Tổng quan nghiên cứu

Thị trường viễn thông toàn cầu ghi nhận bước nhảy vọt về lưu lượng dữ liệu di động, dẫn đến nhu cầu cấp thiết về việc nâng cấp hạ tầng mạng. Tính đến tháng 9 năm 2013, trên thế giới đã có 456 nhà cung cấp dịch vụ viễn thông tiến hành đầu tư phát triển mạng công nghệ LTE (Long Term Evolution) tại 143 quốc gia, trong đó 213 mạng đã chính thức thương mại hóa phục vụ hơn 126,1 triệu thuê bao. Thị trường thiết bị ghi nhận 1.240 sản phẩm đầu cuối LTE được sản xuất bởi 120 hãng công nghệ lớn. Tại Việt Nam, Quyết định số 32/2012/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Quy hoạch phát triển viễn thông quốc gia đến năm 2020 đã đặt ra định hướng thử nghiệm công nghệ băng rộng di động thế hệ tiếp theo trong giai đoạn 2012-2014 trước khi xem xét cấp phép thương mại từ năm 2015.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm xuất phát từ thực tế Bộ Thông tin và Truyền thông đã cấp phép thử nghiệm LTE cho 5 doanh nghiệp viễn thông lớn nhưng hệ thống văn bản pháp quy thời điểm đó vẫn thiếu vắng bộ Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia (QCVN) hoàn chỉnh để đánh giá, chứng nhận hợp quy cho thiết bị đầu cuối LTE nhập khẩu và lưu thông trên thị trường. Mục tiêu cụ thể của luận văn là hệ thống hóa toàn diện kiến trúc công nghệ LTE/LTE-Advanced, phân tích kết quả thử nghiệm thực tế tại Việt Nam, từ đó xây dựng cơ sở khoa học và đề xuất dự thảo khung Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia cho thiết bị đầu cuối LTE phù hợp với điều kiện khai thác trong nước. Nghiên cứu có ý nghĩa quyết định trong việc thiết lập hành lang kỹ thuật chuẩn mực, giúp giảm thiểu rủi ro can nhiễu tần số vô tuyến, bảo vệ quyền lợi của hàng chục triệu người sử dụng và tạo công cụ quản lý chất lượng đồng bộ cho cơ quan quản lý nhà nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết truyền thông vô tuyến số và kiến trúc mạng di động thế hệ mới do tổ chức 3GPP (3rd Generation Partnership Project) chuẩn hóa trong Phiên bản 8 (Release 8) và Phiên bản 9 (Release 9). Mô hình nghiên cứu tập trung vào hai nhánh cốt lõi:

Thứ nhất, lý thuyết đa truy nhập và xử lý tín hiệu vô tuyến hiện đại. Hệ thống LTE áp dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) cho đường xuống (Downlink) nhằm loại bỏ hiện tượng nhiễu xuyên ký tự (ISI) và tiết kiệm 50% băng thông so với công nghệ phân chia tần số truyền thống. Ở đường lên (Uplink), công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang (SC-FDMA) kết hợp biến đổi Fourier nhanh (FFT) được áp dụng nhằm giảm tỷ lệ công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) xuống khoảng 5 dB, giúp tiết kiệm dung lượng pin tối đa cho thiết bị đầu cuối (UE). Kết hợp với đó là lý thuyết truyền thông đa ăng-ten MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) cấu hình 2x2 và 4x4, khai thác độ lợi định hình búp sóng (Beamforming), độ lợi ghép kênh không gian và độ lợi phân tập không gian để tối ưu hóa hiệu suất phổ.

Thứ hai, khung kiến trúc mạng tiến hóa SAE (System Architecture Evolution) và lõi gói tiến hóa EPC (Evolved Packet Core) thuần IP. Khung lý thuyết phân tích các thành phần mạng bao gồm: Thực thể quản lý di động (MME), Cổng phục vụ (S-GW), Cổng mạng dữ liệu gói (P-GW) và trạm gốc tiến hóa eNodeB loại bỏ bộ điều khiển vô tuyến tập trung RNC, giúp tối giản hóa cấu trúc mạng và giảm độ trễ xử lý gói tin.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thứ cấp chuẩn mực từ các bộ tiêu chuẩn quốc tế của Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU), Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI EN 301 908-14), tài liệu kỹ thuật 3GPP TS 36.101 cùng báo cáo thực nghiệm triển khai của Hiệp hội Nhà cung cấp Di động Toàn cầu (GSA). Dữ liệu thực nghiệm trong nước được thu thập từ hồ sơ thử nghiệm mạng và đo kiểm tham số vô tuyến của 5 nhà mạng được cấp phép tại Việt Nam gồm VNPT, Viettel, FPT Telecom, CMC Telecom và VTC trong dải tần 700 MHz đến 2,6 GHz.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ 1.240 mẫu thiết bị đầu cuối LTE lưu hành thương mại trên thị trường quốc tế và tập dữ liệu kỹ thuật của các khối thu phát vô tuyến (RRU) thực tế nhập khẩu vào Việt Nam. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu có chủ đích, tập trung vào các chủng loại thiết bị di động tương thích với các băng tần quy hoạch trọng điểm của Việt Nam như Băng 1 (2100 MHz), Băng 3 (1800 MHz), Băng 7 (2600 MHz) và Băng 38/40 (TDD).

