Tìm hiểu về mạng truy nhập vô tuyến đám mây CRAN

Mạng truy nhập là nút cuối cùng trong mạng viễn thông, là thành phần giao tiếp với con người trong quá trình đưa dịch vụ tới người dùng cuối và là thành phần tất yếu của mạng. Hiện nay, mạng truy nhập đang phát triển không ngừng với nhiều loại hình khác nhau như mạng truy nhập cáp đồng, mạng truy nhập sợi quang, mạng truy nhập vô tuyến… Mỗi loại hình mạng đều có những đặc điểm khác nhau, tuy nhiên mạng truy nhập vô tuyến đang được để ý nhiều nhất và phát triển một cách nhanh chóng thông qua mạng thông tin di động 2G, 3G, mạng LAN không dây cho các kết nối trong nhà với tên gọi WiFi, hay xa hơn nữa đó là mạng truy nhập vô tuyến WiMax đang được phát triển và hậu thuẫn bởi Intel, Nokia, Motorola,… mà cạnh tranh với nó có thể là công nghệ HSPA (HighSpeed Packet Access) dựa trên nền 3G được sự hỗ trợ của ATT. Hay thậm chí các mạng NGN ngày nay cũng được phát triển theo chiều hướng hỗ trợ wireless. Đó là nhờ những ưu điểm vượt trội của kỹ thuật không dây mang lại, đạt tính di động cao mà các kỹ thuật truy nhập hữu tuyến không thể có được. Mặc khác, với sự phát triển của mạng truy nhập băng thông rộng thì mạng truy nhập vô tuyến gần bắt đầu gặp phải những nhược điểm của mình, tốc độ thấp với vùng phủ sóng hẹp. Vì vậy, ngày càng có nhiều công nghệ và kỹ thuật được nghiên cứu và phát triển để khắc phục nhược điểm này, mang lại cho người dùng một mạng truy nhập vô tuyến băng thông rộng. Từ đầu 2011, AlcatelLucent công bố hợp tác với China Mobile để phát triển CRAN. China Mobile đang tìm kiếm nhiều giải pháp khác nhau để phát triển các mô hình triển khai mới nhất cho mạng LTE, một trong những mạng sử dụng số lượng lớn các trạm gốc nhỏ gọn có bộ xử lý băng gốc (baseband) tập trung theo mô hình đám mây. Mô hình mới này giúp giải quyết được những vấn đề còn thiếu sót của mạng RAN truyền thống và những thách thức mà các nhà khai thác đang phải đối mặt.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

n

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

TÌM HIỂU VỀ MẠNG TRUY NHẬP VÔ

TUYẾN ĐÁM MÂY C-RAN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

n

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

TÌM HIỂU VỀ MẠNG TRUY NHẬP VÔ

TUYẾN ĐÁM MÂY C-RAN

GVHD: TS Nguyễn Thành Chuyên

Cán bộ phản biện:

Sinh viên thực hiện:

Họ tên : Đặng Trọng Dũng

MSSV : 20102614

Lớp : ĐTVT 1 – K55

Hà Nội, 12/2015

Đánh giá quyển đồ án tốt nghiệp (Dùng cho giảng viên hướng dẫn)

Giảng viên đánh giá:

Họ và tên Sinh viên: MSSV:………

Tên đồ án:

………

Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây: Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)

Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)

1

Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và

các giả thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như

phạm vi ứng dụng của đồ án

1 2 3 4 5

2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3 4 5

3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề 1 2 3 4 5

4 Có kết quả mô phỏng/thưc nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả

Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)

5

Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp

thực hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ

thống

1 2 3 4 5

6 Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết

quả đều được phân tích và đánh giá thỏa đáng 1 2 3 4 5 7

Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa

kết quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp

lập luận để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong

tương lai

1 2 3 4 5

Kỹ năng viết (10)

8

Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương

logic và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được

đánh số thứ tự và được giải thích hay đề cập đến trong đồ án,

có căn lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu

chương và kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có

trích dẫn đúng quy định

1 2 3 4 5

9 Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa 1 2 3 4 5

học, lập luận logic và có gốc, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.)

Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)

10a

Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải

SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa

học (quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng

phát minh sáng chế

5

10b

Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên

nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3 trở

lên/Đạt giải khuyến khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế

khác về chuyên ngành như TI contest

2

10c Không có thành tích về nghiên cứu khoa học 0

Điểm tổng quy đổi về thang 10

3 Nhận xét thêm của Thầy/Cô (giảng viên hướng dẫn nhận xét về thái độ và tinh thần làm việc của sinh viên)

Ngày: / /201 Người nhận xét

(Ký và ghi rõ họ tên)

Đánh giá quyển đồ án tốt nghiệp (Dùng cho cán bộ phản biện)

Giảng viên đánh giá:

Họ và tên Sinh viên: MSSV:………

Tên đồ án:

………

Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây: Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)

Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)

1

Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và

các giả thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như

phạm vi ứng dụng của đồ án

1 2 3 4 5

2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3 4 5

3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề 1 2 3 4 5

4 Có kết quả mô phỏng/thưc nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả

Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)

5

Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp

thực hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ

thống

1 2 3 4 5

6 Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết

quả đều được phân tích và đánh giá thỏa đáng 1 2 3 4 5 7

Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa

kết quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp

lập luận để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong

tương lai

1 2 3 4 5

Kỹ năng viết (10)

8

Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương

logic và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được

đánh số thứ tự và được giải thích hay đề cập đến trong đồ án,

có căn lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu

chương và kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có

trích dẫn đúng quy định

1 2 3 4 5

9 Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa 1 2 3 4 5

học, lập luận logic và có gốc, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.)

Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)

10a

Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải

SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa

học (quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng

phát minh sáng chế

5

10b

Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên

nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3 trở

lên/Đạt giải khuyến khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế

khác về chuyên ngành như TI contest

2

10c Không có thành tích về nghiên cứu khoa học 0

Điểm tổng quy đổi về thang 10

3 Nhận xét thêm của Thầy/Cô

Ngày: / /201 Người nhận xét

(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, trước sự phát triển không ngừng của hệ thống thông tin di động, các nhà khai thác mạng di động đang phải đối mặt với một môi trường cạnh tranh khốc liệt Chi phí để xây dựng, vận hành và nâng cấp RAN đang ngày càng tăng mạnh và trở nên nên đắt đỏ hơn trong khi doanh thu không có sự tăng trưởng ở mức tương xứng Lưu lượng truy cập internet di động đang tăng nhanh, trong khi doanh thu trung b́ình trên mỗi người dùng không thay đổi hoặc thậm chí có xu hướng giảm xuống, ảnh hưởng đến khả năng xây dựng mạng lưới và cung cấp các dịch vụ một cách kịp thời

Để duy trì lợi nhuận và tăng trưởng, các nhà khai thác mạng di động phải tìm ra những giải pháp để giảm chi phí đồng thời cung cấp các dịch vụ tốt hơn cho khách hàng Mặt khác, sự gia tăng của internet di động băng thông rộng cũng mở ra cơ hội

để phát triển một kiến trúc mạng nâng cao cho phép các ứng dụng và dịch vụ mới hiệu quả hơn Trong bối cảnh đó, C-RAN nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn để giải quyết những vấn đề đó

Dựa trên những kiến thức tích lũy trong những năm học tập chuyên ngành Kỹ Thuật Viễn Thông, em đã nghiên cứu, tìm hiểu và hoàn thành đồ án với nội dung đề

tài “Tìm hiểu về Mạng truy nhập vô tuyến đám mây C-RAN” Trong quá trình làm

đồ án tốt nghiệp, mặc dù em đã rất cố gắng nhưng do thời gian hạn chế, trình độ và kinh nghiệm có hạn nên nội dung đồ án không thể tránh khỏi những sai sót Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô để đồ án có thể hoàn thiện hơn Em xin chân thành cảm ơn TS Đàm Nguyễn Thành Chuyên cùng các thầy cô trong viện Điện tử viễn thông đã nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức quý báu cho

em trong suốt 5 năm học tại trường và đặc biệt là trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp

