Tổng quan nghiên cứu

Lưu lượng dữ liệu di động toàn cầu chứng kiến sự bùng nổ mạnh mẽ với mức tăng trưởng trung bình gấp đôi sau mỗi năm theo các báo cáo viễn thông quốc tế. Tại Việt Nam, sự cạnh tranh thị phần gay gắt giữa ba nhà mạng lớn gồm MobiFone, Viettel và Vinaphone đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc nâng cấp hạ tầng công nghệ nhằm đáp ứng nhu cầu truyền tải dữ liệu tốc độ cao. Hệ thống thông tin di động 2G và 3G dần bộc lộ nhiều hạn chế về dung lượng kênh truyền cũng như độ trễ lớn, thường vượt mức 100 ms khi xử lý các dịch vụ thời gian thực.

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán quy hoạch và triển khai mạng 4G LTE cho mạng di động MobiFone tại địa bàn tỉnh Tuyên Quang. Mục tiêu cụ thể là xây dựng phương án kỹ thuật tối ưu hóa phần mạng truy nhập vô tuyến E-UTRAN và nâng cấp mạng lõi gói phát triển EPC, nhằm tận dụng tối đa cơ sở hạ tầng 2G/3G sẵn có. Phạm vi nghiên cứu bao quát toàn bộ địa bàn tỉnh Tuyên Quang với các số liệu hạ tầng kỹ thuật được thu thập và phân tích từ năm 2018 đến năm 2020.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện rõ nét qua việc nâng cao các chỉ số hiệu năng mạng: nâng tốc độ truyền dữ liệu đỉnh theo lý thuyết lên mức 300 Mbps trên đường xuống và 75 Mbps trên đường lên, đồng thời giảm độ trễ truyền dẫn trên giao diện vô tuyến xuống dưới 5 ms. Kết quả nghiên cứu tạo nền tảng vững chắc giúp nhà mạng MobiFone nâng cao chất lượng dịch vụ, tối ưu hóa chi phí đầu tư và sẵn sàng cho các bước tiến công nghệ tiếp theo.

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 của Claude Shannon: $C = B \log_2 (1 + \text{SINR})$, trong đó dung lượng kênh $C$ tỷ lệ thuận với băng thông hệ thống $B$ và tỷ số tín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu SINR. Để vượt qua giới hạn dung lượng của mạng 3G WCDMA, chuẩn công nghệ 4G LTE theo tiêu chuẩn 3GPP Release 8 và Release 10 áp dụng kiến trúc toàn IP phẳng mang tên Hệ thống gói phát triển EPS, bao gồm hai thành phần cốt lõi: Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất nâng cao E-UTRAN và Mạng lõi gói phát triển EPC.

Các khái niệm kỹ thuật nền tảng được khai thác sâu trong nghiên cứu gồm:

  • Công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA cho đường xuống nhằm loại bỏ hiện tượng nhiễu đa đường.
  • Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang SC-FDMA cho đường lên giúp giảm tỷ số công suất đỉnh trên trung bình PAPR, tiết kiệm năng lượng cho thiết bị đầu cuối.
  • Kỹ thuật đa anten phát đa anten thu MIMO cho phép truyền song song nhiều luồng dữ liệu trong cùng một băng tần.
  • Khả năng cấp phát băng thông linh hoạt với các mức 1.4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz, với cấu trúc khung truyền dẫn 10 ms và khoảng thời gian truyền dẫn ngắn chỉ 1 ms.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được tổng hợp toàn diện từ hiện trạng cơ sở hạ tầng mạng viễn thông MobiFone tại 7 đơn vị hành chính của tỉnh Tuyên Quang (gồm thành phố Tuyên Quang và 6 huyện lân cận) tính đến tháng 4/2018. Dữ liệu bao gồm thông số kỹ thuật của hơn 100 trạm thu phát sóng 2G/3G, hiện trạng cột anten, mạng truyền dẫn quang, truyền dẫn vi ba và cơ sở dữ liệu thuê bao sử dụng thiết bị đầu cuối tương thích 4G.

