3.2.1 Mặt phằng người dùng (UP)
Kiến trúc UP 5G xem xét các miền mạng quang và vô tuyến hội tụ trong một cơ sở hạ tầng 5G chung hỗ trợ cả truyền dẫn và truy cập. Ở phần vô tuyến, một loạt các công nghệ kế thừa và các công nghệ khác có thể được xem xét, bao gồm lớp ô
49
nhỏ dày đặc có backhauled không dây thông qua công nghệ mmWave và sub-6 GHz. Ngoài ra, các ô nhỏ được kết nối với CU thông qua các giải pháp mạng quang.
Ngoài các dịch vụ BH, mạng truyền tải cần có khả năng cung cấp dịch vụ vận hành thông qua sự hỗ trợ của các đường truyền FH. Đường truyền FH cung cấp dịch vụ kết nối giữa các DU phân tán dày đặc với các trung tâm dữ liệu khu vực lưu trữ CU có yêu cầu trễ và đồng bộ hóa rất nghiêm ngặt. Để tối đa hóa lợi ích chia sẻ, mang lại hiệu quả cải thiện trong việc sử dụng tài nguyên và lợi ích về chi phí, khả năng mở rộng và tính bền vững, nên sử dụng cơ sở hạ tầng mạng chung để cùng hỗ trợ các chức năng BH và FH. Trên thực tế, điều này được hỗ trợ thông qua kiến trúc UP 5G phù hợp tích hợp tập hợp các công nghệ mạng truy cập và truyền tải không dây và có dây tiên tiến.
Trong bối cảnh này, yếu tố hỗ trợ chính là việc áp dụng mạng truyển tải quang linh hoạt, dung lượng cao với các đường truyền mmWave. Mạng quang này dựa vào các phương pháp tiếp cận lai ghép bao gồm mạng quang thụ động (PON) cung cấp dung lượng nâng cao thông qua WDM và các giải pháp mạng quang động, quang phổ linh hoạt và dựa trên khung để hỗ trợ các yêu cầu về dung lượng và tính linh hoạt đòi hỏi khắt khe hơn đối với tích hợp và truyền tải lưu lượng [10] . Ví dụ cụ thể cho các mạng quang như vậy được thể hiện trong Hình 3.2, được phát triển bởi dự án Đối tác công tư 5G (5G PPP) 5G-Xhaul [6] . Mạng truyền tải như vậy sẽ hỗ trợ các yêu cầu truyền tỉa tăng lên của môi trường 5G về tính chi tiết, dung lượng và tính linh hoạt. Công nghệ mmWave hoạt động trong các băng tần dưới 6 GHz và 60 GHz sẽ cung cấp kết nối băng thông cao cho cả các kịch bản không có tầm nhìn thẳng (NLOS) và tàm nhìn thẳng (LOS), hỗ trợ đồng thời tính di động cao trong môi trường không đồng nhất thông qua các kỹ thuật tạo búp động và lái búp có thể lập trình.
50
Hình 3.2. Mạng không đồng nhất hội tụ và cơ sở hạ tầng điện toán.
Với sự không đồng nhất về công nghệ được hình dung cho 5G, chức năng quan trọng của cơ sở hạ tầng có dây - không dây hội tụ là giao tiếp giữa các linhc vực công nghệ. Các lĩnh vực này áp dụng triển khai giao thức khác nhau và cung cấp mức dung lượng tổng thể rất đa dạng (trong miền không dây khác nhau giữa Mb/s lên đến hàng chục Gb/s) và độ chi tiết (thay đổi giữa Kb/s và 100 Mb/s) Ngoài ra, độ trễ vẫn là một tham số quan trọng được thực hiện trong mạng truyền tải hội tụ như vậy
Đối với các kết nối (vật lý) đường truyền dữ liệu, các lĩnh vực công nghệ khác nhau cần hỗ trợ các giao thức chung để cho phép trao đổi lưu lượng liền mạch giữa chúng. Một triển khai khả thi theo hướng này là kiến trúc áp dụng mô hình mạng định nghĩa bằng phần mềm (SDN). Khối cơ bản của kiến trúc UP là phần tử chuyển tiếp (FE, được gọi là XFE). FE bao gồm một chuyển mạch gói được gọi là phần tử chuyển tiếp gói (PFE, được gọi là XPFE) và một phần tử chuyển mạch kênh (CSE, được gọi là XCSE) [7].
