Việc triển khai 5G sẽ có tác động đáng kể đến các tuyến truyền dẫn đường trục trong những năm tới. Từ nghiên cứu của Công ty nghiên cứu thị trường ABI Research về 30 thị trường hàng đầu cho thấy, thuê bao di động 5G dự kiến sẽ có tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR - Compound Annual Growth Rate) đạt 41,2% trong giai đoạn từ năm 2021 đến năm 2027, tăng từ 378 triệu thuê bao vào năm 2021 lên 4,2 tỷ vào năm 2027. Tương tự, lưu lượng truy cập ở các thị trường này ước tính tăng lên 6.268 exabyte vào năm 2027, trong đó 5G chiếm 83% tổng lưu lượng.
Các tuyến truyền dẫn đường trục cần đáp ứng với sự phát triển của 5G
Mặc dù truyền dẫn bằng cáp quang sẽ đóng một vai trò quan trọng, nhưng các tuyến truyền dẫn bằng vi ba sẽ chiếm phần lớn các tuyến liên kết đường trục trên toàn cầu từ năm 2021 đến năm 2027, với khoảng 65% thị phần. Tuy nhiên, việc tiếp tục sử dụng các tuyến backhaul vô tuyến sẽ đòi hỏi sự phát triển hướng tới các băng tần cao hơn, đặc biệt là băng tần E nhằm có thể hỗ trợ các kênh rộng hơn và băng thông lớn hơn.
Nhu cầu tăng cường mật độ mạng để hỗ trợ 5G sẽ dẫn đến việc bổ sung thêm các trạm gốc cỡ lớn (macro cells), bên cạnh đó các trạm gốc cỡ nhỏ (small cells) cũng được triển khai ở các khu vực đô thị để xử lý lưu lượng tăng lên ở các khu vực này. Các tuyến truyền dẫn dựa trên macro cells sẽ tăng từ khoảng 8,1 triệu liên kết vào năm 2021 lên 11,1 triệu liên kết vào năm 2027, trong khi số lượng liên kết dựa trên small cells sẽ tăng từ 1,6 triệu liên kết vào năm 2021 lên 6,1 triệu vào năm 2027 với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm là 25,8%.
Ở khu vực đô thị, không phải tất cả các trạm gốc di động đều được hỗ trợ bởi đường truyền dẫn cáp quang. Các tuyến liên kết backhaul sử dụng sóng vi ba và sóng mmWave rất linh hoạt và có thể hỗ trợ tốc độ dữ liệu đáng kể. Băng tần E có thể cho phép xử lý lưu lượng nhiều hơn từ 15 lần đến 20 lần so với các tuyến liên kết backhaul băng tần vi ba điển hình (14 GHz đến 25 GHz). Truyền dẫn backhaul bằng sóng vi ba có ưu điểm là triển khai nhanh chóng, chi phí vừa phải và khả năng dễ tiếp cận.
Hiện nay, các cơ quan quản lý phổ tần đang dần quan tâm đến các liên kết backhaul sử dụng các tần số cao hơn, vì tần số dưới 7 GHz ngày càng trở nên chật chội và chủ yếu dành cho các dịch vụ liên quan đến truy cập như di động và Wi-Fi.
Sự phát triển trong kiến trúc mạng
Khi các nhà khai thác di động mở rộng mạng lưới của họ, các kiến trúc mạng cũng cũng dần thay đổi cho phù hợp với thực tế. Sự phát triển của các tuyến truyền dẫn đường trục sử dụng cấu trúc liên kết mạng hình sao sẽ thay thế cho các cấu trúc mạng dạng vòng và dạng cây vì 3 yếu tố sau:
- Mật độ mạng tăng lên đòi hỏi sự tối ưu hóa tổng thể về dung lượng mạng và độ trễ;
- Sự chia sẻ và hợp nhất mạng truy cập vô tuyến (RAN) giữa các nhà khai thác;
- Tăng khả năng thâm nhập của cáp quang từ các mạng lõi đến biên của mạng.
Trong cấu trúc liên kết hình sao, các tuyến truyền dẫn chính được kết nối bằng cách sử dụng các tuyến truyền dẫn cáp quang, các tuyến truyền dẫn còn lại sẽ sử dụng đường truyền vi ba điểm - đa điểm (P2MP: Point-to-MultiPoint) và băng tần mmWave.
