Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của Internet và các ứng dụng Internet vạn vật (IoT), nhu cầu kết nối thiết bị với chi phí thấp, hiệu quả năng lượng cao và vùng phủ sóng rộng ngày càng tăng. Theo ước tính, đến năm 2025, số lượng thiết bị kết nối Internet toàn cầu sẽ đạt hàng chục tỷ, trong đó IoT chiếm phần lớn. Tuy nhiên, các mạng hiện tại như GSM, 3G, 4G không đáp ứng tốt các yêu cầu đặc thù của IoT như vùng phủ sóng sâu, tuổi thọ pin dài và chi phí thiết bị thấp.

NarrowBand IoT (NB-IoT) được 3GPP giới thiệu từ năm 2016 như một công nghệ truy cập vô tuyến mới, tối ưu cho các ứng dụng IoT với vùng phủ sóng rộng, khả năng kết nối hàng trăm nghìn thiết bị trên một cell, tiết kiệm năng lượng và chi phí triển khai thấp. Tại Việt Nam, Viettel là một trong những nhà mạng tiên phong triển khai NB-IoT nhằm đáp ứng nhu cầu kết nối IoT tại các đô thị lớn như Thành phố Hồ Chí Minh.

Luận văn tập trung xây dựng mô hình thiết kế và triển khai mạng NB-IoT của Viettel tại Thành phố Hồ Chí Minh với mục tiêu đảm bảo vùng phủ sóng liên tục, chất lượng dịch vụ ổn định và khả năng kết nối đa dạng thiết bị IoT. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khảo sát hiện trạng mạng Viettel, phân tích kỹ thuật NB-IoT, thiết kế vùng phủ sóng và thử nghiệm thực tế tại các quận trung tâm thành phố trong khoảng thời gian từ năm 2020 đến 2023. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả triển khai NB-IoT, hỗ trợ phát triển các dịch vụ IoT thông minh tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết mạng IoT và LPWAN: Giới thiệu các đặc điểm kỹ thuật của mạng IoT, phân loại các công nghệ LPWAN như NB-IoT, LTE-M, EC-GSM-IoT, với các tiêu chí về vùng phủ sóng, công suất tiêu thụ, băng thông và chi phí thiết bị.

  • Mô hình truyền sóng Hata-Okumura và COST 231-Hata: Áp dụng để tính toán suy hao tín hiệu và xác định vùng phủ sóng của trạm phát NB-IoT trong môi trường đô thị phức tạp như Thành phố Hồ Chí Minh. Mô hình Hata-Okumura phù hợp với tần số 150 MHz đến 1500 MHz, trong khi COST 231-Hata mở rộng cho tần số đến 2000 MHz và tính đến các yếu tố môi trường như nhà cao tầng.

  • Khái niệm Link Budget và Maximum Allowed Path Loss (MAPL): Link Budget là tổng cân đối công suất phát, suy hao kênh và các yếu tố hệ thống để xác định bán kính vùng phủ sóng. MAPL là mức suy hao tối đa cho phép để đảm bảo tín hiệu thu đủ mạnh phục vụ kết nối thiết bị.

  • Các khái niệm kỹ thuật NB-IoT: Bao gồm cấu hình mạng (Inband, Guard-band, Standalone), các kênh vật lý (NPSS, NPDCCH, NPUSCH, NPDSCH), cơ chế tiết kiệm năng lượng (PSM, eDRX), và các chỉ số hiệu suất mạng (KPIs) như Throughput, RSRP, SINR.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập dữ liệu từ hệ thống mạng Viettel tại Thành phố Hồ Chí Minh, bao gồm thông số kỹ thuật trạm phát, log files, kết quả drive test, và dữ liệu từ IoT platform. Tham khảo tài liệu kỹ thuật chuẩn 3GPP, báo cáo GSMA và các nghiên cứu quốc tế về NB-IoT.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng mô hình truyền sóng Hata-Okumura và COST 231-Hata để tính toán vùng phủ sóng và suy hao tín hiệu. Áp dụng mô hình Link Budget để xác định MAPL và bán kính phủ sóng tối ưu. Phân tích KPIs mạng NB-IoT dựa trên dữ liệu thực nghiệm và so sánh với các tiêu chuẩn quốc tế.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn từ tháng 01/2020 đến tháng 07/2023, bao gồm các bước khảo sát hiện trạng, thiết kế mô hình, triển khai thử nghiệm tại khu vực pilot cluster gồm 100 trạm NB-IoT ở các quận 1, 3, 4 của TP. Hồ Chí Minh, và đánh giá kết quả triển khai toàn thành phố.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Vùng phủ sóng NB-IoT đạt 100% tại khu vực trung tâm TP. Hồ Chí Minh
    Qua mô phỏng và thử nghiệm thực tế, vùng phủ sóng NB-IoT của Viettel tại các quận trung tâm đạt mức phủ sóng liên tục với chỉ số RSRP trung bình từ -110 dBm đến -95 dBm, đảm bảo kết nối ổn định cho thiết bị IoT. Tỷ lệ thiết bị kết nối thành công đạt trên 98%.

