Tổng quan nghiên cứu

Sự bùng nổ của kỷ nguyên số đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc nâng cấp hạ tầng viễn thông không dây nhằm đáp ứng lưu lượng dữ liệu tăng trưởng theo cấp số nhân. Mạng di động thế hệ thứ năm (5G New Radio - NR) được chuẩn hóa để cung cấp tốc độ truyền dữ liệu vượt mốc 1 Gbps, độ trễ cực thấp dưới 1 mili giây và mật độ kết nối lên tới 1 triệu thiết bị trên mỗi kilomet vuông. Để hiện thực hóa mục tiêu này, 5G tận dụng dải tần số cực cao mmWave (24,25 GHz đến 52,6 GHz) cùng băng tần trung (3,3 GHz đến 6 GHz), mang lại tài nguyên băng thông rộng từ vài trăm MHz đến hàng GHz.

Tuy nhiên, việc truyền sóng ở dải tần mmWave gặp phải thách thức kỹ thuật nghiêm trọng do suy hao không gian tự do rất lớn, khả năng xuyên thấu vật cản kém và độ nhạy cảm cao trước biến động môi trường. Công nghệ định dạng búp sóng (Beamforming) với việc sử dụng các mảng anten đa phần tử trở thành giải pháp cốt lõi nhằm tập trung năng lượng vào các búp sóng hẹp, mang lại độ lợi định hướng bổ sung khoảng 3 dB để bù đắp suy hao truyền lan. Mặc dù vậy, tính di động của thiết bị đầu cuối (MT/UE) thường xuyên gây ra hiện tượng lệch búp sóng, làm gián đoạn liên kết và gia tăng đáng kể độ trễ do phải quét và thiết lập lại chùm tia.

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán tối ưu hóa quản lý búp sóng và đánh giá định lượng hiệu năng truyền thông trong mạng 5G NR. Mục tiêu cụ thể là xây dựng mô hình toán học dựa trên lý thuyết hình học ngẫu nhiên nhằm phân tích xác suất sai lệch chùm tia, chi phí thời gian quét (Overhead) và hiệu suất phổ vùng (ASE). Phạm vi nghiên cứu bao quát các kịch bản triển khai mạng thực tế tại các khu vực đô thị với khoảng cách giữa các trạm (ISD) biến thiên từ 200m đến 500m và tốc độ di chuyển của người dùng từ 3 km/h đến 120 km/h. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp công cụ phân tích chuẩn xác giúp tăng hiệu suất sử dụng tài nguyên vô tuyến lên hơn 30% và giảm thiểu tối đa hiện tượng rớt kết nối.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng kết hợp giữa các tiêu chuẩn kỹ thuật 3GPP Rel.15/Rel.16 và lý thuyết hình học ngẫu nhiên (Stochastic Geometry). Khung lý thuyết bao gồm hai trụ cột căn bản:

Thứ nhất, lý thuyết phân tích mạng hình học ngẫu nhiên dựa trên tiến trình điểm Poisson (Poisson Point Process - PPP). Mô hình này cho phép mô phỏng vị trí không gian thực tế của các trạm gốc (gNB) và thiết bị người dùng (MT) trong không gian hai chiều, từ đó tính toán chính xác hàm phân phối xác suất của tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng tạp âm (SINR) và hiệu suất phổ vùng (ASE).

Thứ hai, kiến trúc định dạng búp sóng hỗn hợp (Hybrid Beamforming). Do giới hạn về chi phí phần cứng và mức tiêu thụ năng lượng ở dải tần mmWave, kiến trúc hỗn hợp kết hợp giữa tiền mã hóa kỹ thuật số ở băng tần cơ sở và mạng dịch pha tương tự ở miền RF được sử dụng nhằm giảm số lượng chuỗi RF so với số lượng phần tử anten vật lý.

Bên cạnh đó, nghiên cứu tích hợp các khái niệm chuyên sâu trong tiêu chuẩn 5G NR:

  • Cấu trúc khối tín hiệu đồng bộ hóa (SSB) với chu kỳ phát 5, 10, 20 hoặc 40 ms; số lượng khối SSB tối đa là 4 khối (dưới 3 GHz), 8 khối (3 đến 6 GHz) và 64 khối (mmWave).
  • Quy trình quản lý búp sóng đa mức L1/L2: P-1 (quét và chọn cặp búp sóng sơ cấp Tx/Rx dựa trên SSB), P-2 (tinh chỉnh búp sóng phát Tx tại trạm gốc dựa trên CSI-RS), và P-3 (tinh chỉnh búp sóng thu Rx tại thiết bị đầu cuối).
  • Cơ chế khôi phục lỗi liên kết vô tuyến (Beam Failure Recovery) thông qua kênh truy nhập ngẫu nhiên PRACH.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu ứng dụng phương pháp mô hình hóa toán học giải tích kết hợp mô phỏng số học Monte Carlo để kiểm chứng độ chính xác của các biểu thức lý thuyết:

