CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BACKHAUL VÀ BACKHAUL DI ĐỘNG 1. Khái niệm chung Mạng backhaul là một mạng lưới trung chuyển. Backhaul là thuật ngữ chỉ phần kết nối giữa mạng trung tâm (mạng trục, mạng lõi) và các mạng từ xa (mạng con). Nói một cách tổng quát thì mạng backhaul chính là phần liên kết trong một mạng lưới có phân cấp.
Các ví dụ về mạng backhaul trong viễn thông là vô cùng đa dạng như: Kết nối mạng LAN nội bộ của khách hàng (cá nhân, gia đình, công ty, đơn vị hành chính …) và mạng Metro toàn thành phố, kết nối truyền thông từ trạm phát sóng truyền hình và các đầu cuối máy thu, kết nối truyền dẫn giữa trạm viễn thông cơ sở BTS/NodeB với hệ thống thiết bị ở mức cao hơn BSC/RNC, vơi đến thiết bị mạng lõi MGW, MSC, SGSN … Đồng thời bao gồm cả kết nối giữa các thiết bị cùng cấp. Hầu hết các mạng backhaul truyền thống trên thế giới có kiến trúc truy cập Hub-spoke hoặc Ring, một số đang tận dụng lợi thế nhờ khả năng linh động của IP/Ethernet để lập các cấu hình mạng mesh từng phần hướng tới cấu hình mạng cho các thế hệ tiếp theo 5G, 6G … Đó là thực tế phổ biến trong các topo Hub-spoke liên kết lại với nhau thành một chuỗi giữa các ô tế bào, đặc biệt khi sử dụng liên kết không dây. Trong mạng truy nhập các nhà cung cấp giải pháp Ethernet sử dụng các dịch vụ được định nghĩa bởi MEF (Metro Ethernet Forum - diễn đàn tiêu chuẩn công nghiệp hàng đầu về Ethernet), có thể chạy trên nhiều topo, bao gồm các liên kết song song hoặc mesh từng phần cho phép tính đa dạng. Từ các khái niệm đó, nhìn một cách tổng quát ở phạm vi hẹp, ta có thể thấy toàn bộ mạng viễn thông của Bắc Ninh (không bao gồm mạng phía đầu cuối khách hàng) là một phần mạng backhaul tổng thể cho các dịch vụ được cung cấp bởi VNPT Bắc Ninh.
Trong kỷ nguyên công nghệ, xu hướng không dây và di động là rất lớn. Theo thống kê mới nhất của Hootsuite và We Are Social vào tháng 7 năm 2019, trên thế giới có khoảng 5.117 tỷ người dùng điện thoại di động (khoảng hai phần ba dân số 4 thế giới). Hiệp hội thông tin di động toàn cầu (GSMA) vừa cho biết số lượng thuê bao di động ở khu vực châu Á - Thái Bình Dương sẽ tăng lên con số 3,1 tỷ thuê bao vào năm 2020 từ con số 2,1 tỷ thuê bao vào cuối năm 2015. Với xu thế di động là vô cùng lớn, luận văn xin được đề cập chi tiết về mạng backhaul di động cũng như một số các yêu cầu và thách thức của mạng backhaul di động trong kỷ nguyên công nghệ số, đặc biệt là giai đoạn trước mắt tiến tới (5G).
Backhaul di động Toàn bộ cơ sở hạ tầng của một nhà khai thác di động điển hình có thể được phân chia thành các phần riêng biệt như sau: - Miền mạng truy nhập vô tuyến (RAN – Radio Access Network): là phần truy nhập kết hợp, từ các trạm gốc vô tuyến RBS (Radio Base Station) tới các bộ điều khiển mạng như BSC (2G), RNC (3G), MG. - Miền lõi di động: nằm giữa mạng truy nhập vô tuyến và các mạng ngoài như là Internet, PSTNs, các mạng di động khác … Nó chứa các node dịch vụ (SGSN và GGSN) điều khiển phiên dữ liệu và hướng lưu lượng như chức năng MSC và MGW để cung cấp chuyển mạch gói và các dịch vụ kết hợp. - Backhaul di động (bên trong miền RAN): Backhaul thực hiện việc kết nối và truyền tải lưu lượng giữa các trạm gốc (BTS, NodeB …) và các bộ điều khiển mạng (BSC, RNC …). Các mạng truyền dẫn có thể ứng dụng như: L2 (Carrier Ethernet), L3 (BGP/MPLS L3VPN), IP vượt qua E1/T1 sử dụng MLPPP.
