Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Kỹ thuật Chuyển mạch và Tổng đài số do tác giả Nguyễn Thanh Hà biên soạn, được Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội xuất bản năm 2009. Đây là tài liệu giảng dạy chuyên ngành thuộc khối kiến thức cơ sở ngành và chuyên ngành trong chương trình đào tạo kỹ sư, cử nhân ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Công nghệ Thông tin và Mạng truyền thông tại các trường đại học kỹ thuật.

Mục tiêu học tập của giáo trình là trang bị cho người học hệ thống lý thuyết toàn diện về kỹ thuật chuyển mạch, nguyên lý hoạt động của các hệ thống tổng đài điều khiển theo chương trình lưu trữ (Stored Program Control - SPC), các giao diện kết cuối và kỹ thuật báo hiệu trong mạng viễn thông. Đồng thời, giáo trình cung cấp kiến thức nền tảng để tiếp cận các công nghệ chuyển mạch hiện đại như chuyển mạch gói, Mạng số tích hợp đa dịch vụ (ISDN), Chế độ truyền dẫn không đồng bộ (ATM) và Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS).

Cấu trúc giáo trình gồm 8 chương, được tổ chức theo phương pháp tiếp cận từ tổng quan đến chi tiết, từ các hệ thống chuyển mạch kênh truyền thống đến các công nghệ chuyển mạch gói băng rộng. Điểm đặc sắc của tài liệu nằm ở việc mô tả chi tiết cả hai phương diện phần cứng và phần mềm của hệ thống tổng đài SPC: phân tích chi tiết tiến trình 10 giai đoạn của một cuộc gọi, cấu trúc các trường chuyển mạch số (thời gian T, không gian S và ghép đa cấp T-S-T, S-T-S), các bộ chức năng chuẩn hóa cho mạch đường dây (BORSCHT) và trung kế số (GAZPACHO), cùng các hệ thống báo hiệu liên đài phổ biến (R2, Báo hiệu số 7 - SS7).

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Giáo trình bao gồm 8 chương phản ánh quá trình phát triển và hoàn thiện của kỹ thuật chuyển mạch viễn thông:

  • Chương 1: Các kiến thức tổng quan (Trang 13 - 50): Trình bày cấu trúc mạng viễn thông, các mô hình tổ chức mạng (Mesh, Star, Mạng hỗn hợp phân cấp theo chuẩn CCITT gồm các cấp LE, PC, SC, TC, QC, IC); tổng quan các dịch vụ viễn thông (Thoại, Telex, Teletex, Facsimile, Videotex, Số liệu, ISDN); lịch sử tổng đài từ nhân công, cơ điện (Strowger, Crossbar) đến điện tử số SPC (tiêu biểu như 1ESS của Bell Labs); cấu trúc sơ đồ khối chức năng tổng đài SPC và tiến trình 10 bước xử lý cuộc gọi qua tổng đài.
  • Chương 2: Kỹ thuật chuyển mạch kênh (Trang 51 - 82): Phân tích nguyên lý chuyển mạch kênh (Circuit Switching) và chuyển mạch bản tin (Message Switching); kỹ thuật chuyển mạch phân chia không gian (SDTS), chuyển mạch phân chia thời gian (T-Switch) dựa trên công nghệ điều chế xung mã (PCM), chuyển mạch không gian số (S-Switch); các cấu hình phối ghép trường chuyển mạch đa cấp như T-S, S-T-S và T-S-T nhằm tối ưu hóa dung lượng và giảm xác suất nghẽn mạch.
  • Chương 3: Kỹ thuật điều khiển (Trang 83 - 106): Khảo sát cấu trúc phần cứng hệ thống điều khiển tổng đài SPC theo mô hình đơn xử lý và đa xử lý; các cơ chế xử lý phân tán, điều khiển trung tâm; các cấu hình dự phòng nâng cao độ tin cậy gồm dự phòng cấp đồng bộ, dự phòng phân tải, dự phòng nóng và dự phòng $n+1$; cấu trúc phân tầng phần mềm tổng đài (chương trình hệ thống, chương trình ứng dụng, các modul điều khiển chính, giao tiếp đường dây, liên lạc nội bộ, báo lỗi và giao tiếp máy tính).
  • Chương 4: Kỹ thuật báo hiệu (Trang 107 - 150): Trình bày chức năng giám sát, tìm chọn, vận hành; phân loại báo hiệu thuê bao và báo hiệu liên tổng đài; kỹ thuật báo hiệu kênh kết hợp (CAS) và báo hiệu kênh chung (CCS); cấu trúc hệ thống báo hiệu đa tần MFC R2 (báo hiệu đường dây và báo hiệu thanh ghi); kiến trúc phân mức của Hệ thống Báo hiệu số 7 (SS7), cấu trúc đơn vị báo hiệu; các bộ thu phát tín hiệu đa tần (MF), bộ tạo tone và bản tin thông báo.
  • Chương 5: Giao tiếp kết cuối (Trang 151 - 168): Mô tả chi tiết khối kết cuối đường dây thuê bao tương tự (SLTU) với chức năng chuẩn BORSCHT (Battery feed, Overvoltage protection, Ringing, Supervision, Hybrid, Test); kết cuối thuê bao số ISDN ($2\text{B}+\text{D}$); khối kết cuối trung kế số (DTTU) với tập hợp chức năng GAZPACHO; các thiết bị tập trung đường dây và bộ tập trung xa.
  • Chương 6: Điều hành khai thác và bảo dưỡng (Trang 169 - 178): Giới thiệu quy trình O&M (Operation and Maintenance) trong tổng đài SPC; quản lý thuê bao, cấu hình tuyến và dịch mã; quản lý dữ liệu cước; phương pháp giám sát lưu lượng và đo thử tải (đơn vị Erlang); quy trình bảo dưỡng đường dây, trung kế, trường chuyển mạch và xử lý sự cố phần mềm.
  • Chương 7: Mạng chuyển mạch gói (Trang 179 - 216): Trình bày mô hình phân lớp mạng chuyển mạch gói; phương thức định tuyến gói; các giao thức X.25 (Cấp 1 Vật lý, Cấp 2 Tuyến số liệu, Cấp 3 Mạng); bộ giao thức TCP/IP, các cơ chế điều khiển luồng trong TCP/UDP, cấu trúc và phân lớp không gian địa chỉ IPv4.
  • Chương 8: Một số công nghệ chuyển mạch tiên tiến (Trang 217 - 284): Nghiên cứu công nghệ Frame Relay; công nghệ Chế độ truyền dẫn không đồng bộ (ATM) bao gồm mô hình phân lớp, cấu trúc tế bào 53 byte, nguyên lý thiết lập kênh ảo (VC) và đường ảo (VP); công nghệ Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS), hoạt động của MPLS trên nền ATM-PVC, giao thức phân phối nhãn LDP, CR-LDP, RSVP; so sánh hiệu năng giữa CR-LDP và RSVP, giữa MPLS và MPOA.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình xây dựng hệ thống kiến thức nền tảng vững chắc dựa trên các lý thuyết và nguyên lý kỹ thuật:

