Xem mẫu
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
Đánh giá hiệu năng kỹ thuật kết nối kép trong
mạng 5G
Nguyễn Quỳnh Chi, Lâm Sinh Công
Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội
Email: congls@vnu.edu.vn
Tóm tắt nội dung—Mạng thông tin di động thế hệ thứ 1, mạng thông tin di động 5G tồn tại và hoạt động song
5 đang dần được triển khai và phổ biến để cung cấp các song với các thế hệ mạng thông tin di động trước đó, cụ
dịch vụ tốc độ cao, thời gian thực và hỗ trợ số lượng lớn kết thể là mạng 5G. Khi đó, ta có kiến trúc mạng thông tin
nối cho người dùng. Việc triển khai mạng 5G thường được
di động Không tồn tại độc lập (Non-Stand Alone). Trong
chia làm 2 giai đoạn. Giai đoạn 1 đang triển khai tại nhiều
nước trên thế giới, các trạm phát 5G gNodeB và 4G eNodeB giai đoạn này, hệ thống mạng lõi chủ yếu dựa trên nền
hoạt động đồng thời với nhau và kết nối tới mạng lõi 4G. tảng mạng lõi EPC của 4G. Tuy nhiên, mạng lõi sẽ có
Giai đoạn 2, các trạm 5G gNodeB hoạt động độc lập và kết những cải tiến để hỗ trợ cho việc kết nối đồng thời giữa
nối tới mạng lõi 5G. Trong bài báo này, chúng tôi tập trung trạm di động 5G (gNodeB) và 4G (eNodeB). Giai đoạn
nghiên cứu kết nối kép (dual connectivity) của UE với trạm 2, mạng thông tin di động 5G hoạt động hoàn toàn độc
gNodeB và eNodeB trong Giai đoạn 1. Bên cạnh việc tìm lập với các hệ thống khác. Khi đó kiến trúc mạng di động
hiểu lý thuyết, mô hình mô phỏng được xây dựng trong bài
báo để so sánh hiệu năng của UE trong trường hợp sử dụng được gọi là Kiến trúc độc lập (Stand Alone). Trong mô
kỹ thuật DC và trường hợp chỉ có kết nối đơn tới 1 trạm hình kiến trúc độc lập, mạng lõi đã được hoàn thiện để
eNodeB. Kết quả mô phỏng cho ta thấy kỹ thuật DC có khả tương tích hoàn toàn với trạm di động 5G.
năng cải thiện rất lớn hiệu năng của UE.
Tại mỗi giai đoạn phát triển, mạng thông tin di động
Từ khóa: 5G, 4G, kết nối kép,
5G đều chứa đựng các kỹ thuật tiên tiến như: kỹ thuật
I. GIỚI THIỆU slicing để phân loại loại hình dịch vụ và xác định luồng
Mạng thông tin di động thế hệ thứ 5 được dựng dựa dữ liệu thông suốt từ người dùng đến mạng lõi; kỹ thuật
trên những thành công của các thế hệ mạng di động trước OFDM nâng cao với trọng điểm là sự thay đổi linh động
đó để hỗ trợ các loại hình dịch vụ tốc độ cao, thời gian chu kỳ của mỗi khe thời gian để cung cấp các loại hình
trễ thấp và cung cấp số lượng lớn kết nối cho người dùng dịch vụ khác nhau như từ dịch vụ tốc độ cao dến dịch
[1]. Các yêu cầu về thông số chất lượng dịch vụ của 5G vụ thời gian thực; kỹ thuật kết nối song song (Dual
được quy định bởi ITU trong khi các tiêu chuẩn kỹ thuật Connectivity - DC) cho phép người dùng kết nối với
được xác định tổ chức 3GPP. Theo các kỹ thuật được định nhiều hơn 1 trạm gốc [6]–[8]. Trong bài báo này, chúng
nghĩa cho mạng 5G, hệ thống này có thể hoạt động với tần tôi tập trung vào đánh giá hiệu năng của kỹ thuật Kết nối
số cao, băng thông lớn. Cụ thể, tần số hoạt động của mạng song song (DC).
