Thiết kế giải thuật thông minh phân phối nguồn cung cấp theo lưu lượng cho các trạm BTS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

NGUYỄN QUANG DUY

THIẾT KẾ GIẢI THUẬT THÔNG MINH PHÂN PHỐI
NGUỒN CUNG CẤP THEO LƯU LƯỢNG CHO CÁC
TRẠM BTS

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT VIỄN THƠNG

Bình Định – Năm 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

NGUYỄN QUANG DUY

THIẾT KẾ GIẢI THUẬT THÔNG MINH
PHÂN PHỐI NGUỒN CUNG CẤP THEO
LƯU LƯỢNG CHO CÁC TRẠM BTS
Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 8520208

Người hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Văn Tuấn


LỜI CAM ĐOAN
Luận văn này là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tôi, được thực hiện
dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. TS. Nguyễn Văn Tuấn. Các số liệu,

những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này hồn tồn trung
thực.
Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về lời cam đoan này.
Học viên

Nguyễn Quang Duy


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông với đề tài “Thiết
kế giải thuật thông minh phân phối nguồn cung cấp theo lưu lượng cho các
trạm BTS”, tác giả đã nhận được sự quan tâm, động viên của quý thầy, cô
trong Khoa Kỹ thuật & Công nghệ, Trường Đại học Quy Nhơn, đặc biệt là các
thầy, cô trong bộ môn Điện tử - Viễn thông.
Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới thầy PGS. TS. Nguyễn Văn
Tuấn – Trưởng Khoa Điện tử - Viễn thông, Đại học Bách khoa Đà Nẵng,
người trực tiếp hướng dẫn khoa học và chỉ bảo tận tình để luận văn được hoàn
thành một cách tốt nhất. Bên cạnh đó, tác giả cũng xin bày tỏ sự cảm ơn tới
thầy ThS. Nguyễn Đình Luyện – Giảng viên Khoa Kỹ thuật & Công nghệ,
Đại học Quy Nhơn, người đã có những ý kiến đóng góp hết sức chân thành và
quan trọng giúp tác giả hoàn thành luận văn của mình.
Tác giả cũng xin cảm ơn sự ủng hộ rất lớn từ phía gia đình, đây là
nguồn động lực to lớn giúp tác giả nổ lực hoàn thiện luận văn của mình.
Mặc dù có nhiều cố gắng trong suốt q trình thực hiện đề tài, song có
thể vẫn cịn những thiếu sót, tác giả xin được ghi nhận những ý kiến đóng góp
q báu từ phía thầy hướng dẫn, hồi đồng và những người quan tâm.
Xin chân thành cảm ơn!


Trang 1

MỞ ĐẦU
1. Tổng quan tình hình tiêu thụ năng lượng hiện nay
Trong những năm vừa qua, Việt Nam đã trở thành một trong những nền
kinh tế phát triển rất năng động trong khu vực, cũng như trên thế giới và cùng
với xu hướng đó, ngành năng lượng đóng vai trị vơ cùng quan trọng trong
việc thúc đẩy nền kinh tế - xã hội của đất nước phát triển. Tuy nhiên, quá trình
phát triển năng lượng trong thời gian vừa qua đã bộc lộ những yếu kém, bất
cập và đặc biệt là sử dụng điện kém hiệu quả, lãng phí.
Theo một thơng báo do Tập đồn Điện lực Việt Nam phát ra vào ngày
19/05/2019, số liệu từ Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia cho thấy
lần đầu tiên trong lịch sử, công suất đầu nguồn của hệ thống điện tồn quốc đã
vượt qua con số 36.000 MW. Tính riêng trong ngày 24/04/2019, cơng suất
nguồn cực đại tồn hệ thống là 35.703 MW, tăng 16,2% so với cùng kỳ năm
trước và tính đến ngày 17/05/2019, mức tiêu thụ điện tồn hệ thống lại đạt
đỉnh mới cao hơn, với cơng suất đỉnh đầu nguồn toàn hệ thống lên tới 35.912
MW. Mức tiêu thụ công suất này tiếp tục tăng và đã lập kỷ lục 36.006 MW
vào khoảng 13h40 ngày 18/05/2019, với mức sản lượng tiêu thụ của ngày này
trong cả nước là 756,9 triệu KWh [12].
Ngồi ra, cũng theo thơng tin từ ngành điện, tính đến ngày 19/05/2019 sản
lượng thủy điện tích trong các hồ miền Trung, Nam chỉ khoảng 2 tỷ KWh, tương
đương tổng phụ tải toàn quốc trong 3 ngày làm việc. Nếu tính riêng miền Nam,
con số này là 0,38 tỷ KWh, tương đương lượng điện tiêu thụ tại khu vực này
trong 1 ngày làm việc. Trước thực tế đó, Trung tâm Điều độ hệ thống điện Quốc
gia đã phải huy động các nguồn cung khác từ nhiệt điện dầu từ tháng 4/2019 để
có thể đáp ứng nhu cầu phụ tải. Tính đến ngày 19/05/2019 theo số

