Tổng quan nghiên cứu

Trong giai đoạn 2005–2007, lưu lượng thông tin truyền số liệu và truy nhập Internet băng rộng tại Việt Nam ghi nhận mức tăng trưởng vượt bậc, đạt bình quân trên 45% mỗi năm. Hạ tầng viễn thông truyền thống dựa trên kỹ thuật chuyển mạch kênh TDM và mạng truyền dẫn SDH dần bộc lộ những hạn chế lớn về khả năng mở rộng băng thông, độ linh hoạt trong cấp phát tài nguyên và chi phí vận hành trên mỗi đơn vị bit. Trước yêu cầu cấp bách của Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam (VNPT) về việc chuyển đổi toàn diện sang mạng thế hệ sau NGN (Next Generation Network), mạng truyền tải quang đóng vai trò xương sống quyết định năng lực truyền tải đa dịch vụ.

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán thiết kế, quy hoạch và xây dựng mạng truyền tải quang ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing) cho mạng NGN tại Bưu điện tỉnh An Giang trong giai đoạn 2007–2008. Mục tiêu cụ thể là phân tích cấu trúc phân lớp NGN, lựa chọn kiến trúc truyền tải IP trực tiếp trên nền quang WDM, khảo sát hiện trạng mạng lưới 11 huyện thị của tỉnh và áp dụng các mô hình toán học tối ưu để định cỡ các tuyến truyền dẫn đường trục. Công trình có ý nghĩa thực tiễn quan trọng khi giúp nâng dung lượng truyền tải toàn tỉnh từ mức vài Gbps lên trên 40 Gbps, tiết kiệm hơn 30% chi phí đầu tư hạ tầng cáp quang mới và đảm bảo thời gian khôi phục mạng khi có sự cố đứt tuyến dưới 50 ms.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng hai khối kiến thức kỹ thuật viễn thông cốt lõi:

Thứ nhất, mô hình kiến trúc mạng thế hệ sau NGN phân tầng theo chuẩn của Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU-T) và Diễn đàn Chuyển mạch Đa dịch vụ (MSF). Mô hình bao gồm 4 lớp chức năng độc lập: Lớp ứng dụng/dịch vụ (Application Layer) với giao diện lập trình mở API; Lớp điều khiển (Control Layer) với trung tâm là chuyển mạch mềm Softswitch (Media Gateway Controller) điều khiển các tác nhân cuộc gọi; Lớp truyền thông (Media Gateway) chuyển đổi các giao thức thoại sang gói IP/ATM; và Lớp truy nhập/truyền tải (Access & Transport Layer).

Thứ hai, nguyên lý truyền dẫn quang phi tuyến và công nghệ ghép kênh bước sóng quang WDM/DWDM. Hệ thống khai thác dải bước sóng suy hao cực thấp trong vùng cửa sổ 1,31 µm và 1,55 µm (với độ suy hao sợi silic đạt dưới 0,2 dB/km), kết hợp bộ tách nhập kênh quang OADM (Optical Add-Drop Multiplexer). Khung phân tích đi sâu vào so sánh 3 cấu trúc ghép nối: IP/ATM/SDH trên WDM, IP/SDH trên WDM và kiến trúc tối ưu IP trực tiếp trên WDM thông qua giao thức PPP.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu phối hợp phương pháp phân tích định tính quy chuẩn kỹ thuật và tính toán mô phỏng định lượng dựa trên số liệu đo kiểm thực tế từ Bưu điện An Giang. Cỡ mẫu nghiên cứu bao trùm toàn bộ 11 trung tâm viễn thông huyện, thị xã cùng 105 trạm vệ tinh và trạm truy nhập xDSL trên toàn địa bàn tỉnh trong thời gian thu thập dữ liệu 24 tháng (2006–2007). Phương pháp chọn mẫu toàn bộ được sử dụng để đảm bảo tính chính xác tuyệt đối cho các chỉ tiêu lưu lượng giờ cao điểm (Erlang) và dung lượng trung kế PSTN theo khuyến nghị ITU-T E.500 và ITU-T E.520.

Tác giả áp dụng thuật toán Reduce cải tiến kết hợp phân tích đường đặc tuyến chi phí biên trung bình ATC (Average Total Cost). Phương pháp này được lựa chọn vì khả năng tối ưu hóa bài toán phân bổ luồng lưu lượng phức tạp, giúp xác định chính xác điểm ngưỡng kinh tế để quyết định thiết lập kênh bước sóng quang trực tiếp hay định tuyến chuyển tiếp qua các nút quang trung gian OADM.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, việc loại bỏ các tầng giao thức trung gian ATM/SDH để truyền tải IP trực tiếp trên WDM giúp giảm từ 15% đến 22% dung lượng tiêu tốn cho tiêu đề đóng gói (overhead) và cắt giảm 35% chi phí đầu tư thiết bị giao tiếp phần cứng.

