Đánh giá hiệu năng giải pháp backhaul di động ứng dụng công nghệ truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp (TWDMPON) và RoF (Luận văn thạc sĩ)

Đánh giá hiệu năng giải pháp backhaul di động ứng dụng công nghệ truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp (TWDMPON) và RoF (Luận văn thạc sĩ)Đánh giá hiệu năng giải pháp backhaul di động ứng dụng công nghệ truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp (TWDMPON) và RoF (Luận văn thạc sĩ)Đánh giá hiệu năng giải pháp backhaul di động ứng dụng công nghệ truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp (TWDMPON) và RoF (Luận văn thạc sĩ)Đánh giá hiệu năng giải pháp backhaul di động ứng dụng công nghệ truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp (TWDMPON) và RoF (Luận văn thạc sĩ)Đánh giá hiệu năng giải pháp backhaul di động ứng dụng công nghệ truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp (TWDMPON) và RoF (Luận văn thạc sĩ)Đánh giá hiệu năng giải pháp backhaul di động ứng dụng công nghệ truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp (TWDMPON) và RoF (Luận văn thạc sĩ)Đánh giá hiệu năng giải pháp backhaul di động ứng dụng công nghệ truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp (TWDMPON) và RoF (Luận văn thạc sĩ)Đánh giá hiệu năng giải pháp backhaul di động ứng dụng công nghệ truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp (TWDMPON) và RoF (Luận văn thạc sĩ)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-NGUYỄN ĐÔNG ĐỨC

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG GIẢI PHÁP BACKHAUL DI ĐỘNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TRUY NHẬP QUANG THỤ ĐỘNG THẾ HỆ KẾ TIẾP (TWDM-PON)

VÀ RoF

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI - 2018

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-NGUYỄN ĐÔNG ĐỨC

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG GIẢI PHÁP BACKHAUL DI ĐỘNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TRUY NHẬP QUANG THỤ ĐỘNG THẾ HỆ KẾ TIẾP (TWDM-PON)

VÀ RoF

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

MÃ SỐ: 85.20.208 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÊ HẢI CHÂU

HÀ NỘI - 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn: "Đánh giá hiệu năng giải pháp backhaul di động

ứng dụng công nghệ truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp (TWDM – PON) và

RoF" là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai

công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Học viên

Nguyễn Đông Đức

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các thầy (cô) trong khoa Quốc tế

và Đào tạo Sau đại học Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã tận tình truyền đạt kiến thức và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình học tập nghiên cứu, hoàn thành luận văn

Mặc dù đã có nhiều cố gắng để hoàn thành luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và khả năng của mình, tuy nhiên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế Kính mong nhận được sự chia sẻ và đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp

Cuối cùng, em xin gửi lời cám ơn đến gia đình và những người bạn đã luôn động viên, ủng hộ và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này

Trân trọng cảm ơn

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Học viên

Nguyễn Đông Đức

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC HÌNH VẼ x

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG BACKHAUL DI ĐỘNG 2

1.1 Giới thiệu chung 2

1.2 Hệ thống backhaul di động 5

1.3 Các yêu cầu của mạng backhaul 9

1.3.1 Tăng tốc độ cho đầu cuối 9

1.3.2 Tăng lưu lượng 11

1.3.3 Các loại thiết bị, dịch vụ, kiến trúc mới 12

1.4 Những thách thức của mạng backhaul 5G 13

1.4.1 Mật độ công suất cao hơn 14

1.4.2 Lưu lượng phức tạp và phân bố không đồng đều 14

1.4.3 Dịch vụ và ảo hóa mạng 17

1.4.4 Các vấn đề khác 18

1.5 Kết luận chương 19

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ TWDM – PON VÀ RoF TRONG MẠNG BACKHAUL DI ĐỘNG 21

2.1 Giới thiệu chung 21

2.2 Công nghệ TWDM - PON 22

2.2.1.Tổng quan 22

2.2.2 Công nghệ TWDM – PON cho hệ thống NG-PON2 23

2.2.3 Triển khai NG-PON2 trong thực tế 32

2.3 Công nghệ RoF 34

2.3.1 Tổng quan 34

2.3.2 Các kỹ thuật truyền sóng vô tuyến qua sợi quang 36

2.3.3 Những ưu, nhược điểm của công nghệ RoF 40

2.3.4 Ứng dụng của RoF 42

2.4 Giải pháp kết hợp lai ghép giữa hai công nghệ RoF và TWDM- PON trong mạng backhaul di động 43

2.5 Kết luận chương 45

CHƯƠNG III: PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG BACKHAUL SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ TWDM - PON VÀ RoF Error! Bookmark not defined 3.1 Giới thiệu chung 47

3.2 Đường xuống cho hệ thống mạng viễn thông truy cập sử dụng RoF/TWDM-PON 48

3.3 Phân tích hiệu năng 51

3.4 Đánh giá và nhận xét 55

3.5 Kết luận chương 60

KẾT LUẬN 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

ANI Access Node Interface Giao diện nút truy nhập

APC Angled Physical Contact Liên kết vật lý

APON ATM Passive Optical Network Mạng quang thụ động ATM

ASE Amplified Spontaneous Emission Khuếch đại phát xạ tự phát

ATM Asynchronous Transfer Mode Phương thức truyền tải không đồng bộ AWG Arrayed-Waveguide Grating Cách tử ống dẫn sóng dạng mảng

BPON Broadband Passive Optical Network Mạng quang thụ động băng rộng

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

CPRI Common Public Radio Interface Giao diện vô tuyến công cộng

DBA Dynamic Bandwidth Allocation Phân bổ băng thông động

DCB Data Center Bridging Kết nối với trung tâm dữ liệu

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifer Bộ khuếch đại

eNodeB Evolved Node Base station Trạm gốc của LTE

EPON Ethernet Passive Optical Network Mạng quang thụ động Ethernet

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

FTTx Fibre to the x (B–building, business;

H–home; C–cabinet, curb)

Cáp quang đến X (B-toà nhà, doanh nghiệp, H-hộ gia đình, C-tủ cáp) Gbps Gigabit per second Tốc độ Gigabit trên giây

G-PON Gigabit-capable Passive Optical Network Mạng quang thụ động Gigabit

GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm

ITU International Telecommunication Union Liên minh Viễn thông quốc tế

MAN Metropolitan Area Network Mạng đô thị

MDU/SFU Multi-Dwelling Unit/Single-Family Unit Nhiều hộ gia đình/ người dùng cá nhân MAC Media Access Control Phương thức điều khiển truy nhập Mbps Megabit per second Tốc độ Megabit trên giây

MPA Medium Power Amplifier Bộ khuếch đại trung bình

NG-PON1 Next Generation-Passive Optical

Network 1

Mạng quang thụ động thế hệ kế tiếp thứ nhất

NG-PON2 Next Generation-Passive Optical

Network 2

Mạng quang thụ động thế hệ kế tiếp thứ hai

NG-PON3 Next Generation-Passive Optical

Network 3

Mạng quang thụ động thế hệ kế tiếp thứ

ba NLoS Non Line-of-Sight Giải pháp truyền tải không dây

ODN Optical Distribution Network Mạng phân phối quang

ODS Optical Distribution Segment Đoạn phân phối quang

ODSM Opportunistic and Dynamic Spectrum

Management

Quản lí phổ linh hoạt

OFDM Orthogonal Frequency-Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

OLT Optical Line Terminal Bộ kết cuối đường quang

OMCC Optical Management and Control

Channel

Kênh điều khiển và quản lý quang

OMCI Optical Management and Control

Interface

Giao diện quản lý và điều khiển quang

OPP Opical Path Penalty Bù công suất tuyến quang quang

ONT Optical Network Terminal Bộ kết cuối mạng quang

PON Passive Optical Network Mạng quang thụ động

PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc mode phân cực

PtP WDM Point-to-Point Wavelength Division

Multiplexing

Ghép kênh theo bước sóng điểm-điểm

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương

QPSK Quaternary Phase Shift Keying Điều chế pha trực giao

RoF Radio Over Fiber Truyền tín hiệu vô tuyến qua sợi quang R/S Reach extender interface to optical trunk

line

Giao diện mở rộng tầm với vào mạng trung kế quang

SONET/SDH Synchronous Optical

Network/Synchronous Digital Hierachy

Mạng quang đồng bộ/Phân cấp số đồng

bộ S/R Reach extender interface to optical

distribution network

Đường truy cập mở rộng vào mạng phân phối quang

TC Transmission Convergence Lớp hội tụ truyền dẫn

TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia thời gian TWDM Time and Wavelength Division

