Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ vô tuyến điện, việc khai thác hiệu quả quỹ tần số trở thành một vấn đề cấp thiết. Các hệ thống vô tuyến di động mặt đất dùng riêng (PMR) đã và đang phục vụ hàng triệu doanh nghiệp và các ngành công nghiệp trên toàn cầu, đặc biệt trong các lĩnh vực như giáo dục, cảng biển, xây dựng, nhà máy và dịch vụ bảo vệ. Tại Việt Nam, việc sử dụng tần số trong băng tần VHF/UHF cho các mạng PMR chủ yếu dựa trên phân kênh 12.5 kHz và 25 kHz, dẫn đến tình trạng khan hiếm tần số tại các thành phố lớn như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh và Đà Nẵng, nơi mật độ sử dụng tần số cao gấp 20-30 lần so với mức trung bình toàn quốc.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích và đề xuất phương án ấn định tần số cho mạng PMR sử dụng công nghệ mới với phân kênh 6.25 kHz trong băng tần VHF/UHF, nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần và giảm thiểu hiện tượng can nhiễu. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các mạng PMR tại các thành phố lớn của Việt Nam trong giai đoạn 2018-2021, dựa trên số liệu cấp phép và khảo sát thực tế. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ công tác quản lý tần số, nâng cao chất lượng liên lạc và đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người dùng trong môi trường đô thị đông đúc.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Công nghệ PMR số và tương tự: So sánh ưu nhược điểm của công nghệ PMR tương tự (sử dụng băng thông 12.5 kHz và 25 kHz) với công nghệ PMR số (phân kênh 6.25 kHz), trong đó công nghệ số sử dụng kỹ thuật điều chế FDMA hoặc TDMA giúp tăng hiệu quả sử dụng phổ và cải thiện chất lượng âm thanh.
  • Tiêu chuẩn kỹ thuật PMR số: Áp dụng các tiêu chuẩn ETSI như DMR (Digital Mobile Radio) sử dụng TDMA và dPMR sử dụng FDMA, cùng với các thuật toán mã hóa giọng nói AMBE+2TM, giúp tăng dung lượng kênh và giảm tỷ lệ lỗi bit.
  • Mô hình truyền sóng và tính toán khoảng cách tái sử dụng tần số: Sử dụng các mô hình truyền sóng ITU-R P.526, Longley-Rice và Hata sửa đổi để tính toán tổn hao đường truyền và xác định khoảng cách tái sử dụng tần số phù hợp với đặc điểm địa hình và cấu hình mạng PMR tại Việt Nam.
  • Khái niệm chính: Khoảng cách tái sử dụng tần số, tỷ số bảo vệ (α), hệ số loại bỏ kênh ngoài (OCR), băng thông kênh, công suất phát EIRP, độ cao ăng ten.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu cấp phép tần số của Cục Tần số vô tuyến điện Việt Nam, bao gồm 7.524 giấy phép mạng PMR trong dải VHF/UHF tính đến năm 2021. Phân tích số liệu về cấu hình mạng, phân kênh sử dụng, mật độ tần số tại các thành phố lớn và toàn quốc.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Tính toán khoảng cách tái sử dụng tần số dựa trên các tham số kỹ thuật đầu vào theo khuyến nghị ITU-R SM.337 và kinh nghiệm của Úc, sử dụng phần mềm mô phỏng Chirplus.
  • So sánh kết quả tính toán giữa các mô hình truyền sóng và các cấu hình mạng LAN, WAN simplex và WAN duplex.
  • Khảo sát thực tế tại các thành phố lớn để đánh giá khoảng cách tái sử dụng tần số và mức độ can nhiễu.
  • Đề xuất phương án ấn định tần số phù hợp với phân kênh 6.25 kHz và đặc điểm sử dụng tần số tại các khu vực đô thị.

Thời gian nghiên cứu tập trung trong giai đoạn 2018-2021, với trọng tâm là các thành phố Hà Nội, TP Hồ Chí Minh và Đà Nẵng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng sử dụng tần số PMR tại Việt Nam: Tính đến tháng 10/2021, có 2.237 giấy phép sử dụng 876 tần số trong dải VHF và 5.287 giấy phép sử dụng 863 tần số trong dải UHF. Trong đó, phân kênh 12.5 kHz chiếm tỷ lệ áp đảo với hơn 80% số giấy phép và thiết bị, phân kênh 6.25 kHz mới chiếm khoảng 6-7% và đang tăng nhanh trong giai đoạn 2018-2021.

