Đánh giá hiệu năng giải pháp backhaul di động ứng dụng công nghệ truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp (TWDMPON) và RoF (Luận văn thạc sĩ)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

NGUYỄN ĐÔNG ĐỨC

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG GIẢI PHÁP BACKHAUL DI
ĐỘNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TRUY NHẬP
QUANG THỤ ĐỘNG THẾ HỆ KẾ TIẾP (TWDM-PON)
VÀ RoF

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI - 2018


HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

NGUYỄN ĐÔNG ĐỨC

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG GIẢI PHÁP BACKHAUL DI
ĐỘNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TRUY NHẬP
QUANG THỤ ĐỘNG THẾ HỆ KẾ TIẾP (TWDM-PON)
VÀ RoF
CHUYÊN NGÀNH :

KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

MÃ SỐ:

85.20.208

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ HẢI CHÂU

HÀ NỘI - 2018


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn: "Đánh giá hiệu năng giải pháp backhaul di động
ứng dụng công nghệ truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp (TWDM – PON) và
RoF" là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2017

Học viên

Nguyễn Đông Đức


ii

LỜI CẢM ƠN

Trải qua một thời gian dài nỗ lực học tập và nghiên cứu, để đi đến được
kết quả như ngày hôm nay em đã được rất nhiều sự giúp đỡ của gia đình, thầy
cô, bạn bè và đồng nghiệp.
Qua đây em xin được gửi lời cảm ơn chân thành với lòng biết ơn sâu sắc
tới thầy giáo TS. Lê Hải Châu, thầy giáo TS. Đặng Thế Ngọc, cô giáo ThS.
Phạm Anh Thư những người đã hết lòng giúp đỡ em hoàn thành luận văn này.
Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các thầy (cô) trong khoa Quốc tế
và Đào tạo Sau đại học Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã tận tình
truyền đạt kiến thức và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình học
tập nghiên cứu, hoàn thành luận văn.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng để hoàn thành luận văn bằng tất cả sự nhiệt
tình và khả năng của mình, tuy nhiên luận văn không thể tránh khỏi những
thiếu sót và hạn chế. Kính mong nhận được sự chia sẻ và đóng góp ý kiến của
các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp.
Cuối cùng, em xin gửi lời cám ơn đến gia đình và những người bạn đã
luôn động viên, ủng hộ và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và hoàn
thành luận văn này.
Trân trọng cảm ơn.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2017

Học viên

Nguyễn Đông Đức


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ ii
MỤC LỤC .....................................................................................................................iii
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ............................................................................................ v
DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................... ix
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................ x
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG BACKHAUL DI ĐỘNG.......................... 2
1.1.

Giới thiệu chung ................................................................................................. 2

1.2.

Hệ thống backhaul di động................................................................................ 5

1.3.

Các yêu cầu của mạng backhaul ....................................................................... 9

1.3.1. Tăng tốc độ cho đầu cuối ...................................................................................... 9
1.3.2. Tăng lưu lượng .................................................................................................... 11
1.3.3. Các loại thiết bị, dịch vụ, kiến trúc mới ............................................................. 12
1.4.

Những thách thức của mạng backhaul 5G .................................................... 13

1.4.1. Mật độ công suất cao hơn ................................................................................... 14

1.4.2. Lưu lượng phức tạp và phân bố không đồng đều ............................................... 14
1.4.3. Dịch vụ và ảo hóa mạng ...................................................................................... 17
1.4.4. Các vấn đề khác .................................................................................................. 18
1.5.

Kết luận chƣơng ............................................................................................... 19

CHƢƠNG 2: CÔNG NGHỆ TWDM – PON VÀ RoF TRONG MẠNG
BACKHAUL DI ĐỘNG ............................................................................................. 21
2.1. Giới thiệu chung ................................................................................................... 21
2.2. Công nghệ TWDM - PON ................................................................................... 22
2.2.1.Tổng quan............................................................................................................. 22
2.2.2. Công nghệ TWDM – PON cho hệ thống NG-PON2 ......................................... 23
2.2.3. Triển khai NG-PON2 trong thực tế ................................................................... 32


iv

2.3. Công nghệ RoF .................................................................................................... 34
2.3.1. Tổng quan............................................................................................................ 34
2.3.2. Các kỹ thuật truyền sóng vô tuyến qua sợi quang .............................................. 36
2.3.3. Những ưu, nhược điểm của công nghệ RoF ..................................................... 40
2.3.4. Ứng dụng của RoF .............................................................................................. 42
2.4.

Giải pháp kết hợp lai ghép giữa hai công nghệ RoF và TWDM- PON

trong mạng backhaul di động .................................................................................... 43
2.5.

Kết luận chƣơng ............................................................................................... 45

CHƢƠNG III: PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG BACKHAUL
SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ TWDM - PON VÀ RoF ..... Error! Bookmark not defined.
3.1.

Giới thiệu chung ............................................................................................... 47

3.2.

Đƣờng xuống cho hệ thống mạng viễn thông truy cập sử dụng

RoF/TWDM-PON ....................................................................................................... 48
3.3.

Phân tích hiệu năng .......................................................................................... 51

3.4.

Đánh giá và nhận xét........................................................................................ 55

3.5.

