Tổng quan nghiên cứu

Sự bùng nổ của dịch vụ dữ liệu di động đã thúc đẩy các mạng viễn thông chuyển đổi mạnh mẽ từ thế hệ thứ 2 sang công nghệ 3G UMTS và nâng cấp lên HSDPA với tốc độ đường truyền tải xuống đạt tới 21 Mbps. Tại Việt Nam, mạng di động 3G đã trở thành hạ tầng viễn thông thiết yếu phục vụ hơn 50 triệu thuê bao di động vào giai đoạn cao điểm. Tuy nhiên, việc khai thác và mở rộng mạng lưới luôn đối mặt với bài toán chất lượng phủ sóng khi nhiều trạm thu phát sóng gặp hiện tượng suy giảm hiệu năng do địa hình phức tạp, chồng lấn vùng phủ hoặc xuất hiện các vùng lõm tín hiệu.

Đề tài tập trung nghiên cứu, phân tích và đánh giá chất lượng mạng thông tin di động 3G tại Chi nhánh Viettel Thái Nguyên trong năm 2017. Phạm vi không gian của nghiên cứu bao gồm toàn bộ khu vực đô thị và nông thôn miền núi thuộc tỉnh Thái Nguyên, nơi có đặc điểm địa hình chia cắt mạnh mẽ ảnh hưởng trực tiếp đến sự lan truyền sóng vô tuyến.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là xây dựng quy trình đo kiểm thực nghiệm, phân tích dữ liệu tham số vô tuyến để xác định các khu vực suy hao chất lượng, từ đó đề xuất các giải pháp kỹ thuật tối ưu hóa vùng phủ sóng vô tuyến. Về mặt giá trị ứng dụng, công trình cung cấp cơ sở dữ liệu thực tế giúp nâng cao tỷ lệ vùng phủ đạt chuẩn chất lượng từ mức ban đầu khoảng 85% lên mục tiêu trên 95%, đồng thời giảm tỷ lệ rớt cuộc gọi xuống dưới 1%, mang lại hiệu quả vận hành kinh tế và nâng cao trải nghiệm cho khách hàng sử dụng dịch vụ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng nền tảng lý thuyết kiến trúc mạng 3G UMTS/WCDMA chuẩn hóa bởi 3GPP. Hệ thống phân chia thành ba phân hệ chính: Thiết bị người dùng (UE), Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN) gồm các bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC và các trạm gốc Node B, cùng Mạng lõi (Core Network) hỗ trợ chuyển mạch kênh CS và chuyển mạch gói PS.

Để tính toán tổn hao truyền sóng trong dải tần 1800 MHz đến 2100 MHz, nghiên cứu áp dụng mô hình toán học thực nghiệm COST-231 Hata dành cho cấu trúc Macro-cell:

$$L_p = 46,3 + 33,9 \log f_c - 13,82 \log h_b - a(h_m) + (44,9 - 6,55 \log h_b) \log r + C_m$$

Trong đó tần số $f_c$ hoạt động từ 1500 đến 2000 MHz, chiều cao anten trạm gốc $h_b$ từ 30 đến 200 mét, khoảng cách truyền sóng $r$ từ 1 đến 20 km và hệ số điều chỉnh độ cao anten thuê bao $a(h_m)$.

Bên cạnh đó, nghiên cứu dựa trên hai chỉ số KPI cốt lõi để lượng hóa chất lượng vùng phủ kênh hoa tiêu CPICH:

  • RSCP (Received Signal Code Power): Mức công suất mã tín hiệu thu, tiêu chuẩn đạt yêu cầu khi CPICH_RSCP ≥ -95 dBm.
  • Ec/N0 (Energy per Chip over Noise Spectral Density): Tỷ số năng lượng chip trên mật độ phổ công suất nhiễu, tiêu chuẩn đạt yêu cầu khi CPICH_Ec/N0 ≥ -12 dBm.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp hai phương pháp: đo kiểm chủ động ngoài hiện trường (Drive Test) và phân tích thống kê logfile chuyên sâu.

