Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh chuyển đổi số và xu thế hội tụ công nghệ viễn thông - công nghệ thông tin, nhu cầu sử dụng dịch vụ Internet băng thông rộng tốc độ cao có sự gia tăng nhanh chóng. Theo số liệu từ Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU), tỷ lệ sử dụng Internet toàn cầu đạt 59%. Tại Việt Nam, tính đến đầu năm 2023, số lượng người dùng Internet đạt 77,93 triệu người (chiếm 79,1% dân số), tăng 5,3 triệu người (+7,3%) so với năm 2022; tổng số thuê bao băng rộng cố định đạt 22,14 triệu thuê bao (tương ứng 22,26 thuê bao/100 dân), tăng 8% so với cùng kỳ. Tốc độ băng rộng cố định của Việt Nam ghi nhận vào tháng 5/2023 đạt 93,31 Mbps (tăng 29,98%, xếp thứ 42 thế giới và cao hơn mức trung bình toàn cầu 79,28 Mbps). Tỷ lệ hộ gia đình sử dụng cáp quang tăng trưởng trung bình trên 5%/năm, hướng tới mục tiêu khoảng 84% (khoảng 22 triệu hộ) vào cuối năm 2023.

Trước sự lạc hậu và hạn chế về băng thông của mạng cáp đồng (xDSL), Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam (VNPT) đã triển khai lộ trình phát triển hạ tầng mạng viễn thông băng rộng đến năm 2030, đưa mạng cáp quang FTTH đến 63 tỉnh thành và 100% các xã trên cả nước. Tại địa bàn Hải Phòng, 100% đường truyền Internet của VNPT đã được chuyển đổi sang cáp quang. Nhằm đáp ứng các dịch vụ đòi hỏi băng thông cao và chất lượng ổn định (IPTV, VoIP, VoD, Hội nghị truyền hình, VPN), đề tài tốt nghiệp tập trung nghiên cứu giải pháp kỹ thuật và quy trình thi công mạng truy nhập quang FiberVNN.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định gồm 3 nội dung chính:

  1. Tìm hiểu các khái niệm, định nghĩa, cấu trúc, thành phần và nguyên lý hoạt động của các công nghệ mạng truy nhập băng rộng tốc độ cao tại VNPT.
  2. Tìm hiểu mô hình tổ chức mạng truy nhập băng rộng tại VNPT Hải Phòng.
  3. Tìm hiểu nhu cầu, giải pháp thiết kế, quy trình triển khai lắp đặt thi công, đo kiểm và xử lý sự cố dịch vụ FiberVNN tại VNPT Hải Phòng.
  • Đối tượng nghiên cứu: Công nghệ mạng truy nhập quang FTTx (trọng tâm là FTTH/GPON), các thiết bị chuyển đổi, định tuyến và dịch vụ truy nhập Internet FiberVNN.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Không gian: Hạ tầng mạng viễn thông băng rộng thuộc VNPT Hải Phòng, với địa bàn khảo sát thực tế tại Trung tâm Viễn thông 2 - VNPT Hải Phòng.
    • Thời gian: Dữ liệu thống kê, hiện trạng công nghệ và quy chuẩn kỹ thuật ghi nhận trong năm 2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ áp dụng

Đề tài dựa trên cơ sở lý thuyết truyền dẫn quang và kiến trúc mạng truy nhập băng thông rộng FTTx, bao gồm hai nhóm công nghệ chính:

