Tổng quan nghiên cứu

Quá trình chuyển dịch hạ tầng phát thanh truyền hình từ công nghệ tương tự sang công nghệ số mặt đất là xu thế tất yếu nhằm tối ưu hóa tài nguyên phổ tần số vô tuyến điện quốc gia. Căn cứ theo Quyết định số 2451/QĐ-TTg ngày 27 tháng 12 năm 2011 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Đề án số hóa truyền dẫn, phát sóng truyền hình mặt đất đến năm 2020, tỉnh Quảng Trị thuộc nhóm III với mục tiêu hoàn thành chuyển đổi hoàn toàn sang truyền hình số trước ngày 31 tháng 12 năm 2018. Thực tế địa bàn tỉnh Quảng Trị có diện tích tự nhiên 4.760,1 km2 với quy mô dân số gần 62 vạn người sinh sống tại 10 đơn vị hành chính. Tuy nhiên, địa hình nơi đây vô cùng phức tạp với hơn 40% diện tích là đồi núi cao trải dài 206 km đường biên giới giáp nước Cộng hòa Dân chủ Nhân dân Lào, gây ra hiện tượng che khuất và suy hao nghiêm trọng tín hiệu vô tuyến.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm là giải quyết tình trạng mạng máy phát analog hiện hữu gồm 14 trạm phát chính và trạm phát lại đã xuống cấp, tiêu tốn nhiều năng lượng và chỉ phát sóng đơn kênh với chất lượng không đồng đều. Mục tiêu cụ thể của công trình là xây dựng phương án quy hoạch mạng đơn tần SFN chuẩn DVB-T2 tối ưu, tính toán vùng phủ sóng và cấu hình hệ thống phát sóng số hiệu quả cho địa bàn tỉnh Quảng Trị trong giai đoạn 2015 đến năm 2020. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp giảm công suất tiêu thụ của máy phát từ 5000W analog xuống chỉ còn 500W đến 600W ở chế độ số, đồng thời tăng dung lượng truyền dẫn từ 30% đến 88% trên cùng băng thông 8 MHz, tạo tiền đề giải phóng băng tần UHF phục vụ phát triển thông tin di động băng rộng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết điều chế ghép kênh phân chia theo tần số trực giao có mã sửa sai COFDM thế hệ hai với kích thước biến đổi Fourier nhanh FFT mở rộng linh hoạt từ 1K đến 32K sóng mang, kết hợp cơ chế sửa lỗi tiên tiến LDPC và BCH tiến gần tới giới hạn Shannon. Bên cạnh đó, mô hình thực nghiệm Okumura-Hata trong dải tần từ 150 MHz đến 1500 MHz được áp dụng để dự báo suy hao truyền sóng trên 3 vùng địa hình điển hình: không gian mở, khu vực ngoại ô và khu vực đô thị.

Hệ thống khung lý thuyết bao gồm 5 khái niệm cốt lõi:

  1. Mạng đơn tần SFN (Single Frequency Network): Cấu trúc mạng cho phép tất cả các máy phát đồng bộ thời gian qua hệ thống định vị GPS để phát cùng một tần số sóng mang vô tuyến trên diện rộng.
  2. Kỹ thuật chòm sao xoay (Rotated Constellation): Phương pháp xoay các điểm chòm sao điều chế QPSK, 16-QAM, 64-QAM kết hợp dịch trễ giữa thành phần đồng pha I và vuông pha Q nhằm chống hiện tượng suy hao fading sâu.
  3. Kỹ thuật truyền dẫn đa đầu vào đơn đầu ra MISO: Ứng dụng mã khối không gian tần số Alamouti trên hai nhóm anten phát để triệt tiêu tương quan can nhiễu.
  4. Khái niệm ống lớp vật lý PLP (Physical Layer Pipes): Cho phép truyền đồng thời nhiều luồng dịch vụ truyền hình cố định và di động với mức độ bảo vệ mã hóa khác nhau trên cùng kênh RF 8 MHz.
  5. Cấu trúc mẫu pilot phân tán từ PP1 đến PP8: Cung cấp tín hiệu tham chiếu phục vụ ước lượng kênh truyền và đồng bộ pha chính xác cho đầu thu.