  • Nguyên lý ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) và điều chế xung mã (PCM): Tín hiệu thoại được lấy mẫu với tần số $8\text{ kHz}$ (chu kỳ $125\ \mu\text{s}$), lượng tử hóa và mã hóa thành các khe thời gian (time-slot) chuẩn luồng $2\text{ Mbps}$ ($32$ kênh thời gian theo chuẩn châu Âu) hoặc $1{,}5\text{ Mbps}$ ($24$ kênh thời gian theo chuẩn Bắc Mỹ/Nhật Bản).
  • Lý thuyết chuyển mạch số: Nguyên lý đổi khe thời gian bằng bộ nhớ đệm thoại (Speech Memory) kết hợp bộ nhớ điều khiển (Control Memory) trong chuyển mạch thời gian (T); nguyên lý đóng mở tiếp điểm ma trận logic bán dẫn theo khe thời gian trong chuyển mạch không gian (S).
  • Nguyên lý điều khiển theo chương trình lưu trữ (SPC): Cơ chế xử lý thời gian thực các sự kiện cuộc gọi thông qua cơ sở dữ liệu bán cố định (bảng dịch số, định tuyến) và cơ sở dữ liệu tạm thời (record trạng thái cuộc gọi).
  • Kiến trúc phân lớp giao thức viễn thông: Mô hình phân lớp báo hiệu SS7 (MTP Cấp 1, 2, 3 và các phần người dùng TUP, ISUP, SCCP), mô hình phân lớp ATM và mô hình ngăn xếp giao thức mạng TCP/IP.

Kỹ năng phát triển

Người học hoàn thành giáo trình này sẽ phát triển được các nhóm kỹ năng chuyên môn:

  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Khả năng phân tích sơ đồ khối phần cứng tổng đài; tính toán, thiết kế và ghép nối các trường chuyển mạch đa cấp T-S-T, S-T-S; cấu hình và phân bổ các giao diện thuê bao (BORSCHT), trung kế số (GAZPACHO).
  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Khả năng giải đoán và phân tích luồng báo hiệu (Call flow / Signaling trace) của các cuộc gọi nội đài, liên đài sử dụng giao thức R2 MFC hoặc SS7; phân tích cấu trúc bản tin điều khiển và đánh giá các nguyên nhân gây nghẽn mạch hoặc lỗi kết nối.
  • Kỹ năng thực hành và vận hành (Practical competencies): Đọc hiểu dữ liệu đo kiểm lưu lượng viễn thông; nắm vững các thao tác khai thác, điều hành quản trị mạng thuê bao (tạo mới, đổi số, chặn dịch vụ, cấu hình cước) và định vị lỗi phần cứng/phần mềm trong bảo dưỡng tổng đài số SPC.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình được biên soạn theo phương pháp sư phạm kỹ thuật viễn thông chuẩn mực, kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết hệ thống và phân tích chức năng thực tế. Kiến thức được triển khai tuần tự từ mức vật lý, mức mạch logic đến mức điều khiển phần mềm và mức giao thức mạng.

