Tổng quan nghiên cứu

Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin di động toàn cầu đã tạo ra bước chuyển dịch căn bản trong phương thức liên lạc viễn thông. Tính đến giai đoạn mở rộng mạng lưới, chuẩn GSM đã phục vụ hơn 2 tỷ người dùng tại 212 quốc gia và vùng lãnh thổ, chiếm gần 80% thị phần thông tin di động toàn cầu. Tại Việt Nam, sự cạnh tranh giữa các nhà cung cấp dịch vụ mạng viễn thông đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc nâng cao chất lượng dịch vụ nhằm giữ chân khách hàng và mở rộng thị phần thuê bao di động. Mặc dù các công nghệ mới liên tục xuất hiện, mạng GSM 900 MHz và 1800 MHz vẫn đóng vai trò huyết mạch trong cơ sở hạ tầng truyền dẫn thoại và dữ liệu cơ bản của mạng Vietnamobile.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của luận văn là tình trạng suy giảm chất lượng dịch vụ mạng do các hiện tượng can nhiễu vô tuyến, nghẽn mạch cục bộ, lỗi chuyển giao trạm và vùng phủ sóng không đồng đều. Mục tiêu cụ thể của đề tài là khảo sát, phân tích toàn diện hiện trạng mạng GSM của Vietnamobile, từ đó xây dựng quy trình đo kiểm chuẩn hóa và đề xuất giải pháp kỹ thuật tối ưu hóa vô tuyến. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào không gian địa lý tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu trên dải tần EGSM 900 MHz (đường lên 882 MHz – 890 MHz, đường xuống 927 MHz – 935 MHz) với số liệu thực nghiệm được thu thập trong quý I năm 2013. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc nâng cao các chỉ số hiệu năng mạng, hướng tới mục tiêu duy trì tỷ lệ nghẽn mạch dưới 2%, tỷ lệ thiết lập cuộc gọi thành công đạt trên 98% và giảm thiểu tỷ lệ rớt cuộc gọi xuống dưới 1,5%.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết mạng thông tin di động tế bào và lý thuyết kỹ thuật lưu lượng viễn thông. Mô hình toán học Erlang B được áp dụng làm khung phân tích chủ đạo nhằm xác định mối quan hệ giữa lưu lượng muốn truyền, lưu lượng thực tế và xác suất nghẽn mạng. Với định mức lưu lượng trung bình 33 mErlang trên một thuê bao (tương đương 1 cuộc gọi mỗi giờ với thời lượng 120 giây), mô hình giúp xác định số lượng kênh lưu lượng TCH cần thiết để đáp ứng mức cấp độ dịch vụ chuẩn 2%.

Bên cạnh đó, lý thuyết quy hoạch vô tuyến tế bào cung cấp các nguyên lý về cấu trúc ô lục giác, kỹ thuật Sector hóa 120 độ và các mô hình tái sử dụng tần số 3/9, 4/12 và 7/21. Các khái niệm then chốt bao gồm:

  • Phân hệ trạm gốc gồm trạm thu phát gốc BTS, bộ điều khiển trạm gốc BSC và bộ chuyển đổi mã TRAU;
  • Phân hệ chuyển mạch trung tâm gồm tổng đài MSC, bộ ghi định vị thường trú HLR và tạm trú VLR;
  • Các kênh vô tuyến gồm kênh lưu lượng TCH và các kênh điều khiển chuyên dụng SDCCH, BCCH;
  • Tỷ số sóng mang trên nhiễu đồng kênh C/I và nhiễu lân cận C/A với hệ số truyền sóng dao động từ 3,0 đến 4,0.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được thu thập từ quá trình đo kiểm thực địa trên toàn bộ các tuyến đường huyết mạch tại tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu, bao gồm hơn 50 vị trí trạm BTS đang hoạt động của mạng Vietnamobile. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu có chủ đích kết hợp đo quét tuyến tính liên tục, tập trung vào các khu vực tập trung đông dân cư, khu công nghiệp và các cung đường có địa hình phức tạp ven biển, đồi núi.

