Trong quá trình giới thiệu 5G, các nhà khai thác mạng di động (MNO) tất nhiên sẽ hướng tới việc tận dụng tối đa các triển khai (e) LTE hiện có và cũng cần phục vụ các UE kế thừa tồn tại trong lĩnh vực này trong nhiều năm. Do đó, điều quan trọng là phải xem xét tối ưu hóa việc đồng triển khai (e)LTE và 5G.
- Dựa trên LTE (tương ứng với các tùy chọn 3GPP 3/3a/3x hoặc 7/7a/7x) [6] : Triển khai trong đó (e)LTE cung cấp lớp truyền thông cơ bản, thường ở tần số sóng mang thấp hơn, hoạt động như MeNB và cung cấp ô chính (PCell) trong các lựa chọn đa kết nối. Ngoài ra, một hoặc nhiều ô thứ cấp NR (SCell) có thể được cấu hình, thường là trên các tần số sóng mang cao hơn;
- Dựa trên NR (tương ứng với các tùy chọn 3GPP 4/4a)[6]: Triển khai trong đó NR RAT đang hoạt động như MeNB và đang cung cấp ít nhất PCell (ví dụ: trên tần số sóng mang F1) và thêm vào đó là eLTE SCell được cấu hình (ví dụ: trên tần số sóng mang F2) trong đó cả F1 và F2 đều từ dải tần thấp hơn.
Liên quan đến việc đồng triển khai nhiều AIV 5G, một trong những lựa chọn được nghiên cứu mạnh mẽ là sự tích hợp chặt chẽ của mmWave AIV với AIV 5G tần số thấp hơn, để chống lại các điều kiện truyền sóng đầy thách thức liên quan đến tần số sóng mang cao hơn. Ở đây, các AIV tần số thấp hơn và tần số cao hơn sẽ chia sẻ các DU giống nhau theo Hình 2.14, như vậy, ví dụ, lập lịch MAC chung hoặc phối hợp trên các AIV được thực hiện. Trong trường hợp này, bất kỳ sự sụt giảm đột ngột nào về chất lượng đường truyền trên (các) sóng mang mmWave được bù đắp bằng cách lập lịch tài nguyên cho cùng một UE trên AIV tần số thấp hơn, để vẫn cung cấp chất lượng trải nghiệm (QoE) khá. Tuy nhiên, cần phải lưu ý rằng đối với hầu hết các trường hợp sử dụng eMBB với thông lượng cao hơn nhưng yêu cầu độ trễ thường tương đối thoải mái, cũng đủ để sử dụng đa kết nối kiểu DC giữa AIV
46
5G tần số thấp hơn và cao hơn, phản ứng với sự cố ngừng hoạt động trong (các) sóng mang mmWave thông qua điều khiển luồng mức PDCP.
Nói chung, một thiết kế chung và tích hợp chặt các AIV 5G tần số thấp hơn và cao hơn mang lại những lợi ích vượt xa những lợi ích của đa kết nối đơn thuần, chẳng hạn như tùy chọn sử dụng các phép đo kênh tần số thấp hơn, dấu vân tay gây nhiễu, v.v. ., để đưa ra quyết định về việc kích hoạt và hủy kích hoạt nhanh các AIV tần số cao hơn. Tương tự, thông tin có sẵn trên lớp tần số thấp hơn được sử dụng để thiết lập và cập nhật động phân tách chức năng RAN và phân cấp CU/DU phù hợp nhất cho một khu vực nhất định và sự hiện diện tức thời của UE (tức là xác định bộ DU tốt nhất cần được bao phủ bằng một CU để cho phép khả năng di chuyển nhanh chóng và hiệu quả giữa các ô mmWave cho các UE hiện tại). Cuối cùng, thông tin tần số thấp hơn như vậy được sử dụng để cải thiện khả năng quản lý búp sóng và tính di động giữa các nút truy cập tần số cao (ví dụ: để xác định búp sóng mmWave ban đầu tốt đã có trước khi một UE thực sự được cung cấp bởi mmWave hoặc để xác định các ô mmWave phù hợp và các búp liên quan đến chuyển giao). Tuy nhiên, người ta phải lưu ý rằng nhiều kỹ thuật được đề cập có thể được thực hiện thông qua các phương tiện độc quyền, và không nhất thiết phải được tiêu chuẩn hóa.
