2.2.1. Mạng linh hoạt Seft Organizing Networks (SON)
Công nghệ mạng linh hoạt Seft Organizing Networks (SON) là một tập hợp các thủ tục (hoặc chức năng) để tự động cấu hình, tối ưu hóa, chẩn đoán và phục hồi mạng di động. Nó được coi là nhu cầu thiết yếu chính trong các hoạt động và mạng di động trong tương lai chủ yếu do có thể tiết kiệm chi tiêu vốn (CAPEX) và chi tiêu hoạt động (OPEX). Những ưu điểm của mạng SON bao gồm:
- Giảm thời gian và chi phí lắp đặt.
- OPEX giảm do giảm các nỗ lực thủ công liên quan đến giám sát, tối ưu hóa, chẩn đoán và phục hồi mạng
30
- Giảm CAPEX do sử dụng tối ưu hơn các phần tử mạng và phổ. - Cải thiện trải nghiệm người dùng.
- Cải thiện hiệu suất mạng.
Các chức năng SON thường được phân loại thành ba nhóm chính [21][22]
SON tự cấu hình: SON tự cấu hình là một tập hợp các thuật toán nhằm mục đích
giảm số lượng can thiệp của con người vào quá trình cài đặt tổng thể bằng cách cung cấp chức năng "cắm và chạy" trong mạng các phần tử chẳng hạn như eNB. Điều này sẽ dẫn đến việc triển khai mạng nhanh hơn và giảm chi phí cho nhà điều hành, ngoài một khoảng không quảng cáo tích hợp hơn hệ thống quản lý ít bị sai sót do con người gây ra.
SON tự tối ưu hóa: Các chức năng tự tối ưu hóa của SON nhằm mục đích duy
trì chất lượng và hiệu suất mạng với sự can thiệp thủ công tối thiểu từ nhà điều hành. Các chức năng tự tối ưu hóa giám sát và phân tích dữ liệu hiệu suất và tự động kích hoạt hành động tối ưu hóa trên các phần tử mạng bị ảnh hưởng khi cần thiết. Điều này làm giảm đáng kể các can thiệp thủ công và thay thế chúng bằng các điều chỉnh tự động giúp mạng luôn được tối ưu hóa. Các chức năng SON tự tối ưu hóa giúp đưa ra các quy trình tự động mới quá nhanh hoặc quá phức tạp để thực hiện theo cách thủ công. Điều này sẽ cải thiện hiệu suất mạng bằng cách làm cho mạng năng động hơn và thích ứng với các điều kiện lưu lượng khác nhau và cải thiện trải nghiệm người dùng. Các trường hợp sử dụng SON tự tối ưu hóa là:
Physical Cell ID Configuration (PCI): Cấu hình tự động của ID tế bào vật lý (PCI) cho eNB trong LTE đã được chuẩn hóa trong bản phát hành 3GPP 8 như là một phần của “eNB tự định cấu hình”. PCI là số nhận dạng được xác định cục bộ cho các eNB có phạm vi hạn chế (tối đa 504 giá trị) và phải được sử dụng lại trên toàn mạng. Đánh số PCI của eNB cục bộ phải là duy nhất để các UE có thể giao tiếp và có thể thực hiện chuyển giao. Mục tiêu của cấu hình PCI là thiết lập PCI của một ô mới được giới thiệu. PCI được chứa trong SCH (kênh đồng bộ hóa) dành cho thiết bị người dùng (UE) để đồng bộ hóa với ô trên đường xuống. Khi một eNB mới được thiết lập, nó cần chọn các PCI cho tất cả các ô mà nó hỗ trợ. Vì các tham số PCI có phạm vi giá trị hạn chế, nên cùng một giá trị cần được gán cho nhiều ô trong toàn mạng và phải được định cấu
31
hình không có xung đột, nghĩa là, PCI được cấu hình cần phải khác với các giá trị được định cấu hình trong tất cả các ô lân cận
Automatic Neighbour Relations (ANR):Cũng như cấu hình tự động PCI, ANR là một trong những trường hợp sử dụng SON đầu tiên được chuẩn hóa, được thúc đẩy bởi khả năng tiết kiệm so với cấu hình thủ công tốn nhiều công sức của các tham số Quan hệ láng giềng. Đặc biệt là khi triển khai ANR có thể làm giảm thời gian cần thiết để bắt đầu hoạt động mạng LTE. Do đó, mặc dù lợi ích tích hợp trong thời gian dài hơn có thể không quá lớn, nhưng những lợi thế ban đầu của tính năng này có thể rất quan trọng trong giai đoạn đầu triển khai.
