Tổng quan nghiên cứu

Sự bùng nổ của các dịch vụ trực tuyến như truyền hình độ nét cao, hội nghị truyền hình và điện toán đám mây đã tạo áp lực khổng lồ lên hạ tầng viễn thông toàn cầu, khi lưu lượng dữ liệu băng rộng tăng trưởng trung bình hơn 35% mỗi năm. Trong bối cảnh đó, mạng truy cập truyền thống sử dụng cáp đồng như ADSL bộc lộ rõ những giới hạn vật lý với tốc độ tải xuống tối đa chỉ đạt khoảng 24 Mbps và tốc độ tải lên giới hạn dưới 1 Mbps trong cự ly truyền dẫn dưới 5 km. Nút thắt cổ chai tại chặng kết nối cuối cùng (First Mile) đặt ra yêu cầu cấp thiết phải chuyển đổi sang hạ tầng cáp quang thụ động nhằm đáp ứng nhu cầu truyền tải dữ liệu dung lượng lớn.

Đề tài tập trung nghiên cứu kiến trúc công nghệ mạng quang thụ động Ethernet (EPON) dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.3ah nhằm giải quyết triệt để bài toán băng thông của mạng truy cập. Mục tiêu cụ thể của luận văn là phân tích toàn diện cấu trúc giao thức, cơ chế phân bổ băng thông động và xây dựng phương án thiết kế, triển khai thực tế hệ thống EPON cho mạng truy cập băng rộng Viettel Hà Nội trong giai đoạn từ năm 2010 với tầm nhìn dự báo đến năm 2015.

Nghiên cứu mang ý nghĩa chiến lược đối với các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông khi cung cấp giải pháp nâng băng thông truy cập lên đến 1 Gbps đối xứng theo cả hai chiều tải lên và tải xuống. Mô hình thiết kế cho phép phục vụ tối đa 64 thuê bao trên một nhánh sợi quang với bán kính phủ sóng lên tới 20 km, giúp tối ưu hóa khoảng 30% chi phí đầu tư hạ tầng cáp ngoài trời và giảm thiểu đáng kể chi phí vận hành bảo dưỡng cho nhà mạng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn xây dựng trên nền tảng mô hình phân lớp chức năng của mạng thế hệ mới (NGN) do Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU-T) chuẩn hóa, bao gồm năm phân lớp chính: lớp kết nối truyền tải, lớp truyền thông, lớp điều khiển cuộc gọi qua Softswitch, lớp ứng dụng dịch vụ và lớp quản lý xuyên suốt. Trong cấu trúc này, lớp truy cập đóng vai trò chuyển tiếp lưu lượng đa dịch vụ từ người dùng vào mạng lõi IP/MPLS.

Khung lý thuyết trọng tâm thứ hai là tiêu chuẩn Ethernet trong chặng đầu tiên (IEEE 802.3ah EFM), định nghĩa cấu trúc mạng quang thụ động điểm - đa điểm (P2MP). Hệ thống vận hành dựa trên ba khái niệm cốt lõi: Thiết bị đầu cuối đường dây quang (OLT) đặt tại tổng đài trung tâm, Đơn vị mạng quang (ONU) tại nhà khách hàng và Bộ tách quang thụ động không dùng điện nguồn (Optical Splitter). Quá trình truyền dẫn sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) trên một sợi quang duy nhất với bước sóng 1490 nm hoặc 1550 nm cho đường xuống (Downstream) và bước sóng 1310 nm cho đường lên (Upstream).

Bên cạnh đó, giao thức điều khiển đa điểm (MPCP) thuộc lớp con điều khiển MAC đóng vai trò then chốt trong việc điều phối khe thời gian (timeslot), quản lý việc gán băng thông động (DBA) thông qua cặp thông điệp GATE và REPORT, giải quyết triệt để bài toán tranh chấp môi trường truyền dẫn quang.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn thu thập nguồn dữ liệu sơ cấp từ nhật ký đo kiểm lưu lượng thực tế trên 3 hệ thống máy chủ truy nhập băng rộng từ xa (BRAS 1, BRAS 2, BRAS 3) của Viettel Hà Nội. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ dữ liệu lưu lượng theo chu kỳ 24 giờ trong ngày và thống kê tích lũy 30 ngày trong tháng từ hơn 50.000 cổng truy cập thuê bao phân bố tại các khu vực trọng điểm của thủ đô.

