Tổng quan nghiên cứu

Đến đầu năm 2005, mạng lưới viễn thông Việt Nam đã có sự phát triển vượt bậc với quy mô đạt khoảng 10 triệu thuê bao điện thoại cố định và di động, đưa mật độ máy điện thoại đạt 12,6 máy trên 100 dân và phủ sóng dịch vụ đến hơn 98% tổng số xã trên toàn quốc. Tuy nhiên, kiến trúc mạng viễn thông truyền thống PSTN dựa trên kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) đã bộc lộ những giới hạn nghiêm trọng về hiệu năng và khả năng mở rộng. Hệ thống vận hành bị phân mảnh theo 61 địa bàn hành chính cấp tỉnh và thành phố, khiến một cuộc gọi liên tỉnh thông thường phải định tuyến qua từ 3 đến 8 tổng đài cùng 2 đến 7 chặng truyền dẫn trung gian, làm gia tăng đáng kể độ trễ và chi phí khai thác.

Trước yêu cầu cấp thiết về việc hội tụ dịch vụ thoại và truyền số liệu tốc độ cao, nghiên cứu này tập trung vào mục tiêu xây dựng mô hình kiến trúc kỹ thuật và phương pháp luận định cỡ cho nút mạng NGN (Next Generation Network) tại khu vực Hà Nội. Phạm vi nghiên cứu bao quát địa bàn thủ đô Hà Nội và các vùng phụ cận, nằm trong cấu trúc tổng thể mạng viễn thông VNPT theo tầm nhìn quy hoạch giai đoạn 2006–2010. Đóng góp của luận văn mang ý nghĩa chiến lược đối với ngành viễn thông khi đề xuất mô hình chuyển mạch gói ATM/IP giúp tinh giản tối đa 50% số cấp chuyển mạch trung gian, nâng băng thông truyền tải đường trục lên mức 20 Gbps, giảm thiểu chi phí quản lý vận hành và bảo dưỡng (O&M), đồng thời tạo nền tảng vững chắc để cung cấp đa dịch vụ băng rộng chất lượng cao cho hàng triệu người sử dụng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng mô hình kiến trúc phân lớp chức năng mạng thế hệ sau NGN theo chuẩn khuyến nghị của Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU-T) và mô hình quản lý mạng viễn thông chuẩn TMN (Telecommunications Management Network) gồm 4 tầng quản lý: phần tử mạng, mạng, dịch vụ và kinh doanh. Nền tảng cốt lõi của NGN là nguyên lý phân tách triệt để giữa tầng điều khiển cuộc gọi độc lập và tầng truyền tải dữ liệu vật lý, thay thế hoàn toàn mô hình hợp nhất nguyên khối của tổng đài TDM truyền thống.

Năm khái niệm kỹ thuật giữ vai trò then chốt trong công trình gồm:

  • Mạng thế hệ mới (NGN): Mạng gói đa dịch vụ hỗ trợ đầy đủ các dịch vụ thoại, dữ liệu, đa phương tiện với chất lượng dịch vụ (QoS) được bảo đảm.
  • Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS/IP) và phương thức truyền tải không đồng bộ (ATM): Hạ tầng truyền tải lõi cho phép định tuyến dữ liệu tốc độ cao và tối ưu hóa luồng băng thông.
  • Bộ điều khiển cổng thiết bị (MGC hay Softswitch): Thiết bị trung tâm điều khiển phiên liên lạc và kết nối logic giữa các cổng giao tiếp.
  • Cổng trung kế (TGW) và Cổng báo hiệu (SGW): Các nút chuyển đổi định dạng thoại và giao thức báo hiệu giữa hệ thống SS7 của mạng PSTN với giao thức SIGTRAN/IP của mạng NGN.
  • Mạng truy nhập đa dịch vụ (MSAN/xDSL): Công nghệ cho phép kết nối hỗn hợp giữa thuê bao cáp đồng truyền thống và thuê bao cáp quang băng rộng trên cùng một nút thiết bị.

Hạ tầng truyền tải quang SDH và công nghệ ghép bước sóng quang WDM đóng vai trò là khung truyền dẫn vật lý, hỗ trợ các tốc độ chuẩn từ 155 Mbps (STM-1), 622 Mbps (STM-4), 2,5 Gbps (STM-16) cho đến 20 Gbps trên các mạng vòng Ring liên tỉnh.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của đề tài được tổng hợp từ cơ sở dữ liệu hiện trạng mạng lưới của Tổng công ty Bưu chính Viễn thông Việt Nam (VNPT), báo cáo thống kê lưu lượng từ các công ty dọc như VTN, VTI, VDC và số liệu đo kiểm lưu lượng giờ bận tại các tổng đài Host AXE-10, EWSD trên địa bàn Hà Nội.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 100% dữ liệu thống kê lưu lượng cuộc gọi và băng thông từ 5 vùng mạng chiến lược toàn quốc, với trọng tâm phân tích sâu toàn bộ hơn 15 nút tổng đài Host và Tandem nội hạt của Hà Nội. Tác giả áp dụng phương pháp chọn mẫu có chủ đích toàn diện (purposive complete sampling) đối với toàn bộ các phần tử mạng lõi thuộc phạm vi thủ đô nhằm bảo đảm tính chính xác tuyệt đối trong việc mô phỏng hiện trạng và dự báo tải.