  2. Tiết kiệm năng lượng thiết bị IoT nhờ cơ chế PSM và eDRX
    Thời gian hoạt động pin của thiết bị NB-IoT được kéo dài từ 12 đến 15 năm nhờ áp dụng Power Saving Mode (PSM) và Extended Discontinuous Reception (eDRX). Thời gian chờ giữa các lần truyền dữ liệu có thể lên đến 427 ngày, giảm đáng kể tiêu thụ năng lượng so với các công nghệ trước.

  3. Thông lượng mạng NB-IoT phù hợp với các ứng dụng IoT phổ biến
    Thông lượng uplink đạt khoảng 67 kbps, downlink khoảng 67 kbps, đáp ứng tốt các ứng dụng truyền dữ liệu nhỏ, không yêu cầu băng thông cao như đo đạc thông minh, quản lý tài sản, giám sát môi trường. Tỷ lệ lỗi bit (BER) duy trì dưới 10^-5, đảm bảo độ tin cậy truyền tải.

  4. Mô hình truyền sóng COST 231-Hata phù hợp với môi trường đô thị TP. Hồ Chí Minh
    So sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực tế cho thấy mô hình COST 231-Hata dự báo chính xác hơn mô hình Hata-Okumura trong việc tính toán suy hao tín hiệu và bán kính phủ sóng, đặc biệt trong khu vực có nhiều nhà cao tầng và vật cản.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp mạng NB-IoT của Viettel đạt hiệu quả cao là do việc lựa chọn mô hình thiết kế vùng phủ sóng phù hợp với đặc điểm địa hình và môi trường đô thị phức tạp của TP. Hồ Chí Minh. Việc áp dụng mô hình COST 231-Hata giúp dự báo chính xác hơn các yếu tố suy hao tín hiệu do vật cản, từ đó tối ưu hóa vị trí và công suất trạm phát.

Cơ chế tiết kiệm năng lượng PSM và eDRX được tích hợp sâu trong chuẩn NB-IoT giúp kéo dài tuổi thọ pin thiết bị, phù hợp với các ứng dụng IoT yêu cầu hoạt động liên tục trong nhiều năm mà không cần thay pin. Điều này vượt trội so với các công nghệ 2G, 3G truyền thống.

Thông lượng mạng NB-IoT tuy thấp so với mạng di động thông thường nhưng hoàn toàn phù hợp với các ứng dụng IoT truyền dữ liệu nhỏ, không đòi hỏi độ trễ thấp. Kết quả thử nghiệm thực tế cho thấy tỷ lệ lỗi thấp và độ ổn định cao, tương đương hoặc vượt chuẩn quốc tế.

So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả triển khai của Viettel tại TP. Hồ Chí Minh tương đồng với các mạng NB-IoT tại châu Âu và châu Á, khẳng định tính khả thi và hiệu quả của mô hình thiết kế và triển khai mạng NB-IoT trong điều kiện đô thị Việt Nam.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ vùng phủ sóng RSRP theo khu vực, bảng so sánh KPIs mạng NB-IoT với các tiêu chuẩn quốc tế, và biểu đồ tuổi thọ pin thiết bị theo các chế độ tiết kiệm năng lượng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Mở rộng vùng phủ sóng NB-IoT ra các khu vực ngoại thành và vùng sâu vùng xa
    Động từ hành động: Triển khai; Target metric: Vùng phủ sóng đạt trên 90% diện tích TP. Hồ Chí Minh và các tỉnh lân cận; Timeline: 2024-2025; Chủ thể thực hiện: Viettel phối hợp với các cơ quan quản lý viễn thông.

  2. Nâng cao chất lượng dịch vụ qua tối ưu hóa cấu hình mạng và giám sát KPIs thường xuyên
    Động từ hành động: Tối ưu; Target metric: Giảm tỷ lệ lỗi bit dưới 10^-6, tăng tỷ lệ kết nối thành công lên 99%; Timeline: liên tục hàng năm; Chủ thể thực hiện: Bộ phận kỹ thuật mạng Viettel.

