24 Kết luận chương 2
3.2.4. Kiến trúc NFV C-RAN
C-RAN truyền th ng chia các tr m g c không dây thành các kh i từ xa (RU) bao gồm anten và m ch RF và các kh i s (DU). Nhiều kh i s được đặt ở một vị trí duy nhất đ t o thành một tr m g c tập trung và giao diện fronthaul giữa kh i vô tuyến và kh i s là giao diện vô tuyến chung (CPRI). Đ đ p ứng nhu cầu về dung lượng cao và độ trễ thấp, nhiều RU và DU sẽ cần phải được kết n i bằng cáp quang, th hiện sự gia tăng đ ng k trong tổng chi phí hệ th ng nếu phải lắp đặt thêm cáp quang. Chi phí mở rộng ăng thông fronthaul cho truy cập di động 5G, nhằm mục đ ch cung cấp t c độ gấp
50
10 lần t c độ của m ng 4G, rõ ràng là một vấn đề.
Đ giảm chi phí vận chuy n và giảm thi u nhu cầu về dung lượng cao hơn và độ trễ thấp hơn NEC [12] đ t m c ch t o ra C-RAN phù hợp; nghiên cứu c c c ch đ giảm đ ng k ăng thông fronthaul ằng cách tách biệt các chức năng RU-DU trong lớp giao thức bên trên lớp vật lý. Hình 3.4 minh họa cấu trúc C-RAN được đề xuất được trang bị các giao diện RU-DU mới. NEC đang xem xét hai cấu trúc CRAN mới có th :
- L2 C-RAN trong đó RU sẽ bao gồm các chức năng lớp vật lý L1 và n dưới, và DU sẽ bao gồm các chức năng của lớp con MAC trở lên.
- L3 C-RAN: RU sẽ bao gồm các chức năng RF L1/MAC/RLC và DU sẽ bao gồm các chức năng PDCP/RRC/RRM/SON
Trong trường hợp L2 C-RAN lưu lượng truy cập của đường truyền có th giảm xu ng so với lớp kh i vận chuy n tương đương với ăng thông cần thiết cho thông tin người dùng. Mặc dù L2 C-RAN sẽ cần đường truyền có độ trễ thấp đ truyền dữ liệu trong khung phụ liên kết vô tuyến, nó có th tập trung ki m soát bộ lập lịch MAC bằng cách s dụng DU và điều chỉnh tập hợp CoMP/sóng mang và các công nghệ nâng cấp các thiết bị phát sóng nhỏ như small cell
L3 C-RAN sẽ truyền gói tin IP từ RU qua DU và có th giảm ăng thông từ RU qua DU với t c độ truyền thông tin của người dùng gi ng như L2 C- RAN Nó cũng sẽ làm giảm đ ng k độ trễ bằng c ch đặt bộ lập lịch MAC ở phía RU, với lợi ích bổ sung của các kết n i tương đ i rẻ bằng cách s dụng Ethernet hoặc liên kết không dây
51
Hình 3.4. Kiến trúc NFV C-RAN
3.3. Giải pháp ảo hóa C-RAN bằng kỹ thuật SDN và NFV
Các mô hình ảo hóa và định nghĩa ằng phần mềm đang có chỗ đứng quan trọng trong hệ sinh thái của m ng di động đặc biệt là kết hợp với C- RAN Trong lĩnh vực này, công nghệ ảo hóa truy cập vô tuyến cho phép ảo hóa các chức năng thiết bị của m ng lõi mà không phải chịu thêm chi phí phần cứng.
3.3.1. Ảo hóa truy nhập vô tuyến
Sự quan tâm của các nhà cung cấp dịch vụ trong việc ảo hóa các tr m g c di động đang tăng l n v điều này cho phép hợp nhất càng nhiều chức năng phần cứng trong m ng càng t t nếu có th , t o cơ hội x lý các công nghệ m ng di động khác nhau với một tr m g c ảo hóa t i tr m g c. Thách thức chính trong việc ảo hóa m ng di động có li n quan đến chức năng lớp vật lý của các tr m cơ sở Do đó ảo hóa được xem xét đầu ti n đ thực hiện trong các lớp ngăn xếp m ng cao hơn V dụ ETSI (2013 [9] đang xem xét việc giới thiệu ảo hóa đến lớp 3 và sau đó đến lớp 2 của các tr m cơ sở; lớp 3 lưu trữ các chức năng của mặt phẳng điều khi n và dữ liệu kết n i với m ng lõi di động trong khi lớp 2 lưu trữ gói giao thức hội tụ dữ liệu gói (PDCP điều
52
khi n liên kết vô tuyến (RLC và điều khi n truy cập phương tiện (MAC) chức năng m ng.
