Tổng quan nghiên cứu

Thị trường viễn thông di động tại Việt Nam chứng kiến sự bùng nổ mạnh mẽ về nhu cầu dữ liệu và thoại chất lượng cao, thúc đẩy việc khai thác tối đa hiệu năng của mạng di động thế hệ thứ 3 (3G) trên băng tần 1900 MHz và 2100 MHz. Mặc dù công nghệ GSM 2G trước đó đã chiếm hơn 70% thị phần toàn cầu, sự gia tăng nhanh chóng của các dịch vụ đa phương tiện đòi hỏi mạng 3G W-CDMA phải duy trì chất lượng dịch vụ (QoS) vượt trội. Tuy nhiên, việc triển khai hạ tầng 3G trên nền tảng sẵn có của mạng 2G Viettel làm nảy sinh nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp như can nhiễu đồng kênh, phân bố tải lưu lượng không đồng đều, lỗi chuyển giao (Handover) và sự xuất hiện của các vùng lõm phủ sóng.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là khảo sát, đánh giá toàn diện hiện trạng chất lượng mạng vô tuyến 3G của Viettel, từ đó đề xuất các giải pháp kỹ thuật tối ưu hóa nhằm nâng cao trải nghiệm khách hàng và tối đa hóa hiệu quả sử dụng tài nguyên vô tuyến. Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm được triển khai từ năm 2019 đến năm 2020 tại khu vực Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên và huyện Phú Bình. Nghiên cứu tập trung vào các chỉ số hiệu suất trọng yếu (KPI) như tỷ lệ thiết lập cuộc gọi thành công (CSSR đạt mục tiêu từ 98% trở lên), tỷ lệ rớt cuộc gọi (CDR duy trì dưới 1,5%), cùng mức độ bao phủ công suất kênh hoa tiêu CPICH RSCP đạt ngưỡng chuẩn lớn hơn hoặc bằng -95 dBm cho hơn 98% số mẫu đo. Đóng góp của luận văn mang ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc cung cấp quy trình tối ưu hóa mạng vô tuyến chuẩn xác, giúp nhà mạng giảm thiểu chi phí vận hành và nâng cao năng lực cạnh tranh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết mạng viễn thông di động toàn cầu UMTS sử dụng công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng W-CDMA theo chuẩn hóa 3GPP. Kiến trúc mạng được phân tích chi tiết qua 3 phân hệ chính: Thiết bị người dùng (UE), Mạng truy cập vô tuyến mặt đất UTRAN (bao gồm Radio Network Controller - RNC và các trạm gốc NodeB), cùng Mạng lõi (Core Network) hỗ trợ song song hai miền chuyển mạch kênh CS và chuyển mạch gói PS.

Lý thuyết điều khiển công suất (Power Control) đóng vai trò then chốt nhằm giải quyết triệt để hiệu ứng gần - xa (near-far effect) và tối ưu hóa dung lượng bị giới hạn bởi can nhiễu. Mô hình nghiên cứu phân tích sâu cơ chế điều khiển công suất vòng lặp đóng (CLPC) với hai cấp độ: điều khiển nhanh vòng trong ở tần số 1500 Hz để thích ứng với fading đa đường và điều khiển chậm vòng ngoài ở tần số 10 Hz đến 100 Hz nhằm duy trì tỷ số tín hiệu trên nhiễu SIR mục tiêu. Bên cạnh đó, nguyên lý trải phổ chuỗi trực tiếp DS-CDMA với cây mã hệ số trải biến đổi trực giao OVSF (hệ số trải từ 4 đến 512) và tập 8192 mã xáo trộn đường xuống được áp dụng để phân tích sự phân tách kênh và phân biệt cell. Bốn lớp dịch vụ chất lượng (QoS) được làm rõ gồm: lớp hội thoại (độ trễ dưới 400 ms, sử dụng bộ mã hóa AMR 20 ms), lớp luồng, lớp tương tác và lớp nền. Khái niệm ô nhiễm hoa tiêu (Pilot Pollution) và tỷ số năng lượng chip trên mật độ phổ nhiễu Ec/No được xác lập làm chỉ số đánh giá can nhiễu vô tuyến.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa khảo cứu lý thuyết hệ thống và thực nghiệm đo kiểm lưu động (Drive Test) thực địa. Dữ liệu sơ cấp được thu thập từ hơn 10.000 mẫu đo vô tuyến liên tục trên các tuyến đường trọng điểm tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên và huyện Phú Bình trong giai đoạn 2019-2020.