Kết luận chƣơng ............................................................................................... 60

KẾT LUẬN .................................................................................................................. 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 63


v

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Thuật ngữ

Tiếng Anh

Tiếng Việt

APD

Avalanche Photodiode

Ðiốt quang thác

ANI

Access Node Interface

Giao diện nút truy nhập

APC

Angled Physical Contact

Liên kết vật lý

APON

ATM Passive Optical Network

Mạng quang thụ động ATM

ASE

Amplified Spontaneous Emission

Khuếch đại phát xạ tự phát

ATM

Asynchronous Transfer Mode

Phương thức truyền tải không đồng bộ

AWG

Arrayed-Waveguide Grating

Cách tử ống dẫn sóng dạng mảng

BBU

BaseBand Unit

Đơn vị băng tần gốc

BS

Base Station

Trạm cơ sở

BPF

Band Pass Filter

Bộ lọc băng thông

BPON

Broadband Passive Optical Network

Mạng quang thụ động băng rộng

CD

Chromatic Dispersion

Tán sắc

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

CE

Coexistence Element

Phần tử cộng hữu

CO

Center Office

Trạm trung tâm

CPRI

Common Public Radio Interface

Giao diện vô tuyến công cộng

DBA

Dynamic Bandwidth Allocation

Phân bổ băng thông động

DCB

Data Center Bridging

Kết nối với trung tâm dữ liệu

DEMUX

Demultiplexer

Bộ tách kênh

EDFA

Erbium Doped Fiber Amplifer

Bộ khuếch đại

eNodeB

Evolved Node Base station

Trạm gốc của LTE

EPON

Ethernet Passive Optical Network

Mạng quang thụ động Ethernet

FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh

FTTx

Fibre to the x (B–building, business;

Cáp quang đến X (B-toà nhà, doanh
nghiệp, H-hộ gia đình, C-tủ cáp)

H–home; C–cabinet, curb)
Gbps

Gigabit per second

Tốc độ Gigabit trên giây


vi

G-PON

Gigabit-capable Passive Optical Network

Mạng quang thụ động Gigabit

GVD

Group Velocity Dispersion

Tán sắc vận tốc nhóm

ITU

International Telecommunication Union

Liên minh Viễn thông quốc tế

LAN

Local Area Network

Mạng nội bộ

LNA

Low Noise Amplifier

Bộ khuếch đại nhiễu thấp

LTE

Long Term Evolution

Tiến hóa dài hạn

MAN

Metropolitan Area Network

Mạng đô thị

MDU/SFU

Multi-Dwelling Unit/Single-Family Unit

Nhiều hộ gia đình/ người dùng cá nhân

MAC

Media Access Control

Phương thức điều khiển truy nhập

Mbps

Megabit per second

Tốc độ Megabit trên giây

MUX

Multiplexer

Bộ ghép kênh

MMW

Millimeter wave

Công nghệ sóng vô tuyến milimet

MPA

Medium Power Amplifier

Bộ khuếch đại trung bình

NG-PON1

Next Generation-Passive Optical
Network 1

Mạng quang thụ động thế hệ kế tiếp thứ
nhất

NG-PON2

Next Generation-Passive Optical
Network 2

Mạng quang thụ động thế hệ kế tiếp thứ
hai

NG-PON3

Next Generation-Passive Optical
Network 3

Mạng quang thụ động thế hệ kế tiếp thứ
ba

NLoS

Non Line-of-Sight

Giải pháp truyền tải không dây

OC

Optical Circulator

Bộ ghép quang

ODN

Optical Distribution Network

Mạng phân phối quang

ODS

Optical Distribution Segment

Đoạn phân phối quang

ODSM

Opportunistic and Dynamic Spectrum
Management

Quản lí phổ linh hoạt

OFDM

Orthogonal Frequency-Division
Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực
giao

