Tổng quan nghiên cứu

Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và truyền thông trong giai đoạn 2006-2010 đã tạo ra áp lực chuyển đổi hạ tầng viễn thông từ mạng chuyển mạch kênh truyền thống sang mạng thế hệ sau NGN (Next Generation Network). Tại Việt Nam, Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam (VNPT) đã bắt đầu triển khai công nghệ NGN trên mạng đường trục từ năm 2003, mở ra giai đoạn hội tụ đa dịch vụ trên nền tảng gói. Tuy nhiên, tại Công ty Viễn thông Đăk Lăk - Đăk Nông, hiện trạng hạ tầng viễn thông vẫn vận hành chủ yếu dựa trên công nghệ chuyển mạch kênh TDM với các tổng đài nội hạt dung lượng hạn chế, chưa thể tích hợp đồng thời giữa dịch vụ thoại truyền thống và truyền số liệu băng rộng, dẫn đến chi phí vận hành (OPEX) tăng cao và hiệu suất sử dụng kênh truyền chỉ đạt mức trung bình thấp.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của luận văn là giải quyết bài toán phân mảnh mạng lưới, thiếu tính linh hoạt và nghẽn băng thông của mạng nội tỉnh trước nhu cầu bùng nổ của dịch vụ Internet và truyền số liệu tốc độ cao. Mục tiêu nghiên cứu cụ thể bao gồm: phân tích toàn diện hiện trạng mạng viễn thông Đăk Lăk - Đăk Nông; xây dựng mô hình cấu trúc NGN phân lớp tối ưu; đề xuất nguyên tắc tổ chức lớp truy nhập và lớp truyền tải; xác định giải pháp công nghệ chuyển mạch mềm Softswitch; và hoạch định lộ trình chuyển đổi từng bước giai đoạn 2006-2010. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào toàn bộ mạng viễn thông nội tỉnh trên địa bàn Đăk Lăk và Đăk Nông từ năm 2006 đến năm 2010. Nghiên cứu mang ý nghĩa chiến lược sâu sắc khi giúp doanh nghiệp tiết kiệm khoảng 40% chi phí đầu tư thiết bị so với công nghệ cũ, tối ưu hóa băng thông truyền dẫn trục nội vùng lên mức tối thiểu 155 Mbps (STM-1), đồng thời bảo toàn nguồn vốn đầu tư sẵn có và nâng cao năng lực cạnh tranh trong giai đoạn hội nhập.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết kiến trúc mạng viễn thông thế hệ sau NGN theo tiêu chuẩn của Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU-T) và Diễn đàn Chuyển mạch Đa dịch vụ (MSF). Mô hình này chia hệ thống viễn thông thành 4 lớp chức năng độc lập: lớp truy nhập (Access Layer), lớp truyền tải (Transport Layer), lớp điều khiển (Control Layer), và lớp ứng dụng/dịch vụ (Application/Service Layer). Khác với mạng PSTN truyền thống vốn tích hợp chặt chẽ giữa phần cứng chuyển mạch và phần mềm điều khiển, NGN phân tách hoàn toàn mặt phẳng điều khiển cuộc gọi ra khỏi hạ tầng truyền dẫn vật lý thông qua các giao diện mở chuẩn hóa API.

