Giới thiệu dự án

Trong bối cảnh bùng nổ lưu lượng dữ liệu và nhu cầu hội tụ dịch vụ viễn thông đa phương tiện toàn cầu, các mạng viễn thông truyền thống dựa trên kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian TDM (Time-Division Multiplexing) và mạng chuyển mạch kênh PSTN (Public Switched Telephone Network) đã bộc lộ những giới hạn nghiêm trọng về khả năng mở rộng, chi phí vận hành (OPEX) và tính linh hoạt trong triển khai dịch vụ mới. Theo các nghiên cứu công nghiệp viễn thông, mạng PSTN truyền thống tiêu tốn hơn 60% chi phí bảo trì phần cứng chuyên dụng nguyên khối, trong khi tốc độ tăng trưởng lưu lượng dữ liệu gói (IP data) vượt mốc 40%/năm.

Đồ án tốt nghiệp "Chuyển mạch mềm trong NGN và hướng phát triển lên IMS" (Ngành Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Giao thông Vận tải TP.HCM; SVTH: Nguyễn Ân Trường; GVHD: Trần Văn Thọ) giải quyết trực tiếp bài toán quá độ hạ tầng từ mạng chuyển mạch kênh sang mạng thế hệ sau NGN (Next Generation Network) và nâng cấp tối ưu lên phân hệ đa phương tiện IP - IMS (IP Multimedia Subsystem).

+-------------------------------------------------------------------------+
|                              LỚP ỨNG DỤNG                                |
|          Application Server (AS), HSS, Service Broker, OSA/Parlay        |
+------------------------------------+------------------------------------+
                                     | Giao diện mở (SIP, Diameter, API)
+------------------------------------v------------------------------------+
|                             LỚP ĐIỀU KHIỂN                              |
|   Softswitch / MGC (Call Agent) ---> CSCF (P-CSCF, I-CSCF, S-CSCF)     |
|   - Báo hiệu: SIP, H.323, SIGTRAN (SS7 over IP)                         |
|   - Điều khiển Gateway: MGCP, Megaco/H.248                             |
+------------------------------------+------------------------------------+
                                     | Điều khiển Media / Truyền tải
+------------------------------------v------------------------------------+
|                         LỚP TRUYỀN TẢI & TRUY NHẬP                       |
|   - Media Gateway (MG), Signalling Gateway (SG), IP/MPLS Core           |
|   - Cơ chế QoS: cRTP, WFQ, CAR, GTS, FRTS, Leaky Bucket                 |
|   - Truy cập: xDSL (DSLAM-HUB 10Gbps), PSTN, 3G/GSM/WiFi Dual-mode      |
+-------------------------------------------------------------------------+

Mục tiêu dự án

  1. Phân tích toàn diện kiến trúc NGN phân lớp: Đánh giá chi tiết 4 lớp chức năng luận lý (Truy nhập, Truyền tải, Điều khiển, Ứng dụng/Dịch vụ) và mô hình triển khai thực tế từ các nhà cung cấp viễn thông hàng đầu (Alcatel 1000 mm E10 xử lý tới 8 triệu BHCA, Cisco IP/MPLS, và mạng NGN của VNPT với lõi trục STM-16/STM-1).
  2. Làm chủ công nghệ Chuyển mạch mềm (Softswitch): Bóc tách kiến trúc điều khiển cuộc gọi phân tán, vai trò của Media Gateway Controller (MGC), Media Gateway (MG), Signalling Gateway (SG) và Media Server (MS).
  3. Thiết kế và tối ưu hóa giải pháp Chất lượng dịch vụ (QoS) cho VoIP: Xử lý triệt để các tham số trễ (Latency $\le 150\text{ ms}$ theo chuẩn ITU-T G.114), độ trượt gói (Jitter), mất gói (Packet Loss $< 1%$) và triệt tiếng vọng (Echo Cancellation).
  4. Xây dựng lộ trình 4 giai đoạn chuyển đổi lên IMS: Hoàn thiện mô hình hội tụ cố định và di động FMC (Fixed-Mobile Convergence), xác lập kiến trúc máy chủ thuê bao thường trú HSS (Home Subscriber Server) và chức năng điều khiển phiên CSCF.

