Tổng quan nghiên cứu

Thị trường viễn thông toàn cầu ghi nhận sự bùng nổ mạnh mẽ với hơn 4,7 tỷ thuê bao di động và khoảng 7,6 tỷ kết nối không dây, tạo ra tổng doanh thu vượt mốc 1.000 tỷ USD. Sự gia tăng nhanh chóng của các dịch vụ đa phương tiện chất lượng cao, truyền tải dữ liệu dung lượng lớn và các ứng dụng thời gian thực đã đặt ra thách thức vượt quá khả năng đáp ứng của hạ tầng mạng 3G truyền thống. Nhằm giải quyết triệt để vấn đề nghẽn băng thông và giảm độ trễ truyền dẫn xuống dưới ngưỡng 5 ms, công nghệ mạng di động thế hệ thứ tư 4G LTE và LTE-Advanced đã trở thành giải pháp tất yếu.

Tại Việt Nam, giai đoạn năm 2016 đánh dấu bước chuyển mình quan trọng khi các nhà mạng bắt đầu triển khai thử nghiệm diện rộng công nghệ 4G LTE trên băng tần 1800 MHz và 2600 MHz. Tuy nhiên, việc vận hành mạng lưới mới đòi hỏi các giải pháp giám sát và đo kiểm chất lượng dịch vụ chuyên sâu nhằm đảm bảo chỉ tiêu kỹ thuật QoS và trải nghiệm thực tế QoE của người dùng cuối. Các thiết bị đo kiểm ngoại nhập chuyên dụng thường có giá thành rất cao, cấu hình phức tạp và thiếu tính linh hoạt khi tích hợp hệ thống.

Luận văn tập trung vào mục tiêu nghiên cứu, thiết kế và phát triển một bộ công cụ phần mềm đo kiểm, đánh giá chất lượng dịch vụ di động 4G LTE/LTE-Advanced hoàn chỉnh. Hệ thống được triển khai thử nghiệm thực tế tại khu vực đô thị Hà Nội trong năm 2016, hỗ trợ đo đạc toàn diện các thông số vô tuyến từ mức công suất thu RSRP, chất lượng tín hiệu RSRQ, tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR đến các chỉ số lớp dịch vụ như tốc độ truyền tải gói tin đạt trên 140 Mbps và tỷ lệ thiết lập cuộc gọi thành công. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa thực tiễn to lớn, giúp các đơn vị khai thác viễn thông trong nước chủ động tối ưu mạng lưới với chi phí đầu tư tiết kiệm hơn 60% so với giải pháp thương mại nước ngoài.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết kiến trúc mạng di động toàn IP (All-IP) của chuẩn 3GPP Release 8 và Release 10 LTE-Advanced. Cấu trúc hệ thống bao gồm hai phân hệ cốt lõi: mạng truy nhập vô tuyến phát triển E-UTRAN và mạng lõi chuyển mạch gói EPC. Mạng E-UTRAN được tối giản hóa với nút trạm gốc duy nhất eNodeB, tích hợp toàn bộ chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến RRM, giúp rút ngắn thời gian xử lý và giảm độ trễ truyền dẫn đi-về (RTT) xuống dưới 5 ms trong điều kiện lý tưởng. Phân hệ mạng lõi EPC bao gồm các thực thể chức năng chính: khối quản lý tính di động MME xử lý mặt phẳng điều khiển, cổng phục vụ S-GW định tuyến dữ liệu người dùng, cổng mạng gói P-GW làm cầu nối Internet và gán địa chỉ IP, máy chủ quản lý thuê bao HSS và khối điều khiển chính sách tính cước PCRF.

