5. Phương pháp nghiên cứu
2.3.3 Các thách thức mạng Fronthaul
Phân chia chức năng: Một công nghệ chuyển mạch gói, như Ethernet, không thu được nhiều lợi ích khi truyền dữ liệu yêu cầu tốc độ bit không đổi. Do đó, với tốc độ bit của người dùng tăng cao trong 5G, phân tách truyền thống không phải là giải pháp bền vững do tốc độ bit fronthaul không đổi và rất cao. Thuật ngữ phân chia chức năng xác định các tùy chọn khác nhau để phân chia các chức năng trong ngăn xếp giao thức. Xu hướng hướng tới việc bao gồm nhiều chức năng hơn trong DU so với cách phân chia truyền thống. Khi chỉ còn lại một số chức năng trong DU, tín hiệu là thô và tốc độ bit fronthaul cao với tải không đổi. Việc thêm nhiều chức năng hơn trong CU sẽ làm giảm tốc độ bit fronthaul và tăng tính linh hoạt của fronthaul, vì tín hiệu được xử lý nhiều hơn trước khi truyền, dẫn đến bitrate fronthaul sẽ thay đổi theo tải của người dùng. Nhưng tốc độ bit thấp và thay đổi đi kèm với một chi phí; các DU trở nên phức tạp hơn và do đó khó cài đặt và bảo trì hơn. Tốc độ bit thay đổi trên mạng fronthaul là rất quan trọng để Ethernet thực hiện phân bổ tài nguyên động và tốc độ bit càng thấp thì càng có nhiều tài nguyên có thể được ghép vào cùng một sợi. Tốc độ bit của fronthaul có thể được tính toán bằng cách xem loại dữ liệu thực sự đang được truyền trên liên kết fronthaul, tốc độ này khác nhau tùy thuộc vào việc chọn chức năng phân chia nào. Để nêu một ví dụ về sự khác biệt rất lớn giữa các phân chia chức năng khác nhau, bitrate fronthaul cho các tùy chọn phân chia chức năng khác nhau được minh họa trong Hình 2.20. Các bitrate fronthaul được tính toán dựa trên các công thức và xem xét sóng mang LTE
55
20 MHz sử dụng hai cổng ăng-ten và điều chế 64 QAM. Tốc độ bit của fronthaul được tính toán cho bốn sự phân chia khác nhau: sự phân chia truyền thống giữa lớp RF và lớp vật lý (RF / PHY), sự phân chia trong lớp vật lý (PHY), sự phân chia giữa lớp vật lý và Kiểm soát truy cập phương tiện (PHY / MAC) ), và sự phân tách giữa Giao thức hội tụ dữ liệu gói và Điều khiển tài nguyên vô tuyến (PDCP / RRC). Tốc độ bit và vị trí phân chia tương ứng trong ngăn xếp giao thức LTE. Các phần tách và bitrate fronthaul tương ứng của chúng được minh họa trong hình 2.20. Ở đây các chức năng ở phía bên trái của đường màu đỏ được bao gồm trong CU và các chức năng ở phía bên phải được bao gồm trong DU.
Hình 2.20: Tốc độ bit fronthaul cho các phân tách chức năng đã chọn
Hình 2.20 minh họa vị trí của bốn tùy chọn phân chia chức năng khác nhau và các bitrate fronthaul tương ứng của chúng. Tốc độ bit cho tùy chọn RF / PHY rất cao và tốc độ bit cho tùy chọn PDCP / RRC và PHY / MAC rất thấp. Sự phân chia chức năng cũng sẽ xác định xem tốc độ bit trên liên kết fronthaul là không đổi hay thay đổi theo tải của người dùng. Điều này được xác định bởi số lượng chức năng còn lại trong DU, tức là lượng xử lý tín hiệu từ lớp vật lý diễn ra trong DU. Nhìn vào Hình 3, phân tách RF / PHY có tải không đổi, trong đó phân chia PHY / MAC, PDCP / RRC có tốc độ bit thay đổi theo tải của người dùng. liên kết fronthaul. Tốc
76
điệu các mẫu bit gần giống nhau tuy kênh CH1 có chất lượng cao hơn kênh CH2 chút ít. Chẳng hạn, kênh CH1 đạt Q tốt nhất tại 9.78 tương ứng tỉ số lỗi bit BER là
23
6.44 10 , trong khi kênh CH2 đạt Q cực đại tại 9.61 tương ứng với giá trị BER