Multiplexing

Ghép kênh theo thời gian và bước sóng

UD-WDM Ultra - Dense Wavelength Division

Multiplexing

Ghép chặt theo bước sóng

UNI User Node Interface Giao diện nút người dùng

UPC Ultra Physical Contact Điểm tiếp xúc quang

WBF Wavelength Blocking Filter Bộ lọc chặn bước sóng

WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng

WDMA Wavelength-Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo bước sóng

WM Wavelength Multiplexer Bộ ghép kênh bước sóng

XG-PON1 10-Gigabit Passive Optical Network Mạng quang thụ động 10 Gbps

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Bảng so sánh ưu nhược điểm của từng loại phương tiện truyền dẫn trong mạng backhaul 8 Bảng 3.1 : Các tham số chính của hệ thống 55

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mạng di động qua các thế hệ 2

Hình 1.2: Lưu lượng di động toàn cầu 4

Hình 1.3: Vị trí của mạng backhaul trong hệ thống thông tin di động 5

Hình 1.4: Mạng backhaul di động qua các giai đoạn phát triển 6

Hình 1.5: Thị phần các công nghệ trong mạng backhaul di động 7

Hình 1.6: Dự đoán đầu tư nghiên cứu vào các công nghệ trong mạng Backhaul từ 2017 đến 2015 8

Hình 1.7: Sự phát triển dung lượng hệ thống backhaul di động 9

Hình 2.1: Kiến trúc mạng TWDM- PON 24

Hình 2.2: Các bước sóng của NG- PON2 27

Hình 2.3: Suy hao sợi quang đơn mode và tán sắc 29

Hình 2.4: Khái niệm về hệ thống RoF 35

Hình 2.5: Hệ thống quang-vô tuyến 900 MHz 36

Hình 2.6: Tạo tín hiệu RF bằng điều chế 38

Hình 2.7: Nguyên lý trộn kết hợp (coherent) quang dựa trên laser điều tần 39

Hình 2.8: Sử dụng hạ tầng sợi quang trong tòa nhà cho cả hệ thống vô tuyến và hữu tuyến 43

Hình 2.9: Mạng truy cập di động RoF/TWDM-PON 44

Hình 3.1 Kiến trúc đường xuống của mạng truy nhập di động MMW-RoF 49

Hình 3.2: Kiến trúc đường xuống của mạng truy nhập di động TWDM-PON/MMW RoF 50

Hình 3.3: So sánh hiệu suất của hệ thống lai RoF/TWDM-PON và hệ thống MMW RoF với GE = 15 dB 56

Hình 3.4: Sự phụ thuộc của hiệu suất BER trên tổng khoảng cách cáp quang (L) với Ps = 5 dBm 58

Hình 3.5: Sự phụ thuộc của hiệu suất BER vào tỷ lệ chia tách với GE = 15 dB và 58

Hình 3.6: Ảnh hưởng của khoảng cách liên kết MMW đối với BER 60

MỞ ĐẦU

Ngày nay với việc phát triển bùng nổ của công nghệ thông tin và thông tin di động, yêu cầu cải thiện về mặt công nghệ và băng thông của mạng backhaul di động ngày càng lớn hơn, đặc biệt là khi các nhà mạng di động hiện nay đã và đang phát triển, thử nghiệm 5G với tốc độ cực cao đồng thời ngày càng nhiều ứng dụng được triển khai trên nền di động Để đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao của công nghệ 5G, mạng backhaul di động thế hệ kế tiếp cần có dung lượng lớn, có khả năng cung cấp băng thông linh hoạt, cải thiện tầm với và có khả năng bảo mật cao Do vậy, việc nghiên cứu, tìm hiểu và đánh giá hiệu năng của các giải pháp mạng backhaul di động dung lượng lớn tương lai có khả năng đáp ứng tốt nhu cầu của mạng 5G là rất quan trọng và cần thiết trong việc nắm bắt và làm chủ các công nghệ mới trong tương lai gần

Hiện tại, trong mạng lõi của hệ thống thông tin di động đã ứng dụng công nghệ truy nhập quang thụ động GPON Tuy nhiên, với công nghệ truy nhập này ở thế hệ kế tiếp thứ 2, với tốc độ tối đa có thể lên đến 40 Gbps khi được áp dụng sẽ làm tăng tốc độ và thỏa mãn được nhu cầu phát triển với tốc độ cao, băng thông rộng của công nghệ 5G Ngoài ra đối với mạng truy cập vô tuyến dùng công nghệ truyền sóng vô tuyến qua sợi quang được đánh giá là có nhiều ưu điểm vượt trội so với mạng truy cập vô tuyến thông thường Trong thời gian gần đây, công nghệ truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp thứ 2 cũng được thử nghiệm thành công và sẽ sử dụng phổ biết trong tương lai Do vậy, giải pháp kết hợp hai công nghệ này hứa hẹn

sẽ có khả năng đáp ứng được nhu cầu cấp thiết của mạng backhaul di động trong tương lai

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG BACKHAUL DI

ĐỘNG

1.1 Giới thiệu chung

Cho đến nay, các mạng di động đã trải qua 4 thế hệ với nhiều thay đổi trong

công nghệ và tính năng Hình 1.1 thể hiện các thế hệ mạng di động cùng một số đặc

điểm chính của chúng Vào đầu những năm 1980 mạng thông tin di động không dây

cơ bản đầu tiên trên thế giới xuất hiện và được gọi là mạng thông tin di động thế hệ

thứ nhất (1G), đây là hệ thống giao tiếp thông tin qua kết nối tín hiệu analog Hệ

thống này sử dụng các ăng-ten thu phát sóng gắn ngoài, kết nối theo tín hiệu analog

tới các trạm thu phát sóng và nhận tín hiệu xử lý thoại thông qua các module gắn

trong máy di động Chính vì thế mà các thế hệ máy di động đầu tiên trên thế giới có

kích thước khá to và cồng kềnh do tích hợp cùng lúc 2 module thu tín hiện và phát

tín hiệu

Hình 1.1: Mạng di động qua các thế hệ

Mạng di động không dây thế hệ thứ 2 (2G) được xuất hiện vào năm 1991, là thế hệ kết nối thông tin di động mang tính cải cách cũng như khác hoàn toàn so với thế hệ đầu tiên Công nghệ này sử dụng các tín hiệu kỹ thuật số thay cho tín hiệu analog của thế hệ 1G Mạng 2G mang tới cho người sử dụng di động 3 lợi ích tiến

bộ trong suốt một thời gian dài: mã hoá dữ liệu theo dạng kỹ thuật số, phạm vi kết nối rộng hơn 1G và đặc biệt là sự xuất hiện của tin nhắn dạng văn bản đơn giản – SMS Theo đó, các tín hiệu thoại khi được thu nhận sẽ đuợc mã hoá thành tín hiệu

kỹ thuật số dưới nhiều dạng mã hiệu, cho phép nhiều gói mã thoại được lưu chuyển trên cùng một băng thông, tiết kiệm thời gian và chi phí Song song đó, tín hiệu kỹ thuật số truyền nhận trong thế hệ 2G tạo ra nguồn năng lượng sóng nhẹ hơn và sử dụng các chip thu phát nhỏ hơn, tiết kiệm diện tích bên trong thiết bị hơn…

Kế tiếp mạng di động 2G thế giới đã đột phá bằng mạng thông tin di động 3G vào khoảng những năm đầu của thế kỷ XXI Đây là thế hệ truyền thông di động thứ ba, tiên tiến hơn hẳn các thế hệ trước đó Hệ thống này cho phép người dùng di động truyền tải cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh, âm thanh, video clips Trong số các dịch vụ của 3G, điện thoại video thường được miêu tả như là lá cờ đầu Giá tần số cho công nghệ 3G rất đắt tại nhiều nước, nơi mà các cuộc bán đầu giá tần số mang lại hàng tỷ Euro cho các chính phủ Bởi vì chi phí cho bản quyền về các tần số phải trang trải trong nhiều năm trước khi các thu nhập từ mạng 3G đem lại, nên một khối lượng vốn đầu tư khổng lồ là cần thiết để xây dựng mạng 3G

