Tổng quan nghiên cứu

Vào đầu thập niên 2000, sự bùng nổ của mạng Internet và các dịch vụ dữ liệu đa phương tiện đã tạo ra áp lực chưa từng có lên hạ tầng viễn thông toàn cầu với tốc độ tăng trưởng lưu lượng dữ liệu vượt trên 100% mỗi năm. Tại Việt Nam, mạng điện thoại chuyển mạch công cộng hiện hữu dựa trên công nghệ ghép kênh phân chia theo thời gian với các kênh cơ sở cố định 64 kbit/s đã bộc lộ những giới hạn nghiêm trọng về mặt kỹ thuật và hiệu quả kinh tế. Mạng truyền thống không chỉ phân bổ băng thông cứng nhắc, gây lãng phí tới 45% tài nguyên đường truyền đối với lưu lượng gói, mà còn gặp trở ngại lớn khi tích hợp các dịch vụ thoại, truyền số liệu và video trên cùng một nền tảng.

Trước bối cảnh đó, việc thiết lập mạng lõi thế hệ mới cho mạng viễn thông Việt Nam là yêu cầu cấp thiết mang tính chiến lược quốc gia. Đề tài tập trung nghiên cứu phương pháp luận tính toán lưu lượng, xây dựng mô hình dự báo nhu cầu dịch vụ thoại, phi thoại, Internet và thực hiện định cỡ mạng lõi cho Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam trong giai đoạn phát triển đến năm 2010. Phạm vi không gian của nghiên cứu bao phủ toàn bộ mạng viễn thông quốc gia thông qua việc tái cấu trúc mạng lưới thành 5 vùng lưu lượng kinh tế trọng điểm.

Về mặt ý nghĩa thực tiễn, công trình cung cấp giải pháp quy hoạch mạng lõi truyền tải băng rộng với dung lượng đường trục đạt từ 2,5 Gbit/s đến trên 20 Gbit/s. Kết quả nghiên cứu giúp giảm thiểu khoảng 30% đến 40% chi phí đầu tư thiết bị và chi phí vận hành bảo dưỡng, đồng thời tạo tiền đề kỹ thuật vững chắc để chuyển đổi toàn diện từ mạng chuyển mạch kênh sang hạ tầng chuyển mạch gói đa dịch vụ hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng toàn diện mô hình phân lớp chức năng của mạng viễn thông thế hệ mới theo định hướng của Liên minh Viễn thông Quốc tế. Cấu trúc mạng được chia tách độc lập thành 5 lớp chức năng chính: lớp truy nhập, lớp truyền tải chuyển tải, lớp điều khiển, lớp ứng dụng dịch vụ và lớp quản lý. Điểm cốt lõi của khung lý thuyết này là nguyên tắc tách rời hoàn toàn giữa chức năng điều khiển cuộc gọi với hạ tầng truyền tải dữ liệu vật lý, cũng như phân tách dịch vụ ứng dụng khỏi cơ chế điều khiển kết nối.

Hệ thống lý thuyết về chuyển mạch mềm đóng vai trò trung tâm trong phân tích tầng điều khiển. Mô hình Softswitch bao gồm 4 phần tử chức năng then chốt: Bộ điều khiển cổng truyền thông đóng vai trò cơ quan đầu não xử lý báo hiệu và logic cuộc gọi; Cổng truyền thông chịu trách nhiệm chuyển đổi định dạng và đóng gói luồng tin thoại; Cổng báo hiệu làm nhiệm vụ kết nối và chuyển đổi báo hiệu giữa mạng số 7 với môi trường truyền thông tin giao thức mạng; và Máy chủ ứng dụng cung cấp môi trường mở để phát triển các dịch vụ giá trị gia tăng thông qua các giao diện lập trình mở.