  3. Phát triển các giải pháp tích hợp NB-IoT với các nền tảng IoT đa dạng để mở rộng ứng dụng
    Động từ hành động: Phát triển; Target metric: Tăng số lượng dịch vụ IoT sử dụng NB-IoT lên 50% trong 2 năm; Timeline: 2024-2026; Chủ thể thực hiện: Viettel và các đối tác công nghệ.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực nhân sự về công nghệ NB-IoT và IoT nói chung
    Động từ hành động: Đào tạo; Target metric: 100% kỹ sư mạng được đào tạo chuyên sâu NB-IoT; Timeline: 2024; Chủ thể thực hiện: Viettel phối hợp với các trường đại học và viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà mạng viễn thông
    Lợi ích: Áp dụng mô hình thiết kế và triển khai NB-IoT hiệu quả, tối ưu vùng phủ sóng và chi phí vận hành. Use case: Triển khai mạng NB-IoT tại các thành phố lớn và vùng nông thôn.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành viễn thông, công nghệ thông tin
    Lợi ích: Hiểu sâu về kỹ thuật NB-IoT, mô hình truyền sóng và phương pháp thiết kế mạng. Use case: Tham khảo để phát triển đề tài nghiên cứu hoặc luận văn liên quan.

  3. Các doanh nghiệp phát triển giải pháp IoT
    Lợi ích: Nắm bắt đặc điểm kỹ thuật và khả năng kết nối của NB-IoT để thiết kế sản phẩm phù hợp. Use case: Phát triển thiết bị IoT tiết kiệm năng lượng, ứng dụng trong quản lý tài sản, giám sát môi trường.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước về viễn thông và công nghệ
    Lợi ích: Đánh giá hiệu quả công nghệ NB-IoT trong phát triển hạ tầng số quốc gia. Use case: Xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển mạng IoT và quản lý tần số.

Câu hỏi thường gặp

  1. NB-IoT khác gì so với các công nghệ IoT khác như LTE-M hay LoRa?
    NB-IoT là công nghệ chuẩn 3GPP, sử dụng băng tần hẹp 200 kHz, tối ưu cho vùng phủ sóng sâu và tiết kiệm năng lượng. LTE-M hỗ trợ băng thông cao hơn, phù hợp ứng dụng cần truyền dữ liệu lớn hơn. LoRa là công nghệ không chuẩn, sử dụng băng tần không cấp phép, thích hợp vùng phủ sóng rộng nhưng không đảm bảo độ tin cậy cao như NB-IoT.

  2. Tuổi thọ pin của thiết bị NB-IoT có thể đạt bao lâu?
    Nhờ cơ chế Power Saving Mode (PSM) và Extended Discontinuous Reception (eDRX), tuổi thọ pin thiết bị NB-IoT có thể kéo dài từ 12 đến 15 năm, phù hợp với các ứng dụng IoT cần hoạt động lâu dài mà không cần thay pin thường xuyên.

  3. Vùng phủ sóng NB-IoT tại TP. Hồ Chí Minh hiện nay như thế nào?
    Theo kết quả nghiên cứu và thử nghiệm, vùng phủ sóng NB-IoT của Viettel tại các quận trung tâm đạt 100%, với chỉ số RSRP trung bình từ -110 dBm đến -95 dBm, đảm bảo kết nối ổn định cho thiết bị IoT.

  4. Các mô hình truyền sóng nào được sử dụng để thiết kế mạng NB-IoT?
    Mô hình Hata-Okumura và COST 231-Hata được áp dụng phổ biến. Trong đó, COST 231-Hata phù hợp hơn với môi trường đô thị phức tạp như TP. Hồ Chí Minh do tính đến các yếu tố vật cản như nhà cao tầng.

  5. Làm thế nào để tối ưu hóa chất lượng dịch vụ NB-IoT?
    Cần thực hiện tối ưu cấu hình mạng, giám sát KPIs thường xuyên, điều chỉnh công suất phát, vị trí trạm phát và sử dụng các công cụ phân tích dữ liệu mạng để phát hiện và xử lý sự cố kịp thời.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình thiết kế và triển khai mạng NB-IoT của Viettel tại TP. Hồ Chí Minh, đảm bảo vùng phủ sóng liên tục và chất lượng dịch vụ ổn định.

  • Áp dụng mô hình truyền sóng COST 231-Hata giúp dự báo chính xác vùng phủ sóng trong môi trường đô thị phức tạp.

  • Cơ chế tiết kiệm năng lượng PSM và eDRX giúp kéo dài tuổi thọ pin thiết bị IoT lên đến 15 năm.

  • Kết quả thử nghiệm thực tế cho thấy thông lượng và độ tin cậy mạng NB-IoT đáp ứng tốt các ứng dụng IoT phổ biến.

  • Đề xuất mở rộng vùng phủ sóng, tối ưu cấu hình mạng và phát triển giải pháp tích hợp để nâng cao hiệu quả triển khai NB-IoT trong tương lai.

Next steps: Triển khai mở rộng mạng NB-IoT ra các khu vực ngoại thành, nâng cao năng lực nhân sự và phát triển các dịch vụ IoT đa dạng.

Call-to-action: Các nhà mạng và doanh nghiệp IoT nên tham khảo mô hình và giải pháp trong luận văn để tối ưu hóa triển khai và phát triển hệ sinh thái IoT tại Việt Nam.