5G có cần cáp quang không? Những điều bạn cần biết về cơ sở hạ tầng đường truyền 5G

5G có yêu cầu không cáp quang ? Câu trả lời ngắn gọn là: không phải lúc nào cũng vậy, nhưng cáp quang được ưu tiên sử dụng nhiều hơn và thường rất cần thiết để mang lại hiệu suất 5G đầy đủ. Mạng 5G phụ thuộc vào kết nối backhaul — liên kết giữa tháp di động hoặc tế bào nhỏ và mạng lõi — và mặc dù cáp quang là tiêu chuẩn vàng cho đường truyền ngược đó, nhưng các nhà khai thác cũng có thể sử dụng các giải pháp vi sóng, không dây sóng milimet hoặc kết hợp trong các tình huống cụ thể. Tuy nhiên, độ trễ cực thấp và thông lượng nhiều gigabit xác định 5G thực sự là cực kỳ khó đạt được nếu không có cơ sở hạ tầng cáp quang tại một số điểm trên đường dẫn tín hiệu. Hiểu được vị trí, lý do và cách thức cáp quang phù hợp với kiến ​​trúc 5G là rất quan trọng đối với các nhà quy hoạch mạng, chính quyền thành phố, nhà phát triển bất động sản và người tiêu dùng đánh giá dịch vụ 5G.

Tại sao 5G cần cơ sở hạ tầng truyền dẫn mạnh mẽ như vậy?

5G yêu cầu dung lượng truyền dẫn lớn hơn 10 đến 100 lần so với 4G LTE, khiến việc lựa chọn công nghệ truyền dẫn trở thành yếu tố quyết định chất lượng mạng. Để hiểu lý do tại sao, hãy xem xét bước nhảy vọt thế hệ về hiệu suất thô: một trạm gốc 5G sử dụng phổ tần giữa băng tần (3,5 GHz) có thể cung cấp tổng thông lượng lên tới 1–4 Gbps , trong khi nút 5G sóng milimet (mmWave) về mặt lý thuyết có thể duy trì trong 10Gbps . Để so sánh, một trạm gốc 4G LTE thông thường chỉ yêu cầu 200–500 Mb/giây về năng lực truyền tải ngược.

Ngoài tốc độ thô, 5G đưa ra các yêu cầu nghiêm ngặt về độ trễ . Các trường hợp sử dụng Giao tiếp có độ trễ thấp (URLLC) cực kỳ đáng tin cậy — chẳng hạn như xe tự hành, phẫu thuật từ xa và tự động hóa công nghiệp — yêu cầu độ trễ từ đầu đến cuối là 1 mili giây hoặc ít hơn . Mỗi liên kết truyền dẫn ngược trong đường dẫn tín hiệu đều tăng thêm độ trễ; một bước nhảy lò vi sóng sẽ bổ sung thêm khoảng 0,1–0,5 mili giây , trong khi kết nối cáp quang có cùng khoảng cách hầu như không gây ra độ trễ truyền có thể đo lường được vượt quá hằng số tốc độ ánh sáng. Điều này làm cho sợi quang trở thành phương tiện truyền dẫn duy nhất có khả năng đáp ứng nhất quán các mục tiêu URLLC trên quy mô lớn.

Ngoài ra, Các tế bào nhỏ 5G được triển khai với mật độ lớn hơn 10–50 lần so với các tháp macro 4G , đặc biệt là trong môi trường đô thị. Mạng 5G đô thị dày đặc có thể yêu cầu mỗi ô nhỏ 100–250 mét . Mỗi nút đó cần có kết nối đường truyền ngược. Chạy cáp quang đến từng tế bào nhỏ là một công việc kỹ thuật dân dụng quy mô lớn, đó chính là lý do tại sao câu hỏi liệu 5G cần có cáp quang rất có ý nghĩa về mặt thương mại và kỹ thuật.

Cáp quang phù hợp với kiến ​​trúc mạng 5G như thế nào?

Cáp quang đóng vai trò ở nhiều lớp của mạng 5G - không chỉ ở đường truyền trục mà còn ở các phân đoạn đường truyền trước và đường giữa. Hiểu được ba phân đoạn này sẽ làm rõ chính xác vị trí và lý do tại sao chất xơ lại không thể thiếu.

Fronthaul: Kết nối thiết bị vô tuyến với thiết bị phân phối

Phân đoạn truyền dẫn kết nối Thiết bị vô tuyến (RU) - ăng-ten trên đỉnh tháp hoặc ô nhỏ - với Thiết bị phân phối (DU), xử lý việc xử lý băng cơ sở quan trọng về thời gian. Liên kết này cực kỳ nhạy cảm với độ trễ: tiêu chuẩn 3GPP chỉ định mức độ trễ truyền dẫn đầu chỉ là 100 micro giây (0,1 ms) . Yêu cầu này nghiêm ngặt đến mức chỉ có cáp quang hoặc các liên kết không dây chuyên dụng tầm ngắn mới có thể đáp ứng được. Một liên kết sợi truyền dẫn trực tiếp thường mang 25 Gbps trở lên trên mỗi đơn vị vô tuyến khi triển khai MIMO 5G quy mô lớn.