Hà Nội, ngày 18 tháng 12 năm 2015

Sinh viên thực hiện

Đặng Trọng Dũng

MỤC LỤC

DANH SÁCH HÌNH VẼ

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT

3GPP 3rd Generation Partnership Project Dự án cộng tác thế hệ thứ

mỗi người dùng

B

C

CDN Content Distribution Network Sự phân bổ mạng hiện tạiCoMP Cooperative Multi-point processing Quá trình xử lý đa điểm

kết hợpC-RAN Centralized, Cooperative, Cloud RAN Mạng RAN kiểu đám mây,

hợp tác, tập trungCSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênhCT/CR Cooperative Transmission/Reception Việc truyền/nhận hợp tác

F

FPGA Field To The Exchange Mảng cổng lập trình được

dạng trườngFDD Frequency Division Duplex Song công phân chia theo

toàn cầu

H

HII High Interference Indicator Chỉ số nhiễu cao

HSPA High-Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao

I

J

L

LTE-A Long Term Evolution-Advanced Tiến hóa dài hạn nâng cao

M

MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập vật lýMIMO Multiple Input Multiple Output Đa đầu vào đa đầu ra

O

OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing Ghép kênh phân chia thwo tần số trực giao

O&M Operation and Maintence Vận hành và bảo dưỡng

P

Q

R

từ xaRRM Radio Resource Management Việc quản lý tài nguyên vô

tuyến

S

SDR Software Defined Radio Sóng vô tuyến được xác

định bởi phẩn mềmSGSN Serving GPRS Supporting Node Nút hỗ trợ phục vụ GPRS

T

TDM Time Division Multiplex Ghép kênh theo thời gianTD-SCDMA Time Division-Synchronous Code Đa truy nhập phân chia

Division Multiple Access theo mã đồng bộ theo thời

gianTEM Telecom Equipment Manufacturer Nhà sản xuất thiết bị viễn

thông

U

UTMS Universal Mobile Telecommunication

System Hệ thống viễn thông di động toàn cầuUniPON Unified Pasive Optical Network Mạng quang thụ động

được thống nhất

V

Internet

W

WCDMA Wideband Code Division Multiple

Access Da truy nhập phân chia theo mã băng rộngWDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng

PHẦN MỞ ĐẦU

Mạng truy nhập là nút cuối cùng trong mạng viễn thông, là thành phần giao tiếp với con người trong quá trình đưa dịch vụ tới người dùng cuối và là thành phần tất yếu của mạng Hiện nay, mạng truy nhập đang phát triển không ngừng với nhiều loại hình khác nhau như mạng truy nhập cáp đồng, mạng truy nhập sợi quang, mạng truy nhập vô tuyến… Mỗi loại hình mạng đều có những đặc điểm khác nhau, tuy nhiên mạng truy nhập vô tuyến đang được để ý nhiều nhất và phát triển một cách nhanh chóng thông qua mạng thông tin di động 2G, 3G, mạng LAN không dây cho các kết nối trong nhà với tên gọi WiFi, hay xa hơn nữa đó là mạng truy nhập vô tuyến WiMax đang được phát triển và hậu thuẫn bởi Intel, Nokia, Motorola,… mà cạnh tranh với nó có thể là công nghệ HSPA (High-Speed Packet Access) dựa trên nền 3G được sự hỗ trợ của AT&T Hay thậm chí các mạng NGN ngày nay cũng được phát triển theo chiều hướng hỗ trợ wireless Đó là nhờ những ưu điểm vượt trội của kỹ thuật không dây mang lại, đạt tính di động cao mà các kỹ thuật truy nhập hữu tuyến không thể có được Mặc khác, với sự phát triển của mạng truy nhập băng thông rộng thì mạng truy nhập vô tuyến gần bắt đầu gặp phải những nhược điểm của mình, tốc độ thấp với vùng phủ sóng hẹp Vì vậy, ngày càng có nhiều công nghệ và kỹ thuật được nghiên cứu và phát triển để khắc phục nhược điểm này, mang lại cho người dùng một mạng truy nhập vô tuyến băng thông rộng Từ đầu 2011, Alcatel-Lucent công bố hợp tác với China Mobile để phát triển C-RAN China Mobile đang tìm kiếm nhiều giải pháp khác nhau để phát triển các mô hình triển khai mới nhất cho mạng LTE, một trong những mạng sử dụng số lượng lớn các trạm gốc nhỏ gọn có bộ xử lý băng gốc (baseband) tập trung theo mô hình đám mây Mô hình mới này giúp giải quyết được những vấn đề còn thiếu sót của mạng RAN truyền thống và những thách thức mà các nhà khai thác đang phải đối mặt

Dựa trên những kiến thức tích lũy trong những năm học tập chuyên ngành Kỹ Thuật Viễn Thông, em đã nghiên cứu, tìm hiểu và hoàn thành đồ án với nội dung đề

tài “Tìm hiểu về Mạng truy nhập vô tuyến đám mây C-RAN” Đồ án gồm 5

chương với các nội dung chính như sau:

Chương 1: Tổng quan về RAN và C-RAN

Chương 2: Cấu trúc của C-RAN

Chương 3: Những lợi ích của C-RAN

Chương 4: Những thách thức gặp phải của C-RAN

Chương 5: Những kỹ thuật và kịch bản được triển khai của C-RAN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUY NHẬP VÔ

TUYẾN ĐÁM MÂY C-RAN

1.1 Mạng truy nhập vô tuyến - RAN (Radio Access Network)

1.1.1 Giới thiệu

RAN là một mạng không dây sử dụng tần số vô tuyến, trong đó bao gồm các công nghệ được sử dụng trong các giao diện vô tuyến, trạm gốc, mạng lõi và các thiết bị người dùng [pcmang.com] RAN được sử dụng rộng rãi khi đề cập đến các vấn đề liên quan đến mạng di động

Các nhà khai thác mạng di động đang phải đối mặt với một môi trường cạnh tranh khốc liệt Chi phí để xây dựng, vận hành và nâng cấp RAN đang ngày càng tăng mạnh

và trở nên nên đắt đỏ hơn trong khi doanh thu không có sự tăng trưởng ở mức tương xứng Lưu lượng truy cập internet di động đang tăng nhanh, trong khi doanh thu trung b́ình trên mỗi người dùng không thay đổi hoặc thậm chí có xu hướng giảm xuống, ảnh hưởng đến khả năng xây dựng mạng lưới và cung cấp các dịch vụ một cách kịp thời

Để duy trì lợi nhuận và tăng trưởng, các nhà khai thác mạng di động phải tìm ra những giải pháp để giảm chi phí đồng thời cung cấp các dịch vụ tốt hơn cho khách hàng Mặt khác, sự gia tăng của internet di động băng thông rộng cũng mở ra cơ hội

để phát triển một kiến trúc mạng nâng cao cho phép các ứng dụng và dịch vụ mới hiệu quả hơn RAN là tài sản quan trọng nhất của các nhà khai thác mạng di động trong việc cung cấp tốc độ dữ liệu chất lượng cao, và đảm bảo dịch vụ 24x7 tới người dùng Kiến trúc RAN truyền thống có những đặc điểm sau đây:

 Mỗi trạm gốc – BS chỉ kết nối với một số lượng ăng-ten nhất định, vùng phủ sóng nhỏ và chỉ xử lý truyền/nhận các tín hiệu trong vùng phủ sóng của nó

 Dung lượng hệ thống bị giới hạn bởi nhiễu giao thoa, gây khó khăn trong việc cải thiện năng lực phổ

