Tổng quan nghiên cứu

Thị trường viễn thông toàn cầu vào đầu thế kỷ 21 đã chứng kiến sự bùng nổ vượt bậc của công nghệ thông tin di động, với hơn 1,3 tỷ thuê bao mạng GSM ghi nhận vào quý 4 năm 2004 và tỷ lệ phổ cập thoại di động vượt mức 70% dân số tại Tây Âu và nhiều nước Châu Á. Sự bão hòa của các dịch vụ thoại truyền thống cùng sự gia tăng đột biến về nhu cầu trao đổi dữ liệu đa phương tiện đã đặt ra bài toán cấp bách về việc nâng cấp hạ tầng mạng. Mạng di động chuyển mạch kênh truyền thống dần bộc lộ những giới hạn nghiêm ngặt về băng thông, hiệu suất sử dụng phổ tần và khả năng cung cấp dịch vụ thời gian thực chất lượng cao. Dự báo của Analysis Research Limited cho thấy doanh thu dịch vụ phi thoại (Non-voice ARPU) nhanh chóng vượt mức 35% tổng doanh thu dịch vụ di động toàn cầu vào năm 2007, đòi hỏi sự dịch chuyển tất yếu sang kiến trúc Mạng thế hệ kế tiếp (Next Generation Network - NGN).

Nghiên cứu này tập trung phân tích toàn diện quá trình tiến hóa từ các hệ thống vô tuyến 1G, 2G, 2.5G lên mạng 3G All-IP, lấy trọng tâm là cấu trúc chuẩn hóa Release 5 của tổ chức 3GPP. Mục tiêu cụ thể của luận văn là làm rõ mô hình phân lớp mạng NGN di động, phân tích chuyên sâu phân hệ đa phương tiện IP (IP Multimedia Subsystem - IMS), công nghệ truy nhập gói đường xuống tốc độ cao (HSDPA) và truyền tải IP UTRAN. Trên cơ sở đó, nghiên cứu xây dựng các nguyên tắc tổ chức mạng và đề xuất lộ trình chuyển đổi mạng PLMN tại Việt Nam trong giai đoạn 2006-2010 nhằm tối ưu hóa chi phí đầu tư hạ tầng mạng lõi, nâng cao năng lực truyền tải và sẵn sàng cung cấp các dịch vụ dữ liệu đa phương tiện thế hệ mới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn ứng dụng lý thuyết kiến trúc mạng mở thế hệ kế tiếp NGN, mô hình phân lớp giao thức viễn thông và hệ thống tiêu chuẩn quốc tế do tổ chức 3GPP (Third Generation Partnership Project) ban hành. Khung lý thuyết cốt lõi được xây dựng xung quanh 4 mô hình nền tảng:

  • Mô hình kiến trúc phân lớp NGN: Phân tách rõ ràng hạ tầng viễn thông thành 4 lớp chức năng độc lập: Lớp truy nhập (Access Layer), Lớp truyền tải/chuyển mạch (Transport/Switching Layer dựa trên nền tảng All-IP), Lớp điều khiển (Control Layer tách biệt giữa điều khiển cuộc gọi và truyền tải lưu lượng người dùng), và Lớp ứng dụng/dịch vụ (Service/Application Layer).
  • Kiến trúc phân hệ đa phương tiện IP (IMS - IP Multimedia Subsystem): Chuẩn hóa theo 3GPP Release 5, đóng vai trò điều khiển các phiên truyền thông đa phương tiện thời gian thực qua giao thức khởi tạo phiên SIP (Session Initiation Protocol - RFC 3261 của IETF). Hệ thống tích hợp các thực thể điều khiển trạng thái cuộc gọi CSCF (Proxy-CSCF, Interrogating-CSCF, Serving-CSCF) kết hợp cùng máy chủ thuê bao thường trú HSS (Home Subscriber Server).
  • Mô hình phân tách nút mạng lõi di động (Split Architecture): Tách tổng đài MSC truyền thống thành Máy chủ điều khiển MSC Server (xử lý báo hiệu và quản lý di động) và Cổng phương tiện CS-MGW (xử lý chuyển mạch kênh, chuyển đổi mã hóa codec và định tuyến payload).
  • Cơ chế truy nhập gói vô tuyến cải tiến (HSDPA & IP UTRAN): Ứng dụng cấu trúc phân tán chuyển chức năng điều khiển truy nhập môi trường (MAC-hs) từ RNC xuống trạm gốc Node B nhằm hỗ trợ điều chế thích ứng, tự động yêu cầu truyền lại nhanh (H-ARQ) và đa mã trực giao.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích kỹ thuật hệ thống kết hợp so sánh kiến trúc viễn thông chuẩn hóa. Nguồn dữ liệu sơ cấp và thứ cấp được thu thập từ bộ 107 tài liệu tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế (Technical Specifications) và báo cáo kỹ thuật (Technical Reports) của các tổ chức tiêu chuẩn hóa hàng đầu gồm 3GPP (tập trung từ Release 99 đến Release 6), 3GPP2, ITU-T (các khuyến nghị định danh E.212) và IETF (các bộ chuẩn RFC về SIP, Diameter, Mobile IP).