Thứ hai, kết quả tính toán định cỡ cho thấy nhu cầu băng thông mạng đường trục An Giang tăng từ mức 622 Mbps (STM-4) lên 2,5 Gbps (STM-16) và sẵn sàng mở rộng đến 10 Gbps (STM-64) trên mỗi bước sóng. Toàn bộ 1.850 Erlang lưu lượng thoại PSTN cùng lưu lượng dữ liệu băng rộng dự báo tăng hơn 250% trong giai đoạn 2007–2008 được phân bổ gọn gàng trên 8 kênh bước sóng chính.

Thứ ba, thuật toán Reduce cải tiến đã tối ưu hóa toàn bộ mạng truyền tải đường trục An Giang thành cấu hình 2 vòng ring quang liên kết tự hàn gắn: Ring Bắc (kết nối Long Xuyên – Châu Đốc – Tân Châu – An Phú) và Ring Nam (kết nối Long Xuyên – Chợ Mới – Thoại Sơn – Tri Tôn). Cấu hình này bảo đảm 100% dung lượng bảo vệ 1+1 với thời gian chuyển mạch bảo vệ tự động đạt chuẩn dưới 50 ms.

Thảo luận kết quả

Các kết quả nghiên cứu được thể hiện rõ ràng qua hệ thống bảng thống kê kích cỡ các tuyến truyền tải đường trục và đồ thị quan hệ giữa số kênh quang với chi phí ATC trong luận văn. Đồ thị hàm chi phí chỉ rõ điểm gãy quyết định: khi lưu lượng giữa hai trạm vượt ngưỡng 0,65 đơn vị dung lượng luồng, việc cấp phát kênh bước sóng quang trực tiếp thông qua bộ OADM mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn 28% so với phương án gom luồng qua các bộ định tuyến router IP.

Nguyên nhân của hiệu quả vượt trội này là nhờ tận dụng triệt để băng thông quang dải C (1.530 nm – 1.565 nm) theo chuẩn khoảng cách kênh 100 GHz của ITU-T G.692 kết hợp bộ khuếch đại quang sợi EDFA. So với các mô hình SDH truyền thống triển khai tại một số tỉnh lân cận cùng thời kỳ, giải pháp WDM cấu hình ring của Bưu điện An Giang đã triệt tiêu hiện tượng nghẽn cổ chai truyền tải, kiểm soát suy hao toàn tuyến dưới 0,25 dB/km và cung cấp nền tảng vững chắc để triển khai các dịch vụ thoại IP, IPTV và truyền hình hội nghị chất lượng cao.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Lắp đặt và nâng cấp hệ thống thiết bị ghép bước sóng DWDM 16 đến 32 kênh trên 2 vòng ring quang đường trục: Các đơn vị kỹ thuật cần trang bị bộ OADM tại 4 trung tâm chuyển mạch chính (Long Xuyên, Châu Đốc, Tân Châu, Chợ Mới) trong quý 1 năm 2008 để nâng tốc độ truyền tải liên huyện lên 10 Gbps/bước sóng, đáp ứng mức tăng trưởng lưu lượng 40%/năm.
  2. Nâng cấp hệ thống chuyển mạch mềm Softswitch và các cổng trung kế: Ban Điều hành Dự án NGN cần hoàn tất việc lắp đặt cụm Softswitch phân tán cùng các thiết bị Trunk Gateway (TGW) và Access Gateway (AGW) tương thích chuẩn H.248/SIP trước tháng 6 năm 2008, đưa tỷ lệ nghẽn mạch cuộc gọi toàn mạng xuống dưới 0,01%.
  3. Ban hành quy trình đo kiểm và bảo dưỡng định kỳ tuyến cáp quang tự hàn gắn: Phòng Kỹ thuật Viễn thông An Giang cần duy trì đo kiểm quỹ suy hao toàn tuyến định kỳ bằng thiết bị OTDR, khống chế tổng suy hao công suất quang dưới ngưỡng 25 dB và duy trì thời gian khắc phục sự cố đứt cáp dưới 2 giờ trong giai đoạn 2008–2010.
  4. Mở rộng mạng truy nhập quang FTTx và tích hợp đa dịch vụ băng rộng: Trung tâm kinh doanh phối hợp khối kỹ thuật đẩy mạnh quang hóa tuyến cáp thuê bao, thay thế dần cáp đồng bằng mạng quang thụ động PON, hướng tới mục tiêu phát triển 35.000 thuê bao Internet tốc độ từ 2 Mbps trở lên trong giai đoạn 2008–2009.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Kỹ sư quy hoạch và thiết kế mạng truyền dẫn viễn thông: Nắm vững phương pháp tính toán trung kế thoại theo khuyến nghị ITU-T và thuật toán Reduce tối ưu hóa kênh quang; ứng dụng thiết kế các mạng vòng ring OADM có quy mô từ 8 đến 20 nút mạng tại các đô thị.
  • Cán bộ quản lý kỹ thuật tại các nhà khai thác viễn thông (VNPT, Viettel, MobiFone): Có cơ sở khoa học để lập dự án đầu tư chuyển đổi hạ tầng từ TDM/SDH sang mạng NGN nền tảng IP/WDM, tiết kiệm từ 25% đến 30% ngân sách mua sắm thiết bị.
  • Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Điện tử - Viễn thông: Khai thác làm tài liệu học tập chuyên khảo về cấu trúc Softswitch, kỹ thuật ghép kênh OTDM/WDM và công nghệ định tuyến gói trực tiếp trên lớp vật lý quang.
  • Chuyên viên vận hành và bảo dưỡng mạng truyền dẫn quang: Nắm bắt các phương pháp tính toán quỹ công suất quang, kỹ thuật bù tán sắc sợi quang, cơ chế vận hành bộ khuếch đại EDFA và xử lý sự cố truyền dẫn ở bước sóng 1.310 nm và 1.550 nm.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao công nghệ WDM lại là lựa chọn tối ưu cho mạng NGN Bưu điện An Giang? Công nghệ WDM cho phép truyền nhiều bước sóng quang độc lập trên cùng một sợi cáp quang hiện hữu mà không cần kéo thêm cáp mới. Tại An Giang, giải pháp này giúp nâng dung lượng truyền tải lên trên 10 Gbps, giảm hơn 30% chi phí truyền dẫn trên mỗi bit và đáp ứng trọn vẹn sự bùng nổ lưu lượng Internet.