  • Cỡ mẫu và quy trình thu thập: Dữ liệu được đo đạc liên tục trên tuyến đường dài khoảng 120 km phủ khắp các khu vực trọng điểm của tỉnh Thái Nguyên, thu thập hơn 25.000 mẫu đo logfile bằng thiết bị đo kiểm di động Sony Ericsson cài đặt phần mềm chuyên dụng TEMS Pocket kết hợp định vị vệ tinh GPS tự động.
  • Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn mẫu khảo sát theo lộ trình thực tế di chuyển qua các khu vực đặc trưng gồm trung tâm thành phố có mật độ nhà cao tầng dày đặc (bán kính phục vụ trạm 200 - 500 m) và vùng ngoại thành, miền núi (bán kính trạm 3 - 5 km).
  • Lý do lựa chọn phương pháp: Việc sử dụng hệ thống phần mềm TEMS Pocket để đo thời gian thực và phần mềm TEMS Discovery để hậu kiểm phân tích cho phép trích xuất chính xác các tham số phân bố công suất, góc ngắt tín hiệu, hiện tượng trôi mã nhận dạng và giao thoa giữa các Cell mà việc giám sát thống kê từ xa tại đài điều khiển không thể phản ánh chi tiết được.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả phân tích từ hơn 25.000 điểm đo trên toàn mạng lưới 3G Viettel Thái Nguyên cho thấy:

  • Tỷ lệ bao phủ đạt chuẩn: Chỉ số CPICH_RSCP đạt mức trên -95 dBm chiếm 89,4% tổng số mẫu khảo sát, chưa đạt chỉ tiêu chuẩn 95% do nhà mạng Viettel đề ra. Trong đó, vùng tín hiệu tốt (RSCP ≥ -85 dBm) đạt 71,2%, vùng trung bình đạt 18,2% và vùng sóng kém (RSCP < -95 dBm) chiếm tới 10,6%.
  • Chỉ số chất lượng tín hiệu Ec/N0: Tỷ lệ mẫu đạt CPICH_Ec/N0 ≥ -12 dBm đạt 92,8% (thấp hơn ngưỡng mục tiêu ≥ 97%). Khoảng 7,2% diện tích khảo sát rơi vào vùng có mức Ec/N0 dưới -12 dBm, gây suy giảm tốc độ truyền dữ liệu HSDPA xuống dưới 1 Mbps.
  • Phát hiện vùng lõm và chồng lấn sóng: Xác định được 6 khu vực vùng lõm cục bộ tại các đoạn đường đèo và thung lũng miền núi với mức thu tụt sâu dưới -102 dBm. Đồng thời, tại khu vực trung tâm thành phố Thái Nguyên phát hiện 4 cụm trạm xảy ra hiện tượng ô nhiễm pilot (Pilot Pollution) do có từ 4 đến 5 Node B cùng phủ sóng mạnh với chênh lệch tín hiệu dưới 3 dB.

Thảo luận kết quả

Khi hiển thị dữ liệu qua bản đồ nhiệt (Coverage Heatmap) và biểu đồ phân phối tích lũy CDF, sự tương quan giữa thông số suy hao đường truyền thực tế và mô hình COST-231 Hata thể hiện độ tin cậy cao với sai số trung bình dưới 3,5 dB.

Nguyên nhân chính dẫn đến các vùng lõm tín hiệu tại khu vực ngoại thành là do khoảng cách giữa các trạm Node B quá xa (trên 4,5 km) kết hợp với chướng ngại vật địa hình rừng núi làm suy hao truyền sóng tăng thêm 15 đến 20 dB. Ngược lại, tại khu vực nội thị, nguyên nhân của việc suy giảm Ec/N0 là do góc nghiêng anten (Tilt) của các trạm lân cận đặt chưa tối ưu (quá nông), khiến búp sóng chính vươn xa sang ô bên cạnh gây hiện tượng tranh chấp tài nguyên mã trải phổ và gia tăng mức nhiễu nền $I_0$.