Khái niệm trung tâm của kiến trúc này là chuyển mạch mềm Softswitch (hay Media Gateway Controller - MGC), đóng vai trò bộ não điều khiển cuộc gọi, xử lý báo hiệu và phân bổ tài nguyên. Bên cạnh Softswitch, các khái niệm cốt lõi bao gồm: Media Gateway (MG) chịu trách nhiệm chuyển đổi và truyền tải các luồng thông tin thoại/dữ liệu giữa môi trường TDM và môi trường gói qua giao thức RTP/RTCP; Signaling Gateway (SG) đảm nhận việc chuyển đổi các bản tin báo hiệu số 7 (SS7) sang môi trường IP thông qua bộ giao thức SIGTRAN trên nền SCTP; và Media Server (MS) hỗ trợ xử lý thông tin đặc biệt như âm báo, thư thoại và hội nghị truyền hình. Hệ thống sử dụng họ giao thức điều khiển H.248/Megaco, MGCP và giao thức khởi tạo phiên SIP để thiết lập các phiên truyền thông đa phương tiện theo thời gian thực.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu sơ cấp và thứ cấp thu thập trực tiếp từ hệ thống tổng đài Host, trạm vệ tinh, mạng truyền dẫn cáp quang và các số liệu lưu lượng viễn thông thực tế do Công ty Viễn thông Đăk Lăk - Đăk Nông quản lý. Cỡ mẫu khảo sát bao gồm toàn bộ 100% các nút chuyển mạch Host, trạm vệ tinh và 15 tuyến truyền dẫn cáp quang trọng điểm trên toàn địa bàn hai tỉnh Đăk Lăk và Đăk Nông. Nghiên cứu áp dụng phương pháp chọn mẫu có chủ đích kết hợp phân tích toàn diện mạng lưới, tập trung sâu vào các khu vực đô thị có mật độ lưu lượng thoại và dữ liệu cao như thành phố Buôn Ma Thuột, thị xã Gia Nghĩa và các thị trấn trung tâm.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích cấu trúc mạng (network architectural analysis) kết hợp với phân tích kinh tế - kỹ thuật (techno-economic analysis) là nhằm xác định chính xác điểm nghẽn hạ tầng, đánh giá tính tương thích của các thiết bị hiện hữu và định lượng hiệu quả tài chính của từng phương án nâng cấp. Phương pháp này đảm bảo tính khả thi cao trong môi trường vận hành thực tế, vừa tránh lãng phí hạ tầng cũ vừa mở đường cho các dịch vụ mới. Toàn bộ quá trình khảo sát, thu thập dữ liệu và mô hình hóa giải pháp được thực hiện liên tục trong khoảng thời gian 12 tháng, từ tháng 10 năm 2005 đến tháng 10 năm 2006.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, việc triển khai công nghệ chuyển mạch mềm Softswitch mang lại hiệu quả kinh tế vượt bậc khi chi phí đầu tư phần cứng và bản quyền phần mềm thấp hơn khoảng 40% so với việc tiếp tục mở rộng các tổng đài chuyển mạch kênh TDM truyền thống. Đồng thời, cấu trúc thiết bị nhỏ gọn dạng module của Softswitch giúp giảm hơn 50% diện tích sàn phòng máy và tiết kiệm đáng kể điện năng tiêu thụ tại các trung tâm chuyển mạch.

Thứ hai, nghiên cứu phát hiện cấu trúc mạng truyền tải cáp quang nội vùng dạng Ring kết hợp công nghệ ATM và IP/MPLS nâng cao vượt bậc năng lực truyền dẫn. Băng thông kết nối từ các bộ tập trung ATM lên các nút chuyển mạch ATM+IP nội vùng đạt chuẩn tối thiểu 155 Mbps (STM-1), thay thế hiệu quả các luồng trung kế E1 (2.048 Mbps) phân mảnh trước đây. Tích hợp tính năng Broadband RAS tại các nút ATM+IP giúp xử lý tập trung luồng dữ liệu của các thuê bao xDSL mà không gây nghẽn mạng chuyển mạch thoại.

Thứ ba, việc tổ chức kết nối mạng NGN cấp nội hạt (Class 5) trực tiếp với mạng trục NGN quốc gia (Class 4) đã giúp giảm tải từ 25% đến 30% lưu lượng các cuộc gọi liên tỉnh và quốc tế qua các tổng đài trung gian LTx. Luồng thoại liên tỉnh được định tuyến thẳng vào mạng IP lõi, tối ưu hóa hiệu suất sử dụng kênh truyền và rút ngắn thời gian thiết lập cuộc gọi.

Thứ tư, hệ thống Media Gateway (tiêu biểu như hiG1000) và Edge Router (ERX1410, ERX705) có khả năng đáp ứng mật độ cao với khoảng 120 cổng DS0 trên mỗi module giao tiếp, hỗ trợ từ 2 đến 16 kênh báo hiệu D của mạng SS7. Hệ thống duy trì độ sẵn sàng dịch vụ đạt mức 99.999%, đảm bảo chất lượng thoại chuẩn 64 kbps tương đương PSTN nhưng với khả năng tích hợp linh hoạt các dịch vụ giá trị gia tăng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến hiệu quả vượt trội của giải pháp là sự tách bạch rõ ràng giữa chức năng điều khiển logic và chức năng chuyển mạch vật lý. Trong mạng PSTN cũ, phần mềm điều khiển bị khóa chặt vào phần cứng độc quyền của nhà sản xuất, khiến việc nâng cấp dung lượng hay bổ sung dịch vụ mới đòi hỏi chi phí đầu tư rất lớn và thời gian triển khai kéo dài. Khi chuyển sang mô hình Softswitch, việc điều khiển cuộc gọi được tập trung hóa trên máy chủ chuyên dụng, trong khi các Media Gateway giá thành thấp đảm nhận việc chuyển đổi gói tin tại biên mạng.

So sánh với các nghiên cứu và mô hình triển khai của các hãng viễn thông lớn trên thế giới như Alcatel, Siemens, Ericsson và Nortel, kết quả nghiên cứu hoàn toàn phù hợp với xu thế chuẩn hóa quốc tế. Việc kết hợp giao thức SIGTRAN (với các tầng thích ứng M2UA, M3UA, SUA) trên nền giao thức truyền tải SCTP đã khắc phục triệt để các nhược điểm về độ trễ và tính an toàn của giao thức TCP/IP truyền thống, đảm bảo truyền tải báo hiệu SS7 tin cậy trong thời gian thực.

