Công nghệ CPRI fronthaul

1. Giới thiệu

          Ngày nay, các nhà khai thác mạng di động (MNO) không ngừng nâng cấp các tháp di động của họ để cung cấp băng thông cao hơn và chất lượng dịch vụ tốt hơn. Lưu lượng truy cập Internet đã không ngừng tăng lên. Lưu lượng truy cập video trên thiết bị di động của người dùng đang tăng rất nhanh. Các MNO buộc phải nhìn xa hơn và đưa ra các giải pháp giúp họ luôn cạnh tranh, đồng thời cung cấp mức độ dịch vụ mà khách hàng của họ mong đợi.

          Hệ thống tháp di động dựa trên cáp đồng trục cồng kềnh, đắt tiền, tiêu tốn nhiều điện năng đang được loại bỏ và thay thế bằng sợi quang để có thêm công suất và khoảng cách truyền xa hơn. Việc chuyển đổi sang cơ sở hạ tầng cáp quang hiện mang lại khả năng mở rộng cao hơn sẽ giúp đảm bảo phạm vi phủ sóng và tăng trưởng băng thông cũng như tiết kiệm chi phí trong nhiều năm tới.

          Vì hệ thống cáp quang được tìm thấy ở mọi công trình lắp đặt tháp di động mới nên có một giao thức mới được gọi là giao diện vô tuyến công cộng chung (CPRI). Kết hợp sợi quang và CPRI cho phép MNO cung cấp chất lượng tốt hơn và dịch vụ nhanh hơn cho tất cả người dùng thiết bị di động.

Hình 1: Hệ thống tháp di động truyền thống dựa trên cáp đồng trục với chi phí lớn

          Như chúng ta có thể thấy từ Hình 1, các tháp di động cũ bao gồm các đoạn cáp đồng dài kết nối thiết bị vô tuyến từ xa (RRU) được đặt ở chân tháp đến tận đỉnh tháp, nơi có các ăng-ten. Thật không may, loại cơ sở hạ tầng này khá hạn chế. Các MNO được yêu cầu có diện tích rộng rãi với lều chuyên dụng, nguồn điện cấp và dự phòng (UPS) và các thiết bị điều hòa không khí. Chi phí để chạy một cell-site trở nên quá cao vì ngày càng có nhiều nhu cầu xây dựng và duy trì nhiều cell-site hơn nữa để đáp ứng nhu cầu dự kiến của người dùng di động. Mặc dù các tháp di động hiện tại vẫn hoạt động nhưng chúng vẫn chưa sẵn sàng cho những gì tương lai dành cho người dùng thiết bị di động. Hơn nữa, chúng sẽ không hiệu quả về chi phí.

          Nếu chúng ta nhìn vào một trang cell-site tương tự đã được nâng cấp, chúng ta thấy rằng sự khác biệt chính là hệ thống cáp đồng đã được thay thế hoàn toàn bằng sợi quang giữa trạm phát sóng (BTS) và ăng ten của tháp di động (tham khảo Hình 2). Chuyển từ cáp đồng sang cáp quang mang lại cho MNO ít nhiễu hơn, yêu cầu điện năng thấp hơn, băng thông cao hơn và quan trọng hơn là cần có khoảng cách xa hơn đối với các mạng C-RAN (Centralized – Radio Access Network) mới. Một sự khác biệt rõ ràng khác là RRH, được đặt ở dưới cùng của tháp di động cũ, hiện đã được di chuyển lên đỉnh của tháp di động ngay cùng với ăng-ten. Trong nhiều trường hợp còn tích hợp hoàn toàn RRH với ăng-ten của tháp di động.

Hình 2: Tháp di động thế hệ tiếp theo dựa trên sợi quang với chi phí thấp hơn

          Giao thức truyền thông chạy qua cáp quang giữa thiết bị băng tần cơ sở và đầu vô tuyến từ xa là CPRI, được thành lập vào năm 2003 bởi các nhà cung cấp BTS để xác định một thông số kỹ thuật nhằm tiêu chuẩn hóa giao diện giao thức giữa các thiết bị BTS (đơn vị băng tần cơ sở và đầu vô tuyến từ xa). Hình 3 trình bày cách thức hoạt động của giao thức CPRI từ việc nhận tín hiệu RF được truyền qua sợi quang tới IP Backhaul và ngược lại.

