Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống thông tin di động 4G-LTE đã trở thành nền tảng quan trọng trong việc cung cấp dịch vụ viễn thông tốc độ cao, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về truyền dữ liệu và thoại. Tại Việt Nam, đặc biệt là tại các tỉnh phía Bắc, mạng Mobifone đã triển khai hệ thống 4G-LTE với khoảng 8.000 eNodeB và 24.000 cell LTE tính đến năm 2017, phục vụ hàng triệu thuê bao. Tuy nhiên, sự phát triển đồng thời của các hệ thống 2G, 3G và 4G dẫn đến mức tiêu thụ năng lượng lớn, làm tăng chi phí vận hành khai thác (OPEX) và ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường do phát thải khí CO2.

Luận văn tập trung nghiên cứu các giải pháp tối ưu năng lượng cho hệ thống thông tin di động 4G của mạng Mobifone tại các tỉnh phía Bắc nhằm giảm chi phí vận hành, tiết kiệm năng lượng và giảm ô nhiễm môi trường. Mục tiêu cụ thể là khảo sát và áp dụng các kỹ thuật tiết kiệm năng lượng như chế độ ngủ tế bào, điều chỉnh kích thước tế bào và công nghệ phối hợp đa điểm (CoMP). Phạm vi nghiên cứu bao gồm hệ thống mạng 4G-LTE triển khai tại Trung tâm mạng lưới Mobifone miền Bắc trong giai đoạn từ năm 2014 đến 2018.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, giảm chi phí vận hành và góp phần phát triển mạng viễn thông xanh, thân thiện với môi trường. Các chỉ số đánh giá như công suất tiêu thụ trung bình của trạm cơ sở, thông lượng dữ liệu, xác suất ngừng hoạt động và tỷ lệ sử dụng CoMP được sử dụng để đo lường hiệu quả của các giải pháp đề xuất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về tiết kiệm năng lượng trong mạng thông tin di động, bao gồm:

  • Lý thuyết điều chỉnh kích thước tế bào (Cell Zooming): Kỹ thuật này cho phép thay đổi công suất truyền hoặc kích thước vùng phủ sóng của trạm cơ sở (BS) dựa trên lưu lượng truy cập, nhằm cân bằng tải và giảm tiêu thụ năng lượng. Có hai phương pháp chính: điều chỉnh công suất truyền và điều chỉnh vật lý như chiều cao, góc nghiêng ăng-ten.

  • Chế độ ngủ tế bào (BS Sleep Mode): Tắt hoặc giảm công suất hoạt động của các trạm cơ sở trong giờ thấp điểm để tiết kiệm năng lượng, đồng thời các tế bào lân cận sẽ phóng to vùng phủ để bù đắp vùng chết.

  • Công nghệ phối hợp đa điểm (CoMP): Kỹ thuật xử lý tín hiệu cho phép nhiều trạm cơ sở phối hợp truyền và nhận dữ liệu cho một thiết bị người dùng (UE), giảm nhiễu liên tế bào và nâng cao chất lượng dịch vụ. Các hình thức CoMP gồm lập kế hoạch phối hợp/tạo chùm (CS/CB), phối hợp lựa chọn di động động (DCS-CoMP) và phối hợp truyền chung (JT-CoMP).

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: eNodeB (trạm cơ sở LTE), UE (thiết bị người dùng), SINR (tỷ số tín hiệu trên nhiễu và tạp âm), OPEX (chi phí vận hành khai thác), và EPS (hệ thống gói tiến hóa).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ Trung tâm mạng lưới Mobifone miền Bắc, bao gồm số liệu tiêu thụ năng lượng của các trạm cơ sở, lưu lượng truy cập, và các thông số kỹ thuật của thiết bị do nhà cung cấp Huawei cung cấp. Ngoài ra, các mô hình mô phỏng mạng 4G-LTE được xây dựng dựa trên lưới tế bào lục giác với các điểm nóng tập trung lưu lượng cao, mô hình di động của người dùng và mô hình kênh truyền.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Mô phỏng hiệu quả năng lượng: Sử dụng các kịch bản điều chỉnh kích thước tế bào và chế độ ngủ để đánh giá mức tiết kiệm năng lượng và ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ.

  • Phân tích so sánh: Đánh giá hiệu quả của các giải pháp CoMP so với các kỹ thuật truyền thống về mặt thông lượng và xác suất ngừng hoạt động.

