Tổng quan nghiên cứu

Lưu lượng truyền tải dữ liệu vô tuyến toàn cầu đang tăng trưởng với tốc độ bình quân trên 40% mỗi năm, đặt ra yêu cầu cấp thiết đối với hệ thống mạng di động thế hệ mới về thông lượng gigabit và độ trễ siêu thấp. Theo báo cáo của Hiệp hội GSM (GSMA), công nghệ 5G dự kiến đóng góp 565 tỷ USD vào GDP toàn cầu, trong đó các dịch vụ khai thác trên dải tần sóng milimet (mmWave) chiếm khoảng 152 tỷ USD, tương đương hơn 25% tổng giá trị kinh tế mà 5G tạo ra. Tuy nhiên, việc mở rộng băng thông lên dải sóng mmWave từ 24 GHz đến 300 GHz đối mặt với thách thức suy hao không gian tự do rất lớn, khiến bán kính phủ sóng hiệu dụng của trạm gốc ngoài trời bị thu hẹp xuống chỉ còn khoảng 600 m so với cự ly hàng kilômét ở các thế hệ mạng 3G và 4G trước đây.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là làm thế nào để vừa khắc phục tổn hao truyền sóng ở dải tần số cao, vừa kiểm soát can nhiễu đồng kênh giữa các thuê bao trong cùng một ô mạng (cell). Mục tiêu nghiên cứu của luận văn tập trung vào việc phân tích, thiết kế và tối ưu hóa kỹ thuật định hướng đa búp sóng (beamforming) kết hợp trong hệ thống đa ăng-ten cỡ lớn (Massive MIMO) theo chuẩn 3GPP New Radio. Phạm vi nghiên cứu được triển khai tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông trong giai đoạn 2021–2022, bám sát khung quy hoạch phổ tần 24,25–27,5 GHz tại Việt Nam theo Thông tư 19/2020/TT-BTTTT. Công trình mang ý nghĩa thực tiễn sâu sắc khi thiết lập giải pháp triệt tiêu mức thùy bên (SLL) đạt ngưỡng mục tiêu -30 dB và thu hẹp độ rộng búp sóng nửa công suất (HPBW) xuống còn khoảng 6,25 độ, giúp tối ưu hóa hiệu suất phổ và mở rộng vùng phủ sóng vô tuyến một cách bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Khung lý thuyết của luận văn được xây dựng trên nền tảng kiến trúc mạng 5G NR của 3GPP Release 15 với ba nhóm dịch vụ điển hình: Băng thông rộng di động nâng cao (eMBB), Truyền thông máy quy mô lớn (mMTC) và Truyền thông độ trễ thấp cực kỳ đáng tin cậy (URLLC). Nghiên cứu phân tích chuyên sâu hai mô hình triển khai mạng: Chế độ không độc lập (NSA - Option 3x) kết nối trạm gNodeB với mạng lõi 4G EPC hiện hữu, và Chế độ độc lập (SA - Option 2) vận hành trực tiếp trên nền tảng mạng lõi 5G Core.

Về lý thuyết truyền dẫn đa ăng-ten, luận văn áp dụng mô hình kênh truyền Massive MIMO với $N_t$ ăng-ten phát và $N_r$ ăng-ten thu. Theo định luật dung lượng Shannon mở rộng cho hệ thống MIMO, dung lượng kênh truyền cực đại $C$ được xác định theo biểu thức: $$C \approx \min(N_t, N_r) \log_2\left(1 + \frac{N_r}{N_t} \cdot \text{SNR}\right)$$ Biểu thức này chứng minh rằng việc tăng số lượng phần tử ăng-ten tại trạm gốc lên hàng chục hoặc hàng trăm phần tử sẽ nâng cao dung lượng kênh truyền cả đường lên (uplink) lẫn đường xuống (downlink).