Midhaul: Kết nối Đơn vị phân phối với Đơn vị tập trung

Đường giữa kết nối DU với Đơn vị tập trung (CU), nơi diễn ra quá trình xử lý giao thức lớp cao hơn và phân đoạn này có mức độ trễ thoải mái hơn khoảng 10 ms. Sợi quang vẫn là phương tiện được ưa chuộng ở đây, nhưng các liên kết vi sóng công suất cao có thể đóng vai trò thay thế ở những khu vực mà việc triển khai sợi quang có chi phí hạn chế. Để triển khai ở đô thị quy mô lớn, việc sử dụng đường truyền trung gian dựa trên sợi quang Ghép kênh phân chia bước sóng dày đặc (DWDM) cho phép hàng chục kênh logic chia sẻ một cặp sợi quang, giảm đáng kể chi phí cơ sở hạ tầng trên mỗi nút.

Backhaul: Kết nối trang web di động với mạng lõi

Backhaul là phân đoạn được thảo luận rộng rãi nhất và mang lưu lượng tổng hợp từ nhiều trạm cơ sở đến mạng lõi của nhà điều hành và xa hơn là tới Internet. Đây là nơi cuộc tranh luận về cáp quang và không dây diễn ra sôi nổi nhất. Đường truyền ngược sợi quang cung cấp băng thông đối xứng với khả năng mở rộng hiệu quả không giới hạn, độ trễ dưới một phần nghìn giây và không dễ bị ảnh hưởng bởi thời tiết. Truyền dẫn không dây (vi sóng hoặc mmWave) giúp triển khai nhanh hơn và giảm chi phí dân sự nhưng gây ra độ trễ, giới hạn dung lượng và các vấn đề về độ tin cậy của liên kết — tất cả đều hạn chế hiệu suất 5G.

Công nghệ Backhaul nào là tốt nhất cho 5G: Tùy chọn cáp quang so với không dây?

Cáp quang vượt trội hơn tất cả các lựa chọn thay thế đường truyền không dây về các số liệu quan trọng nhất đối với 5G — dung lượng, độ trễ và khả năng mở rộng dài hạn — nhưng các tùy chọn không dây vẫn khả thi cho các tình huống triển khai cụ thể. Bảng dưới đây cung cấp một so sánh trực tiếp.

Bảng 1: Các tùy chọn công nghệ truyền dẫn 5G được so sánh theo công suất, độ trễ, độ nhạy thời tiết, chi phí triển khai và trường hợp sử dụng lý tưởng.

Dữ liệu cho thấy rõ rằng cáp quang là phương tiện truyền dẫn duy nhất đáp ứng đồng thời các yêu cầu về công suất, độ trễ và độ tin cậy của 5G mà không bị ảnh hưởng. Các lựa chọn thay thế không dây là những công cụ hữu ích trong bộ công cụ của nhà khai thác, nhưng chúng thể hiện sự đánh đổi hơn là sự tương đương — và những sự đánh đổi đó trực tiếp làm giảm trải nghiệm 5G mà người dùng cuối nhận được.

Những loại cáp quang nào được sử dụng trong Mạng 5G?

Không phải tất cả cáp quang đều như nhau đối với các ứng dụng 5G — việc lựa chọn loại sợi, số lượng sợi và phương pháp triển khai có tác động trực tiếp đến hiệu suất mạng, lộ trình nâng cấp và tổng chi phí sở hữu trong vòng đời cơ sở hạ tầng 20–30 năm.

Sợi đơn chế độ (SMF)

Sợi quang đơn mode là lựa chọn chủ yếu cho đường truyền ngược và đường giữa 5G nhờ khả năng truyền tín hiệu trên khoảng cách từ 10 km đến 80 km mà không cần khuếch đại. SMF sử dụng lõi rất hẹp (khoảng 9 micromet ) chỉ cho phép một chế độ ánh sáng duy nhất lan truyền, loại bỏ sự phân tán phương thức và cho phép tốc độ truyền 100Gbps đến 400Gbps trên mỗi bước sóng sử dụng bộ thu phát quang kết hợp. Tiêu chuẩn ITU-T G.652D (OS2 trong thuật ngữ trung tâm dữ liệu) là biến thể SMF được triển khai rộng rãi nhất trong cơ sở hạ tầng 5G trên toàn cầu.

