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 hạ tầng 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 series NE40E, đã và đang được mở rộng để nâng cao băng thông và độ sẵn sàng.

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 dự phòng. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mạng truyền tải IP RAN trong giai đoạn từ 2020 đến 2022, với các giải pháp kỹ thuật áp dụng cho mạng Metro Ethernet hiện hữu tại địa phương.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả khai thác hạ tầng mạng, giảm chi phí vận hành so với công nghệ truyền dẫn TDM truyền thống, đồng thời tạo nền tảng cho việc mở rộng mạng 5G trong tương lai. Các chỉ số như độ trễ dưới 150ms cho dịch vụ thoại VoIP, tỷ lệ mất gói dưới 1%, và thời gian chuyển hướng dự phòng dưới 50ms được đặt ra làm tiêu chuẩn đánh giá hiệu quả triển khai.

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, với xu hướng chuyển đổi từ công nghệ truyền dẫn TDM sang mạng IP RAN 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 truyền tải các kênh TDM qua mạng chuyển mạch gói IP/MPLS, đảm bảo tương thích với các thế hệ mạng 2G, 3G và 4G.

  • 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 giữa các phần tử mạng, đặc biệt quan trọng trong mạng di động.

  • Chất lượng dịch vụ (QoS) trong mạng IP: Mô hình Intserv, Diffserv và MPLS được sử dụng để phân loại, đánh dấu và ưu tiên lưu lượng, đảm bảo các tham số QoS như độ trễ, jitter, mất gói phù hợp với yêu cầu dịch vụ thoại, video và dữ liệu.

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

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu thực tế từ mạng VNPT Hưng Yên, bao gồm số lượng trạm BTS/nodeB/enodeB, cấu trúc mạng MAN-E, các thiết bị Router Huawei NE40E, và các dịch vụ đang khai thác như Internet tốc độ cao, VoIP, IPTV, VPN.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phân tích kỹ thuật mạng, đánh giá các tham số QoS dựa trên tiêu chuẩn ITU-T Y.1541, mô phỏng và thiết kế cấu trúc mạng MAN-E phù hợp với yêu cầu Mobile Backhaul. So sánh hiệu quả giữa các phương án triển khai truyền dẫn CES, đồng bộ và QoS.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2021, với giai đoạn khảo sát hiện trạng mạng và thu thập dữ liệu trong 3 tháng đầu, phân tích và thiết kế cấu trúc mạng trong 6 tháng tiếp theo, thử nghiệm và đánh giá trong 3 tháng cuối năm.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Phân tích dựa trên toàn bộ mạng di động VNPT Hưng Yên với hơn 800 trạm BTS/nodeB/enodeB, tập trung vào các node chính trong mạng MAN-E gồm 2 node PE-AGG và 11 node UPE.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng mạng MAN-E chưa đáp ứng tối ưu băng thông và độ sẵn sàng: Ban đầu, băng thông kết nối giữa các node UPE chỉ 1Gbps, sau nâng cấp lên 2Gbps nhưng vẫn xảy ra nghẽn cục bộ vào giờ cao điểm (19h-22h). Sau khi mở rộng, các Ring Access được tách thành 9 vòng với trunk link group từ 20 đến 50Gbps, cải thiện đáng kể khả năng truyền tải.

  2. Ứng dụng công nghệ CESoPSN và SAToP cho mạng 2G, L2TPv3 và AToM cho mạng 3G/4G: Việc lựa chọn giao thức CESoPSN giúp tiết kiệm băng thông hơn SAToP, trong khi AToM và L2TPv3 hỗ trợ giả lập kênh lớp 2 hiệu quả trên mạng MPLS/IP, đảm bảo tương thích đa thế hệ mạng.

  3. Đồng bộ tần số và thời gian được đảm bảo bằng kết hợp Sync-E và PTP (IEEE 1588v2): Phương pháp này giúp giảm độ trễ và jitter xuống mức nano giây, đáp ứng yêu cầu đồng bộ nghiêm ngặt của mạng di động, đồng thời giảm chi phí so với trang bị GPS cho từng thiết bị.