Inter-Cell Interference Coordination (ICIC): điều phối giao thoa giữa các ô (ICIC) là điều phối các đường truyền trong các ô khác nhau theo cách làm giảm sự can thiệp giữa các ô hoặc ảnh hưởng của nó. Với các giải pháp được đề xuất hiện tại, điều này đạt được bằng cách cho phép mỗi tế bào bỏ qua việc sử dụng một số tài nguyên phổ (tần số/khe thời gian/công suất) để giảm nhiễu. Lợi ích quan trọng nhất mà ICIC có thể đạt được là khả năng cung cấp dịch vụ đồng nhất hơn cho người dùng ở các vùng khác nhau của mạng, đặc biệt là bằng cách cải thiện hiệu suất cạnh ô.
Mobility Robustness Optimization (MRO): Tối ưu hóa độ mạnh mẽ của tính di động (MRO) bao gồm việc tối ưu hóa tự động các thông số ảnh hưởng đến chế độ hoạt động và chuyển giao chế độ nhàn rỗi (HOs) để đảm bảo chất lượng và hiệu suất tốt của người dùng cuối, đồng thời xem xét các tương tác cạnh tranh có thể xảy ra với các tính năng SON khác như quan hệ hàng xóm tự động (ANR) và cân bằng tải di động (MLB).
Mobility Load Balancing Optimization (MLB): Mục tiêu của cân bằng tải di động (MLB) là phân tán lưu lượng người dùng một cách thông minh trên các tài nguyên vô tuyến của hệ thống để tối ưu hóa dung lượng hệ thống trong khi vẫn duy trì chất lượng trải nghiệm và hiệu suất của người dùng cuối. Ngoài ra, MLB có thể được sử dụng để định hình tải hệ thống theo chính sách của người vận hành hoặc để làm trống các ô tải nhẹ sau đó có thể được tắt để tiết kiệm năng lượng. Việc tự động hóa điều này giảm thiểu sự can thiệp của con người vào các nhiệm vụ quản lý và tối ưu hóa mạng.
Nhu cầu sử dụng di động ngày càng tăng, điều này sẽ dẫn đến sự phức tạp ngày càng tăng trong mạng truy cập vô tuyến thông qua việc bổ sung các femtocell, picocell,
32
cũng như truy cập WiFi. Do đó, điều quan trọng là phải phát triển các giải pháp SON cho các công nghệ truy cập không đồng nhất. Việc triển khai SON tập trung hiện tại tương đối đơn giản và yêu cầu ít lưu lượng giữa các phần tử mạng và hệ thống quản lý mạng.
2.2.2. Backhaul
Các yêu cầu về small cell backhaul có thể thay đổi đáng kể tùy thuộc vào vị trí của các small cell (ví dụ, cường độ tải lưu lượng, độ trễ, chất lượng mục tiêu của dịch vụ và chi phí thực hiện các kết nối sửa chữa ô nhỏ). Bên cạnh đó, các phương án triển khai backhaul có sẵn có thể rất khác nhau, ví dụ một số điểm triển khai có thể kết nối cáp quang nhưng có thể không khả dụng cho những điểm khác. Một số nơi có thể kết nối sóng micromet có tầm nhìn tốt nhưng nó có thể không khả dụng cho mọi nơi. Vì vậy, không có một phương án hay công nghệ cụ thể nào có thể áp dụng triển khai rộng rãi trong triển khai công nghệ backhaul. Có nhiều lựa chọn và các nhà khai thác phải quyết định giải pháp sửa chữa lớn nào sẽ tiết kiệm nhất cho bất kỳ tình huống triển khai cụ thể nào. Trong phần này đề cập tới giải pháp backhaul có sẵn có thể được sử dụng cho mạng 5G.
Giải pháp backhaul có dây: cáp quang là giải pháp backhaul phổ biến nhất có thể cung cấp dung lượng cao nhất với tỷ lệ lỗi bit thấp. Đó là lý do tại sao cáp quang luôn là sự lựa chọn hàng đầu cho quá trình triển khai nếu có sẵn. Cũng có một số trường hợp khác cáp quang không thể triển khai như không có hạ tầng (cống bể, cột treo) hoặc vật cản như đồi núi, hải đảo … sẽ khiến kết nối cáp quang không thể thực hiện được. Ngoài ra, việc triển khai kết nối cáp quang mới sẽ mất thời gian hơn so với việc triển khai không dây. Chi phí triển khai ban đầu của kết nối cáp quang cũng cao, bao gồm chi phí cáp, đấu nối, thiết kế … cộng với chi phí vận chuyển. Rõ ràng là kết nối cáp quang sẽ là lựa chọn đầu tiên cho việc triển khai backhaul nếu nó có sẵn, nếu không phải tìm kiếm giải pháp sửa chữa lại khác đáp ứng các yêu cầu của mạng 5G.