Phương pháp chọn mẫu phân tầng có chủ đích được áp dụng nhằm thu thập dữ liệu đại diện từ cả khu vực trung tâm đô thị có mật độ thuê bao cao lẫn các vùng ngoại thành có khoảng cách truyền dẫn xa. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích định lượng kết hợp mô hình hóa kỹ thuật là nhằm tính toán chính xác quỹ công suất quang, mức suy hao trên từng tuyến cáp và đánh giá thông lượng chuyển mạch thực tế của các thiết bị Multilayer Switch như ZTE T160G và Huawei S6506R. Quá trình phân tích được thực hiện xuyên suốt trong năm 2010, kết hợp các thuật toán ngoại suy chuỗi thời gian để xây dựng mô hình dự báo tăng trưởng thuê bao FTTH-EPON và ADSL của Viettel Hà Nội đến năm 2015.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích hiệu năng kỹ thuật cho thấy công nghệ EPON cung cấp băng thông đường xuống đạt mức 1 Gbps và tổng lưu lượng đường lên từ 64 thiết bị ONU đạt trên 800 Mbps, vượt trội gấp hơn 40 lần so với chuẩn ADSL2+ thông thường. Tốc độ truyền dẫn thực tế trên từng cổng thuê bao đạt từ 10 Mbps đến 100 Mbps đối xứng, đáp ứng hoàn hảo các dịch vụ đòi hỏi băng thông lớn như IPTV và truyền hình hội nghị độ nét cao.

Nghiên cứu chỉ ra rằng việc áp dụng cơ chế gán khe thời gian kiểu đường ống (pipelined grant) trong giao thức MPCP giúp triệt tiêu hoàn toàn khoảng thời gian trễ rỗi (walk-time) xấp xỉ 200 microgiây giữa các lượt truyền dữ liệu của ONU. Nhờ đó, hiệu suất sử dụng kênh truyền hướng lên tăng thêm khoảng 25% so với phương pháp gán khe thời gian tuần tự truyền thống.

Tính toán quỹ công suất quang khẳng định hệ thống EPON duy trì mức suy hao đường truyền cực thấp, chỉ khoảng 0.45 dB/km tại dải bước sóng 1310 nm và khoảng 0.20 dB/km tại dải bước sóng 1550 nm. Bộ tách ghép quang thụ động chuẩn 1:16 đến 1:64 có mức suy hao chèn dao động từ 0.1 dB đến 1.0 dB, đảm bảo tín hiệu truyền dẫn ổn định trên cự ly tối đa 20 km mà không cần trang bị thêm bất kỳ bộ khuếch đại quang trung gian nào.

Số liệu đo kiểm thực tế trên 3 hệ thống BRAS của Viettel Hà Nội phản ánh tình trạng quá tải nghiêm trọng trên các đường dây ADSL cáp đồng vào khung giờ cao điểm từ 19 giờ đến 22 giờ, trong khi các nhánh mạng quang thử nghiệm duy trì tỷ lệ mất gói dưới 0.001% và độ trễ khứ hồi (RTT) luôn ổn định dưới 150 microgiây.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự vượt trội của EPON là việc loại bỏ hoàn toàn các thiết bị điện tử chủ động trên mạng phân phối ngoài trời, sử dụng sợi quang đơn mode không bị ảnh hưởng bởi hiện tượng tán sắc hay nhiễu điện từ. So với các công nghệ mạng quang thụ động khác như APON hoặc BPON vốn đóng gói dữ liệu trên các tế bào ATM phức tạp và tốn kém, EPON đóng gói trực tiếp các khung Ethernet tiêu chuẩn, giúp loại bỏ từ 10% đến 15% phần mào đầu giao thức thừa và tương thích tự nhiên với hạ tầng mạng IP hiện đại.

