Tổng quan nghiên cứu

Sự bùng nổ của công nghệ viễn thông toàn cầu đã tạo ra bước chuyển dịch căn bản từ dịch vụ thoại truyền thống sang truyền thông đa phương tiện và truyền số liệu tốc độ cao. Theo các báo cáo chuyên ngành viễn thông, lưu lượng truyền tải dữ liệu gói trên nền giao thức Internet được dự báo sẽ tăng trưởng vượt bậc và chiếm trên 50% tổng lưu lượng toàn mạng di động. Trong bối cảnh hạ tầng mạng thế hệ thứ hai tại Việt Nam chủ yếu vận hành dựa trên công nghệ chuyển mạch kênh băng hẹp, việc đáp ứng các dịch vụ băng rộng với tốc độ từ 64 kbps đến 2 Mbps đặt ra thách thức lớn về kiến trúc mạng và hiệu quả đầu tư.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của luận văn là phân tích sự phát triển của mạng thông tin di động qua các thế hệ, từ 2G, 2.5G, 3G cho đến định hướng 4G và mạng thế hệ sau, nhằm giải quyết bài toán nghẽn cổ chai trong truyền tải dữ liệu gói. Mục tiêu cụ thể của đề tài là khảo sát sâu các tiêu chuẩn công nghệ vô tuyến tiên tiến của tổ chức 3GPP và 3GPP2, đánh giá quá trình chuyển đổi mạng truy nhập vô tuyến mặt đất sang cấu trúc toàn bộ trên nền giao thức Internet, đồng thời đề xuất lộ trình công nghệ khả thi cho thị trường viễn thông Việt Nam.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào không gian mạng viễn thông Việt Nam với các nhà khai thác chủ lực gồm VinaPhone, MobiFone và Viettel trong mốc thời gian từ năm 2000 đến năm 2006, có định hướng tầm nhìn đến năm 2010. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện ở việc cung cấp luận cứ kỹ thuật vững chắc giúp các doanh nghiệp tối ưu hóa chi phí đầu tư hạ tầng mạng lõi, nâng cao hiệu suất sử dụng tài nguyên phổ tần vô tuyến thêm khoảng 25% đến 30%, đồng thời rút ngắn thời gian triển khai các dịch vụ giá trị gia tăng mới trên nền tảng mạng hội tụ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn xây dựng trên nền tảng khung lý thuyết mạng thế hệ sau theo các khuyến nghị tiêu chuẩn của Liên minh Viễn thông Quốc tế ITU-T Y.100, Y.120 và Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu ETSI. Mô hình kiến trúc mạng thế hệ sau được phân tách thành 4 lớp chức năng độc lập: lớp truy nhập, lớp chuyển tải, lớp điều khiển và lớp ứng dụng dịch vụ. Cấu trúc này cho phép phân tách hoàn toàn giữa phần điều khiển cuộc gọi và phần truyền tải lưu lượng truyền thông thực tế.

Bên cạnh đó, đề tài vận dụng mô hình tiến hóa mạng di động tế bào của tổ chức 3GPP (từ Release 99 trên nền tảng truyền tải không đồng bộ ATM, Release 4 phân tách máy chủ chuyển mạch và cổng phương tiện, đến Release 5 thuần giao thức Internet với hệ thống con đa phương tiện IP) kết hợp với tiêu chuẩn 3GPP2 (cdma2000 1x, 1xEV-DO băng thông 1,25 MHz cho tốc độ tải xuống 2,4 Mbps và 1xEV-DV tốc độ 3 Mbps). Các khái niệm cốt lõi được phân tích bao gồm: phiên giao thức dữ liệu gói PDP, mạng truy nhập vô tuyến UTRAN, giao thức xuyên hầm GPRS, chất lượng dịch vụ QoS đa cấp độ và công nghệ mạng tùy biến Ad-hoc không dây.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa thu thập dữ liệu thứ cấp từ hệ thống tài liệu chuẩn hóa quốc tế của ITU, 3GPP, 3GPP2, ETSI với dữ liệu đo kiểm kỹ thuật thực tế từ các dự án thử nghiệm mạng thông tin di động tại Việt Nam.

