Tổng quan nghiên cứu

Sự bùng nổ của các dịch vụ dữ liệu di động tốc độ cao đã đặt ra thách thức lớn đối với hạ tầng mạng viễn thông tại các đô thị lớn. Đến tháng 10 năm 2019, mạng 4G LTE-A của MobiFone trên địa bàn thành phố Hà Nội đã phát triển quy mô lên tới 1.526 trạm eNodeB, phục vụ hàng triệu người dùng với tốc độ tải xuống trung bình đạt 39,04 Mbit/s và tốc độ tải lên trung bình đạt 29,59 Mbit/s. Tuy nhiên, tại các khu vực trung tâm có mật độ xây dựng dày đặc như quận Ba Đình với 105 trạm và quận Hoàn Kiếm với 85 trạm, chất lượng dịch vụ thường xuyên bị ảnh hưởng bởi hiện tượng can nhiễu vô tuyến và che chắn địa hình phức tạp.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của luận văn là tình trạng suy giảm các chỉ số chất lượng dịch vụ vô tuyến cục bộ, xuất hiện nhiều vùng lõm có mức thu tín hiệu RSRP giảm xuống dưới -105 dBm và chất lượng tín hiệu RSRQ kém hơn -14 dB. Mục tiêu cụ thể của công trình là phân tích cấu trúc mạng, thu thập dữ liệu đo kiểm thực địa, từ đó xác định nguyên nhân gốc rễ và đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm cải thiện đồng bộ các tham số đo lường hiệu năng hoạt động mạng.

Phạm vi nghiên cứu được triển khai trọng điểm trên hạ tầng mạng 4G LTE-A sử dụng băng tần 1800 MHz của MobiFone tại hai quận Ba Đình và Hoàn Kiếm trong năm 2019. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc nâng cao trải nghiệm người dùng, hạ tỷ lệ rớt phiên dữ liệu gói ERAB_DR xuống dưới 0,5% và duy trì tỷ lệ thiết lập phiên thành công ERAB_SR đạt trên 99,5%, góp phần khẳng định năng lực cạnh tranh dịch vụ của nhà mạng trên thị trường viễn thông di động.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng kiến trúc hệ thống mạng gói cải tiến Evolved Packet System gồm hai phân hệ cốt lõi: mạng lõi chuyển mạch gói EPC và mạng truy nhập vô tuyến E-UTRAN. Phân hệ E-UTRAN loại bỏ hoàn toàn bộ điều khiển trạm gốc RNC truyền thống, tích hợp trực tiếp các thuật toán xử lý vào trạm thu phát sóng cải tiến eNodeB, kết nối đồng thời với MME và cổng dịch vụ SGW qua giao diện chuẩn S1 dựa trên giao thức IP.

Khung lý thuyết vận dụng các công nghệ đột phá của chuẩn 3GPP Release 10:

  • Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA cho đường truyền xuống: Giúp phân bổ linh hoạt các sóng mang con 15 kHz, loại bỏ nhiễu xuyên ký tự ISI và nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần.
  • Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang SC-FDMA cho đường truyền lên: Giúp duy trì tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR ở mức thấp, tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ cho thiết bị đầu cuối.
  • Kỹ thuật đa ăng-ten MIMO bậc cao và ghép kênh không gian: Cho phép cấu hình tối đa 8 cặp thu phát đường xuống và 4 cặp thu phát đường lên, tạo ra nhiều luồng dữ liệu song song trên cùng một kênh tần số.
  • Công nghệ ghép sóng mang Carrier Aggregation: Hỗ trợ kết hợp tối đa 5 sóng mang thành phần để mở rộng băng thông tổng lên đến 100 MHz, cùng kỹ thuật phối hợp đa điểm CoMP giúp triệt tiêu nhiễu và tăng cường chất lượng vùng biên cell.

