Tổng quan nghiên cứu

Thị trường viễn thông di động tại tỉnh Hưng Yên ghi nhận sự bùng nổ mạnh mẽ với hơn 1.140.000 thuê bao hoạt động trên tổng diện tích tự nhiên 926 km², đạt mật độ dân số trung bình 1.600 người/km². Sự gia tăng nhanh chóng của các thiết bị thông minh cùng với sự phát triển của 10 khu công nghiệp tập trung quy mô trên 2.481 ha và các khu đô thị lớn như Ecopark, Phố Hiến đã tạo ra áp lực lưu lượng dữ liệu vô cùng lớn. Hạ tầng mạng 3G hiện hữu với băng thông giới hạn không còn khả năng đáp ứng nhu cầu truyền tải dữ liệu tốc độ cao, hội thoại truyền hình hay các dịch vụ số hóa hiện đại.

Trước thách thức này, đề tài tập trung giải quyết bài toán thiết kế và quy hoạch tổng thể mạng thông tin di động 4G LTE cho nhà mạng Vinaphone tại Hưng Yên. Mục tiêu then chốt của công trình là xây dựng phương án kỹ thuật tối ưu hóa vùng phủ sóng và dung lượng mạng vô tuyến, đồng thời tận dụng triệt để hạ tầng 236 trạm phát sóng 2G/3G sẵn có nhằm giảm thiểu chi phí đầu tư xây dựng cơ bản. Phạm vi nghiên cứu bao quát toàn bộ 10 đơn vị hành chính gồm 1 thành phố và 9 huyện trên địa bàn tỉnh trong giai đoạn 2018 - 2019 và định hướng mở rộng đến năm 2024.

Ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu được chứng minh qua việc cải thiện vượt bậc các chỉ số chất lượng dịch vụ: nâng tốc độ truyền dữ liệu đường xuống thực tế lên mức 60 - 72 Mbps, giảm độ trễ mặt phẳng người dùng xuống dưới 15 ms, đồng thời cắt giảm khoảng 40% chi phí đầu tư thiết bị mới thông qua giải pháp đồng chia sẻ hạ tầng trạm đa chuẩn SRAN.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng vững chắc trên nền tảng các tiêu chuẩn kỹ thuật mạng viễn thông di động thế hệ thứ tư do tổ chức 3GPP ban hành, trọng tâm là công nghệ LTE và LTE-Advanced. Kiến trúc mạng gói phát triển EPS được áp dụng toàn diện, bao gồm mạng truy nhập vô tuyến E-UTRAN và mạng lõi phát triển EPC với thiết kế phẳng hóa triệt tiêu bộ điều khiển vô tuyến trung gian RNC, tích hợp toàn bộ chức năng quản lý tài nguyên vào trạm thu phát eNodeB và các thực thể lõi như MME, S-GW, P-GW, HSS, PCRF.

Về giao diện vô tuyến, nghiên cứu ứng dụng mô hình ghép kênh đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) cho đường xuống nhằm triệt tiêu nhiễu xuyên ký tự ISI và nâng cao hiệu suất phổ tần đạt 5 bps/Hz. Đối với đường lên, kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số trực giao đơn sóng mang (SC-FDMA) được triển khai để kiểm soát tỷ số công suất đỉnh trên trung bình PAPR, giúp tiết kiệm năng lượng cho thiết bị người dùng. Bên cạnh đó, hệ thống tích hợp công nghệ đa anten MIMO 2x2 không tiền mã hóa và cấu trúc phân tập không gian, khai thác khoảng cách sóng mang con 15 kHz cùng khoảng bảo vệ Cyclic Prefix ngắn 4,7 µs nhằm tối đa hóa thông lượng dữ liệu. Thuật toán chuyển giao cứng LHHAARC với ước lượng RSRP trung bình qua giao diện X2 được thiết lập làm chuẩn xử lý chuyển vùng thuê bao.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp nhuần nhuyễn giữa phương pháp tính toán lý thuyết công trình viễn thông và thực nghiệm đo kiểm hiện trường. Nguồn dữ liệu sơ cấp được thu thập thông qua khảo sát thực địa toàn diện trên cỡ mẫu 236 trạm BTS hiện hữu của VNPT Hưng Yên và dữ liệu đo kiểm Drive Test dọc theo hơn 50 tuyến đường giao thông huyết mạch cùng 4 khu công nghiệp trọng điểm gồm Phố Nối A, Thăng Long II, Dệt may Phố Nối và Minh Đức. Dữ liệu thứ cấp được trích xuất từ hệ thống quản lý mạng NetAct, báo cáo phát triển kinh tế xã hội tỉnh Hưng Yên và quy hoạch tần số vô tuyến điện quốc gia.