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông

Trang 2
liệu mới công bố, tổng sản lượng nhiệt điện dầu huy động là 160 triệu KWh
và sẽ phải tiếp tục huy động nguồn điện giá cao này trong thời gian tới [12].
Tính riêng trong lĩnh vực viễn thơng và thông tin di động, nhu cầu phát
triển của mạng 3G, 4G và mới nhất là 5G hiện đang phát triển với tốc độ rất
nhanh. Đi cùng với sự phát triển này là sự mở rộng các trạm viễn thông của
các nhà mạng, tăng cường thêm các thiết bị tại các trạm đã có, hoặc lắp đặt
hồn tồn các trạm mới như đối với công nghệ 5G. Theo số liệu từ tập đồn
VNPT, tính đến cuối năm 2016 nước ta có hơn 80.000 trạm thu phát sóng của
Vinaphone theo các cơng nghệ 2G, 3G, 4G trên địa bàn 63/63 tỉnh, thành phố
và đây chỉ mới là con số của riêng tập đồn VNPT. Nếu lượng cơng suất tiêu
thụ của một trạm BTS là khoảng 6 KW, với số lượng 80.000 trạm viễn thông
của riêng VNPT sẽ tiêu thụ hết 80.000 x 6 KW = 480 MW, một con số không
hề nhỏ nếu tính trong một khoảng thời gian dài và cũng đặt lên hệ thống
truyền tải điện quốc gia một gánh nặng quá lớn.
2. Lý do chọn đề tài
Chi phí về điện để vận hành ổn định các trạm viễn thông hiện nay là một
bài tốn hết sức khó khăn, nhất là vào các tháng cao điểm nắng nóng, do đó vấn
đề sử dụng hiệu quả năng lượng trong các trạm viễn thông là một vấn đề đang rất
được quan tâm hiện nay. Nội dung nghiên cứu của luận văn về cơ bản được thực
hiện dựa trên ý tưởng này, công suất tiêu thụ tại một trạm BTS/NodeB không
phải khi nào cũng ở mức cao, mà luôn tồn tại một giá trị công suất ngưỡng dưới
phụ thuộc vào lưu lượng sử dụng tại trạm. Một khi đã biết được giá trị ngưỡng
công suất này, giải thuật phân phối nguồn trong trạm từ các nguồn cung cấp khác
sẽ được thực hiện, nhằm tiết giảm bớt sự phụ thuộc vào điện lưới quốc gia, qua
đó giúp giảm bớt gánh nặng lên hệ thống truyền tải điện. Đây cũng là mục đích
và lý do tác giả thực hiện đề tài: “Thiết kế giải thuật thông minh phân phối
nguồn cung cấp theo lưu lượng cho các trạm BTS”.

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông

Trang 3
3. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu trong luận văn này nhằm xây dựng được một giải thuật có
khả năng tự động phân phối nguồn hợp lý cho trạm BTS, khi xảy ra hiện
tượng lưu lượng thấp tại trạm và khi mất nguồn điện lưới cung cấp.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
4.1. Đối tượng nghiên cứu
-

Dữ liệu về công suất nguồn cung cấp cho các phụ tải 2G.

-

Dữ liệu về lưu lượng 2G tại trạm BTS.

-

Thông tin về các nguồn cung cấp dự phòng khác trong trạm BTS.

4.2. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của luận văn là các trạm BTS của nhà mạng
Mobifone và Viettel tại địa phương.
5. Phương pháp nghiên cứu
Luận văn sử dụng các cơng cụ tốn học như xác suất thống kê, tốn đại
số, cùng với sử dụng ngôn ngữ R để thực hiện các bài tốn phân tích, dựa trên
các dữ liệu về công suất tiêu thụ của các thiết bị 2G, lưu lượng sử dụng tại
trạm BTS, nhằm chứng minh được mối quan hệ giữa công suất cung cấp cho
phần lõi và lưu lượng tại trạm.