Phương pháp phân tích chủ đạo là mô hình giải tích toán học lưu lượng Erlang B kết hợp với phương pháp ngoại suy chuỗi thời gian dựa trên tốc độ tăng trưởng kinh tế, dân số và mật độ thuê bao. Lý do lựa chọn mô hình Erlang B là bởi đây là công cụ chuẩn mực của ngành viễn thông thế giới để tính toán số lượng kênh trung kế và xác định dung lượng cổng chuyển mạch tối ưu, bảo đảm xác suất nghẽn mạch mục tiêu luôn duy trì ở mức dưới 1% (P.01). Toàn bộ quá trình tính toán và phân tích được hoàn thành trong giai đoạn 2005–2006 nhằm phục vụ trực tiếp cho kế hoạch chuyển đổi mạng viễn thông quốc gia đến năm 2010.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực trạng và tính toán định cỡ cho nút mạng NGN Hà Nội đã đem lại 4 phát hiện quan trọng:

Thứ nhất, việc tái cấu trúc tổ chức mạng theo 5 vùng lưu lượng thay vì 61 mạng tỉnh riêng lẻ là hoàn toàn khả thi và cấp thiết. Vùng lưu lượng 2 (khu vực Hà Nội và các tỉnh lân cận) chiếm hơn 30% tổng dung lượng lưu lượng toàn miền Bắc. Mô hình NGN giúp tinh gọn cấu trúc chuyển mạch từ 4 cấp xuống còn 2 cấp duy nhất: lớp chuyển mạch lõi (ATM/IP Core Switch) và lớp chuyển mạch biên đa dịch vụ (Multiservice Edge Switch).

Thứ hai, việc áp dụng công nghệ chuyển mạch gói ATM/IP Core kết hợp công nghệ định tuyến nhãn MPLS giúp tăng hiệu suất sử dụng tài nguyên truyền dẫn lên khoảng 45% so với hệ thống chuyển mạch kênh TDM cố định dung lượng. Thời gian thiết lập cuộc gọi và độ trễ truyền gói nội vùng giảm xuống dưới mức 50 ms đối với các dịch vụ thoại qua gói tin (VoIP).

Thứ ba, kết quả định cỡ nút mạng Hà Nội đến mốc năm 2010 chỉ ra rằng tổng lưu lượng thoại cần xử lý tại nút mạng trung tâm sẽ vượt mức 25.000 Erlang. Để đáp ứng nhu cầu này, hệ thống nút mạng cần trang bị các cổng chuyển đổi trung kế TGW với quy mô từ 64 đến 128 luồng E1 (tương đương 2 Mbps mỗi luồng) và dung lượng thông lượng chuyển mạch lõi IP phải đạt tối thiểu từ 10 Gbps đến 20 Gbps.

Thứ tư, nhu cầu truy nhập dịch vụ băng rộng tăng trưởng vượt bậc với mức tăng bình quân dự báo đạt trên 35% mỗi năm, dần thay thế hơn 60% các kết nối quay số tốc độ thấp (Dial-up) bằng các cổng truy nhập ADSL và mạng quang thụ động.

Thảo luận kết quả

Sự vượt trội về hiệu năng của nút mạng NGN xuất phát từ kiến trúc tách rời giữa lớp điều khiển Softswitch và lớp truyền tải. Thay vì phải nâng cấp phần cứng cồng kềnh cho từng tổng đài Host mỗi khi mở rộng dịch vụ, nhà khai thác chỉ cần cấu hình tập trung tại các máy chủ Softswitch đặt tại nút Hà Nội. Thời gian triển khai một dịch vụ giá trị gia tăng mới (như gọi thoại kèm hình ảnh, hội nghị truyền hình, mạng riêng ảo IP-VPN) được rút ngắn từ vài tháng xuống chỉ còn vài tuần.

So sánh với các chuẩn mực quốc tế, cấu trúc nút mạng NGN Hà Nội đề xuất có độ tương thích cao với các giải pháp thiết bị công nghiệp hiện đại như họ sản phẩm SURPASS của Siemens và 5020 MGC của Alcatel, đáp ứng tiêu chuẩn độ sẵn sàng mạng lưới đạt mức 99,999% (tương đương chuẩn 5 số 9).