Phương pháp chọn mẫu có chủ đích kết hợp phân tầng địa lý được áp dụng để bao quát đầy đủ 3 môi trường truyền sóng đặc trưng: đô thị mật độ cao, khu công nghiệp tập trung và nông thôn đồng bằng. Nhóm tác giả sử dụng mô hình truyền sóng Okumura-Hata hiệu chỉnh để tính toán ngân sách đường truyền (Link Budget) cho băng tần 1800 MHz tái phân bổ (refarming), xác định bán kính phủ sóng cell từ 1,5 km đến 5 km. Toàn bộ quy trình tính toán định cỡ dung lượng, quy hoạch mã trạm, hòa mạng thử nghiệm và phân tích dữ liệu hiệu năng sau phát sóng được thực hiện liên tục từ tháng 11 năm 2018 đến giữa năm 2019 nhằm đảm bảo độ tin cậy và tính khả thi ứng dụng thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo sát hiện trạng chỉ ra rằng hạ tầng mạng di động tại Hưng Yên có sự cạnh tranh gay gắt giữa 4 nhà mạng với tổng số 806 trạm BTS. Trong đó, VNPT Hưng Yên sở hữu 236 trạm 2G/3G, chiếm khoảng 29,3% tổng số hạ tầng trạm toàn tỉnh, đứng thứ hai sau Viettel với 340 trạm. Mặc dù mạng lưới 2G/3G của Vinaphone đã phủ kín các khu dân cư, hiện tượng nghẽn lưu lượng dữ liệu cục bộ thường xuyên xảy ra tại các khu vực tập trung đông công nhân vào giờ cao điểm, khi dung lượng truyền tải vượt quá ngưỡng giới hạn 72 Mbps của công nghệ HSPA cũ.

Phát hiện thứ hai chứng minh tính hiệu quả vượt trội của giải pháp tái quy hoạch tần số 1800 MHz (băng thông 10 MHz - 20 MHz) kết hợp giải pháp phần cứng Flexi Multiradio 10 BTS của Nokia. Phương án này cho phép trạm phát sóng đồng thời các cấu hình U2100 kết hợp LTE 1800 trên cùng một khối hệ thống, giúp tốc độ truyền tải đường xuống tại hiện trường đạt đỉnh từ 60 Mbps đến 71,6 Mbps, cải thiện hiệu suất phổ lên mức 6,1 - 7,6 bps/Hz, cao gấp 3,2 lần so với hệ thống 3G tiêu chuẩn.

Thứ ba, việc tận dụng hệ thống cột ăng-ten, nhà trạm và đường truyền cáp quang NG-PON2/IP-RAN hiện hữu đã giúp nhà mạng rút ngắn 65% thời gian triển khai phát sóng trạm mới, đồng thời giảm khoảng 40% chi phí xây lắp so với phương án dựng cột mới độc lập.

Thứ tư, kết quả đo kiểm chất lượng dịch vụ Drive Test sau phát sóng thử nghiệm khẳng định vùng phủ sóng 4G đạt độ suy hao tín hiệu trong ngưỡng an toàn: mức thu RSRP tại hơn 92% các điểm đo đạt trên -95 dBm, độ trễ truyền gói tin IP trung bình chỉ còn 12 - 18 ms, tỷ lệ rớt cuộc gọi và mất gói tin giảm xuống dưới mức 0,8%.

Thảo luận kết quả

Sự vượt trội về mặt hiệu năng của mạng 4G Vinaphone bắt nguồn trực tiếp từ việc loại bỏ hoàn toàn cấu trúc điều khiển phân tầng truyền thống. Bằng cách gỡ bỏ nút RNC và chuyển giao quyền xử lý lập lịch, nén tiêu đề gói IP, phân bổ kênh truyền trực tiếp về các trạm eNodeB, thời gian chuyển tiếp trạng thái từ nghỉ sang truyền dữ liệu tích cực đã giảm từ 100 ms của mạng 3G xuống dưới 50 ms trên nền 4G.