 Các BS được xây dựng trên nền tảng độc quyền

Những đặc điểm này gây ra nhiều thách thức cho các nhà mạng Ví dụ, việc yêu cầu cần một số lượng lớn các BS kéo theo những đòi hỏi về sự đầu tư ban đầu, chi phí các thiết bị hỗ trợ trạm, thuê trạm và hỗ trợ quản lý Xây dựng thêm nhiều BS cũng có nghĩa là chi phí đầu tư và chi phí vận hành tăng lên Thông thường, hiệu suất sử dụng

của BS là thấp vì tải mạng trung bình thường là thấp hơn so với tải mạng giờ cao điểm Trong khi năng lực xử lý của các BS không thể chia sẻ được với nhau Thử nghiệm các BS riêng biệt là khá tốn kém và khó có thể giúp nâng cao năng lực phổ Cuối cùng, các BS được xây dựng dựa trên một nền tảng độc quyền có nghĩa là các nhà khai thác di động phải quản lý nhiều nền tảng không tương thích, nếu muốn cung cấp dịch vụ khác thì phải mua lại các hệ thống từ nhiều nhà cung cấp Điều này khiến

kế hoạch mở rộng và nâng cấp mạng lưới trở nên phức tạp và tốn kém Để đáp ứng sự gia tăng nhanh chóng của các dịch vụ dữ liệu, các nhà khai thác di động cần phải thường xuyên nâng cấp mạng lưới của họ, đồng thời vận hành mạng lưới đa chuẩn, bao gồm GSM, WCDMA/TD-SCDMA và LTE Tuy nhiên, nền tảng độc quyền khiến cho các nhà cung cấp dịch vụ thiếu sự linh hoạt trong nâng cấp mạng cũng như bổ sung dịch vụ mới

Tóm lại, trong tương lai, RAN truyền thống sẽ trở nên quá tốn kém cho các nhà khai thác mạng di động để giữ được lợi thế cạnh tranh trong thế giới mạng di động

Nó thiếu hiệu quả trong việc hỗ trợ quản lý các giao diện tập trung theo yêu cầu của các mạng không đồng bộ trong tương lai, thiếu sự linh hoạt trong việc chuyển dịch vụ biên cho các ứng dụng sáng tạo và khả năng tạo doanh thu từ những dịch vụ mới Các nhà khai thác mạng di động đang phải đối mặt với những thách thức trong việc tạo ra kiến trúc mạng vô tuyến linh hoạt hơn Trong các phần sau, chúng ta sẽ khám phá cách thức để giải quyết những thách thức này

1.1.2 Những thách thức mà RAN đang gặp phải

1.1.2.1 Số lượng lớn của BS và lượng tiêu hao năng lượng lớn được liên kết

Các nhà khai thác di động liên tục giới thiệu các giao diện vô tuyến mới và tăng số lượng các trạm BS để cung cấp các dịch vụ băng thông rộng không dây, dẫn đến tiêu thụ năng lượng có một sự gia tăng đáng kể Ví dụ: Trong 5 năm qua, China Mobile, để tăng dung lượng và vùng phủ sóng, đã tăng gấp đôi số lượng các BS Kết quả là, tổng năng lượng tiêu thụ cũng đã tăng gấp đôi Tiêu thụ năng lượng lớn, khiến OPEX cao hơn và có những tác động xấu về môi trường

Hình 1.1 cho thấy các thành phần tiêu thụ điện năng của China Mobile Nó cho thấy phần lớn năng lượng tiêu thụ là từ BS trong mạng truy cập vô tuyến Bên trong

BS, chỉ một nửa số năng lượng được sử dụng bởi các thiết bị RAN; trong khi nửa còn lại được tiêu thụ do các điều kiện vô tuyến và và các thiết bị liên quan khác.

Rõ ràng, cách tốt nhất để tiết kiệm năng lượng và giảm lượng khí thải CO2 là giảm số lượng BS Tuy nhiên, đối với RAN truyền thống, điều này sẽ dẫn đến diện bao phủ mạng và dung lượng thấp hơn Do đó, các nhà khai thác đang tìm kiếm các công nghệ mới để giảm năng lượng tiêu thụ mà không làm giảm vùng phủ sóng và dung lượng Ngày nay, có khá nhiều công nghệ cải tiến giúp giảm tiêu thụ năng lượng của các trạm BS, chẳng hạn như giải pháp phần mềm tiết kiệm năng lượng thông qua việc tắt các lựa chọn không cần thiết trong thời gian nhàn rỗi như lúc nửa đêm, các giải pháp năng lượng xanh trong đó cung cấp năng lượng mặt trời, năng lượng gió và năng lượng tái tạo khác cho các BS, cung cấp năng lượng theo điều kiện tự nhiên của địa phương Tuy nhiên, những công nghệ này chỉ là phương pháp bổ sung và không thể giải quyết triệt để những vấn đề cơ bản của tiêu thụ năng lượng trong khi số lượng

BS ngày càng tăng nhanh

Về lâu dài, các nhà khai thác di động phải có kế hoạch nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng từ việc quy hoạch các kiến trúc mạng truy cập vô tuyến Sự thay đổi trong gốc hạ tầng chính là chìa khóa để giải quyết thách thức về vấn đề tiêu thụ năng lượng trong mạng truy cập vô tuyến Tập trung các BS sẽ giảm số lượng các phòng thiết bị BS, làm giảm A/C, và sử dụng các cơ chế chia sẻ tài nguyên để cải thiện hiệu quả sử dụng của các BS

Hình 1.1 Việc tiêu thụ năng lượng của trạm gốc

1.1.2.2 Sự gia tăng nhanh chóng CAPEX/OPEX của mạng RAN

Trong những năm gần đây, mức tiêu thụ dữ liệu di động đã có sự tăng trưởng

kỷ lục từ các thuê bao sử dụng điện thoại thông minh và các thiết bị di động, như máy tính bảng Để đáp ứng điều này, các nhà khai thác di động phải nâng cấp đáng kể mạng lưới của họ nhằm tăng khả năng cung cấp mạng băng thông rộng di động đến với công chúng Tuy nhiên, trong thị trường cạnh tranh, mức độ bão hòa cao, sự thay đổi công nghệ diễn ra nhanh chóng và doanh thu thoại giảm, các nhà khai thác đang đứng trước những thách thức trong việc triển khai BS truyền thống với chi phí cao, mức độ thu hồi không cao Doanh thu trung bình mỗi người dùng (ARPU) đang ảnh hưởng đến lợi nhuận của tất cả các nhà khai thác di động Vì vậy, họ ngày càng trở nên thận trọng trong tính toán tổng chi phí sở hữu (TCO) của mạng lưới mà vẫn đảm bảo lợi nhuận cũng như tính cạnh tranh

Hình 1.2 Sự gia tăng CAPEX của cấu trúc và sự tiến triển mạng 3G

a Phân tích của TCO

TCO bao gồm CAPEX và OPEX, đến từ việc xây dựng và vận hành mạng Các CAPEX chủ yếu liên quan đến xây dựng gốc hạ tầng của mạng lưới, trong khi OPEX chủ yếu liên quan đến hoạt động vận hành và quản lý mạng lưới.

Nói chung, có đến 80% CAPEX của một nhà khai thác di động tiêu tốn cho RAN Điều này có nghĩa rằng hầu hết các CAPEX có liên quan đến việc xây dựng các nhà trạm của RAN Các dự báo cho chi phí CAPEX trong giai đoạn 2007 – 2012 được thể hiện trong hình 1.3 Bởi vì tín hiệu 3G/B3G (triển khai tần số 2GHz có sự suy hao đường truyền và mất thâm nhập cao hơn so với tín hiệu 2G (triển khai tần số 900MHz), việc có nhiều các nhà trạm là cần thiết cho các cấp độ tương tự của vùng phủ sóng 2G Như vậy, sự gia tăng đáng kể đã được tìm thấy trong các CAPEX khi xây dựng một mạng 3G

Các CAPEX chủ yếu được chi tiêu tại các giai đoạn của công trình như xây dựng các nhà trạm và bao gồm các khoản chi cho việc mua sắm và xây dựng Chi phí mua bao gồm việc mua bán của BS và các thiết bị bổ sung, chẳng hạn như điện và thiết bị điều hòa không khí vv, chi cho xây dựng bao gồm quy hoạch mạng lưới, mua lại địa điểm, các công trình dân dụng Như thể hiện ở hình 3, cần lưu ý rằng chi phí của thiết bị không dây lớn chỉ chiếm 35% của CAPEX, trong khi chi phí của việc mua lại địa điểm, các công trình dân dụng, lắp đặt thiết bị là hơn 50% tổng chi phí Về cơ bản, điều này có nghĩa rằng hơn một nửa số CAPEX không được chi cho các chức năng liên quan đến hiệu quả mạng không dây Vì vậy, làm cách nào để giảm chi phí của các thiết bị bổ sung và chi phí cài đặt và triển khai các site là rất quan trọng để giảm CAPEX của nhà khai thác di động

