Tổng quan nghiên cứu

Sự bùng nổ của mạng Internet cùng các dịch vụ số liệu vào đầu thế kỷ 21 đã tạo ra sự thay đổi căn bản trong cấu trúc lưu lượng viễn thông toàn cầu, khi tốc độ tăng trưởng lưu lượng dữ liệu phi thoại vượt trên 100% mỗi năm. Trong khi đó, mạng điện thoại chuyển mạch kênh truyền thống (PSTN) dựa trên kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) bộc lộ rõ những giới hạn về băng thông hẹp (300 - 3400 Hz) và cấu trúc cồng kềnh. Mạng truy nhập cáp đồng truyền thống vốn chiếm tới 90% hạ tầng mạng nội hạt nhưng hiệu suất khai thác tài nguyên lại rất thấp, gây lãng phí lớn về chi phí vận hành và bảo dưỡng.

Đứng trước thực tế đó, nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán thiết lập phương pháp luận định cỡ, tối ưu hóa và xây dựng cấu trúc mạng truy nhập cho mạng thế hệ sau (NGN - Next Generation Network). Mục tiêu cụ thể của đề tài là xây dựng mô hình phân chia theo lớp chức năng độc lập, từng bước chuyển đổi hạ tầng mạng hiện hữu sang hạ tầng chuyển mạch gói IP/ATM thống nhất.

Phạm vi nghiên cứu được triển khai thực nghiệm trên địa bàn thành phố Việt Trì thuộc tỉnh Phú Thọ, nằm trong quy hoạch Vùng lưu lượng 1 của Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam (VNPT) với tầm nhìn phát triển đến năm 2010. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa chiến lược sâu sắc: giúp giảm số cấp chuyển mạch từ 4 cấp xuống còn 2 cấp, tiết kiệm từ 30% đến 40% chi phí đầu tư mở rộng hạ tầng, đồng thời tạo tiền đề kỹ thuật vững chắc để cung cấp đa dịch vụ băng thông rộng trên một nền tảng mạng duy nhất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên hai hệ thống lý thuyết nền tảng trong kỹ thuật viễn thông hiện đại:

Thứ nhất là mô hình kiến trúc phân lớp chức năng của mạng NGN theo khuyến nghị của Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU-T). Mô hình này chia tách hoàn toàn mạng lưới thành 5 lớp độc lập: Lớp ứng dụng và dịch vụ, Lớp điều khiển, Lớp truyền tải/lõi, Lớp truy nhập và Lớp quản lý (TMN qua giao diện chuẩn Q3). Cấu trúc này khắc phục triệt để nhược điểm của tổng đài TDM truyền thống vốn tích hợp cứng chức năng điều khiển cuộc gọi với hạ tầng truyền tải vật lý.

Thứ hai là lý thuyết truyền dẫn và ghép kênh số liệu băng rộng trên môi trường cáp đồng và cáp quang, trọng tâm là họ công nghệ đường dây thuê bao số (xDSL) và công nghệ vòng thuê bao số thế hệ mới (NG-DLC).

Năm khái niệm cốt lõi được ứng dụng xuyên suốt bao gồm:

  • Thiết bị điều khiển cổng truyền thông (MGC/Softswitch): Đơn vị xử lý báo hiệu và logic cuộc gọi trung tâm.
  • Cổng truyền thông (Media Gateway - MG/TGW): Thiết bị chuyển đổi mẫu thoại TDM sang các gói tin IP sử dụng giao thức truyền thông thời gian thực RTP.
  • Cổng báo hiệu (Signaling Gateway - SG): Cầu nối xử lý bản tin báo hiệu số 7 (SS7) sang giao vận SIGTRAN trên nền IP.
  • Giao diện kết nối nút dịch vụ chuẩn hóa (V5.2 và SNI/UNI): Giao diện mở cho phép tích hợp thiết bị của nhiều nhà sản xuất khác nhau.
  • Phân vùng lưu lượng: Nguyên tắc tổ chức mạng viễn thông quốc gia thành 5 vùng lưu lượng thay vì 64 mạng riêng lẻ theo địa giới hành chính.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu khảo sát thực tế và số liệu thống kê phát triển viễn thông của thành phố Việt Trì giai đoạn 2001 - 2005. Cỡ mẫu nghiên cứu bao trùm 12 phân vùng thuê bao nội thị và ngoại thành, thu thập toàn bộ dữ liệu hoạt động của các trạm Host và tổng đài vệ tinh hiện hữu với quy mô trên 45.000 thuê bao thoại cố định và hơn 15.000 cổng Internet băng rộng dự báo đến năm 2010.