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ các phân hệ mạng lõi CS/PS, phân hệ truy nhập vô tuyến GERAN/UTRAN và 50+ giao thức báo hiệu viễn thông chuyên biệt. Phương pháp chọn mẫu định hướng chuyên sâu (purposive sampling) được lựa chọn nhằm tập trung vào các tiêu chuẩn có tính ứng dụng thực tiễn cao đối với các nhà khai thác di động đang sử dụng hạ tầng GSM/GPRS. Phương pháp phân tích kiến trúc so sánh được chọn vì cho phép đánh giá chính xác các tham số kỹ thuật (thông lượng dữ liệu, độ trễ báo hiệu, tính tương thích ngược) giữa mô hình mạng chuyển mạch kênh truyền thống và mô hình All-IP NGN. Toàn bộ quá trình tổng hợp, mô phỏng luồng báo hiệu và xây dựng giải pháp chuyển đổi mạng được thực hiện xuyên suốt trong khung thời gian 2003-2005.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích cấu trúc kỹ thuật mạng di động NGN theo chuẩn 3GPP Release 5 đã mang lại 4 phát hiện công nghệ then chốt:

  • Đột phá về tốc độ truyền dữ liệu và giảm trễ vô tuyến: Công nghệ HSDPA trong 3GPP Release 5 cho phép nâng tốc độ dữ liệu đỉnh lý thuyết lên mức 14,4 Mbps, vượt trội hoàn toàn so với tốc độ 384 Kbps của WCDMA Release 99 và 9,6 Kbps của GSM truyền thống. Việc đưa phân lớp MAC-hs xuống trực tiếp Node B giúp giảm độ trễ khứ hồi của giao tiếp vô tuyến xuống dưới 50ms, đáp ứng hoàn hảo cho các luồng dữ liệu thời gian thực.
  • Tối ưu hóa hiệu quả mạng lõi thông qua phân tách MSC Server và CS-MGW: Việc tách biệt lớp điều khiển cuộc gọi khỏi lớp truyền tải phương tiện giúp giảm tải lưu lượng truyền dẫn đường trục từ 30% đến 40%. Một MSC Server có khả năng quản lý đồng thời nhiều CS-MGW phân tán theo địa lý, giúp nhà khai thác mở rộng dung lượng mạng linh hoạt mà không cần tăng tỷ lệ đầu tư phần cứng chuyển mạch đắt tiền.
  • Chuẩn hóa toàn diện phiên truyền thông qua phân hệ IMS và giao thức SIP: Khác với các mô hình độc quyền như dịch vụ i-Mode của NTT DoCoMo (vốn đạt 38 triệu thuê bao năm 2003 nhưng bị hạn chế về giao thức đóng), IMS cung cấp môi trường mở độc lập với mạng truy nhập. Báo hiệu SIP giúp thiết lập phiên đa phương tiện điểm-điểm và hội nghị đa bên với cơ chế xác thực bảo mật tập trung qua HSS, cho phép tích hợp liền mạch giữa mạng tổ ong 3G và mạng truy nhập vô tuyến cục bộ băng rộng như IEEE 802.11 WLAN.
  • Hiệu quả kinh tế của mô hình chuyển đổi từng phần (IP UTRAN): Việc thay thế truyền tải TDM/ATM điểm-điểm bằng kết nối IP over Ethernet giữa Node B và RNC giúp cắt giảm chi phí thuê kênh truyền dẫn vật lý khoảng 25-35%, đồng thời tận dụng tối đa hạ tầng mạng truyền tải IP sẵn có của các nhà mạng viễn thông.

Thảo luận kết quả

Sự chuyển dịch từ chuyển mạch kênh sang All-IP là xu thế tất yếu bắt nguồn từ sự thay đổi bản chất của lưu lượng người dùng, khi lưu lượng dữ liệu và đa phương tiện (MMS, video streaming, trò chơi trực tuyến) gia tăng với tốc độ vượt bậc so với dịch vụ thoại. Dữ liệu tiến hóa công nghệ có thể được tổng hợp trực quan qua ma trận so sánh 4 thế hệ di động:

Thế hệ mạng Công nghệ vô tuyến chủ đạo Giao thức mạng lõi Tốc độ truyền dữ liệu tối đa Dịch vụ chính
1G (AMPS, TACS, NMT) Tương tự (Analog FDMA) Chuyển mạch kênh (CS) ~1,2 - 2,4 Kbps Thoại tương tự
2G (GSM, IS-95, PDC) Số (TDMA / CDMA) Chuyển mạch kênh (CS) 9,6 Kbps Thoại số, SMS (160 ký tự)
2.5G (GPRS, EDGE) Số nâng cao (GMSK, 8-PSK) CS + Gói dữ liệu (PS Core) 115 Kbps - 384 Kbps Internet di động tốc độ thấp, WAP
3G NGN (3GPP R5 HSDPA) Trải phổ băng rộng WCDMA All-IP + IMS (SIP Control) 2 Mbps - 14,4 Mbps Đa phương tiện tốc độ cao, Video VoIP

Kết quả nghiên cứu này tương đồng với định hướng của Diễn đàn UMTS và các nghiên cứu của MWIF, khẳng định rằng kiến trúc IP phân lớp giúp giảm đáng kể chi phí tổng thể trên mỗi bit dữ liệu truyền dẫn. Biểu đồ tăng trưởng doanh thu viễn thông giai đoạn 2000-2007 cho thấy trong khi ARPU thoại giảm dần do bão hòa thị trường, ARPU phi thoại tăng từ dưới 10% lên hơn 35%. Điều này chứng minh giải pháp tổ chức mạng theo mô hình NGN là bước đi sống còn cho các doanh nghiệp viễn thông.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm thực hiện chuyển đổi mạng di động hiệu quả theo mô hình NGN tại Việt Nam, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp chiến lược:

  • Tái cấu trúc mạng lõi di động theo mô hình phân tách All-IP: Các nhà khai thác mạng di động PLMN (như VNPT, MobiFone, VinaPhone, Viettel) cần tiến hành phân tách toàn bộ hệ thống MSC hiện hữu thành cặp cấu trúc MSC Server và CS-MGW. Giải pháp này giúp cắt giảm 35% chi phí vận hành bảo trì (O&M) mạng đường trục và nâng cấp năng lực chuyển mạch lên hơn 50% trong giai đoạn 2006-2008.
  • Triển khai thử nghiệm phân hệ đa phương tiện IMS từng giai đoạn: Thiết lập hệ thống điều khiển phiên IMS pha 1 (theo chuẩn 3GPP R5) trên nền mạng gói GPRS/EDGE sẵn có, ứng dụng máy chủ P-CSCF và S-CSCF kết nối HSS tập trung. Mục tiêu hướng tới độ trễ thiết lập cuộc gọi SIP dưới 150ms và hoàn thành tích hợp các dịch vụ giá trị gia tăng đa phương tiện (PoC, Video Share) trước năm 2009.
  • Hiện đại hóa mạng truy nhập vô tuyến với HSDPA và IP UTRAN: Tiến hành nâng cấp phần mềm tại RNC và bổ sung card xử lý dải tần cơ sở MAC-hs tại các trạm thu phát Node B khu vực đô thị có mật độ thuê bao cao. Lộ trình đặt mục tiêu đạt 80% trạm vô tuyến tại các thành phố lớn hỗ trợ tốc độ tải xuống từ 1,8 Mbps đến 14,4 Mbps trong khung thời gian 2008-2010.
  • Ban hành khung tiêu chuẩn kỹ thuật và định tuyến mở cấp quốc gia: Cơ quan quản lý nhà nước (Bộ Bưu chính Viễn thông) cần ban hành bộ quy chuẩn kết nối liên mạng NGN di động, chuẩn hóa cấu trúc định danh IMSI theo khuyến nghị ITU-T E.212, đồng thời thiết lập lộ trình phân bổ dải tần số 3G (2GHz) và quy hoạch chuyển đổi địa chỉ sang IPv6 đồng bộ trong giai đoạn 2006-2007.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang giá trị ứng dụng thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng:

  • Kỹ sư quy hoạch và thiết kế mạng viễn thông: Sử dụng toàn bộ mô hình luồng báo hiệu SIP, cấu hình giao diện tham chiếu IMS và nguyên tắc định tuyến gói qua SGSN/GGSN để thiết kế và tối ưu hóa hạ tầng mạng lõi di động thế hệ mới.
  • Lãnh đạo công nghệ (CTO) và nhà quản lý tại các doanh nghiệp viễn thông: Tham khảo phương pháp luận và lộ trình chuyển đổi mạng 2G/2.5G lên 3G NGN nhằm tối ưu hóa tổng chi phí sở hữu (TCO), cân đối vốn đầu tư CAPEX/OPEX khi nâng cấp hạ tầng mạng.
  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Điện tử Viễn thông: Sử dụng luận văn làm tài liệu giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu về cấu trúc mạng di động All-IP, cơ chế truyền thông đa phương tiện IMS và các công nghệ giao tiếp vô tuyến hiện đại.
  • Chuyên gia phát triển ứng dụng di động và dịch vụ gia tăng (VAS): Khai thác các kiến trúc dịch vụ thông minh CAMEL và giao diện lập trình mở OSA/SIP để xây dựng các sản phẩm nội dung số đa phương tiện, thương mại di động và dịch vụ định vị thời gian thực.

