Tổng quan nghiên cứu

Thị trường viễn thông toàn cầu chứng kiến sự phân tách rõ rệt giữa mạng cố định và mạng di động, khiến các nhà cung cấp dịch vụ phải duy trì đồng thời hai cơ sở hạ tầng song song, làm chi phí vận hành (OPEX) tăng cao và chi phí đầu tư (CAPEX) chiếm tới 40% tổng doanh thu. Trước áp lực suy giảm doanh thu trung bình trên mỗi thuê bao (ARPU) từ dịch vụ thoại truyền thống và sự cạnh tranh khốc liệt từ các nhà cung cấp dịch vụ nội dung qua mạng (OTT), xu thế hội tụ cố định và di động (Fixed Mobile Convergence - FMC) trên nền tảng mạng thế hệ sau (NGN) trở thành yêu cầu sống còn. Đề tài tập trung giải quyết bài toán tối ưu hóa hạ tầng mạng viễn thông rời rạc bằng cách nghiên cứu các kiến trúc hội tụ tiên tiến, từ đó xây dựng lộ trình chuyển đổi khả thi cho các tập đoàn viễn thông lớn.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là phân tích bản chất công nghệ NGN, đánh giá tiêu chuẩn hóa mạng lõi đa phương tiện IP (IMS) theo chuẩn quốc tế, và đề xuất mô hình cấu hình mạng hội tụ tối ưu cho Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam (VNPT). Phạm vi nghiên cứu bao quát mạng lưới viễn thông quốc gia trên 63 tỉnh thành trong giai đoạn chuyển đổi từ công nghệ chuyển mạch kênh TDM sang mạng chuyển mạch gói IP/MPLS. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện ở việc kiến tạo khung giải pháp giúp nhà mạng giảm thiểu từ 25% đến 35% chi phí quản lý vận hành, nâng cao chất lượng dịch vụ đạt chuẩn độ tin cậy 99,999%, đồng thời cho phép triển khai nhanh chóng các gói dịch vụ tích hợp đa phương tiện (Triple-Play, Quadruple-Play) đến khách hàng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết mạng viễn thông thế hệ sau NGN theo định nghĩa của Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU-T) và Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI TISPAN). Mô hình NGN chia mạng viễn thông thành 4 lớp chức năng độc lập: lớp truy nhập (Access), lớp truyền tải (Transport/Core), lớp điều khiển (Control) và lớp ứng dụng/dịch vụ (Application). Sự phân tách rõ ràng giữa lớp truyền tải và lớp dịch vụ là điểm cốt lõi loại bỏ rào cản phụ thuộc phần cứng của mạng truyền thống.

Bên cạnh đó, nghiên cứu tích hợp khung kiến trúc phân hệ mạng lõi đa phương tiện IP (IMS Core) do tổ chức 3GPP và 3GPP2 chuẩn hóa, sử dụng giao thức khởi tạo phiên SIP (Session Initiation Protocol) theo chuẩn RFC 3261 làm ngôn ngữ báo hiệu xuyên suốt. Khung lý thuyết còn vận dụng mô hình động lực 4C gồm Chi phí (Cost), Vùng phủ sóng (Coverage), Dung lượng (Capacity) và Tiện nghi (Convenience) để luận giải tính tất yếu của FMC. Các khái niệm trung tâm bao gồm: Chuyển mạch mềm (Softswitch), Bộ điều khiển cổng phương tiện (MGC/Call Agent), Cổng phương tiện (Media Gateway - MGW với mật độ 120 cổng DS0), Cổng báo hiệu (Signalling Gateway - SGW sử dụng giao thức SIGTRAN), và không gian địa chỉ IPv6 128-bit nhằm thay thế triệt để giới hạn 32-bit của IPv4.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu kỹ thuật từ các bộ tiêu chuẩn quốc tế của ITU-T, 3GPP (Release 5 đến Release 7), ETSI TISPAN, cùng số liệu đo kiểm hiện trạng mạng thực tế và tài liệu kỹ thuật từ các hãng cung cấp thiết bị hàng đầu như Alcatel-Lucent, Siemens, Huawei và Ericsson. Cỡ mẫu nghiên cứu bao trùm toàn bộ hệ thống tổng đài cố định PSTN, hạ tầng truyền dẫn quang SDH/DWDM, hệ thống mạng gói MAN-E và hai mạng thông tin di động GSM/GPRS của VNPT trên toàn lãnh thổ Việt Nam.

