Chuyển động ICT

Công nghệ mạng truy nhập vô tuyến mở (Open RAN) và kiến nghị đối với Việt Nam

Phòng Công nghệ và Dịch vụ - Cục Viễn thông - Bộ TT&TT • 16/10/2024 09:15

Mạng truy nhập vô tuyến (Radio Access Network - RAN) là một thành phần chính trong mạng thông tin di động tế bào. Mạng RAN kết nối thiết bị của người sử dụng (User Equipment - UE) với mạng lõi (Core Network - CN).

“
Tóm tắt:
Sự hình thành giao diện FrontHaul trong kiến trúc Open RAN
Kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến mở (Open-RAN)
Một số hướng nghiên cứu phát triển Open RAN:
- Nghiên cứu phát triển các loại phần cứng RU, Massive MIMO hỗ trợ phân tách chức năng.
- Nghiên cứu các chức năng tập trung và phân tán (DU/CU) và ứng dụng cloud.
- Ứng dụng công nghệ điện toán biên (Edge Computing) trong phát triển Open RAN.
- Nghiên cứu các vấn đề về bảo mật đối với các thành phần trong kiến trúc Open RAN.
- Nghiên cứu phát triển Open RAN theo hướng All G (2G, 3G và 4G).

Công nghệ mạng RAN đã có những bước phát triển để đáp ứng được các yêu cầu ngày càng cao về kỹ thuật mạng, cũng như cung cấp dịch vụ. Trong phạm vi bài viết này, chúng tôi đề cập đến công nghệ mạng truy nhập vô tuyến mở (Open RAN) từ sự hình thành giao diện FrontHaul đến một số hướng nghiên cứu phát triển cho công nghệ đầy triển vọng này.

Sự hình thành giao diện FrontHaul trong kiến trúc Open RAN

Sự hình thành giao diện FrontHaul trong kiến trúc Open RAN:
Kiến trúc của mạng RAN đã có những bước phát triển từ phân tán (Distributed RAN, D-RAN) đến tập trung (Centralized RAN, C-RAN) và ảo hóa (Virtualization RAN, vRAN) [1]. Tuy nhiên vRAN chưa đáp ứng được các yêu cầu về đa dạng trong kết nối thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau và linh hoạt, nhanh chóng trong triển khai cung cấp dịch vụ 5G. Một trong những hướng cải tiến để đáp ứng được các yêu cầu này là tạo ra các giao diện mở cho phép nhà mạng có thể chủ động hơn trong việc phát triển mạng RAN, giảm sự phụ
thuộc vào nhà cung cấp thiết bị truyền thống.

Trong kiến trúc RAN truyền thống hay còn gọi là D-RAN [2], các thiết bị được lắp đặt tại trạm gốc (Base Station – BS) gồm hai thành phần chính là Khối vô tuyến (Radio Unit – RU) thực hiện chức năng thu phát tín hiệu vô tuyến và Khối xử lý băng gốc (Baseband Unit – BBU) thực hiện các chức năng quản lý vô tuyến, tối ưu hóa tài nguyên và các chức năng điều hành khác (Phần a, Hình 1). Trường hợp RU được lắp đặt trên cột anten (không lắp đặt trong phòng máy cùng với BBU) thì RU được gọi là RRU (Remote RU). Nhược điểm của kiến trúc D-RAN là các trạm BS được lắp đặt tại các vị trí địa lý khác nhau nên chi phí vận hành (OpEx) khá cao (bao gồm chi phí thuê chỗ lắp đặt thiết bị, điện, làm mát...).

Kiến trúc C-RAN được đề xuất nhằm khắc phục phần nào nhược điểm trên của kiến trúc D-RAN.

Trong kiến trúc C-RAN (Phần b, Hình 1), các khối BBU không lắp đặt rời rạc tại các trạm BS (on-site) mà được lắp đặt tại các trung tâm (BBU Pool). Giao diện kết nối giữa BBU Pool và các RRU gọi là giao diện FH (FrontHaul). Mặc dù làm giảm chi phí OpEx nhưng kiến trúc này yêu cầu phải có mạng truyền dẫn băng rộng, độ trễ thấp giữa BBU Pool với các RRU ở các vị trí địa lý khác nhau [3].

