Chương 2 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 5G
2.3 Các công nghệ của 5G
Dự kiến sẽ được thương mại hóa vào khoảng thời gian 2019/2020, mạng di động 5G đang tiếp cận và phát triển mạnh mẽ. So với các mạng di động 4G hiện nay, mạng 5G dự kiến sẽ hỗ trợ dung lượng hệ thống khổng lồ, độ trễ ít hơn
nhiều và khoảng 1000 lần thiết bị trên mỗi km2. Để đáp ứng các yêu cầu này, một số công nghệ mới đã được đưa ra và đang phát triển cho mạng 5G. Các công nghệ này là: massive MIMO, mạng được định nghĩa bằng phần mềm, sóng mm, mạng truy cập vô tuyến đám mây (RAN), đa truy cập không trực giao, kỹ thuật thông tin M2M, điện toán cạnh di động, bộ nhớ đệm không dây, mạng cực kỳ dày đặc và giao tiếp song công. Tiếp theo, chúng ta sẽ tìm hiểu một số công nghệ này.
2.3.1 Massive MIMO
Khi tìm hiểu về massive MIMO, chúng ta sẽ giải quyết thuật ngữ đầu tiên.
Nó được sử dụng để biểu thị số lượng lớn các phần tử ăng ten được sử dụng trong xử lý tín hiệu ăng ten. Số lượng ăng ten phải lớn hơn 64 phần tử. Massive MIMO dựa vào định luật về số lớn để đảm bảo các nhược điểm của kênh và phần cứng (ví dụ: nhiễu, pha đinh và phần cứng) ở mức trung bình khi các tín hiệu từ một số lượng lớn ăng ten được kết hợp vô tuyến với nhau. Nhiều ăng ten đủ khả năng sử dụng hai tùy chọn: Đầu tiên là cung cấp tăng ích mảng bằng cách tập trung năng lượng theo hướng mong muốn và vô hiệu hóa theo hướng tín hiệu không mong muốn (tạo thành chùm). Thứ hai, là cung cấp mức tăng ghép kênh không gian bằng cách gửi các luồng dữ liệu độc lập trên mỗi ăng ten.
Kỹ thuật này có thể được sử dụng để tăng tốc độ dữ liệu của người dùng hoặc hệ thống. Cả hai tùy chọn được thể hiện trong Hình 2.3.
Hình 2.3. Các ví dụ về massive MIMO: ghép kênh không gian (bên trái) và chùm tia đơn/đa người dùng.
Đầu tiên, hãy xem xét sử dụng massive MIMO cho tạo búp sóng, các mảng ăng ten có thể được sắp xếp theo các mảng tuyến tính, hình chữ nhật hoặc hình
tròn cũng có thể được xếp chồng lên nhau. Massive MIMO sẽ được triển khai cho 4G và 5G. Trong thực tế, các dải tần số cao dẫn đến các mảng ăng ten quy mô lớn, nhỏ gọn do bước sóng nhỏ hơn. Massive MIMO có thể được triển khai theo các phương pháp song công FDD hoặc TDD, các hệ thống TDD cho phép người dùng sử dụng định lý tương hỗ để áp dụng những thứ quan sát được trên UL vào DL.
Tiếp theo, là việc xem xét sử dụng massive MIMO cho ghép kênh không gian đã được sử dụng rộng rãi cho 4G và sẽ tiếp tục triển khai cho 5G. Có thể ghép kênh không gian với yêu cầu là hạng của ma trận kênh giữa anten phát và thu lớn hơn 1. Trên thực tế, đối với hệ thống MIMO 4 × 4, chỉ có thể quan sát toàn bộ công suất nếu hạng ma trận kênh đầy đủ (trong trường hợp này là 4).
Do sự hiệu quả của ghép kênh không gian trong LTE, sẽ hợp lý khi nó vẫn tiếp tục được sử dụng trong 5G ở quy mô lớn hơn. Điều này là đúng; tuy nhiên, đi kèm với đó là một thách thức. Kích thước MIMO càng lớn thì càng ít có khả năng trải nghiệm hạng đầy đủ. Điều này có nghĩa là thiết kế một mảng MIMO 256 × 256 và mong muốn gửi 256 lớp cho một người dùng, tất cả thời gian là một điều khó khăn khi thực hiện. Đây là một trong những lý do 5G đã giới hạn số lượng lớp DL trên mỗi người dùng là 8. Độ phức tạp triển khai liên quan đến việc triển khai massive MIMO trong miền số có ý nghĩa. Chùm tia lai đã được đưa ra để cung cấp một sự thỏa hiệp về hiệu suất/khả năng với độ phức tạp.