Phương pháp chọn mẫu toàn diện được áp dụng để đánh giá chính xác từng nút mạng lõi, trung kế và các giao diện kết nối thực tế. Tác giả sử dụng phương pháp phân tích chức năng kết hợp phân tích so sánh đối chiếu kiến trúc kỹ thuật giữa các mô hình IMS của 3GPP, 3GPP2 và TISPAN. Lý do lựa chọn phương pháp này xuất phát từ tính tương thích phức tạp của mạng viễn thông hiện hữu; việc ánh xạ từng phần tử mạng NGN sang cấu trúc hội tụ giúp xác định chính xác các điểm nghẽn kỹ thuật và tối ưu hóa việc tái sử dụng thiết bị TDM cũ. Timeline nghiên cứu được thực hiện xuyên suốt quá trình hiện đại hóa mạng lưới, tổng hợp dữ liệu vận hành từ các năm trước đó và mô hình hóa kịch bản phát triển cho giai đoạn 5 đến 10 năm tiếp theo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu khẳng định cấu trúc phân lớp chức năng của NGN cho phép tách rời logic dịch vụ khỏi hạ tầng truyền tải gói IP/MPLS, giúp rút ngắn chu kỳ phát triển và thương mại hóa dịch vụ mới từ 12 tháng xuống còn dưới 3 tháng, đồng thời tiết kiệm 30% chi phí đầu tư thiết bị chuyển mạch mới.

Thứ hai, việc so sánh chuẩn hóa giữa 3GPP, 3GPP2 và ETSI TISPAN chứng minh rằng kiến trúc IMS Core là điểm hội tụ kỹ thuật duy nhất có khả năng đồng nhất hóa việc quản lý thuê bao cố định xDSL/FTTH và thuê bao di động GSM/UMTS thông qua máy chủ thuê bao HSS (Home Subscriber Server).

Thứ ba, phân tích thực nghiệm trên mạng VNPT cho thấy việc sử dụng thiết bị Softswitch kết hợp Media Gateway cho phép tận dụng lại hơn 80% vốn đầu tư của hệ thống tổng đài TDM hiện có, đảm bảo kết nối thông suốt với mạng báo hiệu số 7 (SS7) qua giao thức SIGTRAN mà không gây gián đoạn liên lạc cho hàng triệu thuê bao.

Thứ tư, mô hình hóa lưu lượng theo tiêu chí 4C cho thấy giải pháp hội tụ giúp giảm tải từ 40% đến 50% lưu lượng dữ liệu đỉnh trên mạng vô tuyến di động bằng cách chuyển hướng sang các điểm truy nhập băng rộng cố định (WLAN, Femtocell, xDSL), cải thiện chất lượng phục vụ QoS và giải quyết triệt để bài toán phủ sóng vô tuyến trong các tòa nhà cao tầng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự vượt trội của mô hình hội tụ là việc chuẩn hóa giao thức SIP ở lớp điều khiển phiên và việc triển khai các giao diện lập trình ứng dụng mở (Open API như Parlay/OSA). Cơ chế này loại bỏ hoàn toàn các rào cản độc quyền của các nhà sản xuất phần cứng tổng đài truyền thống, tạo điều kiện cho các nhà phát triển thứ ba tham gia cung cấp dịch vụ giá trị gia tăng.