  • Cỡ mẫu và tham số thiết kế: Cỡ mẫu mô phỏng được thực hiện trên tập dữ liệu không gian gồm 10.000 điểm nút thiết bị người dùng (MT) phân bố ngẫu nhiên trong một vùng địa lý có diện tích 25 kilomet vuông, được phục vụ bởi mạng lưới trạm gốc mật độ cao. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên không gian đồng nhất (Homogeneous Poisson Sampling) được áp dụng nhằm phản ánh khách quan trạng thái phân bổ người dùng trong thực tế đô thị.
  • Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Lý thuyết hình học ngẫu nhiên được lựa chọn thay thế cho các mô hình ô mạng lục giác truyền thống vì phương pháp này nắm bắt được tính chất ngẫu nhiên của cấu trúc liên kết mạng thực tế, đồng thời cho phép thiết lập các công thức giải tích dạng đóng cho xác suất lệch búp sóng và hiệu suất phổ thay vì chỉ dựa hoàn toàn vào mô phỏng tốn kém thời gian.
  • Nguồn dữ liệu và timeline: Toàn bộ thông số vô tuyến, bảng mã kênh (LDPC, Polar), khoảng cách sóng mang con (SCS 15 kHz đến 120 kHz) và suy hao đường truyền được chuẩn hóa theo bộ tham số kỹ thuật 3GPP TS 38.211 và TS 38.214. Quá trình thu thập dữ liệu mô phỏng, xử lý số liệu và phân tích đối soát được tiến hành nghiêm ngặt trong giai đoạn từ tháng 1 đến tháng 9 năm 2022.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích hiệu năng thông qua phương pháp hình học ngẫu nhiên đã làm sáng tỏ mối quan hệ phụ thuộc lẫn nhau giữa các tham số cấu hình búp sóng và hiệu năng mạng:

Thứ nhất, việc gia tăng số lượng búp sóng tại trạm gốc và thiết bị đầu cuối giúp tăng mạnh hiệu suất phổ vùng (ASE), nhưng đồng thời làm tăng chi phí thời gian quét tia. Cụ thể, khi cấu hình số lượng chùm tia phát tại trạm gốc tăng từ 4 lên 16 chùm, công suất thu tín hiệu tham chiếu (RSRP) tăng trung bình 4,2 dB, nhưng tổng chi phí thời gian báo hiệu quét chùm tia trong một khung vô tuyến 10 ms tăng từ 6,5% lên tới 18,2%.

Thứ hai, tốc độ di chuyển của thiết bị người dùng tỷ lệ thuận với xác suất sai lệch chùm tia (Misalignment Probability). Ở vận tốc người đi bộ 3 km/h, xác suất sai lệch chỉ dừng ở mức 2,1% với chu kỳ SSB là 20 ms. Tuy nhiên, khi vận tốc người dùng tăng lên 60 km/h (phương tiện giao thông đô thị), xác suất sai lệch tăng vọt lên 24,7%, và đạt mức 41,5% ở vận tốc 120 km/h nếu chu kỳ SSB vẫn giữ nguyên ở mức 20 ms.

Thứ ba, cơ chế chuyển mạch chùm tia xác suất (Probabilistic Beam Switching) giúp giảm hiện tượng nghẽn liên kết và tăng độ lợi thu nhận. Bằng cách trang bị 2 hoặc 4 chùm thu tại thiết bị đầu cuối, hệ thống duy trì được mức SINR trung bình trên 12 dB ngay cả trong điều kiện tầm nhìn bị che khuất (NLOS), cải thiện thông lượng dữ liệu thực tế thêm 32% so với cấu hình đơn chùm tia.

Thảo luận kết quả

Dữ liệu phân tích chứng minh sự đánh đổi cốt lõi (trade-off) trong thiết kế hệ thống 5G NR giữa độ lợi định hướng búp sóng và chi phí tiêu hao tài nguyên điều khiển. Khi số lượng chùm tia tại trạm gốc và thiết bị đầu cuối được biểu diễn thông qua không gian 3 chiều đối với ASE hiệu dụng, đường cong hiệu năng thể hiện một điểm cực đại tối ưu rõ ràng. Việc tăng số chùm tia vượt quá ngưỡng bão hòa sẽ khiến chi phí báo hiệu L1/L2 vượt qua lợi ích tăng cường năng lượng tín hiệu, dẫn đến suy giảm tổng thông lượng hữu ích.

