Tổng quan nghiên cứu

Vào cuối thập niên 2000, thị trường viễn thông toàn cầu ghi nhận hơn 2 tỷ thuê bao sử dụng công nghệ GSM, trong khi tại Việt Nam, hạ tầng mạng di động thế hệ 2G và 2,5G bắt đầu bộc lộ những giới hạn nghiêm trọng về dung lượng thoại chuyển mạch kênh với tốc độ dữ liệu chỉ đạt từ 9,6 kbps đến 14,4 kbps. Sự bùng nổ của các dịch vụ truyền thông đa phương tiện băng rộng, thoại trên nền gói IP và nhu cầu hội tụ Cố định - Di động đòi hỏi các nhà khai thác phải tái cấu trúc toàn diện hệ thống. Vấn đề cốt lõi được đặt ra là làm thế nào để chuyển đổi hạ tầng mạng sẵn có sang mô hình mạng thế hệ sau mà vẫn đảm bảo tính liên tục của dịch vụ và tối ưu hóa chi phí đầu tư.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là nghiên cứu toàn diện kiến trúc phân lớp NGN-Mobile, đánh giá các giải pháp công nghệ chuyển mạch mềm Softswitch và phân hệ đa phương tiện IMS, từ đó xây dựng phương án thử nghiệm mạng NGN-Mobile khả thi tại Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào không gian mạng của các nhà khai thác lớn như VNPT, VinaPhone, MobiFone và Viettel trong giai đoạn chuyển đổi công nghệ từ năm 2008 đến năm 2010. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua việc cung cấp mô hình kỹ thuật giúp giảm khoảng 30% đến 40% chi phí vận hành mạng, tối ưu hóa 100% tài nguyên băng thông truyền dẫn trên nền tảng All-IP và nâng cao tốc độ truyền dữ liệu từ 9,6 kbps lên dải 144 kbps đến 2 Mbps theo chuẩn 3GPP R4/R5, tạo tiền đề vững chắc cho việc triển khai mạng 3,5G và 4G trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên hai nền tảng lý thuyết cốt lõi gồm Kiến trúc mạng chuyển mạch mềm Softswitch và Phân hệ đa phương tiện IP (IMS) theo các tiêu chuẩn quốc tế của Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU-T) và Tổ chức Đối tác Thế hệ 3 (3GPP qua các phiên bản R99, R4, R5). Bốn khái niệm chuyên ngành then chốt được phân tích chuyên sâu gồm:

  1. Nguyên lý phân tách độc lập giữa lớp điều khiển cuộc gọi và lớp truyền tải lưu lượng media trên nền mạng chuyển mạch gói All-IP.
  2. Khối chức năng điều khiển phiên CSCF bao gồm P-CSCF đóng vai trò điểm tiếp nhận, I-CSCF hỗ trợ định tuyến liên mạng và S-CSCF thực thi dịch vụ kết hợp cùng cơ sở dữ liệu thuê bao thường trú HSS.
  3. Bộ điều khiển cổng truyền thông MGCF phối hợp với cổng truyền thông media MGW/UMG nhằm chuyển đổi tương thích giữa lưu lượng TDM truyền thống và gói IP.
  4. Hệ thống giao thức điều khiển và báo hiệu thế hệ mới gồm SIP cho khởi tạo phiên đa phương tiện, BICC cho điều khiển cuộc gọi độc lập mạng mang, H.248 cho điều khiển cổng truyền thông và Diameter cho quản lý nhận thực, phân quyền và tính cước.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa mô hình hóa giải tích, tính toán quỹ đường truyền vô tuyến và phân tích lưu lượng kỹ thuật viễn thông. Nguồn dữ liệu thực nghiệm dựa trên cỡ mẫu quy hoạch gồm 500.000 thuê bao giả định trong phân vùng mạng đô thị trọng điểm. Tác giả áp dụng phương pháp chọn mẫu phân tầng theo mật độ phân bổ thuê bao giờ bận (Busy Hour), với các tham số định mức lưu lượng từ 20 mErlang đến 25 mErlang cho mỗi thuê bao thoại và lưu lượng dữ liệu quy đổi từ 32 kbps đến 64 kbps cho mỗi thuê bao truyền số liệu.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích lưu lượng giờ bận và tính toán quỹ đường truyền WCDMA nhằm xác định chính xác bán kính vùng phủ sóng từ 0,5 km đến 1,2 km trong môi trường đô thị, đồng thời kiểm chứng khả năng đáp ứng thông lượng của mạng lõi chuyển mạch gói. Quá trình thu thập thông số kỹ thuật, cấu hình các phần tử mạng MSOFTX3000, UMG8900, SGSN9810, GGSN9811 và hệ thống điều hành iManager2000 được thực hiện liên tục trong khung thời gian 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã đạt được 4 phát hiện kỹ thuật mang tính đột phá cho việc xây dựng hạ tầng mạng NGN-Mobile:

Thứ nhất, việc phân tách chức năng điều khiển cuộc gọi ra khỏi lớp chuyển tải giúp máy chủ điều khiển MSOFTX3000 giảm 45% tải xử lý báo hiệu tập trung so với tổng đài MSC 2G truyền thống, đồng thời tăng 60% hiệu suất khai thác đường truyền nhờ truyền dẫn gói IP dùng chung.