Khi so sánh với các nghiên cứu triển khai mạng thế hệ mới tại Châu Âu và Bắc Mỹ, kết quả nghiên cứu hoàn toàn tương đồng về xu hướng giảm 20% đến 30% chi phí duy trì hoạt động OPEX nhờ quản lý tập trung một hạ tầng mạng lõi IP duy nhất. Dữ liệu chuyển đổi mạng có thể được minh họa trực quan qua sơ đồ phân lớp kiến trúc gồm 4 tầng chức năng và bảng phân tích ma trận chuyển đổi các nút mạng từ TDM sang Softswitch/IMS. Về mặt ý nghĩa khoa học và thực tiễn, nghiên cứu cung cấp cơ sở kỹ thuật vững chắc giúp các nhà khai thác tại Việt Nam tránh được rủi ro đầu tư dàn trải, định hình rõ kịch bản nâng cấp mạng cố định và mạng di động theo từng pha chuyển mạch gói đồng bộ.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, hiện đại hóa hạ tầng mạng lõi truyền tải bằng cách triển khai rộng khắp công nghệ IP/MPLS kết hợp truyền dẫn quang ghép kênh bước sóng mật độ cao DWDM với dung lượng từ 40 Gbps đến hàng Terabit/s, hoàn thành trong giai đoạn 2008-2010 nhằm giảm 25% độ trễ truyền gói và đáp ứng đầy đủ yêu cầu chất lượng dịch vụ QoS cho các ứng dụng thời gian thực.

Thứ hai, tích hợp phân hệ điều khiển IMS Core tập trung tại các trung tâm vùng lưu lượng lớn, bổ sung các khối chức năng điều khiển phiên CSCF (gồm P-CSCF, I-CSCF, S-CSCF) và cơ sở dữ liệu thuê bao HSS trong lộ trình từ 2 đến 3 năm, hướng tới mục tiêu tăng trưởng chỉ số ARPU từ 15% đến 20% thông qua các gói cước tích hợp đa dịch vụ.

Thứ ba, chuẩn hóa giao diện lập trình mở Open API và môi trường dịch vụ trên các máy chủ ứng dụng (Application Server) trong vòng 18 tháng, tạo điều kiện kết nối linh hoạt với các đối tác cung cấp nội dung số độc lập, giúp cắt giảm 50% thời gian đưa ứng dụng mới ra thị trường viễn thông.

Thứ tư, tái cấu trúc hệ thống hỗ trợ vận hành và kinh doanh (OSS/BSS), tích hợp hệ thống quản lý dữ liệu thuê bao chung GUP và hệ thống tính cước hợp nhất CDR theo thời gian thực trong 24 tháng, nhằm hạ tỷ lệ thuê bao rời mạng xuống dưới 2% mỗi năm và tiết kiệm 35% chi phí nhân sự quản trị hệ thống.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư thiết kế và quy hoạch mạng viễn thông: Luận văn cung cấp tài liệu chi tiết về thông số kỹ thuật của Media Gateway, Softswitch và các giao thức định tuyến báo hiệu SIP, H.248, SIGTRAN, giúp áp dụng trực tiếp vào việc cấu hình và mở rộng dung lượng mạng lõi NGN/IMS.

Nhóm cán bộ quản lý chiến lược tại các doanh nghiệp viễn thông (VNPT, Viettel, MobiFone): Tài liệu là căn cứ thực tiễn để xây dựng kịch bản đầu tư phân kỳ, cân đối giữa CAPEX và OPEX, định hình lộ trình phát triển dịch vụ tích hợp Quadruple-Play cạnh tranh hiệu quả trên thị trường.

Nhóm giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên ngành Điện tử - Viễn thông: Luận văn đóng vai trò như một giáo trình chuyên khảo toàn diện, hệ thống hóa kiến thức từ lý thuyết mạng NGN của ITU-T đến các tiêu chuẩn kỹ thuật phức tạp của 3GPP và ETSI TISPAN.

Nhóm chuyên gia phát triển phần mềm và dịch vụ giá trị gia tăng (VAS): Cung cấp hiểu biết sâu sắc về kiến trúc máy chủ ứng dụng AS, các chuẩn giao tiếp mở API/Parlay, hỗ trợ phát triển các giải pháp thoại IP, truyền hình IPTV và hội nghị truyền hình tương thích trên đa nền tảng mạng.

Câu hỏi thường gặp

Hội tụ cố định và di động FMC mang lại lợi ích kinh tế cốt lõi nào cho nhà mạng viễn thông? FMC giúp nhà mạng giảm từ 25% đến 35% chi phí vận hành OPEX và tiết kiệm đáng kể chi phí đầu tư CAPEX thông qua việc dùng chung một hạ tầng mạng lõi IP/MPLS duy nhất cho cả thuê bao cố định và di động. Điều này giúp tối ưu hóa băng thông truyền dẫn, loại bỏ các tổng đài riêng biệt và tăng doanh thu ARPU nhờ cung cấp các gói dịch vụ đa phương tiện tích hợp.

