Tổng quan nghiên cứu

Sự bùng nổ của mạng Internet và các dịch vụ truyền thông đa phương tiện vào giai đoạn năm 2008 đã tạo ra áp lực cạnh tranh khốc liệt giữa 6 nhà cung cấp dịch vụ viễn thông tại Việt Nam, khiến doanh thu bình quân trên mỗi thuê bao (ARPU) sụt giảm mạnh từ 15% đến 20% mỗi năm. Hệ thống mạng chuyển mạch kênh PSTN truyền thống bộc lộ những hạn chế cố hữu do sử dụng công nghệ TDM cứng nhắc với phân bổ băng thông cố định Nx64 kbps, khiến chi phí đầu tư hạ tầng (CAPEX) và chi phí vận hành (OPEX) tăng cao hơn 30% so với mô hình mạng chuyển mạch gói. Trước thực trạng đó, việc triển khai riêng rẽ mạng NGN cố định và NGN di động tạo ra sự phân mảnh lớn, khiến người dùng không thể chia sẻ dịch vụ xuyên suốt giữa các nền tảng mạng.

Luận văn tập trung giải quyết bài toán cốt lõi: nghiên cứu cấu trúc nguyên lý của mạng hội tụ cố định - di động (FMC), đánh giá chuyên sâu hai hướng công nghệ then chốt là UMA/GAN và IMS, từ đó xây dựng giải pháp bảo đảm chất lượng dịch vụ từ đầu cuối đến đầu cuối (E2E QoS). Phạm vi nghiên cứu bao quát các tiêu chuẩn viễn thông quốc tế do ITU-T, 3GPP (Release 4, Release 5, Release 6) và ETSI TISPAN ban hành, gắn liền với hiện trạng hạ tầng mạng viễn thông Việt Nam trong giai đoạn chuyển đổi 2005 - 2008. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa lý luận và thực tiễn sâu sắc, cung cấp cơ sở kỹ thuật nhằm tối ưu hóa 100% tài nguyên mạng truyền dẫn IP/MPLS, hỗ trợ cung cấp gói dịch vụ tích hợp 4 trong 1 (quadruple-play), đồng thời kiểm soát độ trễ truyền gói dưới ngưỡng 150 ms và tỷ lệ mất gói dưới 1% đối với các dịch vụ thời gian thực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn vận dụng lý thuyết mạng thế hệ mới NGN theo khuyến nghị Y.120 của Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU-T), phân tách mạng thành 5 phân lớp chức năng độc lập: lớp truy nhập, lớp truyền tải, lớp điều khiển, lớp ứng dụng và lớp quản lý. Trên nền tảng đó, nghiên cứu kết hợp lý thuyết phân hệ đa phương tiện giao thức IP (IMS) của tổ chức 3GPP và mô hình hội tụ toàn diện của ETSI TISPAN với hai phân hệ điều khiển then chốt là NASS (Network Attachment Subsystem) và RACS (Resource and Admission Control Subsystem).

Khung lý thuyết bảo đảm chất lượng dịch vụ E2E QoS được xây dựng dựa trên sự phối hợp giữa mô hình Dịch vụ tích hợp (IntServ) sử dụng giao thức đặt trước tài nguyên RSVP và mô hình Dịch vụ phân biệt (DiffServ) kết hợp công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS). Các khái niệm cốt lõi được chuẩn hóa bao gồm: Hội tụ cố định - di động (FMC), Truy nhập di động không cấp phép (UMA/GAN theo chuẩn 3GPP TS 43.318), Chức năng quyết định chính sách dịch vụ (S-PDF), Chức năng điều khiển chấp nhận kết nối và tài nguyên truy nhập (A-RACF), cùng hệ thống chuyển mạch điều khiển phiên SIP (P-CSCF, S-CSCF, I-CSCF).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thứ cấp chuẩn mực, trích xuất từ 14 bộ tài liệu kỹ thuật quốc tế của 3GPP (các tiêu chuẩn TS 23.228, TS 43.318, TR 23.882), khuyến nghị của ITU-T, chuẩn ETSI TISPAN và các báo cáo hiện trạng kỹ thuật mạng trục viễn thông tại Việt Nam. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 8 mô hình cấu hình mạng lõi và mạng truy nhập vô tuyến/hữu tuyến điển hình (gồm GSM/GPRS, WCDMA/UMTS, WLAN 802.11b/g hoạt động trên băng tần 2,4 GHz và 5,8 GHz, xDSL và PSTN). Phương pháp chọn mẫu mục đích (purposive sampling) được áp dụng nhằm lựa chọn những cấu trúc đại diện chính xác cho các kịch bản chuyển tiếp mạng viễn thông thực tế.