Ngoài ra, nghiên cứu kết hợp lý thuyết chuyển mạch gói băng rộng với các công nghệ nền tảng như phương thức truyền không đồng bộ, chuyển mạch nhãn đa giao thức, và công nghệ truyền dẫn quang ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao. Về mặt vận hành, mô hình quản lý mạng viễn thông 4 cấp gồm quản lý phần tử mạng, quản lý mạng, quản lý dịch vụ và quản lý kinh doanh được sử dụng làm chuẩn mực thiết kế hệ thống giám sát tập trung.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu được thu thập từ các báo cáo thống kê phát triển thuê bao thoại cố định, di động, mạng Internet băng rộng ADSL và mạng số liệu chuyên dùng của Tổng công ty Bưu chính Viễn thông Việt Nam trong giai đoạn 2001-2005, cùng các tiêu chuẩn kỹ thuật từ Viện chuẩn hóa viễn thông châu Âu và Diễn đàn chuyển mạch đa dịch vụ.

Phương pháp phân tích được triển khai qua một quy trình tính toán chặt chẽ. Nghiên cứu sử dụng phương pháp ngoại suy đường cong xu thế để dự báo tốc độ phát triển thuê bao và nhu cầu lưu lượng thoại cũng như phi thoại. Tiếp đó, mô hình trọng lực được ứng dụng để xây dựng ma trận phân bố lưu lượng trao đổi giữa các vùng địa lý. Các công thức toán học cổ điển của Erlang được áp dụng kết hợp với thuật toán tối ưu hóa luồng để tính toán chính xác số lượng kênh trung kế và số luồng ghép xen rẽ cần thiết tại từng nút mạng.

Về phạm vi và phương pháp chọn mẫu, toàn bộ 64 tỉnh thành trên cả nước được phân nhóm thành 5 vùng lưu lượng lớn dựa trên phân bố địa lý kinh tế và mật độ thuê bao: Vùng 1 gồm các tỉnh phía Bắc từ Hà Giang đến Hà Tĩnh; Vùng 2 là khu vực Hà Nội; Vùng 3 gồm 15 tỉnh miền Trung và Tây Nguyên từ Quảng Bình đến Lâm Đồng; Vùng 4 là khu vực Thành phố Hồ Chí Minh; và Vùng 5 gồm các tỉnh Nam Bộ cùng đồng bằng sông Cửu Long. Lý do lựa chọn cách phân vùng này thay vì phân chia theo địa giới hành chính thuần túy là nhằm phản ánh đúng bản chất dòng lưu lượng thực tế, hạn chế số cấp chuyển tiếp trung gian và tối ưu hóa hiệu năng của các tuyến truyền dẫn trục quốc gia. Timeline nghiên cứu được phân định thành hai bước: giai đoạn quá độ chuyển đổi từ 2001 đến 2005 và giai đoạn hoàn thiện mạng đường trục mục tiêu vào năm 2010.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã đạt được 4 phát hiện và kết quả tính toán có giá trị kỹ thuật cao:

Thứ nhất, việc tái cấu trúc toàn bộ mạng lưới viễn thông quốc gia thành 5 vùng lưu lượng tập trung đã tối ưu hóa căn bản luồng truyền dẫn. Thay vì duy trì hàng chục tổng đài đường dài phân tán tại từng địa phương, mô hình 5 vùng cho phép gom tụ lưu lượng về 5 trung tâm chuyển mạch lõi, giảm hơn 50% số lượng nút chuyển tiếp liên tỉnh và đơn giản hóa đáng kể cấu trúc mạng.

Thứ hai, nghiên cứu xác lập cấu hình mạng lõi hai mặt phẳng song song với độ tin cậy vượt trội. Mặt phẳng A được trang bị mới 5 tổng đài lõi công nghệ gói tại Hà Nội, Hải Phòng, Đà Nẵng, Thành phố Hồ Chí Minh và Cần Thơ, kết nối lưới hoàn toàn với tốc độ kênh truyền dẫn đạt từ 2,5 Gbit/s trở lên. Mặt phẳng B tận dụng các tổng đài chuyển tiếp đường dài công nghệ kênh sẵn có để đảm bảo an toàn tuyệt đối cho lưu lượng thoại truyền thống trong suốt giai đoạn chuyển đổi.