Phạm vi và giới hạn

  • Phạm vi nghiên cứu: Giao thức báo hiệu (SIP, H.323, SIGTRAN, MGCP, Megaco/H.248, Diameter), kỹ thuật tối ưu băng thông header cRTP, thuật toán hàng đợi (WFQ, CQ, PQ), thuật toán định hình lưu lượng (Leaky Bucket, GTS, CAR) và thủ tục xử lý phiên IMS.
  • Giới hạn: Tập trung vào mô hình luận lý, cơ chế điều khiển lưu lượng và kịch bản chuyển đổi mạng viễn thông cấp nhà mạng (Carrier-grade); không bao gồm thiết kế mạch phần cứng ASIC/DSP mức vật lý.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tiêu chí phân tích Mạng chuyển mạch kênh (PSTN / TDM) Chuyển mạch mềm (NGN Softswitch) Phân hệ đa phương tiện IMS
Kiến trúc hệ thống Đóng kín, phần cứng gắn liền phần mềm tổng đài Tách biệt lớp điều khiển và lớp truyền tải Chuẩn hóa toàn bộ trên giao thức SIP & Diameter
Giao thức điều khiển Báo hiệu số 7 (SS7 / ISUP), CAS MGCP, Megaco/H.248, SIP, H.323, SIGTRAN SIP (Session Initiation Protocol), Diameter
Khả năng hội tụ Đơn dịch vụ (chỉ thoại và Fax băng hẹp) Hội tụ thoại và dữ liệu trên nền IP Hội tụ Cố định - Di động (FMC), Triple-play
Chi phí mở rộng & nâng cấp Rất cao, phụ thuộc nhà cung cấp thiết bị Trung bình, chạy trên máy chủ COTS mở Thấp, cấu trúc module hóa phân tán cao
Đảm bảo QoS Đảm bảo tuyệt đối bằng kênh dành riêng 64 Kbps Dựa trên DiffServ, MPLS, WFQ, cRTP Đảm bảo chất lượng động qua RACS và NASS

Yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW

  • Must have (Bắt buộc): Chuyển đổi báo hiệu SS7 sang IP qua SIGTRAN; nén header cRTP giảm kích thước gói tin IP/UDP/RTP; kiểm soát tổng trễ thoại hai chiều $\le 150\text{ ms}$; phân tách MGC và MG.
  • Should have (Nên có): Cơ chế hàng đợi công bằng có trọng số WFQ và định mức truy cập CAR tại biên mạng; tích hợp máy chủ ứng dụng AS qua giao diện SIP ISC.
  • Could have (Có thể có): Cơ chế dự phòng trôi cuộc gọi liền mạch qua Handoff Server khi chuyển vùng giữa mạng WiFi và mạng tế bào 3G/GSM.
  • Won't have (Chưa thực hiện): Tích hợp mạng truy nhập vô tuyến 4G LTE/5G NR thế hệ tương lai.

Thiết kế hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo mô hình 4 phân lớp NGN tiêu chuẩn và phân hệ điều khiển IMS:

                      +-----------------------------+
                      |     LỚP ỨNG DỤNG / DỊCH VỤ   |
                      |   [AS] <--- Diameter ---> [HSS/SLF]
                      +--------------+--------------+
                                     | Giao diện ISC (SIP)
                      +--------------v--------------+
                      |       LỚP ĐIỀU KHIỂN        |
                      |    +-------------------+    |
                      |    |   MGCF / AGCF     |    |
                      |    | (Tách Softswitch) |    |
                      |    +---------+---------+    |
                      |              |              |
                      |    +---------v---------+    |
                      |    | CSCF (P / I / S)  |    |
                      |    +-------------------+    |
                      +--------------+--------------+
                                     | Megaco/H.248 / SIGTRAN
                      +--------------v--------------+
                      |   LỚP TRUYỀN TẢI & TRUY CẬP |
                      |   [SG] <--- M2UA ---> [SS7] |
                      |   [MG] <--- RTP  ---> [IP]  |
                      |   [BRAS/DSLAM-HUB]          |
                      +-----------------------------+

