Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của dịch vụ di động, mạng truyền tải Mobile Backhaul đóng vai trò then chốt trong việc thu gom và truyền tải lưu lượng từ các trạm thu phát di động (BTS, NodeB, EnodeB) về các bộ điều khiển trung tâm như BSC, RNC hay EPC. Tại VNPT Hưng Yên, với hơn 223 trạm BTS 2G, 296 trạm NodeB 3G và 281 trạm EnodeB 4G, nhu cầu nâng cấp mạng truyền tải để đáp ứng lưu lượng ngày càng tăng là cấp thiết. Mạng truyền tải MAN-E (Metro Area Network Ethernet) được triển khai từ năm 2007 với các thiết bị Router Huawei NE40E series, đã và đang được mở rộng để nâng cao băng thông và độ sẵn sàng. Tuy nhiên, hiện tượng nghẽn cục bộ vào giờ cao điểm và rủi ro khi xảy ra sự cố đứt cáp quang vẫn còn tồn tại.

Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng cấu trúc truyền tải MAN-E tối ưu cho Mobile Backhaul trên mạng VNPT Hưng Yên, đảm bảo các yêu cầu về chất lượng dịch vụ (QoS), đồng bộ, bảo mật và độ sẵn sàng cao. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mạng truyền tải IP RAN trong giai đoạn từ 2020 đến 2022, với trọng tâm là các giải pháp kỹ thuật triển khai trên mạng Metro Ethernet hiện có. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả khai thác hạ tầng mạng, giảm chi phí vận hành và tạo nền tảng cho phát triển mạng 5G trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Mạng Mobile Backhaul và IP RAN: Khái niệm về mạng truyền tải thu gom lưu lượng từ các trạm BTS/NodeB/EnodeB về các bộ điều khiển trung tâm, chuyển đổi từ công nghệ truyền dẫn TDM sang mạng IP toàn phần nhằm tăng băng thông, giảm chi phí và nâng cao tính linh hoạt.

  • Công nghệ giả lập kênh CES (Circuit Emulation Service): Các giao thức CESoPSN, SAToP, L2TPv3 và AToM được sử dụng để giả lập kênh TDM trên mạng chuyển mạch gói IP/MPLS, đảm bảo truyền tải thoại và tín hiệu đồng bộ cho các mạng 2G, 3G.

  • Cơ chế đồng bộ trong mạng IP: Các phương pháp đồng bộ tần số và thời gian như ACR, Sync-E (Synchronous Ethernet) và PTP (IEEE 1588v2) được áp dụng để đảm bảo đồng bộ chính xác trong mạng Mobile Backhaul.

  • Chất lượng dịch vụ (QoS) trong mạng IP: Mô hình IntServ, DiffServ kết hợp MPLS Traffic Engineering để đảm bảo các tham số QoS như độ trễ, jitter, mất gói, thông lượng cho các dịch vụ thoại, video và dữ liệu.

  • Kiến trúc mạng Metro Ethernet (MAN-E): Mạng truyền tải đô thị với cấu trúc 3 lớp (dịch vụ Ethernet, truyền tải dịch vụ, ứng dụng), sử dụng giao thức định tuyến IS-IS, MPLS, các cơ chế dự phòng VRRP, BFD, LACP, RSTP để đảm bảo độ sẵn sàng và bảo mật.

Các khái niệm chính bao gồm: Mobile Backhaul, CES, Sync-E, PTP, QoS, MPLS TE, Metro Ethernet, VRRP, BFD.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa phân tích lý thuyết và khảo sát thực tiễn tại VNPT Hưng Yên:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu từ hệ thống mạng VNPT Hưng Yên, bao gồm cấu trúc mạng, lưu lượng, số lượng trạm BTS/NodeB/EnodeB, các thông số QoS hiện tại, thiết bị mạng và các sự cố vận hành.

  • Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn các phân đoạn mạng MAN-E có lưu lượng cao và thường xảy ra nghẽn để phân tích chi tiết. Cỡ mẫu gồm 13 node Router UPE/PE-AGG và các thiết bị truy nhập liên quan.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phân tích định lượng dựa trên số liệu lưu lượng, băng thông, độ trễ, mất gói; phân tích định tính về kiến trúc mạng, cơ chế đồng bộ và dự phòng. So sánh các phương án triển khai cấu trúc mạng MAN-E và đánh giá hiệu quả qua các chỉ số QoS.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2020-2021, bao gồm khảo sát hiện trạng, thiết kế phương án, thử nghiệm và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng mạng MAN-E tại VNPT Hưng Yên: Mạng gồm 2 node PE-AGG và 11 node UPE, kết nối theo mô hình ring với tốc độ link core 200 Gbps (2 link 100GE) và các ring access có tốc độ trunk link group từ 20 đến 50 Gbps. Tuy nhiên, vào giờ cao điểm (19h-22h), hiện tượng nghẽn cục bộ xảy ra do số lượng node trên ring nhiều và chia sẻ băng thông, ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ.