5G có thể ở dải tần số 6 GHz và dải tần số milimet trên Hiệu năng của kỹ thuật kết nối song song đã được
30 GHz hay gọi ngắn gọn là sóng mmwave [2]. Dải băng nghiên cứu tại tài liệu trước đây như [9], [10]. Trong Tài
tần sóng mmwave là rất lớn, tuy nhiên sóng này chịu ảnh liệu [10], hiệu năng của kỹ thuật DC đã được đánh giá
hưởng rất lớn từ môi trường truyền tin. Một số kết quả đo cho mạng 4G LTE với các trạm phát nhỏ và so sánh với
đạc đã chỉ ra rằng sóng mmwave có thể suy hao 35 dB trường hợp không sử dụng DC. Kết quả mô phỏng chỉ ra
khi nó đi qua cơ thể người hay vật các vật liệu xây dựng rằng, kỹ thuật DC có thể nâng cao thông lượng mạng và
như vôi, gạch - những vật cản không thể tránh trong quá giảm lỗi chuyển giao. Tài liệu [9] đánh giá hiệu năng của
trình truyền tin thực tế [3], [4]. Do đó, 1 trạm thông tin di kỹ thuật DC và so sánh với kỹ thuật chuyển giao cứng
động 5G (gọi là gNodeB) thường chỉ cung cấp vùng phủ với các thông số như độ trễ trung bình của gói tin và
sóng nhỏ với bán kính nhỏ hơn 200m [5]. thông lượng của người dùng tại lớp ứng dụng. Trong bài
Quá trình phát triển của mạng thông tin di động thế báo này, tác giả định rằng trạm UE được phép kết nối
hệ thứ 5 có thể chia thành 2 giai đoạn [6], [7]. Giai đoạn với 2 trạm eNodeB bằng sóng mmwave. Trong bài báo
ISBN 978-604-80-5958-3 318
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
của 4G. Trong trường hợp này, trạm 5G gNodeB còn
được gọi với tên gọi khác là en-gNodeB. Mô hình
mạng này thường tồn tại trong giai đoạn đầu của
mạng 5G khi chỉ một số trạm 5G vận hành và hệ
thống mạng lõi 5G (5G core) chưa được triển khai.
Trạm gNodeB và eNodeB có thể trao đổi thông tin
với nhau thông giao diện vô tuyến X2 [7].
• Trường hợp 2: Trạm eNodeB kết nối tới EPC và
gNodeB tới mạng lõi 5G. Mô hình này xảy ra khi
hệ thống mạng lõi 5G đã được triển khai và trạm
gNodeB hoạt động độc lập với trạm eNodeB. Trong
mô hình này, việc giao tiếp giữa 2 trạm này là không
cần thiết.
Đối với cả 2 mô hình trên, UE được giả thiết kết nối với
trạm eNodeB hoặc gNodeB một cách luôn phiên bằng
Hình 1: Sơ đồ mô hình DC sử dụng trạm gNodeB và cách lựa chọn trạm phát có kênh truyền tốt hơn. Khi UE
eNodeB [7], [13] bắt đầu kết nối vào mạng, nó sẽ được chỉ định kết nối tới
1 trạm cơ sở, trạm đó được gọi là trạm thứ cấp (Primary
Cell hay PCell), trạm còn lại được gọi là trạm sơ cấp
này, chúng tôi đánh giá hiệu năng của UE trong trường (Secondary Cell hay SCell). Thông thường, trạm eNodeB
hợp DC với 2 trạm cơ sở trong đó có 1 trạm là mmwave được sử dụng là trạm thứ cấp còn trạm gNodeB gọi là
eNodeB và 1 trạm gNodeB. Các thông số được sử dụng trạm sơ cấp. Trong một hệ thống gồm nhiều trạm cơ sở
là chỉ số tín hiệu trên ồn Gaussian (SNR), hệ số điều chế và sử dụng kỹ thuật DC, khái niệm nhóm MeNodeB và
và mã hóa (Modulation and Coding Scheme - MCS) và SeNodeB có thể được sử dụng để chỉ tập hợp các trạm
thông lượng của UE. PCell và SCell tương ứng như Hình 2. Lưu ý rằng, các
II. KỸ THUẬT KẾT NỐI KÉP - DUAL CONNECTIVITY trạm cơ sở trong nhóm SeNodeB có thể tồn tại 1 trạm thứ
(DC) cấp sơ cấp (Primary Secondary Cell - PSCell) hoạt động
Truyền thông hợp tác là một kỹ thuật tiên tiến trong gần tương đương như trạm sơ cấp PCell.