Phương pháp lấy mẫu được thực hiện theo nguyên tắc chọn mẫu ngẫu nhiên phân tầng theo lộ trình địa lý, bao phủ cả khu vực có mật độ xây dựng cao lẫn khu vực đồng bằng nông nghiệp. Thiết bị thu thập gồm điện thoại chuyên dụng tích hợp phần mềm TEMS Investigation, máy định vị GPS Receiver và máy tính ghi nhận logfile thời gian thực. Lý do lựa chọn phương pháp đo Drive Test bằng TEMS Investigation là khả năng bóc tách chi tiết các thông điệp báo hiệu trên giao diện vô tuyến Uu ở cả hai chế độ rỗi (Idle Mode) để đo vùng phủ và chế độ kết nối (Dedicated Mode) để phân tích chất lượng thoại, tỷ lệ chuyển giao và mức suy hao tín hiệu. Dữ liệu sau đó được xử lý qua công cụ phân tích logfile để trích xuất báo cáo thống kê định lượng chuẩn xác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả đo kiểm thực tế ghi nhận nhiều thông số chất lượng quan trọng phản ánh chính xác bức tranh vô tuyến tại các khu vực nghiên cứu:

  • Về cường độ tín hiệu vùng phủ: Tại khu vực Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, tỷ lệ mẫu đo đạt mức thu công suất kênh hoa tiêu CPICH RSCP ≥ -95 dBm đạt 95,8%, xuất hiện khoảng 4,2% số mẫu rơi vào vùng phủ yếu với mức thu dưới -100 dBm tại các góc khuất tòa nhà cao tầng. Tại huyện Phú Bình, tỷ lệ đạt chuẩn RSCP đạt 96,5%.
  • Về chất lượng tín hiệu và can nhiễu: Tỷ lệ mẫu có chỉ số chất lượng Ec/No ≥ -12 dB đạt mức 94,2%, trong khi đó khoảng 5,8% số mẫu bị suy giảm chất lượng nghiêm trọng do can nhiễu đồng kênh và hiện tượng ô nhiễm Pilot. Tỷ lệ ô nhiễm Pilot cục bộ tại một số nút giao thông lên tới 6,5%, vượt quá ngưỡng an toàn cho phép là 5%.
  • Về chỉ số thiết lập và duy trì cuộc gọi: Tỷ lệ thiết lập cuộc gọi thoại thành công (CSSR) trung bình đạt 98,4%, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật chuẩn. Tuy nhiên, tỷ lệ rớt cuộc gọi (CDR) tại một số điểm chuyển giao phức tạp dao động từ 1,2% đến 2,8%, cao hơn so với mục tiêu tối ưu dưới 1,0%.
  • Về hiệu năng chuyển giao: Tỷ lệ chuyển giao mềm thành công (SHOSR) đạt 98,2%, trong khi tỷ lệ chuyển giao liên hệ thống giữa mạng 3G và 2G (Inter-RAT HOSR) đạt 95,8%, ghi nhận một số trường hợp rớt cuộc gọi cục bộ khi thuê bao di chuyển với tốc độ trên 40 km/h qua các cell giáp ranh.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự suy giảm cục bộ của chỉ số RSCP và Ec/No bắt nguồn từ các yếu tố vật lý và cấu hình vô tuyến: góc nghiêng ăng-ten (tilt) tại một số trạm BTS chưa tối ưu dẫn đến phát sóng vượt quá vùng phục vụ danh định, tạo ra hiện tượng chồng lấn nhiều tín hiệu Pilot có cường độ tương đương. Đồng thời, suy hao đường truyền do che chắn bởi các công trình kiến trúc kiên cố và suy hao trên cáp feeder làm giảm mức công suất thu tại đầu cuối UE.

Khi so sánh với các báo cáo tối ưu mạng chuẩn hóa của ngành viễn thông, mạng 3G Viettel tại khu vực nghiên cứu đạt hiệu năng tổng thể tương đối tốt nhưng cần tinh chỉnh để đạt mức chuẩn tuyệt đối 98% cho toàn bộ các chỉ tiêu. Dữ liệu thực nghiệm này có thể được mô hình hóa trực quan qua bản đồ phân bố cường độ trường RSCP đa sắc xuất từ TEMS trên nền tảng Google Earth Pro, kết hợp cùng đồ thị hàm phân phối tích lũy (CDF) của chỉ số Ec/No và bảng ma trận chuyển giao giữa các ô lân cận để trực quan hóa các điểm nghẽn vô tuyến.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phát hiện thực tế, nghiên cứu đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật mang tính thực thi cao:

  • Điều chỉnh thông số vật lý ăng-ten vô tuyến: Đội tối ưu hóa vô tuyến thuộc Chi nhánh Kỹ thuật Viettel cần tiến hành tinh chỉnh góc nghiêng điện và cơ (tilt) tăng thêm từ 2° đến 4° tại các trạm gây ô nhiễm Pilot, đồng thời hiệu chỉnh góc phương vị (azimuth) lệch khoảng 10° đến 15° để thu hẹp vùng phát sóng tràn và loại bỏ vùng mù tín hiệu. Mục tiêu là nâng tỷ lệ mẫu RSCP ≥ -95 dBm lên trên 98,5% trong thời gian 30 ngày.
  • Cấu hình lại tham số kênh vô tuyến và mã xáo trộn: Phòng Quy hoạch và Tối ưu mạng vô tuyến rà soát lại danh sách quan hệ lân cận (Neighbor List), điều chỉnh lại công suất phát kênh CPICH giảm từ 1 dB đến 2 dB tại các trạm có độ phủ lấn át, đồng thời sắp xếp lại tập 512 mã xáo trộn để triệt tiêu hiện tượng Pilot Pollution, đưa tỷ lệ ô nhiễm Pilot về dưới mức 3% trong vòng 45 ngày.
  • Bảo dưỡng và chuẩn hóa hạ tầng phần cứng NodeB: Trung tâm Vận hành khai thác mạng lưới thực hiện đo kiểm suy hao tuyến cáp feeder, đầu nối connector và khối vô tuyến tại trạm NodeB, thay thế các thiết bị suy giảm hiệu suất nhằm giảm tỷ lệ rớt cuộc gọi thoại (CSV Drop Rate) xuống dưới 0,8% trong lộ trình 60 ngày.
  • Phân bổ tải lưu lượng và bổ sung trạm phát sóng vi tế bào: Đơn vị quản lý đầu tư hạ tầng triển khai giải pháp chia tải linh hoạt giữa các sóng mang và lắp đặt thêm các trạm microcell hoặc hệ thống ăng-ten phân tán (DAS) tại các tòa nhà cao tầng có mật độ người dùng cao, đảm bảo tốc độ truyền dữ liệu HSDPA trung bình đạt trên 1,5 Mbps trong vòng 6 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cho nhiều nhóm chuyên môn:

  • Kỹ sư tối ưu hóa mạng vô tuyến (RF Optimization Engineers): Cung cấp cẩm nang thực hành chi tiết về quy trình chạy Drive Test bằng TEMS Investigation, cách bóc tách logfile và phương pháp xử lý 15 tham số KPI trọng yếu trong thực tế vận hành mạng viễn thông.
  • Cán bộ quản lý và vận hành mạng tại các nhà khai thác viễn thông: Hỗ trợ xây dựng quy trình giám sát chất lượng mạng định kỳ hàng ngày, hàng tuần, đưa ra các quyết định chuẩn xác về đầu tư nâng cấp trạm phát sóng và tối ưu hóa chi phí vận hành hạ tầng.
  • Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Điện tử Viễn thông: Đóng vai trò là tài liệu tham khảo học thuật chuẩn mực về kiến trúc mạng UMTS/W-CDMA, cơ chế điều khiển công suất vòng kín và kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp.
  • Chuyên viên tư vấn quy hoạch hạ tầng viễn thông: Cung cấp phương pháp luận thực chứng về đánh giá vùng phủ sóng và tính toán dung lượng mạng, hỗ trợ xây dựng các đồ án quy hoạch phát triển mạng di động băng rộng bền vững.

Câu hỏi thường gặp

Chỉ số CPICH RSCP và Ec/No khác nhau như thế nào và có ý nghĩa gì đối với chất lượng mạng 3G?
CPICH RSCP đại diện cho công suất thu tuyệt đối của kênh hoa tiêu đo bằng đơn vị dBm, phản ánh độ mạnh yếu của vùng phủ sóng. Trong khi đó, Ec/No là tỷ số giữa năng lượng chip trên mật độ phổ công suất nhiễu tính bằng dB, biểu thị độ sạch và chất lượng tín hiệu vô tuyến. Mạng di động đạt chuẩn khi có 98% số mẫu đạt RSCP ≥ -95 dBm và 97% số mẫu đạt Ec/No ≥ -12 dB.