So với các nghiên cứu sử dụng mô hình ô mạng cố định truyền thống, phương pháp hình học ngẫu nhiên cho thấy tính biến thiên rõ rệt của xác suất sai lệch chùm tia theo khoảng cách liên trạm (ISD). Khi ISD giảm từ 500m xuống 200m trong mạng HetNet (mạng không đồng nhất), hiệu suất phổ tổng thể tăng 45% nhờ mật độ trạm dày đặc bù đắp cho sự suy hao khoảng cách, nhưng tần suất yêu cầu chuyển giao búp sóng (Beam Handover) tăng gấp 3,2 lần.

Các bảng so sánh dữ liệu giữa chế độ mạng độc lập (SA) và không độc lập (NSA) chỉ ra rằng kiến trúc SA cho phép tối ưu hóa việc phân bổ tài nguyên đường lên (UL) linh hoạt hơn, giúp thời gian khôi phục búp sóng sau sự cố (Beam Recovery Time) giảm từ 45 ms xuống còn dưới 15 ms, đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe của dịch vụ truyền thông độ trễ thấp cực tin cậy (URLLC).

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu định lượng, bốn giải pháp kỹ thuật cụ thể được đề xuất nhằm tối ưu hóa việc vận hành hệ thống búp sóng 5G:

Thứ nhất, chuẩn hóa cấu hình phần cứng tối thiểu 4T4R và khuyến nghị 8T8R cho các trạm phát sóng mmWave đô thị. Các doanh nghiệp viễn thông cần áp dụng cấu hình mảng anten phân đoạn kết hợp kiến trúc định dạng búp sóng hỗn hợp để đạt mục tiêu tăng độ lợi phủ sóng thêm 3 dB đến 5 dB, hoàn thành triển khai trong giai đoạn 2023-2024.

Thứ hai, thiết lập thuật toán điều chỉnh chu kỳ khối SSB động dựa trên vận tốc di chuyển của người dùng. Trạm gốc gNB cần tự động chuyển đổi chu kỳ phát SSB từ 20 ms xuống 5 ms hoặc 10 ms đối với các ô mạng phục vụ tuyến giao thông tốc độ cao nhằm giảm xác suất sai lệch búp sóng xuống dưới 8%, mục tiêu hoàn thành tích hợp phần mềm điều khiển trong vòng 6 tháng.

Thứ three, ứng dụng cơ chế chuyển đổi búp sóng xác suất tại thiết bị đầu cuối với tối thiểu 2 chùm thu Rx. Giải pháp này giúp duy trì kết nối liên tục khi người dùng chuyển hướng đột ngột, nâng cao chỉ số RSRP trung bình thêm 2,8 dB và giảm thiểu 40% số lần kích hoạt quy trình truy nhập ngẫu nhiên PRACH phục hồi lỗi.

Thứ tư, đẩy nhanh lộ trình chuyển dịch từ kiến trúc mạng 5G NSA sang 5G SA gốc đám mây (Cloud-Native Architecture). Các nhà khai thác mạng di động cần hoàn thiện nâng cấp mạng lõi 5G Core trong vòng 12 đến 24 tháng nhằm khai thác tối đa tính năng phân chia mạng (Network Slicing), giảm 60% độ trễ báo hiệu quản lý búp sóng và tối ưu hóa hiệu quả năng lượng toàn mạng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu trong luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho bốn nhóm đối tượng chính:

  • Kỹ sư quy hoạch và tối ưu hóa mạng vô tuyến (RAN Engineers): Nắm vững các công thức tính toán giải tích để cấu hình chính xác chu kỳ SSB, ngưỡng kích hoạt CSI-RS và thiết lập tham số quản lý búp sóng phù hợp với từng môi trường địa hình đô thị hoặc nông thôn.
  • Nhà phát triển thiết bị viễn thông và phần cứng RF: Ứng dụng các phân tích về kiến trúc định dạng búp sóng hỗn hợp, số lượng chuỗi RF và cấu hình mảng anten 4T4R/8T8R để thiết kế các khối thu phát tối ưu hóa chi phí sản xuất và tiết kiệm điện năng tiêu thụ.
  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Điện tử Viễn thông: Sử dụng tài liệu như một công trình tham khảo chuẩn mực về phương pháp áp dụng lý thuyết hình học ngẫu nhiên (PPP) trong việc giải quyết các bài toán tối ưu hóa mạng vô tuyến thế hệ mới.
  • Cán bộ quản lý chiến lược tại các cơ quan quản lý viễn thông và nhà mạng: Có thêm căn cứ khoa học và số liệu định lượng để xây dựng lộ trình quy hoạch phổ tần số vô tuyến (FR1 và FR2) cũng như hoạch định chính sách đầu tư hạ tầng 5G Standalone hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao kỹ thuật định dạng búp sóng kỹ thuật số hoàn toàn ít được áp dụng ở dải tần mmWave 5G? Định dạng búp sóng kỹ thuật số yêu cầu mỗi phần tử anten phải đi kèm một chuỗi RF chuyên biệt (bao gồm DAC/ADC, bộ trộn, bộ khuếch đại công suất). Ở dải tần mmWave với hàng trăm phần tử anten, cấu trúc này đẩy chi phí sản xuất lên cực cao và gây tiêu hao năng lượng vượt ngưỡng cho phép của thiết bị di động, do đó kiến trúc lai (Hybrid Beamforming) là lựa chọn tối ưu nhất.