Hệ thống đánh giá chất lượng được chuẩn hóa thông qua hai nhóm chỉ số: nhóm chỉ số đo lường hiệu năng hoạt động mạng trích xuất từ hệ thống quản lý như ERAB_SR, ERAB_DR, CSFB_SR và nhóm chỉ số đo kiểm thực tế hiện trường như mức thu tín hiệu RSRP, chất lượng tín hiệu RSRQ, thông lượng tầng ứng dụng tải lên và tải xuống.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp hai nguồn dữ liệu chính để đảm bảo tính khách quan và toàn diện: dữ liệu thống kê liên tục 24/7 từ hệ thống quản lý giám sát mạng trung tâm NetAct của Nokia và dữ liệu đo kiểm thực nghiệm Drive Test trực tiếp ngoài hiện trường. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập bằng thiết bị chuyên dụng TEMS kết nối máy tính chạy phần mềm TEMS Investigation và được phân tích chuyên sâu qua phần mềm TEMS Discovery.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm hàng chục nghìn mẫu đo kiểm tín hiệu vô tuyến dọc theo các tuyến đường huyết mạch, tập trung vào các cụm trạm trọng điểm như trạm HBD007C_LTE và cụm 3 sector HBD173A_LTE, HBD173B_LTE, HBD173C_LTE tại khu vực Hoàng Hoa Thám, Vĩnh Phúc thuộc quận Ba Đình. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được áp dụng nhằm nhắm chính xác vào các khu vực ghi nhận nhiều phản ánh chất lượng từ khách hàng và có lưu lượng sử dụng dữ liệu di động cao.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích kết hợp giữa thống kê log file và đo kiểm hiện trường là nhằm đối soát chéo: dữ liệu hệ thống cung cấp góc nhìn vĩ mô về tải mạng và lỗi báo hiệu, trong khi dữ liệu đo kiểm cung cấp tọa độ địa lý chi tiết về các vùng suy hao cường độ sóng thực tế. Toàn bộ quy trình đo đạc, xây dựng yêu cầu thay đổi tham số Change Request và nghiệm thu chất lượng được hoàn thành đồng bộ trong quý 3 và quý 4 năm 2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích dữ liệu đo kiểm trước khi tối ưu đã bộc lộ rõ rệt các điểm nghẽn kỹ thuật tại khu vực nghiên cứu:

  • Tại khu vực Hoàng Hoa Thám thuộc quận Ba Đình, bản đồ mức thu RSRP trước tối ưu cho thấy diện tích vùng lõm sóng chiếm tỷ lệ đáng kể, với mức thu dao động từ -110 dBm đến -95 dBm. Chất lượng tín hiệu RSRQ suy giảm mạnh trong dải từ -18 dB đến -14 dB do ảnh hưởng của hiện tượng giao thoa sóng giữa các sector lân cận.
  • Thông lượng dữ liệu thực tế đo được tại các điểm nghẽn trước tối ưu chỉ đạt 15 đến 20 Mbit/s đối với đường xuống và dưới 10 Mbit/s đối với đường lên, thấp hơn từ 45% đến 60% so với mức trung bình toàn mạng của MobiFone tại Hà Nội.
  • Dữ liệu cấu hình phần cứng ghi nhận 4 trạm cell mục tiêu gồm HBD007C_LTE có độ cao anten 24 mét, hướng azimuth 290 độ, tilt cơ 4 độ, tilt điện 10 độ; cùng 3 cell thuộc trạm HBD173 có độ cao anten 31 mét, tilt điện lên tới 12 độ đang gây ra hiện tượng mất cân bằng vùng phủ và can nhiễu chéo.

Sau khi triển khai các phương án điều chỉnh góc tilt điện, xoay hướng bức xạ azimuth từ 10 đến 30 độ và cân chỉnh lại công suất phát vô tuyến, kết quả đo kiểm ghi nhận sự chuyển biến vượt bậc:

  • Tỷ lệ mẫu đo đạt mức thu RSRP tốt hơn -95 dBm tăng từ 68% lên 93,5%, triệt tiêu hoàn toàn các vùng lõm sóng sâu trên tuyến đường Hoàng Hoa Thám và Vĩnh Phúc.
  • Chất lượng tín hiệu RSRQ đạt ngưỡng chuẩn trên -14 dB tăng thêm 27,4%, giảm thiểu tối đa hiện tượng phân rã gói tin và lỗi truyền dẫn.
  • Thông lượng tải xuống trung bình sau tối ưu tăng mạnh lên ngưỡng 46,8 Mbit/s, tương đương mức tăng trưởng 134%; thông lượng tải lên trung bình đạt 28,4 Mbit/s, tăng hơn 180% so với trước khi tinh chỉnh.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến tình trạng suy giảm KPI trước tối ưu xuất phát từ việc thiết kế độ nghiêng anten ban đầu chưa phù hợp với mật độ nhà ở dày đặc và các công trình cao tầng trong khu vực nội đô. Khi góc tilt điện đặt quá lớn ở các trạm có độ cao trên 30 mét, búp sóng vô tuyến chính bị suy giảm cự ly phủ sóng, tạo ra các vùng bóng râm vô tuyến ngay tại chân trạm và các trục giao thông chính. Đồng thời, sự chồng lấn búp sóng phụ giữa trạm HBD007 và HBD173 đã làm gia tăng can nhiễu nội mạng, kéo tụt chỉ số RSRQ.

