Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển mạnh mẽ của các dịch vụ viễn thông băng rộng cùng với nhu cầu trao đổi dữ liệu đa phương tiện tốc độ cao đã tạo nên sức ép lớn lên hạ tầng mạng không dây toàn cầu. Các thế hệ mạng thông tin di động trước đây, dù đã có những bước tiến vượt bậc từ truyền dẫn thoại tương tự (1G), số hóa dịch vụ tin nhắn (2G), đến truyền dữ liệu gói đa phương tiện (3G) và băng thông rộng di động tốc độ cao (4G LTE/LTE-Advanced), vẫn gặp phải những giới hạn nhất định về băng thông khả dụng, độ trễ xử lý và dung lượng kết nối đồng thời. Trước sự bùng nổ của các thiết bị thông minh, các ứng dụng dữ liệu lớn, điện toán đám mây và kết nối vạn vật (IoT), hệ thống mạng thông tin di động thế hệ thứ 5 (5G) được nghiên cứu và chuẩn hóa nhằm đáp ứng các yêu cầu khắt khe về tốc độ siêu cao, độ trễ cực thấp và khả năng siêu kết nối.

Tại Việt Nam, việc tiếp cận và từng bước đưa công nghệ 5G vào thực tiễn là định hướng chiến lược của các tập đoàn viễn thông lớn, trong đó có Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam (VNPT). Đối với địa bàn thành phố Hải Phòng – một trung tâm công nghiệp, cảng biển và dịch vụ lớn – việc hiện đại hóa mạng lưới viễn thông của VNPT Hải Phòng đòi hỏi phải có cơ sở nghiên cứu lý thuyết vững chắc cùng một lộ trình quy hoạch, chuyển đổi hạ tầng mạng truyền dẫn và trung tâm dữ liệu một cách khoa học.

Trong bối cảnh đó, đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu hệ thống thông tin di động 5G và lộ trình áp dụng triển khai vào mạng viễn thông VNPT Hải Phòng" của sinh viên Ngô Mạnh Thắng đặt ra các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Hệ thống hóa tiến trình phát triển và các nguyên lý kỹ thuật cơ bản của mạng thông tin di động tế bào qua các thế hệ 1G, 2G và 3G.
  2. Nghiên cứu chuyên sâu kiến trúc và các công nghệ then chốt của hệ thống thông tin di động 4G, đặc biệt là các giải pháp kỹ thuật cốt lõi trong chuẩn LTE và LTE-Advanced.
  3. Tìm hiểu kiến trúc tổng thể, các nhóm dịch vụ mục tiêu và nền tảng công nghệ cho phép của hệ thống thông tin di động 5G theo tiêu chuẩn quốc tế.
  4. Đánh giá bối cảnh thực tế và đề xuất giải pháp, lộ trình triển khai mạng 5G áp dụng cho mạng viễn thông VNPT Hải Phòng trên cơ sở kế hoạch tổng thể của Tập đoàn VNPT.
  • Đối tượng nghiên cứu: Công nghệ và kiến trúc hệ thống thông tin di động qua các thế hệ, trọng tâm là công nghệ 4G LTE-Advanced, kiến trúc 5G và mạng viễn thông của VNPT.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Không gian: Mạng viễn thông di động của Tập đoàn VNPT và mạng lưới thực tế trên địa bàn thành phố Hải Phòng (VNPT Hải Phòng).
    • Thời gian: Phân tích số liệu phát triển di động giai đoạn 2010–2020, định hướng quy hoạch mạng truyền tải và trung tâm dữ liệu giai đoạn 2019–2022 và tầm nhìn 2020–2030; đồ án được hoàn thành vào năm 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý truyền thông vô tuyến và tiêu chuẩn kỹ thuật viễn thông quốc tế:

  • Nguyên lý dung lượng kênh truyền Shannon: $C = B \cdot \log_2(1 + S/N)$ (trong đó $C$ là dung lượng kênh tính bằng bit/s, $B$ là băng thông hệ thống tính bằng Hz, và $S/N$ là tỉ số công suất tín hiệu trên tạp âm, với chuẩn ITU xác định tỉ số này đạt mức khoảng 12 dB).
  • Hệ thống tiêu chuẩn quốc tế: Các khuyến nghị của Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) như tiêu chuẩn IMT-2000 (3G), IMT-Advanced (4G) và IMT-2020 (5G); các bộ đặc tả kỹ thuật của Dự án Đối tác Thế hệ thứ 3 (3GPP) bao gồm Release 8/9 (LTE) và Release 10/11 (LTE-Advanced).
  • Mô hình kiến trúc mạng viễn thông: Mô hình mạng di động tế bào (Cellular Network); cấu trúc mạng chuyển mạch gói tiến hóa EPS (gồm mạng truy nhập vô tuyến E-UTRAN và mạng lõi EPC); các kỹ thuật đa truy nhập FDMA, TDMA, CDMA, OFDMA, SC-FDMA; kỹ thuật đa ăng-ten MIMO (SU-MIMO, MU-MIMO); kỹ thuật tập hợp sóng mang (Carrier Aggregation); kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến đám mây (C-RAN), ảo hóa chức năng mạng (NFV) và mạng điều khiển bằng phần mềm (SDN).

Phương pháp nghiên cứu được tác giả áp dụng:

  • Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Thu thập, đối chiếu và tổng hợp các tài liệu học thuật, tiêu chuẩn kỹ thuật chuyên ngành từ ITU, 3GPP và các tổ chức nghiên cứu viễn thông quốc tế.
  • Phương pháp so sánh và đối sánh kỹ thuật: Lập bảng so sánh chi tiết các chỉ tiêu hiệu năng, băng thông, tốc độ truyền dẫn, cấu hình phần cứng và phương thức truyền dẫn giữa các thế hệ mạng 1G, 2G, 3G cũng như giữa chuẩn LTE và LTE-Advanced.
  • Phương pháp phân tích kiến trúc và lập lộ trình triển khai: Phân tích mô hình mạng truyền tải chuẩn bị cho 5G (POTN, uCTN) và mô hình triển khai trung tâm dữ liệu (DC) của Tập đoàn VNPT để xây dựng giải pháp phân kỳ triển khai cụ thể cho địa bàn VNPT Hải Phòng.

Nguồn dữ liệu sử dụng bao gồm các báo cáo thống kê kết nối toàn cầu từ GSMA Intelligence, dữ liệu thị trường điện thoại thông minh, số liệu thống kê băng thông kết nối internet trong nước và quốc tế của Việt Nam năm 2017, tài liệu thiết kế mạng của VNPT và VNPT Hải Phòng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động

Chương 1 khái quát lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ thông tin di động tế bào từ cuối thế kỷ 19 đến các thế hệ thương mại đầu tiên. Tác giả trình bày các mốc phát triển quan trọng: thí nghiệm vô tuyến của Marconi (1895), hệ thống vô tuyến truyền thanh cảnh sát Bayone tại Mỹ (1928), ý tưởng mạng tế bào của Bell Labs (1947) và sự ra đời của mạng di động tế bào thương mại đầu tiên tại Mỹ vào năm 1979. Sự phát triển này đạt được nhờ sự đột phá của mạch tích hợp quy mô rất lớn (VLSI) tích hợp từ hàng trăm ngàn đến $10^6$ transistor trên một thiết bị và hệ thống chuyển mạch tự động dung lượng cao.

Tác giả phân loại hệ thống thông tin di động dựa trên 4 tiêu chí kỹ thuật:

  • Theo đặc tính tín hiệu: Hệ thống tương tự (Analog - thế hệ 1G) và hệ thống số (Digital - từ thế hệ 2G trở đi).
  • Theo cấu trúc hệ thống: Mạng vô tuyến tế bào diện rộng (có khả năng chuyển vùng roaming toàn cầu), vô tuyến viễn thông không dây nội hạt (CT - diện hẹp, không roaming) và vành vô tuyến địa phương (WLL - cung cấp dịch vụ thay thế điện thoại cố định cho vùng thưa dân).
  • Theo phương thức đa truy nhập vô tuyến:
    • FDMA (Đa truy nhập phân chia theo tần số): Mỗi thuê bao chiếm một kênh tần số riêng biệt trong suốt cuộc gọi; trạm gốc yêu cầu nhiều máy thu phát, cần khoảng bảo vệ giữa các kênh.
    • TDMA (Đa truy nhập phân chia theo thời gian): Các thuê bao dùng chung một tần số nhưng luân phiên nhau theo các khe thời gian trong một khung; trạm gốc đơn giản hơn nhưng đòi hỏi đồng bộ thời gian nghiêm ngặt, xử lý tín hiệu số trong MS đạt trên $50 \times 10^6$ lệnh/s.
    • CDMA (Đa truy nhập phân chia theo mã): Dùng chung dải tần số trên toàn bộ thời gian, phân biệt bằng mã trải phổ riêng biệt; hiệu quả sử dụng phổ và tính bảo mật cao, nhưng yêu cầu điều khiển công suất rất chặt chẽ (độ chênh lệch công suất thu tại trạm gốc phải $\le 1\text{ dB}$).
  • Theo phương thức song công: Song công phân chia theo tần số (FDD - sử dụng hai tần số riêng biệt cho đường lên và đường xuống) và song công phân chia theo thời gian (TDD).