Về kỹ thuật tạo búp sóng, nghiên cứu hệ thống hóa các kiến trúc: định dạng búp sóng tương tự (Analog), định dạng búp sóng số (Digital) và cấu trúc lai ghép (Hybrid Beamforming). Đồng thời, luận văn đánh giá hai nhóm thuật toán tạo búp thích ứng: nhóm thuật toán thích ứng có tín hiệu huấn luyện (LMS, RLS, SMI, LCMV, MVDR) và nhóm thuật toán thích ứng mù (CMA, LS-CMA). Cấu trúc mảng ăng-ten thẳng đều (ULA - Uniform Linear Array) với khoảng cách giữa các phần tử $d = 0,5\lambda$ được lựa chọn làm mô hình tính toán nền tảng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa phân tích mô hình toán học giải tích và mô phỏng số trên môi trường phần mềm MATLAB. Nguồn dữ liệu đầu vào được trích xuất từ các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế của ITU-R, 3GPP và các quy chuẩn kỹ thuật vô tuyến quốc gia của Bộ Thông tin và Truyền thông Việt Nam.

Về quy mô mẫu khảo sát, nghiên cứu thực hiện mô phỏng trên mảng ăng-ten ULA với số phần tử $M$ thay đổi linh hoạt từ 17 đến 31 phần tử, tập trung phân tích sâu tại hai cấu hình mẫu đại diện là $M = 21$ và $M = 29$ phần tử. Tín hiệu đầu vào được chia thành hai kịch bản: tín hiệu băng hẹp tại tần số sóng mang 1,5 GHz và tín hiệu băng rộng trong dải tần số từ 1,0 GHz đến 3,0 GHz. Đối với bài toán băng rộng, mỗi phần tử ăng-ten được ghép nối với một bộ lọc số đáp ứng xung hữu hạn (FIR) gồm 16 nhánh trễ (16 taps).

Lý do lựa chọn phương pháp giải tích kết hợp mô phỏng số xuất phát từ tính chất phức tạp của bài toán bức xạ trường điện từ phi tuyến trong không gian 3 chiều. Nghiên cứu đề xuất kỹ thuật cân bằng độ dốc (Slope Equalization) tại điểm gián đoạn tần số cắt của bộ lọc không gian nhằm giảm thiểu hiện tượng Gibbs, qua đó nâng cao độ chính xác khi ước lượng hướng sóng đến (DoA) và điều khiển góc lái búp sóng trong dải từ $-45^\circ$ đến $+45^\circ$. Toàn bộ quy trình nghiên cứu, xây dựng thuật toán và kiểm thử mô phỏng được thực hiện liên tục trong khoảng thời gian 12 tháng từ đầu năm 2021 đến tháng 01/2022.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, việc ứng dụng kỹ thuật cân bằng độ dốc vào bộ lọc không gian của mảng ULA đã cải thiện đáng kể mức triệt tiêu thùy bên. Với cấu hình mảng 21 phần tử ở tần số 1,5 GHz, bộ định dạng chùm đề xuất đạt mức suy hao thùy bên cực đại (SLL) chính xác ở ngưỡng $-30\text{ dB}$, đồng thời kiểm soát độ rộng búp sóng nửa công suất (HPBW) ở mức tối ưu là $6,25^\circ$.

Thứ hai, khi tiến hành đối sánh với các hàm cửa sổ kinh điển trong cùng điều kiện $M = 21$ và $M = 29$ phần tử, bộ định dạng chùm đề xuất thể hiện đặc tính suy giảm thùy bên dốc hơn hẳn, mang lại tỷ lệ giữa điểm triệt tiêu đầu tiên và điểm triệt tiêu cuối cùng (FNLN) cao hơn từ 15% đến 22% so với các phương pháp Taylor, DPSS và Kaiser. Độ rộng búp sóng chuyển tiếp (TBW) của bộ định dạng đề xuất đạt mức $21,52^\circ$, giúp búp sóng hội tụ năng lượng tập trung và giảm thiểu phát xạ không mong muốn.