  • Phân tích chi phí: Đánh giá tác động của các giải pháp tiết kiệm năng lượng đến chi phí vận hành khai thác (OPEX) của mạng.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm khoảng 8.000 eNodeB và 24.000 cell LTE trên toàn mạng Mobifone miền Bắc, với dữ liệu thu thập trong giai đoạn 2014-2018. Phương pháp chọn mẫu dựa trên các trạm có lưu lượng truy cập biến động rõ rệt để đánh giá hiệu quả các kỹ thuật tiết kiệm năng lượng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tiết kiệm năng lượng qua điều chỉnh kích thước tế bào: Việc giảm công suất truyền của trạm cơ sở trong giờ thấp điểm giúp tiết kiệm khoảng 15-20% năng lượng tiêu thụ trung bình mỗi trạm. Kỹ thuật thu/phóng tế bào cổ điển cho phép cân bằng tải hiệu quả, giảm tải cho các trạm quá tải và tăng hiệu quả sử dụng năng lượng.

  2. Hiệu quả của chế độ ngủ tế bào: Áp dụng chế độ ngủ cho các trạm cơ sở trong giờ thấp điểm có thể giảm tiêu thụ năng lượng lên đến 25%, đồng thời xác suất ngừng hoạt động chỉ tăng nhẹ dưới 2%, đảm bảo chất lượng dịch vụ không bị ảnh hưởng đáng kể.

  3. Tác động của công nghệ CoMP: Tỷ lệ sử dụng CoMP đạt khoảng 30% trong các khu vực điểm nóng, giúp cải thiện thông lượng trung bình của người dùng lên 10-15% và giảm xác suất ngừng hoạt động xuống dưới 1%. CoMP liên site và trong-site đều góp phần giảm nhiễu liên tế bào và nâng cao trải nghiệm người dùng.

  4. Giảm chi phí vận hành khai thác (OPEX): Các giải pháp tiết kiệm năng lượng do Huawei tư vấn giúp giảm chi phí điện năng và bảo trì mạng, ước tính tiết kiệm khoảng 20% tổng OPEX của Trung tâm mạng lưới Mobifone miền Bắc trong giai đoạn nghiên cứu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả tiết kiệm năng lượng là do sự điều chỉnh linh hoạt công suất truyền và trạng thái hoạt động của các trạm cơ sở phù hợp với biến động lưu lượng truy cập theo thời gian và không gian. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả của luận văn phù hợp với các báo cáo quốc tế về tiết kiệm năng lượng trong mạng 4G, đồng thời bổ sung thêm phân tích thực tiễn tại mạng Mobifone miền Bắc.

Việc áp dụng CoMP không chỉ nâng cao chất lượng dịch vụ mà còn hỗ trợ các kỹ thuật tiết kiệm năng lượng bằng cách giảm nhu cầu tăng công suất truyền để bù đắp vùng phủ sóng. Các biểu đồ phân phối tiêu thụ điện năng và mô hình lưu lượng truy cập minh họa rõ ràng sự giảm tiêu thụ năng lượng khi áp dụng các kỹ thuật này.

Tuy nhiên, việc triển khai các giải pháp này đòi hỏi sự phối hợp chặt chẽ giữa nhà cung cấp thiết bị, nhà mạng và các đơn vị vận hành để đảm bảo tính ổn định và hiệu quả lâu dài. Ngoài ra, cần tiếp tục nghiên cứu các công nghệ mới như LTE-Advanced và 5G để nâng cao hơn nữa hiệu quả năng lượng và chất lượng dịch vụ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai rộng rãi chế độ ngủ tế bào: Khuyến nghị Trung tâm mạng lưới Mobifone miền Bắc áp dụng chế độ ngủ cho các trạm cơ sở trong giờ thấp điểm, đặc biệt là từ 0h đến 6h sáng, nhằm tiết kiệm năng lượng tối đa. Chủ thể thực hiện là bộ phận vận hành mạng, với mục tiêu giảm 20-25% tiêu thụ điện năng trong vòng 12 tháng.

  2. Tối ưu hóa điều chỉnh kích thước tế bào: Đề xuất áp dụng kỹ thuật thu/phóng tế bào cổ điển bằng cách điều chỉnh công suất truyền theo lưu lượng thực tế, giúp cân bằng tải và giảm tiêu thụ năng lượng. Bộ phận kỹ thuật mạng cần xây dựng các kịch bản điều chỉnh phù hợp với từng khu vực điểm nóng trong 6 tháng tới.

  3. Mở rộng ứng dụng công nghệ CoMP: Khuyến khích tăng tỷ lệ sử dụng CoMP lên trên 40% tại các khu vực có mật độ người dùng cao để nâng cao chất lượng dịch vụ và giảm thiểu nhiễu. Nhà cung cấp thiết bị Huawei phối hợp với Mobifone triển khai các bản nâng cấp phần mềm và phần cứng trong vòng 18 tháng.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức nhân sự: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật tiết kiệm năng lượng và quản lý mạng xanh cho đội ngũ kỹ thuật viên và quản lý vận hành nhằm đảm bảo thực hiện hiệu quả các giải pháp. Thời gian thực hiện trong 6 tháng đầu năm 2019.

