tương tác chặt chẽ với lớp vật lý.
Mỗi nhóm tế bào UE được định nghĩa bởi một thực thể MAC, với hai thực thể MAC trong trường hợp kết nối kép, đảm nhiệm tất cả các chức năng MAC cho các tế bào trong nhóm Cấu trúc MAC được thể hiện trong Hình 3.11, và tương tự như trong LTE, phân lớp MAC hỗ trợ nhiều chức năng quan trọng.
Ánh xạ giữa các kênh logic và các kênh vận chuyển;
Ghép kênh và tách kênh SDUs MAC giữa các kênh logic khác nhau là một phần quan trọng trong quá trình truyền tải dữ liệu Việc này cho phép các khối vận chuyển được chuyển đến hoặc từ lớp vật lý trên các kênh vận chuyển một cách hiệu quả.
Lập lịch báo cáo thông tin;
Sửa lỗi thông qua HARQ;
Sự ưu tiên kênh logic.
Thực thể MAC xác định cách ánh xạ các kênh logic tới các kênh vận chuyển và chuyển thông tin này đến PHY Các kênh logic được phân loại dựa trên loại thông tin truyền tải, bao gồm kênh điều khiển tìm gọi, kênh điều khiển quảng bá và kênh lưu lượng chuyên dụng Những kênh này được kết nối với các kênh vận chuyển tương ứng như điều khiển tìm gọi trên kênh tìm gọi (PCH), điều khiển quảng bá trên kênh quảng bá (PBCH), và kênh lưu lượng chuyên dụng trên kênh chia sẻ UL hoặc DL (PUSCH hoặc PDSCH).
Lớp vật lý tạo ra một kênh vận chuyển cho MAC, nơi thông tin được truyền qua giao diện vô tuyến RACH, mặc dù được sử dụng bởi MAC, không được ánh xạ tới kênh logic nào mà chỉ phục vụ cho việc kiểm soát truy cập ngẫu nhiên (RA).
Hình 3.11 Ví dụ về cấu trúc MAC NR.
Lớp RLC
Lớp RLC hỗ trợ ba chế độ truyền dẫn dữ liệu: chế độ trong suốt (TM), chế độ không báo nhận (UM) và chế độ báo nhận (AM) Trong chế độ AM, giao thức ARQ cho phép tự động phát lại SDU lớp RLC giữa các thực thể RLC ngang hàng Tại phía phát, lớp RLC cung cấp các gói cho lớp MAC bên dưới, bao gồm PDU RLC từ phương diện RLC và SDU MAC từ phương diện MAC.
Thực thể RLC được phân loại thành TM, UM hoặc AM dựa trên chế độ truyền và thường được cấu hình qua RRC Các dịch vụ và chức năng chính của phân lớp RLC phụ thuộc vào chế độ truyền đã chọn.
Chuyển giao PDU lớp trên;
Sửa lỗi thông qua ARQ (chỉ AM);
Phân đoạn (AM và UM) và không phân đoạn (chỉ AM) của RLC SDU;
Sự lắp ghép lại của SDU (AM và UM);
Phát hiện sự trùng lặp (chỉ AM);
Loại bỏ SDU RLC (AM và UM);
Phát hiện lỗi giao thức (chỉ AM).
Hình 3.12 minh họa tổng quan về lớp RLC và các tương tác giữa các thực thể truyền và nhận Một thực thể UM hoặc TM có thể được cấu hình để hoạt động như một thực thể truyền hoặc nhận, trong khi thực thể AM có khả năng cấu hình cho cả hai chức năng này.
Hình 3.12 Mô hình tổng quan của phân lớp RLC.
Trong chế độ truyền thông (TM), dữ liệu được truyền và nhận mà không thay đổi các lớp dưới và trên, và không áp dụng đánh số thứ tự Ứng dụng của chế độ TM bị giới hạn bởi một số thông báo RRC như khối thông tin chính, thông tin hệ thống, thông báo tìm gọi và thông báo quản lý kết nối RRC Ngược lại, trong chế độ không đồng bộ (UM), có sự áp dụng đánh số thứ tự chuỗi 6 bit hoặc 12 bit, với việc máy thu duy trì một cửa sổ ghép lại cho các PDU có số thứ tự cụ thể và lưu trữ chúng trong bộ đệm nhận.