Trong thực tế thiết kế, các dữ liệu tính toán định cỡ được trình bày trực quan thông qua bảng ma trận phân bố lưu lượng giữa các trạm Host và biểu đồ cột so sánh tốc độ tăng trưởng thuê bao giai đoạn 2005–2010. Các sơ đồ lưu lượng này làm rõ sự chuyển dịch mạnh mẽ từ lưu lượng thoại thuần túy sang lưu lượng dữ liệu đa phương tiện, cung cấp căn cứ vững chắc cho các kỹ sư mạng trong việc phân bổ cổng trung kế chính xác đến từng khu vực quận, huyện.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hiện thực hóa mô hình nút mạng NGN Hà Nội và nâng cao năng lực cạnh tranh cho mạng viễn thông quốc gia, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể:

  • Chuyển đổi kiến trúc chuyển mạch lõi: Tổng công ty VNPT cùng Viễn thông Hà Nội cần nhanh chóng lắp đặt 2 hệ thống chuyển mạch lõi ATM/IP Core Switch cấu hình dự phòng song song (Plane 1 và Plane 2) với băng thông chuyển mạch đạt tối thiểu 20 Gbps trong giai đoạn 2006–2008 nhằm xử lý triệt để lưu lượng liên vùng và quốc tế.
  • Mở rộng mạng truy nhập đa dịch vụ: Đơn vị viễn thông địa phương và Công ty VDC cần triển khai lắp đặt hệ thống MSAN kết hợp xDSL và thiết bị truy nhập quang BPON tại các trạm vệ tinh, hoàn thành mục tiêu cung cấp hơn 300.000 cổng truy nhập băng rộng tốc độ cao trên toàn địa bàn Hà Nội trước năm 2010.
  • Nâng cấp mạng báo hiệu và điều khiển: Công ty Viễn thông Liên tỉnh (VTN) cần chuẩn hóa 100% các kết nối báo hiệu từ mạng SS7 hiện hữu sang giao thức SIGTRAN thông qua việc lắp đặt các bộ cổng báo hiệu SGW, bảo đảm thời gian thiết lập cuộc gọi liên mạng duy trì ổn định dưới 1,5 giây từ năm 2007.
  • Xây dựng Trung tâm Quản lý Mạng tập trung (NOC): Ban lãnh đạo Tập đoàn cần đầu tư hoàn thiện hệ thống giám sát và quản lý mạng theo mô hình TMN của ITU-T cho toàn bộ 5 vùng lưu lượng, đặt mục tiêu duy trì tỷ lệ sẵn sàng dịch vụ đạt trên 99,99% và rút ngắn thời gian khắc phục sự cố (MTTR) xuống dưới 30 phút trong giai đoạn 2008–2010.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao, đặc biệt hữu ích cho 4 nhóm đối tượng:

  • Kỹ sư quy hoạch và thiết kế mạng viễn thông: Ứng dụng trực tiếp quy trình tính toán định cỡ dung lượng cổng Gateway, băng thông truyền dẫn trung kế và phân bổ ma trận lưu lượng Erlang cho các đô thị lớn đang trong quá trình chuyển đổi số hạ tầng mạng.
  • Cán bộ quản lý và hoạch định chiến lược tại các doanh nghiệp viễn thông (VNPT, Viettel, SPT): Sử dụng mô hình phân chia 5 vùng lưu lượng làm cơ sở ra quyết định tái cấu trúc mạng lưới, tối ưu hóa danh mục đầu tư thiết bị và giảm thiểu chi phí vận hành O&M hàng năm.
  • Giảng viên và nhà nghiên cứu chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông: Khai thác nội dung luận văn như một tài liệu tham khảo chuyên sâu về nguyên lý hoạt động của Softswitch, giao thức điều khiển cổng Media Gateway (MGCP/MEGACO), mạng lõi IP/MPLS và kiến trúc hội tụ mạng băng rộng.
  • Học viên cao học và sinh viên đại học ngành Mạng máy tính và Viễn thông: Tiếp cận phương pháp luận nghiên cứu giải quyết một bài toán công nghệ thực tế cấp quốc gia, nắm bắt kinh nghiệm xử lý vấn đề tương thích giữa hệ thống chuyển mạch kênh truyền thống và mạng gói thế hệ mới.