  2. Mật độ sử dụng tần số tại các thành phố lớn: Tại TP Hồ Chí Minh, mật độ sử dụng tần số trong dải UHF đạt khoảng 0.79 tần số/km², cao hơn 30 lần so với mức trung bình toàn quốc; tại Hà Nội là 0.38 tần số/km², cao hơn 20 lần. Điều này dẫn đến khó khăn trong việc cấp phép và ấn định tần số mới, đặc biệt cho các mạng LAN nội bộ.

  3. Khoảng cách tái sử dụng tần số theo tính toán ITU và Úc: Kết quả mô phỏng cho thấy khoảng cách tái sử dụng tần số cho mạng LAN băng thông 6.25 kHz dao động khoảng 10-11 km, mạng WAN simplex khoảng 120-142 km, mạng WAN duplex khoảng 100 km, tương đồng giữa hai phương pháp tính toán. Khoảng cách này giảm đáng kể so với các phân kênh 12.5 kHz và 25 kHz, giúp tăng khả năng tái sử dụng tần số trong khu vực đô thị.

  4. Ảnh hưởng của độ cao ăng ten đến vùng phủ và khoảng cách tái sử dụng: Độ cao ăng ten trạm cố định trong mạng WAN thường từ 30-100 m, trong khi mạng LAN sử dụng độ cao đa dạng từ 1.5 đến 70 m. Mạng LAN sử dụng độ cao 50 m có vùng phủ và khoảng cách tái sử dụng lớn hơn đáng kể so với độ cao 12-15 m, do đó cần cân nhắc khi ấn định tần số cho từng kịch bản sử dụng.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc áp dụng công nghệ PMR số với phân kênh 6.25 kHz mang lại hiệu quả sử dụng phổ tần vượt trội so với các phân kênh truyền thống 12.5 kHz và 25 kHz. Khoảng cách tái sử dụng tần số giảm giúp tăng mật độ mạng PMR trong các khu vực đô thị đông dân cư, giải quyết phần nào vấn đề khan hiếm tần số tại các thành phố lớn.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả tính toán khoảng cách tái sử dụng tần số phù hợp với khuyến nghị của ITU và kinh nghiệm của Úc, đồng thời phản ánh đúng đặc điểm địa hình và cấu hình mạng tại Việt Nam. Việc sử dụng phần mềm mô phỏng Chirplus giúp đánh giá chính xác hơn vùng phủ và mức độ can nhiễu thực tế, hỗ trợ công tác ấn định tần số hiệu quả.

Ngoài ra, việc phân tích độ cao ăng ten cho thấy tầm quan trọng của yếu tố này trong thiết kế mạng PMR, đặc biệt với mạng LAN nội bộ có phạm vi phủ nhỏ và đa dạng về môi trường sử dụng. Kết quả này góp phần làm rõ các tiêu chí kỹ thuật cần thiết để xây dựng phương án ấn định tần số phù hợp với từng loại mạng và khu vực.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng phân kênh 6.25 kHz cho các mạng PMR tại thành phố lớn: Khuyến khích sử dụng công nghệ PMR số với phân kênh 6.25 kHz nhằm tăng hiệu quả sử dụng phổ tần, giảm thiểu hiện tượng can nhiễu và đáp ứng nhu cầu liên lạc ngày càng cao. Thời gian triển khai ưu tiên trong vòng 1-2 năm tới, do các thiết bị hỗ trợ phân kênh này đã phổ biến.

  2. Xây dựng quy trình ấn định tần số dựa trên mô hình tính toán khoảng cách tái sử dụng tần số: Sử dụng phần mềm mô phỏng như Chirplus kết hợp với các tham số kỹ thuật thực tế (công suất, độ cao ăng ten, mô hình truyền sóng) để xác định khoảng cách tái sử dụng phù hợp cho từng loại mạng (LAN, WAN simplex, WAN duplex). Chủ thể thực hiện là Cục Tần số vô tuyến điện và các đơn vị quản lý tần số.

