Tổng quan nghiên cứu

Thị trường viễn thông Việt Nam giai đoạn cuối năm 2008 chứng kiến sự bùng nổ mạnh mẽ với tổng số thuê bao di động đạt khoảng 63,5 triệu, trong đó công nghệ GSM chiếm ưu thế tuyệt đối với hơn 56,5 triệu thuê bao. Mạng Vinaphone khi đó đã phát triển quy mô hạ tầng rộng khắp với 15,5 triệu thuê bao, vận hành 30 trung tâm chuyển mạch MSC và hơn 9.000 trạm phát sóng 2G trên toàn quốc. Tuy nhiên, sự gia tăng nhanh chóng về mật độ liên lạc cùng nhu cầu bùng nổ các dịch vụ dữ liệu đa phương tiện, thoại qua gói IP và truyền hình di động đã khiến hạ tầng 2G/2.5G dần chạm ngưỡng giới hạn dung lượng. Đứng trước yêu cầu hiện đại hóa hạ tầng mạng theo định hướng NGN-Mobile, việc nghiên cứu và triển khai hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G) trở thành nhiệm vụ cấp thiết mang tính sống còn đối với năng lực cạnh tranh của doanh nghiệp viễn thông.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là đánh giá toàn diện hiện trạng mạng lưới vô tuyến Vinaphone, phân tích các mô hình dự báo tăng trưởng thuê bao giai đoạn 2009–2023 và xây dựng giải pháp quy hoạch chi tiết mạng truy nhập vô tuyến UMTS 3G chuẩn WCDMA FDD tại địa bàn trọng điểm thành phố Đà Nẵng. Phạm vi không gian nghiên cứu bao phủ toàn bộ các quận nội thành và huyện ngoại thành Đà Nẵng, tập trung vào phương án triển khai giai đoạn 1 với cấu hình ban đầu 134 trạm Node-B. Về mặt giá trị ứng dụng, công trình cung cấp bộ công cụ tính toán dung lượng và vùng phủ sóng hoàn chỉnh, hỗ trợ nhà mạng tối ưu hóa chi phí đầu tư tài sản cố định CAPEX từ 30% đến 40% thông qua phương án dùng chung cơ sở hạ tầng 2G sẵn có, đồng thời nâng cao chất lượng dịch vụ đáp ứng các chỉ tiêu hiệu năng mạng khắt khe.

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 dung lượng kênh truyền thông tin của Claude Shannon, chứng minh mối quan hệ giữa dung lượng kênh và độ rộng băng thông vô tuyến $C = B \log_2(1 + S/N)$. Trong hệ thống WCDMA băng rộng, độ rộng dải tần 5 MHz kết hợp cùng tốc độ chip 3,84 Mcps cho phép mở rộng phổ tín hiệu bằng chuỗi mã trực tiếp DSSS, mang lại độ lợi xử lý cao và cải thiện đáng kể tỷ số tín hiệu trên tạp âm Eb/I0. Mô hình chuẩn hóa cấu trúc phân lớp mạng truy nhập vô tuyến UTRAN theo tiêu chuẩn 3GPP Release 99 đến Release 6 được sử dụng để xác định vai trò của các phần tử Node-B, bộ điều khiển vô tuyến RNC và các giao diện mở Uu, Iub, Iur, Iu.