Điều này mang đến một câu hỏi: Giả sử số lớp tối đa là 8 thì có thể làm gì với các mức độ tự do còn lại? Một số có thể được sử dụng để tạo (hoặc định hình) chùm và một số được sử dụng để ghép kênh người dùng khác qua mảng ăng ten. Và được gọi là MIMO nhiều người dùng (MU-MIMO). Ở đây, nhiều người dùng truyền tải và truyền dẫn các tập hợp của họ được xử lý như là họ đến từ một nguồn ghép kênh duy nhất. Các trọng số chùm tia có thể tạo ra một chùm tia theo phương vị và hướng độ cao.
Khi xem xét chùm tia, tăng ích mảng có thể được sử dụng theo nhiều cách khác nhau. Nó có thể được sử dụng để mở rộng vùng phủ sóng, giảm công suất
phát của các thiết bị trên UL, cải thiện tỷ lệ nhiễu tín hiệu trên nhiễu tạp âm (SINR) dẫn đến thông lượng người dùng cao và giảm công suất truyền trên DL do đó cải thiện hiệu quả công suất trên toàn bộ.
Số lượng phần tử ăng ten cần thiết phụ thuộc vào một vài yếu tố:
Tăng ích của mảng (vùng phủ sóng, giảm công suất, v.v.)
Các lớp ghép kênh cần thiết
Nhiều người dùng dự kiến sẽ được phục vụ
Dải tần số được sử dụng
Độ phức tạp xử lý tín hiệu (ước tính CSI, tương tự so với miền số, v.v.)
Tăng hiệu suất hệ thống (SINR, dung lượng, tốc độ dữ liệu, v.v.).
Một trong những lợi ích của việc sử dụng nhiều kỹ thuật ăng ten là sự giảm đáng kể trong sự thay đổi kênh. Điều này rất quan trọng trong việc chống lại pha đinh đa đường và để làm giảm đáng kể các thay đổi của kênh cần ít nhất 64 ăng ten trong mảng ăng ten. Nhiều trường hợp triển khai 5G được đưa ra bởi 3GPP có các trường hợp sử dụng khác nhau cho các dịch vụ eMBB, uRLLC và mMTC. Trong các trường hợp triển khai này, số lượng ăng ten DL và UL tối đa được tìm hiểu là 256 và 32.
2.3.2 Kết nối mạng bằng phần mềm
Các chức năng mạng ảo (NFV) và kết nối mạng bằng phần mềm (SDN) đang hỗ trợ việc chuyển sang mạng tập trung vào phần mềm. Các khả năng này cung cấp những cải tiến kỹ thuật thiết thực (ở dạng hiệu suất hệ thống) và tài chính (ở dạng CAPEX và OPEX) cho các nhà mạng. Sự phát triển này cung cấp cho các nhà khai thác mạng những lợi ích to lớn như: một phương tiện dễ quản lý hơn để giám sát mạng, hỗ trợ tốt hơn cho các tính năng mới, sự di chuyển của mạng, v.v. Tuy nhiên, nó cũng mở ra cơ hội cho những người chơi thị trường mới (như gã khổng lồ dịch vụ Internet, nhà cung cấp dịch vụ cáp, v.v.) những người muốn thiết lập sự hiện diện của mạng không dây. Việc áp dụng ban đầu là ảo hóa các chức năng quan trọng ít thời gian hơn, chẳng hạn như trong EPC (còn gọi là vEPC) và sau đó chuyển xuống ngăn xếp phần mềm giao thức về phía lớp vật lý.
Việc chuyển sang SDN cho phép các nhà khai thác mạng trở nên chủ động trong việc triển khai các trường hợp sử dụng khác nhau. Một lợi ích được gọi là lát cắt mạng. Ở đó, mạng sẽ có thể tự động kết hợp các chức năng truy cập và các chức năng mạng lõi cần thiết để đáp ứng các yêu cầu ở trường hợp sử dụng cụ thể (độ trễ, băng thông, v.v.). Một xu hướng đã bắt đầu trong 4G khi có một bộ dịch vụ đa dạng đã xuất hiện và 3GPP đang giải quyết nhu cầu này như là một phần của sự phát triển của LTE. Chúng ta mong muốn nhu cầu này sẽ tăng và tiếp tục tạo ra các yêu cầu đa dạng hơn. Kiến trúc mạng LTE (theo khái niệm của nó) được gọi là đơn khối và cần phải linh hoạt hơn và có thể mở rộng khi giới thiệu dịch vụ 5G. Lát cắt mạng là một kỹ thuật được đề xuất để hỗ trợ các trường hợp sử dụng rộng rãi này.