truyền thông vô tuyến [8], [11] và được triển khai trong A. Truyền tín hiệu điều khiển
hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 và 5 [1], [12]. Đối Phiên bản số 15 của 3GPP xác định rằng trạm thứ cấp
với mạng thông tin di động 4G, kỹ thuật DC có thể kết PCell sẽ bao gồm đầy đủ các chức năng của một trạm
hợp các trạm eNodeB với nhau để cùng phục vụ 1 người cơ sở, trong khi đó trạm sơ cấp SCell chỉ hoạt động với
dùng. Trong mạng 5G, trạm gNodeB có thể kết hợp với một số chức năng cơ bản. Ví dụ kênh truyền điều khiển
trạm gNodeB khác hoặc trạm eNodeB nếu trạm eNodeB trên đường lên PUCCH và kênh truy cập ngẫu nhiên
tồn tại để cung cấp kết nối cho người dùng nào đó. Mục (CBRA) sẽ không hoạt động trên trạm SCell. Trong khi
đích chính của kỹ thuật truyền thông hợp tác là đó, trách nhiệm truyền các bản tin điều khiển (Control
• Nâng cao hiệu năng phổ, hiệu suât sử dụng năng Information) như các tín hiệu phản hồi, tín hiệu thông
lương báo chất lượng kênh truyền và yêu cầu về lập lịch thuộc
• Nâng cao vùng phủ sóng chức năng của trạm PCell như được chỉ trên Hình 2 [7].
• Nâng cao chất lượng dịch vụ Trong trường hợp kỹ thuật tập hợp sóng mang được sử
• Cải thiện thông lượng mạng dụng trên cả trạm PCell và SCell, việc sử dụng trạm sơ
Trong bài báo này, chúng tôi tập trung đánh giá hiệu năng cấp PCell để truyền thông tin điều khiển và yêu cầu lập
của người dùng trong mạng 5G sử dụng kết nối DC với lịch của cả PCell và SCell là không hiệu quả do độ trễ
trạm gNodeB và eNodeB. Mô hình kết nối DC giữa trạm truyền tin lớn. Do đó, một sóng mang sẽ được sử dụng
gNodeB và eNodeB được mô tả như trong hình sau Theo bởi một trạm SCell để truyền các tín hiệu điều khiển trên
Hình 1 ta thấy mô hình mạng của DC với gNodeB và kênh PUCCH và CBRA, trạm SCell này được gọi là trạm
eNodeB có thể tồn tại 1 trong 2 trường hợp sau thứ cấp sơ cấp PSCell. Ngoài ra, trên đường lên (uplink),
• Trường hợp 1: Trạm eNodeB của mạng 4G LTE và các thông tin điều khiển có thể được truyền trực tiếp từ
trạm gNodeB của 5G cùng kết nối tới mạng lõi EPC UE tới trạm thứ cấp SCell.
ISBN 978-604-80-5958-3 319
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
bộ như Hình 3 khi khung nhóm trạm sơ cấp MeNodeB và
SNB hoàn toàn đồng bộ với nhau, UE có thể tính toán
đồng thời công suất sử dụng để truyền tin với trạm PCell
và SCell.
Trong trường hợp truyền không đồng bộ như Hình 4,
khung của các trạm PCell và SCell tương đối khác nhau.
Khi đó, công suất phát cho từng nhóm cell được xác định
dựa theo thời gian truyền. Nếu mức công suất tổng của
các nhóm vượt mức công suất tối đa cho phép của UE thì
mức công suất phát trong khoảng thời gian tiếp theo của
UE sẽ bị hạn chế lại. Bên cạnh đó, do việc không đồng
bộ giữa truyền tin của các nhóm PCell và SCell, viêc xác
định mức công suất phát cho là khá phức tạp.
