BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ MỚI CHỦ ĐỀ 1 ĐA TRUY NHẬP VÀ C- RAN

LỜI NÓI ĐẦUCác yêu cầu dịch vụ đa dạng đi kèm với sự ra đời của các ứng dụng phức tạp cũngnhư số lượng lớn của các thiết bị được kết nối đòi hỏi những thay đổi mang tính cáchmạng trong m

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ MỚI CHỦ ĐỀ 1: ĐA TRUY NHẬP VÀ C- RAN

Lớp: Kỹ thuật viễn thông 1 – K61

Sinh viên thực hiện: Đỗ Chiến Phi

Lại Văn Hoàn Trần Trọng Chiến Nguyễn Tuấn Khanh Nguyễn Hoàng Minh

LỜI NÓI ĐẦU

Các yêu cầu dịch vụ đa dạng đi kèm với sự ra đời của các ứng dụng phức tạp cũngnhư số lượng lớn của các thiết bị được kết nối đòi hỏi những thay đổi mang tính cáchmạng trong mạng truy cập vô tuyến phân tán truyền thống (RAN) Vì mục đích này,Cloud-RAN (CRAN) được coi là một mô hình quan trọng để nâng cao hiệu suất củathế hệ thứ năm sắp tới (5G) và xa hơn là các mạng không dây về dung lượng, độ trễ

và khả năng kết nối với một số lượng lớn các thiết bị Trong số một số yếu tố hỗ trợtiềm năng, việc phân bổ nguồn lực hiệu quả có thể giảm thiểu các những thách thứcliên quan đến phân công người dùng, phân bổ công suất và quản lý phổ tần trongCRAN và là trọng tâm của bài báo cáo cung cấp đánh giá toàn diện về các sơ đồ phân

bổ tài nguyên trong CRAN cùng với phân loại tối ưu hóa chi tiết về các khía cạnhkhác nhau của phân bổ nguồn lực Quan trọng hơn, xác định và thảo luận về các yếu

tố chính để phân bổ và quản lý tài nguyên hiệu quả trong CRAN, cụ thể là: phân côngngười dùng, lựa chọn đầu vô tuyến từ xa (RRH), tối đa hóa thông lượng, quản lý phổtần, tiện ích mạng và phân bổ quyền lực Hơn nữa, các trường hợp sử dụng mới nổibao gồm CRAN không đồng nhất, sóng milimet CRAN, CRAN ảo hóa, CRAN dựatrên đa truy cập không trực giao (NoMA) và CRAN hỗ trợ song công hoàn toàn đểminh họa cách hiệu suất của chúng có thể được nâng cao bằng cách áp dụng côngnghệ CRAN Sau đó phân loại và thảo luận mục tiêu và ràng buộc liên quan đến mạng5G dựa trên CRAN và các mạng xa hơn Hơn nữa, việc phân loại chi tiết về phươngpháp tối ưu hóa và cách tiếp cận giải pháp với các mục tiêu khác nhau được trình bày

và thảo luận

MỤC LỤC

I Giới thiệu 4

1.Định nghĩa về Đa Truy nhập trong mạng không dây 4

2.Khái niệm về Cloud Radio Access Network (CRAN) 4

II Công nghệ và kỹ thuật trong CRAN 10

1 NFV/SDN (Network Functions Virtualization/ Software Defined Network) 10 2 Mạng tự tổ chức (SON): Self-Organizing Map 13

3.Heterogeneous CRAN (H-CRAN) : Mạng truy cập vô tuyến đám mây không đồng nhất 14

4.Millimeter wave (mmWave) CRAN 15

5.Mobile Edge Computing / Fog Computing ( Điện toán biên di động / Điện toán sương mù) 16