Hình 1.3 Sự phân tích CAPEX và OPEX của trạm cellOPEX trong vận hành mạng lưới và giai đoạn bảo dưỡng đóng một phần quan trọng trong TCO Chi phí vận hành bao gồm các chi phí thuê địa điểm, thuê mạng truyền dẫn, vận hành/bảo trì và các hóa đơn từ các nhà cung cấp năng lượng Với thời gian khấu hao 7 năm của thiết bị BS, như thể hiện trong hình 1.4, trong một phân tích

về TCO cho thấy OPEX chiếm hơn 60% của TCO, trong khi CAPEX chỉ chiếm khoảng 40% của TCO OPEX là một yếu tố quan trọng mà phải được các nhà khai thác di động xem xét trong việc xây dựng các RAN trong tương lai Cách hiệu quả nhất để giảm TCO là giảm số lượng các site Điều này sẽ làm giảm chi phí cho việc xây dựng các thiết bị chính; và sẽ giảm thiểu chi phí cho việc lắp đặt và thuê các thiết

bị phát sinh bởi không gian chiếm đóng của chúng Số lượng site giảm có nghĩa là chi phí tương ứng của thiết bị bổ sung cũng sẽ được giảm Điều này có thể làm giảm đáng

kể CAPEX và OPEX cho các nhà khai thác di động, nhưng kết quả là vùng phủ sóng

và trải nghiệm người dùng kém hơn trong RAN truyền thống Vì vậy, cần tìm ra giải pháp để tiết kiệm hiệu quả chi phí xây dựng TCO nhưng vẫn đảm bảo được khả năng phủ sóng của mạng lưới

Hình 1.4 Phân tích TCO của trạm cell

b Môi trường đa chuẩn

Điều này được hiểu rằng số lượng lớn các thiết bị đầu cuối cũ, 2G, 3G, và gốc

hạ tầng B3G sẽ cùng tồn tại trong một thời gian rất dài để đáp ứng nhu cầu của người dùng Hầu hết các nhà khai thác di động lớn trên toàn thế giới do đó sẽ phải sử dụng hai hoặc ba mạng Bảng 1 so sánh sự hoạt động đa mạng của các nhà cung cấp dịch vụ

di động lớn trên thế giới

Trong môi trường kinh tế mới, các nhà khai thác phải tìm cách để kiểm soát CAPEX và OPEX trong quá trình phát triển kinh doanh của họ BS chiếm phần lớn nhất trong đầu tư gốc hạ tầng trong một mạng di động BS đa chế độ được dự báo như

là một giải pháp hiệu quả để giảm chi phí xây dựng mạng lưới và O & M cho các nhà khai thác Ngoài ra, chia sẻ các tài nguyên phần cứng trong một trạm gốc đa chế độ cũng được coi như là một phương pháp quan trọng để giảm chi phí

Bảng 1: Sự hoạt động đa mạng của các nhà cung cấp dịch vụ di động lớn [1]

Các công nghệ

trong cell

Vodafone China

Mobile

France Telecom

mobile

Dựa trên các số liệu dự báo, lưu lượng di động toàn cầu tăng 66 lần với một tỷ

lệ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 131% giữa năm 2008 và năm 2013 Xu hướng tương tự cũng được quan sát thấy trong mạng CMCC hiện hành Ngược lại, tốc

độ dữ liệu đỉnh từ UMTS đến LTE-A chỉ tăng với tốc độ CAGR là 55% Rõ ràng, như thể hiện trong hình 1.5, có một khoảng cách lớn giữa CAGR của giao diện vô tuyến mới và CAGR mà khách hàng cần Để lấp đầy khoảng cách này, công nghệ với gốc hạ tầng mới cần được phát triển để nâng cao hơn nữa hiệu suất của LTE/LTE-A

Hình 1.5 Sự tăng trưởng lưu lượng/tốc độ dữ liệu di động băng thông rộngMặt khác, doanh thu của các nhà khai thác di động không có sự gia tăng ở mức tương xứng với sự gia tăng dung lượng mạng mà họ cung cấp Các nhà khai thác di động tăng dung lượng thoại một cách đều đặn và các khối lượng dữ liệu tăng trưởng nhanh chóng, nhưng doanh thu không tăng và ARPU thậm chí còn giảm trong một số trường hợp Để đối phó với việc doanh thu tăng trưởng chậm, các nhà khai thác đang buộc phải liên tục cắt giảm chi phí, đặc biệt là chi phí vận hành Điều đó có nghĩa là các nhà khai thác di động phải tìm ra các kỹ thuật truy cập mạng mới với chi phí thấp, dung lượng cao để đáp ứng sự tăng trưởng của lưu lượng dữ liệu di động trong khi vẫn sự tăng trưởng về lợi nhuận.

1.1.2.4 Tải mạng di động động và tỷ lệ sử dụng BS

Một đặc điểm của các mạng di động là thuê bao thường xuyên di chuyển từ nơi này đến nơi khác Từ dữ liệu dựa trên mạng lưới hoạt động thực tế, Họ nhận thấy rằng

sự chuyển động của thuê bao cho thấy một mô hình thời gian hình học rất mạnh Khoảng thời gian làm việc đầu, một số lượng lớn các thuê bao di chuyển từ khu dân

cư đến các khu vực trung tâm văn phòng làm việc; khi kết thúc giờ làm việc, thuê bao

di chuyển trở về nhà của họ Do đó, việc di chuyển tải mạng trong các mạng điện thoại di động với một mô hình tương tự, vì vậy được gọi là "hiệu ứng thủy triều" Như

thể hiện trong hình 6, trong giờ hành chính, BS tại các khu văn phòng là vùng bận rộn nhất; ngoài giờ hành chính, BS tại các khu dân cư, khu giải trí là vùng bận rộn nhất.

Hình 1.6: Lưu lượng tải mạng di động vào ban ngàyHiện nay, khả năng xử lý của mỗi trạm gốc chỉ có thể được sử dụng bởi các thành viên hoạt động trong phạm vi tế bào của nó, BS nhàn rỗi trong một số khu vực này và quá tải ở các khu vực khác Khi thuê bao đang di chuyển đến các khu vực khác, các trạm gốc nằm trong vùng nhàn rỗi bị lãng phí Bởi vì các nhà khai thác phải cung cấp dịch vụ 7x24, các BS nhàn rỗi tiêu thụ gần như cùng một mức độ năng lượng như lúc bận rộn Thậm chí tệ hơn, các BS thường có kích thước đủ để có thể xử

lý một số lượng tối đa các thuê bao đang hoạt động trong giờ bận rộn, vì vậy chúng được thiết kế có dung lượng nhiều hơn so với mức trung bình cần thiết, điều đó có nghĩa rằng hầu hết các dung lượng xử lý là lãng phí khi không trong thời gian cao điểm Chia sẻ dung lượng xử lý các cell khác nhau là một cách để sử dụng các BS hiệu quả hơn

1.1.2.5 Sự phát triển của dịch vụ Internet gây sức ép lên mạng lõi của các nhà khai thác

Với với sự tăng trưởng chóng mặt của điện thoại thông minh cũng như máy tính xách tay sử dụng mạng 3G, lưu lượng truy cập internet di động đã tăng theo cấp

số nhân trong vài năm qua và sẽ tiếp tục phát triển hơn 66 lần trong 5-6 năm tới Tuy

nhiên do sự cạnh tranh ngày càng mạng giữa các nhà khai thác di động, tốc độ tăng trưởng doanh thu dự kiến sẽ thấp hơn nhiều so với tăng trưởng lưu lượng Sẽ có một khoảng cách rất lớn giữa các chi phí liên quan đến lưu lượng internet di động và doanh thu được tạo ra, các nhà khai thác di động cần phải bỏ ra hàng tỉ đô la để nâng cấp đường truyền dự phòng và mạng lõi để theo kịp với tốc độ phát triển Đây là một thách thức chung cho tất cả các nhà khai thác di động trong ngành công nghiệp không dây.