  • Mạng quang chủ động (AON - Active Optical Network): Sử dụng các thiết bị chuyển mạch có cấp nguồn (Ethernet Switch, Multiplexer) kết nối điểm - điểm (P2P).
  • Mạng quang thụ động (xPON - Passive Optical Network): Không sử dụng thiết bị dùng nguồn trên đường truyền ngoài trạm OLT và phía thuê bao (ONT/ONU); phân chia công suất quang thông qua bộ chia thụ động (Splitter). Khung công nghệ khảo sát bao gồm các chuẩn:
    • Chuẩn TDMA-PON: B-PON (ITU-T G.983 trên nền ATM), E-PON (IEEE 802.3ah, tốc độ 1 Gbps), 10G-EPON (IEEE 802.3av, tốc độ 10 Gbps), G-PON (ITU-T G.984 với phương thức đóng gói GEM và khung truyền dẫn GTC).
    • Chuẩn PON nâng cao: WDM-PON (ghép kênh phân chia theo bước sóng qua bộ lọc AWG), CDMA-PON (phân chia theo mã trải phổ chuỗi trực tiếp).
  • Quy chuẩn định tuyến và xác thực: Giao thức điểm - điểm qua Ethernet (PPPoE), mô hình bảo mật và quản lý phiên AAA (Authentication, Authorization, Accounting) qua RADIUS Server, kết hợp mạng truyền tải đô thị MAN-E nền IP/MPLS và công nghệ Segment Routing (SR kết hợp SDN).

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Hệ thống hóa các tiêu chuẩn viễn thông quốc tế (ITU, IEEE, FSAN) về bước sóng, phân bổ khe thời gian TDMA tĩnh/động (DBA), cấu trúc khung và phân loại suy hao quang.
  • Phương pháp khảo sát hiện trạng hạ tầng: Khảo sát trực tiếp sơ đồ phân lớp mạng viễn thông thực tế tại VNPT Hải Phòng (mạng lõi Core, mạng truyền tải Backhaul, mạng MAN-E và mạng phân phối quang ODN).
  • Phương pháp đo kiểm và thực nghiệm kỹ thuật:
    • Kỹ thuật đo phản xạ miền thời gian quang OTDR dựa trên nguyên lý tán xạ ngược (Backscattering) nhằm xác định chiều dài tuyến cáp, suy hao mối hàn và điểm đứt cáp.
    • Kỹ thuật đo công suất và suy hao quang thông qua phương pháp cắt sợi (Cut-back method) và phương pháp xen thêm suy hao (Insertion loss method) sử dụng nguồn phát quang và máy đo OPM.
    • Thực nghiệm cấu hình phân giải địa chỉ mạng NAT, thiết lập tham số quay số PPPoE và định tuyến trên các thiết bị Gateway/Router.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu sử dụng trong đồ án bao gồm: số liệu thống kê phát triển thuê bao của ITU và Bộ Thông tin và Truyền thông Việt Nam; thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của thiết bị quang (Alcatel-Lucent, Cisco, TP-Link, AMP Tyco Electronics); sơ đồ mạng và quy trình kỹ thuật nội bộ của VNPT Hải Phòng.


Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Kiến trúc phân lớp mạng truy nhập ODN

Hạ tầng mạng phân phối quang (ODN - Optical Distribution Network) trong hệ thống FiberVNN được tổ chức theo các khối chức năng chính:

  • Thiết bị đầu cuối đường quang OLT (Optical Line Terminal): Đặt tại tổng đài trung tâm (Central Office), làm Master điều khiển lớp MAC, phân bổ băng thông hướng lên (Upstream) qua giao thức DBA và giao tiếp với mạng trục qua cổng SNI.
  • Thiết bị đầu cuối mạng quang ONT/ONU: ONT đặt trực tiếp trong nhà khách hàng; ONU đặt tại hộp cáp hoặc tủ ngoài trời, cung cấp các giao tiếp mạng người dùng (UNI).
  • Bộ chia quang thụ động (Optical Splitter): Đặt tại tủ phối quang (FDH - Fiber Distribution Cabinet) hoặc hộp chia cáp (NAP - Network Access Point) với tỷ lệ phân chia công suất $P/N$.
  • Hệ thống cáp quang đơn mode (Single-mode): Phân chia thành cáp gốc (từ OLT đến FDH), cáp cành (Distribution cable từ FDH đến NAP) và cáp nhánh (Drop cable từ NAP đến nhà khách hàng).
Mô hình kiến trúc Vị trí đặt bộ chia (Splitter) Ưu điểm Nhược điểm
Điểm - điểm (P2P) Đặt trực tiếp tại tổng đài (Central Office) Băng thông tối đa, xử lý sự cố tập trung tại tổng đài/khách hàng. Tốn dung lượng cáp quang gốc, làm phức tạp tổng đài.
Tập trung Đặt tập trung tại tủ phân phối cáp (FDH) Tối ưu hóa cổng OLT, tiết kiệm sợi cáp gốc, xử lý sự cố tại 3 điểm (CO, FDH, khách hàng). Cần không gian lắp đặt tủ FDH dung lượng lớn.
Phân tán Đặt phân tán tại các hộp chia cáp (NAP) Tiết kiệm tối đa sợi cáp quang dẫn từ tổng đài. Tận dụng cổng OLT kém hiệu quả, phức tạp trong việc dò tìm và xử lý sự cố trên tuyến.