OLT

Optical Line Terminal

Bộ kết cuối đường quang

OMCC

Optical Management and Control
Channel

Kênh điều khiển và quản lý quang


vii

OMCI

Optical Management and Control
Interface

Giao diện quản lý và điều khiển quang

OPL

Opical Path Loss

Suy hao đường truyền quang

OPP

Opical Path Penalty

Bù công suất tuyến quang quang

ONT

Optical Network Terminal

Bộ kết cuối mạng quang

ONU

Optical Network Unit

Đơn vị mạng quang

P2P

Point to Point

Kết nối điểm – điểm

P2M

Point to Multipoint

Kết nối điểm – đa điểm

PON

Passive Optical Network

Mạng quang thụ động

PB

Power Budget

Quỹ công suất

PMD

Polarization Mode Dispersion

Tán sắc mode phân cực

PtP WDM

Point-to-Point Wavelength Division
Multiplexing

Ghép kênh theo bước sóng điểm-điểm

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

Điều chế biên độ cầu phương

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

QPSK

Quaternary Phase Shift Keying

Điều chế pha trực giao

RE

Reach Extender

Bộ kéo dài tầm với

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

RN

Remote Node

Node từ xa

RRU

Remote Radio Unit

Đơn vị vô tuyến từ xa

RoF

Radio Over Fiber

Truyền tín hiệu vô tuyến qua sợi quang

R/S

Reach extender interface to optical trunk
line

Giao diện mở rộng tầm với vào mạng
trung kế quang

SMF

Single Mode Fibre

Sợi quang đơn mode

SONET/SDH Synchronous Optical
Network/Synchronous Digital Hierachy

Mạng quang đồng bộ/Phân cấp số đồng
bộ

S/R

Reach extender interface to optical
distribution network

Đường truy cập mở rộng vào mạng phân
phối quang

TC

Transmission Convergence

Lớp hội tụ truyền dẫn

TDM

Time Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo thời gian


viii

TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia thời gian

TWDM

Time and Wavelength Division
Multiplexing

Ghép kênh theo thời gian và bước sóng

UD-WDM

Ultra - Dense Wavelength Division
Multiplexing

Ghép chặt theo bước sóng

UNI

User Node Interface

Giao diện nút người dùng

UPC

Ultra Physical Contact

Điểm tiếp xúc quang

WAN

Wide Area Network

Mạng diện rộng

WBF

Wavelength Blocking Filter

Bộ lọc chặn bước sóng

WDM

Wavelength Division Multiplexing

Ghép kênh theo bước sóng

WDMA

Wavelength-Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo bước sóng

WM

Wavelength Multiplexer

Bộ ghép kênh bước sóng

XG-PON1

10-Gigabit Passive Optical Network

Mạng quang thụ động 10 Gbps


ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Bảng so sánh ƣu nhƣợc điểm của từng loại phƣơng tiện truyền dẫn trong
mạng backhaul ..................................................................................................................... 8
Bảng 3.1 : Các tham số chính của hệ thống ..................................................................... 55


x

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mạng di động qua các thế hệ ......................................................................2
Hình 1.2: Lưu lượng di động toàn cầu ........................................................................4
Hình 1.3: Vị trí của mạng backhaul trong hệ thống thông tin di động .......................5
Hình 1.4: Mạng backhaul di động qua các giai đoạn phát triển .................................6
Hình 1.5: Thị phần các công nghệ trong mạng backhaul di động ..............................7
Hình 1.6: Dự đoán đầu tư nghiên cứu vào các công nghệ trong mạng Backhaul từ
2017 đến 2015 .............................................................................................................8
Hình 1.7: Sự phát triển dung lượng hệ thống backhaul di động .................................9
Hình 2.1: Kiến trúc mạng TWDM- PON ..................................................................24
Hình 2.2: Các bước sóng của NG- PON2 .................................................................27

Hình 2.3: Suy hao sợi quang đơn mode và tán sắc ...................................................29
Hình 2.4: Khái niệm về hệ thống RoF ......................................................................35
Hình 2.5: Hệ thống quang-vô tuyến 900 MHz..........................................................36
Hình 2.6: Tạo tín hiệu RF bằng điều chế ..................................................................38
Hình 2.7: Nguyên lý trộn kết hợp (coherent) quang dựa trên laser điều tần ............39
Hình 2.8: Sử dụng hạ tầng sợi quang trong tòa nhà cho cả hệ thống vô tuyến và hữu
tuyến ..........................................................................................................................43
Hình 2.9: Mạng truy cập di động RoF/TWDM-PON ...............................................44
Hình 3.1 Kiến trúc đường xuống của mạng truy nhập di động MMW-RoF ............49
Hình 3.2: Kiến trúc đường xuống của mạng truy nhập di động TWDM-PON/MMW
RoF ............................................................................................................................50
Hình 3.3: So sánh hiệu suất của hệ thống lai RoF/TWDM-PON và hệ thống MMW
RoF với GE = 15 dB ..................................................................................................56
Hình 3.4: Sự phụ thuộc của hiệu suất BER trên tổng khoảng cách cáp quang (L) với
Ps = 5 dBm ................................................................................................................58
Hình 3.5: Sự phụ thuộc của hiệu suất BER vào tỷ lệ chia tách với GE = 15 dB và ..58
Hình 3.6: Ảnh hưởng của khoảng cách liên kết MMW đối với BER .......................60


1

MỞ ĐẦU
Ngày nay với việc phát triển bùng nổ của công nghệ thông tin và thông tin di
động, yêu cầu cải thiện về mặt công nghệ và băng thông của mạng backhaul di động
ngày càng lớn hơn, đặc biệt là khi các nhà mạng di động hiện nay đã và đang phát
triển, thử nghiệm 5G với tốc độ cực cao đồng thời ngày càng nhiều ứng dụng được
triển khai trên nền di động. Để đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao của công nghệ
5G, mạng backhaul di động thế hệ kế tiếp cần có dung lượng lớn, có khả năng cung
cấp băng thông linh hoạt, cải thiện tầm với và có khả năng bảo mật cao. Do vậy,
việc nghiên cứu, tìm hiểu và đánh giá hiệu năng của các giải pháp mạng backhaul di