Phương pháp nghiên cứu

Cỡ mẫu nghiên cứu bao trùm toàn bộ 14 trạm phát sóng và chuyển tiếp truyền hình trên địa bàn tỉnh Quảng Trị, bao gồm 4 trạm phát trung tâm (Đài tỉnh tại thành phố Đông Hà, trạm Khe Sanh thuộc huyện Hướng Hóa, trạm Krông Klang thuộc huyện Đakrông, trạm Lao Bảo) và 10 trạm phát lại vùng sâu vùng xa (Hướng Phùng, Hướng Việt, Hướng Lập, A Túc, Pa Tầng, Tà Rụt, A Vao, Tà Long, Ba Nang, A Bung).

Phương pháp chọn mẫu phân tầng toàn diện theo đặc điểm địa hình được áp dụng triệt để: phân tầng vùng đồng bằng ven biển có độ cao anten từ 60m đến 110m và phân tầng vùng núi cao hiểm trở biên giới có độ cao anten từ 30m đến 45m. Nguồn dữ liệu thu thập gồm thông số kỹ thuật thực địa của các máy phát công suất 150W đến 5000W kết hợp bản đồ cao độ địa hình số. Phương pháp phân tích toán học dựa trên mô hình Okumura-Hata và mô phỏng số trên môi trường MATLAB/Simulink được lựa chọn nhằm kiểm chứng chính xác tỷ số lỗi bit BER theo tỷ số sóng mang trên tạp âm C/N và tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR trên các kênh truyền AWGN và kênh pha đinh Rayleigh. Timeline nghiên cứu được thực hiện tập trung trong năm 2014 và năm 2015 nhằm đón đầu lộ trình tắt sóng analog trước năm 2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, chuẩn DVB-T2 mang lại mức tăng trưởng dung lượng truyền dẫn vượt bậc từ 30% đến 88% so với chuẩn DVB-T thế hệ đầu trên cùng một kênh tần số 8 MHz. Trong chế độ mạng đơn tần SFN thu cố định cấu hình FFT 32K với điều chế 256-QAM và khoảng bảo vệ tối ưu 1/128, dung lượng truyền dẫn tăng 86%, cho phép truyền tải đồng thời 4 kênh truyền hình độ nét cao HD chuẩn MPEG-4 720p hoặc lên đến 14 chương trình độ nét tiêu chuẩn SD.

Thứ hai, bán kính phủ sóng mạng đơn tần SFN ở chế độ phát SISO của DVB-T2 đạt khoảng cách truyền sóng tối đa lên tới 159,6 km trên kênh 8 MHz, vượt trội hơn 137% so với giới hạn 67,2 km của chuẩn DVB-T. Đối với chế độ phát MISO sử dụng mã hóa Alamouti, khoảng cách truyền sóng tối đa đạt 79,8 km, giúp nâng cao độ ổn định tại các vùng giáp ranh có mức tín hiệu tương đương.

Thứ ba, hệ thống DVB-T2 giúp tiết giảm đáng kể cường độ trường thu yêu cầu từ 15 dB đến 18 dB so với truyền hình tương tự. Nhờ đó, một máy phát hình số DVB-T2 công suất 500W đến 600W có thể thay thế hoàn toàn máy phát analog công suất 5000W (5 kW) tại Đài tỉnh thành phố Đông Hà mà vẫn đảm bảo vùng phủ sóng tương đương cho toàn bộ khu vực đồng bằng.