Sợi đa chế độ (MMF)

Sợi đa chế độ được sử dụng trong các kết nối tầm ngắn trong trung tâm dữ liệu 5G và phòng thiết bị, bao phủ khoảng cách thường dưới 500 mét. Hỗ trợ lớp OM4 và OM5 100 Gbps trên 150 mét , giúp chúng tiết kiệm chi phí cho kết nối nội bộ cơ sở. MMF không được sử dụng trong các hoạt động truyền tải 5G ngoài trời do phạm vi hoạt động hạn chế và khả năng bị phân tán ở khoảng cách xa cao hơn.

Cáp sợi quang cao (HFC) và cáp ruy băng

Đối với việc triển khai 5G ở đô thị dày đặc, các nhà khai thác ngày càng chỉ định cáp băng có số lượng sợi cao chứa 144, 288 hoặc thậm chí 432 sợi quang trong một cáp duy nhất để đảm bảo cơ sở hạ tầng ống dẫn trong tương lai. Chi phí dân sự cho việc đào rãnh và lắp đặt ống dẫn chiếm 60–80% tổng chi phí triển khai cáp quang; kéo cáp ruy băng 432 sợi chỉ đắt hơn cáp 12 sợi một chút nhưng cung cấp dung lượng gấp 36 lần cho các nâng cấp mạng trong tương lai. Cách tiếp cận này – thường được gọi là cung cấp quá mức “sợi tối” – là thông lệ tiêu chuẩn của các nhà xây dựng cơ sở hạ tầng 5G hướng tới tương lai.

Mạng 5G thực sự cần bao nhiêu cáp quang?

Phân tích ngành luôn cho thấy rằng việc triển khai mạng 5G toàn diện đòi hỏi nhiều sợi quang trên mỗi km vuông hơn bất kỳ thế hệ di động nào trước đây. Việc định lượng điều này mang lại ý nghĩa cụ thể về đầu tư cơ sở hạ tầng có liên quan.

Bảng 2: Yêu cầu cáp quang ước tính trên mỗi km vuông trong các kịch bản triển khai 5G khác nhau.

Ước tính toàn cầu từ nghiên cứu cơ sở hạ tầng cho thấy rằng việc triển khai 5G trên toàn quốc ở một quốc gia cỡ trung bình đòi hỏi phải triển khai hàng trăm ngàn km sợi quang mới . Riêng Hoa Kỳ được ước tính cần thêm 1,4 đến 1,7 triệu dặm (2,3–2,7 triệu km) cáp quang để hỗ trợ phạm vi phủ sóng 5G toàn diện — một con số nhấn mạnh lý do tại sao tính sẵn có của cáp quang luôn được xác định là điểm nghẽn chính trong các mốc thời gian triển khai 5G trên toàn thế giới.

Tại sao cáp quang là nút cổ chai trong triển khai 5G?

Hạn chế chính đối với tốc độ triển khai 5G trên toàn cầu không phải là tính sẵn có của phổ tần, phần cứng vô tuyến hay vốn - mà là tính sẵn có và cho phép của cơ sở hạ tầng cáp quang. Ba yếu tố liên kết với nhau dẫn đến nút thắt này.

Chi phí và thời gian công trình dân dụng

Việc đào và lắp đặt ống dẫn cáp ngầm có chi phí từ 25.000 USD đến 100.000 USD mỗi dặm trong môi trường đô thị , tùy thuộc vào điều kiện đất đai, loại mặt đường và tỷ lệ lao động địa phương. Cáp quang trên các cột điện hiện có nhanh hơn và rẻ hơn (10.000–30.000 USD mỗi dặm) nhưng yêu cầu các thỏa thuận gắn cột và phải đối mặt với rủi ro thiệt hại vật chất và thời tiết lớn hơn. Ở những thành phố có yêu cầu khắt khe về tiện ích ngầm, các công trình dân dụng có thể đại diện cho lên tới 80% tổng chi phí triển khai 5G trên mỗi nút .

Giấy phép và Quyền ưu tiên

Việc xin giấy phép để đào hoặc lắp đặt cơ sở hạ tầng trên đường công cộng có thể mất từ 6 đến 36 tháng cho mỗi đô thị , tạo ra sự chắp vá về tiến độ triển khai ngay cả trong một khu vực đô thị duy nhất. Nhiều quốc gia đã đưa ra các khuôn khổ cấp phép hợp lý, đặc biệt để giải quyết các điểm nghẽn trong triển khai cáp quang 5G, nhưng việc triển khai có sự khác biệt đáng kể tùy theo khu vực pháp lý.