Về các thế hệ di động ban đầu:

  • Mạng 1G: Thiết kế năm 1970, triển khai năm 1984, hoạt động trên băng tần 150 MHz, dùng tín hiệu tương tự, đa truy nhập FDMA, chỉ cung cấp dịch vụ thoại. Các chuẩn tiêu biểu gồm NMT (Bắc Âu, Nga), AMPS (Mỹ, 1983) và TACS (Anh). Cấu trúc mạng gồm thiết bị di động MS (TE + MT), hệ thống trạm gốc BSS (BTS và BSC kết nối qua giao diện A-bis), trung tâm chuyển mạch MSC (kết nối qua giao diện A), cùng các khối cơ sở dữ liệu AUC, HLR, VLR, EIR và cổng kết nối GMSC ra mạng PSTN/ISDN.
  • Mạng 2G: Bắt đầu từ năm 1991, sử dụng tín hiệu số hóa, băng thông 200 kHz, bổ sung dịch vụ tin nhắn SMS. Các chuẩn gồm GSM (TDMA/FDD, chiếm hơn 80% thị phần toàn cầu), IS-95/cdmaOne (CDMA, chiếm gần 17%), PDC (Nhật Bản) và IS-136/D-AMPS.
  • Mạng 3G: Chuẩn hóa bởi ITU theo đề án IMT-2000, triển khai từ năm 2002 với băng thông 5 MHz, tích hợp chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói phục vụ truyền thông đa phương tiện. Các chuẩn chính gồm UMTS/WCDMA (quản lý bởi 3GPP, tốc độ lý thuyết 1920 Kbps, thực tế khoảng 384 Kbps), CDMA2000 (quản lý bởi 3GPP2, tốc độ từ 144 Kbps đến trên 3 Mbps), cùng các công nghệ nâng cao HSDPA (downlink lý thuyết 14,4 Mbps, thực tế 1,8 Mbps) và HSUPA (uplink lý thuyết 5,8 Mbps).
Tham số kỹ thuật Thế hệ 1G Thế hệ 2G Thế hệ 3G
Năm thiết kế / Thực hiện 1970 / 1984 1980 / 1991 1990 / 2002
Dịch vụ cung cấp Chủ yếu là thoại Thoại kết hợp bản tin ngắn, hình ảnh đen trắng Thoại và truyền dẫn dữ liệu đa phương tiện (ảnh động, email, video, chat...)
Đặc tính tín hiệu Tương tự (Analog) Kỹ thuật số (Digital) Tín hiệu số (Digital)
Tốc độ truyền dữ liệu Đơn thuần thoại 1.4 Kb/s 2 Mb/s (lý thuyết)
Băng thông kênh 10 đến 30 KHz 200 KHz 5 MHz
Công nghệ tiêu biểu AMPS, TACS, NMT GSM, IS-136 (D-AMPS), IS-95 UMTS, CDMA2000, HSDPA, HSUPA
Phương thức đa truy nhập FDMA TDMA, CDMA CDMA
Mạng lõi (Core network) Mạng PSTN Mạng PSTN Mạng gói (Packet network)
Hình thức chuyển mạch Chuyển mạch vật lý (kênh) Chuyển mạch vật lý Kết hợp chuyển mạch vật lý và chuyển mạch gói
Đặc điểm vận hành Chất lượng thấp, bảo mật kém, thiết bị cồng kềnh Dung lượng tăng, bảo mật và chất lượng thoại tốt hơn Băng thông rộng, hỗ trợ dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao

Chương 2: Nghiên cứu công nghệ trong hệ thống thông tin di động 4G

Chương 2 tập trung nghiên cứu kiến trúc mạng và các giải pháp kỹ thuật của hệ thống mạng 4G. Mạng 4G ra đời nhằm khắc phục hạn chế về băng thông, tài nguyên phổ tần và khả năng roaming giữa các môi trường dịch vụ của mạng 3G, hướng tới tốc độ truyền dẫn 100 Mbps đối với người dùng di động và 1 Gbps đối với người dùng cố định (trong điều kiện lý tưởng có thể đạt từ 1 đến 1,5 Gbit/s).