Về cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu, nghiên cứu áp dụng phương pháp chọn mẫu chuyên gia có chủ đích, khảo sát toàn diện dữ liệu cấu hình mạng lưới của 3 nhà khai thác viễn thông lớn nhất Việt Nam gồm VinaPhone, MobiFone và Viettel, chiếm hơn 90% thị phần di động nội địa tại thời điểm nghiên cứu. Đồng thời, đề tài phân tích đối sánh 5 mô hình triển khai mạng 3G tiêu biểu từ các quốc gia đi đầu như Nhật Bản với mạng NTT DoCoMo và Hàn Quốc với mạng SK Telecom.

Phương pháp phân tích chủ đạo là mô hình hóa luồng dữ liệu, phân tích định lượng hiệu năng giao thức ngăn xếp và so sánh kỹ thuật kinh tế. Lý do lựa chọn phương pháp này là nhằm đánh giá chính xác khả năng tương thích ngược của các trạm thu phát gốc GSM 900/1800 MHz hiện hữu khi nâng cấp lên hệ thống 2.5G GPRS và tiến thẳng lên WCDMA 3G, giúp các nhà mạng tránh lãng phí vốn đầu tư và hạn chế rủi ro gián đoạn dịch vụ. Timeline nghiên cứu được thực hiện xuyên suốt trong giai đoạn từ năm 2004 đến cuối năm 2006.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, việc triển khai công nghệ GPRS và EDGE trên nền tảng GSM 2G là bước quá độ kinh tế nhất, cho phép nâng tốc độ dữ liệu từ 9,6 kbps lên mức lý thuyết 171 kbps với GPRS và 384 kbps với EDGE. Việc ứng dụng kỹ thuật ghép kênh thống kê ở chế độ gói đầu cuối - đầu cuối giúp tăng hiệu suất sử dụng tài nguyên vô tuyến lên hơn 40% so với phương thức chuyển mạch kênh truyền thống, đặc biệt phù hợp với các loại hình dịch vụ lưu lượng bùng phát như duyệt web và truyền tệp.

Thứ hai, quá trình tiến hóa từ mạng UTRAN Release 99 sang cấu trúc All-IP trong Release 4 và Release 5 mang lại sự tối ưu vượt bậc về chi phí vận hành mạng lõi, giúp giảm khoảng 20% đến 25% chi phí truyền dẫn đường trục. Việc tách biệt tổng đài MSC thành MSC Server phụ trách báo hiệu cuộc gọi và Media Gateway phụ trách truyền tải luồng thông tin người dùng cho phép nhà khai thác mở rộng dung lượng mạng lưới linh hoạt theo tỷ lệ nhiều - nhiều mà không làm tăng độ phức tạp của hạ tầng.

Thứ ba, phân tích so sánh giữa hai nhánh công nghệ 3G chủ chốt khẳng định: dù cdma2000 1xEV-DO đạt tốc độ đường xuống 2,4 Mbps trên kênh tần số 1,25 MHz sớm hơn về mặt thương mại, tiêu chuẩn WCDMA lại chiếm ưu thế tuyệt đối về khả năng chuyển vùng quốc tế và sự tương thích hoàn hảo với mạng 2G GSM đang chiếm trên 75% thị phần thiết bị di động tại Việt Nam.

Thứ tư, an toàn bảo mật trong mạng di động IP thế hệ mới đòi hỏi sự kết hợp đồng bộ giữa cơ chế nhận thực thuê bao nâng cao AKA của UMTS, giao thức bảo mật IPsec và thuật toán mật mã phân tán. Giải pháp bảo mật lớp liên kết và lớp mạng giúp kiểm soát độ trễ xác thực dưới mức 50 ms, đảm bảo an toàn tuyệt đối trước các nguy cơ giả mạo địa chỉ IP và tấn công từ chối dịch vụ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự tất yếu của lộ trình tiến lên cấu trúc All-IP là do sự thay đổi căn bản trong hành vi người dùng, khi nhu cầu dịch vụ phi thoại tăng gấp nhiều lần lưu lượng thoại. Các hệ thống chuyển mạch kênh cũ bộc lộ rõ sự lãng phí tài nguyên khi người dùng duy trì kết nối Internet liên tục nhưng chỉ truyền dữ liệu ngắt quãng.