Giải pháp backhaul không dây: Backhaul không dây trở nên phổ biến do khả năng triển khai nhanh chóng và hiệu quả chi phí. Kết nối mạng không dây phép nhà điều hành có quyền kiểm soát đầu cuối đối với mạng của họ thay vì cho thuê các kết nối
33
backhaul có dây của bên thứ ba. Tuy nhiên, việc lựa chọn tối ưu giữa giải pháp backhaul không dây phụ thuộc vào một số yếu tố bao gồm vị trí khu vực, môi trường, lưu lượng truy cập mong muốn, điều kiện nhiễu, hiệu quả chi phí, hiệu quả năng lượng, yêu cầu phần cứng và tính khả dụng. Trong phần này đề cập giải pháp backhaul không dây có sẵn có thể được sử dụng cho backhaul small cell trong mạng 5G.
Backhaul không dây hiện đang sử dụng chủ yếu là sóng viba (microwave) thường hoạt động ở các dải tần số 6, 11, 18, 23 và 28 GHz. Việc triển khai vô tuyến viba đòi hỏi chi phí vốn một lần và có một số chi phí khác bao gồm thuê mặt bằng, điện và bảo trì. Vì vậy, viba có thể được triển khai với chi phí thấp hơn nhiều và thời gian triển khai nhanh hơn nhiều so với kết nối cáp quang. Tuy nhiên, hiệu suất của giải pháp viba phụ thuộc vào môi trường xung quanh hoặc điều kiện thời tiết.
Backhaul không dây sử dụng sóng milimet, sóng milimet hoạt động ở Tần số cực cao (EHF) nằm trong phạm vi 30–300GHz. Vì vậy, sóng milimet có thể trở nên nổi bật đối với giải pháp small cell backhaul do phổ rất lớn của nó. Bên cạnh đó, bước sóng nhỏ hơn sẽ cho phép tích hợp số lượng lớn anten trong một cấu hình đơn giản và small cell có thể tận dụng lợi thế này. Thông thường, sóng milimet có thể hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao trong phạm vi 1–2 Gbps nhưng phạm vi tiếp cận ngắn hơn so với sóng viba do suy hao truyền tải cao ở sóng milimet. Thông thường, chùm sóng milimet hẹp hơn nhiều so với chùm sóng vi ba, điều này tạo ra một hạn chế chính là giải pháp xử lý backhaul. Chùm tia hẹp cũng có thể tạo ra vấn đề liên kết và để tránh vấn đề này, thiết bị vô tuyến sóng milimet cần được lắp đặt trong một kết cấu vững chắc.
Backhaul không dây sử dụng công nghệ quang học không gian (FSO). Quang học không gian tự do (FSO) là công nghệ tương tự như cáp quang ngoại trừ FSO sử dụng chùm ánh sáng vô hình (ví dụ: LED, LASR) để truyền dữ liệu thay vì cáp quang. FSO có phổ cực lớn trong dải từ 300 GHz đến 1 THz và tốc độ dữ liệu tối đa có thể hỗ trợ lên đến 10 Gbps (cả hướng lên và xuống). Ưu điểm chính của FSO là tiêu thụ điện năng thấp so với sóng viba hoặc sóng milimet. Nhưng hệ thống FSO có một số hạn chế bao nhiễu do ánh sáng xung quanh, tán xạ và các vật cản vật lý... Tuy nhiên, công nghệ FSO có thể là một trong những giải pháp backhaul khả thi trong việc triển khai hệ thống 5G do khả năng mở rộng và tính linh hoạt của nó.