động dung lượng lớn tương lai có khả năng đáp ứng tốt nhu cầu của mạng 5G là rất
quan trọng và cần thiết trong việc nắm bắt và làm chủ các công nghệ mới trong
tương lai gần.
Hiện tại, trong mạng lõi của hệ thống thông tin di động đã ứng dụng công
nghệ truy nhập quang thụ động GPON. Tuy nhiên, với công nghệ truy nhập này ở
thế hệ kế tiếp thứ 2, với tốc độ tối đa có thể lên đến 40 Gbps khi được áp dụng sẽ
làm tăng tốc độ và thỏa mãn được nhu cầu phát triển với tốc độ cao, băng thông
rộng của công nghệ 5G. Ngoài ra đối với mạng truy cập vô tuyến dùng công nghệ
truyền sóng vô tuyến qua sợi quang được đánh giá là có nhiều ưu điểm vượt trội so
với mạng truy cập vô tuyến thông thường. Trong thời gian gần đây, công nghệ truy
nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp thứ 2 cũng được thử nghiệm thành công và sẽ sử
dụng phổ biết trong tương lai. Do vậy, giải pháp kết hợp hai công nghệ này hứa hẹn
sẽ có khả năng đáp ứng được nhu cầu cấp thiết của mạng backhaul di động trong
tương lai.


2

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG BACKHAUL DI
ĐỘNG
1.1.

Giới thiệu chung
Cho đến nay, các mạng di động đã trải qua 4 thế hệ với nhiều thay đổi trong

công nghệ và tính năng. Hình 1.1 thể hiện các thế hệ mạng di động cùng một số đặc
điểm chính của chúng. Vào đầu những năm 1980 mạng thông tin di động không dây
cơ bản đầu tiên trên thế giới xuất hiện và được gọi là mạng thông tin di động thế hệ
thứ nhất (1G), đây là hệ thống giao tiếp thông tin qua kết nối tín hiệu analog. Hệ
thống này sử dụng các ăng-ten thu phát sóng gắn ngoài, kết nối theo tín hiệu analog

tới các trạm thu phát sóng và nhận tín hiệu xử lý thoại thông qua các module gắn
trong máy di động. Chính vì thế mà các thế hệ máy di động đầu tiên trên thế giới có
kích thước khá to và cồng kềnh do tích hợp cùng lúc 2 module thu tín hiện và phát
tín hiệu.

Hình 1.1: Mạng di động qua các thế hệ


3

Mạng di động không dây thế hệ thứ 2 (2G) được xuất hiện vào năm 1991, là
thế hệ kết nối thông tin di động mang tính cải cách cũng như khác hoàn toàn so với
thế hệ đầu tiên. Công nghệ này sử dụng các tín hiệu kỹ thuật số thay cho tín hiệu
analog của thế hệ 1G. Mạng 2G mang tới cho người sử dụng di động 3 lợi ích tiến
bộ trong suốt một thời gian dài: mã hoá dữ liệu theo dạng kỹ thuật số, phạm vi kết
nối rộng hơn 1G và đặc biệt là sự xuất hiện của tin nhắn dạng văn bản đơn giản –
SMS. Theo đó, các tín hiệu thoại khi được thu nhận sẽ đuợc mã hoá thành tín hiệu
kỹ thuật số dưới nhiều dạng mã hiệu, cho phép nhiều gói mã thoại được lưu chuyển
trên cùng một băng thông, tiết kiệm thời gian và chi phí. Song song đó, tín hiệu kỹ
thuật số truyền nhận trong thế hệ 2G tạo ra nguồn năng lượng sóng nhẹ hơn và sử
dụng các chip thu phát nhỏ hơn, tiết kiệm diện tích bên trong thiết bị hơn…
Kế tiếp mạng di động 2G thế giới đã đột phá bằng mạng thông tin di
động 3G vào khoảng những năm đầu của thế kỷ XXI. Đây là thế hệ truyền thông di
động thứ ba, tiên tiến hơn hẳn các thế hệ trước đó. Hệ thống này cho phép người
dùng di động truyền tải cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi
email, tin nhắn nhanh, hình ảnh, âm thanh, video clips. Trong số các dịch vụ của
3G, điện thoại video thường được miêu tả như là lá cờ đầu. Giá tần số cho công
nghệ 3G rất đắt tại nhiều nước, nơi mà các cuộc bán đầu giá tần số mang lại hàng tỷ
Euro cho các chính phủ. Bởi vì chi phí cho bản quyền về các tần số phải trang trải
trong nhiều năm trước khi các thu nhập từ mạng 3G đem lại, nên một khối lượng

vốn đầu tư khổng lồ là cần thiết để xây dựng mạng 3G.
Đầu năm 2017 cả ba nhà mạng lớn tại Việt Nam đã khai thác thành công
mạng di động thế hệ thứ 4. Đây chính là mạng thông tin di động 4G. Công nghệ này
cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1 - 1,5
Gbit/s. Cách đây không lâu thì một nhóm gồm 26 công ty trong đó có Vodafone
(Anh), Siemens (Đức), Alcatel (Pháp), NEC và DoCoMo (Nhật Bản), đã ký thỏa
thuận cùng nhau phát triển một tiêu chí cao cấp cho điện thoại di động, một thế hệ
thứ 4 trong kết nối di động – đó chính là nền tảng cho kết nối 4G. Công nghệ 4G
được hiểu là chuẩn tương lai của các thiết bị không dây. Các nghiên cứu đầu tiên


4

của NTT DoCoMo cho biết, điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100 Mbps
khi di chuyển và tới 1 Gbps khi đứng yên, cũng như cho phép người sử dụng có thể
tải và truyền lên các hình ảnh, video clips chất lượng cao. Hình 1.2 dưới đây dự
đoán nhu cầu gia tăng dung lượng người dùng trên toàn cầu đến năm 2019, qua hình
dưới đây ta thấy dung lượng người dùng ngày càng tăng nhanh và đến năm 2019 sẽ
đạt mức gần 25 Exabytes/tháng.