  2. Yêu cầu đồng bộ và QoS: Các dịch vụ thoại VoIP yêu cầu độ trễ dưới 150 ms, jitter dưới 30 ms và tỷ lệ mất gói dưới 1%. Đồng bộ tần số và thời gian được đảm bảo bằng kết hợp Sync-E và PTP (IEEE 1588v2), giúp giảm jitter và độ trễ đồng bộ xuống mức nano giây, đáp ứng yêu cầu mạng 4G và chuẩn bị cho 5G.

  3. Hiệu quả của các cơ chế dự phòng: Áp dụng các giao thức VRRP, BFD, LACP và RSTP giúp mạng đạt độ sẵn sàng cao, thời gian chuyển hướng dự phòng dưới 50 ms khi có sự cố đứt cáp hoặc lỗi thiết bị, đảm bảo không gián đoạn dịch vụ.

  4. Ứng dụng MPLS TE và QoS: Sử dụng MPLS Traffic Engineering kết hợp mô hình DiffServ cho phép phân bổ băng thông ưu tiên cho các dịch vụ thoại, video và dữ liệu, giảm thiểu hiện tượng nghẽn mạng và nâng cao trải nghiệm người dùng. Ví dụ, dịch vụ VoIP được ưu tiên băng thông từ 21 đến 320 kbps với độ trễ dưới 150 ms.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân nghẽn cục bộ chủ yếu do cấu trúc ring với nhiều node UPE chia sẻ băng thông hạn chế, đặc biệt trong khung giờ cao điểm. Việc nâng cấp link core từ 1 Gbps lên 100 Gbps và tách ring access thành nhiều vòng nhỏ hơn đã cải thiện đáng kể hiệu suất mạng. So với các nghiên cứu trong ngành, việc kết hợp đồng bộ Sync-E và PTP là giải pháp tiên tiến, giúp giảm jitter và độ trễ đồng bộ so với các phương pháp truyền thống như ACR.

Cơ chế dự phòng đa tầng (VRRP, BFD, RSTP) đảm bảo độ tin cậy mạng cao, phù hợp với yêu cầu dịch vụ thời gian thực như VoIP và IPTV. Việc áp dụng MPLS TE và mô hình DiffServ cho phép quản lý lưu lượng hiệu quả, ưu tiên các dịch vụ nhạy cảm với độ trễ, đồng thời tận dụng tối đa băng thông mạng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ lưu lượng theo giờ, bảng so sánh các tham số QoS trước và sau khi nâng cấp mạng, cũng như sơ đồ cấu trúc mạng MAN-E với các vòng ring và node UPE/PE-AGG.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu cấu trúc ring MAN-E: Tách các ring access thành các vòng nhỏ hơn, giảm số lượng node trên mỗi ring để giảm nghẽn cục bộ, nâng cao băng thông trung bình trên mỗi node. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể: VNPT Hưng Yên phối hợp với nhà cung cấp thiết bị.

  2. Triển khai đồng bộ kết hợp Sync-E và PTP: Mở rộng trang bị thiết bị hỗ trợ đồng bộ chính xác, đảm bảo đồng bộ tần số và thời gian cho toàn bộ mạng Mobile Backhaul, chuẩn bị cho mạng 5G. Thời gian: 12 tháng. Chủ thể: VNPT Hưng Yên và nhà cung cấp thiết bị.

  3. Nâng cấp hạ tầng MPLS TE và QoS: Cấu hình lại chính sách QoS ưu tiên cho các dịch vụ thoại, video, dữ liệu theo chuẩn ITU Y.1541, đảm bảo độ trễ, jitter và mất gói trong ngưỡng cho phép. Thời gian: 6 tháng. Chủ thể: Đội ngũ kỹ thuật mạng VNPT.

  4. Tăng cường cơ chế dự phòng và bảo mật: Áp dụng đầy đủ các giao thức VRRP, BFD, LACP, RSTP và các biện pháp bảo mật như AccessList, phân tách lưu lượng dịch vụ để nâng cao độ sẵn sàng và an toàn mạng. Thời gian: 6-9 tháng. Chủ thể: VNPT Hưng Yên.