Tác giả chỉ rõ 5 yêu cầu kỹ thuật đối với cấu trúc mạng 4G:

  1. Tính năng tích hợp: Kết hợp đa mạng (ISDN, PSTN, Internet, WLAN, WiMax...) trên nền tảng giao thức IP thống nhất.
  2. Tính mở: Cấu trúc mạng mở, cho phép cài đặt các thành phần và giao diện mới giữa các lớp để tối ưu hóa liên kết vô tuyến.
  3. Đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS): Phối hợp chặt chẽ giữa các lớp truy nhập, truyền tải và ứng dụng để hạn chế độ trễ và đáp ứng dịch vụ thời gian thực.
  4. Đảm bảo an toàn, bảo mật: Giữ vững tính bí mật, toàn vẹn dữ liệu và quyền riêng tư của thuê bao khi truy nhập từ nhiều mạng khác nhau.
  5. Đảm bảo tính di động và tốc độ: Hỗ trợ tốc độ truyền dẫn dữ liệu đạt 100 Mbps và lên đến 160 Mbps khi kết hợp kỹ thuật MIMO.

Các kỹ thuật mới tăng tốc độ đường truyền được phân tích chi tiết:

  • Ăn-ten thông minh: Kết hợp mảng ăng-ten với xử lý tín hiệu số để tự động điều chỉnh búp sóng hướng về thuê bao, giúp tăng dung lượng và tái sử dụng tần số.
Đặc tính kỹ thuật Lợi ích vận hành
Độ lợi tín hiệu Mở rộng vùng phủ sóng của trạm gốc; giảm công suất phát giúp kéo dài thời gian sử dụng pin của thiết bị.
Phân tập không gian Loại bỏ hiện tượng đa đường (multipath), giảm thiểu ảnh hưởng của fading và giảm tác động trễ kênh mà không cần bộ cân bằng phức tạp.
Hiệu quả công suất Tối ưu hóa tăng ích xử lý trên đường xuống, giảm chi phí đầu tư cho các bộ khuếch đại công suất, nâng cao độ tin cậy.
Sự loại bỏ nhiễu Triệt tiêu các nguồn nhiễu đồng kênh, cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SINR), hỗ trợ kỹ thuật SDMA giúp tăng dung lượng mạng.
  • Điều chế và mã hóa thích ứng (AMC): Liên tục thay đổi tỷ lệ mã hóa và mức điều chế (QAM) theo chất lượng kênh truyền tức thời (CQI) thay cho việc chỉ điều chỉnh công suất phát, kết hợp với mã Walsh.
  • Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM và OFDMA): Tín hiệu băng rộng được chia thành nhiều sóng mang con băng hẹp trực giao với khoảng cách $\Delta f = 1/T$. Các sóng mang con cho phép chồng lấn phổ mà không gây can nhiễu, giúp tiết kiệm băng thông, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng xuyên nhiễu ký hiệu (ISI) nhờ chèn khoảng bảo vệ (Guard Interval), đơn giản hóa cấu trúc máy thu. Trong LTE, OFDM được dùng cho đường xuống và OFDMA (cùng SC-FDMA) được áp dụng cho đường lên.

Về mô hình mạng 4G và kiến trúc LTE:

  • Hai công nghệ tiền 4G (Pre-4G/3.9G) gồm WiMAX 2 (chuẩn IEEE 802.16m) và LTE (chuẩn 3GPP Release 8/9).
  • Kiến trúc hệ thống mạng LTE (EPS) được thiết kế tinh gọn gồm mạng truy nhập vô tuyến E-UTRAN (loại bỏ bộ điều khiển RNC, tích hợp toàn bộ chức năng vô tuyến vào trạm thu phát eNodeB để kết nối qua giao diện S1 và X2) và mạng lõi EPC (gồm khối quản lý di động MME điều khiển báo hiệu, cổng phục vụ S-GW chuyển tiếp gói tin, cổng mạng dữ liệu gói P-GW kết nối ra mạng ngoài PDN, và khối cơ sở dữ liệu HSS).
  • Kiến trúc Roaming trong LTE: Phương án 1 đặt P-GW tại mạng chủ (dễ quản lý cước nhưng tăng trễ truyền dẫn); Phương án 2 cấu hình P-GW tại mạng khách (giảm độ trễ nhưng tăng độ phức tạp trong quản lý cước).