Kết quả đo kiểm lưu lượng thực tế được biểu diễn trực quan thông qua đồ thị biến thiên lưu lượng theo ngày và tháng của từng cụm BRAS, thể hiện rõ đường cong lưu lượng đỉnh và dung lượng khả dụng của hệ thống. Đồng thời, bảng ma trận dung lượng giao tiếp trên các thiết bị chuyển mạch lõi chứng minh khả năng đáp ứng nhu cầu mở rộng quy mô mạng lưới của dòng OLT ZTE ZXA10 C220 khi kết nối tập trung về các switch phân phối Huawei S6506R. Phát hiện này mang ý nghĩa quyết định giúp nhà mạng hoạch định kế hoạch di chuyển thuê bao từ cáp đồng sang cáp quang với chi phí tối ưu nhất.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, Ban Quản lý Kỹ thuật Viettel Hà Nội cần tiến hành nâng cấp đồng bộ hạ tầng truy cập bằng việc lắp đặt hệ thống OLT ZTE ZXA10 C220 tại 100% các trạm viễn thông trung tâm (CO) trong giai đoạn 2011-2012, áp dụng tỷ lệ phân tách quang 1:32 cho khu vực nội thành và 1:64 cho khu vực ngoại thành nhằm tối ưu hóa chi phí đầu tư sợi quang.

Thứ hai, Đội ngũ Kỹ sư Vận hành Khai thác mạng cần cấu hình giải thuật phân bổ băng thông động (DBA) dựa trên cơ chế gán khe thời gian kiểu đường ống của giao thức MPCP từ quý 1 năm 2011, thiết lập mức cam kết băng thông tối thiểu (CIR) và băng thông tối đa (PIR) cho từng nhóm thuê bao để giảm độ trễ vòng RTT xuống dưới 150 microgiây đối với các dịch vụ thời gian thực.

Thứ ba, Trung tâm Kinh doanh phối hợp cùng Khối Kỹ thuật Viettel xây dựng lộ trình chuyển đổi từng bước người dùng từ mạng ADSL sang FTTH-EPON theo từng khu vực dân cư, đặt mục tiêu đạt 75% thị phần thuê bao cáp quang băng rộng tại thị trường Hà Nội vào cuối năm 2015.

Thứ tư, Phòng Giám sát và Ứng cứu Sự cố mạng cần triển khai hệ thống quản lý, điều hành và bảo trì (OAM) tập trung trên toàn bộ các cổng kết nối của Multilayer Switch Huawei S6506R và ZTE T160G trong 6 tháng đầu năm 2012, giúp rút ngắn khoảng 35% thời gian phát hiện và xử lý sự cố suy hao đường truyền quang ngoài hiện trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư quy hoạch và thiết kế mạng viễn thông: Luận văn cung cấp toàn bộ công thức tính toán quỹ công suất quang, phương pháp xác định tỷ lệ phân tách của coupler và quy trình cấu hình cổng kết nối OLT, phục vụ trực tiếp cho công tác thiết kế mạng cáp quang FTTx.

Nhóm cán bộ quản lý và hoạch định chiến lược tại các nhà mạng (ISP): Lãnh đạo doanh nghiệp có thể khai thác mô hình dự báo tăng trưởng thuê bao viễn thông giai đoạn 2010-2015 và các phân tích chi phí Capex/Opex để ra quyết định đầu tư công nghệ chính xác.

Nhóm nghiên cứu sinh, giảng viên và sinh viên ngành Điện tử - Viễn thông: Tài liệu là nguồn tham khảo học thuật giá trị về chuẩn IEEE 802.3ah, phân tích sâu cơ chế phân phối khe thời gian TDMA, giao thức MPCP và mô hình tích hợp dịch vụ trên nền mạng thế hệ mới NGN.

Nhóm chuyên viên kỹ thuật vận hành và đo kiểm mạng: Cung cấp phương pháp luận thực tế trong việc phân tích biểu đồ lưu lượng trên máy chủ BRAS, đo kiểm độ suy hao sợi quang và khắc phục lỗi nghẽn cổ chai trên các thiết bị chuyển mạch đa tầng.

Câu hỏi thường gặp

Công nghệ EPON có điểm gì vượt trội so với mạng cáp đồng ADSL truyền thống?

EPON cung cấp tốc độ truyền dẫn đối xứng lên tới 1 Gbps cho cả chiều lên và xuống, vượt xa tốc độ tối đa 24 Mbps của ADSL. Cự ly truyền dẫn của EPON đạt tới 20 km mà không bị suy hao tín hiệu nghiêm trọng hay chịu ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ như cáp đồng, đồng thời hỗ trợ tích hợp đa dịch vụ chất lượng cao trên một sợi quang duy nhất.