Hình 1. Các kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến (RAN)

Trong kiến trúc C-RAN, BBU Pool được triển khai theo hai cách, hoặc BBU Pool đơn thuần chỉ là một vị trí địa lý lắp đặt chung cho các khối BBU tương ứng với các BS ở các vị trí địa lý khác nhau, hoặc BBU Pool được triển khai trên một Cloud Server. Nếu BBU được triển khai trên Cloud Server thì kiến trúc này còn được gọi là Cloud RAN (Phần c, Hình 1).

Công nghệ Open RAN:

Như đã nêu trong kiến trúc C-RAN hình thành giao diện FH là giao diện giữa thiết bị RRU và BBU. Trong thực tế triển khai giao diện FH thường là giao diện “độc quyền”, nghĩa là chỉ các thiết RRU và BBU của cùng một nhà sản xuất mới có thể kết nối được với nhau (thiết bị RRU của nhà sản xuất này không thể kết nối với BBU của nhà sản xuất khác).

Điều này dẫn đến việc “lock-in” vào nhà sản xuất thiết bị trong quá trình triển khai mở rộng mạng RAN. Một trong những mục tiêu của kiến trúc Open RAN là tạo ra giao diện FH mở (không độc quyền), cho phép thiết bị RRU của nhà sản xuất này có thể đấu nối vào thiết bị BBU của nhà sản xuất khác (Hình 2).

Hình 2. Kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến mở (Open-RAN)

Mặc dù thuật ngữ Open RAN đã được đề xuất từ tháng 5/20024, thuật ngữ này có hàm ý chỉ một mạng RAN phân tách và tương tác. Năm 2018 Open RAN được hiểu: “Khi các giao diện của trạm gốc thực hiện theo tiêu chuẩn mở, cho phép sử dụng các bộ phận khác nhau của trạm gốc từ các nhà cung cấp (suppliers) khác nhau. Sự khác biệt với “RAN truyền thống” là các giao diện từ trạm gốc đến các phần khác của mạng theo tiêu chuẩn mở (trong 3GPP)”.

Tính Phân tách và tính Tương tác là hai xu hướng phát triển công nghệ Open RAN, nó cho phép hình thành một môi trường đa nhà cung cấp (phần cứng, phần mềm, giải pháp cho RAN) và các chức năng của mạng RAN có thể chạy trên các bộ vi xử lý đa năng thay vì chạy trên các chip độc quyền của một vài nhà cung cấp [5].

Một xu hướng phát triển công nghệ Open RAN là “Phân tách”, nghĩa là phần mềm được tách khỏi phần cứng chuyên dụng (Hình 3). Để thực hiện điều này, một số nhà cung cấp giải pháp đã phát triển các phần mềm cho phép cung cấp các tính năng tương đương với tính năng được cung cấp bởi phần cứng của nhà cung cấp thiết bị độc quyền khác. Thông qua việc phân tách này, phần mềm RAN có thể chạy trên các bộ vi xử lý đa năng của các phần cứng thương mại COTS (Commercial Off-The-Shelf) và cho phép mở rộng tính năng tương tác của nó. Do phần mềm RAN này có thể chạy trên phần cứng của bất kỳ nhà cung cấp nào nên nó tránh được việc phụ thuộc vào một nhà cung cấp thiết bị/giải pháp cụ thể.

Hình 3. Phân tách phần mềm và phần cứng trong Open-RAN

Ngoài ra, do sự mềm hóa các chức năng trong RAN nên các kỹ thuật “tăng tốc” trong phát triển phần mềm cũng có thể được sử dụng để phát triển mạng RAN, ví dụ các kỹ thuật “tích hợp liên tục” hay “triển khai liên tục” (continuous integration and continuous deployment – CI/ CD). Điều này cho phép giảm thời gian triển khai mạng RAN, cũng như thời gian thâm nhập thị trường của các thiết bị hay giải pháp triển khai mới của mạng RAN.