So sánh với các nghiên cứu tối ưu hóa mạng 3G tại khu vực đồng bằng, kết quả tại Thái Nguyên phản ánh rõ nét thách thức địa hình hỗn hợp. Việc xử lý không chỉ đơn thuần là tăng công suất phát mà bắt buộc phải can thiệp đồng bộ vào cấu hình cơ học và tham số vô tuyến để cân bằng giữa vùng phủ và dung lượng mạng.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả đo kiểm, bốn nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể được đề xuất nhằm tối ưu hóa toàn diện vùng phủ mạng 3G Viettel Thái Nguyên:

  • Điều chỉnh góc nghiêng (Tilt) và góc phương vị (Azimuth) anten: Tiến hành tăng góc Tilt điện tử và cơ học từ 2 độ lên 6 - 8 độ đối với 14 Node B tại khu vực trung tâm đô thị nhằm thu gọn búp sóng, triệt tiêu vùng chồng lấn quá mức và loại bỏ hiện tượng Pilot Pollution, hoàn thành trong vòng 30 ngày.
  • Tối ưu hóa công suất phát kênh hoa tiêu CPICH: Cân chỉnh lại công suất phát kênh CPICH từ mức mặc định 33 dBm xuống 30 dBm tại các cell bị giao thoa mạnh, đồng thời tăng công suất thêm 2 dBm tại 6 trạm ngoại thành có vùng phủ hẹp, thực hiện bởi đội ngũ kỹ sư RF trong 45 ngày.
  • Lắp đặt bổ sung bộ mở rộng vùng phủ và khối khuếch đại tháp (TMA): Triển khai lắp đặt 8 bộ khuếch đại tạp âm thấp TMA tại các trạm miền núi nhằm cải thiện độ nhạy thu đường lên thêm 2,5 đến 3 dB, khắc phục triệt để tình trạng mất cân bằng đường lên và đường xuống, tiến độ hoàn thành trong 60 ngày.
  • Tinh chỉnh danh sách tế bào lân cận (Neighbor List) và ngưỡng chuyển giao mềm: Tái cấu trúc lại bảng quan hệ lân cận giữa 32 cặp cell, tối ưu hóa các tham số kích hoạt sự kiện Event 1A, Event 1B để quá trình Soft Handover diễn ra chuẩn xác, giảm tỷ lệ rớt cuộc gọi xuống dưới 0,8%, thực hiện định kỳ trong 90 ngày.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung nghiên cứu mang tính ứng dụng cao, là tài liệu chuyên khảo giá trị cho các nhóm đối tượng:

  • Kỹ sư tối ưu hóa mạng vô tuyến (RF Optimization Engineers): Nắm vững quy trình vận hành công cụ đo kiểm TEMS Pocket, cách phân tích logfile bằng TEMS Discovery và phương pháp xử lý các lỗi nhiễu pilot thực tế trên trạm Node B.
  • Cán bộ quản lý kỹ thuật và vận hành khai thác viễn thông: Tham khảo phương pháp xây dựng kế hoạch tối ưu mạng lưới theo định kỳ, cân đối bài toán hiệu quả kỹ thuật và chi phí đầu tư thiết bị mở rộng vùng phủ.
  • Giảng viên và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy, nghiên cứu tình huống thực tiễn về cấu trúc mạng UMTS/WCDMA, mô hình truyền sóng thực nghiệm và phân tích dữ liệu vô tuyến.
  • Sinh viên đại học ngành Viễn thông làm đồ án tốt nghiệp: Học hỏi cấu trúc triển khai một đề tài đo kiểm thực nghiệm, phương pháp tính toán công thức giải trải phổ và cách diễn giải số liệu khoa học.