Hình 1.2: Lƣu lƣợng di động toàn cầu
Ngày nay trên khắp thế giới một số nước tiên tiến đã thử nghiệm thành công
công nghệ 5G và tổ chức viễn thông quốc tế liên hợp quốc ITU cũng đã chuẩn bị
đưa ra các tiêu chuẩn chi tiết về mạng 5G này [1, 2, 14]. Một vấn đề cấp thiết đặt ra
là mạng backhaul di động phải đáp ứng được các nhu cầu của mạng 5G cả về dung
lượng, băng thông, cải thiện tầm với và khả năng bảo mật,... Mặc dù 5G không
được hoàn thành và triển khai thương mại cho đến năm 2020, các thử nghiệm đầu


5

tiên sẽ bắt đầu vào năm 2018. Các nhà khai thác thông minh và các nhà cung cấp
đang học tất cả những gì họ có thể có được của công nghệ 5G hiện tại.

1.2.

Hệ thống backhaul di động
Mobile backhaul được xác định là các liên kết trung gian giữa mạng lõi hoặc

mạng xương sống với mạng ngoài. Mobile backhaul đối với mạng 2G là kết nối từ
BTS về BSC, các BTS với nhau và từ BSC về các phần tử của mạng lõi (MSC,
HLR, IN...) và được quy ước là tính từ giao diện Abis về phía mạng lõi. Trong
mạng 3G là kết nối từ NodeB về RNC, các NodeB với nhau và từ RNC về MSC và
các phần tử mạng lõi, tính từ giao diện Iub. Trong mạng 4G là kết nối từ EnodeB về
MME, các EnodeB với nhau và từ MME về các phần tử mạng lõi (MSC, HLR,
SGSN...). Hình 1.3 dưới đây xác định vị trí của mạng backhaul trong hệ thống
thông tin di động.

Hình 1.3: Vị trí của mạng backhaul trong hệ thống thông tin di động


6

Trên thực tế, các hệ thống backhaul di động đã tiến hóa qua ba giai đoạn.
Hình 1.4 thể hiện sự tiến hóa qua các giai đoạn của mạng backhaul di động, chi tiết
như sau:

Hình 1.4: Mạng backhaul di động qua các giai đoạn phát triển
 Giai đoạn 1: Backhaul dựa trên công nghệ TDM và ATM. Trong giai
đoạn này, mạng Backhaul sử dụng công nghệ TDM được áp dụng rộng

rãi và đáp ứng cả công nghệ TDM và ATM.
 Giai đoạn 2: Backhaul sử dụng công nghệ TDM lai ghép với gói. Công
nghệ này là một kiến trúc truyền gói tin trong mạng gói, với công nghệ
này băng thông sẽ lớn hơn băng thông cung cấp cho các dịch vụ 2G hoặc
3G. Mạng của backhaul gói sẽ hỗ trợ và kết hợp với mạng backhaul TDM
hiện có. Trong giai đoạn này công nghệ backhaul ATM sẽ dần chuyển
sang công nghệ gói và công nghệ TDM sẽ ngày càng ít sử dụng hơn.
 Giai đoạn 3: Backhaul toàn gói, trong giai đoạn này các dịch vụ dựa trên
công nghệ IP ngày càng chiếm ưu thế. Trong kiến trúc này tất cả các dịch


7

vụ dựa trên công nghệ TDM hoặc ATM sẽ được hội tụ và chỉ sử dụng
trên một nền tảng duy nhất là công nghệ gói.

Hình 1.5: Thị phần các công nghệ trong mạng backhaul di động
Hình 1.5 minh họa thị phần các công nghệ của hệ thống backhaul di động,
qua biểu đồ về thị phần ở trên ta nhận thấy rằng hệ thống backhaul di động sử dụng
công nghệ gói ngày càng tăng lên, sử dụng công nghệ TDM ngày càng giảm đi,
trong khi đó công nghệ lai ghép vẫn giữ ổn định và chiếm thị phần lớn nhất trong hệ
thống backhaul di động.
Trong các hệ thống backhaul di động, phương tiện truyền dẫn có thể là một
trong ba loại là cáp đồng, cáp quang và sóng vô tuyến hoặc vi ba. Bảng 1.1 dưới
đây so sánh ưu và nhược điểm của từng loại công nghệ backhaul di động, qua bảng
này ta nhận thấy đối với mạng sử dụng cáp đồng có nhiều ưu điểm như giá thành rẻ,
triển khai khá nhanh tuy nhiên lại giới hạn về mặt băng thông, với mạng sử dụng
cáp quang thì thời gian triển khai nhanh, băng thông không giới hạn tuy nhiên giá
thành lại rất đắt, với công nghệ sử dụng sóng vô tuyến tuy thời gian triển khai ngắn,
có khả năng dùng lại thiết bị, giá thành ở mức trung bình, băng thông có giới hạn

nhưng khá cao, tuy nhiên nhược điểm là phải đăng ký tần số và triển khai tại từng
trạm. Do vậy trên thực tế các mạng backhaul có thể sử dụng kết hợp nhiều loại công
nghệ khác nhau nhằm phù hợp với điều kiện thực tế của mạng lưới.