Lý do lựa chọn phương pháp đo kiểm lái xe kết hợp phân tích thông số vô tuyến là tính trực quan và khả năng phát hiện chính xác các lỗi suy hao tín hiệu mà hệ thống quản lý tập trung OMC không ghi nhận đầy đủ. Dữ liệu thô từ thiết bị thu thập sóng di động Sony Ericsson C702 và định vị GPS Globalsat BU-353 được đồng bộ qua phần mềm chuyên dụng TEMS Investigation. Dữ liệu sau đó được đối soát không gian trên phần mềm MapInfo Professional và Google Earth Pro. Toàn bộ chu trình đo kiểm, phân tích và xử lý log file được tiến hành liên tục trong quý I năm 2013, bảo đảm tính xác thực và tính đại diện cao cho các điều kiện vận hành thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình đo kiểm thực địa và phân tích dữ liệu chuyên sâu tại khu vực tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu đã chỉ ra 4 vấn đề kỹ thuật trọng yếu ảnh hưởng đến chất lượng mạng:

Thứ nhất, phát hiện lỗi rớt cuộc gọi và thất bại khi chuyển giao giữa trạm BTS 302064 và BTS 302009. Tỷ lệ chuyển giao thành công tại khu vực này giảm xuống dưới 92%, nguyên nhân do sự chênh lệch lớn về mức công suất phát và ngưỡng kích hoạt chuyển giao chưa được đồng bộ, làm tăng tỷ lệ rớt cuộc gọi cục bộ lên 3,8%.

Thứ hai, hiện tượng can nhiễu đồng kênh C/I và nhiễu kênh lân cận C/A nghiêm trọng tại trạm BTS 319043. Do vị trí trạm đặt gần khu vực địa hình đồi núi phức tạp, hiện tượng phản xạ sóng gây phân tán thời gian lớn, làm chỉ số phẩm chất tín hiệu RxQual suy giảm từ mức 2 (chất lượng tốt) xuống mức 6 (chất lượng kém), gây nghẽn mạch trên 5,4% lưu lượng cuộc gọi.

Thứ ba, sự cố khai báo thiếu danh sách trạm lân cận giữa trạm BTS 302051 và trạm BTS 302027. Thuê bao di chuyển qua vùng giao thoa dù có mức thu tín hiệu RxLev đạt ngưỡng cao -75 dBm nhưng máy di động không nhận diện được cell đích, dẫn đến rớt cuộc gọi hoàn toàn.

Thứ tư, hiện tượng phát sóng vượt vùng phủ tại trạm BTS 032008. Do góc nghiêng anten được đặt ở mức 0 độ, búp sóng chính phát xa hơn 8 km vào vùng phục vụ của các cell lân cận, gây nhiễu kênh chung và làm tỷ lệ nghẽn mạch kênh điều khiển SDCCH tại các trạm xung quanh tăng lên 4,6%.

Thảo luận kết quả

Các phát hiện thực nghiệm hoàn toàn nhất quán với lý thuyết truyền sóng vô tuyến trong môi trường địa hình không đồng nhất. Vùng đồi núi và ven biển của Bà Rịa – Vũng Tàu tạo ra hiệu ứng đa đường (multipath fading) rõ rệt, khiến tỷ số C/I thực tế suy giảm mạnh so với tính toán lý thuyết. Dữ liệu từ các file log đo kiểm khi được trực quan hóa trên bản đồ MapInfo Professional bằng các dải màu hiển thị mức thu RxLev và chất lượng RxQual đã làm rõ sự phân bố không gian của các vùng lõm sóng.

Đồng thời, đồ thị đường truyền GSM Line Chart trong TEMS Investigation phản ánh chính xác thời điểm xảy ra hiện tượng rớt kênh TCH và SDCCH tương ứng với các biến động của thông số C/I dưới ngưỡng khuyến nghị 12 dB. Việc so sánh giữa cấu hình tham số trên hệ thống khai thác bảo dưỡng OSS và dữ liệu thực tế ngoài hiện trường cho thấy sai lệch tham số cơ học (độ cao anten, góc nghiêng downtilt) và cấu hình mềm (danh sách cell lân cận) là nguyên nhân trực tiếp làm suy giảm các chỉ số KPI theo tiêu chuẩn khuyến nghị của Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu ETSI.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm xử lý triệt để các tồn tại kỹ thuật và tối ưu hóa chất lượng mạng viễn thông Vietnamobile, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật đồng bộ:

  1. Tinh chỉnh góc nghiêng cơ học và điện tử của hệ thống anten: Thực hiện hạ góc nghiêng downtilt từ 0 độ xuống mức 4 độ đến 6 độ đối với các trạm có bán kính phát sóng vượt mức quy hoạch như BTS 032008. Mục tiêu là thu hẹp búp sóng trong phạm vi 3 km, triệt tiêu nhiễu vượt vùng và đưa tỷ lệ nghẽn kênh TCH về dưới mức 1,5%. Timeline triển khai trong vòng 2 tuần do Đội Tối ưu hóa vô tuyến đảm nhiệm.

  2. Cập nhật và chuẩn hóa danh sách quan hệ trạm lân cận: Bổ sung ngay quan hệ lân cận giữa cặp trạm BTS 302051 – BTS 302027 và rà soát toàn bộ ma trận cell lân cận trên hệ thống điều khiển BSC. Target metric là đạt tỷ lệ chuyển giao thành công trên 98,5% trên toàn địa bàn tỉnh, hoàn thành trong thời hạn 7 ngày bởi Phòng Kỹ thuật khai thác.

  3. Tái phân bổ tần số vô tuyến và điều chỉnh cấu hình vô tuyến: Tiến hành quy hoạch lại tần số ARFCH cho trạm BTS 319043 và các trạm chịu ảnh hưởng của địa hình đồi núi theo mẫu tái sử dụng 4/12, kết hợp kỹ thuật nhảy tần để cải thiện tỷ số C/I đạt trên 12 dB. Thời gian thực hiện là 30 ngày, do Phòng Quy hoạch mạng vô tuyến chủ trì.

  4. Triển khai phân chia ô và Sector hóa tại khu vực mật độ thuê bao cao: Thay thế các anten vô hướng bằng cấu hình 3 sector 120 độ tại các khu vực đô thị trung tâm, nâng mật độ phục vụ từ 227 thuê bao trên mỗi kilomet vuông lên 999 thuê bao trên mỗi kilomet vuông, duy trì cấp độ dịch vụ GoS ở mức 2%, thực hiện định kỳ theo kế hoạch quý của Trung tâm Vận hành mạng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chính:

  1. Kỹ sư tối ưu hóa mạng vô tuyến: Cung cấp phương pháp luận chuẩn xác về quy trình đo kiểm thực địa Drive Test, kỹ năng phân tích log file chuyên sâu trên phần mềm TEMS Investigation và MapInfo Professional để xử lý các sự cố vùng phủ, can nhiễu và chuyển giao.

  2. Chuyên viên quy hoạch mạng viễn thông: Ứng dụng các công thức tính toán dung lượng Erlang B, mô hình phân chia cell và các mẫu tái sử dụng tần số 3/9, 4/12 trong việc thiết kế, nâng cấp dung lượng mạng di động tại các khu vực có địa hình đồi núi, đô thị phức tạp.

  3. Giảng viên và nhà nghiên cứu chuyên ngành Điện tử – Viễn thông: Sử dụng tài liệu như một nguồn tham khảo thực chứng sinh động, tích hợp giữa lý thuyết kiến trúc mạng GSM chuẩn quốc tế và bài toán vận hành mạng di động thực tế tại Việt Nam.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành Kỹ thuật Viễn thông: Nắm bắt phương pháp nghiên cứu khoa học thực nghiệm, cách thức khai thác thiết bị đo kiểm chuyên dụng và kỹ năng giải quyết các bài toán kỹ thuật hạ tầng vô tuyến.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mục tiêu cốt lõi của công tác tối ưu hóa mạng vô tuyến GSM là gì? Mục tiêu cốt lõi là cải thiện chất lượng dịch vụ tổng thể, nâng cao trải nghiệm người dùng thông qua việc tối ưu hóa vùng phủ sóng, giảm thiểu can nhiễu đồng kênh C/I, nâng tỷ lệ thiết lập cuộc gọi thành công lên trên 98% và duy trì tỷ lệ nghẽn mạng dưới mức 2% mà không làm phát sinh chi phí đầu tư hạ tầng mới.