Dữ liệu so sánh thông lượng và dung lượng mạng có thể được trực quan hóa thông qua biểu đồ cột thể hiện tốc độ truyền dữ liệu đỉnh giữa các thế hệ công nghệ: GSM (9,6 kbps), GPRS (171 kbps), EDGE (384 kbps), cdma2000 1xEV-DO (2,4 Mbps) và WCDMA (2 Mbps). Đồng thời, một bảng ma trận kỹ thuật so sánh giữa các bản phát hành 3GPP cho thấy rõ sự dịch chuyển hạ tầng mạng truyền tải từ ATM thuần túy ở Release 99 sang giao thức IP/MPLS ở Release 5, giúp giảm đáng kể chi phí thiết bị giao diện quang và bộ ghép kênh.

So sánh với các nghiên cứu viễn thông quốc tế tại Châu Âu và Bắc Mỹ, kết quả nghiên cứu hoàn toàn tương đồng về tính khả thi của lộ trình nâng cấp mạng từng bước. Tuy nhiên, điểm đặc thù tại Việt Nam là khả năng chi trả của người dùng chưa cao, do đó các nhà mạng cần kéo dài vòng đời khai thác của hạ tầng 2.5G GPRS trước khi cấp phép băng tần 3G chính thức.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp chiến lược dành cho các cơ quan quản lý và doanh nghiệp khai thác viễn thông:

Thứ nhất, nâng cấp đồng bộ mạng truy nhập vô tuyến hiện hữu lên chuẩn 2.5G GPRS và EDGE. Các nhà mạng VinaPhone, MobiFone và Viettel cần bổ sung khối điều khiển gói PCU tại các trạm BSC và tích hợp phần mềm xử lý gói dữ liệu tại các trạm BTS, mục tiêu đạt độ phủ sóng dữ liệu gói 100% tại các đô thị lớn trong vòng 12 đến 18 tháng, duy trì tốc độ truy cập thực tế ổn định trên 100 kbps cho thuê bao di động.

Thứ tư, tái cấu trúc mạng lõi theo định hướng All-IP dựa trên tiêu chuẩn 3GPP Release 4 và Release 5. Doanh nghiệp cần phân tách chức năng báo hiệu và truyền tải dữ liệu, đầu tư hệ thống định tuyến gói SGSN và GGSN dung lượng cao trên nền đường trục quang DWDM/MPLS trong khung thời gian 24 tháng, nhằm hạ giá thành dịch vụ truyền dữ liệu xuống ít nhất 20%.

Thứ ba, quy hoạch và phân bổ dải tần số vô tuyến hợp lý cho thông tin di động thế hệ mới. Cơ quan quản lý nhà nước cần sớm công bố quy hoạch băng tần 2 GHz (dải tần 1920–1980 MHz kết hợp 2110–2170 MHz) dành riêng cho mạng 3G WCDMA, đồng thời chuẩn bị quỹ phổ tần cho các công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng BWA và 4G trong giai đoạn sau năm 2008.

Thứ tư, xây dựng nền tảng cung cấp dịch vụ mở và hoàn thiện cơ chế an toàn thông tin. Doanh nghiệp cần triển khai môi trường thực thi ứng dụng di động mở như BREW hoặc J2ME, kết hợp cổng bảo mật IPsec và hệ thống tường lửa chuyên dụng tại giao diện kết nối Internet, đảm bảo tỷ lệ an toàn phiên truyền tải dữ liệu đạt trên 99,9%.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn chuyên sâu cho 4 nhóm đối tượng chính trong ngành viễn thông:

Kỹ sư quy hoạch và thiết kế mạng viễn thông: Nắm vững cấu trúc chi tiết của các giao thức GPRS, UTRAN và mạng lõi All-IP, từ đó vận dụng trực tiếp vào công tác lập dự án đầu tư, cấu hình thiết bị trạm gốc và tối ưu hóa vùng phủ sóng cho các mạng di động 2.5G và 3G.

Nhà quản lý và hoạch định chính sách viễn thông: Tiếp cận hệ thống luận cứ khoa học về xu hướng hội tụ công nghệ toàn cầu, hỗ trợ công tác xây dựng khung pháp lý cấp phép mạng 3G/4G, quy hoạch phổ tần số quốc gia và ban hành tiêu chuẩn chất lượng dịch vụ di động.

Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông: Sử dụng tài liệu như một giáo trình chuyên khảo hoàn chỉnh về lý thuyết mạng thế hệ sau NGN, ngăn xếp giao thức mạng gói vô tuyến và các thuật toán an toàn bảo mật thông tin di động.

