5. Phương pháp nghiên cứu
2.2.1 Công nghệ tăng tốc độ
Dự đoán chính xác đối với một số công nghệ là rất khó, nhưng việc 3GPP đang tiến hành tiêu chuẩn hóa 5G đang cung cấp cho ngành những yêu cầu chính xác đối với kiến trúc mạng truy cập vô tuyến (RAN) trong tương lai. Mạng 5G sẽ dựa trên sự thay đổi căn bản như ảo hóa chức năng mạng (NFV), sự phân chia chức năng mới của 5G-New-Radio (5G-NR) dựa trên sự phát triển của RAN tập trung (C-RAN) thành Đám mây dựa trên RAN.
Dự kiến triển khai rộng rãi 5G vào năm 2020. Trong thời gian chờ đợi, các nhà khai thác di động có thể mở rộng mạng LTE-A của họ để giải quyết một số trường hợp sử dụng 5G với số liệu hiệu suất chính xác, với áp lực ngày càng lớn để áp dụng kiến trúc C-RAN
43
TE-Advanced Pro (3GPP Release 13), cũng như 5G-NR (phát hành 15), sẽ ảnh hưởng đặc biệt đến các phần RAN và fronthaul của mạng. Do đó, mạng phân phối quang sẽ là chìa khóa của kiến trúc C-RAN / Cloud-RAN, vì rất khó để tiếp cận từng khu vực tế bào và các ô nhỏ với mạng quang thích hợp: 5G-PPP đã nói lên sự thiếu hụt quyền truy cập vào mạng quang sẽ là trở ngại lớn nhất cho việc triển khai 5G. Các nhà khai thác phải tăng tốc hướng tới 5G. Các nhà khai thác di động có phổ tần hạn chế để cung cấp cho nhiều thuê bao hơn với kết nối nhanh hơn cho các ứng dụng ngốn băng thông trên thiết bị thông minh. Họ cũng đang tìm kiếm các nguồn doanh thu mới, chẳng hạn như từ IoT.
5G sẽ giải quyết những nhu cầu này thông qua các tính năng rõ ràng trái ngược nhau: thông lượng 10-100 x, độ trễ thấp hơn 10 x và nhiều thiết bị được kết nối hơn 10-100 x. Các nhà khai thác cấp 1 đang tăng tốc thử nghiệm công nghệ vô tuyến 5G và đánh giá các băng tần mới, chẳng hạn như băng tần vô tuyến 3,5 GHz hoặc 28 GHz với băng tần cơ sở 200 MHz, rộng hơn 10 lần so với băng tần được sử dụng trong LTE.
3GPP Release 15 được thiết lập để tiêu chuẩn hóa giai đoạn đầu tiên của các yêu cầu 5G vào giữa năm 2018, nhưng 5G đã được ca ngợi như một người thay đổi cuộc chơi. 5G-PPP xác định ba lớp (được gọi là dọc) với các yêu cầu truy cập vô tuyến cụ thể:
Ví dụ: băng thông rộng di động cực cao (eMBB) cung cấp video 4K. Tăng thông lượng backhaul cũng sẽ tăng tốc độ bit của fronthaul. (đối với trường hợp sử dụng - truy cập không dây cố định FWA, tốc độ dữ liệu của Fronthaul có thể là 40Gb / s, lên đến 100Gb / s).
Ví dụ: giao tiếp máy khối lượng lớn (MMC) cung cấp kết nối với hàng tỷ thiết bị IoT. Một số ứng dụng sẽ cần phân tích sâu cho dữ liệu từ cảm biến và các thiết bị khác. Nhiều xử lý hơn sẽ xảy ra trong RAN tại đơn vị băng tần cơ sở (BBU), dựa trên công nghệ điện toán biên di động (MEC).
Giao tiếp máy móc quan trọng (CMC) sẽ có trong nhiều ngành, từ sản xuất (điều khiển robot từ xa) đến giao hàng (điều khiển máy bay không người lái), vốn
44
cần độ trễ cực thấp (1 ms) và độ tin cậy. Hiệu suất fronthaul sẽ rất quan trọng. Cắt mạng, ảo hóa và C-RAN.