Ngăn xếp công nghệ và thông số kỹ thuật

  • Giao thức điều khiển phiên & báo hiệu: SIP RFC 3261, SDP RFC 2327, Diameter RFC 3588, SIGTRAN RFC 2719 (M2UA, M3UA, SCTP), H.323 v4, Megaco/H.248.
  • Giao thức và chuẩn mã hóa Media: RTP/RTCP RFC 3550, Codec ITU-T G.711 (PCM 64 Kbps, $A$-law/$\mu$-law, điểm MOS 4.1), G.726 (ADPCM 32 Kbps, MOS 3.85), G.729 (CS-ACELP 8 Kbps, mẫu thoại 10 ms, MOS 3.92).
  • Nền tảng máy chủ: Unix/Linux x86_64 và Sun Solaris, hệ điều hành thời gian thực hỗ trợ đa luồng xử lý và kiến trúc mở.

Phương pháp luận triển khai (Methodology)

Phương pháp luận nâng cấp mạng tuân thủ quy trình chuyển đổi 4 giai đoạn an toàn viễn thông, giảm thiểu rủi ro gián đoạn dịch vụ:

  • Giai đoạn 1: Phân tách Softswitch: Tách chức năng điều khiển cuộc gọi thành khối giao tiếp thuê bao AGCF (Access Gateway Control Function) và khối giao tiếp mạng chuyển mạch kênh MGCF (Media Gateway Controller Function).
  • Giai đoạn 2: Triển khai máy chủ ứng dụng AS: Tích hợp các máy chủ dịch vụ giá trị gia tăng thông qua giao diện chuẩn SIP ISC.
  • Giai đoạn 3: Mở rộng điểm kết cuối SIP & P-CSCF: Triển khai P-CSCF kết nối máy chủ quản lý chính sách tài nguyên (RACS) và kiểm soát an ninh biên mạng.
  • Giai đoạn 4: Tích hợp HSS và Handoff Server: Hoàn thiện cơ sở dữ liệu định danh duy nhất HSS (kết hợp HLR/AuC), kích hoạt giao diện Cx/Sh và hỗ trợ thiết bị cầm tay đa chế độ (Dual-mode Handset).

Implementation và kết quả

Quy trình phát triển và thuật toán cốt lõi

1. Thuật toán nén Header cRTP (Compressed Real-Time Protocol)

Trong truyền thông thoại VoIP, gói tin G.729 chứa 20 byte dữ liệu thoại nhưng tiêu tốn tới 40 byte tiêu đề (IP Header: 20 bytes, UDP Header: 8 bytes, RTP Header: 12 bytes), chiếm 66.7% tổng băng thông. cRTP giải quyết bài toán này bằng cách nén tiêu đề xuống còn 2 đến 4 byte dựa trên tính bất biến của các trường gói tin và mã định danh ngữ cảnh phiên CID (Context Identifier).

$$\text{Băng thông truyền dẫn (không nén)} = \frac{(20 \text{ bytes Payload} + 40 \text{ bytes Header}) \times 8 \text{ bits}}{20 \text{ ms}} = 24 \text{ Kbps}$$

$$\text{Băng thông truyền dẫn (có cRTP 2 bytes)} = \frac{(20 \text{ bytes Payload} + 2 \text{ bytes Header}) \times 8 \text{ bits}}{20 \text{ ms}} = 8.8 \text{ Kbps}$$

(Trên thực tế tính toán cả overhead lớp 2, băng thông giảm từ 24 Kbps xuống còn 11.2 Kbps, tiết kiệm 53.3% băng thông đường truyền).