Phương pháp chọn mẫu áp dụng là phương pháp phân tầng theo mật độ dân cư và phân bố địa lý kinh tế. Tác giả lựa chọn phương pháp dự báo chuỗi thời gian kết hợp mô hình ngoại suy tăng trưởng để tính toán nhu cầu dịch vụ thoại, dịch vụ truy nhập ADSL và thông tin di động.

Về phân tích kỹ thuật, phương pháp định cỡ lưu lượng Erlang-B kinh điển được kết hợp với thuật toán tính toán băng thông lưu lượng gói IP. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích này là nhằm tính toán chính xác số lượng luồng trung kế số E1, dung lượng cổng DSLAM và băng thông truyền dẫn quang cần thiết, đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) với xác suất nghẽn mạch giờ bận luôn duy trì dưới mức 0.5% và độ trễ truyền gói tin dưới 150 ms. Toàn bộ tiến trình tính toán và mô phỏng được thực hiện cho giai đoạn chuyển tiếp 2006 - 2010.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình tính toán và thiết kế cấu hình mạng truy nhập NGN cho vùng lưu lượng thành phố Việt Trì đã mang lại 4 phát hiện kỹ thuật quan trọng:

Thứ nhất, việc tái cấu trúc mạng theo mô hình phân vùng lưu lượng giúp rút gọn cấu trúc chuyển mạch từ 4 cấp (quốc tế, đường dài, nội tỉnh, nội hạt) xuống còn 2 cấp (đường trục quốc gia tốc độ tối thiểu 2.5 Gbps trên chuẩn STM-16 và cấp vùng tốc độ 155 Mbps trên chuẩn STM-1). Mô hình này loại bỏ sự cồng kềnh của các tổng đài trung gian, giảm 35% chi phí đầu tư thiết bị chuyển mạch tại các nút mạng tỉnh lẻ.

Thứ hai, nghiên cứu chứng minh khả năng tái sử dụng tới 85% hạ tầng mạng cáp đồng nội hạt sẵn có thông qua việc triển khai các khối truy nhập IP-DSLAM và bộ tập trung DLC thế hệ 3 (NG-DLC) đặt tại các trạm vệ tinh đầu xa. Việc đẩy thiết bị quang đến gần người sử dụng giúp rút ngắn cự ly mạch vòng cáp đồng xuống dưới 1.5 km, cho phép cung cấp tốc độ tải xuống từ 1.5 đến 8 Mbps với ADSL và khả năng nâng cấp lên 26 - 52 Mbps với VDSL.

Thứ ba, kết quả tính toán định cỡ cho thấy mạng truy nhập Việt Trì đến năm 2010 cần trang bị 1 chuyển mạch biên đa dịch vụ (Multiservice Switch) kết nối tới 8 nút truy nhập vệ tinh (RSU/DSLAM), giải quyết trọn vẹn lưu lượng thoại giờ bận đạt 1.850 Erlang và lưu lượng băng rộng đạt trên 622 Mbps (tương đương luồng STM-4).

Thứ tư, hiệu suất sử dụng dung lượng truyền dẫn của mạng chuyển mạch gói NGN cao hơn 250% so với mạng TDM truyền thống nhờ cơ chế ghép kênh thống kê linh hoạt, không bị lãng phí kênh truyền trong các khoảng lặng của cuộc gọi thoại.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến hiệu quả vượt trội của cấu trúc đề xuất là sự tách rời giữa phần mềm điều khiển cuộc gọi (Softswitch) và phần cứng chuyển mạch truyền tải. Các nhà khai thác không còn bị ràng buộc bởi các giải pháp độc quyền của một nhà sản xuất thiết bị viễn thông đơn lẻ.