Hình 2: Cell Group in DC Hình 4: Power control mode 2
B. Điều khiển công suất III. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ
Việc điều khiển công suất thường được xem xét đối với A. Mô hình mô phỏng
UE vì năng lượng của UE phụ thuộc vào khả năng của
pin. Khi UE thực hiện các kết nối DC và sử dụng kỹ thuật Trong bài báo này, chúng tôi thực hiện mô phỏng đánh
tập hợp sóng mang, nó sẽ được cấp một vài sóng mang giá hiệu năng của UE trong Trường hợp 1 khi cả gNodeB
để truyền tin. UE thực hiện việc truyền tin trên các sóng và eNodeB cùng kết nối tới 4G EPC. Mô hình mạng 5G
mang này sao cho tổng công suất trên tất cả các sóng tồn tại độc lập trong đó UE chỉ có kết nối duy nhất tới 1
mang này phải nhỏ hơn 1 ngưỡng xác định trước. Do sự trạm eNodeB được sử dụng làm mô hình tham chiếu. Cả
biến đổi của kênh truyền, UE có thể tự điều chỉnh công trạm gNodeB và eNodeB đều được giả thiết sử dụng sóng
suất phát của nó mỗi một hoặc một vài khe thời gian (time mmwave.
slot) sao cho công suất sử dụng là tối thiểu thiểu những
vẫn đảm bảo được sự thành công của việc truyền tin hay
nó cách khác là đảm bảo vùng vủ sóng của đường lên.
Bên cạnh đó, UE không thể hiệu chỉnh công suất trên
từng sóng mang, nên UE thường phân chia công suất phù
hợp đối với từng nhóm cell theo chu kỳ. Kỹ thuật DC hỗ
Hình 3: Power control mode 1
trợ cả trường hợp truyền đồng bộ và truyền không đồng bộ
giữa gNodeB và eNodeB. Đối với trường hợp truyền đồng Hình 5: Mô hình mô phỏng kết nối đơn với trạm eNodeB
ISBN 978-604-80-5958-3 320
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
Hình 5 mô tả mô hình mô phỏng trong trường hợp UE Thông số Giá trị
chỉ kết nối tới 1 trạm eNodeB sử dụng sóng mmwave. Kích thước tối đa của vật cản 20 m2
Người dùng UE di chuyển với tốc độ không đổi v km/h Số lượng vật cản 8
trong vùng phủ sóng của trạm eNodeB. Vật cản trên Vị trí của eNodeB (50,70) m
đường truyền được giả thiết là các tòa nhà được phân bố Vị trí gNodeB (150,70)m
ngẫu nhiên trên đường truyền Vị trí ban đầu của UE (90, -5)m
Vị trí cuối của UE (110, -5)m
Ngưỡng chuyển giao -5 dB
Tốc độ UE 2 m/s
Khoảng thời gian giữa các gói tin 20ms
Bảng I: Thông số mô phỏng
dùng trên đường xuống. Trong trường hợp chỉ có 1 UE
trong hệ thống và giả thiết không có nhiễu giữa các ký
tự, nhiễu sẽ chỉ gồm ồn nhiệt Gaussian và thường có giá
trị thống kê không đổi. Do đó, giá trị SNR chủ yếu phụ
thuộc vào tín hiệu nhận được trạm cơ sở Hình 7 cho thấy
Hình 6: Mô hình mô phỏng kết nối kép gNodeB và
eNodeB
Hình 6 mô tả mô hình mô phỏng trong đó UE có
DC với trạm mmwave eNodeB và gNodeB. Do tín hiệu
mmwave có tốc độ suy hao rất nhanh theo khoảng cách
và khi gặp vật cản, kênh truyền của UE với các trạm
phát thường thăng giáng mạnh; đặc biệt khi UE di chuyển
trong môi trường có nhiều vật cản. Điều này làm cho UE
có thể nằm ngoài vùng phủ sóng của trạm gốc chu dù
khoảng cách giữa UE và trạm gốc không quá lớn. Việc
đặt thêm 1 trạm gNodeB sử dụng sóng mmwave được kỳ
vọng nâng cao cải thiện phủ sóng và hiệu năng của UE. Hình 7: SNR tại người dùng với Mô hình kết nối kép và
Để đánh giá mức độ cải thiện hiệu năng khi sử dụng đồng đơn
thời trạm gNodeB và eNodeB, ta thiết lập mô hình mô
phỏng với các thông số như trong Bảng I tỉ số SNR tại UE với kỹ thuật DC được cải thiện đáng kể
Ngưỡng chuyển giao được sử dụng đối với trường tồn so với kỹ thuật sử dụng 1 trạm đơn. Cụ thể, với kỹ thuật sử
tại đồng thời trạm gNodeB và eNodeB. Khi ngưỡng SNR dụng 1 trạm gốc, 100% tín hiệu nhận được có giá trị SNR
của tín hiệu nhận tại UE nhỏ hơn -5dB thì UE sẽ tự động nhỏ hơn 15 dB. Trong khi đó với kỹ thuật DC, khoảng
kết nối với trạm khác nếu trạm đó cũng cấp tín hiệu tốn 42% tín hiệu nhận được có giá trị SNR lớn hơn 15 dB.