Quy trình xác thực, cấp quyền và tính cước (AAA)

Quá trình cấp dịch vụ FiberVNN qua giao thức PPPoE diễn ra theo trình tự kỹ thuật:

  1. Thiết bị Modem/Router của khách hàng (PPPoE Client) gửi gói tin yêu cầu kết nối đi qua mạng truy nhập đến cổng BNG/BRAS (đóng vai trò PPPoE Server).
  2. BRAS trích xuất thông tin tài khoản (username, password) chuyển tiếp đến RADIUS Server đóng vai trò RADIUS Client.
  3. RADIUS Server đối soát cơ sở dữ liệu thuê bao: Nếu hợp lệ, RADIUS cấp thông báo thiết lập phiên PPP, chỉ định thông số cấu hình và cấp dải địa chỉ IP Public (tĩnh hoặc động).
  4. BRAS khởi tạo PPP Tunnel xuống thiết bị khách hàng, kích hoạt định tuyến biên (Edge Router) và gửi bản tin ghi nhận thời gian bắt đầu (start time), thời gian kết thúc (stop time) sang Billing Server để tính cước dựa trên lưu lượng hoặc gói thuê bao.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Nhu cầu công nghệ mạng băng rộng

Chương này phân tích động lực phát triển viễn thông dưới tác động của kỹ thuật số và hội tụ dịch vụ. Tác giả chỉ ra nhược điểm của công nghệ truy nhập qua cáp đồng (xDSL) về mặt giới hạn băng thông theo cự ly và khả năng cung cấp đa dịch vụ chất lượng cao.

Nhu cầu băng thông cho từng loại dịch vụ và từng nhóm khách hàng được lượng hóa cụ thể:

Nhóm khách hàng Các dịch vụ sử dụng chính Băng thông yêu cầu (Up / Down) Công nghệ kết nối đáp ứng
Doanh nghiệp, ngân hàng, văn phòng IP Phone (10 kênh), Internet tốc độ cao, Video Phone, Video Conference, P2P, HDTV 26.5 Mbps / 53 Mbps Fast Ethernet (FE), MetroNet
Hộ gia đình doanh thu cao, đại lý IP Phone, Internet tốc độ cao, Video Phone, Game Online, HDTV 7.2 Mbps / 7.2 Mbps Fast Ethernet (FE), VDSL2
Cửa hàng, doanh nghiệp nhỏ IP Phone (3 kênh), Internet tốc độ cao, Video Phone 6.6 Mbps / 6.6 Mbps VDSL2, ADSL2+ (khoảng cách gần)
Hộ gia đình trung bình IP Phone, Internet, Game online, SDTV 2.2 Mbps / 2.2 Mbps ADSL2+ (khoảng cách gần)

So sánh năng lực truyền dẫn giữa các công nghệ cho thấy ưu thế của cáp quang: VDSL2 suy giảm từ 80 Mbps xuống 16 Mbps khi khoảng cách tăng từ 500m đến 2000m; ADSL2+ chỉ đạt tối đa 24 Mbps ở 500m và giảm còn 1,5 Mbps ở 5000m. Trong khi đó, Fast Ethernet (FE) duy trì ổn định 100 Mbps đối xứng trên khoảng cách lên tới 70 km, và GPON đạt 2,5 Gbps Downlink / 1,25 Gbps Uplink trên bán kính phục vụ 20 km.

