Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nhu cầu băng thông Internet tại Việt Nam tăng trưởng vượt bậc với tốc độ trên 30% mỗi năm vào giai đoạn 2005 - 2010, hạ tầng mạng cáp đồng truyền thống sử dụng công nghệ xDSL dần bộc lộ những giới hạn nghiêm trọng về cự ly truyền dẫn và tốc độ đường truyền (tối đa chỉ đạt khoảng 24 Mbps ở điều kiện lý tưởng). Trước đòi hỏi cấp thiết về việc cung cấp dịch vụ đa phương tiện tích hợp Triple-Play (thoại, dữ liệu, truyền hình độ nét cao) trên nền tảng mạng thế hệ mới NGN (Next Generation Network), công nghệ mạng quang thụ động Ethernet (EPON - Ethernet Passive Optical Network) theo tiêu chuẩn IEEE 802.3ah đã nổi lên như một giải pháp đột phá.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử của tác giả Lê Vũ Thắng tại Trường Đại học Công nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nội tập trung giải quyết bài toán ứng dụng công nghệ EPON trong việc mở rộng và hiện đại hóa mạng truy cập băng rộng tại khu vực Viettel Hà Nội. Mục tiêu nghiên cứu cụ thể là khảo sát cấu trúc mạng NGN, phân tích sâu các nguyên lý vật lý và giao thức điều khiển đa điểm MPCP (Multipoint Control Protocol) của EPON, từ đó xây dựng phương án thiết kế, lựa chọn thiết bị (OLT, ONU, IP Switch) và đánh giá lưu lượng truyền dẫn thực tế trên hệ thống mạng Viettel Hà Nội giai đoạn 2010 - 2015.

Ý nghĩa nghiên cứu được thể hiện rõ nét qua việc tối ưu hóa hạ tầng cáp quang, cho phép nâng tốc độ truyền tải hạ tầng mạng truy cập lên 1 Gbps đối xứng, tăng bán kính phục vụ lên tới 20 km mà không cần trạm lặp trung gian, đồng thời giảm thiểu hơn 40% chi phí đầu tư thiết bị tích cực và chi phí vận hành (OPEX) so với các giải pháp mạng điểm - điểm truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên hai khung lý thuyết viễn thông hiện đại:

  1. Lý thuyết phân lớp chức năng mạng thế hệ mới NGN (theo khuyến nghị của Liên minh Viễn thông Quốc tế ITU-T): Phân rã mạng viễn thông thành 4 lớp chức năng độc lập gồm Lớp truy cập (Access), Lớp truyền dẫn (Transport/Core), Lớp điều khiển (Control với Softswitch/MGC/Call Agent) và Lớp ứng dụng (Service Execution Node).
  2. Lý thuyết truyền dẫn quang thụ động và mô hình Ethernet in the First Mile (EFM - IEEE 802.3ah): Kết hợp ưu điểm của công nghệ truyền dẫn quang thụ động PON với khung truyền Ethernet tốc độ cao.

Các khái niệm cốt lõi bao gồm:

  • Cơ chế truyền dẫn quang hai chiều trên một sợi quang đơn mode (Single Mode Fiber - SMF): Sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM với bước sóng hướng lên 1310 nm và bước sóng hướng xuống 1490 nm hoặc 1550 nm, tận dụng độ suy hao quang cực thấp chỉ từ 0,2 dB/km đến 0,45 dB/km.
  • Giao thức điều khiển đa điểm MPCP (Multipoint Control Protocol): Hoạt động tại lớp con điều khiển MAC, quản lý cơ chế gán băng thông động (DBA - Dynamic Bandwidth Allocation) thông qua hai loại bản tin GATE (từ OLT cấp khe thời gian) và REPORT (từ ONU báo cáo trạng thái bộ đệm).
  • Cơ chế chia sẻ môi trường truyền theo thời gian (TDMA) ở hướng lên và phát quảng bá (Broadcast) ở hướng xuống, hỗ trợ tỷ lệ chia tách quang từ 1:16, 1:32 đến 1:64 trên mỗi cổng OLT.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp phân tích định tính kỹ thuật mạng và phương pháp định lượng thực nghiệm thông qua các bước:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ hệ thống giám sát lưu lượng thời gian thực của mạng Viettel Hà Nội, cơ sở dữ liệu quy hoạch phát triển thuê bao viễn thông và số liệu đo kiểm thực tế trên các dòng thiết bị viễn thông cấp độ mạng gồm DSLAM Huawei MA5300, Switch phân phối Huawei S6506R, Switch lõi ZTE T160G và thiết bị đầu cuối quang OLT ZTE ZXA10 C220.
  • Cỡ mẫu và phạm vi đo kiểm: Đánh giá toàn diện trên 3 hệ thống máy chủ truy nhập băng rộng từ xa (BRAS 1, BRAS 2, BRAS 3) của Viettel Hà Nội, bao phủ dữ liệu lưu lượng truy cập của hàng chục nghìn thuê bao Internet băng rộng trong các chu kỳ 24 giờ và chu kỳ 30 ngày liên tục.
  • Phương pháp chọn mẫu: Chọn mẫu có chủ đích (purposive sampling) tập trung vào các nút mạng phân phối trọng điểm có mật độ thuê bao cao và đa dạng dịch vụ tại khu vực nội thành và ngoại thành Hà Nội, đảm bảo tính đại diện cho toàn bộ mô hình lưu lượng mạng đô thị.
  • Lý do lựa chọn phương pháp: Việc phân tích dữ liệu lưu lượng thời gian thực kết hợp tính toán lý thuyết Round-Trip Time (RTT) và độ trễ walk-time (khoảng 200 μs ở cự ly 20 km) cho phép đánh giá chính xác hiệu năng gán khe thời gian theo kiểu đường ống (pipelining), từ đó chứng minh tính khả thi kỹ thuật và hiệu quả kinh tế khi chuyển dịch từ mạng đồng xDSL sang mạng quang EPON.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Bứt phá về băng thông và hiệu suất truyền dẫn: Công nghệ EPON cung cấp băng thông đối xứng đạt tốc độ vật lý 1,25 Gbps (băng thông hữu ích đạt 1 Gbps hướng xuống và trên 800 Mbps hướng lên cho 64 ONU), vượt trội gấp hơn 40 lần so với tốc độ tải xuống tối đa 24 Mbps của ADSL2+ và khắc phục triệt để tình trạng nghẽn băng thông hướng lên của công nghệ cáp đồng trục lai ghép HFC (thường chỉ đạt 1 - 2,5 Mbps).
  2. Tối ưu hóa cơ chế phân bổ khe thời gian MPCP: Nghiên cứu phát hiện cơ chế gán khe thời gian kiểu đường ống (pipelined DBA) triệt tiêu hoàn toàn khoảng thời gian chết (walk-time) lên tới 200 μs ở khoảng cách 20 km vốn tồn tại trong cơ chế gán tuần tự, giúp tăng hiệu suất sử dụng kênh truyền hướng lên thêm khoảng 25% đến 30%.
  3. Tiết kiệm chi phí đầu tư và tài nguyên cáp sợi: Mô hình mạng quang thụ động điểm - đa điểm (P2MP) sử dụng bộ chia quang (coupler) thụ động giúp giảm 50% số lượng module thu phát quang tại tổng đài (chỉ cần N module thay vì 2N như mạng điểm - điểm P2P) và giảm tới 75% khối lượng cáp quang nhánh trục chính.
  4. Khả năng tương thích vượt trội và lộ trình phát triển thuê bao: Kết quả dự báo và thiết kế mạng Viettel Hà Nội cho thấy hạ tầng EPON đáp ứng tốt tốc độ tăng trưởng thuê bao FTTH dự kiến vượt 50.000 thuê bao vào năm 2015, tích hợp mượt mà với các giao thức định tuyến mạng lõi IP/MPLS.

Thảo luận kết quả

Sự vượt trội của EPON bắt nguồn từ việc loại bỏ toàn bộ các thiết bị tích cực dùng điện trên tuyến truyền dẫn từ OLT đến nhà thuê bao, sử dụng bộ ghép quang thụ động có suy hao ghép tầng thấp (khoảng 3 dB cho bộ chia 2x2 và từ 0,1 đến 1 dB suy hao chèn). Trong thực tế đo kiểm lưu lượng tại Viettel Hà Nội qua 3 hệ thống BRAS, biểu đồ biến thiên lưu lượng theo giờ (24h) và đồ thị phân tích xu hướng 30 ngày cho thấy lưu lượng đỉnh (peak traffic) của hệ thống EPON-FTTH tăng trưởng ổn định, không xuất hiện hiện tượng sụt giảm thông lượng đột ngột như ở hệ thống ADSL khi bước vào khung giờ cao điểm từ 19h00 đến 22h00.