Mạng 5G sẽ dựa trên việc phân chia mạng, một khái niệm vẫn cần được hoàn thiện. Mỗi phần hỗ trợ một mức dịch vụ nhất định (độ trễ, độ chính xác, tốc độ dữ liệu, phạm vi phủ sóng, v.v.) cho một lớp người dùng cuối. Tất cả các lát cắt phải chạy trên cơ sở hạ tầng NFV, bao gồm cả mạng vô tuyến. Điều phối tài nguyên vô tuyến trong thời gian thực là cách duy nhất để đáp ứng các tham số hiệu suất đa dạng - và điều này chỉ có thể đạt được bằng cách sử dụng kiến trúc RAN tập trung - xem Hình bên dưới.
Hình 2.15: Kiến trúc RAN tập trung
Ngoài ra, trước khi triển khai hàng loạt 5G, các nhà khai thác di động sẽ cải thiện hiệu suất của LTE với các tiêu chuẩn mới. Họ sẽ sử dụng các kỹ thuật mới - như đa điểm phối hợp (CoMP) - để đạt thông lượng 1 Gbit / s, nhưng điều này cần một đường dẫn ngắn hơn, nhanh hơn giữa các RRH, điều này rất khó nếu không có kiến trúc RAN tập trung.
Yêu cầu kỹ thuật C-RAN:
Kiến trúc C-RAN (xem hình dưới) có các yêu cầu cụ thể, ngoài khoảng cách tối đa giữa BBU và RRH: Thời gian khứ hồi của giao thức bắt tay gói phải dưới 3 mili giây. Ngân sách nguồn là quan trọng, đặc biệt là trong các mạng quang thụ động (ngân sách điển hình là 15-20 dB) bị ảnh hưởng bởi ghép kênh phân chia theo
45
bước sóng, v.v. Độ trễ không đối xứng - sự khác biệt giữa tốc độ của kết nối fronthaul đường xuống và đường lên. Ảo hóa mạng di động đang được tiến hành với hệ thống con đa phương tiện IP được ảo hóa (vIMS) và các mạng lõi đóng gói phát triển ảo hóa (vEPC). Giai đoạn tiếp theo sẽ là RAN và ảo hóa các chức năng của BBU.
Hình 2.16: Kiến trúc C-RAN
Với tốc độ dữ liệu ngày càng tăng tới người dùng cuối, Fronthaul cũng sẽ cần tốc độ bit nhanh hơn trên giao diện công cộng vô tuyến chung (CPRI). Xem xét rằng tốc độ CPRI là 12x đến 16x tốc độ dữ liệu trên backhaul, ví dụ: tốc độ bit sẽ vượt quá 25 Gbit / s để hỗ trợ thông lượng dịch vụ FWA 2 Gbit / s. Để hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao hơn, cần có sự phân chia mới của các chức năng BBU: sự phân chia mới giữa lớp vật lý và lớp 2 & 3 sẽ làm giảm đáng kể tốc độ bit trên giao diện fronthaul. IEEE (c.f. IEEE P.1914) và 3GPP RAN đang làm việc với một số tùy chọn phân tách. tuy nhiên, cuối cùng, sự gia tăng không thể tránh khỏi của tốc độ dữ liệu đối với các dịch vụ eMBB sẽ đòi hỏi tốc độ Fronthaul nhanh hơn nhiều.
Cân nhắc kiểm tra C-RAN Fronthaul, với lớp vận chuyển CPRI, được thiết kế cho khoảng cách ngắn giữa tủ BBU và RRH, trên đỉnh tháp hoặc mái nhà. Trong cấu trúc liên kết như vậy, các tham số fronthaul (RTT, jitter, v.v.) rất dễ đáp ứng.
46
Hầu hết các nhà khai thác và nhà thầu liên kết sợi quang với ăng-ten (FTTA) theo kiến trúc RAN phân tán dưới dạng cắm và chạy, trong đó độ trễ của sợi quang sẽ không bao giờ vượt quá 1 μs và suy hao công suất quang thường dưới 3 dB.