Chương 2: Các công nghệ triển khai FTTx

Tác giả hệ thống hóa các giải pháp triển khai quang gồm AON và xPON. Đối với xPON, cơ chế truyền dẫn bước sóng đơn mode được quy định: chiều xuống (Downstream) dùng bước sóng 1490 nm (dữ liệu, thoại) và 1550 nm (video); chiều lên (Upstream) dùng bước sóng 1310 nm.

  • Chiều xuống hoạt động theo cơ chế phát quảng bá (Broadcast), các ONU tự lọc gói tin dựa trên địa chỉ nhận dạng tại lớp MAC.
  • Chiều lên hoạt động theo cơ chế TDMA (phân chia theo thời gian tĩnh hoặc động - DBA) do OLT chỉ định nhằm chống xung đột tín hiệu.

Chương này cũng phân tích chi tiết cấu trúc khung của B-PON (khung ATM 53-byte), E-PON (khung Ethernet, tốc độ 1 Gbps), G-PON (khung GTC, đóng gói GEM, hỗ trợ đồng thời TDM và Ethernet), cùng các công nghệ WDM-PON và CDMA-PON.

Chương 3: FTTH – Triển khai lắp đặt, cấu hình thiết bị

Chương 3 trình bày chi tiết cấu hình phần cứng và giải pháp thiết bị đầu cuối:

  • Thiết bị chuyển đổi quang - điện (Media Converter): Khảo sát dòng thiết bị Fast Ethernet Media Converter của AMP (Tyco Electronics), Signamax và TP-Link. Thiết bị chuyển đổi tín hiệu 10/100Base-TX sang 100Base-FX, hỗ trợ khoảng cách 2 km (cáp đa mode) và 30 km (cáp đơn mode bước sóng 1310/1550 nm), tự động học 1000 địa chỉ MAC, hỗ trợ tính năng Link Loss Forwarding và cấp nguồn DC 9V - 0,7A.
  • Bộ định tuyến và chuyển dịch địa chỉ mạng (NAT): Cấu hình phân giải IP Public/Private phục vụ mạng LAN sử dụng Router Cisco (các dòng 2501, 1603, 1751, 2621, 3661), Modem quang HTSV P5V1, thiết bị TP-Link TL-WR542G, dịch vụ RRAS trên Windows Server 2003 và Internet Connection Sharing (ICS) trên Windows XP.

Chương 4: Đo kiểm chất lượng - Phân tích xử lý lỗi

Chương này làm rõ các nguyên nhân gây suy hao tuyến quang gồm: suy hao nội tại sợi quang, suy hao uốn cong, suy hao tại mối hàn suy hao (suy hao ghép nối) và suy hao đầu nối Connector (SC, ST, FC, MT-RJ).

Quy trình đo kiểm được thiết lập thông qua:

  • Máy đo phản xạ quang OTDR: phân tích đồ thị tán xạ ngược để định vị khoảng cách sự cố, đo suy hao phản xạ và lập bảng chi tiết sự kiện tuyến cáp.
  • Đo suy hao công suất quang: sử dụng máy đo công suất OPM và nguồn phát quang thông qua phương pháp cắt sợi (đo công suất tại đầu vào và điểm cắt) hoặc phương pháp xen thêm suy hao.
  • Phân loại và xử lý sự cố: phân định lỗi phía nhà cung cấp (lỗi cổng OLT, cấu hình BRAS, định tuyến mạng Core), lỗi mạng truyền dẫn ngoài trời (đứt cáp gốc/cành, gãy sợi tại NAP, đầu nối ODF bẩn/suy hao cao), và sự cố thiết bị tại phía khách hàng (dây nhảy Patch Cord hỏng, lỗi thiết bị NAT/Modem, xung đột địa chỉ IP nội bộ).