Thứ ba, trong kịch bản băng rộng từ 1,0 GHz đến 3,0 GHz với bộ lọc FIR 16 tầng cho mỗi phần tử, hệ thống duy trì được độ lợi bức xạ đồng đều và độ ổn định của búp sóng trên toàn bộ dải quét góc từ $-45^\circ$ đến $+45^\circ$, không xảy ra hiện tượng méo dạng búp sóng hay phân rã năng lượng khi tần số thay đổi.

Thứ tư, kết quả mô phỏng thuật toán điều khiển công suất Max-Min trong hệ thống Massive MIMO cho thấy sự cải thiện vượt bậc về chất lượng tín hiệu thu. Tỉ số tín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu (SINR) của các người dùng ở biên cell tăng từ khoảng 4,2 dB lên trên 12,8 dB. Chòm sao tín hiệu (constellation diagram) sau khi áp dụng điều khiển công suất Max-Min được gom cụm rõ rệt, triệt tiêu gần như hoàn toàn hiện tượng phân tán điểm tín hiệu do nhiễu đa truy nhập.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự vượt trội của bộ định dạng chùm đề xuất là nhờ kỹ thuật cân bằng độ dốc đã giải quyết triệt để sự gián đoạn của hàm đáp ứng biên độ tại tần số cắt $\omega_c$. Việc làm mịn biên chuyển tiếp giúp loại bỏ gợn sóng biên độ (ripple) và tăng độ suy hao dải dừng $\delta_s$, từ đó hạn chế tối đa bức xạ rò rỉ sang các hướng không mong muốn.

Khi so sánh với các công bố quốc tế về kỹ thuật tạo chùm sử dụng cửa sổ Chebyshev hoặc Taylor truyền thống, phương pháp đề xuất mang lại mức thùy bên thấp hơn khoảng 3 dB đến 5 dB tại các góc xa trục chính. Điều này có ý nghĩa sống còn đối với các hệ thống vô tuyến mật độ cao, nơi can nhiễu giữa các chùm tia lân cận là yếu tố giới hạn dung lượng hàng đầu.

Về phương thức biểu diễn trực quan, các kết quả nghiên cứu trong luận văn được chuẩn hóa qua hai hình thức chính:

  1. Bảng số liệu tổng hợp so sánh các chỉ số kỹ thuật gồm: Mức thùy bên đỉnh (Peak SLL), Độ rộng búp sóng triệt tiêu đầu tiên (FNBW) và Độ rộng búp sóng chuyển tiếp (TBW) giữa các thuật toán lọc khác nhau tại các quy mô mảng $M = 21$ và $M = 29$.
  2. Hệ thống biểu đồ đáp ứng không gian 2 chiều và 3 chiều mô tả giản đồ bức xạ búp sóng, biểu đồ hàm phân phối tích lũy (CDF) của tỉ số SINR, và đồ thị chòm sao tín hiệu I/Q minh chứng cho sự tối ưu hóa công suất thu phát.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai kiến trúc tạo búp sóng lai (Hybrid Beamforming) trên trạm gNodeB 5G: Các doanh nghiệp viễn thông (Viettel, VNPT, MobiFone) cần ưu tiên áp dụng cấu trúc kết nối lai ghép giữa miền tương tự và miền số. Giải pháp này giúp giảm số lượng chuỗi vô tuyến RF từ 64 chuỗi xuống còn 8 đến 16 chuỗi, giúp tiết kiệm khoảng 35% chi phí đầu tư phần cứng và giảm hơn 40% mức tiêu thụ năng lượng của trạm phát trong giai đoạn 2024–2025.
  2. Ứng dụng thuật toán điều khiển công suất Max-Min vào quy hoạch mạng vô tuyến đô thị: Đơn vị vận hành mạng cần tích hợp giải pháp phân bổ công suất Max-Min vào phần mềm tối ưu hóa mạng tự động (SON) nhằm nâng cao hiệu suất phổ đường xuống đạt mức tối thiểu $\ge 4,5\text{ bps/Hz/cell}$ tại các khu vực đô thị có mật độ thuê bao trên 1.000 thiết bị/$\text{km}^2$ với lộ trình hoàn thành trước năm 2026.
  3. Nâng cấp bộ lọc không gian cân bằng độ dốc vào bộ xử lý tín hiệu Baseband: Các nhà sản xuất thiết bị phần cứng viễn thông trong nước cần tích hợp mô-đun lọc FIR 16 tầng và thuật toán cân bằng độ dốc trực tiếp vào chip xử lý tín hiệu số (DSP/FPGA) để duy trì mức triệt tiêu thùy bên $<-30\text{ dB}$ trên toàn dải quét $\pm 45^\circ$, tiến hành thử nghiệm phòng lab trong vòng 18 tháng.
  4. Hoàn thiện chính sách phân bổ và đấu giá băng tần mmWave 26 GHz: Cục Tần số Vô tuyến điện (Bộ Thông tin và Truyền thông) cần tiếp tục đẩy mạnh cấp phép băng tần 24,25–27,5 GHz theo 8 khối 400 MHz (phương thức TDD), đảm bảo mỗi nhà mạng sở hữu tối đa 3 khối (1.200 MHz) để khai thác trọn vẹn thông lượng gigabit cho các dịch vụ eMBB và FWA từ năm 2025 trở đi.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư tối ưu hóa và quy hoạch mạng vô tuyến (RF Engineers): Nắm vững quy trình quản lý chùm tia (Beam Management), thủ tục quét khối tín hiệu đồng bộ (SSB) và tín hiệu tham chiếu trạng thái kênh (CSI-RS) để tinh chỉnh vùng phủ sóng và giảm can nhiễu thực tế tại các trạm 5G NR.
  2. Nhà nghiên cứu và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Viễn thông: Khai thác hệ thống công thức giải tích về mảng ăng-ten ULA, các thuật toán xử lý không gian (LMS, RLS, MVDR) và mã nguồn mô phỏng MATLAB làm nền tảng mở rộng nghiên cứu sang hệ thống Massive MIMO phân tán hoặc mạng 6G băng tần Terahertz.
  3. Chuyên viên quản lý chính sách và cấp phép tần số vô tuyến: Sử dụng các luận cứ khoa học về đặc tính suy hao truyền sóng dải sóng milimet (26 GHz) và hiệu quả sử dụng phổ tần để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và phương án quy hoạch phổ tần quốc gia.
  4. Kỹ sư thiết kế hệ thống nhúng và phần cứng viễn thông: Ứng dụng mô hình bộ lọc không gian FIR kết hợp giải thuật cân bằng độ dốc để thiết kế các khối tiền mã hóa (precoding) và tách sóng trên chip FPGA với hiệu quả năng lượng cao và độ phức tạp phần cứng tối thiểu.

Câu hỏi thường gặp

1. Kỹ thuật định hướng đa búp sóng (Beamforming) mang lại lợi thế gì vượt trội cho mạng di động 5G?

Beamforming tập trung năng lượng sóng điện từ thành các chùm tia cực hẹp hướng trực tiếp đến từng thiết bị người dùng thay vì phát xạ đẳng hướng. Kỹ thuật này bù đắp suy hao truyền sóng lớn ở dải tần cao, tăng tỉ số SINR lên trên 8 dB và cho phép tái sử dụng tần số trong cùng một ô mạng mà không gây can nhiễu lẫn nhau.

2. Tại sao mức suy hao thùy bên (SLL) cần đạt ngưỡng mục tiêu là -30 dB trong mô phỏng?

Mức SLL -30 dB đảm bảo năng lượng của các búp sóng phụ thấp hơn búp sóng chính tới 1.000 lần. Mức suy hao này giúp triệt tiêu hầu như toàn bộ hiện tượng rò rỉ tín hiệu sang các hướng không mong muốn, bảo vệ liên kết vô tuyến của các thuê bao lân cận và ngăn chặn nguy cơ rò rỉ thông tin trong không gian.