Các giải pháp khác để tăng dung lượng truyền dẫn trong băng tần vi ba và mmWave
Triệt nhiễu phân cực chéo - XPIC (Cross-Polarization Interference Cancellation) là một kỹ thuật có thể tăng gấp đôi hiệu suất phổ bằng cách truyền hai tín hiệu trong một mặt phẳng ngang và đứng trên cùng một kênh. Sự truyền sóng trong các phân cực trực giao hoạt động tốt miễn là sự phân biệt giữa hai hướng phân cực đủ cao. Điều này đòi hỏi hoạt động của sóng vô tuyến trong điều kiện lan truyền gần lý tưởng.
Can nhiễu phân cực chéo (XPI: Cross-Polarization Interference) gây ra do các hiện tượng khác nhau như lượng mưa, truyền sóng đa đường và sự không hoàn hảo của thiết bị. Vì vậy, để đảm bảo hoạt động hiệu quả, cần phải đưa ra các kỹ thuật làm triệt tiêu phân cực chéo (XPD: Cross-Polarization Discrimination), đặc biệt là khi các sơ đồ điều chế mức cao đang được sử dụng. Điều này được thực hiện với một bộ lọc thích ứng có thể tính đến bản chất thay đổi theo thời gian của các hiện tượng.
Tổng hợp băng tần và sóng mang - BCA (Bands and Carriers Aggregation) cho backhaul liên quan đến việc liên kết nhiều kênh trên các băng tần khác nhau để xây dựng kết nối điểm - điểm (P2P: Point- to-Point) dung lượng cao hơn. BCA cho backhaul có nhiều biến thể, với các cặp tần số khác nhau phục vụ cho các tình huống triển khai khác nhau. Đối với các tổ hợp BCA hỗ trợ phạm vi phủ sóng rộng với dung lượng được nâng cao, các kênh trong băng tần vi ba truyền thống của Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) trong khoảng 6 GHz đến 42 GHz có thể được kết hợp với các kênh ở tần số băng tần E từ 71 GHz đến 86 GHz.
Liên kết trong băng tần thấp hơn được sử dụng để đáp ứng mức độ sẵn sàng của nhà cung cấp dịch vụ; đảm bảo rằng lưu lượng có mức độ ưu tiên cao đáp ứng các yêu cầu về tính khả dụng của mạng. Việc kết hợp các băng tần thấp hơn với băng tần E bằng cách sử dụng ăng-ten băng tần kép sẽ cho phép các liên kết phủ sóng từ 7km đến 10 km với dung lượng về cơ bản có thể vượt quá 10 Gbps.
Công nghệ ăng ten đa đầu vào - đa đầu ra - MIMO (Multiple Input-Multiple Output) đã trở thành một công nghệ thiết yếu trong một số ứng dụng vô tuyến. Các nhà khai thác di động có thể triển khai các tuyến liên kết backhaul vô tuyến trong tầm nhìn thẳng sử dụng cấu hình MIMO 2 × 2 hoặc 4 × 4. Trong đó, cấu hình MIMO 2 × 2 bao gồm hai bộ phát và bộ thu được kết nối với hai ăng-ten ở mỗi bên; cấu hình MIMO 4 × 4 cũng có thể được thực hiện trong thiết lập này bằng cách sử dụng bốn máy phát và máy thu ở cả phân cực ngang và đứng.
Vai trò của băng tần E trong tuyến truyền dẫn backhaul
Tuyến truyền dẫn backhaul vô tuyến đã được triển khai trong một loạt các tần số từ 7 GHz đến 44 GHz theo cách truyền thống, nhưng sự ra đời của băng tần E đã làm thay đổi cục diện. Băng tần E hiện đã được cấp phép tại hơn 86 quốc gia trên toàn cầu và đang có xu hướng tăng lên, số lượng liên kết băng tần E dự kiến sẽ tăng với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm là 11,6% trong 7 năm tới. Sự gia tăng này có thể được thúc đẩy bởi các giải pháp BCA và sự gia tăng thiết bị hỗ trợ băng tần E. Dự báo đến năm 2027, tổng số liên kết trong băng tần E đạt 2,3 triệu, chiếm 71% tổng số liên kết trong băng tần mmWwave (bao gồm băng tần V, E, W và D).