Câu hỏi thường gặp

Nút mạng NGN Hà Nội giữ vai trò kỹ thuật gì trong mạng viễn thông tổng thể của VNPT? Nút NGN Hà Nội đóng vai trò là trung tâm chuyển mạch lõi và điều khiển của Vùng lưu lượng 2, chịu trách nhiệm xử lý hơn 30% lưu lượng thoại và số liệu của toàn bộ khu vực miền Bắc. Nút mạng này kết nối trực tiếp với 4 vùng lưu lượng còn lại qua mạng vòng cáp quang Ring tốc độ 20 Gbps, bảo đảm luồng thông tin thông suốt và dự phòng tự động khi xảy ra sự cố.

Tại sao mô hình tổ chức mạng theo 5 vùng lưu lượng lại vượt trội hơn cách quản lý theo 61 tỉnh thành? Mô hình theo 61 đơn vị hành chính tạo ra cấu trúc mạng manh mún, khiến cuộc gọi phải chuyển tiếp qua tối đa 8 tổng đài và 7 chặng truyền dẫn. Việc quy hoạch lại thành 5 vùng lưu lượng lớn giúp tận dụng tối đa dung lượng các bộ chuyển mạch lõi ATM/IP, giảm 50% số cấp chuyển mạch trung gian, từ đó giảm đáng kể cước phí và nâng cao chất lượng dịch vụ.

Phương pháp định cỡ nút mạng NGN trong luận văn được tiến hành dựa trên cơ sở khoa học nào? Tác giả áp dụng công thức giải tích Erlang B kết hợp với phương pháp dự báo nhu cầu thuê bao thoại và dịch vụ băng rộng đến năm 2010. Dữ liệu giờ bận thu thập từ các tổng đài Host thực tế tại Hà Nội được đưa vào thuật toán nhằm tính toán chính xác số lượng luồng E1 cần thiết cho cổng Trunk Gateway và thông lượng định tuyến gói tin của lõi IP.

Hệ thống NGN giải quyết bài toán tương thích với các tổng đài điện thoại PSTN truyền thống như thế nào? Mạng NGN tích hợp các thiết bị chuyển đổi chuyên dụng gồm Media Gateway (MGW) để biến đổi luồng thoại TDM thành các gói tin IP/ATM và Signalling Gateway (SGW) để chuyển đổi báo hiệu số 7 (SS7) sang SIGTRAN. Giải pháp này cho phép thuê bao điện thoại cố định cũ liên lạc thông suốt với thuê bao đa dịch vụ mới mà không cần thay đổi thiết bị đầu cuối.

Những dòng sản phẩm chuyển mạch nào được đề xuất lựa chọn để lắp đặt tại nút NGN Hà Nội? Luận văn đề xuất trang bị các dòng thiết bị chuyển mạch lõi ATM/IP và máy chủ điều khiển Softswitch từ các nhà cung cấp uy tín hàng đầu như họ sản phẩm SURPASS của Siemens và 5020 MGC của Alcatel. Các dòng thiết bị này có khả năng xử lý thông lượng hàng chục Gbps, đạt độ sẵn sàng chuẩn 99,999% và cho phép mở rộng dung lượng linh hoạt theo từng giai đoạn.

Kết luận

  • Hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết và các chuẩn khuyến nghị quốc tế của ITU-T về kiến trúc phân lớp chức năng của mạng thế hệ sau NGN.
  • Chứng minh tính cấp thiết của việc chuyển đổi mô hình tổ chức mạng từ 61 đơn vị hành chính sang 5 vùng lưu lượng kinh tế nhằm tối ưu hóa tài nguyên viễn thông.
  • Xây dựng thành công mô hình kiến trúc kỹ thuật chi tiết cho nút mạng NGN Hà Nội dựa trên sự kết hợp giữa lõi chuyển mạch gói ATM/IP và tầng điều khiển Softswitch độc lập.
  • Đưa ra phương pháp luận và kết quả định cỡ dung lượng chính xác cho hệ thống cổng Gateway và trung kế truyền dẫn phục vụ mục tiêu phát triển đến năm 2010.
  • Đề xuất lộ trình công nghệ khả thi giúp nhà mạng VNPT tiết kiệm chi phí đầu tư ban đầu mà vẫn bảo đảm tính tương thích 100% với hạ tầng mạng PSTN sẵn có.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là đã cung cấp một bản thiết kế mạng NGN hoàn chỉnh, có cơ sở toán học vững chắc và tính ứng dụng thực tế cao cho thủ đô Hà Nội. Trong các giai đoạn tiếp theo từ năm 2008 đến năm 2010, việc nghiên cứu mở rộng sang cấu trúc phân hệ đa phương tiện IP (IMS) và tăng cường cơ chế bảo mật trên nền mạng IP sẽ là hướng đi tất yếu. Bạn đọc và các kỹ sư quan tâm có thể khai thác toàn bộ nội dung luận văn để phục vụ cho công tác nghiên cứu chuyên sâu cũng như áp dụng vào các dự án quy hoạch hạ tầng viễn thông hiện đại.