thấp nhất là 22
3.22 10 , xấu hơn 5 lần kênh CH1. Bên cạnh đó, với kiểu điều chế
DPSK, các mẫu tín hiệu cho thấy rằng trong nhiều trường hợp, Q biến động rất rộng từ khoảng 5.2 tới xấp xỉ 9.8 cho cả hai kênh trong khi giá trị Q tập trung phần lớn xung quanh giá trị 6.9. Một đặc điểm nữa là các mắt rất đục mà điều dễ quan sát là khoảng cách giữa các mức “1” và “0” là rất gần nhau, cho thấy mức nhiễu ảnh hưởng mạnh và làm giảm cấp chất lượng đến các kênh vô tuyến. Hình 3(c,d) thể hiện giản đồ mắt cho kênh CH1 và CH2 tương ứng với kiểu điều chế số CPFSK. Có thể quan sát trực quan rằng, Tham số Q của kiểu điều chế này cho thấy một giá trị cao hơn so với điều chế DPSK và do đó, các giá trị BER tối thiểu cũng đạt chất lượng tốt hơn rất nhiều khi so sánh với kiểu điều chế DPSK. Mặt khác, chúng ta cũng thấy, giản đồ mắt của tín hiệu CPFSK là rất trong, cho thấy mức phân biệt rõ giữa mức logic “1” và mức logic “0”. Cụ thể, Q mức “1” biến đổi từ 11 đến 13, Q mức “0” biến đổi từ 2.5 đến 4 trong cả hai kênh CH1 và CH2, điều đó cho thấy mức nhiễu là thấp. Cũng vậy, khoảng cách tối thiểu của tham số Q giữa mức “1” và “0” luôn đảm bảo không nhỏ hơn 7.5 dB cho thấy một tỷ số OSNR tốt đối với trường hợp điều chế CPFSK. Mặt khác, mức độ mức độ biến đổi của các mtức độ rung động của Q theo trục thời gian chỉ khoảng 20% chu kỳ bit là nhỏ, thể hiện tham số rung pha jitter của tín hiệu là thấp.
Để đặc tính hóa về phương diện thông tin, chúng ta khảo sát tham số chất lượng quan trọng nhất của thông tin là tỉ số lỗi bit BER theo sự phụ thuộc vào tốc độ tải trọng thông tin là tốc độ bit Rb và mức công suất phát của laser P. Quan hệ giữa BER và tham số chất lượng Q có thể xấp xỉ theo hàm bù lỗi như sau:
77
Hình 3.4. Tỷ lệ lỗi bit BER là hàm số của tốc độ bit Rb.
Hình 3.4 thể hiện hành vi biến đổi của BER như là hàm số của Rb khi ta giữ mức
phát P=0 dBm. Đối với điều chế DPSK, Hình 4(a) cho thấy rằng, cả hai kênh BER đều biến đổi gần như nhau. Cụ thể, khi tốc độ Rb tăng từ 1÷3 Gb/s, BER giảm
mạnh. Tuy nhiên, khi Rb từ 3÷4 Gb/s thì BER biến đổi rất nhỏ không đáng kể cho
thấy một sự ổn định của tải trọng tốc độ. Khi Rb từ 4÷5 Gb/s, BER xấu đi với tốc độ
lớn hơn. Để đảm bảo mức yêu cầu BER tối thiểu 9
10 , tốc độ Rb 2.8Gb/s. Rõ ràng tốc độ tăng thì chu kỳ bit giảm và mức năng lượng trung bình trên bit giảm, các hiệu ứng rung pha tăng và sự phân biệt giữa mức “1” và “0” giảm (SNR giảm) nên xác suất thu chính xác giảm và BER tăng Hình 3.4(b) thể hiện BER là hàm của Rb cho
cả hai kênh đối với kiểu điều chế CPFSK, chúng là hàm tăng theo Rb. Càng tăng tốc
độ bit, BER càng giảm mạnh và đều. Khi 1Rb 2.3Gb/s thì BER của CH1 nhỏ hơn CH2, tức là với tần số fc1 fc2. Ngược lại, khi 2.3Rb 5Gb/s, BER của
78
kênh vô tuyến có tần số sóng mang nhỏ lại xấu hơn kênh có tần số sóng mang cao (vì fc1 fc2). Yếu tố công suất phát của laser trong hệ thống thông tin quang là rất quan trọng, ảnh hưởng đến mức thu và OSNR nói chung của hệ thống thu. Như chúng ta đều biết, mức công suất laser bán dẫn dùng trong thông tin quang cửa sổ thứ ba (cửa sổ 1550 nm) thường xung quanh mức 1 mW (0 dBm). Hình 3.5 thể hiện khảo sát BER của các kênh theo mức công suất phát P của laser liên tục trước khi điều chế ngoài khi cố định tốc độ bit cho kênh cơ sở ở mức Rb=1 Gb/s. Nhìn chung,