Thứ hai, kết quả tính toán lưu lượng người dùng cho thấy phân hệ vô tuyến RNC-BSC6800 kết hợp mạng lõi gói PS qua nút SGSN9810 và GGSN9811 duy trì tốc độ truyền tải thực tế đạt từ 384 kbps đến 2 Mbps trên kênh WCDMA, cao gấp hơn 40 lần so với tốc độ của công nghệ GPRS 2,5G.

Thứ ba, sự phối hợp giữa S-CSCF và máy chủ HSS thông qua giao thức Diameter và SIP giúp rút ngắn thời gian thiết lập cuộc gọi đa phương tiện xuống dưới 1,8 giây, giảm 35% độ trễ báo hiệu so với thủ tục ISUP trên mạng chuyển mạch kênh.

Thứ tư, phương án kết nối liên mạng qua cổng kiểm soát biên SBC và BGCF đảm bảo tỷ lệ cuộc gọi thông suốt giữa mạng NGN-Mobile với mạng PSTN và mạng PLMN 2G đạt trên 99,5%, hoàn toàn đáp ứng các chỉ tiêu chất lượng viễn thông quốc tế.

Thảo luận kết quả

Hiệu năng vượt trội của mạng NGN-Mobile xuất phát trực tiếp từ kiến trúc phân lớp mở, nơi tài nguyên truyền dẫn được chia sẻ tối đa và việc phát triển dịch vụ không còn bị ràng buộc bởi phần cứng chuyển mạch độc quyền. Khi so sánh với mô hình mạng giai đoạn 4 của China Unicom hay cấu trúc R12/R5 của Ericsson, phương án đề xuất cho Việt Nam thể hiện tính tương thích vượt trội với hạ tầng truyền dẫn quang SDH/IP sẵn có của VNPT.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan qua bảng tổng hợp lưu lượng người dùng trong giờ bận và bảng thông số QoS cơ bản đối với dịch vụ tải, thể hiện rõ độ trễ truyền gói một chiều luôn duy trì dưới 150 ms và tỷ lệ mất gói dưới 1%. Biểu đồ cấu trúc mạng thử nghiệm với sự tích hợp của MSOFTX3000 và UMG8900 khẳng định tính khả thi của giải pháp trong việc xóa bỏ tình trạng nghẽn mạch cục bộ, mở đường cho các dịch vụ truyền hình di động và hội nghị truyền hình phát triển mạnh mẽ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai nâng cấp mạng lõi di động hiện hữu sang kiến trúc Softswitch 3GPP R4 trong thời gian từ 6 đến 12 tháng, do Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam và các doanh nghiệp viễn thông chủ chốt thực hiện, nhằm mục tiêu chuyển đổi 100% lưu lượng thoại liên tỉnh sang nền tảng IP.
  2. Xây dựng phân hệ đa phương tiện IMS hoàn chỉnh trong lộ trình 18 đến 24 tháng, do Ban Quản lý Dự án Viễn thông chủ trì, hướng tới mục tiêu cung cấp tối thiểu 10 dịch vụ đa phương tiện mới như cuộc gọi video chất lượng cao, chia sẻ dữ liệu thời gian thực với độ sẵn sàng dịch vụ đạt 99,99%.
  3. Tái cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến RAN và tối ưu hóa quỹ đường truyền WCDMA trong vòng 9 tháng, do các công ty vận hành mạng di động thực thi, nhằm mở rộng bán kính phủ sóng trạm thu phát lên 1,5 km ở khu vực ngoại thành và giảm 25% số lượng vị trí trạm BTS cần xây mới.
  4. Ban hành bộ quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng dịch vụ QoS trên nền mạng NGN-Mobile trong vòng 3 tháng, do Bộ Thông tin và Truyền thông chủ trì, nhằm thiết lập mức trần độ trễ truyền gói dưới 100 ms và tỷ lệ thiết lập phiên thành công đạt tối thiểu 99%.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư quy hoạch và tối ưu hóa mạng viễn thông: Vận dụng phương pháp tính toán quỹ đường truyền và phân bổ lưu lượng giờ bận để thiết kế vùng phủ cho hơn 1.000 trạm BTS/NodeB trong các dự án mở rộng mạng thực tế.
  2. Cán bộ quản lý kỹ thuật tại các nhà mạng viễn thông: Tham khảo mô hình phân lớp Softswitch và IMS để xây dựng kế hoạch tối ưu hóa vốn đầu tư thiết bị CAPEX giảm 20% và rút ngắn 50% thời gian triển khai các gói dịch vụ mới.
  3. Chuyên gia phân tích chính sách và cơ quan quản lý viễn thông: Tiếp cận các khuyến nghị về giao diện liên mạng và quản lý chất lượng QoS để hoàn thiện khung pháp lý phân bổ băng tần 3G/4G trên dải tần 2,1 GHz.
  4. Giảng viên và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông: Sử dụng các sơ đồ phân tích giao thức SIP, H.248, SIGTRAN và cấu trúc hệ thống MSOFTX3000 làm tài liệu nghiên cứu chuyên sâu về lộ trình tiến hóa lên mạng di động băng rộng 4G/LTE.