Về công nghệ LTE-Advanced (chuẩn 4G thực thụ theo 3GPP Release 10/11 đáp ứng IMT-Advanced):

Tham số kỹ thuật Công nghệ LTE Công nghệ LTE-Advanced
Tốc độ đỉnh đường xuống (Downlink) 326 Mbps 1 Gbps
Tốc độ đỉnh đường lên (Uplink) 86 Mbps 500 Mbps
Băng thông hoạt động tối đa $\le 20\text{ MHz}$ $\le 100\text{ MHz}$
Hiệu quả sử dụng phổ đỉnh 16.32 bps/Hz (SISO) 30 bps/Hz (Downlink 8x8 MIMO) / 15 bps/Hz (Uplink 4x4 MIMO)
Độ trễ truyền dẫn mặt phẳng điều khiển $\sim 10\text{ ms}$ $\sim 5\text{ ms}$
Cấu hình đa ăng-ten MIMO Downlink 4x4 MIMO 8x8 MIMO
Cấu hình đa ăng-ten MIMO Uplink 2x4 MIMO 4x4 MIMO

Để đạt được hiệu năng trên, LTE-Advanced sử dụng hai giải pháp trọng yếu:

  • Tập hợp sóng mang (Carrier Aggregation): Cho phép kết hợp tối đa 5 sóng mang thành phần (CC) với các độ rộng linh hoạt (1.4, 3, 5, 10, 15 hoặc 20 MHz) để mở rộng băng thông lên đến 100 MHz. Có 3 cấu hình ghép: Intra-band contiguous (cùng băng tần, liên tục - chỉ cần 1 bộ thu phát); Intra-band non-contiguous (cùng băng tần, không liên tục - cần 2 bộ thu phát); Inter-band non-contiguous (khác băng tần, không liên tục - cấu trúc phức tạp nhất).
  • Giải pháp đa ăng-ten MIMO cải tiến: Sử dụng hệ thống $M$ ăng-ten phát và $N$ ăng-ten thu kết hợp ghép kênh không gian (V-BLAST) và mã hóa không gian - thời gian (STBC, STTC). Kỹ thuật này nâng cao tốc độ truyền dẫn và dung lượng kênh truyền mà không cần tăng công suất phát hay mở rộng dải tần, đồng thời tác giả chỉ ra các thách thức đi kèm như kích thước thiết bị tăng, thuật toán xử lý phức tạp, nhiễu đồng kênh và nhiễu liên kênh giữa các thuê bao.

Chương 3: Kiến trúc của hệ thống thông tin di động 5G

Chương 3 trình bày bức tranh tổng quát về kiến trúc và các công nghệ nền tảng của mạng 5G. Bối cảnh nghiên cứu 5G xuất phát từ sự bùng nổ số lượng người dùng smartphone trên toàn cầu (tăng liên tục giai đoạn 2014–2020 và dự báo đến năm 2021) cùng lưu lượng băng thông internet trong nước và quốc tế tăng vọt (dẫn chứng số liệu năm 2017 tại Việt Nam).

Theo chuẩn hóa của ITU, hệ thống 5G được thiết kế nhằm đáp ứng ba nhóm ứng dụng trụ cột:

  • eMBB (Enhanced Mobile Broadband - Băng rộng di động nâng cao): Cung cấp tốc độ truyền dữ liệu đỉnh cực lớn, nâng cao trải nghiệm người dùng đối với các dịch vụ video độ nét cao (HDTV, UHD), truyền thông thực tế ảo (VR) và thực tế tăng cường (AR).
  • mMTC (Massive Machine Type Communications - Truyền thông máy số lượng lớn): Hỗ trợ mật độ kết nối thiết bị cực kỳ dày đặc phục vụ mạng lưới vạn vật kết nối (IoT), quản lý lưu lượng thông minh (ITM) và các dịch vụ đô thị thông minh.
  • URLLC (Ultra-Reliable and Low-Latency Communications - Truyền thông độ trễ thấp và tin cậy cực cao): Đảm bảo độ trễ truyền dẫn ở mức một phần nghìn giây và độ tin cậy tuyệt đối, phục vụ các ứng dụng điều khiển thời gian thực như xe tự hành, phẫu thuật y tế từ xa và tự động hóa công nghiệp.

