Skip to content

Kịch bản sử dụng 5G và network slicing

Trang này trình bày ba nhóm kịch bản sử dụng của 5G mà ITU-R định nghĩa cho IMT-2020: eMBB, URLLC và mMTC, cùng các tính năng NR mà 3GPP thêm vào để đáp ứng từng nhóm. Trang đi theo thứ tự: khung ba kịch bản và chỉ tiêu của mỗi nhóm, các tính năng NR cho eMBB, cho URLLC, cho mMTC (kể cả RedCap), rồi network slicing, cơ chế cho phép một mạng phục vụ đồng thời các kịch bản có yêu cầu trái ngược nhau. Bối cảnh thế hệ 5G nằm ở Mobile Generations (1G-5G), bảng yêu cầu IMT đầy đủ nằm ở mục Khung IMT của trang ITU.

Khung ba kịch bản của IMT-2020

Recommendation ITU-R M.2083 (09/2015) mô tả tầm nhìn IMT-2020 bằng ba nhóm kịch bản sử dụng (usage scenario). Mỗi nhóm đặt trọng tâm vào một vài chỉ tiêu và chấp nhận các chỉ tiêu khác ở mức thấp. Không công nghệ nào cần đạt mọi chỉ tiêu cùng lúc cho cùng một thiết bị: một cảm biến mMTC không cần tốc độ gigabit, và một ứng dụng xem video không cần độ tin cậy 1-10⁻⁵.

Ba nhóm kịch bản eMBB, URLLC, mMTC với chỉ tiêu chính và ví dụ ứng dụng

Ba nhóm kịch bản sử dụng của IMT-2020 theo M.2083 với chỉ tiêu chính của mỗi nhóm theo Report M.2410. RedCap của 3GPP Rel-17 nhắm vào vùng giữa eMBB và mMTC.

eMBB URLLC mMTC
Tên đầy đủ enhanced Mobile Broadband Ultra-Reliable and Low-Latency Communications massive Machine-Type Communications
Mục tiêu Tốc độ và dung lượng cao Độ trễ thấp và độ tin cậy cao Số lượng thiết bị rất lớn, chi phí và năng lượng thấp
Chỉ tiêu chính (M.2410) Tốc độ đỉnh 20 Gbit/s xuống, 10 Gbit/s lên; tốc độ trải nghiệm 100 Mbit/s xuống, 50 Mbit/s lên; độ trễ mặt người dùng 4 ms Độ trễ mặt người dùng 1 ms; độ tin cậy 1-10⁻⁵ cho gói 32 byte trong 1 ms Mật độ kết nối 1 triệu thiết bị/km²
Ví dụ ứng dụng Video độ phân giải cao, truy cập không dây cố định (fixed wireless access, FWA), AR/VR Điều khiển công nghiệp, tự động hóa nhà máy, V2X, lưới điện Đồng hồ đo thông minh, cảm biến môi trường, theo dõi tài sản
Công nghệ 3GPP đáp ứng NR từ Rel-15 NR, đạt đủ yêu cầu từ Rel-16 LTE-M và NB-IoT; RedCap bổ sung vùng giữa

Độ trễ mặt người dùng (user plane latency) trong M.2410 là thời gian một gói dữ liệu ứng dụng đi một chiều từ lớp 2/3 bên phát tới lớp 2/3 bên nhận qua giao diện vô tuyến, khi thiết bị đã ở trạng thái kết nối. Con số này không phải độ trễ đầu cuối tới máy chủ ứng dụng. Độ tin cậy được định nghĩa là xác suất truyền thành công một gói có kích thước cho trước trong một khoảng thời gian cho trước.

3GPP chuyển tầm nhìn này thành yêu cầu riêng cho thiết kế NR trong TR 38.913. Tài liệu này dùng cùng ba nhóm kịch bản và đặt một số mục tiêu chặt hơn M.2410, ví dụ độ trễ mặt người dùng 0,5 ms mỗi chiều cho URLLC.