Thứ ba, kết quả tính toán định cỡ mạng truyền dẫn đường trục năm 2010 xác định chính xác số lượng luồng xen rẽ và cấu hình ghép kênh quang. Mạng lưới đường trục quốc gia được thiết kế gồm 6 vòng cáp quang khép kín liên kết qua các thiết bị kết nối chéo số và bộ ghép kênh xen rẽ quang. Tuyến trục Bắc - Nam trên Quốc lộ 1 và đường dây 500 kV được nâng cấp thành công lên tốc độ STM-16 tương đương 2,488 Gbit/s trên mỗi bước sóng, với khả năng mở rộng lên hệ thống 8 đến 16 bước sóng đạt tổng dung lượng 20 Gbit/s đến 40 Gbit/s.

Thứ tư, mô hình chuyển mạch biên đa dịch vụ được thiết lập thành công tại 11 tỉnh thành phố trọng điểm gồm Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Quảng Ninh, Thừa Thiên Huế, Đà Nẵng, Khánh Hòa, Bà Rịa - Vũng Tàu, Đồng Nai, Cần Thơ và Bình Dương. Các nút biên này kết nối trực tiếp với cổng trung kế và lớp truy nhập ở tốc độ 155 Mbit/s, giải quyết triệt để nhu cầu truy cập Internet ADSL tốc độ cao và dịch vụ mạng riêng ảo MetroNet.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến hiệu quả vượt trội của phương án thiết kế là sự chuyển đổi căn bản từ cơ chế chuyển mạch kênh 64 kbit/s cứng nhắc sang công nghệ chuyển mạch gói linh hoạt. Trong mạng cũ, một cuộc gọi thoại chiếm giữ cố định một khe thời gian 125 micro giây trong suốt thời gian kết nối, gây lãng phí nghiêm trọng. Ngược lại, kỹ thuật đóng gói và nén tín hiệu số trong mạng thế hệ mới giúp tăng hiệu suất sử dụng tài nguyên đường truyền lên khoảng 35% đến 45%.

Khi so sánh với các mô hình mạng truyền thống trước đây, kiến trúc đề xuất giúp loại bỏ nhu cầu đầu tư nâng cấp tốn kém vào các tổng đài chuyển mạch kênh nội hạt độc quyền. Việc tách biệt tầng điều khiển bằng Softswitch giúp giảm chi phí mua sắm thiết bị phần cứng khoảng 30%, đồng thời rút ngắn thời gian triển khai một dịch vụ viễn thông mới từ vài tháng xuống chỉ còn vài tuần.

Toàn bộ dữ liệu tính toán trong luận văn được mô hình hóa trực quan và khoa học. Các ma trận lưu lượng giữa 5 vùng kinh tế được biểu diễn qua các bảng số liệu chi tiết về số lượng kênh trung kế. Cấu trúc mạng truyền dẫn liên vùng được thể hiện bằng sơ đồ topo 6 vòng Ring cáp quang tích hợp công nghệ phân cấp số đồng bộ và ghép bước sóng quang, giúp các nhà quản trị mạng dễ dàng theo dõi các điểm nghẽn lưu lượng và phân bổ luồng xen rẽ tối ưu.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu và định cỡ mạng lõi, 4 nhóm giải pháp chiến lược được đề xuất cho các đơn vị liên quan:

Một là, nâng cấp toàn diện mạng truyền dẫn quang đường trục quốc gia. Tổng công ty Viễn thông Quốc gia cần chủ trì triển khai lắp đặt hệ thống ghép kênh quang mật độ cao từ 8 đến 16 bước sóng trên tuyến trục Bắc - Nam và tuyến cáp quang đường Hồ Chí Minh. Mục tiêu đặt ra là nâng tổng băng thông toàn tuyến đạt từ 20 Gbit/s đến 40 Gbit/s trước năm 2010, đồng thời hoàn thiện cơ chế tự động bảo vệ vòng Ring cáp quang 4 sợi với thời gian chuyển mạch bảo vệ dưới 50 mili giây khi xảy ra sự cố đứt cáp.