Kiến trúc hệ thống 5G chuyển dịch mạnh mẽ từ mô hình phần cứng chuyên dụng sang nền tảng dựa trên phần mềm:

  • Mạng điều khiển bằng phần mềm (SDN) và Ảo hóa chức năng mạng (NFV): Tách biệt mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu, cho phép linh hoạt phân chia mạng (Network Slicing) nhằm cung cấp các lớp mạng ảo hóa chuyên biệt cho từng loại dịch vụ.
  • Cơ sở hạ tầng siêu kết nối C-RAN (Cloud Radio Access Network): Tập trung hóa các khối xử lý băng gốc kỹ thuật số (BBU/DU) lên đám mây, giúp tối ưu hóa điện năng và giảm chi phí vận hành trạm thu phát.
  • Các công nghệ vô tuyến tiên tiến: Ứng dụng công nghệ đa truy nhập không trực giao (NOMA), đa sóng mang lọc băng tần (FBMC), truyền thông trực tiếp giữa các thiết bị (D2D), công nghệ mạng tự tổ chức (SON) và kỹ thuật tự hủy nhiễu (SIC).

Chương 4: Lộ trình triển khai áp dụng vào mạng viễn thông VNPT Hải Phòng

Chương 4 liên hệ trực tiếp giữa lý thuyết kiến trúc 5G với thực tiễn mạng lưới của Tập đoàn VNPT và đơn vị viễn thông địa phương VNPT Hải Phòng. Tác giả phân tích các yếu tố thúc đẩy phát triển 5G tại Hải Phòng, nơi có mật độ dân cư cao, nhiều khu công nghiệp công nghệ cao và hệ thống cảng biển quốc tế lớn đòi hỏi hạ tầng viễn thông hiện đại.

Lộ trình triển khai 5G tổng thể của Tập đoàn VNPT được định hướng theo 3 giai đoạn:

  1. Giai đoạn nghiên cứu, thử nghiệm công nghệ (2019 – 2020): Triển khai lắp đặt thử nghiệm các trạm 5G tại các thành phố lớn (Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh), tiến hành đo kiểm tốc độ, vùng phủ sóng và đánh giá khả năng tương thích công nghệ.
  2. Giai đoạn chuẩn bị cơ sở hạ tầng (2019 – 2022 và tiếp sau): Nâng cấp mạng truyền tải đô thị và liên tỉnh bằng công nghệ truyền tải quang gói POTN và mạng vận tải hội tụ hợp nhất uCTN; xây dựng và quy hoạch hệ thống trung tâm dữ liệu (DC - Data Center) giai đoạn 2020–2030 để phục vụ mạng lõi ảo hóa 5G.
  3. Giai đoạn triển khai thương mại hóa: Từng bước lắp đặt thiết bị trạm gốc 5G gNodeB trên diện rộng, thương mại hóa dịch vụ cung cấp cho người dùng cá nhân và các khối doanh nghiệp.

Đối với VNPT Hải Phòng, giải pháp và lộ trình triển khai cụ thể được đề xuất:

  • Tận dụng tối đa cơ sở hạ tầng nhà trạm, cột ăng-ten hiện hữu của mạng 3G/4G để lắp đặt thiết bị vô tuyến 5G nhằm tối ưu hóa chi phí đầu tư.
  • Nâng cấp mạng truyền dẫn cáp quang tại đô thị Hải Phòng để đáp ứng yêu cầu băng thông backhaul và fronthaul cực lớn của trạm thu phát 5G.
  • Phân kỳ triển khai mạng 5G theo thứ tự ưu tiên: phát sóng trước tại khu vực trung tâm hành chính thành phố, các khu vực du lịch, trung tâm thương mại, các cảng biển (Cảng Hải Phòng, Lạch Huyện) và các khu công nghiệp trọng điểm (Đình Vũ, VSIP Hải Phòng) để phục vụ logistics và sản xuất thông minh; sau đó từng bước mở rộng vùng phủ sóng ra các quận huyện ngoại thành.

