Giải pháp backhaul và truy nhập hợp nhất cho mạng di động 5G

Điều này làm tăng đáng kể chi phí, mà chi phí chính đến từ chi phí triển khai sợi quang. Do đó, 5G sử dụng một loại backhaul không dây mới là backhaul và truy nhập hợp nhất (IAB), trong đó một phần phổ tần không dây được sử dụng cho kết nối backhaul giữa các trạm gốc thay cho sợi quang nhằm làm tăng mật độ mạng và hiệu quả về kinh tế.

Sử dụng công nghệ truy cập vô tuyến để cung cấp backhaul Trước đây, phổ tần truy nhập vô tuyến quá đắt và bị giới hạn trong việc sử dụng cho backhaul. Vì vậy, hệ thống LTE hiếm khi sử dụng phổ tần để cung cấp giải pháp backhaul một bước nhảy duy nhất với quyền truy cập băng tần riêng biệt như ở phần A của Hình 1. Phương pháp này sử dụng một thiết bị đầu cuối không dây cố định (FWT) để cung cấp kết nối với mạng lõi backhaul riêng biệt. Nó có thể nằm trong mạng lõi để truy cập vô tuyến hoặc nằm gần các nút vô tuyến để hỗ trợ kết nối giữa các địa điểm có độ trễ thấp hơn. Cũng có thể sử dụng 5G NR (5G New Radio) để cung cấp các giải pháp backhaul và truy cập riêng biệt như vậy. 

Một giải pháp khá giống IAB đã được nghiên cứu cho LTE trong bản phát hành 3GPP Rel-10 vào năm 2011, còn được gọi là chuyển tiếp LTE, nhưng nó không được triển khai thương mại vì phổ tần LTE hiện tại rất đắt. Tuy nhiên, với việc băng thông rộng mmWave hiện đã trở nên khả dụng, người ta rất quan tâm đến giải pháp IAB cho 5G NR. IAB cho 5G NR hiện được chuẩn hóa trong 3GPP Rel-16.

IAB có thể cung cấp giải pháp backhaul đa bước nhảy linh hoạt và có thể mở rộng, sử dụng các băng tần giống nhau hoặc khác nhau cho truy nhập và backhaul, như ở phần B của Hình 1. Backhaul được chuyển tiếp hiệu quả qua các nút vô tuyến được kết nối không dây với nhau và các liên kết backhaul được kết thúc bằng chức năng đầu cuối di động IAB (IAB-MT). IAB- MT có thể sử dụng ăng-ten riêng hoặc dùng chung anten truy nhập của trạm gốc (IAB-MT ảo). 

Loại thứ hai cung cấp mức độ tích hợp cao nhất và việc sử dụng các ăng-ten của trạm gốc cho phép backhaul ở khoảng cách xa hơn. Khái niệm IAB được 3GPP xác định là linh hoạt và có thể mở rộng để hỗ trợ các trường hợp sử dụng khác như cho các nút vô tuyến trong nhà công suất thấp. Tuy nhiên, cần nghiên cứu cải tiến nâng cao và tối ưu hóa IAB để trong tương lai sử dụng IAB ở tầm nhìn xa hơn.

 Khái niệm backhaul và truy nhập hợp nhất của 3GPP

IAB được định nghĩa để sử dụng các chức năng và giao diện 5G NR hiện có cũng như để giảm thiểu tác động đến mạng lõi. Kiến trúc này có thể mở rộng do đó số lượng các bước nhảy backhaul chỉ bị giới hạn bởi hiệu năng của mạng. Từ góc độ truyền tải, IAB cung cấp kết nối IP chung để cho phép dễ dàng nâng cấp thành truyền tải cáp quang khi cần thiết.

Trong mạng 5G, trạm gốc gNB cung cấp giao thức NR cho thiết bị người dùng (UE) và được kết nối với mạng lõi 5G (5GC). Như được định nghĩa trong 3GPP TS 38.401, gNB là một nút logic, có thể được chia thành một đơn vị trung tâm (CU) và một hoặc nhiều đơn vị phân tán (DU). CU lưu trữ các giao thức lớp cao hơn cho UE và kết cuối giao diện mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người dùng với 5GC. CU điều khiển các nút DU trên (các) giao diện F1, nơi nút DU lưu trữ các lớp thấp hơn cho giao diện Uu NR với UE. 