biến đổi BER của hai kênh cho hai điều chế là khá gần gũi và giống nhau, đầu tiên là công suất tăng thì BER thì tốt hơn (nhỏ hơn) và sau đó là tăng. Cụ thể, với điều chế DPSK, khi P tăng từ -2÷1 dBm thì BER giảm dần và tốt lên và qua mức này khi công suất tăng thì BER lại xấu đi với độ dốc rất cao, như được thể hiện trên Hình 3.5(a). Với điều chế CPFSK, khi P tăng từ -2÷0 dBm thì BER ngày càng tốt hơn và khi qua mức này, nếu tăng mức phát thì BER lại giảm đi nhưng tốc độ thấp hơn tốc độ biến đổi so với DPSK, như được thấy trên Hình 3.5(b). Điều này được lý giải như sau: ban đầu ở các mức công suất thấp, các hiệu ứng phi tuyến (như hiệu ứng tự điều chế pha và điều chế pha chéo) kết hợp tán sắc sợi chưa lớn, tăng công suất sẽ cải thiện tỷ số OSNR và BER tốt lên. Trái lại, qua một mức công suất tới hạn, khi chúng ta tăng mức công suất phát sẽ làm hiệu ứng phi tuyến kết hợp hiệu ứng tán sắc tăng nhanh, tích lũy vào sự méo tín hiệu tăng và sự chồng lấn xung gia tăng
79
Hình 3.5. Tỷ lệ lỗi bit BER là hàm số của mức công suất phát của laser P.
vượt quá giới hạn mà sự tăng mức công suất ở tỷ số tín hiệu không bù đắp được, kết quả là gia tăng sự giảm cấp tín hiệu và do đó BER tăng. Với nhiều kênh, hiệu ứng còn tăng mạnh hơn hệ thống chỉ có hai kênh như mô hình trong bài báo này. Thêm vào đó, ta có thể thấy với DPSK, mức phát lý tưởng là 1 dBm, trong khi đó, với CPFSK mức phát tối ưu để có BER thấp nhất phải là 0 dBm. Cuối cùng, với dự trữ công suất tốt như vậy chứng tỏ hệ thống có thể hoạt động ở khoảng cách xa hơn 20 km mà không cần bù tán sắc mà vẫn đảm bảo tốc độ bit truy cập cỡ Gb/s.
Kết luận, chương 3 này trình bày một nghiên cứu về đề xuất cấu trúc hệ thống vô tuyến qua sợi quang sử dụng điều chế số cao cấp DPSK và CPFSK không cần mã sửa lỗi trước qua một khoảng cách lên đến 20 km. Kết quả mô phỏng số thực hiện
80
qua công cụ mô phỏng Optisystems cho thấy rằng hệ thống có thể đạt được tốc độ lên đến 2,8 G/s mà không cần bù tán sắc trong khi giữ mức công suất phát laser bán dẫn ở mức tiêu chuẩn 0 dBm. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng cả hai điều chế số đảm bảo hoạt động hiệu suất sử dụng băng thông cao nhưng điều chế CPFSK là tốt hơn DPSK. Đề xuất mô hình mạng thông tin như vậy là hữu dụng cho những ứng dụng của hệ thống kết nối giữa các khối BBU với RRH trong mạng truy nhập vô tuyến đám mây C-RAN băng rộng thế hệ mới.
81
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Xu hướng trong tương lai có thể là sự kết hợp của các kỹ thuật công nghệ, các ứng dụng công nghệ nâng cao, tiên tiến nhất, các ngôi nhà thông minh, các lĩnh vực y tế, an ninh,…. Với sự tiến bộ của công nghệ, các phương thức truyền dẫn các mạng di động tốc độ cao đang ngày càng trở nên cực kỳ quan trọng. Ví dụ: Trong các nhà máy tương lai các Robot có thể thực hiện thay cho con người, với tốc độ truyền ưu việt, mạng 5G sẽ cho phép hệ thống IoT theo dõi liên tục tình trạng và hiệu suất của thiết bị. Nghiên cứu và phát triển có thể được thực hiện trong các lĩnh vực khác liên quan đến công nghệ mạng viễn thông tốc độ cao.
Kết quả đạt được
Luận văn đã phân tích và làm rõ các kỹ thuật truyền dẫn RoF kết nối cho phân hệ fronthaul của mạng di động tốc độ cao và xu hướng tương lai của các ứng dụng của mạng di động tốc độ cao thế hệ sau 4G như 5G, 6G.