  4. Chất lượng dịch vụ (QoS) được thiết kế theo mô hình Diffserv kết hợp MPLS TE: Các tham số QoS như độ trễ dưới 150ms, jitter dưới 30ms, tỷ lệ mất gói dưới 1% được đảm bảo cho dịch vụ thoại VoIP và video streaming. Cơ chế phân lớp, đánh dấu và ưu tiên lưu lượng giúp mạng vận hành ổn định ngay cả khi có nghẽn.

Thảo luận kết quả

Việc nâng cấp mạng MAN-E tại VNPT Hưng Yên từ băng thông 1-2Gbps lên 20-50Gbps trên các Ring Access đã giải quyết phần lớn các vấn đề nghẽn cục bộ, đặc biệt trong khung giờ cao điểm. So với các nghiên cứu trong ngành, việc áp dụng công nghệ CESoPSN và AToM cho phép tận dụng tối đa hạ tầng IP hiện có, giảm chi phí đầu tư so với truyền dẫn TDM truyền thống.

Sự kết hợp đồng bộ Sync-E và PTP mang lại độ chính xác cao, phù hợp với yêu cầu đồng bộ tần số và thời gian trong mạng di động, đồng thời giảm thiểu chi phí so với giải pháp GPS. Các biểu đồ phân tích độ trễ và jitter cho thấy mức độ ổn định vượt trội so với các mạng chưa áp dụng đồng bộ này.

Mô hình QoS Diffserv kết hợp MPLS TE được triển khai hiệu quả, đảm bảo các dịch vụ thoại, video và dữ liệu hoạt động ổn định với các tham số QoS theo tiêu chuẩn ITU-T. Bảng so sánh các tham số QoS trước và sau khi triển khai cho thấy độ trễ giảm 20%, tỷ lệ mất gói giảm 0.5%, góp phần nâng cao trải nghiệm khách hàng (QoE).

Các cơ chế dự phòng như VRRP, LACP, BFD và RSTP đảm bảo thời gian chuyển hướng dưới 50ms khi có sự cố, phù hợp với yêu cầu vận hành mạng di động hiện đại. Biểu đồ thời gian chuyển hướng dự phòng minh họa sự cải thiện rõ rệt so với mạng truyền dẫn cũ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Mở rộng nâng cấp băng thông các Ring Access lên tối thiểu 50Gbps: Động từ hành động là "nâng cấp", mục tiêu là giảm nghẽn cục bộ và tăng khả năng mở rộng mạng, thời gian thực hiện trong 12 tháng, chủ thể thực hiện là VNPT Hưng Yên phối hợp với nhà cung cấp thiết bị.

  2. Triển khai đồng bộ kết hợp Sync-E và PTP trên toàn mạng Mobile Backhaul: Động từ "triển khai", mục tiêu đảm bảo đồng bộ tần số và thời gian chính xác, giảm jitter và độ trễ, thời gian 6 tháng, chủ thể là đội ngũ kỹ thuật mạng VNPT Hưng Yên.

  3. Áp dụng chính sách QoS Diffserv kết hợp MPLS TE cho toàn bộ lưu lượng mạng: Động từ "cấu hình", mục tiêu đảm bảo các tham số QoS theo tiêu chuẩn ITU-T, thời gian 3 tháng, chủ thể là phòng kỹ thuật vận hành mạng.

  4. Tăng cường các cơ chế dự phòng VRRP, LACP, BFD và RSTP để đảm bảo độ sẵn sàng trên 99.99%: Động từ "tối ưu hóa", mục tiêu giảm thời gian chuyển hướng dưới 50ms khi sự cố, thời gian 6 tháng, chủ thể là đội ngũ vận hành mạng.

  5. Đào tạo nâng cao năng lực kỹ thuật cho cán bộ vận hành về các công nghệ mới: Động từ "tổ chức", mục tiêu nâng cao hiệu quả quản lý và vận hành mạng, thời gian liên tục hàng năm, chủ thể là ban lãnh đạo VNPT Hưng Yên.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên viên mạng viễn thông: Nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật nâng cấp mạng Mobile Backhaul, áp dụng công nghệ IP RAN và Metro Ethernet để tối ưu hóa hạ tầng mạng.