Như minh họa ở Hình 2, kiến trúc phân chia CU/DU được sử dụng cho IAB và cho phép hỗ trợ đa bước nhảy hiệu quả. Vì các chức năng thời gian tới hạn như lập biểu, tái truyền dẫn nhanh, phân đoạn… được đặt trong mỗi DU, nên giao diện F1 rất phù hợp cho backhaul không lý tưởng như IAB. IAB Donor là một nút logic cung cấp backhaul không dây dựa trên NR và bao gồm một CU và (các) DU donor kết nối hữu tuyến. Các nút IAB có thể phục vụ nhiều séc-tơ vô tuyến, kết nối backhaul vô tuyến tới IAB Donor, bao gồm một DU và một IAB-MT.

Tất cả các nút IAB và (các) donor DU sử dụng cùng CU, là một phần của một gNB, phù hợp với kiến trúc phân chia CU/ DU. Do backhaul không dây được tách biệt bên trong gNB nên bất kỳ thay đổi nào về backhaul hoặc định tuyến hoặc tô-pô nội tại đều có thể được thực hiện mà không ảnh hưởng đến 5GC hoặc các gNB lân cận. Tình huống tương tự cũng có thể được thực hiện trong các UE, trong đó nút IAB xuất hiện như một trạm gốc bình thường và hỗ trợ cả chế độ NR độc lập hoặc không độc lập.

Như thể hiện trong Hình 2, liên kết backhaul của NR nằm giữa nút "cha" ở phía mạng và nút "con" ở đầu kia. DU ở nút "cha" lập biểu lưu lượng backhaul đường lên và đường xuống đến/từ IAB-MT ở nút "con", hỗ trợ một tập hợp con giới hạn các chức năng UE NR. Điều này bao gồm chức năng lớp giao thức thấp hơn đối với nút "cha" cũng như chức năng Điều khiển tài nguyên vô tuyến và chức năng tầng không truy nhập đối với CU và 5GC của IAB donor.

Giao thức thích ứng backhaul (BAP) cho phép chuyển tiếp dữ liệu IP hiệu quả qua các nút vô tuyến liên kết nối IAB, nơi dữ liệu BAP được mang bởi các kênh Điều khiển liên kết vô tuyến backhaul (RLC) trên mỗi liên kết backhaul của NR. Nhiều kênh có thể được định cấu hình để cho phép ưu tiên lưu lượng và bắt buộc QoS và dựa trên các thuộc tính này, thực thể BAP trong mỗi nút ánh xạ các đơn vị dữ liệu giao thức đến kênh RLC backhaul thích hợp.

Chuyển tiếp Hop-by-hop từ IAB donor đến nút IAB đích dựa trên nhận dạng định tuyến BAP do IAB donor đặt ra. Bất kỳ lưu lượng IP nào cũng có thể được chuyển tiếp qua BAP, chẳng hạn như F1, hoạt động bảo trì và bảo dưỡng (O&M) của các nút IAB, cũng như kết nối của bất kỳ thiết bị nào khác tại vị trí nút IAB, như thể hiện trong Hình 2.

Các khía cạnh lớp vật lý

Tính năng IAB hỗ trợ backhaul ngoài băng và trong băng, trong đó tính năng thứ hai có nghĩa là sử dụng cùng tần số sóng mang cho cả các liên kết backhaul NR và các liên kết truy nhập. Hoạt động trong băng tần phải đi cùng với bán song công tức là phần IAB-MT của nút IAB không thể thu nhận trong khi DU của nó đang truyền nhằm tránh can nhiễu ở cùng địa điểm. Do đó, cần có sự phân tách miền thời gian nghiêm ngặt giữa các giai đoạn (phase) truyền và nhận trong mỗi nút IAB.

Các nút IAB có thể hỗ trợ Ghép kênh phân chia theo thời gian TDM, Ghép kênh phân chia theo tần số FDM và Ghép kênh phân chia theo không gian SDM giữa các liên kết backhaul và truy nhập ở một nút IAB. Với phổ tần mmWave, IAB được mong đợi sẽ đem lại lợi ích nhiều nhất khi sử dụng TDD với băng thông lớn có được từ các nhà khai thác. Mạng TDD thường được định cấu hình với một dải để phân bổ miền thời gian của tài nguyên đường xuống (DL) và đường lên (UL). Điều này được minh họa trong ví dụ ở Hình 2, với năm giai đoạn thời gian khác nhau được IAB lặp lại cho các trạng thái TDD của nút-cục bộ, trong đó các giai đoạn 1 - 4 được ánh xạ tới DL và giai đoạn 5 cho UL.