So sánh với các nghiên cứu tối ưu hóa mạng vô tuyến đô thị tiêu chuẩn, việc can thiệp chuẩn hóa các tham số vật lý kết hợp tinh chỉnh logic giúp mang lại hiệu quả cải thiện chất lượng mạng từ 25% đến 35% mà không làm phát sinh chi phí đầu tư mua sắm phần cứng eNodeB mới. Toàn bộ dữ liệu thu thập được minh chứng trực quan qua các bảng thông số đối chiếu và các biểu đồ nhiệt phủ sóng RSRP, RSRQ trước và sau tối ưu, cung cấp bằng chứng thuyết phục về tính khả thi và độ chính xác của giải pháp Change Request đã ban hành.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật mang tính hành động cao:

  1. Chuẩn hóa cấu hình góc nghiêng và hướng phát sóng: Trung tâm Mạng lưới MobiFone miền 1 cần tiến hành rà soát, điều chỉnh góc tilt cơ từ 0 đến 4 độ, tilt điện từ 6 đến 10 độ và góc phương vị azimuth cho toàn bộ 190 trạm eNodeB thuộc hai quận Ba Đình và Hoàn Kiếm. Mục tiêu đặt ra là duy trì tỷ lệ vùng phủ đạt RSRP trên -95 dBm tại trên 95% diện tích đô thị, hoàn thành trong vòng 60 ngày.

  2. Tinh chỉnh bộ tham số quản lý tài nguyên vô tuyến RRM: Đội ngũ kỹ sư tối ưu hóa cần cấu hình lại các ngưỡng truy cập vô tuyến, tham số chuyển vùng IRAT và ngưỡng kích hoạt tính năng CSFB trên hệ thống quản lý trung tâm NetAct. Mục tiêu nhằm giảm tỷ lệ thuê bao bị chuyển mạng bất thường 4G_Lost_Rate xuống dưới 1,2% và đưa tỷ lệ thiết lập dịch vụ CSFB_SR đạt mức trên 99,6%, thực hiện kiểm tra định kỳ hàng tháng.

  3. Triển khai các trạm phát sóng cỡ nhỏ Small Cell và trạm chuyển tiếp Relay Node: Ban Quy hoạch Mạng lưới cần lập kế hoạch lắp đặt bổ sung khoảng 40 trạm micro eNodeB tại các khu vực điểm mù sóng sâu trong các ngõ phố cổ Hoàn Kiếm và bên trong các tòa nhà văn phòng cao tầng tại Ba Đình trong giai đoạn 2020 - 2021.

  4. Nâng cấp và mở rộng tính năng ghép sóng mang Carrier Aggregation: Khuyến nghị đơn vị vận hành kích hoạt tính năng CA kết hợp dải tần 1800 MHz với băng tần 2600 MHz hoặc 2100 MHz khi được cấp phép, nâng tốc độ tải xuống cực đại của người dùng vượt ngưỡng 100 Mbit/s tại các khu vực tập trung đông khách hàng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật phong phú cho 4 nhóm đối tượng:

  • Kỹ sư tối ưu hóa mạng vô tuyến RF: Tài liệu cung cấp trọn vẹn quy trình từng bước từ khâu phân tích log file TEMS, nhận diện lỗi suy giảm vùng phủ, xác định nguyên nhân can nhiễu đến việc lập bảng tham số Change Request chuẩn xác cho hệ thống trạm eNodeB Nokia.
  • Cán bộ quản lý vận hành kỹ thuật tại các nhà mạng di động: Cung cấp góc nhìn toàn diện về phương pháp giám sát các chỉ số KPI hiệu năng hệ thống, từ đó xây dựng các quy trình quản lý chất lượng dịch vụ QoS và nâng cao trải nghiệm người dùng mạng 4G.
  • Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Viễn thông: Là tài liệu tham khảo học thuật chuyên sâu về các kỹ thuật tiên tiến như OFDMA, SC-FDMA, MIMO đa tầng và kỹ thuật ghép sóng mang CA, kết nối chặt chẽ giữa lý thuyết chuẩn 3GPP với môi trường vận hành thương mại thực tế.
  • Các đơn vị kiểm định chất lượng và tư vấn thiết kế viễn thông: Vận dụng các phương pháp đo kiểm Drive Test và công thức tính toán KPI chuẩn mực trong luận văn để xây dựng tiêu chí đánh giá, nghiệm thu các dự án phát triển hạ tầng mạng không dây đô thị.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao mạng 4G LTE-A sử dụng OFDMA cho đường xuống nhưng lại dùng SC-FDMA cho đường lên? Kỹ thuật OFDMA tối ưu hóa hiệu quả sử dụng phổ tần và loại bỏ nhiễu đa đường nhưng lại có tỷ số công suất đỉnh trên trung bình PAPR cao. Ngược lại, SC-FDMA có dạng sóng đơn sóng mang giúp giảm đáng kể chỉ số PAPR, từ đó tiết kiệm năng lượng pin cho thiết bị di động đầu cuối và tối ưu hiệu suất bộ khuếch đại công suất đường lên.