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích so sánh kỹ thuật kết hợp phương pháp chuyển dịch và hài hòa hóa tiêu chuẩn quốc tế là nhằm đảm bảo tính tương thích cao nhất giữa quy định của Việt Nam với các chuẩn viễn thông toàn cầu, đồng thời tuân thủ chặt chẽ Luật Tiêu chuẩn và Quy chuẩn kỹ thuật số 68/2006/QH11. Toàn bộ quá trình nghiên cứu, khảo sát và tổng hợp dữ liệu được thực hiện xuyên suốt từ tháng 9 năm 2010 đến tháng 9 năm 2013.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm và đối sánh kỹ thuật đã mang lại 4 phát hiện quan trọng:

Thứ nhất, công nghệ LTE thể hiện sự vượt trội rõ rệt về dung lượng và tốc độ truyền dẫn so với các công nghệ tiền nhiệm. Trong độ rộng băng thông 20 MHz với cấu hình 4x4 MIMO, LTE đạt tốc độ tải xuống lý thuyết lên đến 300 Mbps và tải lên 75 Mbps, trong khi chuẩn WiMAX (IEEE 802.16e) chỉ đạt tốc độ tải xuống tối đa khoảng 70 Mbps. Hiệu quả sử dụng phổ tần dữ liệu của LTE đạt 2,1 bps/Hz/cell ở đường xuống, cao hơn 40% so với mức 1,5 bps/Hz/cell của WiMAX.

Thứ hai, thời gian trễ vòng truyền dữ liệu (Round Trip Delay) của mạng LTE được tối ưu hóa xuống mức 10 ms, giảm 66,7% so với mức trễ 30 ms của cả hai công nghệ HSPA+ Release 7 và WiMAX TDD. Yếu tố này mở ra tiềm năng cung cấp dịch vụ thời gian thực chất lượng cao như Mobile IPTV, hội nghị truyền hình chuẩn nét cao và game tương tác di động tốc độ cao khi người dùng di chuyển ở vận tốc lên đến 120 km/h.

Thứ ba, sự dịch chuyển mang tính áp đảo của thị trường viễn thông quốc tế nghiêng về công nghệ LTE. Kết quả khảo sát toàn cầu cho thấy có tới 56% nhà khai thác di động quyết định lựa chọn LTE làm nền tảng thế hệ tiếp theo, trong khi chỉ có 30% lựa chọn WiMAX. Ưu thế này bắt nguồn từ việc LTE cho phép kế thừa trọn vẹn hạ tầng mạng vô tuyến GSM/UMTS vốn đang phục vụ 2,5 tỷ thuê bao toàn cầu, giúp giảm áp lực chi phí đầu tư ban đầu cho nhà mạng.

Thứ tư, kết quả thử nghiệm thực tế tại Việt Nam giai đoạn 2010-2012 trên băng tần 700 MHz đến 2,6 GHz xác nhận mạng đạt tốc độ tải xuống thực tế trên 100 Mbps và tải lên 50 Mbps. Tuy nhiên, rào cản lớn nhất nằm ở khâu quản lý chất lượng thiết bị khi số lượng chủng loại thiết bị đầu cuối LTE nhập về Việt Nam tăng nhanh nhưng chưa có khung pháp lý kiểm soát độ chọn lọc máy thu và phát xạ ngoài băng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi giúp LTE đạt hiệu năng vượt trội nằm ở sự kết hợp hoàn hảo giữa kỹ thuật đa sóng mang OFDMA và cấu trúc trạm gốc eNodeB phân tán. Việc phân chia băng thông thành các khối tài nguyên 180 kHz cho phép lập lịch kênh linh hoạt theo thời gian thực và thích ứng tốc độ bit tức thời. Khi so sánh với các nghiên cứu triển khai 3G W-CDMA trước đây, việc loại bỏ phần tử điều khiển mạng vô tuyến RNC trung gian đã giải quyết triệt để nút thắt cổ chai trong việc xử lý lưu lượng gói tin IP.

Kết quả thu được hoàn toàn tương đồng với lộ trình phát triển mạng băng rộng của Liên minh Viễn thông Quốc tế ITU khi cơ quan này chính thức công nhận phiên bản tiến hóa LTE-Advanced đáp ứng đầy đủ các tiêu chí khắt khe của mạng 4G thực thụ (IMT-Advanced).