Thông thường, băng tần E cung cấp băng thông khoảng 10 GHz và khoảng cách truyền dẫn vào khoảng 2 km đến 3 km. Tuy nhiên, với việc sử dụng các ăng ten tự động điều chỉnh chùm tia, máy phát băng tần E công suất cao và ăng ten lớn hơn (0,6 mét và 0,9 mét) sẽ giúp tăng khoảng cách truyền dẫn lên 3 km đến 5 km, đồng thời hỗ trợ tốc độ dữ liệu lên đến 20 Gbps. Việc tự động điều chỉnh chùm tia sử dụng các thuật toán thông minh nhằm duy trì sự ổn định của chùm tia trong quá trình truyền dẫn, do đó giảm đáng kể các yêu cầu về độ ổn định đối với việc triển khai băng tần E trên các tháp di động.
Áp dụng cơ chế cấp phép linh hoạt
Về mặt lịch sử, phổ tần số sử dụng cho các tuyến liên kết backhaul được cấp phép sử dụng trong một thời gian ngắn, các giấy phép thường được gia hạn sau mỗi 1 hoặc 2 năm. Điều này phù hợp với các tuyến liên kết backhaul khoảng cách xa hơn, nhưng vì các trạm gốc của nhà khai thác di động đã dày đặc, các nhà khai thác cần lắp đặt nhiều tuyến liên kết backhaul hơn trên một phạm vi nhất định và cần sự linh hoạt để cấu hình lại các tuyến liên kết. Việc áp dụng cơ chế pháp cấp phép linh hoạt (nhà quản lý cấp phép một băng tần được sử dụng trên một phạm vi nhất định; các nhà khai thác có thể linh hoạt tự thiết lập các tuyến liên kết backhaul trong phạm vi đó), sẽ giúp nhà khai thác giảm được chi phí cũng như phối hợp với những người dùng khác trong các băng tần liền kề.
Cấp phép linh hoạt để giảm các yêu cầu về thủ tục hành chính và thời hạn sử dụng dài hơn, đó là một trong những yếu tố tạo nên thành công khi sử dụng băng tần E.
Kết luận
Việc tăng tốc độ dữ liệu, giảm độ trễ và đảm bảo độ tin cậy trong mạng 5G sẽ có tác động làm thay đổi các dịch vụ di động hiện có và cho phép cung cấp các dịch vụ di động mới. Truyền dẫn bằng cáp quang sẽ là nền tảng công nghệ backhaul quan trọng cho thông tin di động, nhưng các hệ thống backhaul sử dụng sóng vi ba và mmWave sẽ chứng tỏ là giải pháp quan trọng cho việc triển khai một số lượng lớn các small cells và macro cells ở cả trung tâm thành thị và cộng đồng nông thôn.
Chính phủ và cơ quan quản lý các nước sẽ cần phải xem xét cẩn trọng các nhu cầu phổ tần cho các tuyến truyền dẫn backhaul trong tương lai để có thể cung cấp các băng tần phù hợp vào đúng thời điểm. Đặc biệt, tính linh hoạt của băng tần E về lưu lượng dữ liệu và việc triển khai các công nghệ mới, giúp tăng khoảng cách truyền dẫn sẽ khiến băng tần E trở thành giải pháp có giá trị cho các nhà khai thác di động.
Do đó, các cơ quan quản lý phổ tần cần phải có sự đánh giá để đưa ra mức phí phù hợp cho phổ tần số sử dụng cho truyền dẫn backhaul để không cản trở việc sử dụng các kênh rộng hơn và khuyến khích sử dụng các công nghệ tiên tiến.
Tài liệu tham khảo
- https://www.rcrwireless.com/20210108/analyst-angle/the-vital-role-of-microwave-and-millimeter-wave-for-backhauling-5g-traffic-analyst-angle
- Bas Driesen: Investigation on the integration of a cross polarization interference canceller (XPIC) into a Nokia specific digital radio system (Page 25).
- https://ieeexplore.ieee.org/document/6347592: Introduction of light licensing regime in Republic of Croatia.