  5. Theo dõi và đánh giá liên tục: Thiết lập hệ thống giám sát tiêu thụ năng lượng và chất lượng dịch vụ theo thời gian thực để điều chỉnh kịp thời các giải pháp tiết kiệm năng lượng, đảm bảo không ảnh hưởng đến trải nghiệm người dùng. Bộ phận quản lý mạng chịu trách nhiệm triển khai trong vòng 3 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý mạng viễn thông: Giúp hiểu rõ các giải pháp tiết kiệm năng lượng thực tiễn, từ đó xây dựng chính sách và kế hoạch phát triển mạng hiệu quả, giảm chi phí vận hành.

  2. Kỹ sư và chuyên gia kỹ thuật viễn thông: Cung cấp kiến thức chuyên sâu về các kỹ thuật điều chỉnh kích thước tế bào, chế độ ngủ và công nghệ CoMP, hỗ trợ trong việc thiết kế và tối ưu mạng 4G-LTE.

  3. Nhà cung cấp thiết bị viễn thông: Tham khảo các giải pháp kỹ thuật và kinh tế để phát triển sản phẩm phù hợp với yêu cầu tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu suất mạng.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành viễn thông: Là tài liệu tham khảo quý giá cho các nghiên cứu tiếp theo về mạng di động xanh, tối ưu năng lượng và phát triển bền vững trong lĩnh vực viễn thông.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao tiết kiệm năng lượng trong mạng 4G lại quan trọng?
    Tiết kiệm năng lượng giúp giảm chi phí vận hành khai thác (OPEX), kéo dài tuổi thọ thiết bị và giảm phát thải khí nhà kính, góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao hiệu quả kinh doanh của nhà mạng.

  2. Chế độ ngủ tế bào hoạt động như thế nào?
    Chế độ ngủ tế bào tắt hoặc giảm công suất hoạt động của các trạm cơ sở trong giờ thấp điểm khi lưu lượng truy cập thấp, đồng thời các tế bào lân cận phóng to vùng phủ để bù đắp, giúp tiết kiệm năng lượng mà không ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ.

  3. Công nghệ CoMP có lợi ích gì cho mạng 4G?
    CoMP cho phép nhiều trạm cơ sở phối hợp truyền và nhận dữ liệu cho một thiết bị người dùng, giảm nhiễu liên tế bào, nâng cao thông lượng và chất lượng kết nối, đồng thời hỗ trợ các kỹ thuật tiết kiệm năng lượng.

  4. Làm thế nào để đánh giá hiệu quả của các giải pháp tiết kiệm năng lượng?
    Hiệu quả được đánh giá qua các chỉ số như công suất tiêu thụ trung bình của trạm cơ sở, thông lượng dữ liệu, xác suất ngừng hoạt động và tỷ lệ sử dụng CoMP, kết hợp với phân tích chi phí vận hành.

  5. Các giải pháp này có thể áp dụng cho mạng 5G không?
    Nhiều kỹ thuật như điều chỉnh kích thước tế bào và chế độ ngủ có thể được mở rộng và cải tiến cho mạng 5G, tuy nhiên cần nghiên cứu thêm để phù hợp với kiến trúc và yêu cầu đặc thù của mạng thế hệ mới.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích và đánh giá các giải pháp tiết kiệm năng lượng hiệu quả cho hệ thống thông tin di động 4G-LTE của mạng Mobifone tại các tỉnh phía Bắc, bao gồm điều chỉnh kích thước tế bào, chế độ ngủ tế bào và công nghệ CoMP.
  • Kết quả nghiên cứu cho thấy các giải pháp này có thể tiết kiệm từ 15% đến 25% năng lượng tiêu thụ, đồng thời cải thiện chất lượng dịch vụ và giảm chi phí vận hành.
  • Nghiên cứu đã áp dụng mô hình mô phỏng chi tiết với dữ liệu thực tế từ mạng Mobifone, đảm bảo tính thực tiễn và khả năng ứng dụng cao.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và quản lý cụ thể nhằm triển khai hiệu quả trong giai đoạn 2019-2020, góp phần phát triển mạng viễn thông xanh và bền vững.
  • Khuyến khích các nhà mạng, nhà cung cấp thiết bị và các nhà nghiên cứu tiếp tục phát triển và ứng dụng các công nghệ tiết kiệm năng lượng trong mạng 4G và các thế hệ mạng tiếp theo.

Hành động tiếp theo là triển khai các giải pháp đề xuất tại Trung tâm mạng lưới Mobifone miền Bắc, đồng thời thiết lập hệ thống giám sát và đánh giá hiệu quả liên tục để điều chỉnh phù hợp. Các bên liên quan được khuyến khích phối hợp chặt chẽ nhằm đạt được mục tiêu tiết kiệm năng lượng và nâng cao chất lượng dịch vụ.