Dữ liệu so sánh kỹ thuật có thể được trực quan hóa rõ nét thông qua một bảng tổng hợp đối chiếu các chỉ số giữa chuyển mạch kênh và chuyển mạch mềm về: chi phí đầu tư (giảm 40%), dung lượng hỗ trợ, tính linh hoạt mở rộng và các loại hình dịch vụ tích hợp. Bên cạnh đó, một sơ đồ luồng dữ liệu mô tả quá trình thiết lập cuộc gọi SIP kết hợp giao thức điều khiển MGCP sẽ minh chứng cụ thể cho cơ chế giải phóng tài nguyên mạng và tối ưu hóa thời gian đàm thoại của thuê bao. Ý nghĩa thực tiễn của các phát hiện này là cung cấp cơ sở khoa học vững chắc để các nhà mạng địa phương chuyển đổi hạ tầng viễn thông an toàn, tiết kiệm và hiệu quả.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, phân tầng và hiện đại hóa mạng truy nhập: Triển khai lắp đặt các nút truy nhập đa dịch vụ (MSAN) và thiết bị truy nhập tích hợp (IAD) tại 100% các trung tâm huyện, thị trấn trên địa bàn hai tỉnh; mục tiêu đạt tỷ lệ phủ sóng Internet băng rộng xDSL trên 70% số thuê bao nội hạt vào cuối năm 2008. Chủ thể thực hiện là Phòng Kỹ thuật Viễn thông phối hợp cùng các Trung tâm Viễn thông huyện.

Thứ hai, nâng cấp mạng truyền dẫn quang nội vùng: Xây dựng và khép kín các tuyến truyền dẫn cáp quang FO Ring sử dụng công nghệ SDH thế hệ mới (NG-SDH) và DWDM, nâng băng thông các vòng Ring lên mức 155 Mbps (STM-1) đến 2.5 Gbps (STM-16); hoàn thành trong giai đoạn 2006-2008 dưới sự chủ trì của Trung tâm Truyền dẫn và Ban Quản lý Dự án.

Thứ ba, triển khai hệ thống chuyển mạch mềm và thiết bị biên: Trang bị đồng bộ hệ thống Media Gateway Controller kết hợp các thiết bị cổng Media Gateway hiG1000 và Edge Router ERX1410/ERX705 tại các vị trí tổng đài Host hiện hữu để phân tải lưu lượng Internet và kết nối thông suốt với mạng PSTN; mục tiêu cắt giảm 35% chi phí vận hành bảo dưỡng mạng trước năm 2010 do Đội Quản lý Chuyển mạch thực hiện.

Thứ tư, chuẩn hóa và tích hợp hệ thống quản lý mạng tập trung: Thiết lập hệ thống quản lý mạng viễn thông TMN và trung tâm tính cước CDR theo thời gian thực kết nối qua giao diện API mở; hoàn thành kiểm thử và đưa vào vận hành chính thức trong quý 4 năm 2007 do Trung tâm Tin học Viễn thông phụ trách.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư quy hoạch và thiết kế mạng viễn thông: Luận văn cung cấp tài liệu chi tiết về cấu trúc phân lớp NGN, các giao thức điều khiển Softswitch (SIP, MGCP, Megaco/H.248, SIGTRAN) và sơ đồ đấu nối phần cứng thực tế, hỗ trợ trực tiếp cho công tác lập đồ án quy hoạch mạng đô thị và mạng nội tỉnh.

Nhóm thứ hai là các nhà quản lý và lãnh đạo doanh nghiệp viễn thông: Đề tài mang lại góc nhìn chiến lược về bài toán tối ưu hóa chi phí đầu tư (tiết kiệm khoảng 40% CAPEX), phương án bảo toàn tài sản hạ tầng cũ và cách thức xây dựng lộ trình chuyển đổi công nghệ theo từng giai đoạn mà không làm gián đoạn dịch vụ khách hàng.

Nhóm thứ ba là giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Điện tử Viễn thông, Công nghệ Thông tin: Công trình là nguồn tài liệu học thuật giá trị về công nghệ hội tụ mạng gói IP/ATM, cơ chế xử lý báo hiệu thời gian thực và phân tích so sánh giữa chuyển mạch kênh TDM và chuyển mạch gói.

Nhóm thứ tư là các chuyên gia tích hợp hệ thống và quản trị mạng doanh nghiệp lớn (ISP, khối ngân hàng, doanh nghiệp đa chi nhánh): Luận văn cung cấp use case thực tế về giải pháp triển khai mạng riêng ảo IP-VPN, hệ thống VoIP chất lượng cao và phương thức quản lý chất lượng dịch vụ QoS trên hạ tầng truyền tải diện rộng.