2.6 Tổng kết chương
Trong chương này, luận văn đã đi sâu chi tiết vào thiết kế kiến trúc RAN cho 5G, chẳng hạn bao gồm những thay đổi quan trọng đối với ngăn xếp giao thức RAN đã được thống nhất hoặc thảo luận trong 3GPP, hoặc những cân nhắc chính cần được thực hiện trong bối cảnh việc xử lý các AIV mới, hoặc để phân chia mạng, hỗ trợ đa dịch vụ và đa khách hàng. Chương 2 cũng đã trình bày về cách đa kết nối giữa các AIV 5G khác nhau, hoặc giữa (e)LTE và NR, sẽ được thực hiện và đã đề cập chi tiết đến mô hình thiết kế 5G mới về việc cung cấp các tùy chọn phân tách CP/UP khác nhau và cũng như phân chia chức năng theo chiều ngang trong RAN, để linh hoạt điều chỉnh RAN với các tình huống triển khai vật lý khác nhau.
47
CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP TRUYỀN TẢI CHO MẠNG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN 5G VÀ ỨNG DỤNG TẠI
VNPT HẢI DƯƠNG 3.1 Thực trạng mạng di động của VNPT Hải Dương
Cùng với sự bùng nổ của ngành viễn thông, những năm gần đây VNPT Hải Dương cũng được đầu tư, mở rộng mạng lưới viễn thông, đặc biệt là mạng thông tin di động để đáp ứng mọi nhu cầu của người sử dụng trên địa bàn. Hiện nay, VNPT Hải Dương đã xây dựng và lắp đặt được cấu trúc hạ tầng mạng lưới bao gồm:
Hệ thống mạng lõi (Ring core) 3 CES đóng vai trò như là 3 PE-AGG được kết nối vòng Ring với nhau và kết nối tới BRAS. Mạng lõi này được lắp đặt tại điểm thu gom truyền dẫn và dung lượng trung chuyển qua đó cao để cung cấp các dịch vụ có băng thông rộng như MegaVNN, Multimedia, thoại …. Hệ thống mạng lõi này được kết nối tới hệ thống quản lý để giám sát các hoạt động trên toàn hệ thống.
Hệ thống mạng truy nhập (Ring MAN-E Access) của VNPT Hải Dương bao gồm 28 Router Edge đóng vai trò là các UPE trong mạng MAN-E, được lắp đặt tại 11 trung tâm viễn thông huyện/thành phố để thu gom lưu lượng từ các thiết bị access như OLT, DSLAM, SWITCH Layer 2…Các Uplink của UPE sẽ kết nối với 02 Router AGG thành ring kín để tạo dự phòng.
Mạng truyền dẫn VNPT: có 43 tuyến truyền dẫn chính kết nối đến các huyện trên địa bàn tỉnh bằng cáp quang tạo thành 2 vòng Ring lớn giữa các huyện với thành phố Hải Dương đảm bảo đường truyền thông suốt. Ngoài ra còn có các tuyến nhánh nối đến các điểm chuyển mạch và trạm BTS của doanh nghiệp.
Mạng truyền dẫn cáp quang đã nối đến 100% các cổng khu công nghiệp, cụm công nghiệp và các khu đô thị mới của tỉnh. Phát triển mạng truyền dẫn trong do nội bộ khu công nghiệp, cụm công nghiệp và khu đô thị mới tự xây dựng. Mạng cáp quang đã được nối đến 246 xã, phường, thị trấn (đạt tỷ lệ khoảng 92,8%). Các tuyến truyền dẫn tạo thành vòng Ring đảm bảo mạng luôn ổn định.
48
Hình 3.1. Cấu trúc tổng thể mạng di động VNPT Hải Dương
Đối với nhà cung cấp dịch vụ di động Vinaphone hiện đang phủ sóng các công nghệ 2G, 3G, 4G. VNPT Hải Dương đã và đang lắp đặt và cung cấp được :
- Số trạm 2G: 282 sử dụng các thiết bị motorola, Huawei – chay SRAN cùng thiết bị 3G
- Số trạm 3G: 365 sử dụng thiết bị Huawei. - Số trạm 4G: 361 sử dụng thiết bị Huawei.
Ngoài ra còn sử dụng remote sector, small cell để mở rộng vùng phủ sóng và nâng cao chất lượng phủ sóng indoor.
3.2 Kiến trúc mạng truyền dẫn 5G
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.