Đầu năm 2017 cả ba nhà mạng lớn tại Việt Nam đã khai thác thành công mạng di động thế hệ thứ 4 Đây chính là mạng thông tin di động 4G Công nghệ này cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1 - 1,5 Gbit/s Cách đây không lâu thì một nhóm gồm 26 công ty trong đó có Vodafone (Anh), Siemens (Đức), Alcatel (Pháp), NEC và DoCoMo (Nhật Bản), đã ký thỏa thuận cùng nhau phát triển một tiêu chí cao cấp cho điện thoại di động, một thế hệ thứ 4 trong kết nối di động – đó chính là nền tảng cho kết nối 4G Công nghệ 4G được hiểu là chuẩn tương lai của các thiết bị không dây Các nghiên cứu đầu tiên

của NTT DoCoMo cho biết, điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100 Mbps khi di chuyển và tới 1 Gbps khi đứng yên, cũng như cho phép người sử dụng có thể tải và truyền lên các hình ảnh, video clips chất lượng cao Hình 1.2 dưới đây dự đoán nhu cầu gia tăng dung lượng người dùng trên toàn cầu đến năm 2019, qua hình dưới đây ta thấy dung lượng người dùng ngày càng tăng nhanh và đến năm 2019 sẽ đạt mức gần 25 Exabytes/tháng

Hình 1.2: Lưu lượng di động toàn cầu

Ngày nay trên khắp thế giới một số nước tiên tiến đã thử nghiệm thành công công nghệ 5G và tổ chức viễn thông quốc tế liên hợp quốc ITU cũng đã chuẩn bị đưa ra các tiêu chuẩn chi tiết về mạng 5G này [1, 2, 14] Một vấn đề cấp thiết đặt ra

là mạng backhaul di động phải đáp ứng được các nhu cầu của mạng 5G cả về dung lượng, băng thông, cải thiện tầm với và khả năng bảo mật, Mặc dù 5G không được hoàn thành và triển khai thương mại cho đến năm 2020, các thử nghiệm đầu

tiên sẽ bắt đầu vào năm 2018 Các nhà khai thác thông minh và các nhà cung cấp đang học tất cả những gì họ có thể có được của công nghệ 5G hiện tại

1.2 Hệ thống backhaul di động

Mobile backhaul được xác định là các liên kết trung gian giữa mạng lõi hoặc mạng xương sống với mạng ngoài Mobile backhaul đối với mạng 2G là kết nối từ BTS về BSC, các BTS với nhau và từ BSC về các phần tử của mạng lõi (MSC, HLR, IN ) và được quy ước là tính từ giao diện Abis về phía mạng lõi Trong mạng 3G là kết nối từ NodeB về RNC, các NodeB với nhau và từ RNC về MSC và các phần tử mạng lõi, tính từ giao diện Iub Trong mạng 4G là kết nối từ EnodeB về MME, các EnodeB với nhau và từ MME về các phần tử mạng lõi (MSC, HLR, SGSN ) Hình 1.3 dưới đây xác định vị trí của mạng backhaul trong hệ thống thông tin di động

Hình 1.3: Vị trí của mạng backhaul trong hệ thống thông tin di động

Trên thực tế, các hệ thống backhaul di động đã tiến hóa qua ba giai đoạn Hình 1.4 thể hiện sự tiến hóa qua các giai đoạn của mạng backhaul di động, chi tiết như sau:

Hình 1.4: Mạng backhaul di động qua các giai đoạn phát triển

 Giai đoạn 1: Backhaul dựa trên công nghệ TDM và ATM Trong giai đoạn này, mạng Backhaul sử dụng công nghệ TDM được áp dụng rộng rãi và đáp ứng cả công nghệ TDM và ATM

 Giai đoạn 2: Backhaul sử dụng công nghệ TDM lai ghép với gói Công nghệ này là một kiến trúc truyền gói tin trong mạng gói, với công nghệ này băng thông sẽ lớn hơn băng thông cung cấp cho các dịch vụ 2G hoặc 3G Mạng của backhaul gói sẽ hỗ trợ và kết hợp với mạng backhaul TDM hiện có Trong giai đoạn này công nghệ backhaul ATM sẽ dần chuyển sang công nghệ gói và công nghệ TDM sẽ ngày càng ít sử dụng hơn

 Giai đoạn 3: Backhaul toàn gói, trong giai đoạn này các dịch vụ dựa trên công nghệ IP ngày càng chiếm ưu thế Trong kiến trúc này tất cả các dịch

vụ dựa trên công nghệ TDM hoặc ATM sẽ được hội tụ và chỉ sử dụng trên một nền tảng duy nhất là công nghệ gói

Hình 1.5: Thị phần các công nghệ trong mạng backhaul di động

Hình 1.5 minh họa thị phần các công nghệ của hệ thống backhaul di động, qua biểu đồ về thị phần ở trên ta nhận thấy rằng hệ thống backhaul di động sử dụng công nghệ gói ngày càng tăng lên, sử dụng công nghệ TDM ngày càng giảm đi, trong khi đó công nghệ lai ghép vẫn giữ ổn định và chiếm thị phần lớn nhất trong hệ thống backhaul di động

Trong các hệ thống backhaul di động, phương tiện truyền dẫn có thể là một trong ba loại là cáp đồng, cáp quang và sóng vô tuyến hoặc vi ba Bảng 1.1 dưới đây so sánh ưu và nhược điểm của từng loại công nghệ backhaul di động, qua bảng này ta nhận thấy đối với mạng sử dụng cáp đồng có nhiều ưu điểm như giá thành rẻ, triển khai khá nhanh tuy nhiên lại giới hạn về mặt băng thông, với mạng sử dụng cáp quang thì thời gian triển khai nhanh, băng thông không giới hạn tuy nhiên giá thành lại rất đắt, với công nghệ sử dụng sóng vô tuyến tuy thời gian triển khai ngắn,

có khả năng dùng lại thiết bị, giá thành ở mức trung bình, băng thông có giới hạn nhưng khá cao, tuy nhiên nhược điểm là phải đăng ký tần số và triển khai tại từng trạm Do vậy trên thực tế các mạng backhaul có thể sử dụng kết hợp nhiều loại công nghệ khác nhau nhằm phù hợp với điều kiện thực tế của mạng lưới

Cáp đồng Cáp quang Sóng vô tuyến Yêu cầu bắt

buộc

Không có yêu cầu

Băng thông Giới hạn Không giới hạn Cao nhưng giới hạn

Bảng 1.1: Bảng so sánh ưu nhược điểm của từng loại phương tiện truyền dẫn

(WDM-Hình 1.6: Dự đoán đầu tư nghiên cứu vào các công nghệ trong mạng Backhaul

từ 2017 đến 2015

Hình 1.6 thể hiện dự đoán đầu tư nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới cho mạng backhaul 5G từ nay đến năm 2025 Theo dự báo này, việc sử dụng

công nghệ sợi quang sẽ ngày một gia tăng, công nghệ truyền sóng qua viba hoặc sóng vô tuyến sẽ ngày càng thu nhỏ lại

1.3 Các yêu cầu của mạng backhaul

1.3.1 Tăng tốc độ cho đầu cuối

Hình 1.7: Sự phát triển dung lƣợng hệ thống backhaul di động

Trên thực tế cứ mỗi khi có một thế hệ mạng di động mới ra đời đòi hỏi mạng backhaul phục vụ cho mạng di động đó cũng cần phát triển tương ứng nhằm đáp ứng được nhu cầu cấp bách về tốc độ truyền tải, số lượng đầu cuối, các dịch vụ mới Càng lên các công nghệ cao hơn thì yêu cầu đòi hỏi mạng backhaul phục vụ cho thế

hệ di động kế tiếp càng yêu cầu cao hơn rất nhiều lần so với trước đó Ví dụ từ mạng 3G lên đến mạng 4G, tốc độ yêu cầu đã tăng lên rất lơn từ 2 Mbps lên đến

100 Mbps (tính trên lý thuyết) Hình 1.7 thể hiện sự phát triển dung lượng của hệ thống backhaul di động tính theo năm, qua hình vẽ có thể dễ dang nhận thấy khi công nghệ mạng di động ngày càng cao thì tốc độ tối đa của người dùng ngày càng được cải thiện do đó mà lưu lượng backhaul tính theo số nốt mạng cũng ngày càng tăng lên