  5. Đào tạo và nâng cao năng lực vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về quản lý mạng Metro Ethernet, MPLS, QoS và đồng bộ cho đội ngũ kỹ thuật để đảm bảo vận hành hiệu quả và xử lý sự cố nhanh chóng. Thời gian: liên tục. Chủ thể: VNPT và các đối tác đào tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và quản lý mạng viễn thông: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về cấu trúc mạng MAN-E, công nghệ Mobile Backhaul và các giải pháp đồng bộ, QoS, giúp nâng cao hiệu quả vận hành và mở rộng mạng.

  2. Nhà cung cấp dịch vụ viễn thông: Tham khảo để xây dựng hoặc nâng cấp mạng truyền tải IP RAN, tối ưu chi phí đầu tư và vận hành, đồng thời đảm bảo chất lượng dịch vụ cho khách hàng.

  3. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật viễn thông: Tài liệu tham khảo thực tiễn về các công nghệ mạng Metro Ethernet, MPLS, đồng bộ và QoS trong mạng di động, hỗ trợ học tập và nghiên cứu chuyên sâu.

  4. Các nhà hoạch định chính sách và quản lý dự án CNTT: Hiểu rõ các yêu cầu kỹ thuật và giải pháp triển khai mạng truyền tải hiện đại, từ đó đưa ra các quyết định đầu tư và phát triển hạ tầng viễn thông phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mobile Backhaul là gì và tại sao quan trọng?
    Mobile Backhaul là phần mạng truyền tải thu gom lưu lượng từ các trạm BTS/NodeB/EnodeB về bộ điều khiển trung tâm. Nó quan trọng vì ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng dịch vụ di động, đặc biệt trong bối cảnh lưu lượng dữ liệu tăng nhanh.

  2. Tại sao cần chuyển từ công nghệ TDM sang IP cho Mobile Backhaul?
    Công nghệ TDM có chi phí cao, thiếu linh hoạt và khó mở rộng. Mạng IP cho phép tăng băng thông, giảm chi phí, dễ dàng quản lý và hỗ trợ các dịch vụ đa dạng hơn, phù hợp với xu hướng phát triển mạng 4G, 5G.

  3. Các phương pháp đồng bộ nào được áp dụng trong mạng IP RAN?
    Các phương pháp chính gồm ACR (Adaptive Clock Recovery), Sync-E (Synchronous Ethernet) và PTP (Precision Time Protocol IEEE 1588v2). Sync-E và PTP thường được kết hợp để đảm bảo đồng bộ tần số và thời gian chính xác.

  4. Làm thế nào để đảm bảo QoS trong mạng Mobile Backhaul?
    Sử dụng mô hình DiffServ kết hợp MPLS Traffic Engineering để phân loại, đánh dấu và ưu tiên lưu lượng dịch vụ. Các tham số QoS như độ trễ, jitter, mất gói được giám sát và điều chỉnh để đáp ứng yêu cầu dịch vụ.

  5. Cơ chế dự phòng nào giúp nâng cao độ sẵn sàng mạng MAN-E?
    Các giao thức VRRP, BFD, LACP và RSTP được triển khai để phát hiện lỗi nhanh, chuyển hướng lưu lượng tự động khi có sự cố, đảm bảo thời gian chuyển hướng dưới 50 ms, không làm gián đoạn dịch vụ.

Kết luận

  • Đã xây dựng và phân tích cấu trúc mạng truyền tải MAN-E hiện tại của VNPT Hưng Yên với hơn 13 node Router UPE/PE-AGG, băng thông core đạt 200 Gbps.
  • Đánh giá các công nghệ đồng bộ Sync-E và PTP, cùng các giải pháp QoS và dự phòng phù hợp với yêu cầu mạng Mobile Backhaul 2G/3G/4G.
  • Phát hiện nghẽn cục bộ vào giờ cao điểm do cấu trúc ring và chia sẻ băng thông, đề xuất tách ring và nâng cấp hạ tầng.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật cụ thể nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ, độ sẵn sàng và chuẩn bị cho mạng 5G.
  • Khuyến nghị triển khai trong vòng 6-12 tháng với sự phối hợp chặt chẽ giữa VNPT Hưng Yên và các nhà cung cấp thiết bị, đồng thời đào tạo nâng cao năng lực vận hành.

Hành động tiếp theo: VNPT Hưng Yên cần triển khai các giải pháp đề xuất, đồng thời theo dõi và đánh giá hiệu quả để điều chỉnh kịp thời, đảm bảo mạng truyền tải đáp ứng nhu cầu phát triển dịch vụ di động hiện đại.