Hai là, trang bị và mở rộng hệ thống chuyển mạch biên đa dịch vụ. Các Bưu điện tỉnh, thành phố phối hợp cùng Công ty Điện toán và Truyền số liệu cần nhanh chóng lắp đặt các thiết bị chuyển mạch biên và cổng trung kế tại 11 trung tâm kinh tế trọng điểm. Kế hoạch này cần hoàn thành trong giai đoạn 2006-2008 nhằm tích hợp toàn bộ lưu lượng truy cập Internet băng rộng ADSL và dịch vụ mạng riêng ảo, thay thế dần các tổng đài vệ tinh công nghệ cũ.

Ba là, hoàn thiện lớp điều khiển chuyển mạch mềm Softswitch và năng lực dự phòng. Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam cần đầu tư trang bị các bộ điều khiển cổng truyền thông cấu hình dự phòng kép song song tại 3 trung tâm lớn là Hà Nội, Đà Nẵng và Thành phố Hồ Chí Minh. Giải pháp này nhằm bảo đảm độ sẵn sàng của hệ thống đạt tiêu chuẩn 99,999%, xử lý thông suốt toàn bộ báo hiệu giữa mạng số 7 và mạng dữ liệu gói trong giai đoạn 2007-2009.

Bốn là, thành lập và hiện đại hóa Trung tâm Quản lý Mạng Quốc gia. Đơn vị điều hành mạng cần khẩn trương xây dựng trung tâm giám sát tập trung tại Hà Nội tuân thủ chuẩn quản lý mạng viễn thông 4 lớp. Trung tâm phải tích hợp năng lực giám sát hiệu năng thời gian thực cho hơn 50 nút mạng chuyển tiếp trên toàn quốc, hoàn thiện các quy trình quản lý sự cố và tính cước tự động trước năm 2008.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị tham khảo chuyên sâu cho 4 nhóm đối tượng cụ thể:

Nhóm 1: Các kỹ sư quy hoạch mạng và chuyên gia viễn thông tại các nhà mạng như VNPT, Viettel, MobiFone. Lợi ích thu được là phương pháp luận thực tế về dự báo ma trận lưu lượng và quy trình định cỡ luồng xen rẽ trên mạng truyền dẫn quang tốc độ cao.

Nhóm 2: Các nhà quản lý hạ tầng và hoạch định chiến lược công nghệ thông tin tại các cơ quan quản lý nhà nước. Luận văn cung cấp case study chi tiết về lộ trình chuyển đổi hạ tầng viễn thông từ mạng kế thừa sang mạng gói đa dịch vụ, giúp tối ưu hóa chi phí đầu tư công và ngân sách vận hành.

Nhóm 3: Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Công nghệ Thông tin tại các trường đại học. Tài liệu đóng vai trò là nguồn học liệu chuẩn mực về kiến trúc Softswitch, công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức và thiết kế mạng truyền dẫn quang băng rộng.

Nhóm 4: Các doanh nghiệp phát triển giải pháp thiết bị và phần mềm viễn thông. Nguồn tài liệu giúp các nhà phát triển nắm vững cấu trúc giao diện lập trình mở và các giao thức điều khiển cuộc gọi như SIP, H.323, MGCP để xây dựng các ứng dụng giá trị gia tăng thương mại.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao mạng viễn thông Việt Nam bắt buộc phải chuyển đổi từ mạng chuyển mạch kênh sang mạng thế hệ mới?
Mạng chuyển mạch kênh truyền thống phân bổ băng thông cố định 64 kbit/s cho mỗi kết nối thoại, gây lãng phí tới 45% dung lượng khi truyền dữ liệu gói. Trong khi đó, lưu lượng Internet tăng trưởng gấp đôi mỗi năm đòi hỏi một hạ tầng hội tụ duy nhất có khả năng cấp phát băng thông động và truyền tải đa dịch vụ với chi phí vận hành thấp hơn.