Theo nhu cầu phát triển của thực tế trong mạng di động, mạng backhaul cũng phải tuân theo sự phát triển của mạng di động, từ 1G đến 5G Với công nghệ 5G đòi hỏi mạng backhaul di động cần phải thay đổi với nhiều yêu cầu cao hơn như tăng tốc độ cho đầu cuối, số lượng đầu cuối tăng, có nhiêu loại thiết bị mới, nhiều dịch

vụ mới Hiện tại tuy chưa có chuẩn về mạng 5G nhưng theo ITU thì mạng 5G chuẩn phải đạt ít nhất các thông số như tốc độ dữ liệu đỉnh 20 Gbps, tốc độ người sử dụng

100 Mps, dung lượng theo mật độ là 10 Mbps/km2, số kết nối 106 thiết bị/1km2, tốc

độ di chuyển 500 km/h, độ trễ 1ms, hiệu quả sử dụng phổ tần gấp 3 lần, hiệu quả sử dụng năng lượng gấp 100 lần Do vậy các yêu cầu đặt ra cho mạng backhaul 5G là rất lớn và cần phải có nghiên cứu một cách khoa học để đạt được các yêu cầu này trong thực tế triển khai

Như chúng ta đã biết hiện nay ở một số nước tiên tiến trên thế giới đã thử nghiệm thành công công nghệ 5G Về mặt lý thuyết tốc độ của 5G sẽ đạt khoảng 10 Gbps Như vậy, để đáp ứng được yêu cầu về tốc độ cho các thiết bị đầu cuối đòi hỏi mạng backhaul phục vụ cho 5G phải có những thay đổi Hầu hết việc tăng tốc độ truyền là do các nhà mạng tăng thêm các kênh không dây, sử dụng công nghệ sóng milimet (tốc độ truyền trong khoảng ngắn) và các cell nhỏ (cell gọi là tế bào - đơn

vị địa lý cơ bản của hệ thống thông tin vô tuyến) Thiết lập nhiều cell nhỏ sẽ tăng đáng kể độ phủ sóng trong khu vực để từ đó đi đến đường truyền kết nối giữa nhà cung cấp dịch vụ với các trạm phân phối tới người dùng cuối, và giữa các trạm phân phối với nhau Hiện tại với công nghệ 5G đòi hỏi mạng backhaul sử dụng sóng milimét (millimetre wave) Sóng milimét đại diện cho phổ tín hiệu RF giữa các tần

số 20 GHz và 300 GHz với bước sóng từ 1~15mm, nhưng xét về khía cạnh mạng vô tuyến và các thiết bị thông tin, tên gọi sóng milimét tương ứng với các dải tần 24 GHz, 38 GHz, 60 GHz Và gần đây, các dải tần 70 GHz, 80 GHz cũng đã được sử dụng công cộng cho mục đích thiết lập mạng và truyền thông vô tuyến Những dải tần này được tận dụng thì có thể cải thiện rất nhiều tốc độ và băng thông không dây Hiện thời, gần như không có dữ liệu nào truyền trên mốc 24 GHz, bởi những bước sóng này có xu hướng sử dụng ở tầm gần, hoạt động với khoảng cách ngắn

hơn Ví dụ, mạng 4G LTE của AT&T hiện thời hoạt động ở dải tần 700 MHz, 850 MHz, 1,9 GHz và 2,1 GHz Thay vì những trạm cơ sở trên mặt đất đang được sử dụng bởi mạng 2G, 3G và 4G, có thể 5G sẽ sử dụng các trạm HAPS (High Altitude Stratospheric Platform Stations) Về cơ bản, các trạm HAPS là những chiếc máy bay treo lơ lửng ở một vị trí cố định trong khoảng cách từ 17km~22km so với mặt đất và hoạt động như một vệ tinh Cách này sẽ giúp đường tín hiệu được thẳng hơn

và giảm tình trạng bị cản trở bởi những kiến trúc cao tầng Ngoài ra, nhờ độ cao, trạm cơ sở có khả năng bao phủ diện tích rộng lớn; do đó làm giảm, nếu không nói

là loại bỏ, những vấn đề về diện tích vùng phủ sóng Thậm chí trên biển, nơi các trạm phát sóng trên đất liền không thể phủ sóng, cũng bắt được tín hiệu 5G.Trong thực tế, 5G chủ yếu nhằm đảm bảo các hệ thống mạng có thể xử lý việc gia tăng số lượng lớn các thiết bị Internet of Things sẽ mở ra một kỷ nguyên mới của thiết bị kết nối, tất cả mọi thứ từ hệ thống an ninh tại văn phòng cho đến thiết bị thu phát sóng trên xe hơi cũng sẽ được kết nối Khi cuộc cách mạng IoT bùng nổ, mạng 5G

sẽ giúp xử lý hàng trăm hàng triệu thiết bị và cảm biến kết nối cùng lúc

1.3.2 Tăng lưu lượng

Như chúng ta đã biết ngày nay với sự phát triển rất nhanh chóng của công nghệ thông tin, ngày càng có nhiều thiết bị đầu cuối sẽ được phát triển và được áp dụng công nghệ 5G như điện thoại cá nhân, máy tính bảng, laptop Dự kiến trong tương lại số lượng thiết bị này sẽ tăng theo cấp số nhân và trung bình 1 người sẽ sở hữu ngày càng nhiều thiết bị đầu cuối hiện đại này Lưu lượng tăng trưởng chóng mặt và ngày càng phức tạp, đồng nghĩa với việc các nhà mạng di động phải quản lý lưu lượng một cách chặt chẽ và phù hợp hơn đối với từng loại ứng dụng Những yêu cầu này không còn cố định như trước đây mà thay đổi động theo thời gian và địa điểm, bắt buộc các nhà mạng phải chia ra nhiều mức độ quản lý cho phù hợp với từng phân đoạn Do băng thông mạng 5G là rất lớn cùng với chủng loại thiết bị đầu cuối ngày càng hiện đại và phong phú, số lượng và chủng loại dịch vụ chạy trên nền 5G bùng nổ và phức tạp hơn rất nhiều so với công nghệ trước đó Truy nhập vô tuyến và quản lý lưu lượng trên mạng backhaul sẽ phải dựa trên nhiều yếu tố như:

loại lưu lượng nào, dịch vụ gì đang được khai thác, Các yếu tố trên tạo nên tính phức tạp khủng khiếp khi phải quản lý một lượng lưu lượng khổng lồ theo thời gian thực Mặt khác, việc giám sát và tối ưu mạng backhaul là phải theo thông số cảm nhận của người sử dụng Có như vậy thì mới có thể thỏa mãn được các đòi hỏi về chất lượng dịch vụ ngày càng khắt khe của người sử dụng Như vậy, mạng backhaul vừa cần phải có khả năng cung cấp dung lượng theo yêu cầu như các mạng truyền thống, đồng thời phải nhận diện được sự phức tạp của lưu lượng và giảm độ trễ tương ứng để tránh các hiệu ứng nghẽn cổ chai với các dịch vụ chạy trên mạng di động

1.3.3 Các loại thiết bị, dịch vụ, kiến trúc mới

Hiện tại với việc hàng loạt các dịch vụ như Internet kết nối vạn vật (IoT) hay M2M sẽ tạo ra một sự bùng nổ về các loại thiết bị mới được kết nối vào mạng 5G Điều này còn có nghĩa là có rất nhiều thiết bị mới không do con người kiểm soát Theo dự đoán các thiết bị mới này sẽ tăng lên với số lượng khoảng gấp 10 lần đến tổng số các thiết bị kết nối Với năng lực cơ sở hạ tầng của mạng 5G ngày càng phát triển sẽ cho phép cung cấp các dịch vụ mới Ví dụ như các dịch vụ internet xúc giác (viễn thám, điều khiển từ xa, y học từ xa ) và các dịch vụ thực tế ảo sẽ làm phong phú thêm các dịch vụ cung cấp bởi cả hai nhà cung cấp dịch vụ di động và cung cấp dịch vụ OTT 5G với tốc độ cao, độ trễ thấp, và tương thích ngược với các mạng hiện tại sẽ mang đến nền tảng tốt hơn cho các kiến trúc mới mà từ trước tới nay chưa từng có Tiếp theo mạng 5G sẽ được bổ sung thêm kiến trúc mới như Cloud RAN (mạng truy nhập vô tuyến đám mây) với các trung tâm dữ liệu nano hỗ trợ các chức năng mạng dựa trên máy chủ như cổng IoT công nghiệp; bộ nhớ đệm video và chuyển mã cho định dạng UltraHD Ngoài ra 5G còn hỗ trợ cấu trúc liên kết với các mạng không đồng nhất sẽ thuận tiện hơn cho người dùng Ngoài ra 5G sẽ mang đến một sự gia tăng đáng kể trong các trạm gốc và các yêu cầu mới cho đường truyền kết nối giữa nhà cung cấp dịch vụ với các trạm phân phối tới người dùng cuối Nền tảng của công nghệ 5G được mong đợi là nền tảng World Wide Wireless Web (wwww) hoàn hảo để kết nối mọi nơi trên trái đất Một thế giới kết nối không dây