Ảo hóa các lớp 2 và 3 thực hiện các chức năng điều khi n và cung cấp dữ liệu là cơ hội đ cung cấp một cơ sở h tầng điện toán tập trung cho nhiều cơ sở tr m. Cu i cùng, một s nỗ lực đ tập trung các chức năng của lớp 1 của một s tr m g c hiện đang được tiến hành, nhằm hỗ trợ nhiều công nghệ viễn thông và điều chỉnh chúng cho các bản phát hành mới Điều này có th cho phép tri n khai C-RAN hiệu quả dưới d ng dịch vụ, các nhà cung cấp sẽ được hưởng lợi từ việc chia sẻ các tr m cơ sở từ xa cơ sở h tầng đ đ t được kết quả t t hơn v ng phủ sóng với mức đầu tư t i thi u của CAPEX và OPEX. Sự gia tăng t n hiệu và yêu cầu độ trễ nghiêm ngặt hơn cho hợp tác liên ngành đang g y p lực lên các nhà cung cấp m ng cần quản lý đ ng c c vấn đề đó đặc biệt là trong b i cảnh của C-RAN đ đ t được những lợi ch mong đợi của công nghệ này Đ được đ t mục đ ch này [10] đề xuất cách ly EPC khỏi RAN đ giảm cả vô tuyến/tải của lõi. Thật vậy, xem xét các tri n khai 4G cũ tất cả thông tin báo hiệu của một lưu lượng được truyền đến EPC và điều này th hiện một tải trọng đ ng k , ví dụ, nếu một người dùng nhất định thường xuyên di chuy n giữa các ô nhỏ hoặc yêu cầu c c sơ đồ truyền dẫn nâng cao, chẳng h n như ph i hợp truyền đa đi m (CoMP đ cải thiện vùng phủ sóng của nó ở vùng lân cận. Một giải pháp khả thi cho giảm tín hiệu này là cho phép tích hợp t i c c S đươc gọi là C-RAN BS. Trong này cách, tín hiệu di động do sự chuy n đổi giữa các ô nhỏ và các ô nhỏ được x lý t i S; đồng thời, EPC vẫn duy trì tầm nhìn tổng th về t nh di động của người dùng, EPC của C-RAN S đ giới thiệu hai thực th :
- Một là bộ điều khi n Vlan chịu trách nhiệm nhóm các ô cùng nhau là các tế bào ảo.
53
ào vĩ mô S C-RAN sẽ chịu trách nhiệm thực hiện các chức năng kh c nhau. Nó sẽ ho t động như một neo di động theo c ch tương tự như SGW ho t động trong EPC đ cung cấp một đi m cu i tĩnh cho thông tin li n l c cũng như chuy n giao giữa các ô thuộc cùng một ô ảo Hơn nữa giảm tín hiệu với việc s dụng C-RAN S nó cũng dự kiến sẽ có các giao thức hoàn toàn mới tập trung vào người dùng nhằm x c định l i quản lý di động. Trong trường hợp này, Vlan cho phép EPC tiếp tục ho t động mà không đ i hỏi kiến thức về thay đổi RAN do t nh di động của người dùng.