Thứ tư, thuật toán chòm sao xoay 16-QAM kết hợp trễ thời gian giữa nhánh I và Q chứng minh khả năng cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR từ 2 dB đến 3 dB trên kênh pha đinh đa đường để đạt cùng ngưỡng tỷ lệ lỗi bit BER dưới 10 mũ trừ 4 so với phương pháp điều chế không xoay.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của sự vượt trội này bắt nguồn từ việc DVB-T2 nâng số lượng sóng mang con từ 6817 (chế độ 8K của DVB-T) lên đến 27841 sóng mang hữu ích trong chế độ 32K, kết hợp sự đa dạng của các khoảng bảo vệ mới như 1/128, 19/256 và 19/128 giúp hạn chế tối đa hiện tượng nhiễu liên ký tự ISI.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan thông qua biểu đồ đường so sánh đặc tuyến tỷ lệ lỗi bit BER theo C/N, minh chứng rõ ràng sự suy giảm nhanh của lỗi bit khi kích hoạt góc quay chòm sao 16-QAM ở góc 16,8 độ và 64-QAM ở góc 8,6 độ. Đồng thời, bảng tổng hợp tham số kỹ thuật đối sánh giữa DVB-T và DVB-T2 thể hiện rõ sự khác biệt về tốc độ truyền dữ liệu từ 24,13 Mbit/s lên mức tối đa hơn 45 Mbit/s. Kết quả này hoàn toàn nhất quán với các tiêu chuẩn quốc tế như ITU GE06 và tiêu chuẩn Bắc Âu NorDig 2013, khẳng định tính khả thi của việc thiết lập vùng phủ sóng SFN quy mô lớn trên toàn bộ chiều dài 120 km và chiều rộng 100 km của tỉnh Quảng Trị kết hợp phối hợp tần số liên vùng với tỉnh Quảng Bình và Thừa Thiên Huế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai mô hình phát sóng tích hợp hai trong một tại 4 trạm phát trung tâm (Đài thành phố Đông Hà, trạm Krông Klang, trạm Khe Sanh và trạm Lao Bảo), tận dụng bộ khuếch đại công suất và anten dải rộng sẵn có, mở rộng dải thông bộ lọc lên 16 MHz để phát sóng đồng thời hai kênh liền kề như kênh 29 và kênh 30, hoàn thành phủ sóng 80% dân cư trước ngày 31 tháng 12 năm 2018 do Sở Thông tin và Truyền thông tỉnh Quảng Trị chủ trì.
  2. Xây dựng 10 trạm phát chuyển tiếp công suất nhỏ Gap filler từ 20W đến 30W chuyển tiếp qua tần số trung tần 36,15 MHz tại các vùng lõm sâu thuộc hai huyện miền núi Hướng Hóa và Đakrông, đảm bảo xóa 100% điểm trắng truyền hình số trong giai đoạn 2016 đến 2020 do Đài Phát thanh - Truyền hình tỉnh Quảng Trị vận hành.
  3. Thiết lập cấu hình tham số DVB-T2 phân lớp tối ưu, sử dụng chế độ 32K FFT kết hợp điều chế 256-QAM và mẫu pilot PP7 cho các thuê bao thu cố định ngoài trời, đồng thời kích hoạt chế độ 16K FFT điều chế 64-QAM với mẫu pilot PP4 cho thiết bị di động đô thị nhằm tăng 50% hiệu suất phổ do các doanh nghiệp truyền dẫn phát sóng thực hiện.
  4. Phối hợp quy hoạch tần số mạng đơn tần SFN liên tỉnh giữa Quảng Bình, Quảng Trị và Thừa Thiên Huế theo chuẩn ITU GE06, thực hiện phân chia nhóm máy phát MISO để duy trì mức can nhiễu đồng kênh dưới 0,5 dB từ quý I năm 2016 dưới sự điều phối của Cục Tần số Vô tuyến điện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý nhà nước và nhà hoạch định chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học và pháp lý vững chắc cho Bộ Thông tin và Truyền thông, Cục Tần số Vô tuyến điện và Sở Thông tin và Truyền thông các địa phương trong việc xây dựng quy hoạch phân bổ phổ tần số và lộ trình số hóa truyền hình mặt đất.
  2. Kỹ sư viễn thông và kỹ thuật viên đài truyền hình: Nắm bắt giải pháp kỹ thuật chi tiết về mô hình máy phát hai trong một, phương pháp ghép luồng truyền tải ASI/LVDS, kỹ thuật điều chế số và kinh nghiệm xử lý trung tần 36,15 MHz trong thực tế vận hành.
  3. Doanh nghiệp cung cấp hạ tầng truyền dẫn phát sóng: Ứng dụng mô hình truyền sóng Okumura-Hata và các thuật toán phân bổ máy phát SFN để tính toán vùng phủ, tối ưu hóa chi phí đầu tư thiết bị từ 40% đến 60% khi chuyển đổi hạ tầng.
  4. Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Điện tử - Viễn thông: Khai thác làm tài liệu tham khảo học thuật chuyên sâu về công nghệ truyền dẫn đa sóng mang COFDM, mã hóa Alamouti MISO, chòm sao xoay và phương pháp mô phỏng hệ thống truyền thông số trên MATLAB/Simulink.