Để trực quan hóa các dữ liệu kỹ thuật phức tạp trong công tác quản lý, toàn bộ chỉ tiêu đo kiểm vô tuyến được khuyến nghị trình bày dưới dạng ma trận đối chiếu tham số kỹ thuật chuẩn hóa. Cụ thể, các chỉ tiêu giới hạn công suất phát xạ, mặt nạ phổ phát xạ vô tuyến, độ không bào mòn kênh lân cận (ACLR) và độ nhạy thu máy phát được mô hình hóa qua các biểu đồ phân bố công suất theo tần số và bảng phân loại cấp độ thiết bị (UE Category từ 1 đến 5). Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho các phòng thử nghiệm trong nước tiến hành đo kiểm thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu toàn diện, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và chính sách mang tính thực tiễn cao:

  1. Ban hành Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia (QCVN) chuyên biệt cho thiết bị đầu cuối LTE: Bộ Thông tin và Truyền thông cần sớm ký ban hành văn bản quy chuẩn kỹ thuật trên cơ sở áp dụng hài hòa tiêu chuẩn ETSI EN 301 908-14 V5.2.1 và 3GPP TS 36.101. Mục tiêu đặt ra là kiểm soát 100% các dòng điện thoại thông minh, USB Dongle và modem vô tuyến LTE nhập khẩu hoặc sản xuất trong nước, đảm bảo tuân thủ đầy đủ các chỉ tiêu an toàn bức xạ và tương thích điện từ trong Quý I năm 2014.
  2. Quy hoạch và tối ưu hóa phân bổ băng tần vô tuyến 4G: Cục Tần số Vô tuyến điện cần sớm hoàn thiện phương án quy hoạch các dải tần 1800 MHz (Băng 3) và 2600 MHz (Băng 7). Mục tiêu là tổ chức đấu giá hoặc phân bổ khối băng thông chuẩn 2x20 MHz cho mỗi nhà mạng lớn trong giai đoạn 2014-2015, tạo điều kiện kích hoạt các cấu hình sóng mang tối ưu dung lượng mạng.
  3. Nâng cấp năng lực đo kiểm cho hệ thống phòng thí nghiệm quốc gia: Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện và các Trung tâm Đo kiểm chất lượng viễn thông cần đầu tư đồng bộ trang thiết bị mô phỏng kênh truyền và máy phân tích phổ thời gian thực. Mục tiêu là đáp ứng 100% danh mục quy trình thử nghiệm phát xạ giả, độ nhạy thu và đặc tính tương thích vô tuyến theo tiêu chuẩn quốc tế ngay trong năm 2014.
  4. Xây dựng lộ trình chuyển đổi hạ tầng mạng cho các doanh nghiệp viễn thông: Các nhà mạng lớn như Viettel, VNPT và MobiFone cần đẩy nhanh tái cơ cấu băng tầng 2G/3G hiện hữu, từng bước thay thế các trạm thu phát truyền thống bằng khối vô tuyến phân tán RRU và anten đa phân cực. Mục tiêu là giảm chi phí vốn đầu tư (CAPEX) và chi phí vận hành mạng (OPEX) từ 15% đến 20% khi chính thức chuyển đổi lên nền tảng LTE-Advanced thương mại giai đoạn 2015-2018.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị thực tiễn và học thuật chuyên sâu cho 4 nhóm đối tượng:

  • Cơ quan hoạch định chính sách và quản lý viễn thông: Cán bộ thuộc Bộ Thông tin và Truyền thông, Cục Viễn thông, Cục Tần số Vô tuyến điện có thể trực tiếp sử dụng khung đề xuất trong luận văn để soạn thảo thông tư, ban hành quy chuẩn quốc gia và xây dựng quy chế quản lý chất lượng thiết bị vô tuyến nhập khẩu.
  • Các doanh nghiệp khai thác mạng viễn thông: Đội ngũ kỹ sư quy hoạch và tối ưu mạng tại Viettel, VNPT, FPT, MobiFone có thể ứng dụng các số liệu so sánh hiệu năng phổ tần, độ trễ và mô hình trạm gốc eNodeB để thiết kế cấu trúc mạng vô tuyến phù hợp với từng khu vực đô thị.
  • Các nhà sản xuất, nhập khẩu và phân phối thiết bị công nghệ: Bộ phận kỹ thuật và pháp chế của các doanh nghiệp thương mại sử dụng tài liệu làm căn cứ chuẩn bị hồ sơ thử nghiệm, công bố hợp quy cho các dòng thiết bị LTE trước khi đưa ra lưu thông ngoài thị trường.
  • Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Điện tử - Viễn thông: Là nguồn tài liệu tham khảo hệ thống về kỹ thuật điều chế OFDMA, SC-FDMA, công nghệ đa anten MIMO và kiến trúc mạng gói tiến hóa All-IP.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao công nghệ LTE sử dụng kỹ thuật điều chế SC-FDMA cho đường lên thay vì dùng chung OFDMA như đường xuống?
Kỹ thuật OFDMA có tỷ lệ công suất đỉnh trên trung bình (PAPR) rất cao, đòi hỏi bộ khuếch đại công suất trong thiết bị đầu cuối phải hoạt động ở dải tuyến tính lớn, gây tiêu tốn nhiều năng lượng. Việc sử dụng SC-FDMA với khối xử lý FFT bổ sung giúp giảm tỷ lệ PAPR xuống khoảng 5 dB, từ đó tiết kiệm tối đa dung lượng pin và hạ giá thành sản xuất cho thiết bị cầm tay của người dùng.