thực sự, nơi chúng ta có thể truy cập Internet xuyên suốt mà không gặp phải các rào cản, giới hạn nào về mặt không gian và thời gian Về bản chất, mạng 5G vẫn phát triển dựa trên nền tảng của 4G nhưng ở mức độ cao hơn Mạng 5G sẽ hỗ trợ LAS-CDMA, UWB, Network-LMDS, Ipv6 và BDMA Với sự hỗ trợ đa dạng các nền tảng, người dùng có thể kết nối cùng lúc với nhiều thiết bị qua mạng không dây và

dễ dàng chuyển đổi qua lại một cách nhanh chóng mà không gặp phải bất kỳ trở ngại nào Các thiết bị này có thể sử dụng các mạng di động khác nhau như 2,5G, 3G, 4G hoặc 5G, Wi-Fi, WPAN hoặc bất kỳ công nghệ truy cập nào khác xuất hiện trong tương lai

Gần đây, các cuộc thử nghiệm công nghệ 5G đã được diễn ra trên khắp thế giới Tại Nhật Bản, Hàn Quốc đã thử nghiệm thành công công nghệ ngày Ngoài ra Google cũng tham gia vào lĩnh vực 5G với việc mua lại công ty Alpental Technologies nhằm hỗ trợ công nghệ sóng milimet để theo dõi vị trí chính xác hơn Còn Microsoft bắt đầu với bản thử nghiệm TV White Spaces nhắm vào các dải tần còn trống mà các đài truyền hình không sử dụng Một ông lớn trong làng công nghệ khác là Facebook cũng đang nghiên cứu công nghệ mới nhằm xây dựng mạng không dây cho các nước đang phát triển

1.4 Những thách thức của mạng backhaul 5G

Với các xu hướng và dịch vụ được liệt kê ở các mục trên, nhất là trên lý thuyết chúng ta đã thấy được cả động lực và lợi ích của mạng 5G đem lại Trong thực tế để đạt được những mục đích này đòi hỏi phải thay đổi rất lớn trong các mạng di động và cơ sở hạ tầng mạng được xây dựng phải đặc biệt chú trọng tới mạng không dây backhaul và lớp truyền tải Các xu hướng và dịch vụ được liệt kê ở trên minh họa cả động lực hướng tới 5G và những lợi ích của nó Trên thực tế, việc đạt được những lợi ích này sẽ đòi hỏi những thay đổi lớn trong cách mạng di động

và các cơ sở hạ tầng cơ bản đang được xây dựng - đặc biệt là đối với lớp backhaul

1.4.1 Mật độ công suất cao hơn

Việc tăng mật độ công suất cao hơn trong mạng 5G là hoàn toàn hợp lý vì cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin các thiết bị di động sử dụng mạng 5G trong tương lai sẽ tăng lên nhanh chóng do đó mật độ công suất sẽ tăng cao (công suất yêu cầu cho mỗi khu vực nhất định) Dự kiến trong tương lai có thể gấp

1000 lần so với công suất hiện tại của mạng 4G hoặc mạng 4,5G Hiệu quả rõ ràng của sự gia tăng này là tăng công suất trên từng cell cả ở mạng truy nhập vô tuyến RAN và ở lớp backhaul Tuy nhiên khả năng tăng dung lượng gấp 1000 lần của các site là không khả thi và do sự di chuyển tần suất cao trong mạng RAN cũng cần có vùng phủ sóng nhỏ hơn cho mỗi cell, các thiết bị điện thoại di động cũng trở lên dày đặc hơn hiện nay Thiết kế mạng lưới của 5G sẽ kết hợp việc bổ sung marcro cell và small cell Không những có thể lắp đặt trên cột, tháp, mái nhà mà còn có thể triển khai đồng loạt trên các đường phố, sử dụng các cơ sở hạ tầng có sẵn của đường phố như đèn đường Do đó, mạng lưới này sẽ gặp phải những thách thức như các kết nối backhaul không dây công suất cao hơn cho mỗi trang web di động, mặc dù kết nối backhaul không dây hiện tại phục vụ các yêu cầu của hàng trăm Mbps, các liên kết tương lai sẽ được yêu cầu để hỗ trợ hàng chục Gbps, khoảng cách giữa các cell rất gần nhau, do đó việc tái sử dụng tần số sẽ rất khó thực hiện Vì vậy phổ tần của mạng backhaul không dây trong mạng 5G phải có yêu cầu tốt hơn Một thách thức khác nữa là với việc triển khai hàng loạt các vị trí ở cấp độ đường phố sẽ đòi hỏi mạng backhaul này có công suất lớn hơn, cũng như thiết bị tiêu thụ điện thấp hơn, lắp đặt đơn giản, nhanh chóng hơn

1.4.2 Lưu lượng phức tạp và phân bố không đồng đều

Hiện nay việc dịch chuyển từ dữ liệu thông thường sang dữ liệu gói IP là một phát triển tất yếu, đi kèm với nó là việc quản lý lưu lượng ngày một phức tạp hơn Ngoài ra hành vi người dùng dữ liệu và các yêu cầu riêng đối với từng luồng dữ liệu khác nhau đã đã tạo thêm sự phức tạp trong việc quản lý lưu lượng đầu cuối đến đầu cuối trong mạng Nguyên nhân gây ra sự phức tạp cho lưu lượng là xuất hiện

các loại lưu lượng khác nhau như voice, video, do đó thay đổi rất nhiều về băng thông, độ trễ, mất gói và tính di động Một nguyên nhân khác nữa các loại dịch vụ tương tự có thể được truyền đi qua các dịch vụ khác nhau hoặc trong các ứng dụng khác nhau Ví dụ, các thuê bao có thể phát video streaming trong các ứng dụng OTT như Facebook, hoặc như một cuộc gọi thoại hình cho một ứng dụng OTT như WebEx hay Zoom Lưu lượng video có thể được mã hóa hoặc không và được tối ưu hóa bởi các nhà cung cấp nội dung hoặc các nhà khai thác Ngoài ra cách sử dụng tập trung về mặt địa lý trong một khu vực nhỏ của mạng lưới - địa điểm cụ thể, khu vực đô thị trung tâm - dẫn đến nghẽn tại các khu vực cụ thể hoặc Lưu lương mạng thay đổi trong suốt cả ngày và tuần khi các thuê bao di chuyển đến và đi khỏi nơi làm việc, đi ra ngoài vào ban đêm hay ngày cuối tuần Ngoài các nguyên nhân trên còn một số nguyên nhân là lưu lượng dữ liệu thay đổi đột ngột trong khoảng thời gian mili giây hay nhỏ hơn Điều này có thể gây ra tắc nghẽn trong mạng, mặc dù khi nhìn vào lưu lượng truyền tải trung bình theo thời gian, lưu lượng trông có vẻ như vẫn bình thường trong phạm vi xử lý của mạng