  2. Chỉ số RSRP và RSRQ trong đo kiểm chất lượng mạng 4G phản ánh điều gì? Chỉ số RSRP đo lường mức công suất tín hiệu thu được từ sóng mang tham chiếu tính bằng đơn vị dBm, đại diện cho cường độ vùng phủ sóng với ngưỡng tốt là trên -95 dBm. Chỉ số RSRQ phản ánh chất lượng tín hiệu thu tính bằng dB, thể hiện mức độ sạch của tín hiệu sau khi đã tính đến các yếu tố can nhiễu và tải của kênh truyền, yêu cầu mức chuẩn phải từ -14 dB trở lên.

  3. Nguyên nhân chủ yếu dẫn đến hiện tượng tỷ lệ rớt phiên dữ liệu ERAB_DR tăng cao là gì? Tỷ lệ rớt phiên dữ liệu ERAB_DR tăng cao thường bắt nguồn từ suy hao truyền dẫn quang kết nối trạm gốc, lỗi phần cứng card xử lý băng gốc, thiếu khai báo danh sách cell lân cận gây mất kết nối khi chuyển giao hoặc do hiện tượng búp sóng vượt vùng phủ gây can nhiễu đồng kênh nghiêm trọng từ các trạm xung quanh.

  4. Việc điều chỉnh góc tilt điện của anten trạm thu phát eNodeB có tác dụng kỹ thuật như thế nào? Góc tilt điện làm thay đổi trực tiếp góc chúc của búp sóng bức xạ chính thông qua việc biến đổi pha tín hiệu cấp cho các chấn tử anten. Việc tăng góc tilt điện từ 6 lên 10 hoặc 12 độ giúp nén vùng phủ sóng vào đúng cự ly mục tiêu, hạn chế bức xạ tràn sang các trạm lân cận và giảm thiểu hiện tượng nhiễu nội mạng trong đô thị.

  5. Tính năng chuyển tiếp cuộc gọi CSFB hoạt động như thế nào khi thuê bao đang sử dụng mạng 4G? Khi thiết bị đầu cuối đang kết nối dữ liệu trên mạng 4G LTE nhận hoặc thực hiện cuộc gọi thoại, hệ thống sẽ gửi bản tin báo hiệu yêu cầu thiết bị tạm thời chuyển giao kết nối vô tuyến xuống mạng 3G hoặc 2G để thiết lập kênh thoại chuyển mạch kênh, sau đó tự động hoàn trả kết nối về lại mạng 4G khi cuộc gọi kết thúc trong vòng dưới 2 giây.

Kết luận

  • Luận văn đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về cấu trúc mạng Evolved Packet System cùng các kỹ thuật nền tảng của công nghệ 4G LTE-A như OFDMA, SC-FDMA, MIMO bậc cao và ghép sóng mang Carrier Aggregation.
  • Công trình đã khảo sát, đánh giá chi tiết hiện trạng mạng 4G LTE-A của MobiFone tại Hà Nội với quy mô 1.526 trạm eNodeB, chỉ ra chính xác các nguyên nhân gây suy giảm chỉ số RSRP và RSRQ tại quận Ba Đình và Hoàn Kiếm.
  • Đã xây dựng và thực thi thành công phương án điều chỉnh tham số vật lý cho các cụm trạm trọng điểm, nâng tỷ lệ vùng phủ RSRP đạt chuẩn lên 93,5% và tăng thông lượng tải xuống trung bình lên 46,8 Mbit/s, tương đương mức cải thiện 134%.
  • Đóng góp chính của đề tài là xây dựng quy trình tối ưu hóa mạng vô tuyến khép kín, chuẩn hóa các bước từ đo kiểm hiện trường, phân tích dữ liệu NetAct đến ban hành lệnh Change Request áp dụng hiệu quả cho môi trường đô thị đặc thù.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo cần tập trung ứng dụng các thuật toán trí tuệ nhân tạo để tự động hóa tối ưu mạng tự tổ chức SON và chuẩn bị lộ trình tích hợp mạng 5G New Radio trong giai đoạn 2022 - 2025.

Các kỹ sư viễn thông và nhà nghiên cứu quan tâm có thể khai thác các bảng số liệu cấu hình và giải pháp kỹ thuật trong công trình này để làm tài liệu chuẩn hóa cho công tác tối ưu hóa chất lượng mạng vô tuyến tại các đô thị lớn.