// Pseudo-code thuat toan giai nen cRTP tai Media Gateway
typedef struct {
    uint32_t src_ip;
    uint32_t dst_ip;
    uint16_t src_port;
    uint16_t dst_port;
    uint32_t ssrc;
    uint16_t last_seq;
    uint32_t last_timestamp;
} crtp_session_context_t;

void decompress_crtp_packet(uint8_t *packet, crtp_session_context_t *ctx) {
    uint8_t flags = packet[0];
    uint8_t cid = packet[1];
    
    if (flags & COMPRESSED_NON_TCP) {
        // Tai tao lai IP/UDP/RTP Header tu Context Table
        ctx[cid].last_seq += 1;
        ctx[cid].last_timestamp += SAMPLE_RATE_DELTA;
        reconstruct_ip_udp_rtp_header(packet, &ctx[cid]);
    } else {
        // Header day du: Cap nhat bang trang thai Context
        update_full_context_table(packet, &ctx[cid]);
    }
}

2. Kỹ thuật xếp hàng tùy biến CQ (Custom Queueing) và WFQ

Thuật toán Custom Queueing sử dụng 16 hàng đợi luân vòng (Round-Robin) cộng với hàng đợi hệ thống số 0 (ưu tiên cao nhất). Công thức tính toán chỉ số byte đếm (Byte Count) để chia sẻ băng thông theo tỷ lệ phần trăm:

$$\text{Tỷ lệ gói tin} = \frac{\text{Phần trăm băng thông mong muốn}}{\text{Kích thước gói tin theo Byte}}$$

$$\text{Byte Count cấu hình} = \text{Số gói làm tròn} \times \text{Kích thước gói tin tương ứng}$$

! Cau hinh Cisco IOS QoS - Ket hop cRTP va Weighted Fair Queuing (WFQ)
interface Serial0/0/0
 description WAN Link to NGN Core Softswitch
 bandwidth 512
 ip address 10.240.1.1 255.255.255.252
 ! Kich hoat nen tieu de RTP cho lien ket toc do thap
 ip rtp header-compression
 ! Thiet lap hang doi cong bang co trong so WFQ
 fair-queue 64 256 0
 ! Ap dung Policy Map dieu tiet luong VoIP
 service-policy output POLICY-VOIP-QOS
!
class-map match-all CLASS-VOIP-CONTROL
 match ip precedence 3
 match access-group 101
class-map match-all CLASS-VOIP-MEDIA
 match ip precedence 5
 match ip rtp 16384 16383
!
policy-map POLICY-VOIP-QOS
 class CLASS-VOIP-MEDIA
  priority 128
 class CLASS-VOIP-CONTROL
  bandwidth 32
 class class-default
  fair-queue

3. Thuật toán kiểm soát lưu lượng "Cái thùng rò" (Leaky Bucket) và CAR

Thuật toán Cái thùng rò duy trì tốc độ xả cố định $\beta$ không đổi, triệt tiêu hoàn toàn tính đột biến (burstiness) của lưu lượng mạng, loại bỏ các gói tin vượt ngưỡng bộ đệm để bảo vệ đường trục mạng gói.

      Tốc độ vào biến thiên (Burst traffic)
              |   |   |   |   |
              v   v   v   v   v
        +-----------------------+
        | \                   / |
        |  \  Bộ đệm gói tin /  |
        |   \  (Dung lượng) /   |
        |    \             /    |
        |     +---     ---+     |
        +---------|   |---------+
                  |   |
                  v   v
        Tốc độ xả ổn định = beta (Constant output rate)

Kiểm thử và đánh giá hiệu năng

Hệ thống được kiểm thử thông qua các kịch bản đo kiểm trễ tuần tự, trễ lan truyền và hiệu năng nén trên các tốc độ liên kết khác nhau:

Tốc độ liên kết Kích thước 64 Byte Kích thước 256 Byte Kích thước 512 Byte Kích thước 1500 Byte (Full IP)
56 Kbps $9.0\text{ ms}$ $36.0\text{ ms}$ $72.0\text{ ms}$ $214.0\text{ ms}$ (Vượt ngưỡng ITU-T)
128 Kbps $4.0\text{ ms}$ $16.0\text{ ms}$ $32.0\text{ ms}$ $93.0\text{ ms}$
512 Kbps $1.0\text{ ms}$ $4.0\text{ ms}$ $8.0\text{ ms}$ $23.0\text{ ms}$
1.536 Mbps (T1) $0.32\text{ ms}$ $1.5\text{ ms}$ $2.6\text{ ms}$ $7.8\text{ ms}$

Ghi chú kiểm thử: Trên liên kết $56\text{ Kbps}$, một gói tin dữ liệu chuẩn $1500\text{ bytes}$ gây trễ truyền dẫn tới $214\text{ ms}$, phá vỡ giới hạn chuẩn ITU-T G.114 ($150\text{ ms}$). Giải pháp phân mảnh gói tin LFI (Link Fragmentation and Interleaving) kết hợp cRTP đã hạ trễ tuần tự xuống dưới $18\text{ ms}$.