8

Cáp đồng

Cáp quang

Sóng vô tuyến

Yêu cầu bắt

Không có

Cáp quang ngầm

Đăng ký tần số

buộc

yêu cầu

Thời gian triển

Trung bình

Rất nhanh

Ngắn

Giá thành

Rất rẻ

Rất cao

Cao

Khả năng sử

Không

Không

Có

Giới hạn

Không giới hạn

Cao nhưng giới hạn

khai

dụng lại thiết bị
Băng thông

Bảng 1.1: Bảng so sánh ƣu nhƣợc điểm của từng loại phƣơng tiện truyền dẫn
trong mạng backhaul
Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về dung lượng của các mạng di động,
nhiều công nghệ truyền tải tốc độ Gigabit đã được nghiên cứu và áp dụng cho các
hệ thống backhaul nổi bật lên là công nghệ dựa trên hệ thống sợi quang (WDMPON), hệ thống truyền ánh sáng qua không gian tự do (FSO) và hệ thống truyền
sóng vô tuyến qua sợi quang (RoF).

Hình 1.6: Dự đoán đầu tƣ nghiên cứu vào các công nghệ trong mạng Backhaul
từ 2017 đến 2015
Hình 1.6 thể hiện dự đoán đầu tư nghiên cứu và phát triển các công nghệ
mới cho mạng backhaul 5G từ nay đến năm 2025. Theo dự báo này, việc sử dụng


9

công nghệ sợi quang sẽ ngày một gia tăng, công nghệ truyền sóng qua viba hoặc
sóng vô tuyến sẽ ngày càng thu nhỏ lại.

1.3.

Các yêu cầu của mạng backhaul

1.3.1. Tăng tốc độ cho đầu cuối

Hình 1.7: Sự phát triển dung lƣợng hệ thống backhaul di động
Trên thực tế cứ mỗi khi có một thế hệ mạng di động mới ra đời đòi hỏi mạng
backhaul phục vụ cho mạng di động đó cũng cần phát triển tương ứng nhằm đáp
ứng được nhu cầu cấp bách về tốc độ truyền tải, số lượng đầu cuối, các dịch vụ mới.
Càng lên các công nghệ cao hơn thì yêu cầu đòi hỏi mạng backhaul phục vụ cho thế
hệ di động kế tiếp càng yêu cầu cao hơn rất nhiều lần so với trước đó. Ví dụ từ

mạng 3G lên đến mạng 4G, tốc độ yêu cầu đã tăng lên rất lơn từ 2 Mbps lên đến
100 Mbps (tính trên lý thuyết). Hình 1.7 thể hiện sự phát triển dung lượng của hệ
thống backhaul di động tính theo năm, qua hình vẽ có thể dễ dang nhận thấy khi
công nghệ mạng di động ngày càng cao thì tốc độ tối đa của người dùng ngày càng
được cải thiện do đó mà lưu lượng backhaul tính theo số nốt mạng cũng ngày càng
tăng lên.


10

Theo nhu cầu phát triển của thực tế trong mạng di động, mạng backhaul cũng
phải tuân theo sự phát triển của mạng di động, từ 1G đến 5G. Với công nghệ 5G đòi
hỏi mạng backhaul di động cần phải thay đổi với nhiều yêu cầu cao hơn như tăng
tốc độ cho đầu cuối, số lượng đầu cuối tăng, có nhiêu loại thiết bị mới, nhiều dịch
vụ mới. Hiện tại tuy chưa có chuẩn về mạng 5G nhưng theo ITU thì mạng 5G chuẩn
phải đạt ít nhất các thông số như tốc độ dữ liệu đỉnh 20 Gbps, tốc độ người sử dụng
100 Mps, dung lượng theo mật độ là 10 Mbps/km2, số kết nối 106 thiết bị/1km2, tốc
độ di chuyển 500 km/h, độ trễ 1ms, hiệu quả sử dụng phổ tần gấp 3 lần, hiệu quả sử
dụng năng lượng gấp 100 lần. Do vậy các yêu cầu đặt ra cho mạng backhaul 5G là
rất lớn và cần phải có nghiên cứu một cách khoa học để đạt được các yêu cầu này
trong thực tế triển khai.
Như chúng ta đã biết hiện nay ở một số nước tiên tiến trên thế giới đã thử
nghiệm thành công công nghệ 5G. Về mặt lý thuyết tốc độ của 5G sẽ đạt khoảng 10
Gbps. Như vậy, để đáp ứng được yêu cầu về tốc độ cho các thiết bị đầu cuối đòi hỏi
mạng backhaul phục vụ cho 5G phải có những thay đổi. Hầu hết việc tăng tốc độ
truyền là do các nhà mạng tăng thêm các kênh không dây, sử dụng công nghệ sóng
milimet (tốc độ truyền trong khoảng ngắn) và các cell nhỏ (cell gọi là tế bào - đơn
vị địa lý cơ bản của hệ thống thông tin vô tuyến). Thiết lập nhiều cell nhỏ sẽ tăng
đáng kể độ phủ sóng trong khu vực để từ đó đi đến đường truyền kết nối giữa nhà
cung cấp dịch vụ với các trạm phân phối tới người dùng cuối, và giữa các trạm phân