6. Tổng quan nội dung luận văn
Nội dung luận văn được chia ra làm 4 chương:
-

Chương 1: Trình bày về lý thuyết cơ sở liên quan trong luận văn.

-

Chương 2: Nói về thiết kế và xây dựng phần cứng thu thập dữ liệu.

-

Chương 3: Chứng minh giả thuyết về mối quan hệ giữa công suất tiêu

thụ tại phần lõi của trạm BTS với lưu lượng tại trạm.
-

Chương 4: Đưa ra giải thuật phân phối nguồn hợp lý trong trạm BTS

và mô phỏng, đánh giá giải thuật này.

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông


Trang 4

CHƯƠNG 1. LÝ THUYẾT CƠ SỞ
1.1. Giới thiệu chương
Nội dung chương nói về các phương pháp cấp nguồn và vấn đề sử dụng
năng lượng trong các trạm BTS, vốn là một vấn đề đang rất nóng khi nhu cầu

tiêu thụ điện năng ngày một tăng cao như hiện nay, qua đó có được cái nhìn
tổng quan về vấn đề này. Phần tiếp theo của chương, trình bày sơ lược về một
số lý thuyết cơ sở của biến ngẫu nhiên, đồng thời giới thiệu về ngôn ngữ R –
một ngôn ngữ phân tích dữ liệu đang rất phát triển và một số mơ hình phân
tích dữ liệu với ngơn ngữ này.
1.2. Vấn đề sử dụng năng lượng tại các trạm BTS
Trong những năm gần đây, lĩnh vực viễn thông phát triển nhanh chóng,
ứng dụng nhiều cơng nghệ và kỹ thuật tiên tiến. Chính vì vậy, hầu hết các
thiết bị viễn thông đều là các thiết bị công nghệ cao, với chi phí đầu tư rất lớn.
Với đặc điểm này, yêu cầu về hệ thống nguồn cung cấp cho các thiết bị viễn
thông đã trở thành yếu tố vô cùng quan trọng trong một trạm BTS. Vì hiệu
suất hoạt động của hệ thống nguồn sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động của
các thiết bị khác, điện áp ra của hệ thống nguồn không ổn định sẽ làm giảm
chất lượng thông tin và thậm chí gây hỏng các thiết bị.

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông


Trang 5

Hình 1.1. Phân bổ cơng suất trong trạm gốc CDMA/UMTS [9]

Với trình độ khoa học cơng nghệ của nước ta hiện nay, có thể khẳng
định rằng các nhà mạng trong nước chỉ tiếp nhận các thiết bị viễn thông, lắp
đặt và vận hành theo sự hướng dẫn của nhà cung cấp, hồn tồn khơng có khả
năng can thiệp vào bất kỳ bộ phận nào của toàn hệ thống. Dựa vào thơng tin
trên hình 1.1, ta có được một cái nhìn tổng quan về sự phân bổ cơng suất
trong một nhà trạm, cũng từ hình này ta có thể thấy thành phần có hiệu suất sử
dụng năng lượng thấp nhất, chính là các bộ PA – các khối khuếch đại công
suất trước khi ra anten.

Về nguyên tắc, một hệ thống khi được thiết kế bao giờ cũng bao gồm tính
năng tiết kiệm năng lượng khi có thể. Tuy nhiên, vấn đề là tất cả mọi thứ liên
quan đến hệ thống đều sẽ được đóng gói trước khi đưa ra thị trường và người sử
dụng hoàn toàn bị phụ thuộc vào công nghệ của nhà sản xuất. Vậy liệu rằng ta có
thể tìm được một giải pháp, có khả năng gián tiếp can thiệp vào hệ thống và biết
được mức công suất mà hệ thống đang tiêu thụ, từ đó đưa ra phương án phân
phối nguồn linh hoạt từ các nguồn phân tán khác nhau, nhưng vẫn đảm bảo được
cung cấp dịch vụ tốt nhất có thể cho người dùng. Nếu thực hiện được yêu cầu
này, ta có thể từng bước tiến tới việc làm chủ công nghệ,