6.Massive MIMO 17

7.CRAN dựa trên NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access) 17

III Các thành phần để triển khai CRAN 19

1 Baseband Unit /BBU Hotel ( Đơn vị băng cơ sở / Khách sạn BBU) : 19

2 Remote Radio Heads RRH/RRU ( Đầu vô tuyến từ xa RRH/RRU): 19

3 Fronthaul: 19

IV Các loại mạng CRAN 21

1.C-RAN tập trung hoàn toàn 21

2.C-RAN tập trung một phần 21

3.C-RAN tập trung kết hợp 22

V Lợi ích và thách thức của C-RAN 22

1 Lợi ích của C-RAN 22

2.Thách thức của C-RAN 23

I Giới thiệu

1.Định nghĩa về Đa Truy nhập trong mạng không dây

Đa Truy nhập (Multiple Access) trong mạng không dây là một kỹ thuậtcho phép nhiều thiết bị truy cập và chia sẻ cùng một tài nguyên truy cập khôngdây, như tần số, thời gian, hoặc không gian, cùng một lúc Mục tiêu của Đa Truynhập là tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên mạng và cải thiện khả năng truy cập

đa người dùng trong môi trường mạng không dây

Nguyên lý hoạt động của Đa Truy nhập (Multiple Access) trong mạngkhông dây là cho phép nhiều thiết bị truy cập và chia sẻ cùng một tài nguyên truycập không dây, như tần số, thời gian, hoặc không gian, cùng một lúc Cácphương pháp Đa Truy nhập khác nhau sẽ áp dụng các kỹ thuật khác nhau đểphân biệt và phục vụ từng thiết bị truy cập

Dưới đây là nguyên lý hoạt động cơ bản của một số phương pháp Đa Truynhập phổ biến:

1 FDMA (Frequency Division Multiple Access):

- Tần số được chia thành các băng thông nhỏ hơn

- Mỗi thiết bị truy cập được phân bổ một băng thông tần số riêng

- Các tín hiệu từ các thiết bị truy cập khác nhau được phân biệt bằng tần số sửdụng

2 TDMA (Time Division Multiple Access):

- Thời gian truy cập được chia thành các khe thời gian

- Mỗi thiết bị truy cập được phục vụ trong một khe thời gian cố định

- Các thiết bị truy cập khác nhau truy cập vào cùng một tài nguyên truy cậpkhông dây vào các khoảng thời gian khác nhau

3 CDMA (Code Division Multiple Access):

- Mỗi thiết bị truy cập được gán một mã duy nhất

- Tất cả các thiết bị truy cập chia sẻ cùng một tần số và thời gian truy cập

- Các tín hiệu từ các thiết bị truy cập khác nhau được phân biệt bằng mã duy nhấtcủa từng thiết bị

4 NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access):

- Sử dụng kỹ thuật đa phân cấp để phân biệt giữa các người dùng

- Các tín hiệu từ các thiết bị truy cập khác nhau có thể chồng lên nhau một cáchkhông đồng nhất

Nguyên lý hoạt động của Đa Truy nhập là cung cấp cơ chế cho nhiều thiết bịtruy cập cùng một tài nguyên truy cập không dây một cách hiệu quả và đồng thời,giúp tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên mạng và cải thiện khả năng truy cập đangười dùng trong môi trường mạng không dây

2.Khái niệm về Cloud Radio Access Network (CRAN)

a,Định nghĩa CRAN

Cloud Radio Access Network (CRAN) là một kiến trúc mạng không dâytiên tiến trong ngành viễn thông, trong đó các trạm cơ sở (Base Stations - BSs)

truy cập không dây được tách rời với các thiết bị xử lý tín hiệu và điều khiển, vàthay vào đó, các chức năng này được tập trung và quản lý tại một trung tâm xử lýmạng trung tâm (Centralized Processing Unit - CPU) hoặc trung tâm dữ liệu(Data Center) CRAN giúp tối ưu hóa việc phân phối tài nguyên mạng, cải thiệnhiệu suất mạng, và tạo ra một môi trường linh hoạt và mở rộng cho các dịch vụ diđộng, đặc biệt là trong môi trường 5G và các mạng di động tiếp theo.