Hiện tượng ô nhiễm Pilot (Pilot Pollution) là gì và gây ảnh hưởng thế nào đến người dùng?
Ô nhiễm Pilot xảy ra khi tại một vị trí có quá nhiều kênh Pilot từ các trạm NodeB lân cận cùng truyền tới với cường độ tín hiệu mạnh tương đương nhưng không có tín hiệu nào đủ vượt trội. Điều này làm tăng mức can nhiễu nội bộ, khiến chỉ số Ec/No sụt giảm nghiêm trọng, dẫn đến tình trạng rớt cuộc gọi hoặc không thể thiết lập kết nối dù mức sóng hiển thị trên thiết bị vẫn đầy.

Tại sao mạng W-CDMA phải thực hiện điều khiển công suất vòng trong với tốc độ cực nhanh 1500 Hz?
Do hệ thống W-CDMA sử dụng chung băng tần 5 MHz cho tất cả người dùng, nếu một thiết bị ở gần trạm phát sóng với công suất lớn sẽ lấn át hoàn toàn tín hiệu của thiết bị ở xa (hiệu ứng near-far). Tần số điều khiển 1500 lần/giây cho phép NodeB và UE liên tục vi chỉnh công suất phát để bù trừ kịp thời hiện tượng fading nhanh, đảm bảo mọi tín hiệu đến trạm thu đều có mức công suất cân bằng.

Lợi thế vượt trội của phương pháp Drive Test bằng TEMS Investigation so với việc chỉ trích xuất dữ liệu từ OMC/OSS là gì?
Hệ thống OMC/OSS chỉ phản ánh số liệu thống kê tổng hợp từ phía trạm phát mà không phản ánh chính xác trải nghiệm thực tế của người dùng đầu cuối tại các vị trí di chuyển cụ thể. Phương pháp Drive Test bằng TEMS ghi nhận đồng thời thông số vô tuyến, vị trí tọa độ GPS và thông điệp báo hiệu thời gian thực, giúp định vị chính xác vị trí phát sinh lỗi vùng mù hoặc rớt cuộc gọi trên tuyến đường.

Làm thế nào để xử lý triệt để tình trạng rớt cuộc gọi khi chuyển giao giữa mạng 3G và 2G?
Để tối ưu hóa chuyển giao liên công nghệ (Inter-RAT Handover), kỹ sư cần hiệu chỉnh lại ngưỡng kích hoạt đo chuyển giao 2G trên RNC, đồng thời đồng bộ hóa danh sách quan hệ lân cận giữa cell 3G và cell 2G lân cận. Việc điều chỉnh tham số ngưỡng suy giảm chất lượng vô tuyến kịp thời giúp thiết bị chuyển đổi băng tần mượt mà trước khi mất hẳn kết nối 3G, giảm tỷ lệ rớt cuộc gọi xuống dưới 1%.

Kết luận

  • Luận văn đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về kiến trúc mạng UMTS, cơ chế điều khiển công suất vòng kín và hệ thống chỉ số KPI đánh giá chất lượng mạng 3G W-CDMA.
  • Thực hiện thành công hơn 10.000 mẫu đo Drive Test thực địa tại Thái Nguyên, xác định chính xác các điểm nghẽn vùng phủ và hiện tượng ô nhiễm Pilot cục bộ.
  • Đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật tối ưu hóa thông số vật lý và tham số vô tuyến có tính ứng dụng cao, giúp nâng tỷ lệ vùng phủ đạt chuẩn lên trên 98,5%.
  • Cung cấp quy trình tối ưu hóa mạng vô tuyến chuẩn mực, làm tài liệu tham khảo giá trị cho công tác quản lý, vận hành mạng viễn thông thực tế.
  • Mở ra hướng nghiên cứu mở rộng sang tối ưu hóa chuyển giao liên thế hệ giữa 3G, 4G LTE và 5G trong các giai đoạn phát triển tiếp theo của mạng di động.

Đóng góp chính của công trình nằm ở việc kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết viễn thông hiện đại và số liệu thực chứng để giải quyết bài toán nâng cao chất lượng dịch vụ di động Viettel. Trong lộ trình 3 đến 6 tháng tới, các giải pháp tinh chỉnh ăng-ten và cấu hình tham số cần được triển khai đồng bộ trên diện rộng. Các nhà quản lý mạng và kỹ sư viễn thông hãy áp dụng ngay bộ giải pháp tối ưu này để nâng cao hiệu năng mạng lưới và mang lại trải nghiệm kết nối vượt trội cho khách hàng.