Tính năng NR cho eMBB

eMBB là kịch bản được ưu tiên trong Rel-15, bản đầu tiên của NR. Các tính năng chính hướng tới tăng băng thông và hiệu suất phổ:

Tính năng Nội dung Trang chi tiết
Băng thông sóng mang rộng Tới 100 MHz ở FR1 và 400 MHz ở FR2 cho một sóng mang, gộp thêm bằng carrier aggregation Frequency Bands, Carrier Aggregation
Numerology linh hoạt Subcarrier spacing 15·2^µ kHz, chọn theo dải tần và vùng phủ NR Numerology
Massive MIMO và beamforming Beam management dựa trên SSB và CSI-RS, cần thiết ở FR2 Connected Mode & Mobility
Điều chế bậc cao 256QAM đường xuống từ Rel-15, 1024QAM đường xuống từ Rel-17
Mã hóa kênh LDPC Thông lượng giải mã cao, phù hợp khối dữ liệu lớn Channel Coding

Các tính năng này không riêng cho eMBB, nhưng thiết kế mặc định của NR (slot 14 symbol, lập lịch theo slot, HARQ với mục tiêu tỷ lệ lỗi khối khoảng 10%) được tối ưu cho thông lượng hơn là cho độ trễ. URLLC cần thêm các cơ chế riêng ở mục tiếp theo.

Tính năng NR cho URLLC

Để đạt độ trễ 1 ms và độ tin cậy 1-10⁻⁵, NR phải rút ngắn mọi thành phần của độ trễ (chờ cơ hội truyền, thời gian truyền, thời gian xử lý ở UE và gNB) và giảm xác suất lỗi mà không dựa vào nhiều lần truyền lại HARQ. Rel-15 đặt nền tảng, Rel-16 (enhanced URLLC, eURLLC) bổ sung để đạt đủ yêu cầu IMT-2020.

Giảm độ trễ

  • Numerology lớn hơn. Subcarrier spacing 30 hoặc 60 kHz ở FR1 làm symbol và slot ngắn lại: slot dài 0,25 ms ở 60 kHz so với 1 ms ở 15 kHz.
  • Lập lịch không theo slot (mini-slot). PDSCH mapping type B cho phép truyền dữ liệu đường xuống chỉ trong 2, 4 hoặc 7 symbol, bắt đầu ở bất kỳ symbol nào của slot, nên gói đến không phải chờ đầu slot kế tiếp. PUSCH mapping type B cho đường lên cũng linh hoạt tương tự.
  • Grant không cần xin. Configured grant type 1 và type 2 cho đường lên, semi-persistent scheduling (SPS) cho đường xuống, giúp bỏ qua vòng Scheduling Request và chờ grant. Cơ chế này được trình bày ở Connected Mode & Mobility. Rel-16 cho phép nhiều cấu hình configured grant và SPS hoạt động đồng thời, và chu kỳ SPS ngắn tới một slot.
  • UE xử lý nhanh hơn. UE processing capability 2 rút ngắn thời gian từ lúc nhận PDSCH tới lúc gửi HARQ-ACK (N1) và từ lúc nhận grant tới lúc phát PUSCH (N2), so với capability 1.
  • HARQ-ACK theo sub-slot (Rel-16). PUCCH mang HARQ-ACK có thể đặt nhiều lần trong một slot thay vì một lần mỗi slot, giảm thời gian chờ phản hồi.
  • PUSCH repetition type B (Rel-16). Các lần lặp PUSCH nối tiếp nhau theo symbol và được phép vượt qua ranh giới slot, giữ độ trễ thấp khi cần lặp để tăng độ tin cậy.

Tăng độ tin cậy

  • Bảng MCS và CQI cho tỷ lệ lỗi thấp. TS 38.214 có bảng MCS hiệu suất phổ thấp (qam64LowSE) và bảng CQI số 3 ứng với tỷ lệ lỗi khối mục tiêu 10⁻⁵, thay cho mục tiêu khoảng 10% của bảng thông thường. gNB chọn bảng MCS cho từng lần truyền qua RNTI riêng (MCS-C-RNTI) hoặc cấu hình RRC.
  • PDCP duplication. Lớp PDCP nhân đôi gói và gửi qua hai đường độc lập, bằng carrier aggregation (hai sóng mang) hoặc Dual Connectivity (hai nút). Bên nhận giữ bản đến trước và bỏ bản trùng.
  • DCI gọn (Rel-16). DCI format 0_2 và 1_2 cho phép cấu hình kích thước trường linh hoạt, giảm số bit nên PDCCH tin cậy hơn ở cùng tài nguyên.