  2. Phương pháp hình học ngẫu nhiên đem lại lợi thế gì so với mô phỏng ô mạng lục giác truyền thống? Mô hình hình học ngẫu nhiên dựa trên tiến trình điểm Poisson (PPP) mô tả chính xác sự phân bố ngẫu nhiên của các trạm gNB và thiết bị di động trong môi trường đô thị phức tạp. Phương pháp này cho phép thiết lập các công thức giải tích toán học dạng đóng để tính toán nhanh xác suất sai lệch chùm tia và hiệu suất phổ với độ chính xác cao mà không cần tiêu tốn hàng trăm giờ mô phỏng máy tính.

  3. Sự khác biệt căn bản giữa thủ tục quản lý búp sóng P-1, P-2 và P-3 là gì? Thủ tục P-1 thực hiện quét búp sóng diện rộng dựa trên khối SSB để hỗ trợ truy nhập ban đầu và chọn cặp chùm tia sơ cấp. Thủ tục P-2 giữ cố định búp thu tại thiết bị và quét tinh chỉnh búp phát Tx tại trạm gốc bằng tín hiệu CSI-RS. Thủ tục P-3 giữ cố định búp phát từ trạm gốc và quét tinh chỉnh búp thu Rx tại thiết bị để tối đa hóa công suất tín hiệu thu được.

  4. Tốc độ di chuyển của người dùng ảnh hưởng như thế nào đến chu kỳ cấu hình khối SSB? Khi người dùng di chuyển ở vận tốc cao (trên 60 km/h), hướng góc của chùm tia thay đổi rất nhanh, làm tăng xác suất sai lệch búp sóng lên trên 24% nếu giữ chu kỳ SSB mặc định 20 ms. Do đó, hệ thống cần cấu hình chu kỳ SSB ngắn hơn (5 ms hoặc 10 ms) để cập nhật liên tục vị trí chùm tia, dù điều này làm tăng nhẹ chi phí thời gian báo hiệu vô tuyến.

  5. Cấu hình 4T4R đóng vai trò như thế nào trong tiêu chuẩn anten 5G NR? Theo khuyến nghị của 3GPP Rel.15, để tạo ra các chùm phát sóng hẹp có khả năng định hướng linh hoạt với tối đa 4 búp sóng ở băng tần dưới 3 GHz và 8 búp sóng ở băng tần 3-6 GHz, hệ thống yêu cầu tối thiểu hai mảng anten phân cực kép. Điều này tương ứng với cấu hình tối thiểu 4 máy phát và 4 máy thu (4T4R) trên mỗi băng tần phát sóng.

Kết luận

  • Luận văn đã mô hình hóa thành công hệ thống quản lý búp sóng mạng 5G NR bằng công cụ giải tích hình học ngẫu nhiên, chứng minh mối quan hệ tương hỗ giữa cấu trúc mảng anten và hiệu suất mạng.
  • Đánh giá định lượng xác suất sai lệch chùm tia và chỉ ra rằng việc tối ưu hóa chu kỳ SSB (5 ms đến 20 ms) giúp giảm thiểu hiện tượng mất liên kết xuống dưới 10% trong điều kiện di động đô thị.
  • Xác định điểm cân bằng tối ưu giữa việc tăng số lượng búp sóng và chi phí thời gian quét báo hiệu (Overhead), giúp nâng cao hiệu suất phổ vùng (ASE) thực tế thêm 30% đến 45%.
  • Đóng góp bộ giải pháp kỹ thuật toàn diện từ cấu hình phần cứng anten 4T4R/8T8R, thuật toán chuyển mạch búp sóng thích ứng cho đến lộ trình nâng cấp mạng lõi 5G Standalone.
  • Trong giai đoạn tiếp theo từ năm 2024 trở đi, các hướng nghiên cứu mở rộng cần tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI/ML) vào việc dự đoán búp sóng thời gian thực và mở rộng mô hình hình học ngẫu nhiên sang không gian 3 chiều cho mạng 6G tích hợp vệ tinh mặt đất. Các chuyên gia và kỹ sư viễn thông nên áp dụng ngay khung phân tích này để nâng cao chất lượng quy hoạch mạng 5G thực tế.