Trong công tác giảng dạy, tài liệu cung cấp nguồn sơ đồ kỹ thuật phong phú:

  • Sơ đồ khối chức năng và mô hình mạng: Minh họa trực quan các mô hình mạng hình sao, mạng lưới, mạng hỗn hợp phân cấp CCITT (Hình 1-6), sơ đồ khối chức năng tổng quát của tổng đài SPC (Hình 1-12) và sơ đồ khối bộ xử lý chuyển mạch (Hình 1-13).
  • Sơ đồ tiến trình kỹ thuật (Flowcharts): Mô hình hóa tường minh tiến trình 10 bước của một cuộc gọi qua tổng đài nội hạt (Hình 1-14) và chuyển tiếp qua tổng đài thứ hai (Hình 1-15), giúp giảng viên dễ dàng thiết kế các tình huống mô phỏng cuộc gọi thực tế cho sinh viên.
  • Bảng số liệu đối chiếu kỹ thuật: Bảng 1-1 và Bảng 1-2 cung cấp các thông số kỹ thuật thực tế (dung lượng đường dây, lưu lượng Erlang, tốc độ xử lý cuộc gọi/giây) của các dòng tổng đài thương mại lớn trên thế giới, làm căn cứ cho các bài tập tính toán thiết kế dung lượng tổng đài.

Đối với việc tự học, giáo trình yêu cầu người học bám sát logic của từng khối chức năng. Người học cần tự vẽ lại sơ đồ ghi/đọc bộ nhớ trong chuyển mạch thời gian T (đổi khe thời gian), phân tích nguyên tắc chuyển mạch không gian S theo ma trận tiếp điểm, và viết lại quy trình báo hiệu bắt tay giữa hai tổng đài cho từng kịch bản cuộc gọi cụ thể.

Phương pháp đánh giá kết quả học tập đối với học phần sử dụng giáo trình này tập trung vào:

  1. Khả năng giải thích các khái niệm kỹ thuật và chức năng của từng khối trong tổng đài SPC.
  2. Năng lực tính toán thiết kế trường chuyển mạch T-S-T và phân tích định tuyến cuộc gọi.
  3. Kỹ năng phân biệt cơ chế truyền tin và cấu trúc bản tin của các hệ thống báo hiệu (CAS, R2, SS7, LDP, RSVP).

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Tính chuẩn hóa theo khuyến nghị quốc tế: Nội dung giáo trình tuân thủ chặt chẽ các khuyến nghị kỹ thuật của CCITT (nay là ITU-T) về cấu trúc phân cấp mạng viễn thông quốc gia/quốc tế, chuẩn mã hóa thoại PCM 30/32 và 24 kênh, cũng như tiêu chuẩn hóa hệ thống báo hiệu liên đài R2 và Báo hiệu số 7.
  • Khảo sát đa dạng các dòng tổng đài công nghiệp thực tế: Giáo trình tổng hợp số liệu kỹ thuật cụ thể của nhiều thế hệ tổng đài điện tử và số từ các hãng viễn thông hàng đầu: No.1 ESS, No.4 ESS (Bell Labs/AT&T - Mỹ); AXE (Ericsson - Thụy Điển); E10A, E10B, E12, MT20 (Alcatel/CIT - Pháp); EWSO, EWSD (Siemens - Đức); NEAX61, FETEX (NEC, Fujitsu - Nhật Bản); PRX-205 (Philips - Hà Lan); Proteo (Ý).
  • Tích hợp chuyển giao công nghệ từ TDM sang Chuyển mạch gói và Nhãn: Bên cạnh việc phân tích sâu công nghệ chuyển mạch kênh truyền thống, tài liệu cập nhật toàn diện các công nghệ chuyển mạch gói băng rộng: Mạng ISDN/B-ISDN, Frame Relay, ATM và kỹ thuật chuyển mạch nhãn MPLS cùng các giải pháp ban đầu của các hãng công nghệ lớn (như Tag Switching của Cisco, ARIS của IBM, VNS của Nortel).