Khi so sánh với các giải pháp mạng PON khác: GPON tuy có tốc độ danh định cao hơn (2,488 Gbps) nhưng chi phí thiết bị và độ phức tạp đóng gói khung GEM/ATM cao hơn khoảng 30 - 40% so với EPON tại thời điểm 2010. Do đó, EPON là giải pháp cân bằng hoàn hảo giữa hiệu năng và chi phí đầu tư. Các dữ liệu này được trực quan hóa qua bảng so sánh thông số kỹ thuật quang và các biểu đồ phân tích lưu lượng MRTG từ hệ thống BRAS, cung cấp luận cứ vững chắc cho các quyết định đầu tư hạ tầng viễn thông.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Hiện đại hóa và chuyển đổi từng bước hạ tầng mạng truy nhập: Tổng Công ty Viễn thông Viettel cần chủ động thay thế dần các trạm DSLAM cũ bằng hệ thống OLT quang dung lượng cao (như dòng ZXA10 C220 hoặc tương đương). Mục tiêu chuyển đổi ít nhất 60% thuê bao cáp đồng sang mạng FTTH-EPON trong giai đoạn 2010 - 2013, bảo đảm mỗi nhánh splitter 1:32 hoặc 1:64 duy trì băng thông tối thiểu 20 Mbps cho từng khách hàng cá nhân.
  2. Triển khai thuật toán phân bổ băng thông động (DBA) thông minh: Phòng Kỹ thuật và Vận hành Khai thác mạng Viettel cần cài đặt và tối ưu hóa các thuật toán DBA nâng cao trên thiết bị OLT, điều chỉnh linh hoạt kích thước khe thời gian dựa trên các bản tin REPORT thời gian thực từ ONU, nhằm duy trì độ trễ gói tin dưới 10 ms và tỷ lệ mất gói dưới 0,01% đối với các dịch vụ thoại VoIP và IPTV.
  3. Chuẩn hóa quy trình thiết kế và đo kiểm quỹ công suất quang: Đội ngũ kỹ sư quy hoạch mạng cáp quang cần xây dựng quy chuẩn suy hao toàn tuyến nghiêm ngặt, đảm bảo tổng suy hao từ OLT đến ONU không vượt quá 28 dB trên cự ly 20 km (bao gồm suy hao sợi quang ở bước sóng 1310 nm/1490 nm, suy hao mối hàn dưới 0,1 dB/mối và suy hao bộ chia quang thụ động), hoàn thành ban hành quy chuẩn kỹ thuật trong vòng 6 tháng.
  4. Tăng cường năng lực chuyển mạch và định tuyến tầng biên: Đơn vị quản lý hạ tầng mạng Viettel Hà Nội cần nâng cấp các Multilayer Switch (như ZTE T160G, Huawei S6506R) và hệ thống máy chủ BRAS với các cổng kết nối 10GE (10 Gbps) kết nối trực tiếp vào mạng lõi IP/MPLS, bảo đảm khả năng gom lưu lượng từ hơn 200 trạm OLT toàn thành phố trước quý IV/2014.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư quy hoạch và thiết kế mạng viễn thông: Nhận được tài liệu tham khảo chi tiết về phương pháp tính toán dung lượng IP Switch, Multilayer Switch và thiết kế quỹ công suất tuyến quang EPON cự ly 10 - 20 km phục vụ các dự án FTTH đô thị.
  2. Chuyên viên vận hành và khai thác mạng băng rộng: Nắm vững nguyên lý hoạt động của giao thức MPCP, cơ chế xử lý bản tin GATE/REPORT và cách khắc phục xung đột khe thời gian TDMA trên hệ thống OLT/ONU thực tế.
  3. Sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Điện tử - Viễn thông: Tiếp cận hệ thống cơ sở lý thuyết hoàn chỉnh về kiến trúc mạng NGN, chuẩn IEEE 802.3ah và các mô hình toán học tính toán chỉ số khúc xạ hiệu dụng, bước sóng cắt (khoảng 1260 nm), độ tán sắc cáp quang.
  4. Nhà quản lý và hoạch định chiến lược công nghệ viễn thông: Có cơ sở dữ liệu kinh tế - kỹ thuật rõ ràng để so sánh chi phí đầu tư (CAPEX) và chi phí vận hành (OPEX) giữa các công nghệ xDSL, HFC, EPON và GPON, giúp ra quyết định chuyển đổi hạ tầng mạng hợp lý.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ EPON có điểm gì vượt trội so với công nghệ ADSL truyền thống? EPON sử dụng môi trường truyền dẫn cáp quang thụ động, cho phép nâng tốc độ truyền dẫn từ 24 Mbps (của ADSL2+) lên 1 Gbps đối xứng, mở rộng khoảng cách phục vụ từ 3 - 5 km lên đến 20 km mà không bị suy hao bởi nhiễu điện từ. Nhờ đó, nhà mạng có thể tích hợp mượt mà các dịch vụ truyền hình HD và thoại chất lượng cao.