Kết quả đạt được

  • Tối ưu hóa băng thông: Kỹ thuật cRTP giúp tăng gấp đôi số lượng cuộc gọi VoIP G.729 đồng thời trên liên kết $56\text{ Kbps}$ từ 2 cuộc gọi lên 4 cuộc gọi ổn định.
  • Đảm bảo QoS thời gian thực: Kiểm soát độ trễ một chiều toàn mạng luôn duy trì trong khoảng $45 - 85\text{ ms}$, Jitter $< 10\text{ ms}$, tỷ lệ mất gói $< 0.2%$, đạt điểm chất lượng thoại MOS $> 4.0$.
  • Kiến trúc phân hệ IMS hoàn chỉnh: Xây dựng thành công chu trình báo hiệu đăng ký SIP Register, truy vấn định vị SLF/HSS qua bản tin LIR (Location Info Request) và thiết lập phiên gọi SIP INVITE end-to-end.

Đổi mới và đóng góp

  1. Chuẩn hóa lộ trình chuyển đổi 4 bước từ Softswitch lên IMS: Đưa ra giải pháp phân tách Softswitch thành AGCF và MGCF giúp các nhà mạng tận dụng 100% thiết bị NGN hiện có mà không phải thay thế toàn bộ mạng lõi.
  2. Mô hình hóa cơ chế tích hợp cơ sở dữ liệu HSS/SLF: Giải quyết triệt để bài toán định tuyến thuê bao đa vùng trong mạng IMS quy mô lớn sử dụng nhiều HSS phân tán thông qua bản tin Diameter Cx/Sh.
  3. Bộ giải pháp QoS tổng thể cho mạng truyền tải: Kết hợp linh hoạt giữa cơ chế phân loại IP Precedence/DiffServ, nén header cRTP và thuật toán điều tiết lưu lượng CAR/GTS.

Ứng dụng thực tế và triển khai

+-------------------------------------------------------------------------+
|                      MÔ HÌNH TRIỂN KHAI THỰC TẾ                         |
|                                                                         |
|  [PSTN / ISDN] ---> [MG / SG] --+                                       |
|                                 |                                       |
|  [xDSL / FTTH] ---> [BRAS] ---->+---> [Core IP/MPLS] ---> [Softswitch]  |
|                                 |     (DiffServ/cRTP)     [  / IMS   ]  |
|  [3G / WiFi]   ---> [AP/NodeB] -+                                       |
+-------------------------------------------------------------------------+
  • Mô hình nhà mạng viễn thông (Case-study VNPT): Triển khai 2 hệ thống Softswitch Siemens HiQ9200 đặt tại Hà Nội và TP.HCM, kết nối 3 nút trục quốc gia (Hà Nội, Đà Nẵng, TP.HCM) qua mạng truyền dẫn SDH STM-16 ($2.5\text{ Gbps}$), cung cấp dịch vụ Mega VNN, VoIP 1719, đầu số dịch vụ 1800/1900.
  • Hội tụ Cố định - Di động (FMC): Cung cấp dịch vụ đa phương tiện "Triple Play" (Thoại, Dữ liệu, Truyền hình IPTV) đồng nhất trên điện thoại để bàn, máy tính và thiết bị di động Dual-mode.
  • Hiệu quả kinh tế: Giảm $45%$ chi phí đầu tư thiết bị tổng đài vật lý và hạ $35%$ chi phí bảo trì mạng lưới định kỳ.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  • Kỹ thuật nén cRTP tiêu tốn năng lượng xử lý CPU của Router tại các nút mạng biên (yêu cầu kiểm soát tải CPU dưới $70%$).
  • Giao thức RSVP thiết lập tài nguyên chiếm dụng nhiều trạng thái trên các Router đường trục, không phù hợp cho mạng lõi quy mô hàng triệu phiên đồng thời.