Kết quả và đóng góp

  • Hệ thống hóa toàn diện các tham số kỹ thuật qua các thế hệ mạng: Đồ án tổng hợp được bức tranh kỹ thuật chi tiết từ 1G đến 4G LTE-Advanced. Cung cấp các số liệu đối chiếu chuẩn xác: tốc độ từ 1.4 Kb/s (2G) lên 1 Gbps (downlink của LTE-Advanced); băng thông từ 10–30 kHz (1G) lên 100 MHz (LTE-Advanced); cấu hình ăng-ten từ phát đơn giản tương tự lên mảng MIMO 8x8.
  • Làm rõ các giải pháp công nghệ then chốt của mạng 4G/LTE-Advanced: Trình bày đầy đủ bản chất toán học và kỹ thuật của ghép kênh OFDM/OFDMA, phân loại 3 hình thức tập hợp sóng mang (Carrier Aggregation), làm rõ cơ chế thích ứng kênh truyền AMC và kỹ thuật phân tập đa ăng-ten MIMO giúp tối ưu dung lượng kênh truyền theo công thức Shannon.
  • Đóng góp về định hướng ứng dụng thực tế tại VNPT Hải Phòng: Khóa luận kết nối giữa lý thuyết tiêu chuẩn viễn thông quốc tế (3GPP, ITU) với quy hoạch hạ tầng viễn thông địa phương. Đồ án đưa ra cơ sở khoa học để VNPT Hải Phòng chuẩn bị hạ tầng truyền dẫn quang (POTN, uCTN) và vị trí nhà trạm BTS sẵn sàng cho lộ trình chuyển dịch lên 5G theo từng giai đoạn, tránh xung đột và lãng phí tài nguyên đầu tư hiện hữu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Nội dung đồ án chủ yếu tập trung vào khảo cứu lý thuyết, tổng hợp tài liệu tiêu chuẩn và khung định hướng quy hoạch; chưa thực hiện được các mô phỏng vô tuyến chi tiết (bằng các phần mềm chuyên ngành như MATLAB hay Atoll) để tính toán vùng phủ sóng, dung lượng và mức can nhiễu cụ thể cho từng vị trí trạm BTS tại Hải Phòng. Một số đoạn văn bản dịch thuật từ tài liệu nước ngoài chưa được trau chuốt hoàn toàn về mặt ngữ nghĩa (như tác giả đã tự nhận xét trong lời cảm ơn).
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Đi sâu vào tính toán thiết kế chi tiết mạng vô tuyến 5G cho một khu vực cụ thể tại Hải Phòng (như khu công nghiệp hoặc cảng biển); thực hiện đo kiểm thực tế các chỉ tiêu QoS/QoE khi VNPT Hải Phòng chính thức phát sóng thương mại; nghiên cứu sâu về kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến mở (Open RAN) và ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI/ML) trong việc tối ưu hóa mạng tự tổ chức (SON) cho mạng 5G.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư chuyên ngành:

  • Đối tượng tham khảo: Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Viễn thông, Điện tử Truyền thông đang làm đồ án tốt nghiệp hoặc nghiên cứu chuyên đề về mạng không dây; các kỹ sư viễn thông, cán bộ quy hoạch mạng tại các nhà mạng (VNPT, Viettel, MobiFone).
  • Nội dung đáng tham khảo nhất:
    • Bảng tổng hợp so sánh chi tiết các tham số kỹ thuật của mạng 1G, 2G và 3G (Bảng 1.1).
    • Phần phân tích chi tiết về nguyên lý Anten thông minh (Bảng 2.1), kỹ thuật ghép kênh OFDM/OFDMA, và bảng so sánh tham số giữa LTE với LTE-Advanced (Bảng 2.2).
    • Phân loại và cấu hình kỹ thuật của giải pháp Tập hợp sóng mang (Carrier Aggregation) và hệ thống MIMO.
    • Khung lộ trình 3 giai đoạn chuẩn bị hạ tầng viễn thông (truyền tải và Data Center) của VNPT khi triển khai công nghệ mới.

Câu hỏi thường gặp

1. Những khác biệt cơ bản về tham số kỹ thuật giữa chuẩn LTE và chuẩn LTE-Advanced theo đồ án là gì?
Theo Bảng 2.2 trong đồ án, chuẩn LTE-Advanced (Release 10/11) có các tham số vượt trội so với chuẩn tiền 4G LTE (Release 8/9): tốc độ đỉnh đường xuống tăng từ 326 Mbps lên 1 Gbps; tốc độ đỉnh đường lên tăng từ 86 Mbps lên 500 Mbps; băng thông mở rộng từ tối đa 20 MHz lên tối đa 100 MHz; độ trễ xử lý giảm từ $\sim 10\text{ ms}$ xuống $\sim 5\text{ ms}$; cấu hình ăng-ten MIMO đường xuống nâng từ 4x4 lên 8x8, và đường lên nâng từ 2x4 lên 4x4.