Khi so sánh với các báo cáo thử nghiệm của các nhà mạng lớn tại thị trường Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh, kết quả đạt được tại Hưng Yên có tính tương thích rất cao về mặt hiệu suất phổ tần và năng lực chịu tải của mỗi ô vô tuyến, hỗ trợ ổn định từ 200 đến 400 người dùng tích cực đồng thời trên mỗi phân bố 5 MHz.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan thông qua các sơ đồ kết nối khối phần cứng FSMS/FBBC, bảng phân bổ địa chỉ IP phẳng cho mặt phẳng người dùng (S-Plane) và quản trị (M-Plane), cùng bản đồ mô phỏng vùng phủ sóng vô tuyến 4G đa ô. Biểu đồ so sánh thông lượng trước và sau triển khai minh chứng rõ nét bước nhảy vọt về băng thông đường truyền, tạo nền tảng vững chắc để VNPT cung cấp các dịch vụ chất lượng cao như thoại qua nền tảng VoLTE, truyền hình trực tuyến HD và giải pháp IoT cho các nhà máy thông minh tại địa phương.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả thiết kế và đo kiểm thực tế, bốn nhóm giải pháp kỹ thuật và quản lý được đề xuất nhằm hoàn thiện mạng 4G Vinaphone tại Hưng Yên:

  1. Nâng cấp và đồng bộ hóa phần cứng trạm phát sóng eNodeB: Triển khai lắp đặt mở rộng khối thu phát vô tuyến đa năng Flexi Multiradio 10 (SRAN) cho toàn bộ 236 vị trí trạm BTS hiện hữu, hướng tới mục tiêu phủ sóng 4G đạt 95% diện tích dân cư và 100% các khu công nghiệp toàn tỉnh Hưng Yên trong giai đoạn 2019 - 2021, do VNPT Hưng Yên trực tiếp chủ trì thực hiện.
  2. Hiện đại hóa hạ tầng truyền dẫn mạng quang: Tiến hành chuyển đổi toàn diện các luồng truyền dẫn trạm từ giao diện E1/FE cũ sang mạng IP-RAN kết hợp công nghệ quang thụ động thế hệ mới NG-PON2, nâng băng thông cổng kết nối mỗi trạm eNodeB lên mức tối thiểu 1 Gbps đến 10 Gbps vào quý IV năm 2020, dưới sự phối hợp giữa VNPT Hưng Yên và Trung tâm Hạ tầng Mạng lưới Miền Bắc.
  3. Ứng dụng phần mềm tự động hóa tối ưu mạng (SON/EdenNet): Tích hợp hệ thống quản trị tự động EdenNet và phần mềm NetAct nhằm tự cân bằng tải lưu lượng, tự động điều chỉnh góc nghiêng anten và tham số ngưỡng chuyển giao LHHAARC, duy trì tỷ lệ chuyển giao cuộc gọi thành công trên 99,5% liên tục trong các năm 2020 - 2024, do Phòng Kỹ thuật Viễn thông đảm trách.
  4. Mở rộng tài nguyên phổ tần và chuẩn bị lộ trình 5G: Đăng ký tiếp nhận và triển khai khai thác dải băng tần 2,6 GHz khi cơ quan quản lý cấp phép, kết hợp kỹ thuật đa sóng mang Carrier Aggregation để tăng gấp đôi thông lượng dữ liệu tại các điểm nóng đô thị từ năm 2022, tạo bước đệm chuyển dịch thuận lợi sang kiến trúc mạng 5G.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung nghiên cứu mang tính ứng dụng cao và là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng chính:

  1. Kỹ sư quy hoạch và tối ưu hóa mạng vô tuyến: Nắm vững phương pháp tính toán Link Budget thực tế, quy trình refarming băng tần 1800 MHz, kỹ thuật chia sẻ phần cứng trạm SRAN và cách xử lý can nhiễu đa ô trong triển khai mạng LTE.
  2. Cán bộ quản lý kỹ thuật tại các doanh nghiệp viễn thông: Tiếp cận mô hình tận dụng 100% cơ sở hạ tầng nhà trạm, cột anten 2G/3G để phát sóng 4G giúp tiết kiệm 40% chi phí đầu tư CAPEX và rút ngắn tiến độ hòa mạng thương mại.
  3. Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử Viễn thông: Khai thác nguồn tư liệu học thuật chuẩn xác về kiến trúc ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển/người dùng LTE, công nghệ OFDMA, SC-FDMA, MIMO và các kịch bản chuyển tiếp mạng tế bào.
  4. Chuyên viên quy hoạch hạ tầng số và đô thị thông minh: Ứng dụng các thông số kỹ thuật vùng phủ và dung lượng mạng di động băng rộng để thiết kế hạ tầng kết nối không dây cho các khu công nghiệp, khu đô thị mới và hệ thống giám sát giao thông thông minh.