3. Quy hoạch dải tần sóng milimet 26 GHz tại Việt Nam được phân chia như thế nào?

Theo Thông tư 19/2020/TT-BTTTT, băng tần 24,25–27,5 GHz của Việt Nam được quy hoạch cho hệ thống IMT-2020 và chia thành 8 khối theo phương thức song công phân chia theo thời gian (TDD), mỗi khối rộng 400 MHz. Mỗi doanh nghiệp viễn thông được xem xét cấp phép tối đa 3 khối (tương đương 1.200 MHz băng thông).

4. Thuật toán điều khiển công suất Max-Min giải quyết thách thức nào trong Massive MIMO?

Thuật toán Max-Min giải quyết triệt để hiện tượng "gần-xa" và vấn đề bất bình đẳng thông lượng giữa các người dùng trong ô mạng. Bằng cách tối ưu hóa mức phân bổ năng lượng bức xạ, thuật toán nâng cao tỉ số SINR của người dùng ở rìa mạng lên trên 12,8 dB, đảm bảo chất lượng dịch vụ đồng đều cho mọi thuê bao.

5. Sự khác biệt cốt lõi giữa cấu trúc Beamforming số và Beamforming lai là gì?

Beamforming số xử lý biên độ và pha cho từng phần tử ăng-ten ở băng cơ sở, đòi hỏi mỗi ăng-ten phải có một chuỗi RF riêng biệt dẫn đến chi phí và điện năng tiêu thụ rất cao. Beamforming lai kết hợp xử lý số ở băng cơ sở với các bộ dịch pha tương tự ở miền RF, giúp giảm 70% số chuỗi RF mà vẫn duy trì 90% hiệu năng.

Kết luận

  • Hệ thống hóa hoàn chỉnh cơ sở lý thuyết về sự phát triển của các thế hệ mạng thông tin di động từ 1G đến 5G NR, khẳng định vai trò then chốt của Massive MIMO và kỹ thuật beamforming trong việc giải quyết bài toán suy hao dải sóng mmWave.
  • Thiết kế thành công mô hình bộ lọc không gian mảng ULA ứng dụng kỹ thuật cân bằng độ dốc, triệt tiêu mức thùy bên SLL đạt chuẩn -30 dB và duy trì độ rộng búp sóng nửa công suất sắc nét ở mức $6,25^\circ$.
  • Mở rộng giải pháp định dạng chùm cho tín hiệu băng rộng từ 1,0 GHz đến 3,0 GHz thông qua cấu trúc bộ lọc FIR 16 tầng cho 21 phần tử ăng-ten, duy trì độ lợi bức xạ ổn định trong phạm vi góc quét $\pm 45^\circ$.
  • Chứng minh tính hiệu quả vượt trội của thuật toán điều khiển công suất Max-Min trong việc nâng cao tỉ số SINR và đảm bảo tính công bằng về thông lượng truyền dẫn cho người dùng di động.
  • Đóng góp luận cứ kỹ thuật thực tiễn giá trị, phục vụ đắc lực cho công tác nghiên cứu, thử nghiệm và thương mại hóa mạng 5G trên dải tần 24,25–27,5 GHz tại Việt Nam.

Trong giai đoạn 12–24 tháng tiếp theo, hướng nghiên cứu cần được mở rộng sang mô hình mảng ăng-ten phẳng 2 chiều (Planar Array) và ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI/ML) để tự động hóa việc theo dõi búp sóng thời gian thực. Quý độc giả, kỹ sư viễn thông và các nhà nghiên cứu quan tâm có thể khai thác toàn văn tài liệu và mô hình thuật toán để ứng dụng vào công tác tối ưu hóa mạng vô tuyến thế hệ mới.