Đường chuyển mạch gói là đường chính để truyền tải lưu lượng FH và BH chịu được trễ cao nhất, trong khi đường chuyển mạch kênh bổ sung cho đường chuyển mạch gói cho các cấu hình lưu lượng cụ thể không phù hợp để truyền tải dựa trên gói (ví dụ: CPRI cũ hoặc lưu lượng truy cập có dung sai trễ cực thấp) hoặc chỉ để giảm tải dung lượng. Kiến trúc chuyển mạch hai đường này kết hợp hiệu quả
51
băng thông thông qua ghép kênh thống kê trong chuyển mạch gói, với độ trễ xác định được đảm bảo bởi chuyển mạch kênh. Cấu trúc mô-đun của chuyển mạch này, nơi các lớp có thể được thêm và loại bỏ, cho phép các kịch bản triển khai khác nhau với sự phân tách lưu lượng truy cập ở nhiều cấp độ, từ bước sóng dành riêng đến mạng riêng ảo (VPN), đặc biệt mong muốn hỗ trợ đa người dùng.
Các DU hỗ trợ tách chức năng linh hoạt, với một số chức năng của giao diện truy cập được ảo hóa và đặt tại vị trí ô, các chức năng bổ sung của chúng được ảo hóa và đẩy đến các nút xử lý băng cơ sở. Giao diện FH giữa các DU và các CU có thể là bất kỳ giao diện hiện có hoặc mới nào, chẳng hạn như CPRI hoặc giao diện FH dựa trên gói trong tương lai.
Một số tích hợp có thể được thực hiện bởi các DU, trước khi giao tiếp với FE, để giảm số lượng luồng dữ liệu, tăng tốc độ bit trên các cổng và đơn giản hóa việc thực hiện. Ví dụ đầu tiên được cung cấp bởi một thác các DU, trong đó lưu lượng CPRI được thêm vào và ghép theo thời gian tại mỗi đầu vô tuyến từ xa (RRH). Trong ví dụ thứ hai, tín hiệu máy khách ở các tần số sóng mang vô tuyến khác nhau được ghép trong hệ thống vô tuyến qua sợi quang (RoF) và tín hiệu tổng hợp được chuyển đổi từ tương tự sang số.
Các DU được kết nối với FE bằng các chức năng thích ứng thực hiện điều chỉnh phương tiện và giao thức. Mục đích của chức năng thích ứng AF-1 là thích ứng phương tiện, chẳng hạn như từ không khí đến sợi quang và chuyển đổi giao diện vô tuyến (CPRI, giao diện gói 5G FH mới, Ethernet được sử dụng trong đường truyên BH, khung mmWave/802.11ad, RoF tương tự, v.v.) thành một khung chung (CF, được gọi là XCF), ở giao diện chuyển mạch gói. Tương tự như AF-1, chức năng thích ứng AF-2 ánh xạ giao diện vô tuyến vào giao thức được sử dụng bởi chuyển mạch kênh, ví dụ mạng truyền tải quang (OTN) hoặc giao thức khung kênh đơn giản hơn. Các chuyển mạch gói giao tiếp với mỗi khung của chúng sử dụng khung chung, là một giao diện gói dựa trên sự phát triển của điều khiển truy nhập môi trường (MAC) Ethernet trong MAC tiêu chuẩn, và giao diện giữa chuyển mạch gói và khối xử lý (PU, được gọi là XPU ), khối ảo hóa phụ trách xử lý băng cơ sở lưu trữ và các chức năng ảo hóa khác. Chuyển mạch gói được kết nối với chuyển
52
mạch kênh thông qua chức năng thích ứng AF-3 ánh xạ khung chung vào giao thức được sử dụng bởi chuyển mạch kênh. Như một lợi thế nữa, kết nối này được sử dụng để giảm tải chuyển mạch gói, tránh các tình huống quá tải và do đó, làm giảm xác suất các gói bị loại bỏ.
3.2.2 Mặt phẳng điều khiển (CP)
Với các nguyên tắc 'mềm hóa' tổng thể của tầm nhìn 5G, mạng truyền tải CP là trung tâm. Trong SDN, CP được tách ra khỏi UP và được quản lý bởi một bộ điều khiển tập trung logic có cái nhìn toàn diện về mạng. Mặt khác, ảo hóa chức năng mạng (NFV) cho phép thực thi các chức năng mạng trên tài nguyên điện toán bằng cách tận dụng các kỹ thuật ảo hóa phần mềm. SDN có liên quan đến việc điều khiển và quản lý các tài nguyên ảo, để giảm chi phí hoạt động, cần được cung cấp một cách tự động. Ngoài ra, SDN sẽ cung cấp cho nhà điều hành khả năng dễ dàng soạn và triển khai các dịch vụ mạng mới, ví dụ, có thể được khởi tạo thông qua các lát mạng khác nhau. Ảo hóa và mềm hóa sẽ định hình kiến trúc của mạng 5G như đã được Nhóm công tác về kiến trúc PPP 5G công nhận[10] . Đặc biệt, xu hướng mềm hóa và ảo hóa cũng sẽ ảnh hưởng đến thiết kế của mạng truyền tải 5G. Ngoài yêu cầu chung phân tán nói trên để hỗ trợ phân chia mạng, các mạng truyền tải 5G cũng phải giải quyết các yêu cầu cụ thể, chẳng hạn như truyền tải hiệu quả lưu lượng FH và BH cần thiết để hỗ trợ triển khai C-RAN và RAN phân bố (D-RAN).