Câu hỏi thường gặp

Mạng 4G Vinaphone tại Hưng Yên sử dụng dải tần số nào để phát sóng?
Luận văn đề xuất phương án tối ưu là thực hiện tái quy hoạch (refarming) dải băng tần 1800 MHz từ mạng 2G GSM sang phát sóng 4G LTE với độ rộng kênh linh hoạt từ 10 MHz đến 20 MHz. Giải pháp này giúp nhà mạng khai thác ngay tài nguyên tần số sẵn có, cung cấp thông lượng dữ liệu thực tế từ 60 Mbps đến 72 Mbps mà không phải chờ đợi đấu giá băng tần mới.

Làm thế nào để lắp đặt trạm 4G mà không cần xây dựng thêm cột anten mới?
Nghiên cứu ứng dụng giải pháp công nghệ trạm đa chuẩn Flexi Multiradio 10 (SRAN) của hãng Nokia. Thiết bị này cho phép tích hợp các khối thu phát 2G, 3G và 4G eNodeB vào chung một tủ nguồn, khung giá đỡ và sử dụng chung hệ thống anten băng rộng hiện hữu tại 236 nhà trạm của VNPT Hưng Yên, tiết kiệm tối đa không gian phòng máy và chi phí xây lắp.

Cơ chế chuyển giao (Handover) trong mạng LTE hoạt động theo nguyên tắc nào?
Quá trình chuyển giao trong mạng 4G là chuyển giao cứng được kiểm soát hoàn toàn bởi giao thức RRC và giao diện X2/S1 giữa các trạm eNodeB. Quy trình trải qua 3 pha tuần tự: đo lường mức tín hiệu RSRP từ thiết bị người dùng, eNodeB nguồn ra quyết định chuyển vùng, và thực hiện chuyển tiếp luồng dữ liệu sang eNodeB đích với thời gian gián đoạn liên lạc dưới 50 ms.

Tại sao đường lên của mạng LTE lại chọn công nghệ SC-FDMA thay vì OFDMA?
Mặc dù OFDMA rất tối ưu cho đường xuống, tín hiệu của nó có tỷ số công suất đỉnh trên trung bình PAPR rất lớn, đòi hỏi bộ khuếch đại công suất đắt tiền và tiêu tốn nhiều điện năng. Kỹ thuật SC-FDMA được sử dụng ở đường lên để giảm đáng kể chỉ số PAPR, giúp tiết kiệm dung lượng pin cho điện thoại di động và nâng cao hiệu suất phát sóng của thiết bị đầu cuối.

Chất lượng mạng sau khi phát sóng trạm 4G thực tế được đánh giá qua những chỉ số nào?
Chất lượng mạng lưới được đánh giá toàn diện qua công tác đo kiểm Drive Test thực địa, ghi nhận các chỉ số then chốt: mức thu cường độ tín hiệu RSRP đạt trên -95 dBm tại hơn 92% diện tích khảo sát, chất lượng tín hiệu SINR duy trì ổn định trên 15 dB, độ trễ truyền gói tin IP dưới 18 ms và tỷ lệ rớt cuộc gọi duy trì ở mức rất thấp dưới 0,8%.

Kết luận

  • Luận văn đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết công nghệ 4G LTE/LTE-Advanced, phân tích sâu sắc các giải pháp vô tuyến cốt lõi gồm OFDMA, SC-FDMA, đa anten MIMO và kiến trúc mạng gói phẳng SAE/EPC.
  • Khảo sát và đánh giá chính xác hiện trạng 236 trạm phát sóng 2G/3G của VNPT Hưng Yên cùng nhu cầu truyền dữ liệu băng rộng tại 10 khu công nghiệp tập trung quy mô 2.481 ha.
  • Xây dựng thành công phương án thiết kế, quy hoạch vùng phủ và dung lượng mạng 4G Vinaphone trên băng tần 1800 MHz refarming, tận dụng tối đa cơ sở hạ tầng có sẵn giúp giảm 40% chi phí đầu tư.
  • Chuẩn hóa toàn bộ quy trình triển khai kỹ thuật từ cấu hình tham số, kết nối truyền dẫn IP-RAN/NG-PON2, hòa mạng trạm Flexi Multiradio đến quy trình đo kiểm Drive Test thực địa đạt tốc độ dữ liệu trên 60 Mbps.
  • Đề xuất lộ trình mở rộng quy hoạch hạ tầng viễn thông băng rộng cho VNPT Hưng Yên giai đoạn 2020 - 2024, tạo nền tảng vững chắc để tích hợp các tính năng tối ưu mạng tự động SON và sẵn sàng tiến lên công nghệ 5G.

Hãy liên hệ và khai thác toàn văn công trình nghiên cứu giá trị này để ứng dụng hiệu quả vào công tác quy hoạch, vận hành và tối ưu hóa mạng viễn thông băng rộng di động trong thực tiễn!