Doanh nghiệp phát triển nội dung số và dịch vụ giá trị gia tăng: Hiểu rõ cơ chế truyền tải gói dữ liệu và nền tảng giao diện mở để thiết kế các ứng dụng đa phương tiện, dịch vụ định vị GPS, trò chơi trực tuyến và giải pháp thanh toán điện tử tương thích tối đa với mạng di động tốc độ cao.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao công nghệ 2.5G GPRS lại là bước đệm bắt buộc trước khi tiến lên 3G WCDMA? GPRS bổ sung năng lực truyền mạch gói vào mạng GSM 2G sẵn có thông qua các nút mạng SGSN và GGSN, giúp nhà mạng cung cấp dịch vụ Internet tốc độ 171 kbps với chi phí thấp mà không cần xây dựng mới toàn bộ hạ tầng vô tuyến.

Kiến trúc 3GPP Release 4 có điểm gì vượt trội so với Release 99? Release 4 xóa bỏ kiến trúc nguyên khối bằng cách phân tách tổng đài MSC thành MSC Server phụ trách điều khiển báo hiệu và Media Gateway đảm nhận truyền tải dữ liệu, giúp nâng cao độ linh hoạt trong cấp phát tài nguyên và giảm đáng kể chi phí thiết bị.

Tại sao mạng lõi All-IP trong Release 5 lại trở thành xu thế tất yếu của viễn thông? Mô hình All-IP trong Release 5 đồng nhất toàn bộ luồng thoại và dữ liệu trên nền giao thức Internet và máy chủ SIP, cho phép triển khai nhanh chóng các dịch vụ đa phương tiện thời gian thực với chất lượng dịch vụ QoS được cam kết rõ ràng.

Yếu tố nào quyết định sự phù hợp của công nghệ WCDMA tại thị trường Việt Nam so với cdma2000? Công nghệ WCDMA kế thừa trực tiếp hạ tầng mạng GSM đang chiếm trên 75% thị phần nội địa, đồng thời sở hữu khả năng chuyển vùng toàn cầu rộng rãi hơn và nhận được sự hỗ trợ mạnh mẽ từ đa số các nhà sản xuất thiết bị đầu cuối trên thế giới.

Mạng Ad-hoc không dây có vai trò gì trong kiến trúc mạng di động 4G tương lai? Mạng Ad-hoc hoạt động dựa trên các nút di động tự định tuyến không cần trạm gốc cố định, đóng vai trò mở rộng vùng phủ sóng, nâng cao độ bền vững cho mạng tổ ong và duy trì kết nối xuyên suốt với tốc độ truyền tải trên 100 Mbps.

Kết luận

Luận văn đã hoàn thành xuất sắc mục tiêu nghiên cứu với các đóng góp học thuật và thực tiễn nổi bật:

  • Hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về mạng thế hệ sau NGN và kiến trúc phân lớp theo chuẩn quốc tế ITU-T và ETSI.
  • Phân tích sâu sắc quá trình tiêu chuẩn hóa mạng 3G qua các bản phát hành 3GPP Release 99, Release 4 và Release 5 trên nền tảng All-IP.
  • Đánh giá chi tiết mô hình mạng chuyển mạch gói GPRS và các giao thức truyền tải dữ liệu vô tuyến tốc độ cao.
  • Xây dựng ma trận so sánh kỹ thuật kinh tế giữa hai nhánh công nghệ WCDMA và cdma2000 1xEV.
  • Đề xuất lộ trình 4 bước chuyển đổi mạng khả thi, giải quyết triệt để bài toán nâng cấp hạ tầng cho các nhà khai thác viễn thông Việt Nam.

Lộ trình tiếp theo trong giai đoạn 2006–2010 đòi hỏi sự phối hợp chặt chẽ giữa cơ quan quản lý và các doanh nghiệp viễn thông nhằm thử nghiệm mạng 3G WCDMA quy mô lớn, tiến tới làm chủ công nghệ mạng di động băng rộng 4G All-IP trong tương lai. Các nhà quản lý và kỹ sư viễn thông hãy áp dụng ngay các giải pháp kiến trúc trong luận văn để tối ưu hóa mạng lưới và đón đầu kỷ nguyên thông tin đa phương tiện.