Phương pháp phân tích kiến trúc đối sánh và tổng hợp tham số kỹ thuật được lựa chọn vì tính tối ưu trong việc đánh giá tương thích giao thức (SIP, Diameter, H.248, COPS) mà không đòi hỏi chi phí đầu tư thử nghiệm phần cứng quy mô lớn. Quá trình phân tích, mô hình hóa và xây dựng giải pháp kỹ thuật được thực hiện liên tục trong khung thời gian 12 tháng (từ tháng 09/2007 đến tháng 09/2008).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, công nghệ UMA/GAN cho phép chuyển giao lưu lượng cuộc gọi và dữ liệu di động sang mạng vô tuyến không cấp phép WLAN 802.11b/g với tốc độ truyền dẫn lý thuyết đạt tới 11 Mbps. Giải pháp này giúp giảm tải tới 40% lưu lượng trên mạng truy nhập vô tuyến tế bào GSM/GPRS trong môi trường tòa nhà và văn phòng, tuy nhiên bộc lộ nhược điểm là khó mở rộng cho mạng 3G UMTS và không hỗ trợ các tính năng doanh nghiệp phức tạp như IP PBX.

Thứ hai, kiến trúc hội tụ dựa trên phân hệ IMS (3GPP Release 5/6 và ETSI TISPAN) tạo ra khả năng phân tách độc lập 100% giữa lớp ứng dụng và lớp truyền tải. Việc sử dụng giao thức SIP làm nền tảng điều khiển phiên giúp các nhà khai thác tích hợp thành công các dịch vụ thời gian thực như VoIP, Push-to-Talk và Video Streaming trên một hạ tầng lõi duy nhất.

Thứ ba, việc tích hợp phân hệ kiểm soát tài nguyên RACS (bao gồm S-PDF và A-RACF) với cơ chế phân lớp DiffServ/MPLS tại mạng lõi nâng cao 35% hiệu năng điều phối luồng dữ liệu. Cấu hình này giúp duy trì thời gian chuyển giao cuộc gọi (handover delay) dưới 50 ms và giảm thiểu xác suất từ chối phiên dịch vụ xuống dưới mức 2%.

Thứ tư, phương án chuyển đổi mạng cố định tại Việt Nam theo lộ trình 3 giai đoạn (Phỏng tạo PSTN, Phỏng tạo và mô phỏng kết hợp, Mô phỏng hoàn toàn trên NGN R1) giúp tối ưu hóa chi phí đầu tư thiết bị, ước tính tiết kiệm khoảng 25% ngân sách CAPEX so với phương án thay thế đồng loạt.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả vượt trội của giải pháp E2E QoS xuất phát từ cơ chế phân phối chính sách đa tầng: các yêu cầu QoS từ tầng ứng dụng SIP được ánh xạ chính xác qua S-PDF xuống A-RACF để kiểm tra tài nguyên khả dụng tại cổng biên C-BGF trước khi thiết lập luồng truyền thông. So với các nghiên cứu mạng NGN đơn thuần chỉ sử dụng Softswitch, mô hình FMC dựa trên IMS giúp giảm thời gian trễ thiết lập cuộc gọi khoảng 30% và xử lý mượt mà quá trình chuyển vùng giữa mạng cố định băng rộng và mạng di động tế bào.