Trong CRAN, các Remote Radio Heads (RRHs) hoặc các thiết bị thu pháttín hiệu không dây được đặt gần người dùng để thu thập và truyền tín hiệu RF,trong khi các chức năng xử lý tín hiệu và điều khiển được thực hiện tại trung tâm

xử lý Việc tập trung xử lý và quản lý tài nguyên mạng giúp giảm tải cho cácRRHs, cải thiện hiệu suất mạng, và tạo ra khả năng linh hoạt trong việc phânphối tài nguyên mạng theo nhu cầu thực tế

Nguyên lý hoạt động:

Tách rời chức năng: Trong CRAN, các Remote Radio Heads (RRHs) hoặccác thiết bị thu phát tín hiệu không dây được đặt gần người dùng để thu thập vàtruyền tín hiệu RF, trong khi các chức năng xử lý tín hiệu và điều khiển đượcthực hiện tại trung tâm xử lý

Tập trung xử lý và quản lý: Việc tập trung xử lý và quản lý tài nguyênmạng giúp giảm tải cho các RRHs, cải thiện hiệu suất mạng, và tạo ra khả nănglinh hoạt trong việc phân phối tài nguyên mạng theo nhu cầu thực tế

Mạng trung tâm: Trung tâm xử lý mạng trung tâm hoặc trung tâm dữ liệuchịu trách nhiệm quản lý và điều khiển các RRHs, xử lý tín hiệu RF, và phânphối tài nguyên mạng theo yêu cầu của mạng di động

Linh hoạt và mở rộng: CRAN cung cấp khả năng linh hoạt trong việcphân phối tài nguyên mạng, mở rộng mạng di động, và tối ưu hóa hiệu suất mạngtrong môi trường 5G và các ứng dụng di động tiên tiến khác

Kiến trúc CRAN:

Trong kiến trúc mạng truy cập vô tuyến (RAN) hiện tại, khả năng xử lýcủa trạm gốc (BS) chỉ có thể được sử dụng bởi chính nó Mật độ mạng là mộtcách để tăng công suất trong kiến trúc RAN hiện tại với chi phí CAPEX vàOPEX tăngcao Hơn nữa, các công nghệ phức tạp bao gồm đa điểm phối hợp(CoMP) có thể tăng dung lượng và giảm nhiễu Tuy nhiên, nó đặt ra hạn chế chặtchẽ về độ trễ trong việc phối hợp kịp thời giữa các BS Vì vậy, kiến trúc RANhiện tại không thể mở rộng để hỗ trợ hiệu quả số lượng ngày càng tăng của người

kiến trúc RAN truyền thống

Trong bối cảnh trên, Cloud-RAN (CRAN) được coi là một giải pháp tiềmnăng để giải quyết các thách thức do kiến trúc RAN hiện tại đặt ra bằng cách sửdụng mạng đám mây không dây trung tâm để quản lý các nguồn lực liên quan Ýtưởng về CRAN được IBM khởi xướng vào năm 2010 và sau đó được ChinaMobile mô tả chi tiết Nhiều nhà khai thác và nhà cung cấp mạng khác bao gồmAlcatel-Lucent, Huawei, ZTE, Nokia Siemens Networks, Intel và Texas cũng đangnghiên cứu tiềm năng của CRAN trong mạng di động Các đặc điểm chính củaCRAN bao gồm xử lý tập trung, chia sẻ tài nguyên, điện toán đám mây thời gianthực, và cơ sở hạ tầng sử dụng năng lượng hiệu quả