Hình 3: Cách thức hoạt động của giao thức CPRI

          Hơn nữa, Hình 3 minh họa rằng dữ liệu RF đến được số hóa qua đầu vô tuyến từ xa (RRH), thường được gọi là vô tuyến kỹ thuật số qua sợi quang (D-ROF). Sau đó, dữ liệu số hóa được gói vào luồng tín hiệu “dữ liệu người dùng” của giao thức CPRI, được gọi là Dữ liệu IQ. Quá trình tương tự diễn ra khi lưu lượng truy cập được nhập qua IP Backhaul; lưu lượng đi vào đơn vị kỹ thuật số (DU) và được gói lại trong luồng tín hiệu dữ liệu người dùng của giao thức CPRI. Khi RRH nhận được dữ liệu này, sau đó nó sẽ chuyển đổi dữ liệu đó trở lại thành analog, khuếch đại và phát tán ra không khí, cuối cùng đưa nó đến thiết bị của người dùng (UE).

          CPRI v7.0công nhận các tốc độ giao diện sau:

• Tốc độ bit dòng CPRI 1 = 614,4 Mbit/s
• Tốc độ bit dòng CPRI 2 = 1,229 Gbit/s
• Tốc độ bit dòng CPRI 3 = 2,457 Gbit/s
• Tốc độ bit dòng CPRI 4 = 3,072 Gbit/s
• Tốc độ bit dòng CPRI 5 = 4,915 Gbit/s
• Tốc độ bit dòng CPRI 6 = 6,144 Gbit/s
• Tốc độ bit dòng CPRI 7 = 9,830 Gbit/s
• Tốc độ bit dòng CPRI 8 = 10,137 Gbit/s
• Tốc độ bit dòng CPRI 9 = 12,165 Gbit/s
• Tốc độ bit dòng CPRI 10 = 24,3302 Gbit/s

          Với hai yếu tố chính được giới thiệu trong các nâng cấp tháp di động ngày nay, hệ thống cáp quang và CPRI, các MNO giờ đây có thể sử dụng C-RAN – còn được gọi là RAN tập trung – một kiến trúc mạng di động mới (về cơ bản là một mạng truy cập vô tuyến dựa trên đám mây) cho cơ sở hạ tầng mạng di động trong tương lai. Các mạng truy nhập vô tuyến truyền thống như minh họa trong Hình 1 và Hình 2 được xây dựng với nhiều trạm BTS hoạt động độc lập. Các tháp di động truyền thống này rất tốn kém để xây dựng và vận hành, đồng thời khả năng còn khá hạn chế. C-RAN là một sự phát triển nhằm mục đích tận dụng tối đa lợi thế của hệ thống cáp quang và giao thức CPRI. Cả hai thành phần mới quan trọng này đều mang đến sự linh hoạt và độ tin cậy. Cáp quang và CPRI khi được kết hợp với nhau sẽ cung cấp băng thông IP lên đến 600 Mbit/s, thậm chí còn cao hơn.

          Với sự ra đời của C-RAN cùng với cáp quang và CPRI, các MNO hiện có khả năng tập trung hóa việc triển khai trạm gốc cách xa tới 40 km. Điều này mang lại một mạng liên kết với băng thông rộng, có độ tin cậy cao, độ trễ thấp và chi phí thấp.

          Hai loại kiến trúc C-RAN phổ biến nhất được mô tả dưới đây. Hình 4 minh họa cách không chỉ một mà nhiều đơn vị băng tần cơ sở (BBU) hiện có thể được thiết lập trong một văn phòng trung tâm (Central Office). Hình 5 minh họa một tình huống tương tự; tuy nhiên trong trường hợp này, một BBU được sử dụng để chạy nhiều tháp di động.

Hình 4: Kiến trúc C-RAN (xếp chồng BBU)

Hình 5: Kiến trúc C-RAN (BBU tập trung)

          Những bước tiến lớn đạt được trong ngành viễn thông làm nảy sinh những thách thức mới đối với các kỹ thuật viên di động, những người phải học và thử nghiệm những công nghệ mới này. Thách thức chính mà các MNO phải đối mặt là khả năng cài đặt và khắc phục sự cố thiết bị sử dụng giao thức CPRI mới.