Hướng phát triển

  • Nghiên cứu tích hợp mạng truy nhập vô tuyến thế hệ mới 4G/5G All-IP thông qua giao diện Diameter Rx/Gx với phân hệ chính sách PCRF.
  • Ứng dụng công nghệ ảo hóa chức năng mạng NFV (Network Functions Virtualization) để triển khai vIMS (Virtual IMS) trên nền tảng điện toán đám mây.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên cao học: Tài liệu tham khảo chuẩn mực về kiến trúc NGN, phân hệ IMS, cấu trúc báo hiệu SIP/SS7 và các thuật toán QoS mạng truyền thông.
  • Kỹ sư vận hành mạng viễn thông: Cẩm nang thiết lập tham số Cisco IOS QoS (cRTP, WFQ, CAR, GTS) và xử lý sự cố chất lượng thoại VoIP.
  • Doanh nghiệp & Nhà khai thác (Telco/ISP): Khung kiến trúc và lộ trình chuyển đổi hạ tầng tối ưu chi phí từ TDM sang NGN/IMS.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật tối thiểu để triển khai Softswitch và phân hệ IMS là gì?

Hệ thống máy chủ điều khiển cuộc gọi MGC và CSCF yêu cầu nền tảng phần cứng kiến trúc mở (x86_64 hoặc SPARC), hệ điều hành Unix/Linux đa xử lý thời gian thực, giao diện mạng Gigabit Ethernet dự phòng $1+1$, hỗ trợ ngăn xếp giao thức chuẩn SIP RFC 3261, SIGTRAN và Megaco/H.248.

2. Giới hạn mở rộng và giải pháp khi lưu lượng người dùng tăng đột biến?

Khi số lượng thuê bao vượt quá dung lượng xử lý của một máy chủ HSS duy nhất, hệ thống triển khai thêm thực thể định vị thuê bao SLF (Subscription Locator Function) cùng nhiều HSS phân tán, định tuyến truy vấn qua bản tin Diameter LIR/LIA.

3. Làm thế nào để tích hợp mạng NGN/IMS với tổng đài PSTN truyền thống?

Sử dụng bộ đôi thiết bị Signalling Gateway (SG) để chuyển đổi báo hiệu SS7 sang IP qua giao thức SIGTRAN (M2UA/SCTP) và Media Gateway (MG) dưới sự điều khiển của MGCF/Megaco để chuyển đổi luồng thoại PCM TDM 64 Kbps sang gói tin RTP.

4. Nhu cầu bảo trì và giám sát chất lượng hệ thống ra sao?

Cần giám sát liên tục tải CPU Router biên ($\le 70%$), theo dõi chất lượng thoại thời gian thực qua giao thức RTCP (đo Jitter, Packet Loss), và sử dụng hệ thống quản trị mạng tập trung NMS hỗ trợ giao thức SNMP.

5. Chi phí đầu tư và thời gian thu hồi vốn (ROI) ước tính?

Lộ trình nâng cấp 4 giai đoạn giúp tận dụng thiết bị cũ, giảm $40-50%$ vốn đầu tư ban đầu (CAPEX) so với việc thay thế toàn bộ hệ thống; thời gian thu hồi vốn trung bình của nhà mạng ước tính từ $2.5 - 3.5\text{ năm}$ nhờ doanh thu từ các dịch vụ giá trị gia tăng mới.

Kết luận

Đồ án "Chuyển mạch mềm trong NGN và hướng phát triển lên IMS" của tác giả Nguyễn Ân Trường đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết, kiến trúc điều khiển phân tán và giải pháp kỹ thuật bảo đảm chất lượng dịch vụ QoS trên mạng thế hệ mới. Đề tài khẳng định chuyển mạch mềm Softswitch là bước đệm công nghệ tất yếu và phân hệ IMS là đích đến tối thượng cho sự hội tụ viễn thông Cố định - Di động (FMC). Kết quả nghiên cứu không chỉ mang giá trị học thuật xuất sắc mà còn là tài liệu tham khảo thực tiễn quan trọng cho việc thiết kế, quy hoạch và nâng cấp mạng viễn thông băng rộng hiện đại.