Câu hỏi thường gặp

Điểm khác biệt cốt lõi giữa mạng di động 2G và mạng di động NGN là gì?
Mạng 2G dựa trên kỹ thuật chuyển mạch kênh cố định với tốc độ dữ liệu 9,6 Kbps, phân tách riêng biệt giữa mạng thoại và mạng số liệu. Mạng di động NGN (3GPP R5) hội tụ toàn bộ lưu lượng thoại, hình ảnh và dữ liệu trên hạ tầng mạng lõi All-IP, nâng tốc độ lên tới 14,4 Mbps nhờ HSDPA và chuẩn hóa điều khiển phiên qua phân hệ IMS.

Hệ thống con đa phương tiện IP (IMS) đóng vai trò gì trong kiến trúc mạng mới?
IMS là phân hệ then chốt trong mạng lõi chuyển mạch gói 3G, chịu trách nhiệm khởi tạo, duy trì, sửa đổi và giải phóng các phiên truyền thông đa phương tiện thời gian thực. Bằng việc ứng dụng giao thức SIP tiêu chuẩn của IETF, IMS cho phép nhà mạng triển khai các dịch vụ hội nghị truyền hình, VoIP và nhắn tin đa phương tiện đồng nhất trên mọi công nghệ truy nhập vô tuyến.

Tại sao việc tách biệt MSC thành MSC Server và CS-MGW lại tiết kiệm chi phí?
Trong kiến trúc truyền thống, việc mở rộng dung lượng đòi hỏi đầu tư các khối tổng đài MSC cồng kềnh. Việc tách thành MSC Server (xử lý phần mềm báo hiệu) và CS-MGW (xử lý phần cứng chuyển mạch payload) cho phép nhà mạng đặt các gateway giá rẻ gần trạm gốc để tối ưu đường truyền tải, giúp giảm 30-40% chi phí truyền dẫn đường trục.

Tại sao công nghệ HSDPA lại chỉ yêu cầu nâng cấp phần mềm tại bộ điều khiển RNC?
HSDPA trong 3GPP Release 5 phân bổ lại chức năng điều khiển truy nhập trung gian bằng cách đặt phân lớp MAC-hs trực tiếp tại trạm gốc Node B để xử lý điều chế thích ứng và mã hóa nhanh. Do đó, các bộ điều khiển RNC chỉ cần nâng cấp phần mềm điều khiển, giúp nhà mạng tiết kiệm tối đa chi phí thay thế phần cứng.

Mã định danh thuê bao tạm thời TMSI có ưu điểm gì so với mã IMSI?
Mã IMSI là định danh quốc tế cố định của thuê bao lưu trên thẻ USIM. Để bảo mật thông tin và tránh nguy cơ bị nghe lén trên giao diện vô tuyến, tổng đài MSC/VLR hoặc SGSN sẽ cấp phát một mã TMSI tạm thời (4 octet) dưới dạng mã hóa. Việc truyền TMSI qua không gian thay cho IMSI giúp triệt tiêu nguy cơ giả mạo nhận dạng người dùng.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã hệ thống hóa toàn diện các bước phát triển của mạng thông tin di động từ 1G, 2G đến 3G NGN, chứng minh tính tất yếu của xu thế hội tụ All-IP.
  • Làm rõ cấu trúc kỹ thuật chuẩn hóa 3GPP Release 5, trong đó xác lập vai trò đột phá của 3 công nghệ trụ cột: HSDPA (tốc độ 14,4 Mbps), IP UTRAN và phân hệ đa phương tiện IMS.
  • Phân tích chi tiết mô hình phân tách kiến trúc điều khiển và truyền tải, giúp nâng cao hiệu quả đầu tư hạ tầng và linh hoạt mở rộng quy mô mạng lưới.
  • Đề xuất thành công các nguyên tắc tổ chức mạng và lộ trình chuyển dịch mạng PLMN khả thi cho các nhà khai thác viễn thông Việt Nam giai đoạn 2006-2010.
  • Mở ra các hướng nghiên cứu tiếp theo về bảo mật mạng All-IP, cơ chế chuyển giao giữa mạng tế bào và WLAN, cùng các tính năng tối ưu hóa trong các phiên bản 3GPP Release 6 và Release 7.

Để tiếp cận toàn bộ dữ liệu phân tích luồng báo hiệu chi tiết, bảng tra cứu thông số kỹ thuật và mô hình cấu hình trạm mạng di động NGN, bạn đọc có thể tham khảo toàn văn đồ án luận văn thạc sĩ chuyên ngành Điện tử Viễn thông tại thư viện các trường đại học khối kỹ thuật.