Chia sẻ tài nguyên giữa URLLC và eMBB

Khi URLLC và eMBB chạy trên cùng sóng mang, gói URLLC đến bất chợt cần được truyền ngay, kể cả trên tài nguyên đã cấp cho eMBB. NR có các cơ chế sau:

Cơ chế Chiều Cách hoạt động
Preemption indication (DCI format 2_1, Rel-15) Đường xuống gNB chèn dữ liệu URLLC vào tài nguyên đang truyền eMBB, rồi báo cho UE eMBB vùng tài nguyên bị chiếm để UE bỏ phần dữ liệu đó khi giải mã
Uplink cancellation indication (DCI format 2_4, Rel-16) Đường lên gNB yêu cầu UE eMBB hủy phần PUSCH chồng lên tài nguyên dành cho URLLC của UE khác
Ưu tiên trong cùng UE (Rel-16) Đường lên Hai mức ưu tiên cho PUSCH và HARQ-ACK; khi xung đột, lần truyền ưu tiên cao được giữ

URLLC cho công nghiệp

Rel-16 và Rel-17 bổ sung các tính năng cho Industrial IoT (IIoT): tích hợp với mạng Time-Sensitive Networking (TSN) của IEEE 802.1, trong đó hệ thống 5G đóng vai trò một bridge TSN, phân phối thời gian chính xác qua giao diện vô tuyến và bù trễ truyền sóng để đồng bộ thời gian. Phần TSN của IEEE nằm ở trang IEEE, phần đồng bộ ở Synchronization.

Tính năng cho mMTC

NR Rel-15 không thiết kế riêng cho mMTC. 3GPP đáp ứng nhóm kịch bản này bằng LTE-M và NB-IoT, hai công nghệ IoT băng hẹp có từ Rel-13. Trong bản tự đánh giá 3GPP nộp ITU-R, LTE-M và NB-IoT đạt chỉ tiêu mật độ 1 triệu thiết bị/km² của IMT-2020, nên được tính là công nghệ 5G cho mMTC.

LTE-M NB-IoT
Băng thông 1,4 MHz 180 kHz (một PRB của LTE)
Hỗ trợ di động Có, có handover Hạn chế
Ứng dụng tiêu biểu Thiết bị đeo, theo dõi tài sản, cần thoại hoặc di chuyển Đồng hồ đo, cảm biến cố định, cần phủ sâu trong nhà

Cả hai dùng các cơ chế tiết kiệm năng lượng như Power Saving Mode (PSM) và extended DRX (eDRX), cho phép thiết bị ngủ trong thời gian dài và chạy pin nhiều năm, cùng với lặp lại truyền (repetition) để mở rộng vùng phủ. LTE-M và NB-IoT có thể đặt trong băng thông của một sóng mang NR: NR khai báo phần tài nguyên đó là tài nguyên dành riêng (reserved resource) để không lập lịch dữ liệu NR lên đó. Nhờ vậy nhà mạng không phải giữ sóng mang LTE chỉ để phục vụ IoT khi chuyển phổ sang NR, xem thêm DSS và Refarming.

RedCap

Giữa eMBB và mMTC có một nhóm thiết bị cần tốc độ vừa phải, độ trễ thấp hơn LTE-M và NB-IoT, nhưng không cần đủ năng lực của một UE NR thông thường: thiết bị đeo, camera giám sát, cảm biến công nghiệp. Rel-17 định nghĩa UE năng lực giảm (Reduced Capability, RedCap) cho nhóm này:

Tham số UE NR thông thường RedCap (Rel-17) eRedCap (Rel-18)
Băng thông tối đa của UE 100 MHz (FR1), 400 MHz (FR2) 20 MHz (FR1), 100 MHz (FR2) RF 20 MHz, băng thông baseband cho dữ liệu 5 MHz (FR1)
Số nhánh thu 2 hoặc 4 1 hoặc 2 1 hoặc 2
Song công Full-duplex FDD Cho phép half-duplex FDD Cho phép half-duplex FDD
Tốc độ đỉnh mục tiêu Hàng Gbit/s Khoảng 150 Mbit/s đường xuống Khoảng 10 Mbit/s

RedCap chạy trên mạng NR Standalone và dùng chung sóng mang với UE thông thường. gNB phải biết UE là RedCap từ sớm trong thủ tục truy nhập, vì UE không nhận được toàn bộ băng thông của cell. Vì vậy 3GPP cho phép cấu hình initial BWP riêng cho RedCap và cho UE báo loại thiết bị trong quá trình random access, xem Initial Access.

Chưa kiểm chứng

Số nhánh thu của eRedCap và tốc độ đỉnh khoảng 150 Mbit/s của RedCap Rel-17 lấy từ tài liệu tổng quan, chưa đối chiếu trực tiếp với TS 38.306.