  2. Quản lý dự án và lãnh đạo doanh nghiệp viễn thông: Hiểu rõ các yêu cầu kỹ thuật và lợi ích kinh tế khi chuyển đổi từ truyền dẫn TDM sang mạng IP, từ đó hoạch định chiến lược đầu tư phù hợp.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật viễn thông: Tài liệu tham khảo về các công nghệ giả lập kênh CES, đồng bộ mạng IP, QoS và kiến trúc mạng Metro Ethernet trong môi trường thực tế.

  4. Nhà cung cấp thiết bị và giải pháp mạng: Tham khảo các yêu cầu kỹ thuật, tiêu chuẩn và phương án triển khai để phát triển sản phẩm phù hợp với mạng Mobile Backhaul hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần chuyển đổi mạng Mobile Backhaul từ TDM sang IP RAN?
    Chuyển đổi giúp tăng băng thông, giảm chi phí vận hành và đầu tư, đồng thời nâng cao tính linh hoạt và khả năng mở rộng mạng, đáp ứng nhu cầu dịch vụ ngày càng đa dạng và lớn mạnh.

  2. Công nghệ CESoPSN và SAToP khác nhau thế nào?
    CESoPSN tối ưu hơn SAToP về tiết kiệm băng thông do đóng gói cấu trúc kênh TDM, trong khi SAToP duy trì mạch vật lý giữa các điểm cuối, phù hợp với các ứng dụng khác nhau trong mạng 2G.

  3. Sync-E và PTP (IEEE 1588v2) phối hợp ra sao trong đồng bộ mạng?
    Sync-E cung cấp đồng bộ tần số qua lớp vật lý, còn PTP cung cấp đồng bộ thời gian chính xác đến nano giây qua lớp mạng, kết hợp giúp đảm bảo đồng bộ toàn diện cho mạng IP RAN.

  4. Các tham số QoS quan trọng nhất trong mạng Mobile Backhaul là gì?
    Thông lượng, độ trễ (delay), độ trễ biến thiên (jitter) và tỷ lệ mất gói (packet loss) là các tham số chính, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng dịch vụ thoại, video và dữ liệu.

  5. Làm thế nào để đảm bảo độ sẵn sàng cao cho mạng MAN-E?
    Sử dụng các cơ chế dự phòng như VRRP, LACP, BFD, RSTP kết hợp với thiết kế mạng vòng Ring, dự phòng phần cứng và phần mềm, đảm bảo chuyển hướng nhanh dưới 50ms khi có sự cố.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công cấu trúc truyền tải MAN-E phù hợp cho Mobile Backhaul tại VNPT Hưng Yên, đáp ứng các yêu cầu về băng thông, đồng bộ và QoS.
  • Áp dụng các công nghệ CESoPSN, L2TPv3, AToM và đồng bộ Sync-E, PTP giúp nâng cao hiệu quả truyền tải và giảm chi phí vận hành.
  • Thiết kế QoS dựa trên mô hình Diffserv kết hợp MPLS TE đảm bảo chất lượng dịch vụ thoại, video và dữ liệu theo tiêu chuẩn quốc tế.
  • Các cơ chế dự phòng VRRP, LACP, BFD, RSTP đảm bảo độ sẵn sàng mạng trên 99.99%, thời gian chuyển hướng dưới 50ms.
  • Đề xuất kế hoạch nâng cấp băng thông, triển khai đồng bộ và đào tạo kỹ thuật nhằm duy trì và phát triển mạng Mobile Backhaul trong tương lai.

Tiếp theo, cần triển khai thực hiện các giải pháp đề xuất, đồng thời theo dõi và đánh giá hiệu quả vận hành để điều chỉnh phù hợp. Các đơn vị quản lý và vận hành mạng nên phối hợp chặt chẽ để đảm bảo tiến độ và chất lượng dự án. Để biết thêm chi tiết kỹ thuật và hướng dẫn triển khai, quý độc giả vui lòng liên hệ với phòng kỹ thuật VNPT Hưng Yên.