Thông qua các cân nhắc chung về SDN và NFV, có thể đạt được những lợi ích đáng kể, bao gồm sử dụng hiệu quả tài nguyên, đơn giản hóa quản lý cơ sở hạ tầng, tăng khả năng mở rộng và bền vững cũng như cung cấp các dịch vụ E2E được điều phối. Tùy thuộc vào mức độ tích hợp SDN và NFV được hỗ trợ, các phương pháp CP khác nhau được đưa ra [9] . Phần dưới đây trình bày 2 giải pháp đã được phát triển trong khuôn khổ các dự án PPP 5G 5G-XHaul và 5G-Crosshaul.
Giải pháp đầu tiên lấy SDN làm trung tâm để điều khiển các phần tử UP. Kiến trúc CP truyền tải 5G dựa trên các nguyên tắc thiết kế sau:
• Ảo hóa không gian địa chỉ đầy đủ được cung cấp thông qua lớp chồng lấn, được thực hiện bằng cách sử dụng đóng gói ở biên của mạng truyền tải. Điều này có
53
nghĩa là các khách hàng khác nhau có thể sử dụng không gian địa chỉ lớp 2 hoặc lớp 3 chồng chéo;
• Khả năng mở rộng UP đạt được bằng cách cách ly các bảng chuyển tiếp của các phần tử mạng truyền tải bên trong cơ sở hạ tầng truyền tải 5G từ bất kỳ trạng thái nào liên quan đến người sử dụng. Điều này một lần nữa đạt được bằng cách đóng gói các khung khách hàng ở biên mạng vào các đường hầm dành riêng cho truyền tải.
• Mở rộng khả năng CP SDN đạt được bằng cách đưa ra khái niệm về các vùng. Một vùng xác định một tập các phần tử mạng truyền tải nằm dưới sự điều khiển của bộ điều khiển SDN logic tập trung.
• Tầm nhìn của các lĩnh vực công nghệ không đồng nhất hội tụ, ví dụ: các đoạn không dây và sợi quang trong mạng truyền tải, được kích hoạt bởi:
+ Các vùng được giới thiệu trước đó, sử dụng một công nghệ truyền tải duy nhất (lưới không dây, sợi quang hoặc Ethernet)
+ Chức năng thích ứng truyền tải ánh xạ lưu lượng truy cập cho mỗi khách hàng tại biên các nút vào các đường hầm truyền tải dành riêng của một vùng nhất định.
Để hỗ trợ các nguyên tắc trước đó, ba loại nút truyền tải được định nghĩa, như mô tả trong Hình 3.3. Đầu tiên, các nút truyền tải biên (ETN) kết nối các chức năng mạng ảo (VNF) của khách hàng với mạng truyền tải 5G, duy trì trạng thái tương ứng cho mỗi khách hàng và đóng gói lưu lượng truy cập của khách hàng vào các đường hầmtruyền tải dành riêng. Thứ hai, các nút truyền tải liên vùng (IATN) hỗ trợ các chức năng cần thiết để kết nối các vùng khác nhau. Chúng có thể được thực hiện bằng các công nghệ truyền tải khác nhau. Cuối cùng, các nút truyền tải thường xuyên (TN) hỗ trợ công nghệ truyền tải dành riêng - vùng và cung cấp dịch vụ chuyển tiếp giữa các ETN và IATN của vùng đó.
Phần dưới cùng của Hình 3.3 trình bày các lát mạng truyền tải cho từng khách hàng trong CP. Mục tiêu của mỗi khách hàng là kết nối thông qua mạng truyền tải một tập các VNF do khách hàng xác định, được triển khai trong các cơ sở điện toán và lưu trữ phân tán. Do đó, khách hàng được phép nhóm các VNF trên các
54
phân đoạn lớp 2 ảo, được xác định bằng ID phân đoạn lớp 2 (L2SID). Các L2SID khác nhau được kết nối thông qua đường dữ liệu ảo (vDP), có thể được khởi tạo, ví dụ như sử dụng chuyển mạch mềm. Lưu ý rằng các vDP được điều khiển trực tiếp bởi khách hàng, trong khi tất cả các thực thể ảo, VNF và vDP sẽ được lưu trữ vật lý trong ETN để kết nối với mạng 5G.
Hình 3.3 (a) Kiến trúc mặt phẳng điều khiển truyền tải 5G