Hướng phát triển
Luận văn này có thể hữu ích cho mục đích nghiên cứu theo cách mà người đọc có thể có được cái nhìn tổng quan chi tiết về kỹ thuật RoF cho mạng thế hệ sau này như 5G và tương lai như mạng 6G. Các ứng dụng rất có thể sẽ được áp dụng trong tương lai gần.
82
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Yu, Z., Yan, G., Zhang, Q., & Lv, S. (2010). A novel design of WiMAX system based on RoF. WOCC2010 Technical Program - The 19th Annual Wireless and Optical Communications Conference: Converging
Communications Around the Pacific.
[2] Zakrzewski, Z. (2020). D-RoF and A-RoF interfaces in an all-optical fronthaul of 5G mobile systems. Applied Sciences (Switzerland), 10(4). [3] Zhang, R., Lu, F., Xu, M., Liu, S., Peng, P. C., Shen, S., He, J., Cho, H. J.,
Zhou, Q., Yao, S., & Chang, G. K. (2018). An Ultra-Reliable MMW/FSO A-RoF System Based on Coordinated Mapping and Combining
Technique for 5G and beyond Mobile Fronthaul. Journal of Lightwave
Technology, 36(20), 4952–4959.
[4] Aragón-Zavala, A., Castañón, G., & Beas, J. (2011). Radio-over-fiber systems for wireless communications. Recent Patents on Electrical
Engineering, 4(2), 114–124.
[5] Dat, P. T., Kanno, A., Umezawa, T., Yamamoto, N., & Kawanishi, T. (2017). Millimeter- and terahertz-wave radio-over-fiber for 5G and beyond. Summer Topicals Meeting Series, SUM 2017, 165–166. [6] Huang, X., Zhang, J. A., Liu, R. P., Guo, Y. J., & Hanzo, L. (2019).
Airplane-Aided Integrated Networking for 6G Wireless: Will It Work?
IEEE Vehicular Technology Magazine, 14(3), 84–91.
[7] Kanno, A., & Kawanishi, T. (2019). Radio over Fiber System for
Uninterrupted High-Speed Railway Communications. OECC/PSC 2019 - 24th OptoElectronics and Communications Conference/International
Conference Photonics in Switching and Computing 2019, 1–2.
[8] Kanno, A., Yonemoto, N., Sato, Y., Fujii, M., Yanatori, K., Shibagaki, N., Kashima, K., Dat, P. T., Yamamoto, N., Kawanishi, T., Iwasawa, N., Iwaki, N., Nakamura, K., Kawasaki, K., & Kanada, N. (2020). High- Speed Railway Communication System Using Linear-Cell-Based Radio- Over-Fiber Network and Its Field Trial in 90-GHz Bands. Journal of
Lightwave Technology, 38(1), 112–122.
[9] Kim, J., Sung, M., Cho, S. H., Won, Y. J., Lim, B. C., Pyun, S. Y., Lee, J. K., & Lee, J. H. (2020). MIMO-Supporting Radio-Over-Fiber System and its Application in mmWave-Based Indoor 5G Mobile Network.
83
[10] Novak, D., Waterhouse, R. B., Nirmalathas, A., Lim, C., Gamage, P. A., Clark, T. R., Dennis, M. L., & Nanzer, J. A. (2016). Radio-over-fiber technologies for emerging wireless systems. IEEE Journal of Quantum
Electronics, 52(1).
[11] Perez-Galacho, D., Sartiano, D., & Sales, S. (2019). Analog radio over fiber links for future 5g radio access networks. International Conference
on Transparent Optical Networks, 2019-July, 1–4.
[12] Raaf, B., Zirwas, W., Friederichs, K. J., Tiirola, E., Laitila, M., Marsch, P., & Wichman, R. (2011). Vision for Beyond 4G broadband radio
systems. IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile
Radio Communications, PIMRC, 2369–2373.
[13] Sung, M., Lee, J. H., Kim, J., Kim, E. S., Cho, S. H., Won, Y. J., Lim, B. C., Pyun, S. Y., Lee, H., & Lee, J. K. (2020). RoF-Based Radio Access Network for 5G Mobile Communication Systems in 28 GHz Millimeter- Wave. Journal of Lightwave Technology, 38(2), 409–420.
[14] Tan, H., Wu, Y., Shen, B., Jin, P. J., & Ran, B. (2016). Short-Term Traffic Prediction Based on Dynamic Tensor Completion. IEEE
Transactions on Intelligent Transportation Systems, 17(8), 2123–2133.
[15] Uko, M., Umoren, M., & Enyenihi, J. (2016). Effect of Shadowing and Multipath Fading on the Area Spectral for Cell-Edge Users in