Khung phân tích kỹ thuật của luận văn tập trung vào công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDMA cho đường xuống và SC-FDMA cho đường lên, kết hợp kỹ thuật đa anten MIMO từ cấu hình 2x2, 4x4 đến 8x8 cùng kỹ thuật gộp sóng mang Carrier Aggregation cho phép mở rộng băng thông tối đa lên tới 100 MHz. Để đánh giá chất lượng toàn diện, nghiên cứu áp dụng hệ thống chỉ số KPI tiêu chuẩn gồm: công suất tín hiệu thu tham chiếu RSRP (biên độ chuẩn từ -140 dBm đến -44 dBm), chất lượng tín hiệu thu RSRQ (từ -19.5 dB đến -3 dB), chỉ số chất lượng kênh truyền CQI (thang giá trị từ 1 đến 15), cùng hai cơ chế truyền thoại chính là VoLTE trên nền phân hệ đa phương tiện IMS và giải pháp chuyển mạch kênh dự phòng CSFB.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp mô hình hóa kiến trúc phần mềm với thực nghiệm đo kiểm thực địa Driving Test. Nguồn dữ liệu sơ cấp được thu thập trực tiếp thông qua các thiết bị đầu cuối thương mại hỗ trợ chipset 4G LTE kết nối với máy tính phân tích qua cổng giao tiếp nối tiếp ảo, ghi nhận luồng dữ liệu thời gian thực từ các bản tin giao thức lớp NAS, RRC và các tham số lớp vật lý.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm hơn 1.200 điểm đo đạc tham số sóng vô tuyến liên tục và 500 phiên thiết lập cuộc gọi thử nghiệm trên các tuyến đường đô thị trọng điểm tại Hà Nội. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu ngẫu nhiên phân tầng theo các vùng địa lý đại diện: khu vực trung tâm mật độ trạm cao, khu vực ngoại thành và các vị trí biên tế bào có mức độ giao thoa tín hiệu phức tạp. Phương pháp phân tích dữ liệu định lượng tương quan đa biến được lựa chọn nhằm bóc tách mối liên hệ giữa các tham số vô tuyến mức thấp (RSRP, SNR) với hiệu năng ứng dụng mức cao (Throughput, Latency, CSSR). Quá trình nghiên cứu và đo thử nghiệm được thực hiện xuyên suốt trong 10 tháng năm 2016, đảm bảo tính chuẩn xác và độ tin cậy theo đúng các khuyến nghị quốc tế của 3GPP.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình đo kiểm thực nghiệm bằng bộ công cụ tự phát triển trên hạ tầng mạng thử nghiệm đã ghi nhận bốn phát hiện kỹ thuật quan trọng:

Thứ nhất, về hiệu năng truyền tải dữ liệu, trên độ rộng băng thông đơn 20 MHz sử dụng kỹ thuật MIMO 2x2, tốc độ tải xuống thực tế trung bình đạt 112.4 Mbps và tốc độ đỉnh đạt 142.6 Mbps (tương đương 95% thông lượng lý thuyết của thiết bị đầu cuối chuẩn Cat 4). Khi kích hoạt tính năng gộp 2 sóng mang Carrier Aggregation (băng thông tổng cộng 40 MHz), tốc độ tải xuống tăng trưởng vượt bậc lên 264.8 Mbps, cải thiện 82.3% hiệu năng truyền dữ liệu so với đơn sóng mang.

Thứ hai, đối với dịch vụ thoại qua giải pháp chuyển mạch kênh dự phòng CSFB, tỷ lệ thiết lập cuộc gọi thành công MO CSSR đạt mức cao 98.6%. Tuy nhiên, thời gian thiết lập cuộc gọi trung bình dao động từ 4.5 giây đến 5.8 giây, tăng khoảng 35% độ trễ so với cuộc gọi thuần 3G truyền thống do phải thực hiện các thủ tục báo hiệu chuyển giao giữa MME và tổng đài MSC Server qua giao diện SGs.

Thứ ba, độ ổn định của kết nối được duy trì rất tốt với tỷ lệ rớt cuộc gọi DCR ở mức dưới 0.8% trong toàn bộ các kịch bản di chuyển ở vận tốc 40 - 60 km/h. Tỷ lệ này chỉ tăng cục bộ lên 2.1% tại các khu vực ranh giới giữa hai trạm eNodeB khi chỉ số RSRQ suy giảm xuống dưới ngưỡng -12 dB.

Thứ tư, độ trễ truyền gói tin IP trung bình của mạng E-UTRAN đo được là 18.5 ms đối với các gói tin nhỏ, giảm 68% so với mạng 3G HSPA+ (vốn có độ trễ trung bình khoảng 58 ms), đáp ứng hoàn hảo cho các dịch vụ thoại VoLTE và truyền hình tương tác trực tuyến.

Thảo luận kết quả

Các kết quả thực nghiệm chứng minh rằng kiến trúc mạng phẳng toàn IP kết hợp cùng cơ chế điều chế bậc cao 64-QAM và ghép kênh OFDMA đã tối ưu hóa vượt trội hiệu quả sử dụng phổ tần. Nguyên nhân chính khiến thông lượng truyền dữ liệu đạt xấp xỉ ngưỡng lý thuyết là nhờ công cụ đo đã bám sát thuật toán lập lịch thời gian thực và quản lý tài nguyên linh hoạt của eNodeB. Đối với hiện tượng tăng thời gian trễ trong thủ tục CSFB, dữ liệu phân tích chỉ ra rằng việc sử dụng thủ tục chuyển hướng vô tuyến (Redirection) giúp tiết kiệm từ 0.8 đến 1.2 giây thời gian thiết lập cuộc gọi so với thủ tục chuyển giao có đo kiểm (Handover with measurement).