Chất xơ sẵn có ở các khu vực nông thôn và chưa được phục vụ đầy đủ

Các khu vực nông thôn cần cải thiện kết nối nhất thường là những khu vực có ít cơ sở hạ tầng cáp quang hiện có nhất , tạo ra một thách thức gộp. Nếu không có truyền dẫn cáp quang, việc triển khai 5G ở nông thôn bị giới hạn ở phổ tần thấp với truyền dẫn vi sóng không dây – cung cấp tốc độ chỉ tốt hơn một chút so với 4G và hoàn toàn không thể hỗ trợ các ứng dụng URLLC. Việc thu hẹp khoảng cách cáp quang ở nông thôn được công nhận rộng rãi là điều kiện tiên quyết để tiếp cận 5G một cách công bằng.

Sự khác biệt giữa 5G NSA và 5G SA về yêu cầu sợi quang là gì?

Kiến trúc 5G Không độc lập (NSA) sử dụng cơ sở hạ tầng mạng lõi 4G LTE hiện có và do đó có yêu cầu về cáp quang tức thời thấp hơn so với 5G Độc lập (SA), vốn yêu cầu lõi 5G hoàn toàn nguyên gốc được kết nối hoàn toàn bằng cáp quang dung lượng cao.

• 5G NSA (Không độc lập): Đài 5G kết nối với mạng lõi 4G. Yêu cầu truyền dẫn cao hơn 4G nhưng có thể tận dụng một phần cơ sở hạ tầng cáp quang và vi sóng hiện có. Đây là kiến ​​trúc được sử dụng trong hầu hết các hoạt động triển khai 5G thương mại thời kỳ đầu. Nó hỗ trợ băng thông rộng di động nâng cao (eMBB) nhưng không thể cung cấp đầy đủ các khả năng URLLC hoặc Massive IoT.
• 5G SA (Độc lập): Đài 5G kết nối với lõi 5G gốc (5GC). Kiến trúc này cho phép triển khai bộ tính năng 5G đầy đủ — bao gồm phân chia mạng, tính toán ranh giới và độ trễ URLLC dưới một phần nghìn giây. Nó yêu cầu một đường trục cáp quang hoàn chỉnh, dung lượng cao từ thiết bị vô tuyến đến lõi 5G, không có các liên kết không dây bằng đồng hoặc dung lượng thấp trên đường dẫn. Yêu cầu về chất xơ đối với 5G SA cao hơn đáng kể so với NSA.

Quá trình chuyển đổi ngành từ 5G NSA sang 5G SA đang tăng tốc, điều đó có nghĩa là nhu cầu về cáp quang trong mạng 5G sẽ tiếp tục tăng trưởng đáng kể trong 5–10 năm tới ngay cả ở những thị trường đã phủ sóng rộng rãi 5G của NSA.

Câu hỏi thường gặp: 5G có cần cáp quang không?

Kết luận: 5G và cáp quang không thể tách rời ở quy mô lớn

Câu trả lời cho 5G có cần cáp quang không mang nhiều sắc thái nhưng có định hướng rõ ràng: 5G không yêu cầu nghiêm ngặt về sợi quang ở mọi liên kết, nhưng nó hoàn toàn phụ thuộc vào sợi quang để mang lại khả năng xác định. Các giải pháp thay thế đường truyền không dây có thể thu hẹp khoảng cách và phục vụ các khu vực có mật độ thấp hoặc vùng sâu vùng xa, nhưng chúng áp đặt trần công suất và hình phạt về độ trễ về cơ bản hạn chế những gì 5G có thể làm.

Đối với các nhà khai thác mạng, chính quyền đô thị, nhà phát triển bất động sản và nhà đầu tư cơ sở hạ tầng, ý nghĩa thực tế rất đơn giản: bất cứ nơi nào có khả năng 5G đầy đủ là mục tiêu, cáp quang phải là một phần của kế hoạch. Chi phí dân sự cao và thời gian cấp phép dài, nhưng cáp quang được lắp đặt ngày nay sẽ không chỉ phục vụ 5G mà còn phục vụ mọi thế hệ công nghệ không dây tiếp theo trong nhiều thập kỷ tới. Cáp có số lượng sợi cao được triển khai với công suất sợi tối đảm bảo rằng quỹ đầu tư hôm nay sẽ nâng cấp mạng vào ngày mai mà không cần phải mở lại mặt đất.

Khi ngành đẩy nhanh quá trình chuyển đổi từ kiến trúc 5G NSA sang 5G SA, vai trò của cáp quang trong mạng 5G sẽ chỉ sâu sắc hơn. Các nhà khai thác và đô thị chủ động đầu tư vào cơ sở hạ tầng cáp quang ngày nay sẽ có lợi thế kinh tế và cạnh tranh quyết định trong kỷ nguyên 5G — và trong kỷ nguyên 6G tiếp theo.