Phương pháp chọn mẫu được áp dụng là phương pháp chọn mẫu toàn bộ đối với các trạm viễn thông trọng điểm kết hợp chọn mẫu phân tầng theo khu vực địa lý đô thị và nông thôn. Cỡ mẫu khảo sát bao quát 100% các nút mạng truyền dẫn huyết mạch và toàn bộ các trạm BTS/NodeB hiện hữu.

Phương pháp phân tích kết hợp giữa tính toán lý thuyết ngân sách đường truyền vô tuyến (Link Budget) và mô phỏng vùng phủ sóng, phân tích dung lượng thực tế. Lý do lựa chọn phương pháp này là nhằm đảm bảo tính chính xác khi đánh giá khả năng truyền sóng tại địa hình miền núi phức tạp của Tuyên Quang, đồng thời tối ưu hóa chi phí đầu tư thiết bị mới thông qua việc tận dụng tối đa tủ trạm Huawei BTS3910 và các khối xử lý băng tần BBU sẵn có trong giai đoạn nghiên cứu 2018 - 2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo sát và tính toán quy hoạch mạng 4G LTE tại Tuyên Quang mang lại 4 phát hiện kỹ thuật quan trọng:

  1. Khả năng tái sử dụng hạ tầng: Có tới hơn 85% số lượng vị trí nhà trạm và cột anten 2G/3G hiện hữu của MobiFone đủ điều kiện kỹ thuật để tích hợp trực tiếp thiết bị eNodeB mới. Giải pháp dùng chung hạ tầng giúp tiết kiệm khoảng 40% chi phí xây dựng cơ bản so với việc xây mới hoàn toàn.
  2. Hiện trạng phân bổ thiết bị đầu cuối: Tỷ lệ thuê bao sở hữu thiết bị di động hỗ trợ chuẩn 4G LTE tại khu vực trung tâm thành phố Tuyên Quang đạt mức trên 60%, trong khi tại các huyện vùng cao con số này dao động trong khoảng từ 25% đến 35%, cho thấy nhu cầu dịch vụ dữ liệu tập trung rất cao tại các vùng đô thị.
  3. Hiệu quả nâng cấp truyền dẫn: Việc chuyển đổi các tuyến truyền dẫn vi ba sang cáp quang dung lượng cao giúp hạ độ trễ vòng truyền dẫn (Round-Trip Time) xuống dưới mức 20 ms, đáp ứng yêu cầu khắt khe của giao diện S1 và X2 trong mạng E-UTRAN.
  4. Cải thiện vùng phủ và tốc độ: Khi triển khai eNodeB trên băng tần 1800 MHz với độ rộng băng thông 10 MHz đến 20 MHz, bán kính phủ sóng hiệu dụng đạt từ 1 km đến 3 km ở khu vực đô thị và mở rộng lên đến 5 km đến 10 km ở vùng nông thôn. Tốc độ tải dữ liệu đường xuống thực tế đạt từ 50 Mbps đến 80 Mbps, nhanh gấp 5 đến 7 lần so với công nghệ 3G HSPA+.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự cải thiện vượt bậc về hiệu năng là nhờ việc đơn giản hóa kiến trúc mạng trong chuẩn LTE. Việc tích hợp toàn bộ chức năng điều khiển vô tuyến của RNC vào trực tiếp trạm gốc eNodeB đã loại bỏ khâu trung gian, từ đó giảm thiểu đáng kể hiện tượng trễ xử lý gói tin. Khi so sánh với các nghiên cứu triển khai 4G tại các tỉnh đồng bằng, bán kính phủ sóng tại Tuyên Quang chịu ảnh hưởng suy hao lớn hơn do địa hình đồi núi che chắn, đòi hỏi công tác tối ưu hóa góc ngẩng (tilt) và hướng bức xạ của anten phải được tính toán chi tiết cho từng cell.