Các tập dữ liệu đo kiểm trong nghiên cứu có thể được trực quan hóa hiệu quả thông qua biểu đồ phân bố tần suất RSRP/RSRQ dạng cột kết hợp bản đồ nhiệt địa lý (Heatmap) thể hiện mức độ phủ sóng thực tế trên tuyến Drive Test. Ngoài ra, đồ thị đường biểu diễn tương quan giữa chỉ số SNR và thông lượng tải xuống theo thời gian thực cho thấy thông lượng đạt đỉnh ổn định khi SNR vượt ngưỡng 18 dB. So sánh với các hệ thống đo kiểm thương mại ngoại nhập đắt tiền như TEMS Investigation hay Rohde & Schwarz ROMES, công cụ đo do tác giả phát triển cho thấy độ sai lệch kết quả dưới 3%, trong khi chi phí bản quyền và thiết bị giảm tới hơn 70%, khẳng định tính khả thi vượt trội trong việc ứng dụng thực tiễn.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và nâng cao chất lượng mạng di động thế hệ mới, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể:

Thứ nhất, tối ưu hóa cấu hình vô tuyến và xử lý can nhiễu liên tế bào. Các kỹ sư vận hành mạng cần định kỳ rà soát, điều chỉnh góc ngửa/cụp (tilt) của anten và áp dụng triệt để tính năng eICIC nhằm giảm thiểu can nhiễu giữa macrocell và picocell. Mục tiêu kỹ thuật là giảm tỷ lệ vùng phủ có mức RSRQ dưới -12 dB xuống dưới 4% trên toàn mạng, thực hiện trong vòng 6 tháng bởi Phòng Tối ưu vô tuyến của các nhà mạng viễn thông.

Thứ hai, đẩy nhanh lộ trình thương mại hóa dịch vụ VoLTE trên nền IMS. Ban quản lý kỹ thuật mạng lõi cần tích hợp đồng bộ các cổng điều khiển P-CSCF và máy chủ ứng dụng TAS để cung cấp dịch vụ thoại HD Voice chất lượng cao, hướng tới mục tiêu rút ngắn thời gian thiết lập cuộc gọi xuống dưới 1.5 giây và đạt tỷ lệ cuộc gọi VoLTE thuần chủng trên 92% trong thời gian 12 tháng.

Thứ ba, chuẩn hóa và triển khai diện rộng bộ công cụ đo kiểm nội địa. Trung tâm Đo lường và Đảm bảo chất lượng viễn thông cần đóng gói phần mềm đo kiểm thành giải pháp thương mại, cài đặt trên các thiết bị di động thông dụng nhằm phục vụ công tác giám sát Drive Test định kỳ hàng quý, giúp tiết kiệm từ 50% đến 60% chi phí đầu tư thiết bị đo kiểm chuyên dụng.

Thứ tư, mở rộng áp dụng kỹ thuật gộp sóng mang Carrier Aggregation đa băng tần. Cơ quan quản lý tần số và nhà mạng cần phối hợp quy hoạch, kết hợp hiệu quả băng tần 1800 MHz với dải tần 2600 MHz nhằm nâng tốc độ truy cập dữ liệu trung bình của người dùng tại các đô thị loại 1 lên trên 80 Mbps trong lộ trình 9 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị học thuật và ứng dụng sâu sắc, phù hợp cho 4 nhóm đối tượng chính:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư vận hành và tối ưu hóa mạng vô tuyến (Radio Optimization Engineers) tại các nhà mạng viễn thông. Tài liệu cung cấp phương pháp luận chi tiết và các ngưỡng tham số RSRP, RSRQ, SNR chuẩn mực để phân tích logfile, xử lý sự cố rớt sóng và tối ưu hóa vùng phủ thực tế.

Nhóm thứ hai là các nhà quản trị mạng và hoạch định chính sách đầu tư viễn thông. Luận văn cung cấp case study thực tiễn về việc ứng dụng công cụ phần mềm nội địa hóa nhằm cắt giảm chi phí vận hành Opex và chi phí đầu tư Capex trong quản lý chất lượng dịch vụ.

Nhóm thứ ba là giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông. Công trình là tài liệu tham khảo chuẩn mực về kiến trúc mạng EPS, giao thức giao diện vô tuyến LTE-Uu và các mô hình thoại VoLTE, CSFB.

Nhóm thứ tư là các nhóm nghiên cứu phát triển sản phẩm (R&D) tại các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ. Luận văn đưa ra kiến trúc module hóa, thiết kế cơ sở dữ liệu và quy trình trích xuất tham số mạng thực tế từ chipset, làm tiền đề phát triển các thiết bị đo kiểm di động thế hệ tiếp theo.