          Trong giai đoạn xây dựng, khi thiết bị CPRI thực tế (chẳng hạn như RRH và BBU) được lắp đặt, không có quy trình xác định rõ ràng nào quy định rằng từng phần thiết bị phải được lắp đặt và thử nghiệm đồng thời. Do đó, một số tình huống được cung cấp dưới đây để chứng minh cách các kỹ thuật viên lĩnh vực MNO có thể hưởng lợi từ một công cụ kiểm tra kết hợp kiểm tra sợi quang, kiểm tra Ethernet và giao thức CPRI trong một giải pháp dễ sử dụng, do đó tiết kiệm thời gian và tiền bạc.

2. Các tình huống thử nghiệm

Tình huống 1:

          Khi lắp đặt RRH, điều quan trọng là tất cả các thiết bị trên đỉnh tháp phải được xác minh trước khi các thiết bị khai thác kết thúc giai đoạn xây dựng. Giao thức CPRI chính đi kèm với thiết bị kiểm tra di động MAX-800 Series sẽ xác minh rằng RRH đã hoạt động hoàn toàn và các bộ thu phát SFP có thể cắm được phù hợp đã được cài đặt và kết nối đúng cách.

          Khi thiết bị thử nghiệm được kích hoạt với giao thức CPRI chính, các kỹ thuật viên có thể dễ dàng kết nối với RRH mà không cần cố gắng leo lên tháp di động. Cho dù BBU của cell-site có được kết nối với RRH hay không, MAX-800 vẫn có khả năng mô phỏng BBU hỗ trợ CPRI. Sau khi được kết nối với RRH, MAX-800 có thể cung cấp cho kỹ thuật viên hiện trường bản phân tích đầy đủ các thống kê CPRI quan trọng, bao gồm mức công suất quang, phiên bản giao thức, tần số và độ lệch tần số, siêu khung và số lượng từ mã, cũng như Ethernet được thương lượng hoặc các kênh điều khiển và bảo trì HDLC. Với tất cả các thông tin này, kỹ thuật viên hiện trường có thể dễ dàng đảm bảo rằng RRH đang hoạt động ở tốc độ dòng cụ thể phù hợp và truyền đầy đủ các khung hình liên tục từ đỉnh tháp đến đáy tháp.

Tình huống 2:

          Tình huống 2 minh họa kiến trúc C-RAN điển hình với sự tập trung của BBU. Tương tự như Tình huống 1, khi lắp đặt RRH, điều quan trọng là tất cả các thiết bị phải được kiểm tra lại trước khi hoàn thành giai đoạn xây dựng. Tính năng giao thức CPRI của NetBlazer sẽ hoạt động tốt ngay từ dưới đáy tháp (Tình huống 1) vì nó sẽ cách xa hàng km, đây là trường hợp trong môi trường C-RAN.

Tình huống 3:

          Trong các tình huống nêu trên, trọng tâm là giả lập BBU để kiểm tra RRH mà không cần phải leo lên tháp di động. Bây giờ, hãy trình bày kịch bản ngược lại: không cần phải leo lên tháp di động, một kỹ thuật viên hiện trường có thể sử dụng máy kiểm tra hiện trường di động NetBlazer để mô phỏng RRH nhằm kiểm tra giao thức CPRI. Đây được gọi là phần từ xa của giao thức CPRI. Với sự kết hợp của cả giao thức chính CPRI (mô phỏng BBU) và giao thức từ xa CPRI (mô phỏng RRH), có thể tránh được một đội xây dựng tốn kém.

3. Kết luận

          Khi nói đến việc khắc phục sự cố tại tháp di động, việc xác minh các liên kết CPRI giữa RRH và BBU đóng một vai trò quan trọng. Sau khi một vấn đề được phát hiện và kỹ thuật viên đã xác nhận rằng tất cả các hộp sợi quang và hộp nối đang kiểm tra không có vấn đề gì, điều đó dẫn đến việc cần có một bài kiểm tra cuối cùng: kiểm tra giao thức CPRI. Tuy nhiên, các kỹ thuật viên ngày nay không có phương tiện thích hợp để kiểm tra giao thức CPRI. Do đó, bước tiếp theo tốn kém là kêu gọi một đội xây dựng để mở rộng quy mô tháp và thay đổi các thiết bị đắt tiền một cách mù quáng. Điều này một lần nữa có thể tránh được bằng cách cung cấp cho các kỹ thuật viên thiết bị kiểm tra thân thiện với hiện trường để thực hiện mọi thứ cùng một lúc: kiểm tra sợi quang, kiểm tra Ethernet và phân tích giao thức CPRI mới.