Chương 5: Triển khai dịch vụ FiberVNN tại VNPT Hải Phòng

Trình bày cấu trúc tổ chức mạng thực tế tại VNPT Hải Phòng:

  • Mạng đô thị MAN-E Hải Phòng: xây dựng trên nền tảng chuyển mạch nhãn đa giao thức IP/MPLS, cấu trúc mạng Core phân cấp có khả năng kết nối cổng GE (Gigabit Ethernet) dung lượng lớn và sẵn sàng định tuyến phân đoạn Segment Routing (SR kết hợp SDN).
  • Mạng truyền tải Backhaul và mạng quang ODN: triển khai đồng bộ hạ tầng GPON, từng bước thử nghiệm nâng cấp công nghệ XGS-PON (10 Gigabit đối xứng) nhằm đáp ứng nhu cầu tăng trưởng băng thông và cung cấp đa dịch vụ tốc độ cao cho khách hàng trên địa bàn thành phố.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật

  • Hệ thống hóa toàn bộ cơ sở lý thuyết, quy chuẩn quốc tế và phân tích so sánh kỹ thuật giữa các mô hình kiến trúc mạng quang FTTx (AON, B-PON, E-PON, G-PON, WDM-PON, CDMA-PON).
  • Làm rõ cấu hình phần cứng, nguyên lý hoạt động của các thiết bị quang đầu cuối (OLT, ONT, ONU, Media Converter) và các giải pháp định tuyến mạng (Router Cisco, NAT Server, Windows Server RRAS).
  • Xây dựng sơ đồ phân bổ bước sóng quang chuẩn hóa (1310 nm hướng lên; 1490 nm và 1550 nm hướng xuống) và mô hình phân bố Splitter tập trung tại tủ FDH cho mạng đô thị.
  • Thiết lập quy trình đo kiểm tuyến quang bằng phương pháp tán xạ ngược OTDR và phương pháp đo suy hao xen thêm, phục vụ xác định chính xác các điểm lỗi và mối hàn suy hao cao trên mạng ODN.

Giải pháp và đóng góp thực tiễn

  • Đồ án phản ánh trực tiếp hiện trạng chuyển đổi hạ tầng từ mạng cáp đồng sang 100% cáp quang tại VNPT Hải Phòng.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật giúp tối ưu hóa công tác lắp đặt, cấu hình thiết bị đầu cuối cho dịch vụ FiberVNN, chuẩn hóa quy trình xử lý sự cố phân tầng (từ phía ISP, tuyến truyền dẫn quang ODN đến hệ thống mạng LAN nội bộ của khách hàng), nâng cao độ ổn định và chất lượng truyền dẫn cho nhà mạng viễn thông.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Nội dung đồ án tập trung chủ yếu vào việc khảo sát kiến trúc chuẩn GPON và các thiết bị phần cứng truyền thống; các số liệu đo kiểm và cấu hình xử lý sự cố mang tính quy trình thực hành kỹ thuật tại địa bàn Trung tâm Viễn thông 2 - VNPT Hải Phòng, chưa đi sâu vào việc mô phỏng thuật toán tối ưu hóa phân bổ băng thông động (DBA) bằng phần mềm chuyên dụng.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Nghiên cứu giải pháp chuyển đổi và nâng cấp mạng truy nhập quang lên công nghệ XGS-PON (10G đối xứng) và lộ trình triển khai 50G-PON (dự kiến thử nghiệm từ 2025 và phát triển giai đoạn 2026-2027).
    • Nghiên cứu ứng dụng công nghệ điều khiển mạng bằng phần mềm SDN kết hợp định tuyến phân đoạn Segment Routing (SR) trên toàn bộ hạ tầng mạng MAN-E và IP Core của VNPT.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật hữu ích cho sinh viên và kỹ sư các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Điện tử - Truyền thông, Kỹ thuật Mạng và Viễn thông. Cụ thể:

  • Chương 2 và Chương 3 cung cấp tư liệu tham khảo chi tiết về kiến trúc hệ thống xPON, nguyên lý phân bổ thời gian TDMA, quy trình xác thực PPPoE/AAA qua RADIUS Server và sơ đồ đấu nối thiết bị Media Converter, Router.
  • Chương 4 là tài liệu thực hành có giá trị cho cán bộ kỹ thuật vận hành mạng quang trong công tác đo kiểm tuyến bằng máy OTDR, máy đo công suất OPM và phương pháp phân lập, xử lý sự cố đường truyền cáp quang.

Câu hỏi thường gặp

1. Điểm khác biệt căn bản về mặt kỹ thuật giữa dịch vụ FTTH (FiberVNN) và công nghệ ADSL truyền thống trong văn bản là gì?