Sự kết hợp và thời gian của các giai đoạn khác nhau có thể linh hoạt tùy thuộc vào viễn cảnh, hiệu suất liên kết truy cập/backhaul, tải, v.v.. Do là bán song công nên sẽ có những khoảng thời gian mà các nút không được truyền trong một khe DL thông thường, làm giảm tốc độ đỉnh của một nút IAB so với một nút tương tự có backhaul hữu tuyến (không giới hạn). Điều này xảy ra bất cứ khi nào có sự truyền qua liên kết backhaul NR, vì đầu nhận của liên kết sẽ không hoạt động trong toàn bộ dải TDD. Trong ví dụ ở Hình 2, quá trình truyền backhaul xảy ra trong các giai đoạn 1 - 3 và hoạt động DL bình thường sẽ bị các nút nhận chặn (trong tất cả các séc-tơ) trong các giai đoạn này.

Những hạn chế trong triển khai IAB

Từ quan điểm kiến trúc 3GPP, tính năng IAB rất linh hoạt, hỗ trợ đa bước nhảy và nhiều loại cấu trúc liên kết. Tuy nhiên, có những khía cạnh khác hạn chế kích thước của tô-pô mạng IAB, trong đó hoạt động trong băng (chia sẻ phổ tần cho cả backhaul và truy cập) là một trong những hạn chế này. Các tô-pô IAB kích thước lớn hơn cũng có thể yêu cầu các chức năng điều khiển phức tạp hơn. Nhưng vì IAB là một sự bổ sung cho sợi quang, kích thước của hầu hết các mạng IAB được cho là sẽ nhỏ.

Trong mạng đa bước nhảy, bước nhảy backhaul đầu tiên phải mang băng thông backhaul không chỉ cho nút IAB đầu tiên mà còn cho tất cả các nút IAB khác nằm sâu trong chuỗi bước nhảy. Do đó, triển khai mạng đa bước nhảy thậm chí sẽ dẫn đến các nút backhaul bị hạn chế do tắc nghẽn trong bước đầu tiên. Việc tăng số bước nhảy cũng sẽ làm tăng độ trễ đầu cuối và tăng độ phức tạp cho việc lập biểu và định tuyến để đáp ứng QoS.

Các yêu cầu về đồng bộ 3GPP gNB cũng áp dụng cho các nút IAB và có thể được đáp ứng với giải pháp đồng bộ hóa nút-cục bộ dựa trên Hệ thống vệ tinh điều hướng toàn cầu. Trong một số tình huống, đây là điều không mong muốn và cũng không khả thi. Do đó, đồng bộ qua không gian là một lựa chọn thay thế, bằng cách sử dụng các ký hiệu tham chiếu được truyền định kỳ từ các nút "cha" làm nguồn đồng bộ cho nút "con". 

Độ chính xác đồng hồ tại DU donor phải tốt hơn yêu cầu của 3GPP, vì quỹ đồng bộ được chia sẻ/tổng hợp cho tất cả các nút sử dụng DU donor này. Do đó, có một số lý do thực tế để hạn chế số lượng bước nhảy và không triển khai các cấu trúc liên kết IAB quá lớn. Bất kể tô-pô nào cũng có những khía cạnh vô tuyến chung cần xem xét. 3GPP chỉ định các yêu cầu về giao diện vô tuyến cho IAB-MT bao gồm hai loại để phân biệt các trường hợp sử dụng khác nhau. Một loại dành cho việc sử dụng trên diện rộng với việc triển khai địa điểm theo kế hoạch, chẳng hạn như backhaul cho các địa điểm đường phố; một loại để sử dụng trong khu vực cục bộ với việc triển khai địa điểm có thể không được lập kế hoạch trước.

Loại diện rộng cho phép một giải pháp hợp nhất cho các liên kết truy cập và backhaul, trong đó nút IAB có thể được hưởng lợi từ việc sử dụng đầy đủ các tính năng của trạm gốc - chẳng hạn như hệ thống ăng ten tiên tiến (AAS) và công suất đầu ra cao - để cung cấp hiệu năng của liên kết backhaul tốt và khoảng cách tương đối lớn giữa các nút cha và nút con.

IAB-MT diện rộng và cục bộ được dùng cho các tình huống triển khai khác nhau và sử dụng các dải TDD khác nhau. Trong Hình 2, tất cả lưu lượng liên kết backhaul được lập biểu trong suốt thời gian các khe thời gian DL nhưng có thể áp dụng một sơ đồ TDD khác trong đó các khe thời gian UL được sử dụng cho backhaul đường lên. Cách thứ hai bị hạn chế về công suất đầu ra, khiến nó phù hợp hơn với việc triển khai tại khu vực nội bộ.