3.3.2. Ảo hóa các cell trong C-RAN
Các cell trong khu vực cung cấp dịch vụ được x c định theo vị trí anten và nằm trong ph m vi tín hiệu và mỗi cell có một m x c định (ID) riêng. Khi một thiết bị di chuy n từ cell này sang cell khác, nó phải thực hiện quá trình chuy n giao cuộc gọi. Sự chuy n giao giữa các cell có th dẫn đến suy giảm chất lượng Lưu lượng truy cập cục bộ khác nhau có th t o ra sự khác biệt lớn trong việc s dụng tài nguyên không dây trên mỗi cell. Những xu hướng này trở n n r ràng hơn khi c c cell t và được tri n khai dày đặc hơn
Ảo hóa các cell sẽ giúp giải quyết các vấn đề này như h nh 3 5 Như trong hình này, khái niệm này bao gồm các cell nhỏ được phục vụ bởi RU công suất thấp và các ô rộng s dụng RU công suất cao đ truyền qua các vùng rộng tương tự như macrocell truyền th ng. Các cell nhỏ không có ID ri ng Thay vào đó c c cell ảo chuyên dụng được t o ra đ phục vụ từng người d ng và c c nhóm người dùng mu n kết n i thiết bị với internet từ một vị trí cụ th t i một thời đi m cụ th . Các dịch vụ có th được hướng đến một s lượng người dùng h n chế bằng cách t o một khu vực ảo cung cấp tín hiệu cho những người được chỉ định Thông tin được t o khi thiết bị được di chuy n hoặc tín hiệu mà bất kỳ ai cũng có th nhận được sẽ không bị giới h n trong ph m vi truyền h p nhưng được truyền rộng r i hơn qua ô rộng. DU
54
tiến hành tất cả c c điều khi n này cùng nhau, t o thành RAN đ m m y
Các tế bào ảo hóa làm mờ ranh giới thực tế giữa các ô nhỏ Điều này có một s giá trị:
- Không cần phải bàn giao khi thiết bị di chuy n từ ô nhỏ này sang ô khác.
- Có th giảm nhiễu giữa các ô nhỏ.
- Tài nguyên không dây có th được phân bổ hiệu quả cho người dùng trong khu vực.
Những quản lý tài nguyên vô tuyến n ng cao này cũng có th giúp giảm mức tiêu thụ điện năng Hơn nữa, bằng cách áp dụng anten phần t lớn cho RU công suất thấp, các nhà khai thác có th ki m soát khu vực dịch vụ của từng RU bằng cách s dụng định d ng ch m và điều này làm cho ảo hóa các tế bào, hiệu quả hơn nữa.
Hình 3.5. Ảo hóa các cell trong C-RAN
3.3.3. Truy nhập vô tuyến bằng ph n mềm
Phần mềm đ i diện cho một sự tăng cường quan trọng trong quá trình hướng tới việc tri n khai hiệu quả C-RAN bằng c ch khai th c c c t nh năng
55
mới của mô hình SDN. Khả năng lập trình của kiến trúc SDN cho phép mặt phẳng dữ liệu đ chỉ đ i phó với tra cứu nhanh và thực hiện chuy n tiếp ở thời gian hợp lý, trong khi quy tắc mới có th được đẩy vào thời gian dài hơn do độ trễ li n quan đến giao tiếp với bộ điều khi n Theo nghĩa này kiến trúc C-RAN có th được xem là phần mở rộng trực tiếp của SDN, nguyên tắc phân tách mặt phẳng điều khi n/dữ liệu cho RAN trong đó ổ sung C-RAN và SDN lẫn nhau Theo [3] đề xuất đ quản lý nguồn tài nguyên vô tuyến (RRM) hoặc các thành phần nhiễu trong bộ điều khi n SDN được tri n khai trong kiến trúc C-RAN đ ph i hợp các tham s của RRH (mặt phẳng dữ liệu). Trong trường hợp này, SDN mang l i một s lợi ích về mặt phân ph i thông tin ki m so t được kích ho t bởi C-RAN cho các thực th m ng có liên quan. Một ví dụ khác là kích ho t/hủy kích ho t của RRH được quyết định bởi C- RAN theo tải m ng và mức nhiễu của m ng Trong trường hợp, SDN cập nhật cấu h nh đường truyền đ đảm bảo liên l c đ ng tin cậy cho RRH mới được kích ho t hoặc đ t i ưu hóa đường dẫn dữ liệu khi một s RRH bị tắt. Trong s các khía c nh cần được làm nổi bật chính xác là vai trò của SDN trong việc quản lý liên kết fronthaul của C-RAN. Khi xem xét chi tiết làm thế nào đ quản lý liên kết fronthaul đ ng ch ý là C-RAN tách các BBU khỏi RRHs về các vị trí vật lý nhưng có một ánh x logic một-một giữa BBU và RRH. Chẳng h n người d ng di động yêu cầu chuy n giao khi di chuy n từ RRH này sang RRH khác và trong kịch bản này, ánh x một-nhiều trên liên kết fronthaul có th giảm chi phí và t i ưu hóa hiệu suất m ng. Một khía c nh kh c được đưa vào xem xét là với ánh x một-một, một s U đang ho t động (và do đó ti u thụ năng lượng trong kh i BBU) ngay cả khi không cần nâng cao công suất các bộ phận của thiết bị hoặc t i mọi thời đi m. Ví dụ: khi tải lưu lượng truy cập thấp trong một khu vực nơi v ng phủ sóng
56
của nhiều RRH tế bào nhỏ), chỉ cần một U đơn lẻ có th đủ đ phục vụ tải được cung cấp.