Câu hỏi thường gặp

Chuẩn DVB-T2 mang lại lợi thế vượt trội nào so với DVB-T trong mạng đơn tần SFN? DVB-T2 nâng khoảng cách truyền sóng tối đa trong mạng SFN từ 67,2 km lên 159,6 km nhờ bổ sung kích thước FFT 32K và các khoảng bảo vệ mới như 1/128 hay 19/256. Điều này cho phép mở rộng vùng phủ sóng đơn tần trên diện rộng mà không gây hiện tượng tự can nhiễu giữa các trạm phát lân cận.

Mô hình máy phát hai trong một mang lại hiệu quả kinh tế ra sao cho các đài địa phương? Mô hình hai trong một tận dụng toàn bộ bộ khuếch đại và anten dải rộng của máy phát analog hiện có, chỉ cần bổ sung bộ điều chế số và bộ cộng kênh dải rộng 16 MHz. Giải pháp này giúp phát sóng song song analog và số trên hai kênh liền kề với chi phí đầu tư giảm hơn 50% so với mua máy phát số mới.

Kỹ thuật chòm sao xoay trong DVB-T2 hoạt động như thế nào để chống suy hao tín hiệu? Kỹ thuật này xoay các điểm chòm sao điều chế một góc tối ưu và phân tách thành phần đồng pha I và vuông pha Q truyền trên hai ô thời gian và tần số khác nhau. Khi một thành phần bị suy hao do kênh fading sâu, máy thu vẫn có thể khôi phục đầy đủ thông tin từ thành phần còn lại.

Tại sao mô hình Okumura-Hata lại thích hợp cho việc quy hoạch truyền sóng tại Quảng Trị? Mô hình Okumura-Hata được chuẩn hóa cho dải tần 150 MHz đến 1500 MHz, rất phù hợp với băng tần UHF và VHF của truyền hình số. Mô hình cho phép hiệu chỉnh chính xác tổn hao truyền sóng theo 3 dạng địa hình thực tế của Quảng Trị gồm đồng bằng ven biển, khu vực ngoại ô và vùng núi cao hiểm trở.

Lộ trình số hóa DVB-T2 giải phóng tài nguyên phổ tần vô tuyến như thế nào? Nhờ hiệu suất phổ vượt trội cho phép truyền hơn 10 kênh truyền hình trên cùng một độ rộng 8 MHz so với chỉ 1 kênh của analog, DVB-T2 giúp giải phóng phần lớn băng tần UHF từ 700 MHz đến 800 MHz để tái phân bổ cho mạng thông tin di động băng rộng 4G và 5G quốc gia.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích toàn diện cơ sở lý thuyết chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T2, làm rõ các công nghệ then chốt như COFDM 32K, chòm sao xoay, mã khối không gian tần số MISO và ống lớp vật lý PLP.
  • Đánh giá chính xác hiện trạng 14 trạm phát hình analog tại Quảng Trị, chỉ ra những hạn chế về vùng phủ sóng đồi núi chia cắt và hiệu suất sử dụng phổ tần.
  • Ứng dụng thành công mô hình Okumura-Hata và mô phỏng số để tính toán vùng phủ sóng SFN, chứng minh dung lượng truyền dẫn tăng từ 30% đến 88% và khoảng cách phát sóng SISO đạt 159,6 km.
  • Đề xuất giải pháp kỹ thuật đột phá với mô hình máy phát hai trong một dải rộng 16 MHz và trạm bù sóng trung tần 36,15 MHz, giúp tiết kiệm tối đa ngân sách đầu tư công.
  • Xác lập lộ trình chuyển đổi phát sóng số toàn diện cho 10 đơn vị hành chính tỉnh Quảng Trị, bảo đảm hoàn thành trước ngày 31 tháng 12 năm 2018 theo đúng Đề án số hóa truyền dẫn phát sóng của Chính phủ.

Các cơ quan quản lý, đài phát thanh truyền hình địa phương và doanh nghiệp viễn thông cần nhanh chóng áp dụng khung quy hoạch DVB-T2 này để hiện đại hóa hạ tầng thông tin truyền thông, đảm bảo quyền tiếp cận truyền hình chất lượng cao cho người dân và thúc đẩy phát triển kinh tế xã hội bền vững.