phối với nhau. Hiện tại với công nghệ 5G đòi hỏi mạng backhaul sử dụng sóng
milimét (millimetre wave). Sóng milimét đại diện cho phổ tín hiệu RF giữa các tần
số 20 GHz và 300 GHz với bước sóng từ 1~15mm, nhưng xét về khía cạnh mạng vô
tuyến và các thiết bị thông tin, tên gọi sóng milimét tương ứng với các dải tần 24
GHz, 38 GHz, 60 GHz. Và gần đây, các dải tần 70 GHz, 80 GHz cũng đã được sử
dụng công cộng cho mục đích thiết lập mạng và truyền thông vô tuyến. Những dải
tần này được tận dụng thì có thể cải thiện rất nhiều tốc độ và băng thông không dây.
Hiện thời, gần như không có dữ liệu nào truyền trên mốc 24 GHz, bởi những
bước sóng này có xu hướng sử dụng ở tầm gần, hoạt động với khoảng cách ngắn


11

hơn. Ví dụ, mạng 4G LTE của AT&T hiện thời hoạt động ở dải tần 700 MHz, 850
MHz, 1,9 GHz và 2,1 GHz. Thay vì những trạm cơ sở trên mặt đất đang được sử
dụng bởi mạng 2G, 3G và 4G, có thể 5G sẽ sử dụng các trạm HAPS (High Altitude
Stratospheric Platform Stations). Về cơ bản, các trạm HAPS là những chiếc máy
bay treo lơ lửng ở một vị trí cố định trong khoảng cách từ 17km~22km so với mặt
đất và hoạt động như một vệ tinh. Cách này sẽ giúp đường tín hiệu được thẳng hơn
và giảm tình trạng bị cản trở bởi những kiến trúc cao tầng. Ngoài ra, nhờ độ cao,
trạm cơ sở có khả năng bao phủ diện tích rộng lớn; do đó làm giảm, nếu không nói
là loại bỏ, những vấn đề về diện tích vùng phủ sóng. Thậm chí trên biển, nơi các
trạm phát sóng trên đất liền không thể phủ sóng, cũng bắt được tín hiệu 5G. Trong
thực tế, 5G chủ yếu nhằm đảm bảo các hệ thống mạng có thể xử lý việc gia tăng số
lượng lớn các thiết bị. Internet of Things sẽ mở ra một kỷ nguyên mới của thiết bị
kết nối, tất cả mọi thứ từ hệ thống an ninh tại văn phòng cho đến thiết bị thu phát
sóng trên xe hơi cũng sẽ được kết nối. Khi cuộc cách mạng IoT bùng nổ, mạng 5G
sẽ giúp xử lý hàng trăm hàng triệu thiết bị và cảm biến kết nối cùng lúc.

1.3.2. Tăng lƣu lƣợng

Như chúng ta đã biết ngày nay với sự phát triển rất nhanh chóng của công
nghệ thông tin, ngày càng có nhiều thiết bị đầu cuối sẽ được phát triển và được áp
dụng công nghệ 5G như điện thoại cá nhân, máy tính bảng, laptop... Dự kiến trong
tương lại số lượng thiết bị này sẽ tăng theo cấp số nhân và trung bình 1 người sẽ sở
hữu ngày càng nhiều thiết bị đầu cuối hiện đại này. Lưu lượng tăng trưởng chóng
mặt và ngày càng phức tạp, đồng nghĩa với việc các nhà mạng di động phải quản lý
lưu lượng một cách chặt chẽ và phù hợp hơn đối với từng loại ứng dụng. Những yêu
cầu này không còn cố định như trước đây mà thay đổi động theo thời gian và địa
điểm, bắt buộc các nhà mạng phải chia ra nhiều mức độ quản lý cho phù hợp với
từng phân đoạn. Do băng thông mạng 5G là rất lớn cùng với chủng loại thiết bị đầu
cuối ngày càng hiện đại và phong phú, số lượng và chủng loại dịch vụ chạy trên nền
5G bùng nổ và phức tạp hơn rất nhiều so với công nghệ trước đó. Truy nhập vô
tuyến và quản lý lưu lượng trên mạng backhaul sẽ phải dựa trên nhiều yếu tố như:


12

loại lưu lượng nào, dịch vụ gì đang được khai thác,... Các yếu tố trên tạo nên tính
phức tạp khủng khiếp khi phải quản lý một lượng lưu lượng khổng lồ theo thời gian
thực. Mặt khác, việc giám sát và tối ưu mạng backhaul là phải theo thông số cảm
nhận của người sử dụng. Có như vậy thì mới có thể thỏa mãn được các đòi hỏi về
chất lượng dịch vụ ngày càng khắt khe của người sử dụng. Như vậy, mạng backhaul
vừa cần phải có khả năng cung cấp dung lượng theo yêu cầu như các mạng truyền
thống, đồng thời phải nhận diện được sự phức tạp của lưu lượng và giảm độ trễ
tương ứng để tránh các hiệu ứng nghẽn cổ chai với các dịch vụ chạy trên mạng di
động.