Softswitch đóng vai trò gì trong cấu trúc mạng viễn thông thế hệ mới?
Softswitch là trung tâm điều khiển cuộc gọi độc lập với phần cứng truyền dẫn. Thiết bị này quản lý báo hiệu cuộc gọi, điều khiển các cổng giao tiếp truyền thông qua giao thức MGCP hoặc H.248 và hỗ trợ giao thức SIP, giúp triển khai các dịch vụ mới linh hoạt mà không cần thay đổi phần cứng tổng đài.

Tại sao mạng đường trục quốc gia lại được phân chia thành 5 vùng lưu lượng thay vì theo tỉnh thành?
Việc phân chia theo 5 vùng lưu lượng căn cứ vào mật độ thuê bao và hướng lưu lượng thực tế giúp tập trung dòng truyền dẫn về 5 trung tâm lớn là Hà Nội, Miền Bắc, Miền Trung, Thành phố Hồ Chí Minh và Miền Nam. Giải pháp này giúp cắt giảm hơn 50% số nút chuyển tiếp trung gian và tối ưu hóa chi phí đầu tư đường trục.

Lộ trình chuyển đổi mạng hai mặt phẳng A và B mang lại lợi ích gì cho hệ thống?
Mô hình hai mặt phẳng cho phép mặt phẳng A vận hành các tổng đài gói mới, trong khi mặt phẳng B tiếp tục duy trì các tổng đài chuyển mạch kênh hiện hữu. Sự kết hợp này đảm bảo an toàn tuyệt đối, duy trì thông suốt 100% dịch vụ thoại của hàng triệu thuê bao mà không gây bất kỳ gián đoạn liên lạc nào trong suốt quá trình nâng cấp.

Công nghệ ghép kênh quang mật độ cao đóng vai trò như thế nào trong định cỡ mạng lõi năm 2010?
Công nghệ ghép kênh quang cho phép truyền đồng thời 8 đến 16 bước sóng trên một sợi quang duy nhất với tốc độ mỗi kênh đạt chuẩn STM-16 là 2,488 Gbit/s. Nhờ đó, tổng dung lượng truyền dẫn đường trục được nâng lên mức 20 Gbit/s đến 40 Gbit/s, đáp ứng trọn vẹn nhu cầu bùng nổ dữ liệu Internet băng rộng.

Kết luận

  • Đề tài đã xây dựng thành công phương pháp luận khoa học và hoàn thành việc tính toán lưu lượng, định cỡ mạng lõi viễn thông thế hệ mới cho mạng lưới viễn thông Việt Nam đến năm 2010.
  • Xác lập mô hình phân chia 5 vùng lưu lượng chiến lược kết hợp cấu trúc mạng lõi hai mặt phẳng A và B, bảo đảm độ sẵn sàng mạng lưới đạt trên 99,999%.
  • Đưa ra cấu hình thiết kế mạng truyền dẫn đường trục gồm 6 vòng Ring cáp quang tích hợp công nghệ phân cấp số đồng bộ và ghép kênh quang mật độ cao đạt dung lượng vượt trội từ 2,5 Gbit/s đến 20 Gbit/s.
  • Tối ưu hóa hiệu quả kinh tế thông qua việc tận dụng hạ tầng sẵn có, cắt giảm khoảng 30% chi phí đầu tư phần cứng và tạo nền tảng hội tụ đa dịch vụ thoại, số liệu và video.
  • Khẳng định tính khả thi của lộ trình chuyển đổi từng bước, làm cơ sở kỹ thuật trực tiếp cho các dự án hiện đại hóa hạ tầng mạng viễn thông quốc gia.

Công trình là tài liệu nghiên cứu chuyên sâu có giá trị thực tiễn cao đối với ngành viễn thông trong giai đoạn chuyển đổi công nghệ. Quý độc giả, chuyên gia quy hoạch và các nhà nghiên cứu quan tâm có thể tiếp tục khai thác các mô hình tính toán ma trận lưu lượng và tài liệu kỹ thuật chi tiết của luận văn để ứng dụng vào công tác thiết kế mạng truyền tải thực tế.