Thuật toán Reduce cải tiến trong luận văn giải quyết vấn đề kỹ thuật nào? Thuật toán Reduce phân tích ma trận lưu lượng và hàm chi phí biên ATC giữa các nút mạng viễn thông. Thuật toán xác định chính xác ngưỡng lưu lượng (khoảng 0,65 dung lượng kênh) để đưa ra quyết định cấp phát bước sóng trực tiếp hay gom luồng chuyển tiếp qua trạm trung gian, giúp tối thiểu hóa tổng chi phí toàn mạng.

Mô hình IP trực tiếp trên WDM có điểm gì vượt trội so với IP/ATM/SDH/WDM? Mô hình IP trực tiếp trên WDM loại bỏ hai lớp giao thức trung gian ATM và SDH, giúp tiết kiệm từ 15% đến 22% băng thông tiêu tốn cho tiêu đề mào đầu. Mô hình giúp giảm độ trễ xử lý gói tin xuống dưới 10 ms, đơn giản hóa cấu trúc quản lý mạng và tiết kiệm 35% chi phí đầu tư phần cứng.

Cấu hình mạng vòng Ring OADM bảo vệ lưu lượng ra sao khi xảy ra sự cố đứt cáp? Cấu hình ring khép kín kết hợp bộ OADM sử dụng cơ chế bảo vệ tự hàn gắn 1+1 với đôi sợi quang dự phòng. Khi có sự cố đứt sợi cáp quang trên một nhánh, hệ thống tự động đổi hướng truyền tín hiệu sang nhánh đối diện của vòng ring trong thời gian dưới 50 ms, đảm bảo dịch vụ không bị gián đoạn.

Chuyển mạch mềm Softswitch giữ vai trò gì trong kiến trúc mạng NGN? Softswitch đóng vai trò bộ não điều khiển tại lớp điều khiển cuộc gọi của mạng NGN. Thiết bị này tách biệt hoàn toàn phần mềm điều khiển ra khỏi phần cứng chuyển mạch, chịu trách nhiệm xử lý logic cuộc gọi, định tuyến và điều khiển các cổng AGW/TGW thông qua giao thức chuẩn mở H.248 và SIP.

Kết luận

  • Hệ thống hóa hoàn chỉnh cơ sở lý thuyết về kiến trúc mạng NGN 4 phân lớp chức năng và công nghệ truyền dẫn đa bước sóng quang WDM/DWDM.
  • Phân tích chi tiết hiện trạng mạng viễn thông An Giang với hơn 100 trạm vệ tinh, tính toán chính xác nhu cầu 1.850 Erlang thoại và dung lượng băng rộng giai đoạn 2007–2008.
  • Ứng dụng thành công thuật toán Reduce cải tiến để quy hoạch 2 vòng ring quang Bắc – Nam tự hàn gắn, bảo đảm độ sẵn sàng và an toàn mạng 100%.
  • Đề xuất kiến trúc IP trực tiếp trên WDM giúp cắt giảm 35% chi phí thiết bị và loại bỏ đến 22% hao phí băng thông mào đầu đóng gói.
  • Xây dựng bản lộ trình kỹ thuật khả thi gồm 4 giai đoạn cụ thể từ năm 2008 đến năm 2010 để hiện đại hóa mạng viễn thông cấp tỉnh.

Đóng góp quan trọng nhất của luận văn là mang đến một giải pháp thiết kế mạng truyền tải quang WDM toàn diện, vừa có giá trị học thuật cao vừa bám sát thực tiễn mạng lưới Bưu điện An Giang. Bước tiếp theo trong kế hoạch 2008–2010 là triển khai thử nghiệm hệ thống DWDM 16 bước sóng trên tuyến trục Long Xuyên – Châu Đốc. Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp viễn thông hãy tham khảo công trình này để áp dụng hiệu quả vào công tác quy hoạch, hiện đại hóa hạ tầng mạng quang NGN tại các địa phương.