Lát cắt mạng tạo ra các kiến trúc mạng ảo dựa trên các nguyên tắc SDN và NFV. Các mạng ảo (hoặc lát) này được tạo ở trên hạ tầng vật lý được chia sẻ chung và có thể được tối ưu hóa để đáp ứng các yêu cầu của các ứng dụng, các dịch vụ hoặc các nhà khai thác. Các mạng ảo bao gồm một tập hợp các chức năng mạng được khởi tạo để cung cấp một mạng logic (hoặc ảo) hoàn chỉnh từ đầu đến cuối để đáp ứng các yêu cầu hiệu suất được đặt ra. Ví dụ, kỹ thuật thông tin mMTC phụ thuộc vào dung lượng người dùng và không cần độ trễ phải thấp, trong khi xe tự lái phụ thuộc vào độ trễ thấp và không cần phải yêu cầu dịch vụ eMBB thông lượng cao nhất.
Hình 2.4. Ví dụ về một phần mạng hỗ trợ dịch vụ uR-LLC, eMBB và mMTC.
Hình 2.4 cung cấp ví dụ sơ đồ khối làm thế nào để mạng có thể được cắt để hỗ trợ các dịch vụ 5G khác nhau được đưa ra ở trên.
Mạng đường trục
2.3.3 Điện toán cạnh đa truy cập
Để hỗ trợ các yêu cầu về độ trễ thấp hơn, chỉ tối ưu hóa trong giao diện vô tuyến 5G là không đủ mà chúng ta cần phải tối ưu hóa mạng. Điện toán cạnh đa truy cập (MEC) là một phương pháp dịch chuyển các chức năng trung tâm của mạng lõi hoặc trung tâm dữ liệu gần với cạnh của mạng (về phía ăng ten), nơi mà dữ liệu sẽ được vận hành theo. Phương pháp này được thể hiện bằng cách sử dụng nguyên tắc dịch chuyển, độ trễ từ đầu đến cuối của người dùng có thể được giảm đáng kể. Ngoài ra, lưu lượng đường trục cũng có thể được giảm đi vì các dung lượng đường trục đã được giảm đáng kể bởi điều này.
MEC cho phép khả năng điện toán đám mây nằm trong mạng truy cập gần với các thiết bị người dùng hơn. Điều này cũng được hỗ trợ bởi điện toán sương mù. Cạnh của mạng được coi là ăng ten trong các đầu vô tuyến từ xa (RRH) được kết nối với mạng truy cập vô tuyến (RAN). Có một số lý do để thực hiện tính toán khả năng ở rìa của mạng. Lý do quan trọng nhất là để giảm độ trễ (hoặc độ trễ) mà ứng dụng di động gặp phải khi cố gắng kết nối với máy chủ.
Điều này giúp loại bỏ thời gian một gói cần vào mạng không dây trước khi được thực hiện. Máy chủ MEC càng ở gần rìa thì độ trễ mà các ứng dụng gặp phải càng nhỏ. Ví dụ về độ trễ dự kiến là: độ trễ < 1 ms là cần thiết để hỗ trợ robot công nghiệp và ứng dụng lái xe tự động, độ trễ < 10 ms là cần thiết để hỗ trợ các ứng dụng thực tế được tăng cường và độ trễ < 100 ms là cần thiết để hỗ trợ các ứng dụng lái xe được hỗ trợ.
Hình 2.5 cho thấy khái niệm phân phối chức năng thường được đặt trong mạng lõi và trung tâm dữ liệu (điện toán đám mây) đến cạnh (điện toán sương mù). Bên cạnh độ trễ ứng dụng thấp hơn, chúng ta cũng có thể thấy được lưu lượng đường trục thấp hơn bằng việc không gửi cùng lúc các gói lớn vào mạng cần xử lý và sau đó gửi tất cả các đường trở lại đến cạnh.
MEC sẽ thực hiện chức năng tính toán và lưu trữ với một số mục tiêu của thị trường để triển khai MEC là:
Giảm tổng chi phí sở hữu (OPEX và CAPEX)
Tăng doanh thu bằng cách cung cấp khả năng tạo ra các dịch vụ mới sử dụng công nghệ mới, chẳng hạn như trí thông minh nhân tạo, mạng phân phối nội dung, v.v.
Di chuyển tự nhiên khi ảo hóa tạo ra mạng truy cập (cạnh và sương mù)
Cải thiện hiệu suất (độ trễ thấp hơn, giảm lưu lượng tái sinh).