Sự tăng trưởng theo cấp số nhân của dữ liệu di động băng thông rộng gây áp lực lên các nhà khai thác với các yếu tố cốt lõi hiện có như các SGSN và các GGSN, tăng chi phí truyền Internet di động và thách thức tới các mô hình dịch vụ dữ liệu flat-rate Phần lớn các lưu lượng truy cập này hoặc là bị ràng buộc hoặc có nguồn gốc từ Internet Để đáp ứng cho sự tăng trưởng theo cấp số nhân trong khi truy cập internet di động bằng cách sử dụng mô hình triển khai 3G truyền thống, nền tảng 3G cũ dẫn đến chi phí CAPEX và OPEX rất lớn trong khi chỉ tăng thêm chút lợi ích cho ARPU Vấn

đề khác là CAPEX không ngừng chi tiêu trên các SGSN & các GGSN cũ, chi phí phân phối Internet cao hơn, sự tắc nghẽn trên backhaul và tắc nghẽn là do năng lực chia sẻ của các BS hạn chế Do đó, giảm tải lưu lượng truy cập Internet, càng gần BS càng tốt, có thể là một cách hiệu quả để giảm chi phí truyền dẫn Internet di động

Hình 1.7: Lưu lượng truy nhập không dây trong mạng 3G thương mại

Một bài báo cáo nghiên cứu gần đây được công bố bởi một TEM chính có thể đưa ra cho chúng ta một cái nhìn tổng quan về các ứng dụng di động phổ biến nhất Thật ngạc nhiên khi thấy con người đang dần dần sử dụng mạng internet di dộng giống như họ sử dụng mạng băng rộng cố định Dung lượng các dich vụ bao gồm dung lượng được phân phối thông qua web và P2P trên thực tế nhiều hơn lưu lượng mạng Hình 1.7 là ví dụ về lưu lượng mạng không dây của một nhà khai thác mạng 3G thương mại Xét cho đến cùng việc sử dụng mô hình này khiến chúng ta có sự lựa chọn tốt hơn là phải mò mẫm sử dụng hàng tỉ đô la để nâng cấp back-haul và mạng lõi

1.2 Mạng truy nhập vô tuyến dựa trên nền tảng đám mây C-RAN (Cloud Radio

Access Network)

1.2.1 Khái niệm C-RAN

C-RAN (Cloud Radio Access Network) – Mạng truy cập vô tuyến đám mây là kiến trúc mạng mà nguồn tài nguyên băng gốc được gộp lại để chúng có thể được chia sẻ giữa các trạm gốc với nhau [2]

1.2.2 Tầm nhìn của C-RAN

Trong tương lai, RAN sẽ cung cấp truy cập mạng internet di động băng thông rộng không dây cho khách hàng với bit-cost thấp, hiệu quả quang phổ và năng lượng cao Để thực hiện được điều đó, RAN phải đáp ứng những yêu cầu sau:

- Giảm chi phí (CAPEX và OPEX)

- Tiêu thụ năng lượng thấp hơn

- Hiệu suất quang phổ cao

- Dựa trên nền tảng mở, hỗ trợ nhiều tiêu chuẩn, và phát triển không ngừng

- Cung cấp một nền tảng cho các dịch vụ tạo thêm doanh thu

Việc xử lý tập trung các vùng băng gốc, hợp tác vô tuyến với việc phân bổ các thiết bị ăng-ten bởi bộ điều khiển vô tuyến từ xa – RRH (Remote Ratio Head) và C-RAN

có thể giải quyết những thách thức mà các nhà khai thác đang phải đối mặt và đáp ứng được các yêu cầu đặt ra Việc xử lý các tín hiệu tập trung làm giảm đáng kể số lượng các phòng thiết bị cần thiết của mỗi site trong cùng một khu vực tương tự; hợp tác vô tuyến với việc phân phối các trang thiết bị ăng-ten được thực hiện bởi RRH (Remote Ratio Head) cung cấp hiệu suất phổ cao hơn; gốc hạ tầng đám mây thời gian thực dựa

trên nền tảng mở và các BS ảo hóa cho phép xử lý tập trung và phân bổ năng động, làm giảm tiêu thụ năng lượng và tăng tỷ lệ sử dụng gốc hạ tầng Những công nghệ mới đem lại cách tiếp cận sáng tạo hơn cho phép các nhà khai thác không chỉ đáp ứng các yêu cầu đặt ra mà còn góp phần thúc đẩy mạng lưới để cung cấp bảo hiểm, dịch

vụ mới, và giảm chi phí hỗ trợ

C-RAN không phải là một sự thay thế cho tiêu chuẩn 3G/B3G, sự thay đổi trong cách tiếp cận Trong dài hạn, C-RAN cung cấp một kiến trúc mạng xanh với chi phí thấp và hiệu suất cao Lần lượt các nhà khai thác có thể cung cấp dịch vụ không dây một cách hiệu quả

C-RAN không chỉ là giải pháp triển khai RAN duy nhất mà nó sẽ thay thế tất cả các trạm di động ngày hiện tại: marco cell, micro cell, pico cell, hệ thống phủ sóng trong nhà, và các trạm lặp Các giải pháp triển khai khác đều có những ưu và nhược điểm tương ứng của chúng và phù hợp với từng kịch bản triển khai cụ thể Mục tiêu của C-RAN là có thể được áp dụng cho hầu hết các kịch bản triển khai RAN điển hình, giống như marco cell, micro cell, pico cell, hệ thống phủ sóng trong nhà Ngoài ra, các giải pháp triển khai RAN khác có thể phục vụ cho việc triển khai bổ sung của C-RAN trong một số trường hợp nhất định

1.3 Kết luận chương 1

Chương 1 đã trình bày một cái nhìn tổng quan về mạng truy nhập vôtuyến RAN hiện nay (các thách thức và vấn đề cần giải quyết), đồng thời giới thiệu khái quát về mạng truy nhập vô tuyến dựa trên nền tảng đám mây Chương tiếp theo sẽ tìm hiểu về cấu trúc chi tiết của mô hình này

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC MẠNG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN ĐÁM MÂY C-RAN (CLOUD – RADIO ACCESS

NETWORK)

2.1 Các loại kiến trúc C-RAN điển hình

Các nhà khai thác tin rằng việc xử lý tập trung, hợp tác vô tuyến, mô hình đám mây, và cơ sở hạ tầng sạch (xanh) C-RAN là câu trả lời để giải quyết những thách thức nêu trên Nó là sự cải tiến tự nhiên trong việc phân bố các BTS, trong đó gồm có các đơn vị băng gốc (BBU) và Bộ phát sóng vô tuyến từ xa (RRH) Theo sự phân tách chức năng khác nhau giữa BBU và RRH, có hai loại giải pháp C-RAN: một được gọi

là "tập trung hoàn toàn", nơi băng gốc (tức là lớp 1) và lớp 2, lớp 3 BTS chức năng đang nằm trong BBU; một được gọi là "tập trung cục bộ", nơi mà các RRH được tích hợp không chỉ có chức năng vô tuyến mà còn có chức năng băng gốc, trong khi tất cả các chức năng lớp cao khác vẫn đang nằm trong BBU Đối với các giải pháp 2, mặc

dù BBU không bao gồm các chức năng băng gốc, nó vẫn được gọi là BBU Các phương pháp phân vùng theo chức năng khác nhau được thể hiện trong hình 2.1

Hình 2.1: Phương pháp tách khác nhau của các chức năng BTS

Dựa trên hai phương pháp phân vùng chức năng khác nhau, có hai kiến trúc RAN Cả hai đều gồm ba phần chính: đầu tiên, các đơn vị vô tuyến phân phối có thể được gọi là các RRH cùng với ăng-ten được đặt tại các site từ xa; thứ hai, các mạng truyền tải quang băng thông cao kết nối các RRH và BBU với nhau có độ trễ thấp; và

C-thứ ba, BBU gồm bộ vi xử lý hiệu suất cao có thể lập trình được và công nghệ ảo hóa thời gian thực.