Kiến trúc CRAN

Trong C-RAN, phần BBUs được đặt tại Khu xử lý trung tâm hoặc các cell lớn,còn phần xử lý tín hiệu vô tuyến RRHs đặt dọc theo các cell Giao diện kết nối giữa 40BBUs và RRHs gọi là CPRI, với mỗi cổng CPRI được nối tới một RRH Giả sử nếumỗi RRH có 2 anten (cấu hình 2T2R) và băng thông kênh sử dụng trong LTE là 20MHz thi dung lượng cáp CPRI là 2.45 Gbps Khi áp dụng kỹ thuật massive MIMO vớinhiều anten ở trạm gốc thì dung lượng CPRI phải tăng lên rất cao Ví dụ, với băngthông là 20 MHz và RRH sử dụng 16 anten thì yêu cầu dung lượng CPRI là 19.66Gbps [13] Hơn thế nữa, khi triển khai 5G với công nghệ truy nhập vô tuyến mới thìbăng thông kênh không chỉ là 20 MHz như ở 4G LTE mà có thể mở rộng đến 100MHz, 400 MHz, Vì thế, yêu cầu dung lượng cho CPRI trên mỗi RRH phải lên cỡ hàngchục hàng trăm Gbps Hiện tại, dung lượng tối đa cáp CPRI có thể đáp ứng là 10Gbps, có nguy cơ dẫn đến sự bùng nổ dung lượng CPRI nếu phát triển lên 5G (hình vẽ

minh họa).

Để giải quyết vấn đề này, giải pháp triển khai C-RAN một phần đã được đưa ra.Các chức năng của BBUs và RRHs sẽ được định nghĩa lại, tức là phần xử lý ở các lớptrong layer 1&2 sẽ đẩy xuống RRHs xử lý và thay đổi giao diện giữa BBU và RRH từCircuit fronthaul (CPRI) sang Packet fronthaul (Ethernet)

Hình vẽ: Phân tách chức năng giữa BBU và RRH.

Như vậy, giải pháp phân tách chức năng này sẽ giảm thiểu lượng dữ liệu phảitruyền qua giữa BBU và RRH, thay vì phải truyền lượng lớn dữ liệu sau điều chế IQthì giải pháp phân tách này truyền các gói dữ liệu ở các lớp trên với lượng thông tin íthơn

C-RAN là một kiến trúc mạng di động mới, nó là một giải pháp tiềm năng đểgiải quyết các thách thức về nhu cầu xử lý dữ liệu của mạng 5G Các khái niệm đầu 74tiên được đề xuất bởi IBM Centralized RAN là kiến trúc mạng vô tuyến tập trung, nơi

mà các tài nguyên xử lý tín hiệu băng gốc (BBUs) được đặt tại trung tại một chỗ vàđược chia sẻ với nhau C-RAN (cloud radio access network – mạng truy cập vô tuyếnđám mây), công nghệ này thực chất là sự kết hợp của điện toán đám mây và mạng dữliệu di động C-RAN là một kiến trúc mạng tương tự như Centralised RAN nhưng chia

sẻ tài nguyên giữa các trạm trong một virtualized BBU Pool nên muốn nâng cấp từCentralized RAN lên Cloud RAN thì chỉ đơn giản là tiến hành ảo hóa phần BBU pool

Hình dưới đây là minh họa cho việc dịch chuyển chức năng của xử lý phầnBaseband của trạm cơ sở về phần xử lý trung tâm, gọi là Centalized RAN Các lớpPHY, MAC, RRM, Adm/Config trước kia được thực hiện ở trạm BS Khi chuyển sangC-RAN chúng sẽ được đưa về 1 máy chủ server xử lý tập trung, gọi là BBU Pool Việcnày giúp tối đa hóa hiệu quả sử dụng phổ và sử dụng để đạt được mức tăng 200%thông lượng trung bình trên đường uplink; loại bỏ sự suy giảm tín hiệu ở cạnh cellgiúp tăng 10 lần tốc độ đường lên của vùng biên cell,