Đối tượng sử dụng giáo trình

Giáo trình được thiết kế nhằm phục vụ các nhóm đối tượng cụ thể trong đào tạo và nghiên cứu:

  • Sinh viên đại học: Sinh viên năm thứ 3 và năm thứ 4 chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Mạng và Truyền thông, Công nghệ Thông tin cần học phần Kỹ thuật Chuyển mạch, Tổng đài số hoặc Mạng viễn thông.
  • Học viên cao học: Học viên theo học các chương trình thạc sĩ kỹ thuật viễn thông sử dụng giáo trình để nghiên cứu sâu về cơ chế điều khiển phân tán, kỹ thuật báo hiệu kênh chung SS7, chất lượng dịch vụ QoS và định tuyến nâng cao trong MPLS/ATM.
  • Kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành các học phần cơ sở bao gồm: Lý thuyết mạch, Kỹ thuật số, Lý thuyết truyền số liệu, Xử lý tín hiệu số và Cơ sở mạng truyền thông trước khi tiếp cận giáo trình này.
  • Giảng viên và kỹ sư thực địa: Giảng viên dùng làm khung giáo trình giảng dạy lý thuyết và thiết kế bài tập lớn; các kỹ sư, cán bộ kỹ thuật tại các trung tâm vận hành khai thác mạng (NOC), đài viễn thông sử dụng làm tài liệu tham khảo tra cứu quy trình bảo dưỡng và nguyên lý xử lý lỗi tổng đài SPC.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai? Giáo trình phù hợp với sinh viên đại học, học viên cao học chuyên ngành Điện tử - Viễn thông, Công nghệ Thông tin, cùng các kỹ sư và chuyên viên kỹ thuật đang công tác trong lĩnh vực vận hành, khai thác mạng viễn thông.

2. Cần kiến thức nền nào để học tốt giáo trình này? Người học cần nắm vững kiến thức về Kỹ thuật số (mạch logic, thanh ghi, bộ nhớ bán dẫn), Lý thuyết truyền số liệu, Nguyên lý điều chế PCM (lấy mẫu, lượng tử hóa, mã hóa) và mô hình mạng cơ bản.

3. Điểm khác biệt của giáo trình so với các tài liệu chuyển mạch thông thường là gì? Giáo trình mô tả chi tiết cả kiến trúc phần cứng chuyên biệt (BORSCHT, GAZPACHO, ma trận trường chuyển mạch T/S) lẫn cấu trúc phần mềm điều khiển thời gian thực và phân tích các giao thức báo hiệu (R2, SS7, LDP, RSVP) với số liệu cụ thể từ các hệ thống tổng đài công nghiệp.

4. Làm sao để tự học các mô hình chuyển mạch phức tạp trong giáo trình hiệu quả? Người học nên kết hợp việc đọc lý thuyết với việc tự vẽ lại sơ đồ thời gian, lập bảng trạng thái các khe thời gian của bộ nhớ thoại/điều khiển trong trường chuyển mạch T-S-T, đồng thời theo dõi luồng tín hiệu theo tiến trình 10 bước của cuộc gọi.

5. Có thể tra cứu những tiêu chuẩn công nghệ nào trong giáo trình? Giáo trình cung cấp các chuẩn quốc tế về phân cấp mạng viễn thông của CCITT/ITU-T, cấu trúc luồng PCM 2 Mbps và 1,5 Mbps, chuẩn báo hiệu R2 MFC, hệ thống SS7, giao thức X.25, mô hình ATM và bộ tiêu chuẩn MPLS của IETF.

Kết luận

Giáo trình Kỹ thuật Chuyển mạch và Tổng đài số của tác giả Nguyễn Thanh Hà là tài liệu học thuật hoàn chỉnh, cung cấp hệ thống tri thức chuẩn xác về cấu trúc phần cứng, giải thuật phần mềm điều khiển SPC và các giao thức báo hiệu trong mạng chuyển mạch.

Lộ trình tiếp cận nội dung hiệu quả được đề xuất: $$\text{Kiến thức tổng quan & Trường chuyển mạch (Chương 1, 2)} \longrightarrow \text{Điều khiển & Báo hiệu viễn thông (Chương 3, 4, 5, 6)} \longrightarrow \text{Mạng chuyển mạch gói & MPLS (Chương 7, 8)}$$

Để mở rộng nghiên cứu, người học nên kết hợp đối chiếu nội dung giáo trình với các tài liệu bổ trợ như: các tập khuyến nghị chính thức của ITU-T (dòng Q-series cho chuyển mạch và báo hiệu, I-series cho ISDN), các tài liệu tiêu chuẩn RFC của IETF về TCP/IP và MPLS, cùng tài liệu kỹ thuật vận hành của các nhà sản xuất thiết bị viễn thông (Alcatel-Lucent, Ericsson, Siemens, Cisco).