Điều này không đúng với C-RAN, vì việc chèn các phần tử mạng quang giữa khách sạn BBU và khu vực di động - và khoảng cách giữa chúng từ 15 đến 25 km (10 đến 16 mi) - tạo ra sự khác biệt rất lớn. Các trang web thử nghiệm tế bào (RRH) nên tách biệt với các thử nghiệm tại khách sạn BBU - chúng được triển khai vào các thời điểm khác nhau, bởi các nhóm khác nhau, vì vậy, trong hầu hết các trường hợp, một trong hai điểm này không hoạt động.
Rủi ro phát tán CD và PMD. Với mạng quang FTTx, vấn đề phân tán bắt đầu khi băng thông đạt 10Gbaud và khoảng vượt quá 10 km. Khi các cấu trúc liên kết C-RAN phát triển, các mạng quang fronthaul sẽ tự nằm trong vùng nguy hiểm này. Tán sắc sắc (CD) và phân tán chế độ phân cực (PMD) làm suy giảm tín hiệu quang học và tăng tỷ lệ lỗi bit (BER), đặc biệt là trong các điều kiện môi trường không thể đoán trước, chẳng hạn như rung động, gió và mưa. EXFO khuyến nghị thực hiện một thử nghiệm có hệ thống về độ phân tán trên phương án CPRI 7 (9,83 Gbit / s), với khoảng cách lớn hơn 10 km.
Một số bỏ qua điều này vì các mô-đun SFP mới hơn có độ động tốt hơn nhiều và mạnh hơn, giúp dễ dàng bù đắp cho sự suy giảm tín hiệu cao hơn từ đầu đến cuối. Đây không phải là cách tiếp cận tối ưu, vì các SFP mạnh thường đắt hơn nhiều đối với CWDM và DWDM (SFP có màu). Thông thường, sẽ có 12 đến 15 SFP trên mỗi ô và chi phí gia tăng cho mỗi trang có thể vượt quá 1.000 đô la.
Để hỗ trợ sự phát triển LTE-Advanced Pro và 5G New Radio, các liên kết quang học giữa các điểm di động và văn phòng trung tâm CRAN hoặc Trung tâm dữ liệu Cloud RAN (hoặc trung tâm dữ liệu BBU ảo) sẽ là một thành phần quan trọng của thiết bị mới.
Các kiến trúc RAN. Các yêu cầu như độ trễ, mất điện và tỷ lệ lỗi bit CPRI, không quan trọng đối với 3G và LTE Release 8, sẽ trở thành mối quan tâm lớn khi các nhà khai thác chuyển sang LTE-Advanced Pro và 5G-NR. Ngay cả đối với sự
47
phát triển lâu dài hơn của công nghệ fronthaul thành lớp truyền tải dựa trên Ethernet, cơ sở hạ tầng quang sẽ vẫn như cũ. Các khoản đầu tư chuyển đổi ngày nay của các nhà khai thác di động trong RAN sẽ phải hỗ trợ sự phát triển trong tương lai của công nghệ fronthaul.
Quá trình chuyển đổi bắt đầu với FTTA và thay thế cáp đồng bằng sợi quang tới RRH trên tháp hoặc mái nhà. Tiếp theo là sự tập trung của các BBU ở một vị trí trung tâm, cách xa các vị trí tế bào tới 25 km. Sự phát triển của truy cập vô tuyến đối với C-RAN và Cloud-RAN được thúc đẩy bởi sự dày đặc của các công nghệ truy cập vô tuyến, chẳng hạn như các tế bào nhỏ và trong nhà, nhân các dải tần và tập hợp chúng để tạo thành các dải cơ sở lớn hơn.
Sự phức tạp ngày càng tăng này đòi hỏi sự phối hợp tốt hơn của các tài nguyên vô tuyến, đòi hỏi một nền tảng mạng Quang tốt hơn. Việc thử nghiệm mạng phân phối quang và giao thức truyền tải CPRI ngày hôm nay sẽ hỗ trợ chuyển đổi mạng để làm cho 5G khả thi và bền vững, đồng thời bảo vệ đầu tư trong tương lai.
Công nghệ tăng tốc độ:
48
Hình 2.17 Tăng dung lượng C-Band M-MIMO
49