2.1.1 Kiến trúc C-RAN tập trung hoàn toàn

Các kiến trúc C-RAN " tập trung hoàn toàn ", như thể hiện trong hình 2.2, có

ưu điểm là dễ dàng nâng cấp và mở rộng dung lượng mạng; nó cũng có khả năng tốt hơn để hỗ trợ đa tiêu chuẩn hoạt động, chia sẻ nguồn lực tối đa, và nó thuận tiện hơn trong việc hỗ trợ xử lý tín hiệu hợp tác đa tế bào Nhược điểm chính của nó là các yêu cầu băng thông cao giữa BBU và mang tín hiệu băng gốc I/Q Trong trường hợp cực đại, một hệ thống TD-LTE 8 ăng-ten với băng thông 20 MHz sẽ cần tốc độ truyền dẫn

10 Gbps

Hình 2.2: Kiến trúc C-Ran với giải pháp C-RAN tập trung hoàn toàn

2.1.2 Kiến trúc C-RAN tập trung cục bộ

Các kiến trúc C-RAN "tập trung cục bộ", như thể hiện trong hình 2.3, có lợi thế

là đòi hỏi băng thông truyền tải thấp hơn nhiều giữa BBU và RRH, bằng cách tách việc xử lý băng gốc từ BBU và tích hợp nó vào RRH So với kiến trúc "tập trung hoàn toàn", kết nối BBU-RRH chỉ cần mang theo dữ liệu giải điều chế, mà chỉ là 1/20 ~

1/50 của dữ liệu lấy mẫu băng gốc I/Q ban đầu Tuy nhiên, nó cũng có những hạn chế riêng của nó Bởi vì việc xử lý băng gốc được tích hợp vào RRH, nó thiếu đi sự linh hoạt trong việc nâng cấp, và ít tiện lợi cho việc xử lý tín hiệu hợp tác giữa các cell.

Hình 2.3: Kiến trúc C-RAN với giải pháp tập trung cục bộ

Với mỗi hệ thống là một trong những kiến trúc C-RAN, các nhà khai thác di động có thể nhanh chóng triển khai và thực hiện nâng cấp mạng của họ Nhà điều hành chỉ cần cài đặt các RRH mới và kết nối chúng với các vùng BBU để mở rộng vùng phủ sóng hoặc phân chia các cell để cải thiện dung lượng Nếu tải mạng tăng lên, các nhà điều hành chỉ cần nâng cấp HW các vùng BBU để phù hợp với sự gia tăng của dung lượng xử lý Hơn nữa, các kiến trúc C-RAN "tập trung hoàn toàn", kết hợp với nền tảng mở và bộ vi xử lý đa năng sẽ cung cấp giải pháp để phát triển và triển khai SDR (Software Defined Radio) một cách dễ dàng, cho phép nâng cấp các tiêu chuẩn giao diện không chỉ bằng phần mềm và giúp cho việc nâng cấp RAN và hỗ trợ hoạt động đa chuẩn trở nên thuận lợi hơn

Khác với kiến trúc BS phân tán truyền thống, C-RAN phá vỡ mối quan hệ tĩnh giữa các RRH và BBU Mỗi RRH không thuộc về bất kỳ BBU vật lý cụ thể nào Các

tín hiệu vô tuyến từ các thuê bao đến một RRH cụ thể có thể được xử lý bởi một BS

ảo, mà là một phần của dung lượng xử lý được phân bổ từ vùng BBU vật lý bằng công nghệ ảo hóa thời gian thực Việc áp dụng công nghệ ảo hóa sẽ tối đa hóa sự linh hoạt trong hệ thống C-RAN

Cả hai giải pháp được mô tả ở trên đang được phát triển và đánh giá Chúng có thể được triển khai thực tế trong các mạng khác nhau tùy thuộc vào tình hình của mạng Sau đây chúng ta sẽ tập trung thảo luận vào "Giải pháp tập trung hoàn toàn".2.2 Cấu trúc lớp vật lý của C-RAN

Có hai cách để phân chia các chức năng trạm gốc giữa RRH và BBU trong C-RAN nhằm giảm chi phí mạng lưới truyền dẫn Trong các giải pháp tập trung hoàn toàn, chức năng lớp 1, lớp 2, lớp 3 trong Pool BBU được thể hiện trong hình 2.4 Giải pháp này thực chất tạo ra băng thông cao khi truyền dữ liệu IQ giữa BBU và RRH

Trong giải pháp tập trung cục bộ, thể hiện trong hình 2.5, việc xử lý ở lớp 1 được thực hiện ở RRH, do đó làm giảm gánh nặng về băng thông trên các tuyến truyền dẫn quang, như là tín hiệu giải điều chế chiếm ít hơn 20-50 lần băng thông [3] so với tín hiệu điều chế Tuy nhiên, giải pháp này ít tối ưu vì việc chia sẻ tài nguyên bị giảm đáng kể và các tính năng tiên tiến như CoMP không thể được hỗ trợ một cách hiệu quả Lợi ích CoMP từ xử lý tín hiệu trên lớp 1, lớp 2 và lớp 3 trong cùng một Pool BBU thay vì ở một số trạm gốc [3] Vì vậy, giải pháp tập trung hoàn toàn sẽ tối ưu hơn

Hình 2.4: Kiến trúc C-RAN trong mô hình tập trung hoàn toàn

Hình 2.5: Kiến trúc C-RAN tập trung cục bộ

2.3 Cấu trúc của RRH

Phần này trình bày các yêu cầu và giải pháp cho RRH tương thích với C-RAN Các RRH hiện nay được dự kiến sẽ làm việc trong một kiến trúc C-RAN tập trung hoàn toàn theo cách plug-and-play Trong trường hợp của kiến trúc C-RAN tập trung cục bộ, lớp 1 cần phải được tích hợp trong RRH Sự khác biệt lớn nhất giữa triển khai các RRH cho C-RAN so với các giải pháp trước đó là trong truyền tải C-RAN các tín hiệu xảy ra trên nhiều km, trong khi ở các kiến trúc khác, khoảng cách này ngắn hơn, thường lên đến vài km Do đó, sự gia tăng độ trễ do việc tăng khoảng cách truyền dẫn cần phải được theo dõi Ngoài ra, cần hỗ trợ tốc độ bit cao hơn Để chuyển 10 tỷ Gbps CPRI, tuỳ chọn tốc độ bit dòng CPRI tối đa, tức là, 10,1376 Gbps cần phải được triển khai, được hỗ trợ cho đến nay theo tiêu chuẩn CPRI v 6.0 [4] Nâng cấp bổ sung các tiêu chuẩn cần thiết để chứa nhiều lưu lượng hơn, ít nhất là 16 Gbps để phục vụ hoàn toàn một cell marco LTE 3 sector 20 MHz với MIMO 4 × 2 [5], xem Bảng 2.1 Hiện tiêu chuẩn CPRI và OBSAI có thể hỗ trợ các kết nối giữa các pool BBU và các RRH trong C-RAN Hơn nữa, NGMN [81] đã hình dung ra ORI như một giao thức tiềm năng trong tương lai Tuy nhiên, như bản chất của các giao diện giữa RRH và BBU đang thay đổi, các giao thức hiện tại cần phải được định nghĩa lại để tối ưu hóa trong truyền dẫn volume cao trên một khoảng cách dài Alcatel-Lucent cung cấp một giải pháp lightRadio C-RAN [5] Nó sử dụng một loạt các ăng-ten đa băng, đa chuẩn tích cực, với MIMO và hỗ trợ ăng-ten một cách thụ động Alcatel-Lucent đang làm việc hướng tới hai bộ vô tuyến đa băng (một cho dải cao và một cho dải thấp) Được xây dựng trong các mô-đun kỹ thuật số sử dụng để xử lý băng gốc Đối với lớp 1, lớp 2, lớp 3 C-RAN và được tách ra từ các chức năng vô tuyến Trong năm 2012, Ericsson công bố CPRI đầu tiên về thực hiện kết nối sóng viba [6], tạo hứng thú cho các nhà khai thác trong việc xem xét triển khai kiến trúc C-RAN tập trung cục bộ