2. Tốc độ truyền dẫn dữ liệu tối đa trên lý thuyết của mạng LTE Release 8 đạt mức bao nhiêu?
Trong điều kiện băng thông chuẩn 20 MHz và sử dụng kỹ thuật đa ăng-ten 4x4 MIMO cho thiết bị đầu cuối nhóm 5 (UE Category 5), tốc độ tải xuống cực đại của LTE đạt mức 300 Mbps và tốc độ tải lên đạt 75 Mbps. Đây là bước nhảy vọt so với mức giới hạn vài chục Mbps của mạng 3G W-CDMA truyền thống.

3. Kết quả đo kiểm thử nghiệm mạng LTE tại Việt Nam giai đoạn 2010-2012 ghi nhận các chỉ số cơ bản nào?
Quá trình thử nghiệm do Bộ Thông tin và Truyền thông cấp phép cho 5 nhà mạng trên dải tần 700 MHz đến 2,6 GHz ghi nhận tốc độ tải xuống thực tế đạt 100 Mbps và tốc độ tải lên đạt 50 Mbps. Kết quả khẳng định mạng vận hành ổn định ở tốc độ di chuyển phương tiện từ 15 đến 120 km/h và hoàn toàn đủ điều kiện triển khai thương mại diện rộng.

4. Khung Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia (QCVN) cho thiết bị đầu cuối LTE tại Việt Nam được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn gốc nào?
Luận văn đề xuất xây dựng QCVN dựa trên việc chuyển dịch và hài hòa hóa trực tiếp bộ tiêu chuẩn châu Âu ETSI EN 301 908-14 V5.2.1 và tài liệu kỹ thuật 3GPP TS 36.101. Đây là những bộ tiêu chuẩn toàn cầu quy định chi tiết và nghiêm ngặt nhất về các yêu cầu thiết yếu đối với thiết bị trạm gốc và thiết bị đầu cuối vô tuyến di động.

5. Việc ban hành Quy chuẩn quốc gia về thiết bị LTE mang lại lợi ích thiết thực gì cho người tiêu dùng?
Quy chuẩn quốc gia thiết lập hàng rào kỹ thuật bắt buộc để sàng lọc các thiết bị đầu cuối kém chất lượng trôi nổi trên thị trường. Người tiêu dùng được đảm bảo sử dụng các thiết bị đạt chuẩn về mức độ an toàn phơi nhiễm bức xạ vô tuyến, không gây can nhiễu sóng và luôn duy trì tốc độ truyền dẫn dữ liệu ổn định đúng công bố kỹ thuật.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích toàn diện cơ sở khoa học, kiến trúc mạng lõi SAE và các kỹ thuật đột phá của LTE gồm OFDMA, SC-FDMA và đa anten MIMO.
  • Công trình tổng kết chi tiết bức tranh thương mại hóa với hơn 126,1 triệu thuê bao LTE toàn cầu và kết quả thử nghiệm mạng thực tế của 5 nhà mạng tại Việt Nam.
  • Luận văn thiết lập thành công cơ sở lý luận và đề xuất khung Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chuẩn mực cho thiết bị đầu cuối LTE dựa trên tiêu chuẩn ETSI EN 301 908-14.
  • Đề tài giải quyết trực tiếp khoảng trống pháp lý kỹ thuật, hỗ trợ đắc lực cho công tác quản lý chất lượng sản phẩm công nghệ thông tin và truyền thông của cơ quan nhà nước.
  • Nghiên cứu vạch ra lộ trình khả thi cho giai đoạn 2014-2015 nhằm thương mại hóa thành công dịch vụ băng rộng di động 4G tại Việt Nam.

Độc giả, các nhà nghiên cứu và cơ quan chuyên trách quan tâm đến việc xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật viễn thông có thể khai thác trực tiếp dữ liệu phân tích chuyên sâu của luận văn để áp dụng vào công tác nghiên cứu, xây dựng văn bản pháp quy và triển khai hạ tầng mạng di động thế hệ mới.