Bên cạnh đó, các thuật toán quản lý tài nguyên vô tuyến RRM đóng vai trò trung tâm trong việc duy trì tính ổn định của mạng. Khái niệm dung lượng mềm và hiện tượng co giãn vùng phủ của cell được lượng hóa thông qua việc kiểm soát mức nhiễu tổng thể. Cơ chế điều khiển công suất vòng kín nhanh với tần số 1500 Hz (chu kỳ 0,666 ms) kết hợp với điều khiển công suất vòng ngoài từ 10 Hz đến 100 Hz được tích hợp nhằm triệt tiêu hiệu ứng gần-xa. Đồng thời, các giải thuật chuyển giao mềm và chuyển giao cứng liên hệ thống giữa GSM và WCDMA được áp dụng để đảm bảo tính liên tục của phiên dịch vụ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được tổng hợp từ số liệu đo kiểm thực địa, báo cáo thống kê lưu lượng thoại và số liệu chuyển mạch của Công ty Dịch vụ Viễn thông Vinaphone cùng Ban Quản lý 3G-NGN tính đến tháng 6 năm 2009. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 134 vị trí trạm vô tuyến phân bố tại 6 quận nội thành và 2 huyện ngoại thành thuộc thành phố Đà Nẵng. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu có chủ đích dựa trên bản đồ mật độ thuê bao 2G hiện hữu, kết hợp khảo sát địa hình thực tế tại các điểm tập trung lưu lượng cao như sân bay, khu công nghiệp và trường đại học.

Phương pháp phân tích được chia làm hai giai đoạn chính: tính toán quỹ đường truyền vô tuyến để xác định bán kính phủ sóng cell cho từng loại hình dịch vụ thoại 12,2 kbps và truyền số liệu từ 64 kbps đến 384 kbps; tiếp đó áp dụng mô hình hàng đợi Erlang-B mở rộng chuyển đổi lưu lượng đa dịch vụ để định cỡ dung lượng Node-B. Lý do lựa chọn kết hợp phân tích giải tích và phần mềm mô phỏng chuyên dụng là nhằm hạn chế sai số dự báo suy hao truyền sóng trong môi trường đô thị biển phức tạp của Đà Nẵng, đồng thời xác lập timeline triển khai kỹ thuật chuẩn xác theo lộ trình từng quý trong giai đoạn 2009–2010.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình tính toán quỹ đường truyền và mô phỏng vùng phủ sóng trên địa bàn Đà Nẵng đã chỉ ra rằng đường lên là hướng giới hạn chính đối với vùng phủ sóng của trạm Node-B do công suất phát của thiết bị đầu cuối bị khống chế ở mức 21 dBm đến 24 dBm. Bán kính phủ sóng của cell trong khu vực đô thị đông đúc dao động từ 0,45 km đến 0,75 km đối với dịch vụ dữ liệu 384 kbps, trong khi ở khu vực ngoại thành bán kính có thể đạt từ 1,8 km đến 2,6 km đối với dịch vụ thoại tiêu chuẩn 12,2 kbps.

Thống kê khảo sát kỹ thuật cho thấy có tới hơn 85% vị trí trạm Node-B dự kiến trong giai đoạn 1 hoàn toàn có thể tái sử dụng trực tiếp cột anten, nhà trạm, hệ thống tiếp đất và nguồn điện -48V DC từ các trạm BTS 2G đang hoạt động. Về mặt dung lượng, mô hình tính toán lưu lượng đa dịch vụ xác định tổng số 134 Node-B cấu hình 3 sector với sóng mang 5 MHz là đủ năng lực phục vụ hơn 180.000 thuê bao 3G hoạt động đồng thời trong giờ bận tại thời điểm 2010, nâng hiệu suất hấp thụ lưu lượng dữ liệu gói cao hơn 150% so với hạ tầng EDGE hiện hữu.

Thảo luận kết quả

Hiện tượng dung lượng mềm khiến vùng phủ sóng của cell co hẹp lại khi tải lưu lượng tăng cao, giải thích nguyên nhân vì sao tại các khu vực tập trung đông người như trung tâm quận Hải Châu, bán kính phục vụ thực tế bị giảm khoảng 20% đến 30% so với tính toán lý thuyết khi tải cell đạt 70%. So sánh với các nghiên cứu quy hoạch mạng GSM truyền thống vốn chỉ phụ thuộc vào phân bổ tần số cố định, quy hoạch WCDMA đòi hỏi sự cân bằng chặt chẽ giữa mức can nhiễu đa truy nhập và bán kính phủ sóng.