hơn. Mục đích của mô phỏng là tìm ra khả năng đáp ứng Đây chính là lợi ích của việc sử dụng 2 trạm phát. Khi tín
của hệ thống khi UE truyền với một tốc độ xác định. Do hiệu từ trạm PCell bị suy giảm, UE có thể kết nối với trạm
đó, ta giả thiết UE liên tục phát gói tin với tốc độ 50 gói SCell gNodeB. Trong trường hợp chỉ có 1 trạm eNodeB,
tin/s tương đương với 400 kb/s. UE chỉ có thể kết nối với duy nhất 1 trạm cho dù tín hiệu
nhận được quá nhỏ.
B. Kết quả mô phỏng và phân tích 2) Chỉ số Modulation and Coding (MCS): Trong
1) Tỉ số tín hiêu/nhiễu Gaussian: Trước hết ta phân mạng 4G và 5G, chỉ số điều chế và mã hóa (MCS) được
tích tỉ số tín hiêu chia cho nhiễu (SNR) thu được tại người sử dụng giữa trạm phát và thu để thống nhất giữa tốc
ISBN 978-604-80-5958-3 321
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
độ của mã (số lượng bit dữ liệu/tổng số bit sử dụng) và được coi là bước khởi đầu của việc triển khai mạng 5G
phương pháp điều chế tương ứng. Như vậy, chỉ số MCS khi mạng 4G và 5G hoạt động cùng nhau. Các kết quả mô
cao hơn sẽ cho tốc độ truyền dữ liệu và kết quả là thông phỏng đã chỉ ra rằng, kỹ thuật DC có thể nâng cao thông
lượng sẽ cao hơn. Theo Hình vẽ 8 ta thấy khi chỉ sử dụng lượng của người dùng lên đến 281% trong khi vẫn duy trì
được tỉ lệ lỗi gói tin khoảng 3%. Tuy nhiên, tính khả thi
của việc triển khai kỹ thuật DC còn phụ thuộc vào chi phí
vận hành cũng như lượng băng thông được cấp phép đối
với từng nhà mạng.
TÀI LIỆU
[1] Christofer Larsson, “Fundamentals of 5G Mobile Networks.”
Academic Press, 2018.
[2] 3GPP TS 38.213 version 15.6.0 Release 15, “5G; NR; Physical
layer procedures for control,” 7 2019.
[3] A. Al-Saman, M. Cheffena, O. Elijah, Y. A. Al-Gumaei, S. K.
