Nghiên cứu Hệ thống Femtocell và Quản lý Di động tại Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội

Hệ thống thông tin di động cơ bản được phát triển và xây dựng dựa trên lý thuyết bức xạ điện từ được đề xuất bởi Clerk Maxwell và được mô tả bằng các phương trình toán học của sóng điện từ. Guglielmo Marconi phát minh ra hệ truyền thanh xuyên Đại Tây Dương sử dụng sóng điện từ. Tuy nhiên băng thông của hệ thống truyền tải này rất nhỏ, việc truyền tin rất chậm. Các hệ thống truyền thông khác như điện thoại, phát thanh, truyền hình đã được các kỹ sư phát minh và phát triển mà không cần tới toán học cao cấp. Sau đó, Shannon đã cung cấp một lý thuyết để hiểu được tất cả hệ thống đó, bằng cách định nghĩa thông tin như một đại lượng trừu tượng vốn có trong một thông điệp điện thoại hay một bức hình trên tivi.

Mạng di động thế hệ thứ 4 (4G) với các chuẩn truyền thông di động đã được cấp phép và đi vào hoạt động tại nhiều nơi trên thế giới. Mạng 4G được xây dựng dựa trên công nghệ chuyển mạch gói trên nền IP. Hiệu suất truyền cao nhất trong mạng 4G có thể lên đến xấp xỉ 100Mb/s với một người dùng đang di chuyển với tốc độ cao như trên ô tô, tàu hỏa và 1Gb/s với người dùng đang sử dụng di động và di chuyển với tốc độ bình thường. Mạng di động 4G có khả năng cung cấp khả năng chuyển giao ổn định mà không làm mất mát dữ liệu và cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS) tốt. Với một lượng lớn người dùng di động, các kịch bản triển khai và những ứng dụng đi kèm, ta có thể dự đoán trước rằng mạng di động 4G yêu cầu dung lượng lớn, vùng phủ thông minh và tối ưu tài nguyên một cách hiệu quả.

Trong khi sóng radio nhận thức có khả năng nhận biết những kênh trống và những kênh đã được nhiều người sử dụng, kiểu dữ liệu truyền, mô đun hệ thống, vị trí của các thiết bị nhận tín hiệu và cả điều kiện môi trường. Với những hiểu biết về những tham số nói trên, sóng radio sẽ sử dụng tần số tối ưu nhất để đảm bảo chất lượng dịch vụ cho người dùng. Hệ thống di động nhận thức femtocell được xây dựng bao gồm các trạm cơ sở cỡ lớn và các điểm truy cập femtocell (FAP - femtocell access point). Chúng được xem lần lượt như là các hệ thống chính và phụ.

Femtocell đã được đề cập đến như là một giải pháp chi phí thấp để tăng vùng phủ và dung lượng ở môi trường trong nhà. Thêm vào đó, Femtocell được cho là sẽ trang bị những tính năng nhận thức, có thể cảm nhận các phổ tần số và tận dụng nó cho việc truyền dữ liệu. Trong khi sóng radio nhận thức có khả năng nhận biết những kênh trống và những kênh đã được nhiều người sử dụng, kiểu dữ liệu truyền, mô đun hệ thống, vị trí của các thiết bị nhận tín hiệu và cả điều kiện môi trường.

Quá trình chuyển giao giữa các femtocell là một vấn đề thách thức đối với giới nghiên cứu chuyên môn bởi femtocell có vùng phủ nhỏ. Lựa chọn femtocell là một tính năng quan trọng trong việc quản lý quá trình chuyển giao trong đó mục đích là tìm ra một femtocell đích chính xác, trong khi vẫn giảm thiểu số lần chuyển giao không cần thiết và tránh các femtocell quá tải. Các yếu tố ảnh hưởng đến quản lý di động bao gồm: vùng phủ sóng, mật độ mạng, tải mạng, chất lượng dịch vụ (QoS), trải nghiệm người dùng (QoE).

Cơ chế lựa chọn femtocell là một tính năng quan trọng trong việc quản lý quá trình chuyển giao trong đó mục đích là tìm ra một femtocell đích chính xác, trong khi vẫn giảm thiểu số lần chuyển giao không cần thiết và tránh các femtocell quá tải. Các yếu tố cần xem xét trong cơ chế lựa chọn femtocell bao gồm: cường độ tín hiệu, tải mạng, chất lượng dịch vụ (QoS), khoảng cách đến femtocell.

Mô hình mô phỏng di chuyển theo đường thẳng của tác giả Hoàng Như Đồng. Mô hình mô phỏng Random Waypoint. Bảng tham số mô phỏng. Kịch bản mô phỏng. Các phương pháp mô phỏng mạng femtocell bao gồm: mô phỏng dựa trên sự kiện rời rạc, mô phỏng dựa trên hệ thống, mô phỏng dựa trên dấu vết.

Biểu đồ phân phối tích lũy số lần chuyển giao – Kịch bản 1 (α=0.6). Biểu đồ phân phối tích lũy số lần chuyển giao – Kịch bản 2 (α=0.9). Biểu đồ phân phối tích lũy số lần chuyển giao – Kịch bản 1 (α=0.12). Biểu đồ phân phối tích lũy số lần chuyển giao – Kịch bản 2 (α=0.15). Biểu đồ phân phối tích lũy số lần chuyển giao – Kịch bản 1 (α=0.18). Biểu đồ phân phối tích lũy số lần chuyển giao – Kịch bản 2 (α=0.8).

Nhiều nhà mạng trên thế giới đã triển khai thành công Femtocell, như Vodafone, AT&T, Sprint, Verizon. Các dự án này đã chứng minh được hiệu quả của Femtocell trong việc cải thiện vùng phủ sóng và dung lượng mạng, cũng như nâng cao trải nghiệm người dùng. Các dự án này cũng cung cấp những bài học kinh nghiệm quý báu cho việc triển khai Femtocell tại Việt Nam.

Việc triển khai Femtocell tại Việt Nam cũng đối mặt với một số thách thức, như vấn đề về tần số, chi phí triển khai, bảo mật mạng. Để giải quyết những thách thức này, cần có sự phối hợp chặt chẽ giữa các nhà mạng, cơ quan quản lý nhà nước, và các nhà cung cấp thiết bị. Ngoài ra, cần có những chính sách hỗ trợ và khuyến khích để thúc đẩy việc triển khai Femtocell tại Việt Nam.

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng Femtocell có thể cải thiện đáng kể vùng phủ sóng và dung lượng mạng, đặc biệt là trong các khu vực có mật độ dân cư cao. Các thuật toán quản lý di động đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng dịch vụ và trải nghiệm người dùng. Việc tối ưu hóa các thuật toán này có thể mang lại những cải thiện đáng kể về hiệu năng mạng.

Các hướng nghiên cứu mở rộng trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các thuật toán quản lý di động thông minh hơn, tích hợp Femtocell với các công nghệ mới như Internet of Things (IoT), và nghiên cứu các giải pháp bảo mật tiên tiến để bảo vệ mạng Femtocell khỏi các cuộc tấn công mạng.