Để trực quan hóa các phát hiện kỹ thuật này, dữ liệu có thể được trình bày thông qua bảng tổng hợp so sánh 4 thông số chất lượng dịch vụ cốt lõi (độ trễ truyền gói, độ biến động trễ jitter, tỷ lệ mất gói, băng thông khả dụng) giữa 3 mô hình mạng: Best-Effort, thuần DiffServ và tích hợp DiffServ/MPLS kết hợp RACS; đi kèm biểu đồ cột minh họa mức độ suy giảm chi phí vận hành OPEX qua từng giai đoạn chuyển đổi công nghệ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai phân hệ điều khiển tài nguyên và chính sách truy nhập RACS (tích hợp S-PDF và A-RACF) trên các cổng biên truyền tải C-BGF và máy chủ P-CSCF nhằm kiểm soát chặt chẽ độ trễ gói tin dưới 100 ms và tỷ lệ mất gói dưới 0,5% cho toàn bộ luồng thoại VoIP; thực hiện trong thời hạn 18 tháng bởi các tập đoàn viễn thông chủ đạo (như VNPT, Viettel, MobiFone).
  2. Nâng cấp toàn diện hạ tầng mạng truyền dẫn đường trục sang công nghệ định tuyến nhãn đa giao thức MPLS kết hợp phân loại lưu lượng DiffServ và bộ định tuyến thế hệ mới định tuyến theo luồng, hướng tới mục tiêu bảo đảm 99,99% độ khả dụng băng thông cho các dịch vụ truyền thông đa phương tiện; thời gian hoàn thành trong 24 tháng dưới sự chỉ đạo của các nhà cung cấp dịch vụ mạng (ISP).
  3. Ứng dụng công nghệ UMA/GAN và các điểm truy nhập Femtocell/WLAN băng tần 2,4 GHz và 5,8 GHz tại các khu vực tập trung đông người và vùng lõm sóng, nhằm tăng từ 30% đến 40% dung lượng đỉnh của mạng di động mà không cần phát triển thêm trạm thu phát BTS macro đắt đỏ; lộ trình thực thi 12 tháng bởi các trung tâm vận hành mạng vô tuyến.
  4. Xây dựng lộ trình chuẩn hóa chuyển đổi hệ thống tổng đài chuyển mạch kênh TDM sang mạng lõi IMS toàn IP qua 3 giai đoạn cụ thể, tích hợp 100% cơ sở dữ liệu thuê bao dùng chung HSS/SLF và cổng chuyển đổi MGW/MGCF; thời gian triển khai 36 tháng dưới sự điều phối của Bộ Thông tin và Truyền thông phối hợp cùng các viện nghiên cứu chuyên ngành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư quy hoạch và thiết kế mạng viễn thông: Tiếp cận phương pháp luận thiết kế hệ thống E2E QoS và quy trình phân bổ chính sách RACS/NASS, ứng dụng trực tiếp vào cấu hình bộ định tuyến biên SBC, mạng lõi IP/MPLS và tối ưu hóa tài nguyên mạng truyền dẫn.
  2. Nhà quản trị và hoạch định chiến lược viễn thông: Nắm bắt cơ chế cắt giảm từ 20% đến 30% chi phí đầu tư CAPEX/OPEX, xây dựng lộ trình thương mại hóa các gói cước tích hợp cố định - di động (quadruple-play) nhằm gia tăng doanh thu bình quân ARPU.
  3. Kỹ sư phát triển phần mềm và dịch vụ giá trị gia tăng (VAS): Khai thác cấu trúc mở của máy chủ ứng dụng SIP-AS và giao diện lập trình mở OSA-API để xây dựng các dịch vụ đa phương tiện thời gian thực như hội nghị truyền hình, dịch vụ định vị và hệ thống nhắn tin đa phương tiện.
  4. Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Điện tử - Viễn thông: Sử dụng làm tài liệu học thuật tham khảo chuyên sâu với hệ thống 14 tiêu chuẩn quốc tế và phân tích chi tiết về kiến trúc chuyển đổi mạng thế hệ mới NGN/IMS.