  2. Giao thức MPCP đóng vai trò gì trong kiến trúc mạng EPON? Giao thức MPCP (Multi-Point Control Protocol) thuộc lớp con điều khiển MAC theo chuẩn IEEE 802.3ah, có nhiệm vụ điều phối truyền dẫn hướng lên (Upstream) theo cơ chế TDMA. MPCP sử dụng các thông báo GATE và REPORT để gán khe thời gian chính xác cho từng ONU, loại trừ triệt để xung đột dữ liệu giữa các thuê bao.

  3. Vì sao cơ chế gán khe thời gian kiểu đường ống lại tối ưu hơn cơ chế tuần tự? Trong cự ly 20 km, thời gian trễ vòng (RTT) tạo ra khoảng thời gian chết (walk-time) khoảng 200 μs giữa các lần truyền. Cơ chế đường ống cho phép OLT gửi bản tin GATE đến ONU tiếp theo trước khi nhận xong dữ liệu của ONU trước, giúp lấp đầy kênh truyền và nâng hiệu suất băng thông thêm 25 - 30%.

  4. Mạng EPON Viettel Hà Nội sử dụng những dải bước sóng nào để truyền dẫn? Hệ thống EPON đơn sợi sử dụng kỹ thuật ghép kênh WDM với bước sóng 1310 nm cho đường truyền hướng lên (từ ONU về OLT) và bước sóng 1490 nm (hoặc 1550 nm cho dịch vụ video/truyền hình) cho đường truyền hướng xuống, với độ suy hao quang cực thấp chỉ từ 0,2 đến 0,45 dB/km.

  5. Thiết bị OLT ZXA10 C220 của ZTE đóng vai trò gì trong mạng truy cập? OLT ZXA10 C220 là thiết bị đầu cuối quang đặt tại tổng đài trung tâm (CO), đóng vai trò giao tiếp giữa mạng lõi IP/MPLS và mạng phân phối quang. Thiết bị này quản lý hàng nghìn kết nối ONU, thực hiện chức năng gom lưu lượng, định tuyến L2/L3 và thực thi thuật toán phân bổ băng thông DBA.

Kết luận

  • Khái quát hóa toàn diện lý thuyết kiến trúc mạng NGN và tiêu chuẩn mạng quang thụ động EPON IEEE 802.3ah.
  • Phân tích chuyên sâu cơ chế truyền sóng quang (suy hao 0,2 - 0,45 dB/km) và tối ưu hóa giao thức MPCP giảm triệt để trễ walk-time 200 μs.
  • Đưa ra phương án kỹ thuật chuyển đổi mạng truy cập từ cáp đồng xDSL sang mạng quang FTTH-EPON tốc độ 1 Gbps.
  • Thiết kế chi tiết cấu hình mạng, lựa chọn thiết bị OLT ZXA10 C220, Switch phân phối và đo kiểm thành công trên 3 hệ thống BRAS Viettel Hà Nội.
  • Đóng góp mô hình quy hoạch mạng băng rộng tin cậy với lộ trình phát triển thuê bao hướng tới năm 2015.

Trong giai đoạn tiếp theo từ năm 2015 - 2020, mạng truy cập cần tiếp tục nghiên cứu nâng cấp lên công nghệ 10G-EPON và WDM-PON để đáp ứng nhu cầu băng thông ngày càng bùng nổ. Quý độc giả, kỹ sư viễn thông và nhà nghiên cứu quan tâm có thể tìm đọc toàn văn luận văn để tiếp cận chi tiết các bảng tính toán dung lượng và cấu hình thiết bị thực tế.