1.3.3. Các loại thiết bị, dịch vụ, kiến trúc mới
Hiện tại với việc hàng loạt các dịch vụ như Internet kết nối vạn vật (IoT) hay
M2M sẽ tạo ra một sự bùng nổ về các loại thiết bị mới được kết nối vào mạng 5G.

Điều này còn có nghĩa là có rất nhiều thiết bị mới không do con người kiểm soát.
Theo dự đoán các thiết bị mới này sẽ tăng lên với số lượng khoảng gấp 10 lần đến
tổng số các thiết bị kết nối. Với năng lực cơ sở hạ tầng của mạng 5G ngày càng phát
triển sẽ cho phép cung cấp các dịch vụ mới. Ví dụ như các dịch vụ internet xúc giác
(viễn thám, điều khiển từ xa, y học từ xa...) và các dịch vụ thực tế ảo sẽ làm phong
phú thêm các dịch vụ cung cấp bởi cả hai nhà cung cấp dịch vụ di động và cung cấp
dịch vụ OTT. 5G với tốc độ cao, độ trễ thấp, và tương thích ngược với các mạng
hiện tại sẽ mang đến nền tảng tốt hơn cho các kiến trúc mới mà từ trước tới nay
chưa từng có. Tiếp theo mạng 5G sẽ được bổ sung thêm kiến trúc mới như Cloud
RAN (mạng truy nhập vô tuyến đám mây) với các trung tâm dữ liệu nano hỗ trợ các
chức năng mạng dựa trên máy chủ như cổng IoT công nghiệp; bộ nhớ đệm video và
chuyển mã cho định dạng UltraHD. Ngoài ra 5G còn hỗ trợ cấu trúc liên kết với các
mạng không đồng nhất sẽ thuận tiện hơn cho người dùng. Ngoài ra 5G sẽ mang đến
một sự gia tăng đáng kể trong các trạm gốc và các yêu cầu mới cho đường truyền
kết nối giữa nhà cung cấp dịch vụ với các trạm phân phối tới người dùng cuối. Nền
tảng của công nghệ 5G được mong đợi là nền tảng World Wide Wireless Web
(wwww) hoàn hảo để kết nối mọi nơi trên trái đất. Một thế giới kết nối không dây


13

thực sự, nơi chúng ta có thể truy cập Internet xuyên suốt mà không gặp phải các rào
cản, giới hạn nào về mặt không gian và thời gian. Về bản chất, mạng 5G vẫn phát
triển dựa trên nền tảng của 4G nhưng ở mức độ cao hơn. Mạng 5G sẽ hỗ trợ LASCDMA, UWB, Network-LMDS, Ipv6 và BDMA. Với sự hỗ trợ đa dạng các nền
tảng, người dùng có thể kết nối cùng lúc với nhiều thiết bị qua mạng không dây và
dễ dàng chuyển đổi qua lại một cách nhanh chóng mà không gặp phải bất kỳ trở
ngại nào. Các thiết bị này có thể sử dụng các mạng di động khác nhau như 2,5G,
3G, 4G hoặc 5G, Wi-Fi, WPAN hoặc bất kỳ công nghệ truy cập nào khác xuất hiện
trong tương lai.
Gần đây, các cuộc thử nghiệm công nghệ 5G đã được diễn ra trên khắp thế

giới. Tại Nhật Bản, Hàn Quốc đã thử nghiệm thành công công nghệ ngày. Ngoài ra
Google cũng tham gia vào lĩnh vực 5G với việc mua lại công ty Alpental
Technologies nhằm hỗ trợ công nghệ sóng milimet để theo dõi vị trí chính xác hơn.
Còn Microsoft bắt đầu với bản thử nghiệm TV White Spaces nhắm vào các dải tần
còn trống mà các đài truyền hình không sử dụng. Một ông lớn trong làng công nghệ
khác là Facebook cũng đang nghiên cứu công nghệ mới nhằm xây dựng mạng
không dây cho các nước đang phát triển.

1.4.

Những thách thức của mạng backhaul 5G
Với các xu hướng và dịch vụ được liệt kê ở các mục trên, nhất là trên lý

thuyết chúng ta đã thấy được cả động lực và lợi ích của mạng 5G đem lại. Trong
thực tế để đạt được những mục đích này đòi hỏi phải thay đổi rất lớn trong các
mạng di động và cơ sở hạ tầng mạng được xây dựng phải đặc biệt chú trọng tới
mạng không dây backhaul và lớp truyền tải. Các xu hướng và dịch vụ được liệt kê ở
trên minh họa cả động lực hướng tới 5G và những lợi ích của nó. Trên thực tế, việc
đạt được những lợi ích này sẽ đòi hỏi những thay đổi lớn trong cách mạng di động
và các cơ sở hạ tầng cơ bản đang được xây dựng - đặc biệt là đối với lớp backhaul.