Câu hỏi thường gặp

Sự khác biệt cốt lõi giữa hai chỉ số RSCP và Ec/N0 trong đánh giá vùng phủ 3G là gì?
RSCP biểu thị mức công suất tuyệt đối (đo bằng dBm) của mã tín hiệu nhận được trên kênh hoa tiêu CPICH, phản ánh độ mạnh yếu của sóng vô tuyến. Trong khi đó, Ec/N0 là tỷ số chất lượng không thứ nguyên, đo lường tỷ lệ năng lượng của một chip trên mật độ phổ công suất nhiễu tổng cộng. Một điểm đo có thể có RSCP cao nhưng Ec/N0 vẫn thấp nếu bị ô nhiễm pilot.

Tại sao mô hình COST-231 Hata lại phù hợp để tính toán suy hao trong nghiên cứu này?
Mô hình COST-231 Hata là phiên bản cải tiến từ mô hình Hata truyền thống, được chuẩn hóa chuyên biệt cho dải tần số cao từ 1500 đến 2000 MHz. Với các tham số linh hoạt cho chiều cao anten từ 30 đến 200 m và cự ly trạm từ 1 đến 20 km, mô hình phản ánh chuẩn xác điều kiện địa hình thành phố loại vừa và vùng đồi núi ngoại thành như Thái Nguyên.

Công cụ TEMS Pocket đóng vai trò gì trong quá trình tối ưu hóa mạng vô tuyến?
TEMS Pocket là phần mềm đo kiểm chuyên dụng chạy trực tiếp trên điện thoại thử nghiệm di động, cho phép kỹ sư ghi lại các thông số kỹ thuật thời gian thực của giao diện vô tuyến (kênh thu, cường độ tín hiệu, mã trải phổ, tọa độ GPS). Dữ liệu logfile xuất ra là cơ sở độc lập duy nhất để đánh giá đúng trải nghiệm thực tế của người dùng.

Làm thế nào để xử lý triệt để hiện tượng Pilot Pollution tại khu vực đô thị?
Để triệt tiêu hiện tượng có quá nhiều tín hiệu pilot mạnh cạnh tranh nhau, kỹ sư cần điều chỉnh búp sóng anten bằng cách tăng góc Tilt cơ học hoặc Tilt điện tử, xoay góc phương vị Azimuth tránh hướng vào các cell đối diện, đồng thời giảm công suất phát CPICH của các cell không ưu tiên xuống từ 1 đến 3 dB.

Phương án khắc phục vùng lõm sóng tại các thung lũng sâu có bắt buộc phải xây trạm mới không?
Không nhất thiết phải xây trạm mới với chi phí tốn kém. Thay vào đó, có thể áp dụng các giải pháp kinh tế hơn như lắp đặt thêm bộ khuếch đại công suất tháp TMA, sử dụng thiết bị khuếch đại lặp sóng (Repeater/Booster), hoặc thay đổi loại anten có độ lợi cao hơn và hướng trực tiếp về phía lòng thung lũng.

Kết luận

  • Luận văn đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về kiến trúc mạng 3G WCDMA/UMTS, mô hình suy hao truyền sóng COST-231 Hata và các tham số đánh giá KPI vùng phủ cốt lõi.
  • Xây dựng thành công quy trình thực nghiệm Drive Test chuẩn hóa bằng bộ công cụ chuyên dụng TEMS Pocket và TEMS Discovery trên lộ trình hơn 120 km tại Thái Nguyên.
  • Định lượng chính xác hiện trạng mạng lưới với tỷ lệ đạt chuẩn RSCP ≥ -95 dBm đạt 89,4% và Ec/N0 ≥ -12 dBm đạt 92,8%, đồng thời xác định vị trí các điểm mù và cụm trạm bị nhiễu pilot.
  • Đề xuất hệ thống giải pháp kỹ thuật khả thi từ điều chỉnh cơ học anten, cân chỉnh công suất CPICH đến lắp đặt bộ khuếch đại TMA nhằm đưa tỷ lệ phủ sóng đạt chuẩn lên trên 95%.
  • Hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu là mở rộng mô hình đo kiểm và thuật toán tối ưu hóa tự động sang mạng di động băng rộng 4G LTE và 5G đa băng tần trong tương lai.