Khi so sánh với các mô hình chuyển đổi mạng tại một số quốc gia phát triển, giải pháp quá độ được luận văn đề xuất hoàn toàn tương thích với điều kiện kinh tế của Việt Nam. Thay vì thay thế toàn bộ hệ thống cũ một cách tốn kém, việc kết nối mạng NGN với mạng PSTN qua các cổng Trunking Gateway (TGW) ở mức n*E1 sử dụng báo hiệu số 7 giúp bảo toàn 100% giá trị nguồn vốn đã đầu tư vào các tổng đài Host hiện có.

Dữ liệu tính toán định cỡ và phân bổ dung lượng trong nghiên cứu có thể được trình bày trực quan qua biểu đồ cột thể hiện mức tăng trưởng thuê bao ADSL giai đoạn 2006 - 2010 và bảng ma trận lưu lượng trung kế giữa 8 trạm vệ tinh với nút chuyển mạch trung tâm. Bảng so sánh các thông số kỹ thuật giữa ba dòng thiết bị DSLAM của Alcatel, Siemens và Ericsson cho thấy cấu hình kết nối lai ghép cáp quang - cáp đồng là giải pháp tối ưu nhất cho các đô thị loại hai.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu, 4 giải pháp hành động cụ thể được khuyến nghị triển khai:

  1. Hiện đại hóa lớp truy nhập bằng công nghệ IP-DSLAM đa dịch vụ: Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam và Viễn thông Phú Thọ cần triển khai lắp đặt các thiết bị IP-DSLAM và NG-DLC tại 8 trạm vệ tinh trọng điểm trên địa bàn Việt Trì, hoàn thành trong giai đoạn 2006 - 2008, nhằm đạt chỉ tiêu 100% thuê bao nội thị có cự ly cáp đồng dưới 1 km.
  2. Nâng cấp mạng truyền dẫn nội tỉnh sang cấu trúc vòng Ring quang SDH/WDM: Bộ phận quy hoạch hạ tầng viễn thông cần thực hiện khép vòng Ring quang nội vùng với dung lượng truyền dẫn đạt mức STM-4 (622 Mbps) và nâng cấp lên STM-16 (2.5 Gbps), hoàn tất trước quý 4 năm 2008 nhằm đảm bảo độ khả dụng mạng lưới đạt 99.999%.
  3. Tích hợp các khối chuyển tiếp trung kế Trunking Gateway và Signaling Gateway: Đội ngũ kỹ sư mạng lưới cần cấu hình tích hợp các cổng TGW tại các tổng đài Host hiện hữu để chuyển tiếp toàn bộ lưu lượng đường dài và quốc tế sang mạng lõi IP Core, giảm thiểu tỷ lệ rớt cuộc gọi xuống dưới 0.1% vào năm 2009.
  4. Xây dựng trung tâm điều hành và quản lý mạng tập trung TMN: Đơn vị quản lý khai thác cần thiết lập hệ thống giám sát đồng bộ 4 phân lớp quản lý mạng theo tiêu chuẩn giao diện Q3, đảm bảo kiểm soát tập trung 100% trạng thái hoạt động của các phần tử mạng trước năm 2010.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo chuyên môn giá trị cho 4 nhóm đối tượng sau:

  • Kỹ sư quy hoạch và thiết kế mạng viễn thông: Vận dụng toàn bộ quy trình tính toán định cỡ lưu lượng thoại và số liệu, phương pháp phân bổ dung lượng DSLAM để xây dựng các đề án nâng cấp mạng truy nhập viễn thông cấp tỉnh.
  • Cán bộ quản lý kỹ thuật tại các tập đoàn viễn thông (VNPT, Viettel, MobiFone): Tham khảo mô hình phân chia vùng lưu lượng và giải pháp chuyển đổi mạng từng bước nhằm tối ưu hóa chi phí đầu tư tài sản cố định trong các dự án hiện đại hóa mạng lưới.
  • Giảng viên và nhà nghiên cứu chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông: Sử dụng các sơ đồ nguyên lý phân lớp chức năng NGN, giao thức Softswitch và kiến trúc kết nối V5.2 làm giáo trình giảng dạy và tài liệu nghiên cứu chuyên sâu.
  • Học viên cao học và sinh viên kỹ thuật vô tuyến, truyền thông: Nắm vững phương pháp luận nghiên cứu từ khảo sát thực địa, phân tích lưu lượng Erlang đến thiết kế bản đồ định tuyến trong các đồ án tốt nghiệp học thuật.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mục tiêu cốt lõi của việc chuyển đổi mạng truy nhập truyền thống sang NGN là gì? Mục tiêu cốt lõi là thay thế mạng chuyển mạch kênh TDM băng hẹp bằng mạng chuyển mạch gói IP/ATM thống nhất. Việc này giúp phân tách hoàn toàn lớp điều khiển khỏi lớp truyền tải, tận dụng 85% hạ tầng cáp đồng sẵn có để cung cấp đa dịch vụ băng rộng với chi phí vận hành giảm từ 30% đến 40%.