Câu hỏi thường gặp

Mạng hội tụ FMC mang lại lợi ích nổi bật nhất nào cho người dùng và nhà mạng? Đối với người dùng, FMC cho phép sử dụng 1 thiết bị đầu cuối duy nhất để kết nối đa mạng và thanh toán qua 1 hóa đơn hàng tháng. Đối với nhà mạng, FMC giúp cắt giảm tới 30% chi phí vận hành OPEX và giải phóng khoảng 40% tải lưu lượng vô tuyến nhờ chuyển hướng sang mạng xDSL/WLAN cố định.

Phân hệ IMS đóng vai trò gì trong việc bảo đảm chất lượng dịch vụ trên mạng FMC? IMS giữ vai trò trung tâm điều khiển phiên dựa trên giao thức SIP, kết hợp với khối chức năng PDF để đưa ra quyết định chính sách QoS độc lập với lớp truyền tải bên dưới. Nhờ đó, hệ thống phân bổ băng thông tức thời và duy trì độ trễ dưới 150 ms cho các dịch vụ thời gian thực.

Công nghệ UMA/GAN khác biệt như thế nào so với giải pháp hội tụ dựa trên IMS? UMA/GAN là giải pháp truy nhập vô tuyến chuyển tiếp qua giao diện chuẩn A/Gb của mạng GSM bằng băng tần không cấp phép 2,4 GHz, triển khai nhanh trong 6 đến 12 tháng. Trong khi đó, IMS là giải pháp mạng lõi toàn diện trên nền IP, hỗ trợ đa dịch vụ chuyển mạch gói và kiểm soát E2E QoS vượt trội.

Tại sao cần kết hợp cả hai mô hình IntServ và DiffServ trong mạng lõi hội tụ? Mô hình IntServ dùng giao thức RSVP để đặt trước tài nguyên chính xác trên từng luồng tại mạng truy nhập, còn DiffServ phân loại và ưu tiên gói tin theo lớp dịch vụ tại mạng lõi. Sự kết hợp này triệt tiêu điểm nghẽn, duy trì tỷ lệ mất gói dưới 1% mà vẫn đảm bảo khả năng mở rộng cho hàng triệu thuê bao.

Lộ trình chuyển đổi mạng cố định sang NGN/FMC tại Việt Nam gồm những giai đoạn nào? Lộ trình gồm 3 giai đoạn tuần tự: Phỏng tạo PSTN/ISDN bằng cổng truy nhập AG và tổng đài CS; Phỏng tạo kết hợp mô phỏng song song trên giao thức SIP; và Mô phỏng hoàn toàn trên kiến trúc NGN R1/IMS. Quá trình này tận dụng 100% thiết bị hiện hữu và giảm 25% rủi ro gián đoạn mạng.

Kết luận

  • Hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý luận và cấu trúc nguyên lý của mạng hội tụ cố định - di động (FMC) theo tiêu chuẩn quốc tế của ITU-T, 3GPP và ETSI TISPAN.
  • Đánh giá sắc bén ưu nhược điểm của hai giải pháp công nghệ UMA/GAN và IMS, xác lập vị thế của IMS như một nền tảng cốt lõi cho mạng viễn thông toàn IP.
  • Đề xuất giải pháp bảo đảm chất lượng dịch vụ toàn trình (E2E QoS) kết hợp cơ chế kiểm soát RACS/NASS và kỹ thuật truyền tải DiffServ/MPLS, duy trì độ trễ dưới 100 ms và tỷ lệ mất gói dưới 0,5%.
  • Xây dựng mô hình cấu hình mạng hội tụ và lộ trình chuyển đổi 3 giai đoạn mang tính khả thi cao cho 6 nhà khai thác viễn thông tại Việt Nam.
  • Mở ra định hướng nghiên cứu tiếp theo trong giai đoạn 24 đến 36 tháng tới về cơ chế chuyển giao liền mạch liên miền (inter-domain handover) và tối ưu hóa thuật toán cân bằng tải động.

Luận văn là công trình nghiên cứu công phu, cung cấp luận cứ khoa học và giải pháp kỹ thuật giá trị cho quá trình hiện đại hóa hạ tầng viễn thông. Các tổ chức, nhà mạng và chuyên gia viễn thông hãy tham khảo toàn văn luận văn để áp dụng hiệu quả vào chiến lược chuyển đổi NGN/IMS thế hệ mới.