Tại sao phân hệ mạng lõi IMS lại là giải pháp then chốt để thực hiện hội tụ mạng? IMS chuẩn hóa việc điều khiển phiên trên nền giao thức SIP độc lập với phương thức truy nhập vật lý. Với sự hiện diện của các thực thể CSCF và cơ sở dữ liệu thuê bao tập trung HSS, IMS cho phép xác thực, kiểm soát chính sách QoS và quản lý phiên dịch vụ đồng nhất cho người dùng dù họ kết nối qua mạng di động vô tuyến GSM/3G hay mạng cố định băng rộng xDSL/FTTH.

Quá trình chuyển đổi từ mạng TDM sang NGN gặp phải những thách thức kỹ thuật lớn nhất nào? Thách thức lớn nhất là đảm bảo tính tương thích và liên lạc thông suốt giữa mạng chuyển mạch kênh truyền thống và mạng chuyển mạch gói mới. Nhà mạng phải triển khai các cổng chuyển tiếp Media Gateway và Signalling Gateway xử lý chính xác các giao thức chuyển tiếp như H.248, BICC, SIGTRAN, đồng thời phải duy trì chất lượng thoại với độ trễ thấp và triệt tiêu tiếng vọng âm thanh hiệu quả.

Mô hình 4C giải thích tính tất yếu của mạng hội tụ đối với người dùng cuối như thế nào? Mô hình 4C giải thích rằng người dùng được giảm chi phí cước dịch vụ (Cost), mở rộng vùng phủ sóng liên tục trong nhà nhờ Wi-Fi/Femtocell (Coverage), tận dụng dung lượng băng thông lớn của mạng cố định cho video (Capacity) và hưởng sự tiện nghi tối đa khi sử dụng duy nhất một thiết bị, một hợp đồng và nhận một hóa đơn thanh toán duy nhất hàng tháng (Convenience).

Lộ trình chuyển đổi mạng viễn thông sang FMC của VNPT gồm những bước cơ bản nào? Lộ trình gồm 4 bước: bước đầu tiên là nâng cấp mạng truyền dẫn quang DWDM và triển khai Softswitch điều khiển trung kế; bước thứ hai là chuyển đổi toàn bộ mạng lõi sang công nghệ gói IP/MPLS; bước thứ ba là tích hợp các phân hệ điều khiển phiên IMS Core; và bước cuối cùng là thống nhất toàn diện lớp ứng dụng và hệ thống thanh toán cước BSS/OSS trên toàn quốc.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý luận về mạng thế hệ sau NGN và chứng minh tính tất yếu của xu thế hội tụ cố định và di động FMC dựa trên các chuẩn quốc tế ITU-T, 3GPP và ETSI TISPAN.
  • Luận văn phân tích sâu sắc kiến trúc IMS Core và vai trò trung tâm của giao thức SIP trong việc tách biệt lớp điều khiển phiên khỏi lớp truyền tải, mở ra khả năng kiến tạo dịch vụ băng rộng không giới hạn.
  • Đánh giá chính xác hiện trạng mạng lưới của VNPT, chỉ ra các nút thắt kỹ thuật và xây dựng thành công 4 kịch bản chuyển đổi chi tiết từ mạng chuyển mạch kênh TDM sang hạ tầng IP/MPLS đồng nhất.
  • Đóng góp giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao, giúp tối ưu hóa hơn 80% vốn đầu tư hạ tầng cũ, giảm thiểu 30% chi phí vận hành và nâng cao chất lượng mạng lưới đạt chuẩn sẵn sàng cao.
  • Về lộ trình tiếp theo, các đơn vị viễn thông cần hoàn thiện mạng lõi IP/MPLS giai đoạn 2008-2010 và triển khai thử nghiệm diện rộng phân hệ IMS Core trong giai đoạn 2011-2015, tiến tới mục tiêu 100% IP hóa toàn bộ dịch vụ viễn thông quốc gia. Hãy liên hệ ngay với các chuyên gia kỹ thuật viễn thông để nhận tài liệu phân tích chuyên sâu và tư vấn lộ trình chuyển đổi hạ tầng mạng thế hệ mới tối ưu nhất.