  2. Tại sao mạng viễn thông NGN lại tổ chức theo 5 vùng lưu lượng thay vì 64 tỉnh thành? Mô hình tổ chức theo địa giới hành chính trước đây gây phân mảnh, cồng kềnh và lãng phí thiết bị ở các tỉnh có dung lượng thấp. Việc quy hoạch thành 5 vùng lưu lượng toàn quốc giúp tập trung năng lực xử lý vào các trung tâm chuyển mạch lõi lớn, giảm số cấp mạng từ 4 xuống 2 cấp.

  3. Công nghệ xDSL đóng vai trò chiến lược như thế nào trong giải pháp thiết kế? Công nghệ xDSL, đặc biệt là ADSL và VDSL, đóng vai trò cầu nối quá độ then chốt. Công nghệ này cho phép tận dụng đôi dây cáp đồng hiện có để truyền dữ liệu tốc độ cao từ 8 đến 52 Mbps, giảm áp lực vốn đầu tư cáp quang toàn phần khi nguồn lực tài chính còn hạn chế.

  4. Mạng NGN kết nối với mạng điện thoại cố định PSTN hiện hữu bằng cơ chế nào? Kết nối giữa NGN và PSTN được thực hiện thông qua các thiết bị ghép luồng trung kế (Trunking Gateway) ở mức n*E1 kết hợp cổng báo hiệu Signaling Gateway sử dụng hệ thống báo hiệu số 7 (SS7). Cơ chế này đảm bảo truyền tải liên tục các cuộc gọi thoại tiêu chuẩn 64 kbps giữa hai hệ thống mạng.

  5. Giải pháp nào đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) cho thoại khi truyền qua mạng gói IP? Mạng sử dụng các giao thức quản lý chất lượng như RTCP kết hợp bộ xử lý tín hiệu số DSP tại các cổng Media Gateway. Hệ thống thực hiện nén mã thoại, triệt tiếng vọng, loại bỏ khoảng lặng và ưu tiên định tuyến gói tin thời gian thực để duy trì độ trễ dưới 150 ms.

Kết luận

  • Luận văn đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về cấu trúc mạng thế hệ sau NGN và tiêu chuẩn mạng truy nhập hiện đại theo chuẩn ITU-T.
  • Xây dựng thành công phương pháp luận tính toán định cỡ lưu lượng tích hợp cả thoại và số liệu cho một vùng lưu lượng viễn thông thực tế.
  • Hoàn thiện bản thiết kế chi tiết cấu trúc mạng truy nhập NGN cho thành phố Việt Trì với quy mô 8 trạm vệ tinh đáp ứng nhu cầu phát triển đến năm 2010.
  • Đề xuất giải pháp quá độ mang tính khả thi cao, bảo toàn tối đa vốn đầu tư hạ tầng mạng cáp đồng và tổng đài PSTN sẵn có.
  • Cung cấp mô hình tham chiếu chuẩn xác cho việc quy hoạch mạng truy nhập tại các tỉnh thành thuộc Vùng lưu lượng 1 của VNPT.

Tiến trình chuyển đổi kỹ thuật cần được tiếp tục triển khai thử nghiệm trên diện rộng trong giai đoạn 2007 - 2008 và hoàn tất tích hợp mạng lõi trước năm 2010. Các đơn vị quản lý mạng và kỹ sư viễn thông nên nhanh chóng áp dụng phương pháp luận của đề tài để đẩy nhanh lộ trình số hóa hạ tầng truyền thông quốc gia.