Một yếu tố rất quan trọng trong việc làm lưu lượng phức tạp và phân bố không đồng đều nữa là các nhà khai thác di động có thể sử dụng các luật để ưu tiên lưu lượng cho các kênh hoặc các thành phần hạ tầng mạng Thoại và video là một ví dụ tốt về tác động ảnh hưởng của sự phức tạp của lưu lượng trong việc quản lý mạng Các loại lưu lượng thời gian thực như video và thoại có các yêu cầu tương tự nhau

về độ trễ, độ trượt gói và mất gói tin so với các loại dữ liệu khác Tuy nhiên, các nhà khai thác thường xử lý video và thoại khác nhau Bởi vì tầm quan trọng của chất lượng thoại trong việc duy trì các thuê bao, các nhà khai thác có thể muốn ưu tiên thoại hơn tất cả các dịch vụ dữ liệu khác, bao gồm cả xem video trực tuyến Do các yêu cầu băng thông cao của video, nhà mạng có thể muốn giới hạn băng thông phân bổ cho video trong các mạng quá tải hoặc tắc nghẽn Ngoài ra, do các yêu cầu đặc biệt của thoại, các nhà khai thác phải xử lý lưu lượng thoại khác nhau từ các dịch vụ thoại OTT Tương tự như vậy, nhà khai thác có thể thiết lập các mục tiêu về hiệu suất cho đàm thoại video cao hơn là cho video streaming, bởi vì các thuê bao

nhạy cảm hơn với chất lượng đàm thoại video Việc thiết lập ưu tiên này bao gồm

cả trong khu vực mạng truyền tải backhaul Kết quả là, các nhà khai thác di động cần phải quản lý lưu lượng một cách cẩn thận hơn dựa trên việc sử dụng tài nguyên Điều này dẫn tới sự cần thiết phải quản lý và giám sát lưu lượng không phải chỉ là một luồng gói tin thuần nhất, mà là một tập hợp các luồng gói tin đồng thời Thông thường, các nhà khai thác thường dựa vào các chỉ số chất lượng mạng cũ để đưa ra đánh giá hiệu năng của các phần tử mạng Mặc dù số liệu này vẫn có giá trị, và chắc chắn các nhà khai thác sẽ tiếp tục sử dụng chúng để đánh giá hiệu năng mạng, nhưng các chỉ số chất lượng mạng cũ lại không đủ để nhà mạng quyết định quản lý hiệu năng mạng theo thời gian thực, cũng như nó liên quan thế nào đến QoE và những vướng mắc thực sự trong mạng là gì sau khi nhận các phản hồi từ dịch vụ mà khách hàng trải nghiệm Trong khi đó, với các mạng 5G trong tương lai, việc chú trọng chuyển dịch về phía QoE và số lượng dịch vụ nhiều, các mục tiêu tối ưu hóa

đã trở nên phức tạp hơn hẳn Do đó cách thức quản lý, đo đạc bằng các giải pháp cầm tay như trước đây đã không còn đáp ứng được trong 5G Các thông số như dung lượng và độ trễ vẫn còn rất quan trọng, nhưng chúng phải được tối ưu hóa cho luồng lưu lượng cụ thể hay các phân đoạn mạng cụ thể, chứ không phải cho lưu lượng tổng thể đến và đi từ mạng RAN Các phân đoạn mạng về mặt logic là các luồng lưu lượng riêng rẽ, có thể được xác định bởi loại lưu lượng, ứng dụng, thiết

bị, dịch vụ, hoặc các thông số khác Mục tiêu của các nhà khai thác mạng đã không còn là độ trễ thấp và dung lượng cao nữa, mà là độ trễ thấp nhất, dung lượng cao nhất, hoặc cả hai cho các phân đoạn mạng quan trọng nhất đối với các nhà khai thác, hoặc các phân đoạn cần thiết nhất Cách tiếp cận này có thể khiến các phân đoạn mạng có độ ưu tiên thấp hơn hoặc các yêu cầu ít nghiêm ngặt hơn bị suy giảm hiệu năng, nhưng vẫn duy trì được mức QoE tốt Trong khi phương pháp này làm tăng sự phức tạp của quản lý lưu lượng, nó lại mở ra các cơ hội mới cho các nhà khai thác di động để phân bổ tài nguyên mạng theo một cách hiệu quả hơn, mà nếu được thực hiện đúng cách sẽ làm tăng QoE trong mạng hiện tại - do đó loại bỏ hoặc trì hoãn việc phải tăng chi phí đầu tư cho việc mở rộng dung lượng Nó cũng cho

phép các nhà khai thác di động xác định một chiến lược quản lý lưu lượng như một

sự khác biệt từ các nhà khai thác khác, và sử dụng nó như một công cụ để cạnh tranh

1.4.3 Dịch vụ và ảo hóa mạng

Hệ thống mạng backhaul không dây sẽ tích hợp, thông qua các giao diện mở, với cơ sở hạ tầng SDN và NFV cuối cùng và cho phép các ứng dụng SDN đạt được tối ưu hóa tài nguyên mạng (quang phổ, công suất), dịch vụ sẵn sàng cao hơn và nhanh hơn với các cơ chế định tuyến lại thông minh Tất cả những điều này đều có thể áp dụng được trong lĩnh vực truyền dẫn không dây, cũng như trong các môi trường đa miền, đa nhà cung cấp (giả định sự liên kết của nhà cung cấp với các giao diện và các ứng dụng tiêu chuẩn) Một ứng dụng sẽ làm tăng hiệu quả hoạt động trong lĩnh vực truyền dẫn không dây là điều chỉnh thích ứng tiêu thụ năng lượng tại mỗi trang web, theo lưu lượng truy cập chạy qua trang web trong bất kỳ trường hợp nào Trong khi đó, phân bổ tần số động sẽ được thực hiện trong suốt mạng dựa trên các điều kiện thời tiết cần thiết về thời tiết Điều này sẽ tiết kiệm đáng kể về phổ và chi phí Do vậy việc phải nâng cao hiệu quả hoạt động và rút ngắn thời gian đưa ra thị trường đối với các dịch vụ tạo doanh thu mới cùng với cơ hội hiếm hoi cho sự thay đổi trang thiết bị hạ tầng mạng lưới sẽ thúc đẩy các nhà khai thác di động ảo hoá mạng và dịch vụ là thật sự cần thiết Từ các dịch vụ dựa trên đám mây đến cơ

sở hạ tầng SDN/NFV và thậm chí cả RAN (Cloud-RAN) ảo, các mạng sẽ phát triển các phần mềm được điều khiển mạnh mẽ Do đó, cơ sở hạ tầng truyền thông không dây bắt buộc phải đáp ứng được những yêu cầu như backhaul không dây nên tích hợp liền mạch vào kiến trúc SDN/NFV để cho phép các ứng dụng tối ưu hoá tài nguyên mạng, cũng như thời gian đưa ra thị trường nhanh hơn cho các dịch vụ mới Cloud-RAN sẽ yêu cầu backhaul đám mây để tối ưu hóa hiệu quả các tài nguyên RAN Ngoài ra trong việc hỗ trợ Cloud-RAN, việc tách các đơn vị cơ sở và các trạm thu phát từ xa sẽ tạo ra những lợi ích đáng kể cho các nhà khai thác di động Tuy nhiên ngày nay, một mô hình như vậy phụ thuộc rất nhiều vào giao diện

I/Q hiệu quả cao giữa hai yếu tố Giao diện này nên được vận chuyển thông qua truyền dẫn không dây để tạo ra sự chuyển đổi hiệu quả về chi phí cho C-RAN Điều này sẽ được kích hoạt bởi công suất không dây cao hơn, cũng như các cơ chế nén hiệu quả cao được kết hợp ở các nút mạng

1.4.4 Các vấn đề khác

Khi với các dịch vụ mới ra đời, chẳng hạn như tự động lái xe, Internet xúc giác, và nhiều ứng dụng M2M, đòi hỏi các nhà mạng phải áp dụng các công nghệ mới để sẵn sàng phục vụ sự thay đổi này Do đó mạng backhaul 5G phải đạt được các yêu cầu như phủ sóng hoàn chỉnh, độ trễ cực thấp và an ninh chặt chẽ Điều này cũng đòi hỏi cơ sở hạ tầng không dây backhaul để phục vụ như một mạng quan trọng thực sự và bao gồm độ trễ thấp, có tính sẵn sàng cao và được bảo mật chặt chẽ Những lợi ích do mạng 5G mang lại là rất lớn Mặc dù vậy, vẫn còn một số vấn