Các kết quả tính toán có thể được trực quan hóa thông qua bảng ma trận phân bố lưu lượng theo từng quận và biểu đồ suy hao đường truyền theo khoảng cách tương ứng với các mô hình truyền sóng Okumura-Hata. Việc kết hợp mạng lõi chuyển mạch mềm Softswitch chuẩn 3GPP Release 4 với các cổng kết nối Media Gateway phân tán đã giúp giảm tải truyền dẫn đường dài hơn 25%, tạo tiền đề vững chắc cho việc tích hợp phân hệ đa phương tiện IP (IMS) và công nghệ gói tốc độ cao HSDPA trong giai đoạn mở rộng tiếp theo.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hiện thực hóa giải pháp quy hoạch mạng UMTS 3G cho Vinaphone tại Đà Nẵng, các giải pháp kỹ thuật và tổ chức thực hiện cần được triển khai đồng bộ:

  • Triển khai lắp đặt đồng loạt 134 trạm Node-B trong giai đoạn 1, ưu tiên tận dụng trên 85% cơ sở hạ tầng nhà trạm và hệ thống cột anten 2G sẵn có nhằm cắt giảm từ 30% đến 35% chi phí xây dựng cơ bản, hoàn thành trong quý 4 năm 2009 do Trung tâm Mạng lưới Viễn thông Miền Trung chủ trì.
  • Thiết lập cấu hình truyền dẫn vòng Ring cáp quang STM-1 tốc độ 155 Mbps kết hợp tuyến vi ba số băng rộng dự phòng để liên kết các cụm Node-B về trung tâm điều khiển RNC, đảm bảo độ khả dụng truyền dẫn đạt trên 99,99% trước thời điểm khai trương dịch vụ thương mại.
  • Tối ưu hóa các tham số vô tuyến RRM, đặc biệt là cài đặt ngưỡng điều khiển công suất nhanh ở chu kỳ 1500 Hz và tham số cửa sổ chuyển giao mềm từ 1 dB đến 3 dB, duy trì tỷ lệ rớt cuộc gọi thoại dưới ngưỡng 1,0% và tỷ lệ nghẽn mạch dữ liệu dưới 2,0% trong suốt giờ bận.
  • Nâng cấp phần mềm phân hệ UTRAN để kích hoạt công nghệ HSDPA trên toàn bộ các trạm nội thành, nâng tốc độ tải xuống cực đại lên 7,2 Mbps đến 14,4 Mbps trong năm 2011, do Ban Quản lý 3G-NGN và Phòng Kỹ thuật Vinaphone phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang giá trị thực tiễn cao, đặc biệt hữu ích cho các nhóm đối tượng sau:

  • Kỹ sư quy hoạch và tối ưu hóa mạng vô tuyến: Sử dụng trực tiếp quy trình tính toán quỹ đường truyền, công thức chuyển đổi lưu lượng Erlang-B đa dịch vụ và phương pháp định cỡ trạm Node-B cho các dự án triển khai mạng di động thực tế.
  • Cán bộ quản lý kỹ thuật tại các doanh nghiệp viễn thông: Tham khảo mô hình phân tích kinh tế - kỹ thuật trong việc tái sử dụng hạ tầng trạm 2G/3G dùng chung nhằm tối ưu hóa tổng mức đầu tư CAPEX và chi phí vận hành OPEX.
  • Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Điện tử Viễn thông: Khai thác tài liệu như một giáo trình chuyên khảo chuẩn mực về cấu trúc mạng UTRAN, tiêu chuẩn 3GPP R99-R6 và cơ chế quản lý tài nguyên vô tuyến WCDMA.
  • Chuyên viên tư vấn giải pháp công nghệ thông tin và truyền thông: Nắm bắt lộ trình chuyển dịch kiến trúc mạng lõi từ TDM sang All-IP và cấu trúc phân hệ IMS phục vụ xây dựng chiến lược phát triển dịch vụ nội dung số.

