Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin di động tại Việt Nam, việc triển khai mạng 4G LTE đã trở thành một bước tiến quan trọng nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ và đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người dùng. Theo ước tính, tốc độ truyền dữ liệu đỉnh của mạng 4G có thể đạt tới 326 Mbit/s, với khả năng mở rộng băng tần linh hoạt từ 1.4 MHz đến 20 MHz, giúp tối ưu hóa hiệu suất sử dụng phổ tần. Tuy nhiên, sự phức tạp trong quản lý và tối ưu hóa mạng vô tuyến 4G đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật chuyên sâu để đảm bảo chất lượng dịch vụ, đặc biệt trong quá trình chuyển đổi và tích hợp với các công nghệ mạng trước đó như 2G và 3G.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu và thực hiện tối ưu hóa mạng vô tuyến trong hệ thống thông tin di động 4G của Mobifone Việt Nam, với phạm vi nghiên cứu chủ yếu tại trung tâm mạng lưới miền Bắc trong giai đoạn triển khai từ năm 2016 đến 2018. Mục tiêu cụ thể là xây dựng các giải pháp quy hoạch eNodeB ID, Cell ID, định cỡ và quy hoạch vùng theo dõi TA/TAL nhằm đảm bảo hiệu quả trong quá trình tìm gọi (paging), giảm thiểu độ trễ và gián đoạn khi thiết bị người dùng chuyển trạng thái từ nhàn rỗi sang hoạt động. Ngoài ra, luận văn còn tính toán thông lượng cell và băng thông truyền dẫn phục vụ các trạm vô tuyến với các băng tần 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz, đồng thời đề xuất chiến thuật chuyển giao CSFB phù hợp với khuyến nghị của nhà cung cấp thiết bị Huawei.

Việc nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất mạng 4G, giảm thiểu chi phí vận hành và cải thiện trải nghiệm người dùng, góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững của hệ thống thông tin di động 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 nghiên cứu về kiến trúc mạng 4G LTE, tập trung vào mạng truy nhập vô tuyến E-UTRAN và mạng lõi EPC. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Kiến trúc mạng 4G LTE/SAE: Mạng 4G được thiết kế với kiến trúc phẳng, loại bỏ bộ điều khiển RNC truyền thống, thay vào đó eNodeB (eNB) đảm nhận các chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến và kết nối trực tiếp với mạng lõi EPC qua giao diện S1. Mạng lõi EPC bao gồm các thành phần MME, SGW, PGW, HSS và PCRF, chịu trách nhiệm quản lý phiên, định tuyến dữ liệu và bảo mật.

  2. Quy hoạch eNodeB ID/Cell ID và vùng theo dõi TA/TAL: eNodeB ID và Cell ID được định cỡ theo chuẩn 3GPP, với eNodeB ID có giá trị từ 0 đến 1.048.575 và Cell ID từ 0 đến 255, giúp nhận dạng duy nhất các trạm và cell trong mạng. Vùng theo dõi TA và danh sách vùng theo dõi TAL được thiết kế để tối ưu hóa quá trình tìm gọi, giảm thiểu việc cập nhật TA thường xuyên và tránh hiện tượng ping-pong trong di chuyển của thiết bị.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm:

  • OFDMA và MIMO: Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao và công nghệ anten đa đầu vào đa đầu ra giúp tăng hiệu suất phổ và tốc độ truyền dữ liệu.
  • SC-FDMA: Kỹ thuật truyền tín hiệu đường lên với tỷ lệ công suất đỉnh trên trung bình thấp hơn OFDMA, phù hợp cho thiết bị người dùng.
  • Paging (Tìm gọi): Quá trình định vị thiết bị người dùng ở trạng thái nhàn rỗi để thiết lập kết nối dữ liệu hoặc cuộc gọi.
  • CSFB (Circuit Switched Fallback): Chiến thuật chuyển giao giữa mạng 4G và mạng 3G/2G để thực hiện cuộc gọi thoại.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa phân tích lý thuyết và thực nghiệm thực tế tại trung tâm mạng lưới miền Bắc của Mobifone. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các trạm eNodeB với băng tần 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz, được lựa chọn dựa trên tiêu chí đại diện cho các khu vực đô thị và nông thôn.

Nguồn dữ liệu chính bao gồm:

  • Dữ liệu kỹ thuật từ hệ thống mạng 4G của Mobifone.
  • Các thông số kỹ thuật và khuyến nghị từ nhà cung cấp thiết bị Huawei.
  • Số liệu đo đạc thực tế về thông lượng cell, dung lượng tìm gọi và băng thông truyền dẫn.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Tính toán quy hoạch eNodeB ID và Cell ID dựa trên các nguyên tắc thiết kế chuẩn.
  • Định cỡ và quy hoạch vùng theo dõi TA/TAL sử dụng các công thức tính dung lượng tìm gọi, tải CPU, tải PDSCH, tải PDCCH và xác suất blocking.
  • Tính toán thông lượng cell và băng thông truyền dẫn phục vụ eNodeB theo các kịch bản băng tần khác nhau.
  • Lựa chọn và đánh giá chiến thuật CSFB dựa trên các tiêu chí kỹ thuật và khuyến nghị của 3GPP.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 2 năm, từ năm 2016 đến 2018, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, phân tích lý thuyết, triển khai thử nghiệm và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Quy hoạch eNodeB ID và Cell ID hiệu quả: Việc thiết kế eNodeB ID theo cấu trúc 6 chữ số (ABCDEF) với các mã vùng miền và loại trạm (trong nhà hoặc ngoài trời) giúp quản lý mạng lưới dễ dàng hơn. Cell ID được thiết kế với 504 ID duy nhất, sử dụng mã xáo trộn Zandoff-Chu để phân biệt các cell, đảm bảo giảm thiểu nhiễu và tăng hiệu suất truyền dẫn.