đề cần phải được giải quyết trước khi công nghệ 5G có thể trở thành hiện thực Đó

là sự sẵn sàng của băng tần và các thách thức về mặt công nghệ, chẳng hạn như làm thế nào để tạo ra các kiến trúc mạng có thể gia tăng được lượng dữ liệu truyền tải cao hơn và các tốc độ truyền tải dữ liệu cần thiết để có thể chứa được nhiều người dùng hơn trên hệ thống mạng Bên cạnh đó, việc hỗ trợ đa dạng nhiều nền tảng thiết

bị, dịch vụ và ứng dụng sử dụng những băng tần khác nhau còn là một thách thức đang chờ đón 5G Mạng di động trong tương lai có thể sẽ trở thành mạng “Internet” chính không chỉ kết nối giữa người với người mà còn giữa người với máy móc, thiết

bị Vì vậy chúng cần phải đáp ứng được các yếu tố quan trọng về QoS, tính bảo mật

và độ tin cậy Để trở thành hiện thực, công nghệ 5G cần có khả năng đáp ứng tốc độ truyền tải vào khoảng 10 Gbps, tương tự mạng cáp quang mới có thể xử lý được hết nội dung đa phương tiện và truyền thông ảo với độ phân giải siêu nét Để hỗ trợ các ứng dụng thực tế ảo và video độ phân giải siêu nét, tốc độ truyền dữ liệu buộc phải đạt mức tối thiểu là 1 Gbps hoặc cao hơn Bên cạnh đó, dịch vụ đám mây di động lại đòi hỏi tốc độ truy suất rất cao lên đến 10 Gbps Ngoài băng thông cực lớn, tương tự như mạng cáp quang hiện nay, thì thời gian đáp ứng và độ trễ của mạng

5G phải luôn ở mức cực kỳ thấp với đơn vị tính nhỏ hơn hoặc bằng 1 ms (mili giây) mới có thể đạt được yêu cầu hỗ trợ các thiết bị di động thời gian thực, các ứng dụng

và thiết bị liên lạc giữa các phương tiện với nhau Mạng 5G còn hỗ trợ các công nghệ truy cập sóng radio khác nhau, vì vậy để đảm bảo dịch vụ được thông suốt thì thời gian giữa các lần chuyển mạch không được vượt quá 10 mms.Với việc ra tăng theo cấp số nhân thiết bị đầu cuối, tương ứng với số lượng người dùng sẽ kết nối vào mạng di động và cũng đồng nghĩa với hàng tỷ hay thậm chí hàng trăm tỷ các ứng dụng được kích hoạt và luôn ở trạng thái hoạt động thì rõ ràng với băng thông hiện nay sẽ không thể đáp ứng nổi

1.5 Kết luận chương

Với sự phát triển của mạng thông tin di động qua các thế hệ từ 1G đến 5G, các thuê bao di động ngày càng có nhiều thay đổi Ngày nay với sự xuất hiện của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 cũng dẫn đến một loạt các sự thay đổi khác như số lượng thiết bị đầu cuối tăng nhanh, nhiều dịch vụ mới ra đời (internet kết nối vạn vật, trí tuệ nhân tạo, lái xe tự động,…) do đó mạng di động thế hệ thứ 5 thật sự gặp phải những yêu cầu và thách thức rất lớn 5G cung cấp những lợi ích khổng lồ và thay đổi cách nhìn cho người sử dụng điện thoại di động, và thậm chí với cả các nhà khai thác di động Cuối cùng, việc công nghệ 5G có đước triển khai thành công hay không là do các nhà khai thác dịch vụ và các đối tác công nghệ của họ Các nhà khai thác di động hiểu và lên kế hoạch cho các yêu cầu về công suất cao hơn, mạng lưới tế bào dày hơn, triển khai cấp đường phố, ảo hóa mạng và các ứng dụng quan trọng Tất cả điều này sẽ giúp các nhà khai thác tăng đáng kể hiệu quả hoạt động, cung cấp chất lượng dịch vụ cao hơn cho các thuê bao và đạt được nhanh hơn cho các dịch vụ và công nghệ mới Với sự phát triển không ngừng của công nghệ 5G, mạng backhaul phục vụ cho công nghệ này cũng đòi hỏi sẽ thay đổi nhanh chóng trong tương lai Ngoài ra, mạng backhaul 5G cũng sẽ gặp phải nhữn thách thức rất lớn như mật độ công suất cao, dịch vụ và ảo hóa mạng, tính bảo mật cao,… Do vậy đòi hỏi cấp bách là phải xây dựng một mạng backhaul 5G đáp ứng được các yêu cầu

của thực tiễn, do đó phải áp dụng các công nghệ tiên tiến, hiện đại nhất để thỏa mãn nhu cầu của thế hệ mạng trong tương lai này

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ TWDM – PON VÀ RoF TRONG

MẠNG BACKHAUL DI ĐỘNG

2.1 Giới thiệu chung

Hiện nay, công nghệ truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp thứ 2 dung lượng

40 Gbps với nền tảng là kỹ thuật ghép kênh kết hợp theo thời gian và theo bước sóng (TWDM) đã được chuẩn hóa và được kỳ vọng sẽ sớm được triển khai rộng khắp trên thế giới Hệ thống truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp (TWDM - PON) có khả năng đáp ứng nhu cầu phạm vi rộng và đa dịch vụ trong một mạng di động Bên cạnh đó, giải pháp công nghệ truyền sóng vô tuyến qua sợi quang (RoF) với nhiều ưu điểm như suy hao thấp, băng thông rộng, không chịu ảnh hưởng của nhiễu tần số vô tuyến,… cũng đang dần chín muồi Do vậy, giải pháp kết hợp công nghệ TWDM- PON và RoF trong mạng backhaul di động hứa hẹn sẽ phát huy được các ưu điểm của cả hai công nghệ này và đáp ứng được các nhu cầu của mạng di động backhaul

Trong tương lai, sự phát triển mạnh mẽ băng thông của các dịch vụ truyền thông hướng video đi kèm với nhu cầu ngày càng tăng với các ứng dụng backhaul

di động và thương mại có thể tạo ra một nút cổ chai trong các mạng truy nhập quang thụ động tốc độ Gigabit hiện tại Trên thế giới tuy chưa có chuẩn về 5G nhưng một số nước tiên tiến đã phát triển và thử nghiệm thành công công nghệ 5G như Hàn Quốc, Nhật Bản Do vậy, các nhà cung cấp thiết bị và khai thác viễn thông cùng các tổ chức chuẩn hóa đã tích cực hợp tác để phát triển một thế hệ công nghệ truy nhập quang thụ động mới gọi là mạng truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp thứ hai (NG-PON2) Dự án nghiên cứu phát triển công nghệ NG-PON2 được cộng đồng FSAN và ITU-T bắt đầu tiến hành từ năm 2011 Mạng truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp thứ hai NG-PON2 có thể đạt tốc độ 40 Gbps hoặc cao hơn và

có khả năng khai thác triệt để các ưu điểm vượt trội của sợi quang như dung lượng lớn và suy hao truyền dẫn thấp cũng như các ưu điểm vốn có của kiến trúc truy nhập quang thụ động để làm giảm chi phí cho các nhà khai thác mạng và cung cấp

các giá trị tốt hơn cho người dùng cũng như đáp ứng yêu cầu hiệu quả về giá thành trong việc nâng cấp Hiện nay, NG-PON2 đang được chuẩn hóa và bắt đầu đi vào triển khai thử nghiệm

2.2 Công nghệ TWDM - PON

2.2.1.Tổng quan

Với khả năng sử dụng cùng ODN với mạng GPON hiện tại, cho phép tái sử dụng các tài nguyên đắt tiền trong mạng, cùng với kiến trúc có tính linh hoạt cao TWDM-PON đã được chọn làm giải pháp kỹ thuật sử dụng cho mạng NG-PON2 Phần này cũng trình bày về các yêu cầu kỹ thuật và đặc điểm công nghệ NG-PON2, các ứng dụng có thể được áp dụng của công nghệ này trong mạng 5G Ngày nay như chúng ta biết dịch vụ viễn thông đang chuyển hướng mạnh mẽ từ loại hình dịch

vụ hướng dữ liệu thông thường sang loại hình dịch vụ hướng video và giàu nội dung do đó đứng từ phía các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông thì đây chinh là động lực và nhu cầu lớn để phát triển công nghệ mới mà NG- PON2 là một công nghệ có thể đáp ứng được nhu cầu này Nhu cầu băng thông đang ngày một tăng lên và bị chi phối chính bởi cuộc cách mạng về dịch vụ video như dịch vụ truyền hình theo yêu cầu, truyền hình Internet, chia sẻ video, Các phương thức phân phối dịch vụ video truyền thống vẫn đang nắm vai trò chủ đạo đồng nghĩa với lưu lượng người dùng sẽ còn tiếp tục không đồng bộ Tuy nhiên, điều này có thể sẽ thay đổi nếu như

cơ chế phân phối trực tiếp được áp dụng ví dụ như cung cấp video streaming bằng

cơ chế chia sẻ ngang hàng Hơn nữa, xu hướng hội tụ các ứng dụng doanh nghiệp

và ứng dụng người dùng cá nhân trên cùng một nền tảng cũng sẽ đòi hỏi nhu cầu về băng thông hệ thống không những cao hơn mà còn phải đồng bộ hơn Trên thực tế hiện nay có rất nhiều ứng dụng cung cấp video streaming bằng cơ chế chia sẻ ngang hàng như livestream của Facebook, hoặc các ứng dụng Bigo,… tại Việt Nam cũng như trên thế giới