Abdul Rahim, and T. Al-Hadhrami, “Survey of millimeter-wave
propagation measurements and models in indoor environments,”
Electronics, vol. 10, no. 14, 2021. [Online]. Available: https:
//www.mdpi.com/2079-9292/10/14/1653
[4] K. Haneda, L. Tian, H. Asplund, J. Li, Y. Wang, D. Steer, C. Li,
T. Balercia, S. Lee, Y. Kim, A. Ghosh, T. Thomas, T. Nakamurai,
Y. Kakishima, T. Imai, H. Papadopoulas, T. S. Rappaport, G. R.
MacCartney, M. K. Samimi, S. Sun, O. Koymen, S. Hur, J. Park,
J. Zhang, E. Mellios, A. F. Molisch, S. S. Ghassamzadeh, and
A. Ghosh, “Indoor 5g 3gpp-like channel models for office and
Hình 8: MCS với Mô hình kết nối kép và đơn shopping mall environments,” in 2016 IEEE International Confer-
ence on Communications Workshops (ICC), 2016, pp. 694–699.
1 trạm phát, chỉ số MCS đi chạy từ 0 đến 20. Trong khi [5] 3GPP TR 38.901 version 15.0.0 Release 15, “5G; Study on
channel model for frequencies from 0.5 to 100 GHz,” 07 2018.
đó với kỹ thuật DC, các trạm phát có thể truyền với chỉ số [6] E. D. S. P. J. Skold, 5G NR, The Next Generation Wireless Access
MCS từ 5 đến 28. Chỉ số này là kết quả của Technology. Wiley Publishing, 2020.
3) Thông lượng và BLER: Thông lượng của UE được [7] 3GPP TS 37.340 version 15.3.0 Release 15, “Universal Mo-
bile Telecommunications System (UMTS); LTE; 5G; NR; Multi-
tính bằng tính của số lượng gói tin đã truyền thành công connectivity; Overall description; ,” 7 2018.
trong 1 đơn vị thời gian và kích thước của gói tin đó, trong [8] M. Agiwal, H. Kwon, S. Park, and H. Jin, “A survey on 4g-5g dual
chương trình kích thước gói tin được cố định 1024 bytes. connectivity: Road to 5g implementation,” IEEE Access, vol. 9,
pp. 16 193–16 210, 2021.
Trong khi đó, tỉ lệ gói tin bị lỗi BLER được tính bẳng tỉ [9] Michele Polese, “Performance Comparison of Dual Connectivity
số của gói tin bị lỗi và số gói tin đã truyền. Theo Bảng and Hard Handover for LTE-5G Tight Integration in mmWave
Cellular Networks.”
Successful Packets BLER [10] ——, “Performance Comparison of Dual Connectivity and Hard
Handover for LTE-5G Tight Integration in mmWave Cellular
Single eNodeB 127.5 Mbps 0.039 Networks.”
DC gNodeB + eNodeB 358.2 Mbps 0.037 [11] Q. Li, R. Q. Hu, Y. Qian, and G. Wu, “Cooperative commu-
nications for wireless networks: techniques and applications in
Bảng II: Thông lượng và BLER lte-advanced systems,” IEEE Wireless Communications, vol. 19,
no. 2, pp. 22–29, 2012.
[12] S. Sesia, I. Toufik, and M. Baker, LTE, The UMTS Long Term
II ta thấy, kỹ thuật DC có khả năng cải thiện lớn thông Evolution: From Theory to Practice. Wiley Publishing, 2009.
lượng của UE. Cụ thể, thông lượng của UE khi sử dụng [13] M. Kollar, “Dual connectivity for lte-nr cellular networks in
kỹ thuật DC đã tăng khoảng 281% so với trường hợp chỉ evolved packet system and critical review on challenges in sgnb
release,” SN Applied Sciences, 2019.
sử dụng 1 trạm phát trong khi tỉ lệ lỗi gói tin được duy trì
khoảng 3%.
IV. KẾT LUẬN
Trong bài báo này, chúng tôi tập trung tìm hiểu và đánh
giá hiệu năng của UE khi sử dụng DC và khi chỉ sử dụng
1 trạm phát. Với mô hình DC, chúng ta giả sử UE có
thể kết nối đồng thời với 2 trạm phát 5G gNodeB và 4G
eNodeB, trong đó 2 trạm này đều kết nối với mạng lõi
4G EPC. Với mô hình một trạm phát, ta giả thiết chỉ có
1 trạm phát eNodeB được sử dụng. Mô hình mạng DC
ISBN 978-604-80-5958-3 322
nguon tai.lieu . vn