  2. Định cỡ và quy hoạch TA/TAL tối ưu: Dựa trên các tham số như maxNoOfPagingRecords, tham số nB và dung lượng tìm gọi của SGSN-MME và RBS, luận văn đã xác định được số lượng RBS tối ưu trong TAL để giảm thiểu việc cập nhật TA thường xuyên, đồng thời đảm bảo dung lượng tìm gọi không vượt quá 10.000 bản tin/giây cho SGSN-MME cấu hình 5 bảng SCTP loại MkVI. Việc điều chỉnh tham số nB từ 0.5T đến T ảnh hưởng trực tiếp đến số lượng Paging Occasions và dung lượng tìm gọi, cân bằng giữa tải PDCCH và xác suất blocking.

  3. Tính toán thông lượng cell và băng thông truyền dẫn: Với các băng tần 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz, thông lượng cell đường xuống đạt khoảng 60 Mbps đến 120 Mbps tùy theo băng tần và điều kiện môi trường. Băng thông truyền dẫn phục vụ eNodeB được định cỡ phù hợp, đảm bảo không gây nghẽn cổ chai trong quá trình truyền dữ liệu.

  4. Chiến thuật CSFB phù hợp: Lựa chọn chiến thuật chuyển giao CSFB dựa trên khuyến nghị của Huawei giúp giảm thiểu độ trễ chuyển giao và tối ưu hóa băng thông trên các giao diện S1 và X2. Kích thước MTU được điều chỉnh để phù hợp với lưu lượng thoại và dữ liệu, đảm bảo chất lượng dịch vụ thoại khi chuyển đổi giữa các công nghệ mạng.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc quy hoạch eNodeB ID và Cell ID theo chuẩn 3GPP không chỉ giúp quản lý mạng hiệu quả mà còn giảm thiểu hiện tượng trùng lặp và nhiễu giữa các cell lân cận. Việc sử dụng mã xáo trộn Zandoff-Chu là một điểm cải tiến so với các công nghệ trước, giúp tăng cường khả năng đồng bộ và nhận dạng.

Định cỡ TA/TAL dựa trên phân tích dung lượng tìm gọi và tải tài nguyên mạng là bước quan trọng để cân bằng giữa hiệu suất mạng và trải nghiệm người dùng. So với các nghiên cứu trong ngành, việc áp dụng các tham số như maxNoOfPagingRecords và nB đã được chứng minh là phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam, đặc biệt trong mạng Mobifone miền Bắc.

Thông lượng cell và băng thông truyền dẫn được tính toán chi tiết cho từng băng tần giúp nhà mạng có cơ sở để đầu tư và nâng cấp hạ tầng phù hợp, tránh lãng phí tài nguyên. Chiến thuật CSFB được lựa chọn dựa trên các tiêu chuẩn quốc tế và khuyến nghị của nhà cung cấp thiết bị, đảm bảo khả năng chuyển giao mượt mà giữa các thế hệ mạng, giảm thiểu gián đoạn dịch vụ thoại.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh thông lượng cell theo băng tần, bảng tổng hợp dung lượng tìm gọi và tải CPU/PDCCH, cũng như sơ đồ quy hoạch TA/TAL minh họa vùng phủ và số lượng RBS trong danh sách vùng theo dõi.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường quy hoạch eNodeB ID và Cell ID: Đề xuất nhà mạng tiếp tục áp dụng nguyên tắc thiết kế chuẩn, đồng thời phát triển các thuật toán tự động gán mã xáo trộn để giảm thiểu nhiễu và tăng hiệu quả quản lý mạng. Mục tiêu nâng cao độ chính xác nhận dạng cell, giảm thiểu sự cố trùng lặp mã trong vòng 12 tháng tới, do bộ phận kỹ thuật mạng thực hiện.

  2. Tối ưu hóa định cỡ TA/TAL theo lưu lượng thực tế: Khuyến nghị điều chỉnh tham số maxNoOfPagingRecords và nB dựa trên số liệu đo đạc thực tế về lưu lượng tìm gọi và tải CPU, nhằm cân bằng giữa hiệu suất mạng và tiêu hao pin thiết bị người dùng. Thời gian thực hiện trong 6 tháng, phối hợp giữa trung tâm mạng lưới và phòng phân tích dữ liệu.

  3. Nâng cấp băng thông truyền dẫn phù hợp với băng tần sử dụng: Đề xuất đầu tư nâng cấp hạ tầng truyền dẫn để đáp ứng thông lượng cell tăng cao, đặc biệt với các trạm sử dụng băng tần 15 MHz và 20 MHz. Mục tiêu đảm bảo băng thông truyền dẫn không trở thành nút thắt cổ chai trong vòng 18 tháng, do phòng hạ tầng mạng chủ trì.

  4. Triển khai chiến thuật CSFB nâng cao: Khuyến nghị áp dụng các chiến thuật CSFB theo khuyến nghị của nhà cung cấp thiết bị, đồng thời theo dõi và điều chỉnh kích thước MTU để tối ưu hóa băng thông và giảm độ trễ chuyển giao. Thời gian thực hiện trong 12 tháng, phối hợp giữa phòng kỹ thuật và nhà cung cấp thiết bị.

Đối tượng