FTTH sử dụng môi trường truyền dẫn 100% sợi quang thay thế cho dây đồng của ADSL. Về tốc độ, FTTH cung cấp tốc độ cao hơn khoảng 66 lần so với DSL tiêu chuẩn (100 Mbps so với 1,5 Mbps), có tốc độ tải lên và tải xuống đối xứng hoàn toàn, không bị suy hao bởi nhiễu điện từ hay khoảng cách như đường truyền cáp đồng ADSL.

2. Các bước sóng quang nào được quy định trong hệ thống mạng xPON cho các hướng truyền dẫn?

Trong mạng xPON, các dịch vụ hướng lên và hướng xuống truyền dẫn trên cùng một sợi quang thông qua ghép kênh phân chia bước sóng (WDMA):

  • Hướng xuống (Downstream - OLT đến ONU): Sử dụng bước sóng 1490 nm cho dịch vụ thoại/dữ liệu và bước sóng 1550 nm cho tín hiệu truyền hình (Video).
  • Hướng lên (Upstream - ONU đến OLT): Sử dụng bước sóng 1310 nm cho dịch vụ thoại và dữ liệu.

3. Quy trình xác thực và cấp địa chỉ IP cho thuê bao FiberVNN qua BRAS và RADIUS diễn ra như thế nào?

Khi modem gửi gói tin PPPoE lên, cổng BRAS trích xuất username và password chuyển tiếp đến RADIUS Server để thực hiện chức năng AAA. RADIUS Server kiểm tra dữ liệu khách hàng; nếu hợp lệ sẽ gửi thông báo cấp phép về BRAS kèm dải IP Public. BRAS tiến hành khởi tạo đường hầm PPP Tunnel xuống modem, ghi nhận thời gian bắt đầu phiên truyền về Billing Server và định tuyến lưu lượng ra Internet.

4. Kiến trúc đặt bộ chia quang (Splitter) tập trung tại tủ phân phối FDH có ưu điểm gì so với mô hình điểm - điểm?

Mô hình đặt Splitter tập trung tại tủ FDH giúp tiết kiệm số lượng sợi cáp quang gốc kéo từ tổng đài trung tâm, tận dụng tối đa năng lực phục vụ của cổng OLT và tập trung hóa công tác vận hành, bảo trì, xử lý sự cố mạng tại 3 vị trí cố định (Tổng đài, Tủ FDH và Nhà khách hàng) thay vì phải kéo từng sợi quang riêng lẻ từ tổng đài đến từng nhà thuê bao.

5. Những phương pháp đo suy hao tuyến quang nào được tác giả trình bày trong đồ án?

Đồ án trình bày 3 phương pháp đo kiểm quang:

  1. Đo phản xạ miền thời gian quang bằng máy OTDR theo phương pháp tán xạ ngược (Backscattering) để xác định vị trí lỗi, chiều dài và suy hao mối hàn.
  2. Phương pháp cắt sợi (Cut-back method) sử dụng nguồn phát quang và máy đo công suất OPM.
  3. Phương pháp xen thêm suy hao (Insertion loss method) dùng để xác định độ suy giảm công suất quang toàn tuyến.

Kết luận

Đồ án "Giải pháp triển khai dịch vụ FiberVNN tại VNPT Hải Phòng" của sinh viên Nguyễn Viết Hùng đã tổng hợp đầy đủ cơ sở lý thuyết về mạng truy nhập quang FTTx và các chuẩn công nghệ PON hiện hành. Công trình làm rõ kiến trúc phân lớp mạng ODN, nguyên lý hoạt động của các phần tử OLT/ONT/Splitter, cùng quy trình xác thực quản lý thuê bao qua hệ thống AAA/RADIUS và BRAS. Đồng thời, đồ án xây dựng các quy trình thực tế về đấu nối thiết bị, cấu hình định tuyến và đo kiểm chất lượng tuyến cáp quang bằng máy OTDR/OPM, phản ánh đúng thực trạng hiện đại hóa mạng viễn thông băng thông rộng tại VNPT Hải Phòng.