Backhaul di động có thể phân thành các RAN “thấp” (LRAN) và RAN “cao” (HRAN) phản ánh bản chất không đối xứng của mạng backhaul, ở đó một nhà khai thác diện rộng phải có một lượng rất lớn các vị trí RBS tập trung hướng tới một số nhỏ hơn các vị trí điều khiển chuyển mạch (BSC/RNC). Các công nghệ triển khai trong IP RAN Mạng IP RAN (mạng truy nhập vô tuyến toàn IP) là xu thế tất yếu để phát triển dịch vụ và tăng tính cạnh tranh của nhà cung cấp dịch vụ di động với các lợi thế như đã biết. 5 Hệ thống mạng 2G hoạt động trên nền tảng chuyển mạch kênh TDM. Để chuyển sang IP RAN, ta cần phải có các cơ chế hỗ trợ việc giả lập kênh dịch vụ CES (circuit emulation service), với một số giao thức hỗ trợ việc truyền kênh trên nền IP như CESoPSN (Structure-Aware TDM circuit emulation service over packet switched network) và SAToP (Structure-agnosic TDM over packet).
Đối với mạng 3G và trên nữa, bản chất đã hoạt động trên công nghệ chuyển mạch gói. Các phương thức giả dây (Pseudowire) đóng một vai trò hết sức quan trọng để kết nối từ các Node B về RNC qua mạng IP. Một số công nghệ PW được sử dụng như L2TPv3 (Layer 2 Tunnelling Protocol version 3) trong mạng IP, AToM (Any Transport over MPLS) trong mạng MPLS. Sau đây ta xem xét cơ chế hoạt động của một số giao thức: - Công nghệ CESoPSN và SAToP (hình 1.1): Hai giao thức này chuyển đổi các khe thời gian của các kênh TDM vào phần tải tin của gói tin IP.
Điểm khác biệt chính giữa CESoPSN và SAToP là SAToP đẩy tất cả 32 time slot của kênh TDM vào tải tin của gói tin IP mà không phân biệt time slot trống, còn CESoPSN chỉ đẩy các time slot chứa thông tin và bổ xung một trường để chỉ số time slot trống được bỏ qua. Do vậy CESoPSN tối ưu và tiết kiệm băng thông hơn, ngoài ra CESoPSN còn cho phép đánh dấu tất cả các gói tin thoại với độ ưu tiên cao hơn nên phù hợp cho thiết kế QoS của mạng IP.1: Công nghệ CES 6 - Công nghệ L2TPv3 (hình 1.2): L2TPv3 là một công nghệ giả dây cho phép cung cấp các dịch vụ lớp 2 qua mạng chuyển mạch gói, nó được phát triển từ giao thức UTI cho cơ chế đường hầm lớp 2.2: Mô tả hoạt động của L2TPv3 - Công nghệ AToM (hình 1.3): AToM (Any Transport over MPLS) là một công nghệ giả dây sử dụng các mạng MPLS cho phép cung cấp các dịch vụ lớp 2. Các nhiệm vụ chính của AToM bao gồm việc thực hiện giả dây giữa các router biên PE (provider edge) và truyền tải các gói tin lớp 2 qua những giả dây này.3: Mô tả hoạt động của AToM 7 1. Các cơ chế đồng bộ Trong hệ thống viễn thông, đồng bộ là yếu tố cực kỳ quan trọng quyết định độ chính xác của thông tin, dữ liệu được chuyển tải.
Với hạ tầng mạng TDM kết nối qua các kênh E1/T1 thì đồng bộ là chuyện đơn giản bởi luồng E1/T1 luôn dành riêng time slot để chuyển tải dữ liệu đồng bộ (hình 1. Chuyển sang backhaul trên nền IP (kể cả 2G và 3G) các giao diện E1/T1 chỉ là “circuit emulation” đòi hỏi các thiết bị giả dây phải có khả năng nhận tín hiệu đồng bộ từ BSC, chuyển tải nó lên mạng IP. Phía BTS thì thiết bị giả dây lại phải tái tạo tín hiệu đó từ các gói IP, sau đó đẩy qua giao diện E1/T1 để thực hiện đồng bộ cho BTS. Ở trường hợp này, nguồn đồng bộ vẫn lấy từ các đồng hồ chủ Stratum của mạng viễn thông truyền thống.4: Đồng bộ hóa trong mạng 2G Khi chuyển qua IP RAN toàn bộ, nghĩa là mất nguồn đồng hồ TDM.