Một số hướng nghiên cứu phát triển Open RAN

Tập đoàn Dell’Oro6 dự đoán trong năm 2024, các nhà khai thác sẽ chi 3 tỷ USD cho các sản phẩm Open RAN. ABI Research [7] dự đoán rằng đến năm 2026 đối với các mạng công cộng ngoài trời, doanh số bán các sản phẩm Open RAN sẽ đạt 40,7 tỷ USD, chiếm 45% thị phần. RAN Research, một bộ phận của Rethink Research [8], dự kiến Open RAN sẽ “chiếm 58% tổng chi phí Capex của mạng RAN (bao gồm cả phần cứng, phần mềm và dịch vụ RAN mở) đạt mức 32,3 tỷ USD và sẽ được triển khai khoảng 65% các node/trạm vào năm 2026”. Các dự báo trên đều cho rằng Open RAN sẽ phát triển mạnh trong thời gian tới. Để đạt được triển vọng này, Open RAN có một số hướng phát triển trong thời gian tới [9] như sau:

(1) Nghiên cứu phát triển các loại phần cứng RU, Massive MIMO hỗ trợ phân tách chức năng. Các phần cứng RU của các vendor khác nhau được nghiên cứu phát triển để kết hợp với phần mềm DU và CU chạy trên các bộ vi xử lý đa năng COTS.

(2) Nghiên cứu các chức năng tập trung và phân tán (DU/CU) và ứng dụng cloud. Khi Open RAN được triển khai mạnh trong thực tế thì vấn đề tập trung hay phân tán (DU/CU) sẽ được xem xét trong từng trường hợp cụ thể. Khi chức năng DU hỗ trợ các ứng dụng thời gian thực (real-time) thì khối DU thường được đặt cùng chỗ với khối RU tại vị trí trạm. Trong trường hợp các ứng dụng không theo thời gian thực (near real-time), các chức năng phần mềm DU/CU sẽ được đặt trên cùng một các bộ vi xử lý đa năng COTS tại trung tâm dữ liệu (data center).

(3) Ứng dụng công nghệ điện toán biên (Edge Computing) trong phát triển Open RAN.

(4) Nghiên cứu các vấn đề về bảo mật đối với các thành phần trong kiến trúc Open RAN.

(5) Nghiên cứu phát triển Open RAN theo hướng All G (2G, 3G và 4G). Open RAN không chỉ dành cho mạng 5G mà còn được triển khai trong các mạng truyền thống hiện có bao gồm cả 2G, 3G và 4G.

“
1. Singh, S.K.; Singh, R.; Kumbhani, B. The Evolution of Radio Access Network towards Open-RAN: Challenges and Opportunities. In Proceedings of the 2020 IEEE Wireless Communications and Networking Conference Workshops (WCNCW), Seoul, Republic of Korea, 6–9 April 2020; pp. 1–6.
2. Brik, B.; Boutiba, K.; Ksentini, A. Deep Learning for B5G Open Radio Access Network: Evolution, Survey, Case Studies, and Challenges. IEEE Open J. Commun. Soc. 2022, 3, 228–250.
3. Bartelt, J.; Rost, P.; Wubben, D.; Lessmann, J.; Melis, B.; Fettweis, G. Fronthaul and backhaul requirements of flexibly centralized radio access networks. IEEE Wirel. Commun. 2015, 22, 105–111.
4. Kempf, J.; Yegani, P. OpenRAN: A new architecture for mobile wireless Internet radio access networks. IEEE Commun. Mag. 2002, 40, 118–123.
5. Everything You Need to Know about Open Ran. Available online: https://www.parallelwireless.com/wp-content/uploads/ Parallel-Wireless-e-Book-Everything-You-Need-to-Know-about-Open-RAN.pdf (accessed on 15 July 2023)
6. https://www.delloro.com/?s=Open+RAN
7. https://www.abiresearch.com/search/?q=Open+RAN
8. https://rethinkresearch.biz/?s=Open+RAN
9 https://www.rcrwireless.com/20201207/open_ran/11-open-ran-predictions-for-2021-reader-forum

(Bài đăng ấn phẩm in Tạp chí TT&TT số 7 tháng 7/2024)