Giao thức MPCP trong mạng EPON hoạt động như thế nào để ngăn ngừa xung đột dữ liệu?

Ở chiều lên, EPON là mạng điểm - đa điểm chia sẻ chung môi trường truyền dẫn. Giao thức MPCP sử dụng thông điệp GATE từ OLT để chỉ định khe thời gian truyền dữ liệu cho từng ONU và nhận thông điệp REPORT từ ONU để nắm bắt trạng thái bộ đệm. Cơ chế này đảm bảo mỗi ONU chỉ phát tín hiệu đúng thời điểm được cấp phép, triệt tiêu hoàn toàn nguy cơ xung đột tín hiệu.

Tại sao cơ chế gán khe thời gian kiểu đường ống lại tối ưu hơn kiểu tuần tự?

Trong cơ chế tuần tự, OLT phải đợi nhận hết dữ liệu từ ONU trước đó mới cấp phát khe thời gian cho ONU tiếp theo, tạo ra khoảng thời gian trễ rỗi walk-time lên tới 200 microgiây. Cơ chế đường ống tính toán trước thời gian khứ hồi (RTT) và gửi lệnh GATE trước khi dữ liệu cũ đến nơi, giúp lấp đầy kênh truyền và tăng hiệu suất sử dụng băng thông thêm khoảng 25%.

Hệ thống mạng EPON của Viettel Hà Nội sử dụng những thiết bị phần cứng chủ lực nào?

Mô hình thiết kế triển khai sử dụng thiết bị đầu cuối OLT ZTE ZXA10 C220 đặt tại các trạm chuyển mạch, kết hợp cùng hệ thống chuyển mạch biên Multilayer Switch Huawei S6506R và ZTE T160G. Toàn bộ lưu lượng được gom và định tuyến qua 3 máy chủ truy nhập băng rộng từ xa BRAS chuyên dụng trước khi đi vào mạng lõi IP/MPLS.

Quỹ công suất quang và mức độ suy hao của hệ thống EPON được đảm bảo ra sao?

Độ suy hao sợi quang đơn mode đạt mức 0.45 dB/km ở bước sóng 1310 nm và 0.20 dB/km ở bước sóng 1550 nm. Với bộ tách quang thụ động có suy hao chèn từ 0.1 dB đến 1.0 dB và suy hao phân tách chuẩn, hệ thống hoàn toàn đáp ứng ngưỡng thu nhạy của máy thu quang trên khoảng cách 20 km mà không cần trạm lặp.

Kết luận

  • Luận văn hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về mạng thế hệ mới NGN và chuẩn hóa công nghệ mạng quang thụ động EPON theo tiêu chuẩn quốc tế IEEE 802.3ah.
  • Làm rõ cơ chế điều khiển đa điểm MPCP kết hợp giải thuật cấp phát băng thông động DBA dạng đường ống, triệt tiêu 200 microgiây trễ rỗi và tối ưu hóa hiệu suất kênh truyền.
  • Phân tích chi tiết hiện trạng mạng truy cập băng rộng Viettel Hà Nội thông qua tập dữ liệu đo kiểm thực tế từ 3 hệ thống BRAS đại diện cho hơn 50.000 thuê bao.
  • Xây dựng phương án thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh với cấu hình thiết bị OLT ZTE ZXA10 C220 và switch chuyển mạch đa tầng, đáp ứng nhu cầu tăng trưởng đến năm 2015.
  • Khẳng định tính khả thi vượt trội của EPON với băng thông 1 Gbps đối xứng, bán kính phủ sóng 20 km và mức suy hao quang dưới 0.45 dB/km.

Đóng góp lớn nhất của nghiên cứu là cung cấp một bản thiết kế mạng truy cập quang hoàn chỉnh từ lý thuyết chuẩn hóa đến phương án triển khai thực tiễn cho một nhà mạng viễn thông quy mô lớn tại Việt Nam. Lộ trình phát triển tiếp theo được xác định chia thành 3 giai đoạn từ năm 2011 đến năm 2015, bao gồm thử nghiệm trạm mẫu, mở rộng vùng phủ sóng đô thị và thay thế toàn diện hạ tầng cáp đồng. Các kỹ sư và nhà quản lý viễn thông hãy áp dụng ngay mô hình này để nâng cấp hạ tầng mạng truy cập băng rộng hiện đại, đáp ứng kỷ nguyên số.