Dữ liệu hiệu năng của mạng lưới được thể hiện trực quan qua biểu đồ cột so sánh thông lượng đường xuống (Downlink Throughput) giữa 3G WCDMA và 4G LTE theo từng dải băng thông, kết hợp bảng ma trận phân bổ trạm eNodeB pha 1 tại các cụm dân cư trọng điểm. Sự tương quan trực tiếp giữa mật độ thuê bao 4G và số lượng trạm nâng cấp khẳng định tính đúng đắn của phương án quy hoạch phân kỳ đầu tư, giúp nhà mạng nâng cao chỉ số chất lượng dịch vụ (QoS) mà không gây lãng phí tài nguyên.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả phân tích kỹ thuật, 4 nhóm giải pháp trọng tâm được khuyến nghị nhằm hiện thực hóa mạng 4G LTE tại Tuyên Quang:

  1. Nâng cấp hạ tầng mạng truyền dẫn backhaul: Ban Kỹ thuật MobiFone Miền Bắc cần chủ trì chuyển đổi 100% các tuyến truyền dẫn vi ba dung lượng thấp sang mạng cáp quang băng rộng tại các trạm trung tâm, hoàn thành trong quý II/2021 nhằm đảm bảo băng thông kết nối tối thiểu đạt 1 Gbps mỗi trạm.
  2. Triển khai lắp đặt trạm eNodeB đồng bộ: Phòng Kỹ thuật Viễn thông phối hợp cùng các đối tác cung cấp thiết bị tiến hành lắp đặt khối vô tuyến RRU và khối xử lý băng tần cơ sở BBU trên dải tần 1800 MHz tại toàn bộ các vị trí trạm thuộc danh mục quy hoạch pha 1, nâng tỷ lệ phủ sóng 4G đạt trên 90% dân số toàn tỉnh trước cuối năm 2021.
  3. Hiện đại hóa hệ thống phụ trợ nhà trạm: Đơn vị quản lý vận hành cơ sở hạ tầng cần tiến hành kiểm tra, thay thế hệ thống ắc quy lưu điện cũ và nâng công suất tủ nguồn DC 48V tại các trạm trọng yếu, đảm bảo thời gian duy trì nguồn điện dự phòng liên tục trên 4 giờ trong giai đoạn 2021 - 2022.
  4. Đo kiểm và tối ưu hóa tham số vô tuyến: Đội ngũ kỹ sư tối ưu mạng lưới định kỳ hàng quý thực hiện công tác đo kiểm chất lượng sóng trên đường (Drive Test), tinh chỉnh công suất phát và tham số chuyển giao handover để duy trì tỷ lệ rớt cuộc gọi dữ liệu ở mức dưới 0.5%.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị tham khảo thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

  1. Kỹ sư quy hoạch và thiết kế mạng vô tuyến: Nắm bắt phương pháp luận chuẩn xác về tính toán quỹ đường truyền Link Budget, thiết lập cấu hình tham số eNodeB trên dải tần 1800 MHz với băng thông từ 10 MHz đến 20 MHz.
  2. Cán bộ quản lý vận hành khai thác mạng di động: Ứng dụng quy trình nâng cấp mạng lõi EPC thuần IP và chuyển đổi hạ tầng truyền dẫn, hỗ trợ cắt giảm hơn 25% chi phí vận hành (OPEX) cho các trạm viễn thông địa phương.
  3. Học viên cao học và nhà nghiên cứu ngành Kỹ thuật Viễn thông: Tiếp cận nguồn tài liệu học thuật thực chứng bám sát tiêu chuẩn 3GPP Release 8 và Release 10, làm tiền đề mở rộng nghiên cứu sang các công nghệ tiên tiến như LTE-Advanced và 5G NR.
  4. Chuyên gia tư vấn giải pháp mạng viễn thông doanh nghiệp: Sử dụng các mô hình đánh giá hiện trạng và bài toán tối ưu hạ tầng trạm sẵn có để xây dựng phương án kỹ thuật phủ sóng diện rộng với độ sẵn sàng đạt trên 99.9%.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao mạng 4G LTE lại có tốc độ truyền dữ liệu vượt trội so với 3G? Mạng 4G LTE áp dụng công nghệ đa truy nhập OFDMA trên đường xuống kết hợp kỹ thuật đa anten MIMO 2x2 hoặc 4x4, cho phép đạt tốc độ đỉnh lý thuyết 300 Mbps so với 14 Mbps của 3G Release 6. Cấu trúc mạng phẳng loại bỏ nút RNC cũng giúp giảm độ trễ vô tuyến xuống dưới 5 ms.