Có một số giải pháp phát triển đồng bộ trên mạng IP như sau: - Đồng bộ trên gói tin (IEEE1588, NTP) hoặc sử dụng đồng hồ được mang bởi dữ liệu giả lập kênh (ACR). - Đồng bộ Ethernet (SyncE): SyncE hoạt động trên lớp vật lý, có độ chính xác ±100 ppm (tương tự qua SDH) - Đồng bộ hóa theo IEEE 1588v2 : IEEE 1588v2 (hình 1.5 - hay được biết như là PTP: Precision Time Protocol) là một chuẩn giao thức cho phép việc truyền chính 8 xác tần số và thời gian để đồng bộ các đồng hồ qua mạng dựa trên gói tin. Nó đồng bộ hóa đồng hồ slaver cục bộ trên mỗi thiết bị mạng với một đồng hồ hệ thống Grandmaster và sử dụng truyền tải nhãn thời gian để cung cấp độ chính xác cao (mức nano giây) trong đồng bộ hóa đảm bảo sự ổn định tần số của trạm.5: Phân cấp đồng hồ Master – Slaver trong IEEE1588v2 1. Chất lượng dịch vụ trong IP RAN QoS trong mạng IP nói chung, theo ITU-T, QoS là tập hợp các ảnh hưởng của sự thực hiện dịch vụ (do mạng thực hiện) tạo nên mức độ thỏa mãn cho người sử dụng dịch vụ đó.
Trong thực tế khái niệm QoS còn được hiểu rộng hơn theo nghĩa, hệ thống nào mà trong đó có sự phân loại, phân biệt hay có sự xử lý khác biệt cho mỗi luồng dữ liệu dịch vụ thì thực ra là đã có sự quản lý QoS. Một số tham số đánh giá QoS bao gồm: Băng thông hiện thời (Throughput), trễ (Latency hoặc Delay), biến thiên trễ (Jitter), tỷ lệ mất gói (Packet loss). Các chỉ số đánh giá chất lượng dịch vụ nâng cao trong mạng IP: - IPTD (IP transfer delay): trễ truyền dẫn, gồm trễ do khoảng cách, do xử lý tại các nút chuyển mạch, tại các bộ giải mã tín hiệu, tại các bộ đệm trong mạng IP. - IPDV (IP delay variability): đây chính là các chỉ số về jitter.
- IPLR (IP packet loss ratio): là tỉ lệ mất gói trong mạng IP. - IPER (IP packet error ratio): là tỉ lệ gói bị lỗi khi truyền trong mạng IP. Bản chất của mạng IP là được thiết kế cho việc truyền dữ liệu do vậy các vấn đề như trễ, biến động trễ không không đóng vai trò quan trọng, vấn đề mất gói có thể được giải quyết bằng việc sử dụng cơ chế phát lại như TCP. Tuy nhiên, hiện nay 9 mạng IP được sử dụng như một mạng đa dịch vụ trong đó có cả các dịch vụ thời gian thực (Voice, Video) có yêu cầu trễ hay biến thiên trễ nhỏ.
vì vậy vấn đề QoS trên mạng IP nói chung cần được quan tâm giải quyết. Một số cơ chế hỗ trợ QoS trên mạng IP là: - Cơ chế dịch vụ tích hợp (Intserv – Hình 1.6): Mô phỏng lại như mạng chuyển mạch kênh trước đây, nó sử dụng nguyên tắc đặt chỗ trước dùng giao thức RSVP. Trong kiến trúc Intserv, giữa các đầu cuối liên lạc phải tồn tại giao thức trao đổi tài nguyên nên phải xử lý quá nhiều làm cho nó khó có khả năng mở rộng để thích hợp với mạng lõi (đặc biệt khi mạng core là internet).