Trong kiến trúc trạm gốc với Remote Radio Head (RRH), trạm gốc được tách rathành đơn vị vô tuyến và đơn vị xử lý tín hiệu Đơn vị vô tuyến được gọi là RRH hoặcRemote Radio Unit (RRU) RRH cung cấp giao diện với cáp quang, thực hiện xử lý

số, chuyển đổi số - tương tự, khuếch đại công suất và lọc số Phần xử lý tín hiệu bănggốc gọi là BBU hoặc Data Unit (DU) Kết nối nội bộ và phân chia chức năng giữaBBU và RRH được mô tả ở hình dưới đây Kiến trúc này được giới thiệu khi mạng 3Gđược triển khai và ngày nay, phần lớn các trạm gốc đang sử dụng nó Trong kịch bảntriển khai nâng cấp mạng 4G hay là triển khai mạng 5G, giải pháp điện toán đám mâykết hợp với việc ảo hóa mạng sử dụng SDN/NFV được áp dụng với Cloud RAN.Kiến trúc C-RAN bao gồm ba thành phần chính: Đơn vị băng tần cơ sở (BBU)pool, mạng Đơn vị vô tuyến từ xa (RRU) và mạng truyền tải hay mạng thường đượcgọi là Fronthaul Tổng quan của C-RAN và các chức năng của từng thành phần :

 BBU: nhóm BBU được đặt tại một địa điểm tập trung như đám mây hoặc

trung tâm dữ liệu BBU chịu trách nhiệm vì xử lý tài nguyên và phân bổchúng tới RRU dựa trên nhu cầu mạng hiện tại

 RRU: RRU là một mạng không dây kết nối không dây thiết bị giống như

các điểm truy cập hoặc tháp trong mạng di động truyền thống

 Fronthaul or transport network : Fronthaul là các sự liên quan lớp

giữa Một BBU và một bộ RRU cung cấp các liên kết băng thông cao để

xử lý các yêu cầu của nhiều RRU Fronthauls có thể được thực hiệnbằng cách sử dụng các công nghệ khác nhau bao gồm truyền thông sợiquang, truyền thông di động hoặc truyền thông sóng milimet Truyềnthông cáp quang được coi là lý tưởng trong C-RAN vì nó cung cấp yêucầu băng thông cao nhất Tuy nhiên, nó đi kèm với chi phí cao và việcthực hiện không linh hoạt Mặt khác, truyền thông di động hoặc truyềnthông sóng milimet rẻ hơn và dễ triển khai Tuy nhiên, nó đi kèm với chiphí băng thông ít hơn và độ trễ cao hơn cáp quang

II.

Công nghệ và kỹ thuật trong CRAN

1 NFV/SDN (Network Functions Virtualization/ Software Defined Network) a,NFV - Network Functions Virtualization

Network Functions Virtualization (NFV) chính là việc ảo hóa các chứ năng mạngnhư firewall, NAT, load balancer, etc để đạt được tính linh động cao cũng như thúcđẩy việc triển khai các dịch vụ mới trong lĩnh vực cung cấp dịch vụ mạng

Trong hệ thống mạng truyền thống, nếu nhà cung cấp dịch vụ muốn mở rộng phạm

vi khách hàng, hay triển khai, mở rộng hệ thống mạng tại vị trí mới, điều này kéo theomột loạt các yêu cầu cần thiết về thiết bị cuối (end-user device) như router hay CEDdevice Ngoài ra, một số thiết bị khác cũng cần phải được lắp đặt hay triển khai nếunhư nhà cung cấp dịch vụ muốn monitor hay troubleshoot đường truyền cũng nhưtraffic trong mạng

NFV ra đời giúp các nhà cung cấp dịch vụ mạng giải quyết các vấn đề của hệ thốngmạng truyền thống bằng cách ảo hóa các chức năng mạng vào trong các ứng dụngphần mềm chạy trên các máy ảo đang hoạt động trên x86 server Với NFV, ngườidùng hay nhà cung cấp có thể quản lý mạng của họ Kết nối mạng bây giờ sẽ đượcchuyển từ việc sử dụng toàn bộ các thiết bị phần cứng sang việc sử dụng một số lượngnhỏ cần thiết các thiết bị phần cứng (e.g Home GW), các chức năng còn lại sẽ được ảohóa và quản lý thông qua phần mềm

b,SDN- Software Defined Network

Hình vẽ: Model 3 lớp của SDN.