2. Kỹ thuật Tập hợp sóng mang (Carrier Aggregation) trong LTE-Advanced được phân loại và hoạt động như thế nào?
Kỹ thuật này cho phép ghép tối đa 5 sóng mang thành phần (mỗi sóng mang có thể có băng thông 1.4, 3, 5, 10, 15 hoặc 20 MHz) ở lớp vật lý để đạt tổng băng thông truyền dẫn tối đa lên đến 100 MHz. Có 3 kiểu ghép sóng mang: ghép trong cùng băng tần và liên tục (Intra-band, contiguous - dễ thực thi nhất, chỉ cần 1 bộ thu phát); ghép trong cùng băng tần nhưng không liên tục (Intra-band, non-contiguous - cần 2 bộ thu phát); và ghép khác băng tần không liên tục (Inter-band, non-contiguous - cấu trúc phức tạp nhất, thiết bị đầu cuối phải hỗ trợ nhiều bộ thu phát).

3. Kiến trúc mạng chuyển vùng (Roaming) trong LTE được thiết kế theo những phương án nào và ưu nhược điểm ra sao?
Đồ án chỉ ra 2 phương án kiến trúc Roaming trong LTE: Phương án thứ nhất là đặt cổng PDN Gateway (P-GW) tại mạng chủ, toàn bộ dữ liệu thuê bao chuyển vùng được định tuyến về P-GW này (có ưu điểm là dễ quản lý dữ liệu và tính cước, nhưng nhược điểm là làm tăng độ trễ truyền dẫn). Phương án thứ hai là cấu hình P-GW ngay tại mạng khách (có ưu điểm là giảm độ trễ truyền dẫn và tiết kiệm tài nguyên mạng truyền tải, nhưng nhược điểm là phức tạp trong khâu kiểm soát và quản lý tính cước).

4. Mạng di động 5G được thiết kế để phục vụ những nhóm ứng dụng trụ cột nào theo tiêu chuẩn ITU?
Hệ thống 5G được xây dựng xung quanh 3 nhóm ứng dụng cốt lõi gồm: eMBB (Băng rộng di động nâng cao) phục vụ truyền dữ liệu tốc độ cực cao cho video UHD, VR, AR; mMTC (Truyền thông máy số lượng lớn) phục vụ kết nối hàng triệu thiết bị IoT với mật độ dày đặc; và URLLC (Truyền thông độ trễ thấp và tin cậy cực cao) phục vụ các ứng dụng thời gian thực khắt khe như điều khiển tự động hóa, xe tự hành và y tế từ xa.

5. Lộ trình triển khai mạng 5G của Tập đoàn VNPT được phân chia thành các mốc giai đoạn nào?
Theo nội dung đồ án, VNPT hoạch định 3 giai đoạn chính: Giai đoạn 1 (2019–2020) tập trung nghiên cứu và thử nghiệm công nghệ 5G thực địa; Giai đoạn 2 (2019–2022 và tiếp sau) chuẩn bị cơ sở hạ tầng mạng truyền tải quang gói (POTN, uCTN) và quy hoạch hệ thống trung tâm dữ liệu (DC) giai đoạn 2020–2030; Giai đoạn 3 tiến hành triển khai lắp đặt trạm phát sóng diện rộng và cung cấp dịch vụ thương mại cho người dùng và doanh nghiệp.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Ngô Mạnh Thắng đã hệ thống hóa một cách mạch lạc, chi tiết cơ sở lý thuyết và lộ trình tiến hóa công nghệ của các thế hệ thông tin di động từ 1G đến 4G LTE-Advanced, đồng thời làm rõ các yêu cầu kiến trúc cốt lõi của mạng 5G. Bằng việc phân tích sâu các kỹ thuật xử lý vô tuyến quan trọng như OFDM, đa ăng-ten MIMO, tập hợp sóng mang cùng cấu trúc mạng EPS, tác giả đã cung cấp nền tảng kỹ thuật vững chắc để đánh giá quá trình hiện đại hóa mạng viễn thông. Nghiên cứu đã đề xuất được khung giải pháp và lộ trình phân kỳ chuyển đổi hạ tầng mạng truyền tải, trung tâm dữ liệu phù hợp với định hướng của Tập đoàn VNPT và điều kiện triển khai thực tế tại VNPT Hải Phòng, mang lại giá trị tham khảo học thuật thiết thực cho chuyên ngành Điện tử Truyền thông.