  2. Hiện tượng phát sóng vượt vùng (Overshooting) gây ra những tác hại kỹ thuật nào? Hiện tượng này làm cho búp sóng của một trạm BTS vươn quá xa khỏi ranh giới ô dự kiến (trên 8 km), lấn át tín hiệu của các trạm lân cận. Điều này dẫn đến can nhiễu kênh chung nghiêm trọng, làm tăng tỷ lệ rớt cuộc gọi và gây nghẽn mạch trên kênh điều khiển SDCCH tại các trạm xung quanh.

  3. Tại sao mạng Vietnamobile cần áp dụng kỹ thuật Sector hóa 120 độ thay cho anten vô hướng? Kỹ thuật Sector hóa 120 độ cho phép chia một vị trí trạm đơn lẻ thành 3 cell độc lập. Phương pháp này giảm thiểu can nhiễu kênh chung, tăng hiệu suất tái sử dụng tần số và nâng dung lượng phục vụ thuê bao lên gấp 3 lần tại cùng một mặt bằng trạm mà không cần đầu tư thêm quỹ đất.

  4. Các phần mềm và thiết bị chính nào được sử dụng trong quy trình đo kiểm Drive Test? Quy trình đo kiểm sử dụng phần mềm thu thập dữ liệu TEMS Investigation kết hợp máy điện thoại chuyên dụng Sony Ericsson C702, thiết bị định vị GPS Globalsat BU-353, cùng hai phần mềm phân tích không gian là MapInfo Professional và Google Earth Pro để định vị địa hình và dựng bản đồ chất lượng sóng.

  5. Cấp độ phục vụ GoS trong thiết kế mạng di động thể hiện điều gì? Cấp độ phục vụ GoS biểu thị xác suất một cuộc gọi bị nghẽn trong giờ bận do thiếu tài nguyên kênh vô tuyến. Trong thiết kế mạng di động tế bào tiêu chuẩn, GoS thường được ấn định ở mức 2%, nghĩa là hệ thống đảm bảo tối thiểu 98% lưu lượng cuộc gọi của thuê bao được kết nối thông suốt.

Kết luận

Luận văn đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu và đóng góp giá trị to lớn cho kỹ thuật vận hành mạng di động:

  • Hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về mạng tế bào, cấu trúc phân hệ trạm gốc và mô hình kỹ thuật lưu lượng Erlang B.
  • Xây dựng thành công quy trình đo kiểm thực địa Drive Test chuẩn hóa cho mạng di động Vietnamobile tại tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu.
  • Phát hiện và định lượng chính xác 4 lỗi kỹ thuật vô tuyến điển hình gồm lỗi chuyển giao, can nhiễu địa hình, thiếu trạm lân cận và phát sóng vượt vùng.
  • Đề xuất hệ thống giải pháp kỹ thuật khả thi, tập trung vào việc tinh chỉnh góc nghiêng anten, quy hoạch lại tần số và cấu hình tham số trạm.
  • Khẳng định tính hiệu quả của phương pháp phân tích thực nghiệm kết hợp công cụ đo kiểm chuyên dụng trong việc nâng cao các chỉ số KPI mạng viễn thông.

Đóng góp chính của đề tài là cung cấp một cẩm nang kỹ thuật thực tiễn giúp nhà mạng nhanh chóng cô lập và xử lý sự cố vô tuyến với chi phí tối ưu nhất. Định hướng nghiên cứu tiếp theo trong giai đoạn 2014 – 2015 là mở rộng mô hình tối ưu hóa sang các mạng công nghệ 3G/4G và nghiên cứu ứng dụng các thuật toán tối ưu hóa tự động hóa mạng lưới (SON). Các kỹ sư và nhà quản lý mạng viễn thông hãy áp dụng ngay quy trình tối ưu hóa này vào hệ thống để nâng cao chất lượng dịch vụ và gia tăng sự hài lòng của khách hàng.