Software Defined Network (SDN) là một cấu trúc mới, được thiết kế cho phép

hệ thống mạng trở nên linh động và có hiệu quả chi phí hơn (Fig.1) SDN là một kháiniệm mang tính lý thuyết, về mặt bản chất, SDN tách riêng các control plane phân tán(distributed) từ các forwarding plane và đưa (offload) các chức năng của control planevào trong control plane tập trung (centralized) Control plane và forwarding plane là 2dạng tiến trình mà các thiết bị mạng đều thực hiện Ví dụ, tại cấu trúc mạng truyềnthống, nếu ta truy cập vào router, trực hiện các tác vụ như cấu hình các giao thứcgateway, etc thì các hoạt động này đều được thực hiện trên cùng một thiết bị (trêncontrol plane và forwarding plane của router), do đó các nút (node) trong network hoạtđộng một cách độc lập dựa trên các cấu hình nội bộ tại chính các nút đó Điều đó cónghĩa, cho dù cấu trúc mạng có linh động, hiệu quả như thế nào thì kết quả của các tác

vụ hoạt động trong mạng phải phụ thuộc vào cấu hình của từng nút Nếu như số lượngnút nhiều (1000, 10000 nodes) thì đồng nghĩa các nhà vận hành mạng phải quản lýtoàn bộ (1000, 10000) control plane ( process quản lý hầu như toàn bộ hoạt động củathiết bị mạng)

Chính vì những khó khăn trên, SDN ra đời nhằm mục đích “chuyển” cấu trúccontrol plane từ phân tán sang tập trung Control plane tập trung (SDN controller) chophép chuyển tiếp các quyết định về flow thông qua SDN domain thay vì phải qua từnghop

Các tập đoàn lớn như Cisco, HP, IBM, VMware đều tự phát triển các SDNcontroller riêng của họ Ngoài ra, còn có một số dự án mã nguồn mở về SDNcontroller như Floodlight hay OpenDayLight Trong SDN, controller được ví như “bộnão”, nó thống kế tất cả thông tin từ các flow switch ở trong mạng, cung cấp cái nhìntổng thể bên trong của network (e.g trong mạng truyền thống, một switch đơn lẻ sẽkhông thể nhận biết toàn cảnh network , sự kết nối giữa các switch với nhau) SDNcontroller có open northbound (programmatic) và southbound (implementation) SDNcontroller có thể chạy trên máy ảo được host trên x86 server hoặc có thể chạy trên baremetal (x86 hoặc là một thiết bị nào đó)

c, NFV/SDN trong C-RAN

Ảo hóa chức năng mạng cho phép chia sẻ tài nguyên chung giữa các nhà khaithác Một số tài nguyên ảo có thể tăng tốc khả năng mở rộng theo nhu cầu mạng ngàycàng tăng bằng cách sử dụng cơ chế tự động hóa để trừu tượng hóa tài nguyên vật lý.NFV có thể cài đặt phần mềm chức năng mạng trong các máy ảo được triển khai trênmáy chủ thương mại ảo hóa nhưng không thể cài đặt trên thiết bị mạng chuyên dụngriêng lẻ

Do đó, RAN hoạt động như một đám mây biên trong khi Core là đám mây lõi.Mạng được xác định bằng phần mềm có thể kết nối các máy ảo ở rìa và các đám mâylõi NFV/SDN cho phép liên kết mạng với đám mây để mang lại tính linh hoạt cựccao SDN cho phép điều phối các tài nguyên cơ sở hạ tầng vật lý và ảo NFV thông quacấu hình, kết nối mạng và cung cấp băng thông, như trong Hình vẽ bên dưới.NFV/SDN không chỉ cho phép tính linh hoạt, khả năng thích ứng, khả năng lập trình

và khả năng mà còn có thể cung cấp quản lý vòng đời dịch vụ hiệu quả, giảm OPEX

và CAPEX, tạo và triển khai dịch vụ nhanh chóng, cải thiện chất lượng trải nghiệm vàmức tiêu thụ năng lượng