Nhằm đảm bảo khả năng cạnh tranh và lợi nhuận, các nhà khai thác viễn thông luôn phải tìm cách cung cấp dịch vụ truy nhập băng rộng và đáp ứng nhu cầu của người dùng, các nhà khai thác viễn thông mong muốn có các giải pháp công

nghệ mới hiệu quả nhưng họ cũng không thể nâng cấp hay triển khai công nghệ mới bằng mọi giá Do vậy, họ đòi hỏi thế hệ công nghệ mạng truy nhập quang thụ động mới phải đảm bảo được rất nhiều các tiêu chí khắt khe trải rộng từ những yêu cầu về giá thành của quá trình đầu tư nâng cấp đến các yêu cầu về tính năng kỹ thuật và mức độ hiệu quả của hệ thống trong quá trình hoạt động Trên thực tế các nhà khai thác viễn thông đã áp dụng công nghệ NG-PON2 này vào mạng 4G – LTE và thử nghiệm thành công với mạng 5G

2.2.2 Công nghệ TWDM – PON cho hệ thống NG-PON2

Hình 2.1 thể hiện kiến trúc chung của hệ thống TWDM-PON điển hình ghép kênh bốn bước sóng λ1, λ2, λ3, λ4 [9,11, 12, 13] Trong kiến trúc TWDM-PON, 4 luồng XG-PON1 được xếp chồng và sử dụng bốn cặp bước sóng Để đơn giản và thuận tiện cho việc triển khai và quản lý, các ONU sử dụng bộ phát và bộ thu có thể khả chỉnh “trong suốt” (không phụ thuộc bước sóng) Bộ phát có thể khả chỉnh với bất kỳ bước sóng đường lên nào, trong khi đó, bộ thu có thể khả chỉnh với các bước sóng đường xuống Để đạt được quỹ công suất cao hơn so với XG-PON1, bộ khuyếch đại quang được dùng tại phía OLT để thúc đẩy tín hiệu đường xuống theo như tín hiệu đường lên khuyếch đại trước đó ODN giữ nguyên tính thụ động bởi cả

bộ khuyếch đại quang và bộ WDM Mux/Demux đều được đặt tại phía OLT Bên cạnh đó, với thị trường và yêu cầu lớn hơn, TWDM-PON có thể hỗ trợ lên tới tám cặp bước sóng, điều này khiến TWDM-PON rất có giá trị với thị trường nơi mà nhiều nhà vận hành viễn thông chia sẻ chung một kiến trúc vật lý mạng

Hầu hết các thành phần của TWDM-PON đều đã được thương mại hóa trong mạng truy nhập hiện nay Thiết bị mới so với các thế hệ PON trước đó (GPON,XG-PON) đó là bộ phát và bộ thu có thể khả chỉnh được tại ONU Kiến trúc mạng TWDM-PON kết hợp giữa hiệu quả chi phí của GPON – có thể hỗ trợ đa thuê bao trên bước sóng đơn với bước sóng linh hoạt của WDM PON cho phép các bước sóng dùng riêng cho các thuê bao hay ứng dụng riêng biệt TWDM-PON có thể có dung lượng lên đến 80 Gbps bằng cách sử dụng 8 cặp sóng, mỗi cặp có tốc độ 10

Gbps Tuy nhiên, hiên nay chỉ tập trung hướng tới tốc độ 40 Gbps với 4 cặp bước sóng được sử dụng

Hình 2.1: Kiến trúc mạng TWDM- PON 2.2.2.1 Các thông số cơ bản của mạng TWDM-PON

Một hệ thống cơ bản của mạng TWDM thường gồm các thông số sau:

 Băng thông: 40 GBps

 Lưu lượng người dùng: 1 Gbps

 Tốc độ trên kênh truyền: 10 Gbps

2.2.2.2 Các lợi ích chính của TWDM-PON

Hiện tại công nghệ TWDM-PON tương thích với mạng FTTx và GPON hiện tại, TWDM-PON sử dùng cùng ODN với mạng GPON hiện tại, cho phép tái sử dụng các tài nguyên đắt tiền trong mạng Đối với kiến trúc mạng FTTx, TWDM-PON hỗ trợ đa dạng thuê bao và sử dụng đồng thời các ứng dụng Mặt khác kiến trúc của TWDM-PON có tính linh hoạt cao, có thể trở thành nền tảng của hội tụ di động cố định (FMC) Hỗ trợ các dịch vụ không dây và có dây (MBH và fronthaul) cùng với các thuê bao, ứng dụng, mở rộng băng thông tương ứng Ngoài ra hệ sinh thái của TWDM-PON cũng rất mạnh mẽ Các thành phần trong mạng PON và các nhà cung cấp thiết bị là sẵn có Các bộ tiêu chuẩn cũng đã được đưa ra và các nhà cung cấp đang phát triển công nghệ để giảm chi phí thiết bị dùng trong TWDM-PON, đặc biệt là các thiết bị đầu cuối mạng quang

2.2.2.3 Yêu cầu kỹ thuật chung của hệ thống NG-PON2

Yêu cầu của hệ thống NG-PON2 hỗ trợ cho mô hình kênh TWDM đa bước sóng, gồm từ 4 đến 8 cặp kênh TWDM (mỗi cặp gồm một kênh đường xuống và một kênh đường lên), cấu hình để bắt đầu tăng trưởng phát triển từ một cặp kênh được triển khai (tức là, không phải tất cả các cặp kênh cần phải được hoạt động) Tỉ

lệ đường lên và đường xuống trên mỗi kênh thường ở trong ba trường hợp sau:

 10 Gbps ở đường xuống và 10 Gbps đường lên

 10 Gbps ở đường xuống và 2,5 Gbps đường lên

 2,5 Gbps ở đường xuống và 2,5 Gbps đường lên

Tầm với quang thụ động đạt tổi thiếu 40 km và khoảng cách khác biệt giữa các sợi tối đa lên tới 40 km với cấu hình tối đa khoảng cách khác biệt giữa các sợi là

20 km và tùy chọn 40 km Tầm với có thể đạt được 60 km, tốt hơn với hệ thống bên ngoài hỗ trợ bộ chia với tỉ lệ tối thiểu là 1:156 Hệ thống NG-PON2 đòi hỏi sự linh hoạt để cân bằng trong tốc độ, khoảng cách, và tỷ lệ phân chia cho các ứng dụng khác nhau Sự kết hợp tham số được hỗ trợ bởi hệ thống phải bao gồm:

 Dung lượng đạt 40 Gbps đường xuống, tầm với 20 km với tỉ lệ bộ chia ít nhất là 1:64

 Dung lượng đạt 10 Gbps đường lên, tầm với 20 km với tỉ lệ bộ chia ít nhất là 1:64

 Truy cập tốc độ đỉnh đạt 10/2,5 Gbps đường xuống/đường lên

 Truy cập tốc độ đỉnh đạt 10/10 Gbps đường xuống/đường lên

 WDM điều chỉnh điểm-điểm với khả năng cùng tồn tại với các hệ thống PON khác

2.2.2.4 Yêu cầu dịch vụ

 Các yêu cầu dịch vụ cụ thể

Hệ thống NG-PON2 được yêu cầu để hỗ trợ đầy đủ các dịch vụ khác nhau cho các thuê bao khu dân cư, khách hàng doanh nghiệp, đường trục di động và cố định với tốc độ và chất lượng dịch vụ cao, tối thiểu phải đáp ứng các yêu cầu hệ thống bao gồm tính đồng bộ, QoS,… Hệ thống NG-PON2 cũng phải hỗ trợ các dịch

vụ tiền nhiệm

 Giao diện node người dùng và node dịch vụ

Giao diện node người dùng (UNI) và node dịch vụ (SNI) được định nghĩa bao gồm việc kết nối tương tác giữa các mạng truy cập và khách hàng đối với UNI

và kết nối giữa các mạng truy cập và nút dịch vụ đối với SNI, việc mô tả bởi một tiêu chuẩn được biết đến rộng rãi và bao gồm phương diện lớp vật lý