AM duy trì một cửa sổ truyền với số thứ tự (SN) 12 bit hoặc 18 bit, và không gửi dữ liệu đến lớp dưới nếu SN của nó nằm ngoài cửa sổ phát.
Thực thể AM duy trì một cửa sổ nhận nhằm xác định các PDU được lưu trữ trong bộ đệm nhận để xử lý tiếp Đồng thời, thực thể RLC AM gửi các PDU STATUS đến thực thể RLC AM ngang hàng để cung cấp xác nhận tích cực hoặc tiêu cực cho các SDU RLC.
Lớp PDCP
Phân lớp PDCP đảm nhiệm việc xử lý thông báo RRC trong mặt phẳng điều khiển và các gói IP trong mặt phẳng người dùng Lớp PDCP được áp dụng cho thiết bị vô tuyến được ánh xạ trên kênh logic DCCH và DTCH, và không sử dụng cho các loại kênh logic khác Thiết bị vô tuyến này có vai trò vận chuyển dữ liệu mặt phẳng người dùng hoặc tín hiệu từ mạng lõi, đồng thời được ánh xạ tới dòng QoS bởi lớp SDAP.
Sự tương tác giữa các lớp RLC và PDCP được thể hiện trong Hình 3.13
Mỗi thực thể PDCP có thể liên kết với một, hai hoặc bốn thực thể RLC, tùy thuộc vào đặc tính của RB và chế độ RLC Đối với các kênh mang không tách, thực thể PDCP liên kết với một hoặc hai thực thể RLC UM hoặc một thực thể RLC AM Trong trường hợp các phần tử phân tách, thực thể PDCP có thể liên kết với hai hoặc bốn thực thể RLC UM, hoặc hai thực thể RLC AM.
Một sự biểu diễn chức năng của lớp PDCP được thể hiện trong Hình 3.14 Lớp PDCP hỗ trợ các chức năng sau:
Truyền dữ liệu (mặt phẳng người dùng hoặc mặt phẳng điều khiển);
Bảo trì của SN PDCP;
Nén và giải nén tiêu đề bằng giao thức ROHC;
Mã hóa và giải mã;
Sự bảo vệ tính toàn vẹn và xác minh tính toàn vẹn;
Loại bỏ SDU dựa trên bộ định thời;
Định tuyến cho các thiết bị tách;
Hình 3.13 Cấu trúc của lớp PDCP.
Hình 3.14 Chức năng của lớp PDCP.
Sắp xếp lại và chuyển giao theo thứ tự;
Chuyển giao không thứ tự;
Điều khiển tài nguyên vô tuyến
Điều khiển tài nguyên vô tuyến lớp 3 đảm nhận vai trò quan trọng trong việc vận chuyển thông báo NAS và cấu hình các tham số kết nối vô tuyến cho UE Các dịch vụ và chức năng chính của phân lớp RRC bao gồm việc quản lý kết nối, thiết lập và duy trì các thông số cần thiết cho hiệu suất tối ưu của mạng.
Quảng bá thông tin hệ thống liên quan đến AS và NAS;
Tìm gọi được bắt đầu bởi 5GC hoặc NG-RAN;
Thiết lập, bảo trì và phát hành kết nối RRC giữa UE và NG-RAN, bao gồm:
Bổ sung, sửa đổi và giải phóng tập hợp sóng mang;
Bổ sung, sửa đổi và giải phóng kết nối kép trong NR hoặc giữa E-UTRA và NR.
Chức năng bảo mật bao gồm sự quản lý khóa;
Thiết lập, cấu hình, bảo trì và giải phóng các thiết bị vô tuyến báo hiệu (SRBs) và các thiết bị vô tuyến dữ liệu (DRBs);
Các chức năng di động bao gồm:
Chuyển giao và truyền nội dung;
Lựa chọn tế bào UE và tái lựa chọn và kiểm soát sự lựa chọn và tái lựa chọn tế bào;
Tính di động giữa các RAT.