Hình 2.5. Sơ đồ mạng thể hiện chức năng điện toán phân tán đối với cạnh.
Vậy tại sao các cạnh mạng cần phải ở ăng ten? Chúng ta nên tránh xa các quan điểm đen trắng của mạng/thiết bị (còn được gọi là chế độ xem trung tâm tế bào) sang chế độ xem nhiều màu sắc hơn (còn được gọi là chế độ xem lấy người dùng làm trung tâm) trong đó cạnh bị mờ hơn. Nhiều báo cáo thể hiện là tổng số thiết bị không dây dự kiến sẽ lớn hơn 20B thiết bị trong khoảng thời gian 2025.
Chúng ta cần biết rằng số lượng thiết bị đang vượt quá số người trên thế giới.
Ngoài ra, do hiệu năng tính toán của các thiết bị (cầm tay, máy tính xách tay, v.v.) ngày càng trở nên phức tạp và có khả năng hơn thì các thiết bị có thể được coi là một phần mở rộng của mạng, hay nói cách khác là cạnh mạng.
2.3.4 Sự phân chia RAN
Công nghệ đi đầu được triển khai phổ biến nhất và công nghệ truyền thống dựa trên sợi sử dụng giao thức giao diện vô tuyến chung (CPRI). CPRI mang các mẫu IQ giữa RAN và RRHs. Các khả năng CPRI đang được nhấn mạnh để hỗ trợ sự phát triển của LTE, đặc biệt là khi cần triển khai CA và massive MIMO. Thách thức này là do băng thông lớn hơn được yêu cầu để vận chuyển các mẫu dạng sóng IQ đến RRH và chỉ trở nên phức tạp hơn khi 5G bắt đầu
tham gia. Do đó, công nghệ đi đầu thế hệ tiếp theo là cần thiết để hỗ trợ các dịch vụ 5G đang mong đợi.
Có một vài giải pháp ở tuyến trước: Một giải pháp là chuẩn hóa một giao thức khác có thể sử dụng các công nghệ băng thông cao hơn như giao thức dựa trên Ethernet (ví dụ: 25, 100 GB) trong khi giải pháp còn lại là sử dụng các tùy chọn phân tách RAN khác nhau (với yêu cầu băng thông thấp hơn). Một vài tùy chọn phân tách RAN tồn tại (được đề xuất bởi 3GPP) có thể làm giảm các yêu cầu băng thông phía trước cũng như độ trễ và hiệu suất lựa chọn một cách có khả năng.
Một tùy chọn phân tách RAN vận chuyển các symbol được điều chế là một điểm trong chuỗi xử lý trước khi được chuyển đổi sang miền thời gian bằng hoạt động IFFT ở phía phát. Tốc độ lấy mẫu miền tần số thấp hơn nhiều, do đó cho phép nhiều sự kết hợp nhiều sóng mang-anten hơn. Kỹ thuật này vẫn duy trì khả năng xử lý tập trung để cho phép lập lịch phức tạp hơn giữa các tế bào. Một tùy chọn phân tách RAN khác vận chuyển các gói dữ liệu người dùng, ví dụ các gói PDCP. Các gói này đã được nén và mã hóa và bảo vệ đúng cách để giải quyết bất kỳ vấn đề liên quan bảo mật. Việc này dẫn đến tốc độ dữ liệu thấp hơn nhiều nhưng lại mất khả năng xử lý tập trung.
Ngoài việc phân tách các chức năng RAN, các mặt phẳng điều khiển và người dùng đang dịch chuyển để có thể tách rời cho phép tốc độ có thể phát triển riêng biệt, độ trễ thấp hơn và hỗ trợ các trường hợp triển khai mới. Ví dụ, điều này sẽ cung cấp khả năng có một mặt phẳng điều khiển được cung cấp bởi một macrocell LTE diện rộng trong khi mặt phẳng người dùng được cung cấp bởi một tế bào nhỏ 5G. Hệ thống tế bào 5G cũng sẽ dựa trên OFDMA trong đó các khe thời gian được xác định là biến để xử lý các yêu cầu khác nhau trên tất cả các dịch vụ dự kiến. Như đã thấy trong 4G, phổ tần là cực kỳ quan trọng để cung cấp tốc độ dữ liệu cao hơn. Các tham số OFDMA (khoảng cách giữa sóng mang con, độ dài khe thời gian, kích thước IFFT/FFT, v.v.) đã được tạo ra để có thể hỗ trợ các triển khai phổ tần khác nhau.