Như trong minh họa các giai đoạn TDD ở Hình 2, trong các khe thời gian nhất định, nút IAB sẽ hoạt động ở chế độ đảo ngược so với dải TDD chung. Điều này có nghĩa là một nút có thể đang ở chế độ nhận liên kết backhaul trong suốt khe DLvà bị nhiễu nút lân cận, cả trong cùng một kênh cũng như giữa các kênh trong cùng một dải tần. Mặc dù liên kết backhaul chống nhiễu tốt hơn do quỹ đường truyền tốt nhưng vẫn yêu cầu các biện pháp như cách ly các nút (ví dụ: khoảng cách tách biệt) hoặc các mẫu TDD để tránh nhiễu quá mức.

IAB từ khía cạnh backhaul

Backhaul truyền thống là một dịch vụ do miền mạng truyền tải cung cấp cho các nút truy cập vô tuyến. Đối với IAB, một phân đoạn của backhaul được nhúng vào miền RAN nhằm chia sẻ các tài nguyên vô tuyến chung. Quá trình truyền tải backhaul không thể xác định được kích thước trên cơ sở từng nút riêng lẻ, vì IAB donor kết cuối "backhaul chung" cho tất cả các nút IAB ở dưới và mở rộng truy cập vô tuyến đến các UE thông qua một mạng lưới liên kết backhaul và truy nhập. Thay vào đó, việc đo kích thước backhaul cho hệ thống IAB cần phải là một phần của việc đo kích thước RAN và xem xét các tài nguyên vô tuyến được chia sẻ cho backhaul và truy nhập. 

Từ góc độ mạng truyền tải, các nút IAB xuất hiện như là phần mở rộng của IAB donor. Các phương pháp gán IP có thể được sử dụng cho các nút IAB cũng như cho các nút vô tuyến được kết nối bằng sợi quang, tạo điều kiện nâng cấp dễ dàng cho việc truyền tải bằng sợi quang khi cần thiết. IAB cũng có thể cung cấp kết nối IP cho các thiết bị khác tại vị trí nút IAB, như trong Hình 2.

Các yêu cầu về hiệu năng truyền tải IAB donor bị ảnh hưởng bởi số lượng các nút IAB được kết nối. Lưu lượng dữ liệu vào giờ cao điểm được truyền thông qua IAB donor và tăng lên với mỗi nút IAB được kết nối. Các yêu cầu về độ trễ và đồng bộ hóa đối với quá trình truyền tải cũng bị ảnh hưởng vì mỗi bước nhảy backhaul của IAB sẽ thêm độ trễ và lỗi thời gian. Những khía cạnh này cũng sẽ giới hạn kích thước của tô-pô IAB.

Một lượng lớn phổ mmWave đang có sẵn trên toàn cầu sẽ khơi mào cho nhiều trường hợp sử dụng 5G một cách sáng tạo. Backhaul và truy nhập hợp nhất (IAB) là một trong những giải pháp mới có thể cải thiện 5G New Radio để hỗ trợ không chỉ truy nhập mà còn cả backhaul không dây. Backhaul vi ba điểm-điểm sẽ vẫn là một bổ sung cần thiết cho sợi quang để truyền tải 5G cho các địa điểm vĩ mô truyền thống, trong khi IAB là một khái niệm tiên tiến đầy hứa hẹn có thể trở nên quan trọng đối với backhaul không dây của các địa điểm đường phố. Các mô phỏng mạng vô tuyến cho thấy IAB có thể đóng vai trò là một lựa chọn thay thế linh hoạt ở các địa điểm đường phố ở khu vực thành thị và ngoại ô, sử dụng các tô-pô hình sao và hình cây quy mô nhỏ. Nó cũng có thể hữu ích trong việc triển khai tạm thời cho các sự kiện đặc biệt hoặc các tình huống khẩn cấp.

Tài liệu tham khảo

[1] Oumer Teyeb, Ajmal Muhammad, Gunnar Mildh, Erik Dahlman, Filip Barac, Behrooz Makki, Integrated Access Backhauled Networks, 20XX IEEE.

[2] HENRIK RONKAINEN, JONAS EDSTAM, ANDERS ERICSSON, CHRISTER ÖSTBERG, Integrated access and backhaul- A new type of wireless backhaul in 5G, Ericsson, 07/2020. 

[3] 5G American White Paper, Inovations in 5G backhaul tecnologies, 06/2020.

(Bài đăng ấn phẩm in Tạp chí TT&TT số 15+16 tháng 11/2020)