Bảng 2.1: So sánh tốc độ bit dữ liệu IQ giữa cell site và Pool BBU tập trung

20 MHz LTE, 15+1 CPRI IQ Sample width, 10/8

5×20 MHz LTE-A, 15 CPRI IQ Sample width,

2.4 Cấu trúc của BBU

Phần này cung cấp những cân nhắc về việc thực hiện BBU, thảo luận về những ưu điểm và nhược điểm của các loại vi xử lý khác nhau có thể được sử dụng trong C-RAN Việc kết nối giữa các BBU được yêu cầu làm việc với độ trễ thấp, tốc độ cao,

độ tin cậy cao và truyền tải thời gian thực của 10 Gbps Hơn nữa, nó cần phải hỗ trợ CoMP, lập kế hoạch cung cấp dịch vụ động, chống lỗi 1 + 1 và cung cấp khả năng mở rộng cao Lập kế hoạch sóng mang động được thực hiện trong Pool BBU làm tăng cường khả năng dự phòng và tăng độ tin cậy của BBU Các Pool BBU cần hỗ trợ 100 trạm gốc cho một mạng lưới đô thị vừa (độ bao phủ 5 × 5 km), 1000 trạm gốc cho vùng 15 × 15 km [3] Ngoài ra, nó có lợi khi BBU có thể hỗ trợ các dịch vụ bổ sung như mạng phân phối nội dung (CDN), Mạng lưới phân phối dịch vụ (DSN) và Packet Inspection Deep (DPI) Ảo hóa các nguồn lực trạm gốc là cần thiết để che giấu các đặc tính vật lý của Pool BBU và cho phép phân bổ tài nguyên động Cũng có những thách thức về việc đảm bảo thời gian thực trạm ảo hóa trong Pool BBU tập trung, như

xử lý tín hiệu công suất thấp với hiệu suất cao, xử lý tín hiệu thời gian thực, kết nối các BBU cũng như giữa các chip trong một BBU, các BBU trong một rack vật lý và giữa các dãy Tối ưu hóa việc tổng hợp các nguồn lực là cần thiết trong BBU C-RAN Trong [7] Bhaumik et al đề xuất kế hoạch tổng hợp tài nguyên để giảm thiểu số lượng tính toán các yêu cầu tài nguyên Thời gian tổng hợp tài nguyên là trong một vài phút, tuy nhiên, nó được dự kiến là có thể được thực hiện với thời gian ít hơn nữa khi tối ưu hóa kết quả

2.4.1 Các giải pháp trạm gốc nền tảng mở đa chuẩn hiện tại

Các nhà điều hành cần được hỗ trợ nhiều tiêu chuẩn, do đó các trạm gốc đa phương thức là một sự lựa chọn tất yếu Họ có thể triển khai sử dụng một trong hai phương thức: pluggable hoặc phần mềm cấu hình lại các bộ xử lý cho các tiêu chuẩn khác nhau [3] Bằng cách tách phần cứng và phần mềm, ví dụ như, công nghệ SDR, các tiêu chuẩn không dây khác nhau và dịch vụ khác nhau có thể được giới thiệu Hiện nay các trạm gốc được xây dựng trên nền tảng độc quyền C-RAN là dự định được xây dựng trên nền tảng mở để giúp các nhà khai thác di động quản lý nhiều nền tảng thường không tương thích C-RAN cung cấp sự linh hoạt cao hơn trong việc nâng cấp mạng lưới và thúc đẩy việc tạo ra các ứng dụng và dịch vụ sáng tạo

2.4.2 Bộ vi xử lý

Ngày nay, FPGA (Field Programmable Gate Arrays) và DSP được sử dụng cho các hệ thống không dây Tuy nhiên, những cải tiến trong khả năng xử lý của GPP (General Purpose Processor) được sử dụng trong lĩnh vực IT tạo khả năng để tạo sự liên kết giữa thế giới IT và viễn thông với nhau , việc sử dụng bộ vi xử lý tín hiệu dựa trên GPP một cách linh hoạt DSP được phát triển đặc biệt tối ưu cho xử lý tín hiệu thời gian thực Chúng rất mạnh mẽ và sử dụng kỹ thuật đa lõi (3-6) nhằm cải thiện dung lượng xử lý Điều gì là quan trọng đối với C-RAN, một hệ điều hành thời gian thực chạy trên DSP tạo điều kiện cho việc ảo hóa các nguồn lực xử lý theo thời gian thực Tuy nhiên, không có đảm bảo cho khả năng tương thích ngược giữa các giải pháp khác nhau, hoặc thậm chí từ các nhà sản xuất như nhau, vì chúng được xây dựng trên các nền tảng độc quyền

Texas Instruments ủng hộ việc sử dụng các “Hệ thống trên Chip” (SoC) không dây đặc biệt, cung cấp lập luận rằng SoC tiêu thụ một phần mười năng lượng tiêu thụ bởi một chip máy chủ điển hình, và có chuyên môn hóa trong việc xử lý tín hiệu không dây Những cân nhắc về mức tiêu thụ điện năng của bộ vi xử lý tín hiệu là rất cần thiết

để giảm điện năng tiêu thụ cho kiến trúc C-RAN so với RAN truyền thống Ngoài ra, đối với dung lượng xử lý tương tự, một giải pháp DSP cũng sẽ có một mức giá thấp hơn so với GPP Trong [8] Wei et al trình bày một thực thi của hệ thống SDR trên một

bộ xử lý ARM CortexA9 đáp ứng các yêu cầu về thời gian thực của hệ thống thông tin liên lạc Như công nghệ SDR được hưởng lợi từ C-RAN là một bằng chứng quan trọng của nội dung này

GPP đang nhận được nhiều sự quan tâm và ngày càng phổ biến cho các ứng dụng xử

lý tín hiệu không dây Việc sử dụng GPP được hỗ trợ bởi việc xử lý đa lõi, đơn hướng dẫn nhiều dữ liệu, bộ nhớ hệ thống off-chip độ trễ thâp và lưu trữ lớn trên chip Chúng cũng đảm bảo tính tương thích ngược, làm cho nó có thể để dễ dàng nâng cấp BBU Nhiều hệ điều hành với khả năng thời gian thực cho phép ảo hóa xử lý tín hiệu trạm gốc Viện Nghiên cứu Mobile China đã chứng minh rằng các máy chủ thương mại IT

có khả năng thực hiện xử lý tín hiệu một cách kịp thời Intel đang cung cấp các bộ vi

xử lý cho cả C-RAN và RAN truyền thống

2.5 Kết luận chương 2

Chương 2 đưa ra các loại kiến trúc cơ bản của C-RAN, đồng thời mô tả chi tiết cấu trúc cũng như chức năng của các thành phần Đơn vị băng gốc BBU và bộ điều khiển

vô tuyến từ xa RRH trong kiến trúc C-RAN Chương sau sẽ đề cập đến những lợi ích mà kiến trúc C-RAN mang lại cho ngành thông tin di động

CHƯƠNG 3: NHỮNG LỢI ÍCH CỦA C-RAN

Cả hai cell macro và cell nhỏ có thể được hưởng lợi từ kiến trúc C-RAN Để triển khai trạm gốc macro, một pool BBU tập trung cho phép sử dụng hiệu quả các BBU và làm giảm chi phí triển khai và vận hành các trạm gốc Nó cũng làm giảm tiêu thụ năng lượng và gia tăng tính linh hoạt trong việc nâng cấp mạng lưới và cung cấp khả năng thích ứng với lưu lượng không đồng đều Hơn nữa, tính năng tiên tiến của LTE-A, như CoMP và giảm thiểu nhiễu, có thể được hỗ trợ một cách hiệu quả bởi C-RAN, điều này là rất quan trọng, đặc biệt là trong việc triển khai các cell nhỏ Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, việc có khả năng xử lý tính toán cao được chia sẻ bởi nhiêu người dùng được đặt gần với họ, các nhà khai thác di động có thể cung cấp cho người dùng các “thoả thuận mức độ dịch vụ” SLA (Service Level Agreement) hấp dẫn hơn, thời gian phản hồi của máy chủ ứng dụng được rút ngắn nếu

dữ liệu được lưu trữ trong BBU Pool [9] Các nhà khai thác mạng có thể hợp tác với các nhà phát triển dịch vụ của bên thứ ba để lưu trữ máy chủ cho các ứng dụng, định