Câu hỏi thường gặp

Hiện tượng co giãn vùng phủ sóng của cell trong mạng 3G WCDMA là gì?
Trong công nghệ WCDMA, tất cả người dùng chia sẻ chung dải tần 5 MHz nên mỗi thuê bao mới gia nhập đều làm tăng mức nhiễu nền của toàn cell. Khi tải lưu lượng đường lên tăng vượt mức 50% đến 70%, mức tạp âm can nhiễu tăng cao buộc máy di động ở rìa trạm không đủ công suất bù trừ, khiến bán kính phủ sóng của trạm bị co hẹp lại so với trạng thái không tải.

Giải pháp dùng chung hạ tầng giữa 2G và 3G mang lại những ưu thế kinh tế nào?
Phương án dùng chung giúp nhà mạng tận dụng hơn 85% diện tích phòng máy, hệ thống cột cao, nguồn cấp điện DC và mạng truyền dẫn nội tỉnh hiện có. Điều này giúp giảm thiểu thời gian khảo sát lắp đặt xuống 50%, tiết kiệm khoảng 30% đến 40% chi phí xây lắp mới và giảm đáng kể chi phí thuê mặt bằng trạm hàng tháng.

Mô hình Erlang-B được biến đổi ra sao khi tính toán dung lượng cho mạng 3G?
Do mạng 3G cung cấp đồng thời nhiều loại hình dịch vụ không đối xứng như thoại 12,2 kbps, video call 64 kbps và truyền dữ liệu gói lên đến 384 kbps, lưu lượng của từng dịch vụ được quy đổi về giá trị lưu lượng Erlang tương đương dựa trên tốc độ truyền bit và hệ số hoạt động của nguồn tin trước khi áp dụng công thức Erlang-B tiêu chuẩn.

Tại sao cơ chế điều khiển công suất nhanh lại tối quan trọng đối với đường lên WCDMA?
Do các thiết bị di động ở gần trạm có mức suy hao đường truyền nhỏ hơn nhiều so với thiết bị ở xa, nếu phát cùng công suất thì tín hiệu gần sẽ che lấp hoàn toàn tín hiệu xa. Thuật toán điều khiển công suất nhanh 1500 Hz liên tục gửi lệnh tăng giảm công suất trong mỗi khe 0,666 ms để đảm bảo mọi tín hiệu đến trạm thu đều có mức công suất cân bằng.

Lộ trình tiến hóa theo các phiên bản chuẩn hóa 3GPP R99, R4, R5 đóng góp gì cho mạng Vinaphone?
Lộ trình này cho phép Vinaphone chuyển đổi từng bước từ mạng lõi chuyển mạch kênh TDM truyền thống (R99) sang cấu trúc phân tách khối điều khiển và chuyển mạch gói Softswitch (R4), tiến tới kiến trúc mạng thuần All-IP tích hợp phân hệ IMS và công nghệ vô tuyến tốc độ cao HSDPA/HSUPA (R5/R6) mà không làm gián đoạn các dịch vụ đang khai thác.

Kết luận

  • Luận văn đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về công nghệ trải phổ WCDMA FDD, cấu trúc phân lớp UTRAN và các cơ chế quản trị tài nguyên vô tuyến RRM chuyên sâu.
  • Xây dựng thành công thuật toán tính toán quỹ đường truyền và quy trình định cỡ dung lượng mạng 3G dựa trên mô hình Erlang mở rộng kết hợp công cụ mô phỏng vùng phủ.
  • Đề xuất phương án thiết kế kỹ thuật chi tiết quy hoạch 134 trạm Node-B và hệ thống kết nối truyền dẫn RNC tại thành phố Đà Nẵng với tỷ lệ dùng chung hạ tầng 2G đạt trên 85%.
  • Xác lập lộ trình đầu tư mở rộng mạng lưới giai đoạn 2009–2023, định hướng nâng cấp hạ tầng lên chuẩn All-IP và công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng HSDPA.
  • Các đơn vị kỹ thuật viễn thông và nhà mạng cần nhanh chóng áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế khảo sát, thiết kế và tối ưu hóa nhằm đưa mạng 3G vào vận hành khai thác thương mại đạt hiệu quả cao nhất.