  3. Tăng cường quản lý và giám sát việc sử dụng tần số tại các khu vực đô thị: Thiết lập hệ thống giám sát để phát hiện và xử lý kịp thời các trường hợp sử dụng tần số không đúng quy định, nhằm bảo vệ chất lượng liên lạc và tránh gây nhiễu chéo. Thời gian thực hiện liên tục, ưu tiên các thành phố lớn.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho các đơn vị sử dụng mạng PMR: Tổ chức các khóa đào tạo về công nghệ PMR số, quy trình ấn định tần số và các biện pháp giảm thiểu can nhiễu, giúp người dùng hiểu và tuân thủ các quy định kỹ thuật. Chủ thể thực hiện là các cơ quan quản lý và nhà cung cấp thiết bị, trong vòng 1 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý tần số vô tuyến điện: Hỗ trợ xây dựng chính sách, quy trình cấp phép và ấn định tần số hiệu quả, đặc biệt trong bối cảnh nhu cầu sử dụng tần số PMR tăng cao tại các thành phố lớn.

  2. Doanh nghiệp và tổ chức sử dụng mạng PMR: Giúp lựa chọn công nghệ phù hợp, tối ưu hóa chi phí đầu tư thiết bị và khai thác hiệu quả phổ tần, nâng cao chất lượng liên lạc trong hoạt động sản xuất kinh doanh.

  3. Nhà sản xuất và cung cấp thiết bị viễn thông: Cung cấp cơ sở kỹ thuật để phát triển sản phẩm hỗ trợ phân kênh 6.25 kHz, đáp ứng tiêu chuẩn quốc tế và nhu cầu thị trường trong nước.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành viễn thông: Là tài liệu tham khảo quý giá về công nghệ PMR số, phương pháp tính toán khoảng cách tái sử dụng tần số và các tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan, phục vụ cho các nghiên cứu tiếp theo.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phân kênh 6.25 kHz có ưu điểm gì so với 12.5 kHz và 25 kHz?
    Phân kênh 6.25 kHz giúp tăng gấp đôi dung lượng kênh so với 12.5 kHz và gấp bốn lần so với 25 kHz, đồng thời cải thiện hiệu quả sử dụng phổ tần và giảm thiểu can nhiễu, phù hợp với môi trường đô thị mật độ cao.

  2. Công nghệ PMR số khác gì so với PMR tương tự?
    PMR số sử dụng kỹ thuật điều chế số và mã hóa giọng nói, giúp cải thiện chất lượng âm thanh, tăng vùng phủ sóng, tiết kiệm năng lượng và hỗ trợ các tính năng nâng cao như mã hóa bảo mật và truyền dữ liệu.

  3. Khoảng cách tái sử dụng tần số là gì và tại sao quan trọng?
    Khoảng cách tái sử dụng tần số là khoảng cách tối thiểu giữa các mạng sử dụng cùng tần số để tránh gây nhiễu lẫn nhau. Việc xác định chính xác giúp tăng mật độ mạng mà không làm giảm chất lượng liên lạc.

  4. Phần mềm Chirplus được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Chirplus được dùng để mô phỏng vùng phủ sóng và tính toán khoảng cách tái sử dụng tần số dựa trên các tham số kỹ thuật và mô hình truyền sóng, giúp đánh giá chính xác hiệu quả ấn định tần số.

  5. Làm thế nào để giải quyết tình trạng khan hiếm tần số tại các thành phố lớn?
    Ngoài việc áp dụng phân kênh 6.25 kHz, cần tăng cường quản lý tần số, sử dụng công nghệ số hiện đại, đào tạo người dùng và phát triển các giải pháp kỹ thuật nhằm tối ưu hóa khai thác phổ tần.

Kết luận

  • Công nghệ PMR số với phân kênh 6.25 kHz mang lại hiệu quả sử dụng phổ tần vượt trội, phù hợp với nhu cầu tăng cao tại các thành phố lớn.
  • Khoảng cách tái sử dụng tần số được tính toán theo khuyến nghị ITU và kinh nghiệm Úc cho thấy khả năng tăng mật độ mạng mà vẫn đảm bảo chất lượng liên lạc.
  • Độ cao ăng ten là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến vùng phủ và khoảng cách tái sử dụng, cần được cân nhắc kỹ trong thiết kế mạng.
  • Phương pháp mô phỏng và tính toán sử dụng phần mềm Chirplus hỗ trợ xây dựng phương án ấn định tần số chính xác và hiệu quả.
  • Đề xuất áp dụng phân kênh 6.25 kHz, xây dựng quy trình ấn định tần số mới, tăng cường quản lý và đào tạo người dùng nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ PMR tại Việt Nam.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu tiếp theo về tối ưu hóa quy hoạch tần số và phát triển công nghệ PMR số trong bối cảnh đô thị hóa nhanh và nhu cầu liên lạc ngày càng đa dạng. Các cơ quan quản lý và doanh nghiệp được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả khai thác tài nguyên tần số.