Quá trình triển khai 4G tại Tuyên Quang tận dụng hạ tầng 3G như thế nào? Phương án quy hoạch tận dụng hơn 85% vị trí nhà trạm, cột anten tự đứng và hạ tầng nguồn DC 48V hiện hữu của MobiFone. Kỹ sư chỉ cần lắp đặt bổ sung các khối BBU 3910 và module vô tuyến RRU, giúp tiết kiệm khoảng 40% chi phí xây lắp ban đầu.

Sự khác biệt cốt lõi giữa mạng lõi 3G và mạng lõi EPC của 4G là gì? Mạng lõi EPC loại bỏ hoàn toàn miền chuyển mạch kênh CS truyền thống, chuyển dịch 100% sang nền tảng chuyển mạch gói toàn IP. Các thành phần mới gồm MME, S-GW và P-GW thay thế cho SGSN/GGSN giúp tối ưu hóa định tuyến dữ liệu và hỗ trợ dịch vụ thoại chất lượng cao qua mạng gói.

Băng tần nào được lựa chọn tối ưu để triển khai 4G LTE tại Tuyên Quang? Băng tần 1800 MHz (Band 3) với độ rộng khối phổ 10 MHz đến 20 MHz được ưu tiên lựa chọn. Băng tần này vừa đảm bảo cự ly phủ sóng tốt tại địa hình đồi núi phức tạp, vừa tương thích với hơn 95% các dòng điện thoại thông minh đang lưu hành trên thị trường.

Thách thức kỹ thuật lớn nhất khi phủ sóng 4G tại địa bàn miền núi là gì? Thách thức lớn nhất là hiện tượng suy hao truyền sóng do địa hình chia cắt mạnh và các tuyến truyền dẫn quang chưa phủ kín vùng sâu. Giải pháp tối ưu là kết hợp truyền dẫn vi ba IP băng thông trên 300 Mbps với việc tinh chỉnh góc ngẩng anten điện tử nhằm bảo đảm vùng phủ ổn định.

Kết luận

  • Hoàn thiện toàn diện cơ sở lý thuyết về kiến trúc mạng 4G LTE từ mạng truy nhập vô tuyến E-UTRAN đến mạng lõi chuyển mạch gói EPC theo chuẩn 3GPP.
  • Xây dựng thành công phương án quy hoạch chi tiết mạng 4G MobiFone tại Tuyên Quang trên băng tần 1800 MHz với độ rộng phổ 10 MHz đến 20 MHz.
  • Khảo sát và đánh giá chính xác hiện trạng hơn 100 trạm viễn thông, đề xuất giải pháp tận dụng trên 85% hạ tầng cột anten và nhà trạm sẵn có nhằm tối ưu chi phí đầu tư.
  • Xác lập mục tiêu nâng cao chất lượng mạng lưới với tốc độ truyền dữ liệu thực tế đạt từ 50 Mbps đến 80 Mbps và độ trễ truyền dẫn giảm xuống dưới mức 5 ms.
  • Cung cấp tài liệu thực tiễn có giá trị cao, tạo tiền đề vững chắc cho lộ trình hiện đại hóa hạ tầng số và phát triển công nghệ mạng 5G trong giai đoạn 2021 - 2025.

Đóng góp lớn nhất của công trình là lời giải toàn diện cho bài toán nâng cấp công nghệ mạng di động tại các tỉnh miền núi có địa hình phức tạp. Quý độc giả, chuyên viên kỹ thuật và nhà nghiên cứu có thể khai thác các giải pháp trong luận văn để áp dụng vào thực tế quy hoạch hạ tầng viễn thông tại đơn vị mình.