Mô hình SDN có th có ch đ giới thiệu tính linh ho t này trong quản lý fronthaul bằng cách coi các liên kết fronthaul là liên kết m ng Theo [5] đề xuất một C-RAN linh ho t hệ th ng cho RRH dựa trên sự ra đời của bộ điều khi n thông minh trong nhóm BBU rằng tương tự như ộ điều khi n SDN, tự động cấu hình l i fronthaul dựa trên m ng vu hồi đ phục vụ hiệu quả cho cả người d ng và lưu lượng không đồng nhất Do đó lượng nhu cầu lưu lượng được thỏa m n tr n RAN được t i đa hóa cho cả hai khi người s dụng đứng yên và chuy n động đồng thời việc s dụng tài nguyên tính toán trong nhóm BBU là t i ưu hóa
3.4. Kết luận chƣơng 3
Chương này đ tr nh ày về tổng quan về các k thuật ảo hóa đang nhận được rất nhiều sự quan tâm nghiên cứu hiện nay và khả năng ứng dụng vào việc ảo hóa C-RAN trong m ng thông tin di động 5G, bao gồm k thuật ảo hóa các chức năng m ng (NFV) và k thuật m ng định nghĩa ằng phần mềm (SDN) và giải pháp ảo hóa C-RAN bằng k thuật SDN và NFV.
57
CHƢƠNG 4
MÔ PHỎNG TỔNG QUAN NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA C-RAN
4.1. Giới thiệu phần mềm Matlab
Matlab, viết tắt của Matrix Laboratory, là một bộ phần mềm toán học của h ng Mathworks đ lập trình, tính toán s và có tính trực quan rất cao và s dụng ngôn ngữ lập trình cấp cao khá thuận lợi Matla d ng đ giải quyết các bài toán về giải tích s , x lý tín hiệu s to n sơ cấp, x lý ảnh, x lý âm thanh, logic mờ mà không phải lập trình cổ đi n.
Hiện nay Matla có đến hàng ngàn lệnh và hàm tiện ích. Ngoài các hàm cài sẵn trong chính ngôn ngữ, Matlab còn có các lệnh và hàm ứng dụng chuyên biệt trong c c Tool ox đ mở rộng môi trường Matlab nhằm giải quyết các bài to n li n quan đến nhiều lĩnh vực như: đồ họa, kinh tế tài chính, công nghệ thông tin, k thuật viễn thông, ..
4.2. Mô phỏng và đánh giá
Như đ tr nh ày trong luận văn C-RAN là một giải pháp hiệu quả cả về chi phí lẫn năng lượng tiêu thụ được đề xuất cho m ng thông tin di động 5G. Bằng cách dịch chuy n các chức năng x lý tín hiệu về một tổ hợp BBU tập trung, C-RAN là giải ph p đầy hứa h n nhằm nâng cao hiệu suất s dụng năng lượng thông qua quản lý hiệu quả các xuyên nhiễu và khả năng th ch ứng m ng.
Phần này luận văn tr nh ày mô h nh hệ th ng C-RAN có xem xét đến các yếu t tiêu thụ năng lượng của các tuyến fronthaul, cách tổ chức các nhóm
58
truyền thông đa hướng và ki m soát kết n i người d ng đồng thời mô phỏng các yếu t trên [15].
4.2.1. Mô hình hệ thống
Hình 4.1. Kiến trúc C-RAN đa hƣớng [15]
Mô hình hệ th ng được mô tả như h nh 4 1 trong đó c c RRH kết n i về BBU pool bằng các tuyến truyền dẫn quang t c độ cao và độ trễ thấp. Các người dùng MU(Mobile User) trong c c v ng tr n nét đứt t o thành các nhóm truyền thông đa hướng và yêu cầu cùng dữ liệu.
Giả s các thiết bị người d ng được lắp đặt 1 anten, có tổng cộng K
người dùng trong hệ th ng t o thành M nhóm multicast không chồng lấn nhau và bất kỳ một nhóm multicast nào cũng đều có ít nhất một người dùng MU. C c RRH được lắp đặt nhiều anten và có tổng cộng L RRH trong hệ th ng.
Với mô hình hệ th ng nêu trên, luận văn đ chọn ra được một tập RRH