Chức năng quản lý QoS;
Báo cáo đo lường UE và kiểm soát báo cáo;
Phát hiện và phục hồi từ lỗi liên kết vô tuyến;
Truyền tin nhắn NAS đến/từ NAS từ/đến UE.
Một UE có thể ở trạng thái RRC_CONNECTED hoặc RRC_INACTIVE khi một kết nối RRC được thiết lập Nếu không có kết nối RRC nào được thiết lập, UE sẽ ở trạng thái RRC_IDLE Các trạng thái RRC này có thể được mô tả chi tiết hơn.
Một DRX UE riêng biệt có thể được cấu hình bởi các lớp trên, giúp UE điều khiển tính di động dựa trên cấu hình mạng UE giám sát kênh tìm gọi để thực hiện tìm gọi CN thông qua nhận dạng di động S-tremporary 5G (5G-S-TMSI), thực hiện các phép đo tế bào lân cận và (tái) lựa chọn tế bào Đồng thời, UE nhận được thông tin hệ thống và có khả năng gửi yêu cầu SI nếu được cấu hình.
Việc tiếp nhận không liên tục (DRX) của UE được cấu hình bởi các lớp trên nhằm tiết kiệm công suất UE điều khiển tính di động dựa trên cấu hình mạng và lưu trữ nội dung AS cùng khu vực thông báo từ RAN UE giám sát kênh tìm gọi CN thông qua 5G-S-TMSI, thực hiện đo lường tế bào lân cận và (tái) lựa chọn tế bào Hơn nữa, UE cập nhật khu vực thông báo dựa trên RAN định kỳ và khi di chuyển ra ngoài khu vực được cấu hình, đồng thời nhận thông tin hệ thống và có khả năng gửi yêu cầu SI nếu được cấu hình.
Hình 3.15 Cơ cấu trạng thái UE và chuyển tiếp trạng thái giữa NR/5GC, E-
UTRA/EPC và UTRA/5GC.
Khi kết nối 5GC-NG-RAN được thiết lập cho thiết bị người dùng (UE), nội dung AS UE sẽ được lưu trữ trong NG-RAN và thiết bị UE.
RAN xác định tế bào thuộc về UE nào và giám sát kênh tìm gọi Nếu được cấu hình, nó sẽ theo dõi các kênh điều khiển liên kết với kênh dữ liệu chia sẻ để kiểm tra xem dữ liệu có được lập lịch hay không Hệ thống cung cấp thông tin phản hồi và chất lượng kênh, thực hiện báo cáo đo đạc và đo đạc tế bào lân cận, đồng thời nhận thông tin hệ thống Các chuyển đổi trạng thái RRC cho UE NR kết nối với NR RAN hoặc E-UTRA được minh họa trong Hình 3.15.
Kết luận chương 3
Chương này tóm tắt các chức năng của ngăn xếp giao thức giữa các thực thể chính trong RAN, bao gồm UE và gNB Đặc biệt, khi xem xét quá trình truyền dữ liệu DL, các bước xử lý của các lớp khác nhau được mô tả một cách rõ ràng.
Lớp SDAP ánh xạ các gói IP tới các thiết bị vô tuyến dữ liệu trong các luồng QoS;
Lớp PDCP thực hiện nén và mã hóa tiêu đề và thêm số thứ tự;
Lớp RLC thực hiện phân đoạn và đánh số thứ tự bổ sung;
Lớp MAC thực hiện sửa lỗi thông qua HARQ và ánh xạ các kênh logic sang các kênh vận chuyển;
Lớp vật lý truyền khối vận chuyển MAC qua không gian sau khi thực hiện mã hóa kênh, điều chế và tiền mã hóa MIMO.
Các thực thể tương ứng trong các hoạt động tại phía đối diện UE cung cấp các gói IP đã được giải mã chính xác đến các lớp cao hơn.