Câu hỏi thường gặp

  1. Sự khác biệt căn bản giữa mạng di động 2G truyền thống và mạng NGN-Mobile là gì? Mạng 2G hoạt động trên nền chuyển mạch kênh TDM với tốc độ dữ liệu thấp 9,6 kbps và cấu trúc phần cứng đóng kín. Ngược lại, NGN-Mobile áp dụng kiến trúc All-IP phân tách độc lập giữa điều khiển và truyền tải, nâng tốc độ lên mức 2 Mbps và hỗ trợ đa dạng dịch vụ đa phương tiện.

  2. Tại sao cấu trúc Softswitch được lựa chọn làm giai đoạn quá độ trước khi lên IMS? Softswitch cho phép tận dụng khoảng 80% hạ tầng truyền dẫn và mạng truy nhập sẵn có, giúp doanh nghiệp tiết kiệm hàng triệu USD chi phí đầu tư ban đầu thông qua việc thay thế các tổng đài TDM cồng kềnh bằng thiết bị MSOFTX3000 và UMG8900 trước khi đầu tư phân hệ IMS hoàn chỉnh.

  3. Giải pháp nào đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS cho các luồng thoại thời gian thực trên mạng NGN-Mobile? Luận văn đề xuất kiến trúc QoS End-to-End kết hợp phân hệ kiểm soát tài nguyên RACS và các cổng kiểm soát biên SBC, giúp duy trì độ trễ truyền gói một chiều dưới 150 ms và kiểm soát tỷ lệ rớt gói ở mức dưới 1% trên toàn bộ mạng lõi IP.

  4. Quy mô của mô hình mạng NGN-Mobile thử nghiệm tại Việt Nam gồm những thành phần nào? Mô hình thử nghiệm tích hợp máy chủ điều khiển cuộc gọi MSOFTX3000, cổng truyền thông UMG8900, bộ điều khiển RNC-BSC6800, các nút mạng lõi gói SGSN9810/GGSN9811 và hệ thống quản trị iManager2000, đáp ứng quy mô kiểm thử cho hơn 50.000 thuê bao mô phỏng.

  5. Lộ trình nâng cấp mạng từ GSM lên NGN-Mobile tuân theo các chuẩn 3GPP nào? Tiến trình diễn ra qua các mốc: chuẩn 3GPP R99 phân tách miền CS/PS, chuẩn R4 đưa vào chuyển mạch mềm Softswitch phân tán, và chuẩn R5/R6 tích hợp phân hệ IMS toàn IP, giúp gia tăng thông lượng dữ liệu từ 384 kbps lên trên 14 Mbps với công nghệ HSDPA.

Kết luận

  • Công trình đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý luận về cấu trúc phân lớp mạng NGN-Mobile dựa trên chuyển mạch mềm Softswitch và phân hệ đa phương tiện IMS.
  • Xây dựng thành công phương pháp tính toán quỹ đường truyền và lưu lượng giờ bận cho mạng WCDMA với độ chính xác cao trên cỡ mẫu quy hoạch 500.000 thuê bao.
  • Đề xuất phương án thiết kế mạng thử nghiệm tối ưu cho điều kiện Việt Nam bằng việc kết hợp các phần tử MSOFTX3000, UMG8900 và RNC-BSC6800 trên nền tảng All-IP.
  • Xác lập lộ trình chuyển đổi kỹ thuật khả thi từ 2G lên 3G/IMS trong khung thời gian từ 12 đến 24 tháng, giúp các nhà mạng tiết kiệm khoảng 35% chi phí vận hành.
  • Khẳng định việc chuyển đổi hạ tầng mạng sang NGN-Mobile là xu thế tất yếu nhằm đáp ứng nhu cầu bùng nổ của các dịch vụ dữ liệu băng rộng di động.
  • Đóng góp chính của luận văn là cung cấp một bản thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh và phương án thực nghiệm có giá trị ứng dụng trực tiếp cho ngành viễn thông Việt Nam.
  • Kế hoạch hành động tiếp theo cần tập trung hoàn thiện thiết kế vô tuyến chi tiết trong 6 tháng và triển khai phòng thí nghiệm thử nghiệm IMS trong 12 tháng kế tiếp.
  • Các kỹ sư và nhà quản lý viễn thông hãy ứng dụng ngay khung kiến trúc này để thúc đẩy quá trình hiện đại hóa mạng lưới di động quốc gia.