vị chúng trong Pool BBU

3.1 Khả năng mở rộng và thích nghi với sự không đều của lưu lượng truy nhập

Thông thường, trong một ngày, người dùng sẽ di chuyển giữa các khu vực khác nhau, ví dụ như giữa khu dân cư và khu văn phòng Hình 3.1 minh họa cách làm thế nào mà tải mạng có thể thay đổi liên tục trong suốt cả ngày Trạm gốc thường được cung cấp năng lực xử lý tương đương với giờ cao điểm, điều này dẫn đến việc khi người dùng di chuyển từ văn phòng đến các khu dân cư, gây ra sự lãng phí không nhỏ tại những khu vực nhàn rỗi Lưu lượng tải giờ cao điểm có thể cao gấp 10 lần trong thời gian nhàn rỗi [6] Trong mỗi cell, phân phối lưu lượng thay đổi hàng ngày, và lưu lượng đỉnh xuất hiện ở các khung giờ khác nhau Vì trong C-RAN, xử lý băng gốc của multi-cell được thực hiện trong pool BBU tập trung, tỷ lệ sử dụng tổng thể có thể được cải thiện Các yêu cầu về dung lượng xử lý băng gốc của pool dự kiến sẽ nhỏ hơn tổng dung lượng của các trạm gốc đơn Tỷ lệ của tổng dung lượng các trạm gốc đơn trên dung lượng cần thiết trong pool được gọi là độ lợi ghép kênh thống kê

Hình 3.1: Sự thay đổi của tải hàng ngày trên BS theo khu vựcTrong [10] phân tích về lợi ích ghép kênh thống kê được thực hiện như là một chức năng của việc sắp xếp các cell Các phân tích cho thấy, trong các khu vực đô thị Tokyo, số lượng BBU có thể được giảm 75% so với các kiến trúc RAN truyền thống Trong [11] Madhavan et al đánh giá về lợi ích ghép kênh trong việc hợp nhất các trạm gốc WiMAX trong điều kiện lưu lượng khác nhau Việc đạt được sự gia tăng tuyến tính của kích thước mạng là cao hơn khi cường độ lưu lượng của trạm gốc cao

Việc nâng cấp vùng phủ sóng đơn giản chỉ là việc yêu cầu kết nối các RRH mới cho Pool BBU đã có sẵn Để nâng cao dung lượng mạng, các cell hiện tại sau đó

có thể được phân chia, hoặc các RRH phụ có thể được thêm vào Pool BBU, làm tăng tính linh hoạt của mạng lưới Việc triển khai các cell mới nói chung là dễ dàng được chấp nhận bởi cộng đồng dân cư, vì chỉ có một thiết bị nhỏ cần được cài đặt trên site (RRH) mà không phải là một trạm gốc cồng kềnh Nếu dung lượng mạng tổng thể tăng, điều này có thể dễ dàng đạt được bằng cách nâng cấp các Pool BBU, hoặc bằng cách thêm vào các phần cứng hoặc trao đổi các BBU hiện có với những BBU khác mạnh hơn Khi các BBU từ một khu vực rộng lớn được nằm trong cùng một Pool BBU, tính năng cân bằng tải có thể được kích hoạt với các thuật toán tiên tiến trên cả hai phía BBU và phía tế bào Về phía BBU, các BBU đã tạo ra một thực thể, vì thế cân bằng tải trở thành một vấn đề của việc phân bổ tài nguyên BBU thích hợp trong

một pool Về phía các cell, người dùng có thể di chuyển giữa các cell một cách không hạn chế nếu BBU Pool có đủ dung lượng để hỗ trợ cho họ, dung lượng có thể được gán động từ các pool.

3.2 Tiết kiệm chi phí và năng lượng

Việc triển khai C-RAN có thể giúp tiết kiệm năng lượng cũng như chi phí Bởi

vì các BBU và các trang thiết bị hỗ trợ được tích hợp trong một vài phòng lớn, nó khiến cho việc quản lý, vận hành tập trung và dễ dàng hơn, tiết kiệm rất nhiều chi phí O&M liên quan so với việc sử dụng số lượng lớn các site BS trong một mạng RAN truyền thống Thứ hai, mặc dù số lượng các RRH không giảm trong kiến trúc C-RAN, nhưng chức năng của nó đơn giản, kích thước và tiêu thụ năng lượng đều giảm và chúng có thể được đặt trên các cột với chi phí hỗ trợ và quản lý site nhỏ nhất Các RRH chỉ cần cài đặt các hệ thống trung chuyển với các ăng-ten phụ trợ, cho phép các nhà khai thác tăng tốc độ xây dựng mạng lưới để đạt được lợi thế so với các đối thủ cạnh tranh Do đó, các nhà khai thác có thể tiết kiệm một khoản lớn chi phí thuê địa điểm và chi phí O&M Tám mươi phần trăm chi phí của RAN dành cho CAPEX [6],

do đó, việc giảm CAPEX là một vấn đề cấp thiết Năng lượng trong của mạng di động tiêu tốn cho bộ khuếch đại công suất, cung cấp năng lượng cho RRH, BBU và điều hòa không khí Bốn mươi mốt phần trăm các OPEX trên một cell site được chi cho điện [3] Sử dụng C-RAN cung cấp tiềm năng giảm chi phí điện, như số lượng BBU trong một C-RAN được giảm so với một RAN truyền thống Hơn nữa, trong giai đoạn lưu lượng thấp hơn, ví dụ như, trong đêm, một số BBU trong pool có thể được tắt mà không ảnh hưởng đến vùng phủ sóng mạng tổng thể Một yếu tố quan trọng là sự sụt giảm các nguồn làm mát, trong đó có 46% lượng tiêu thụ điện cell site [3] Do việc sử dụng máy điều hòa không khí các RRH của mô-đun vô tuyến có thể được giảm như RRHs là tự nhiên được làm mát bằng không khí treo trên cột buồm, tường xây dựng, như mô tả trong hình 3.2 ZTE ước tính rằng C-RAN cho phép 67% tiết kiệm đến 80% điện năng so với kiến trúc RAN truyền thống, phụ thuộc vào có bao nhiêu cell một vùng Pool BBU [12], mà vẫn phù hợp với nghiên cứu China Mobile rằng tiết kiệm 71% lượng tiêu thụ điện [13 ] Các công trình dân dụng trên các site từ xa có thể được giảm bằng cách tập hợp các thiết bị trong một phòng trung tâm, góp phần tiết kiệm được OPEX Nhìn chung, C-RAN giúp tiết kiệm 15% CAPEX và 50% OPEX so

với kiến trúc RAN truyền thống [14] Tuy nhiên, chi phí thuê các kết nối cáp quang đến các site có thể làm tăng CAPEX Tín hiệu IQ được truyền giữa các RRH và BBU

sẽ phải chịu một chi phí đáng kể Do đó, việc cài đặt và hoạt động của mạng lưới tạo

ra chi phí đáng kể cho các nhà khai thác

Hình 3.2: Kiến trúc trạm gốc của C-RAN

3.3 Gia tăng thông lượng cũng như giảm độ trễ

Trong LTE, hệ số tái sử dụng tần số là 1, có nghĩa là tất cả các cell sẽ sử dụng một tần số giống nhau Điều này dẫn đến nhiễu liên cell sẽ rất cao, gây ra sự chênh lệch giữa thông lượng đỉnh và thông lượng ở biên cell là rất lớn Có 2 cách tiếp cận để giải quyết vấn đề này

- Giảm thiểu nhiễu liên cell

- Khai thác nhiễu theo hướng có lợi

3.3.1 Giảm thiểu nhiễu liên cell

 Phối hợp nhiễu liên cell ICIC (Inter-cell Interference Coordination)

Khi chịu tác động mạnh của nhiễu trên một số sóng mang con, các UE sẽ báo cáo lại với eNodeB Các eNodeB sẽ liên kết với các cell lân cận thông qua giao diện X2 và sẽ không sử dụng các sóng mang con đó trên các thuê bao nhất định (chỉ áp dụng cho các thuê bao tại biên cell) Điều này được thể hiện qua hình 3.3