34 Công nghệ Chi phí triển khai Độ trễ Khoảng cách (km)
Upload Dowload Phương thức truyền tải Satellite Cao 300 ms one-
way latency Không hạn chế 15 Mbps 50 Mbps LOS TVWS Trung bình 10 ms 1 - 5 18 Mbps/ch 18 Mbps/ch NLOS Microwave PtP Trung bình <1 ms/hop 2 - 4 1 Gbps 1 Gbps PTP Microwave PtmP Trung bình <1 ms/hop 2 - 4 1 Gbps 1 Gbps PTMP Sub-6 GHz 800 MHz– 6 GHz Trung bình 5 ms single- hop one way 1,5–2,5 km nội thành, 10 km nông thôn 170 Mbps 170 Mbps NLOS Sub-6 GHz 2.4, 3.5, 5 GHz Trung bình 2–20 ms 0.25 150-450 Mbps 150-450 Mbps NLOS MmWave 60 GHz Trung bình 200 μs 1 1 Gbps 1 Gbps LOS MmWave 70–80 GHz Trung bình 65–350 μs 3 10 Gbps 10 Gbps LOS FSO Thấp Thấp 1 – 3 10 Gbps 10 Gbps LOS
Bảng 2.2: Các giải pháp backhaul không dây
Từ bảng 2.2 ta nhận thấy rằng FSO là công nghệ cung cấp băng thông lớn nhất và độ trễ là thấp nhất đây là 2 yêu cầu cơ bản nhất của quá trính triển khai hệ thống. Mạng backhaul phải đáp ứng các yêu cầu mạng đa dạng dựa trên loại lưu lượng người dùng, chẳng hạn như, một số lưu lượng người dùng có thể quan tâm nhiều hơn đến tốc độ mạng tối đa chứ không phải độ trễ và ngược lại người dùng có thể quan tâm đến độ trễ thấp chứ không phải tốc độ. Vì vậy sẽ không có giải pháp backhaul duy nhất cho mạng 5G. Dựa trên khu vực triển khai và lưu lượng người dùng, mạng backhaul 5G sẽ là sự kết hợp của backhaul có dây (ví dụ: cáp quang) và backhaul không dây (sóng
35
milimet và quang học không gian trống). Do đó, hiểu được các yêu cầu cơ bản của mạng backhaul là chìa khóa để lựa chọn công nghệ và loại mạng phù hợp.
2.2.3. Quản lý tính di động – HandOver (HO)
HandOver: Chuyển giao là một quá trình trong viễn thông và truyền thông di động, trong đó một cuộc gọi di động được kết nối hoặc một phiên dữ liệu được chuyển từ trạm gốc (BS) này sang một trạm gốc khác mà không ngắt kết nối phiên đó. Các dịch vụ di động dựa trên tính di động và chuyển giao, cho phép người dùng được di chuyển từ phạm vi BS này sang phạm vi BS khác hoặc được chuyển sang BS gần nhất để có hiệu suất tốt hơn. HO là yếu tố cốt lõi trong việc lập kế hoạch và triển khai mạng di động. Nó cho phép người dùng tạo các phiên dữ liệu hoặc kết nối các cuộc gọi điện thoại khi đang di chuyển. Quá trình này giữ cho các cuộc gọi và phiên dữ liệu được kết nối ngay cả khi người dùng di chuyển từ BS này sang BS khác. Do đó, việc quản lý HO hiệu quả sẽ rất quan trọng do tính chất không đồng nhất và cực kỳ dày đặc của mạng 5G.
Quyền truy cập của người dùng điện thoại di động và kết quả là tải lưu lượng truy cập trong mạng di động thay đổi theo thời gian, thường không cân bằng và ngẫu nhiên, làm cho tải di động trong hệ thống không bằng nhau. Trong một số cell, có sẵn quá nhiều UE nhưng bị quá tải; trong khi, ở các cell khác, ít UE hiện diện hơn và tài nguyên của chúng không được sử dụng đầy đủ. Việc sử dụng tài nguyên kém hiệu quả có thể được giảm thiểu thông qua quản trị tối ưu hóa cũng như phát triển mạng. Các chiến lược quy hoạch mạng hiện tại vẫn chưa được giải quyết hoàn toàn, do các vấn đề như cân bằng tải (LB) trong các hệ thống phát triển 4G LTE. Nói chung, việc chuyển đổi một số UE ở ranh giới của các cell chồng chéo hoặc liền kề từ các cell đông đúc hơn thành các cell ít đông đúc hơn đại diện cho một cách tiếp cận khả thi đối với LB; điều này thường được gọi là HO hoặc chuyển nhượng. Bằng cách thay đổi các đơn vị eNB được gán cho UE, tải được cân bằng và hiệu suất hệ thống được cải thiện với chi phí chung của hệ thống do HO tạo ra. Quy trình HO tiêu tốn đáng kể tài nguyên hệ thống và UE dự kiến có thể gặp phải sự chậm trễ đáng kể của hệ thống và suy giảm hiệu suất. Do đó, HO không nên ngẫu nhiên xảy ra. Ngoài ra, việc sử dụng sóng mm trong công nghệ 5G là yếu tố chi
36
phối ảnh hưởng đến tính di động. Điều này là do suy hao đường truyền cao hơn khi sử dụng dải tần sóng mm, do đó làm giảm phạm vi phủ sóng. Xác suất HO sẽ tăng lên đáng kể, dẫn đến sự gia tăng về số lượng các vấn đề di chuyển, chẳng hạn như HOF cao, tác động của PPHP và OP.
Handover Parameters Optimisation (HPO) là một chức năng quan trọng của mạng SON, để giải quyết các vấn đề di động trong mạng điện thoại di động 4G và 5G. Một số chức năng được SON cung cấp, chẳng hạn như tối ưu hóa độ bền di động (MRO)