Network slicing

Ba nhóm kịch bản có yêu cầu trái ngược nhau về tốc độ, độ trễ và số lượng kết nối. Thay vì xây ba mạng riêng, 5G cho phép chia một mạng vật lý thành nhiều mạng logic, mỗi mạng logic gọi là một network slice và được cấu hình cho một loại dịch vụ. Slicing là khái niệm đầu cuối: một slice gồm tài nguyên ở RAN, transport và mạng lõi. Mục này trình bày slicing chủ yếu từ phía RAN, phần mạng lõi chỉ nêu ở mức cần để hiểu luồng thủ tục.

Định danh slice

Mỗi slice được định danh bằng S-NSSAI (Single Network Slice Selection Assistance Information), gồm hai trường:

  • SST (Slice/Service Type), 8 bit: loại dịch vụ của slice. Giá trị 0 tới 127 thuộc dải chuẩn hóa trong TS 23.501, giá trị 128 tới 255 do nhà mạng tự định nghĩa.
  • SD (Slice Differentiator), 24 bit, không bắt buộc: phân biệt nhiều slice cùng SST, ví dụ hai slice eMBB cho hai khách hàng doanh nghiệp.

Một số giá trị SST chuẩn hóa:

SST Loại slice
1 eMBB
2 URLLC
3 MIoT (massive IoT)
4 V2X

Các release sau bổ sung thêm giá trị, ví dụ High-Performance Machine-Type Communications (HMTC); danh sách đầy đủ ở bảng 5.15.2.2-1 của TS 23.501. Nhà mạng không bắt buộc hỗ trợ mọi giá trị chuẩn hóa, và một dịch vụ có thể chạy trên slice có SST khác với loại của nó.

NSSAI là danh sách các S-NSSAI. UE và mạng trao đổi ba loại: Configured NSSAI (UE được cấu hình sẵn), Requested NSSAI (UE yêu cầu khi đăng ký) và Allowed NSSAI (mạng cho phép trong vùng đăng ký hiện tại). Requested và Allowed NSSAI chứa tối đa 8 S-NSSAI.

Slicing trong thủ tục

Slicing đi qua các thủ tục đã trình bày ở trang Attach / Registration & Session:

  1. NG Setup. gNB báo cho AMF danh sách S-NSSAI mà nó hỗ trợ theo từng tracking area.
  2. Registration. UE gửi Requested NSSAI trong bản tin RRC Setup Complete (để gNB chọn AMF phù hợp) và trong bản tin NAS Registration Request. AMF, có thể với sự hỗ trợ của chức năng chọn slice NSSF, trả Allowed NSSAI.
  3. PDU session. Mỗi PDU session thuộc đúng một S-NSSAI. Khi thiết lập phiên, AMF gửi S-NSSAI của phiên tới gNB trong bản tin PDU Session Resource Setup, nên gNB biết mỗi DRB thuộc slice nào.

Slicing ở RAN

3GPP không quy định cách gNB phân chia tài nguyên vô tuyến giữa các slice. Đây là phần của bộ lập lịch (scheduler) và quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) do nhà cung cấp hiện thực. Một số công cụ có trong đặc tả:

Công cụ Nội dung Nguồn
Chính sách RRM theo slice Tỷ lệ tối thiểu, tối đa và dành riêng của tài nguyên PRB cho mỗi nhóm slice (rRMPolicyMinRatio, rRMPolicyMaxRatio, rRMPolicyDedicatedRatio), cấu hình qua hệ thống quản lý TS 28.541
QoS theo 5QI Mỗi QoS flow có 5QI với loại tài nguyên GBR, Non-GBR hoặc Delay-critical GBR; loại Delay-critical GBR dành cho lưu lượng kiểu URLLC TS 23.501
Cell reselection theo slice (Rel-17) Mạng phát thông tin ưu tiên tần số theo slice để UE ở trạng thái idle chọn cell hỗ trợ slice nó cần TS 38.300, TS 38.304
Random access theo slice (Rel-17) Tài nguyên RACH riêng cho từng nhóm slice, để slice ưu tiên không bị nghẽn khi truy nhập TS 38.300, TS 38.321

Trong kiến trúc O-RAN, chính sách slicing ở RAN có thể được điều khiển bởi RAN Intelligent Controller (RIC) qua các ứng dụng xApp và rApp. Kiến trúc RIC và các vòng điều khiển nằm ở trang WG1.

Phía quản lý, 3GPP mô tả vòng đời của slice (Network Slice Instance và Network Slice Subnet Instance) trong TS 28.530 và mô hình thông tin trong TS 28.541. GSMA định nghĩa bộ thuộc tính chung để mô tả yêu cầu của một slice (Generic Network Slice Template) trong tài liệu NG.116.

Liên quan

Tài liệu tham khảo