MỞ ĐẦU Trong thời đại bùng nổ của kỷ nguyên số, các dịch vụ mạng trên toàn thế giới đã và đang gia tăng chóng mặt, dịch chuyển theo xƣu hƣớng di động, mạng toàn IP, IoT, AI, Bigdata. Mối quan tâm lúc này là xử lý việc gia tăng nhanh chóng dữ liệu của các dịch vụ di động băng rộng cùng các rất nhiều các dịch vụ dữ liệu băng rộng khác. Kéo theo đó là những yêu cầu, là gánh nặng cực lớn đặt trên vai hệ thống truyền dẫn nhƣ yêu cầu về chất lƣợng, băng thông, tốc độ, tính an toàn, bảo mật, tính linh hoạt, tính sẵn sàng, khả năng thực tế triển khai, vận hành, khai thác, xử lý. Ta có thể thấy đƣợc thông qua sự thay đổi theo cấp số mũ về băng thông, tốc độ kết nối cho các dịch vụ từ vài chục, vài trăm Kbps đã nhanh chóng tăng lên đến hàng chục, hàng trăm Mbps, Gbps, Tbps … Hiện nay, mạng PON (nhƣ một lựa chọn bắt buộc) đã đƣợc phát triển trên rộng khắp để cung cấp quá trình quang hóa toàn mạng lƣới với hạ tầng mới và liên tục đƣợc nâng cấp mở rộng với liên tiếp các thế hệ TDM, TWDM, WDM.
Truyền thông quang không giây qua không gian tự do (FSO) gần đây đƣợc quan tâm rất nhiều với những lợi thế của nó nhƣ tốc độ cao, băng thông không hạn chế, linh hoạt, bảo mật, hoàn toàn tƣơng thích với mạng PON, là một lựa chọn đầy triển vọng của sự kết hợp. Tại VNPT Bắc Ninh cũng nhƣ các VNPT các tỉnh đã hoàn thiện việc triển khai mạng Metro truyền tải lƣu lƣợng IP trên công nghệ Ethernet, đồng thời đã thực hiện việc nâng cấp mở rộng dung lƣợng mạng. Hƣớng sử dụng mạng MAN-E làm phân đoạn truyền tải cho mạng backhaul di động kết hợp với tất cả các dịch vụ băng rộng khác là phƣơng án lựa chọn tối ƣu theo định hƣớng của tập đoàn. Trên cơ sở đó kết hợp với thực tế trong quá trình công tác tại Trung tâm Điều hành Thông tin của Viễn Thông Bắc Ninh, học viên nghiên cứu và đề xuất một số giải pháp backhaul tốc độ cao sử dụng quang vô tuyến và khả năng ứng dụng trên hạ tầng mạng VNPT Bắc Ninh.
Luan van 2 Luận văn đƣợc thực hiện gồm 3 chƣơng: Chƣơng 1: Trình bày về những khái niệm chung của mạng backhaul, xu hƣớng phát triển chung của các thiết bị cuối. Chi tiết về những yêu cầu của mạng backhaul di động trong kỷ nguyên số hƣớng tới thế hệ mạng tiếp theo (5G). Chƣơng 2: Trình bày về backhaul di động trên PON để thấy đây sẽ là một lựa chọn tất yếu của mạng backhaul di động. Giới thiệu và trình bày một số giải pháp backhaul lai ghép quang vô tuyến trên PON cùng những số liệu tính toán cụ thể để so sánh và lựa chọn kết hợp.
Chƣơng 3: Giới thiệu về tỉnh Bắc Ninh (địa lý, kinh tế, văn hóa, xã hội …) và hiện trạng hạ tầng của VNPT Bắc Ninh. Từ đó đề xuất hai giải pháp lai ghép quang cho mạng backhaul di động trong tƣơng lai là TDM-PON/FSO và WDM- PON/FSO. Luan van 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BACKHAUL VÀ BACKHAUL DI ĐỘNG 1. Khái niệm chung Mạng backhaul là một mạng lƣới 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 lƣới có phân cấp. Các ví dụ về mạng backhaul trong viễn thông là vô cùng đa dạng nhƣ: 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 hƣớng 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 đƣợc 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 đƣợc cung cấp bởi VNPT Bắc Ninh. Trong kỷ nguyên công nghệ, xu hƣớng 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 ngƣời dùng điện thoại di động (khoảng hai phần ba dân số Luan van 4 thế giới).
Hiệp hội thông tin di động toàn cầu (GSMA) vừa cho biết số lƣợng thuê bao di động ở khu vực châu Á - Thái Bình Dƣơng 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 đƣợc đề cập chi tiết về mạng backhaul di động cũng nhƣ một số các yêu cầu và thách thức của mạng backhaul di động trong kỷ nguyên công nghệ số, đặc biệt là giai đoạn trƣớc mắt tiến tới (5G). Backhaul di động Toàn bộ cơ sở hạ tầng của một nhà khai thác di động điển hình có thể đƣợc phân chia thành các phần riêng biệt nhƣ 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 nhƣ BSC (2G), RNC (3G), MG. - Miền lõi di động: nằm giữa mạng truy nhập vô tuyến và các mạng ngoài nhƣ là Internet, PSTNs, các mạng di động khác … Nó chứa các node dịch vụ (SGSN và GGSN) điều khiển phiên dữ liệu và hƣớng lƣu lƣợng nhƣ 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 lƣu lƣợng giữa các trạm gốc (BTS, NodeB …) và các bộ điều khiển mạng (BSC, RNC …). Các mạng truyền dẫn có thể ứng dụng nhƣ: L2 (Carrier Ethernet), L3 (BGP/MPLS L3VPN), IP vƣợt 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 lƣợng rất lớn các vị trí RBS tập trung hƣớng 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 nhƣ đã biết.
Luan van 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 nhƣ 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 phƣơng 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 đƣợc sử dụng nhƣ 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 trƣờng để chỉ số time slot trống đƣợc bỏ qua. Do vậy CESoPSN tối ƣu và tiết kiệm băng thông hơn, ngoài ra CESoPSN còn cho phép đánh dấu tất cả các gói tin thoại với độ ƣu tiên cao hơn nên phù hợp cho thiết kế QoS của mạng IP.1: Công nghệ CES Luan van 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 đƣợc phát triển từ giao thức UTI cho cơ chế đƣờng 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 Luan van 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 đƣợc 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 trƣờng 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.