Câu hỏi thường gặp

Mạng NGN mang lại ưu thế vượt trội nào về chi phí đầu tư và vận hành so với mạng PSTN truyền thống? Mạng NGN sử dụng hạ tầng chuyển mạch gói thống nhất cho cả thoại và dữ liệu, giúp tiết kiệm khoảng 40% chi phí đầu tư thiết bị ban đầu so với việc mở rộng tổng đài kênh. Ngoài ra, việc quản lý tập trung qua Softswitch giúp giảm 50% không gian phòng máy và tiết kiệm hơn 30% chi phí vận hành, bảo dưỡng định kỳ hàng năm.

Tại sao luận văn đề xuất phương án xây dựng NGN bắt đầu từ cấp tổng đài nội hạt thay vì thay thế toàn bộ mạng lưới? Phương án triển khai từ cấp nội hạt cho phép kết nối trực tiếp với mạng trục NGN Class 4 quốc gia đã vận hành từ năm 2003, giúp phân tải ngay 25% đến 30% lưu lượng liên tỉnh. Cách tiếp cận này tận dụng tối đa các tổng đài Host hiện có, bảo toàn vốn đầu tư và không làm xáo trộn dịch vụ thoại của khách hàng.

Giao thức SIGTRAN đóng vai trò kỹ thuật gì trong quá trình chuyển đổi sang mạng thế hệ sau? SIGTRAN chịu trách nhiệm truyền tải các bản tin báo hiệu số 7 (SS7) của mạng PSTN qua mạng IP thông qua giao thức truyền tải SCTP. Cơ chế này đảm bảo việc truyền tin cậy, không gây trễ cho các ứng dụng thời gian thực và duy trì độ sẵn sàng 99.999% cho các cuộc gọi liên mạng giữa PSTN và NGN.

Hạ tầng truyền tải nội vùng tại Đăk Lăk - Đăk Nông được nâng cấp như thế nào để đáp ứng mạng NGN? Luận văn đề xuất nâng cấp các tuyến truyền dẫn cáp quang thành cấu trúc Ring khép kín với băng thông tối thiểu 155 Mbps (STM-1). Các bộ tập trung ATM được lắp đặt để gom các luồng nxE1 thành luồng 155 Mbps kết nối trực tiếp vào các nút chuyển mạch ATM+IP, đồng thời tích hợp tính năng Broadband RAS phục vụ thuê bao xDSL.

Lộ trình chuyển đổi mạng viễn thông Đăk Lăk - Đăk Nông sang NGN được phân kỳ ra sao trong giai đoạn 2006-2010? Lộ trình gồm hai giai đoạn: giai đoạn 2006-2008 tập trung phân tải Internet tại các đô thị trọng điểm, ngừng trang bị tổng đài kênh cũ và lắp đặt thiết bị truy nhập đa dịch vụ; giai đoạn 2008-2010 tiến hành chuyển đổi hoàn toàn mạng nội hạt sang NGN, thay thế hoàn toàn công nghệ chuyển mạch kênh bằng hạ tầng gói.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết trọn vẹn bài toán khoa học và thực tiễn trong việc xây dựng mạng thế hệ sau NGN cho Công ty Viễn thông Đăk Lăk - Đăk Nông giai đoạn 2006-2010. Năm kết quả cốt lõi của công trình gồm:

  • Thiết lập hoàn chỉnh mô hình kiến trúc phân lớp NGN gồm 4 tầng chức năng độc lập, bảo đảm tính mở và sẵn sàng tích hợp đa dịch vụ.
  • Chứng minh tính ưu việt của giải pháp chuyển mạch mềm Softswitch với khả năng tiết kiệm khoảng 40% chi phí đầu tư và giảm 50% diện tích phòng máy.
  • Hoàn thiện phương án tổ chức lớp truyền tải băng thông tối thiểu 155 Mbps trên nền cấu trúc Ring quang, đáp ứng tốc độ cao cho dịch vụ xDSL.
  • Đề xuất giải pháp báo hiệu liên mạng tối ưu thông qua các giao thức chuẩn hóa SIP, MGCP và SIGTRAN trên nền SCTP.
  • Hoạch định lộ trình chuyển đổi 2 giai đoạn khoa học, bảo toàn vốn đầu tư và duy trì độ sẵn sàng mạng lưới đạt 99.999%.

Bước tiếp theo của dự án là triển khai thử nghiệm diện hẹp tại khu vực đô thị trung tâm trong năm 2007 trước khi nhân rộng toàn tỉnh. Các đơn vị viễn thông và kỹ sư chuyên ngành nên chủ động áp dụng mô hình kiến trúc này để tối ưu hóa hạ tầng và nâng cao hiệu quả sản xuất kinh doanh.