Câu hỏi thường gặp

Chỉ số RSRP và RSRQ trong mạng 4G LTE khác nhau như thế nào về ý nghĩa kỹ thuật? RSRP đo công suất tuyệt đối của tín hiệu tham chiếu trên một sóng mang con, phản ánh cường độ tín hiệu vùng phủ (từ -140 dBm đến -44 dBm). Ngược lại, RSRQ là tỷ số giữa RSRP và toàn bộ công suất nhận được trên toàn băng thông RSSI (từ -19.5 dB đến -3 dB), phản ánh trực tiếp chất lượng tín hiệu và mức độ can nhiễu từ các trạm lân cận.

Tại sao thời gian thiết lập cuộc gọi qua giải pháp CSFB lại lâu hơn cuộc gọi 3G thông thường? CSFB yêu cầu thiết bị di động đang kết nối 4G phải gửi bản tin yêu cầu dịch vụ mở rộng tới MME, sau đó MME báo hiệu qua giao diện SGs tới MSC Server để chuyển đổi kết nối vô tuyến xuống mạng 2G hoặc 3G. Thủ tục chuyển mạng trung gian này làm tăng thêm độ trễ báo hiệu từ 1.2 đến 1.8 giây so với cuộc gọi thông thường.

Công nghệ gộp sóng mang Carrier Aggregation trong LTE-Advanced hoạt động như thế nào? Carrier Aggregation cho phép gộp tối đa 5 kênh tần số thành phần có độ rộng lên đến 20 MHz (nằm liền kề hoặc phân tán trên các băng tần khác nhau) thành một khối băng thông duy nhất lên tới 100 MHz. Kỹ thuật này giúp tăng dung lượng dữ liệu tối đa lên gấp 5 lần, đạt tốc độ tải xuống lý thuyết lên đến 3 Gbps.

Bộ công cụ đo kiểm xây dựng trong luận văn có điểm gì nổi bật so với các giải pháp thương mại? Công cụ được thiết kế trên nền tảng phần mềm linh hoạt, có khả năng giao tiếp trực tiếp với chipset của thiết bị đầu cuối thương mại để trích xuất tham số thời gian thực. Hệ thống hỗ trợ đo đạc đầy đủ các bài đo Drive Test tiêu chuẩn, tích hợp cơ sở dữ liệu phân tích tập trung với chi phí đầu tư giảm hơn 70% so với giải pháp ngoại nhập.

Những tham số nào đóng vai trò quyết định đến chất lượng trải nghiệm thoại trên nền 4G? Chất lượng dịch vụ thoại phụ thuộc trực tiếp vào tỷ lệ thiết lập cuộc gọi thành công CSSR (yêu cầu trên 98%), tỷ lệ rớt cuộc gọi DCR (dưới 1%), điểm đánh giá chất lượng thoại trung bình MOS (đạt từ 3.8 đến 4.5 điểm), độ trễ truyền gói tin một chiều (dưới 50 ms) và tỷ lệ mất gói tin dữ liệu (dưới 1%).

Kết luận

  • Luận văn đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về kiến trúc mạng toàn IP 4G LTE/LTE-Advanced, phân hệ mạng lõi EPC và các cơ chế cung cấp dịch vụ thoại chuyển mạch gói.
  • Thiết kế và phát triển thành công bộ công cụ phần mềm đo kiểm chất lượng dịch vụ di động 4G linh hoạt, giao diện trực quan và thu thập chuẩn xác các chỉ số KPI.
  • Đánh giá thực nghiệm chi tiết hiệu năng mạng tại Việt Nam, ghi nhận tốc độ tải dữ liệu vượt 140 Mbps và tỷ lệ thiết lập cuộc gọi thành công CSFB đạt trên 98.6%.
  • Đóng góp giải pháp công nghệ có khả năng ứng dụng thực tế cao, giúp các đơn vị viễn thông trong nước chủ động phương tiện đo kiểm và tiết kiệm tới 70% chi phí.
  • Tạo lập nền tảng kỹ thuật vững chắc để tiếp tục mở rộng mô-đun đo kiểm cho công nghệ 5G NR và tích hợp thuật toán trí tuệ nhân tạo phân tích can nhiễu tự động trong lộ trình 24 tháng tới.

Hãy khai thác và ứng dụng ngay các kết quả nghiên cứu trong luận văn để nâng cao năng lực đo kiểm, tối ưu hóa hạ tầng viễn thông di động thế hệ mới một cách chuyên nghiệp và hiệu quả.