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông


Trang 6
đồng thời giúp sử dụng hiệu quả hơn các nguồn năng lượng phân tán đang rất
phát triển. Trong khuôn khổ giới hạn của luận văn này, tác giả sẽ cơ bản đưa
ra một giải pháp phân phối nguồn hợp lý để giúp phần nào giải quyết bài toán
đề ra.
1.3. Hệ thống nguồn trong trạm BTS
Như đã đề cập đến, hệ thống nguồn trong trạm BTS là một thành phần
vô cùng quan trọng, do đó hệ thống cung cấp nguồn trong trạm BTS cần phải
thỏa mãn các yêu cầu sau đây:
+

Độ tin cậy: để đảm bảo thông tin được thông suốt, yêu cầu hệ thống

nguồn phải có khả năng làm việc liên tục, tức là phải tính đến các trường hợp
dự phòng cho hệ thống nguồn như: mất nguồn điện lưới AC, hệ thống acquy
dự trữ, hệ thống máy phát dự trữ, v.v.
+

Độ ổn định: đây là yêu cầu bắt buộc và vô cùng quan trọng của hệ

thống nguồn trong trạm BTS. Các thiết bị viễn thông thường yêu cầu điện áp
cung cấp ổn định, không vượt quá phạm vi biến động cho phép. Nếu điện áp
cao, các linh kiện điện tử trong thiết bị có khả năng sẽ bị hỏng. Ngược lại nếu
điện áp thấp, các thiết bị sẽ khơng hoạt động bình thường.
+

Hiệu suất cao: đây là u cầu để đảm bảo tiết kiệm điện năng. Biện

pháp chủ yếu để thực hiện chủ yếu là sử dụng các hệ thống nguồn có hiệu suất
cao như những bộ nguồn biến đổi dao động điều hịa, có thể đạt hiệu suất đến
90% trở lên.
+

Gọn nhẹ: đây là xu hướng phát triển chung của các thiết bị điện tử ngày

nay, giảm kích thước và tích hợp hệ thống. Để làm được điều này, các bộ chuyển
đổi với dải tần rộng được sử dụng rộng rãi trong các bộ ổn áp tổ hợp,

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông


Trang 7
các máy biến áp. Ví dụ như các bộ đóng ngắt dao động điều hịa với tần số vài
trăm KHz và kích thước vơ cùng nhỏ đang được ứng dụng rất nhiều.
1.3.1. Các phương pháp cấp nguồn cho trạm viễn thông
1.3.1.1. Phương pháp cấp nguồn từ điện lưới quốc gia
Phương pháp này được sử dụng đối với các trạm BTS đặt ở nơi gần

đường dây điện lực, đồng thời kết hợp với các nguồn dự phòng như máy phát
điện và acquy dự trữ.

Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống lắp nguồn có điện lưới [1]

Chú thích:
+

BA: máy biến áp

+

F: máy phát điện

+

AQ: acquy dự trữ

+

TBCM: thiết bị chuyển mạch

+

TBĐK: thiết bị điều khiển

+

BBĐ1: bộ biến đổi điện áp xoay chiều/một chiều

+

BBĐ2: bộ biến đổi điện áp một chiều/xoay chiều

+

TBVT: thiết bị viễn thơng

+

TBP: thiết bị phụ

Hệ thống trên có thể nhận nguồn cung cấp từ hai nguồn khác nhau: nguồn
điện lưới quốc gia và nguồn máy phát dự phòng, acquy khi mất điện lưới. Trong
sơ đồ hệ thống sử dụng một thiết bị chuyển mạch, vị trí chuyển mạch sẽ ở 1 khi
có nguồn điện lưới cung cấp. Khi mất nguồn điện lưới, các thiết bị viễn thông

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông


Trang 8
sẽ tạm thời được nuôi bằng acquy dự trữ, đủ thời gian để chuyển mạch qua vị
trí 2 và khởi động máy phát điện dự phòng cung cấp nguồn trong một khoảng
thời gian dài hơn.
1.3.1.2. Phương pháp cấp nguồn khơng có điện lưới quốc gia

Hình 1.3. Sơ đồ hệ thống cấp nguồn khơng có điện lưới [1]

Phương pháp này sử dụng khi trạm BTS đặt ở những nơi không có
đường dây điện lưới đi qua như: rừng, núi, hải đảo, v.v.

Chú thích:
+

F: máy phát điện

+

FG: máy phát điện sức gió

+

PMT: pin mặt trời

+

AQ: acquy dự phịng

+

TBĐK: thiết bị điều khiển

+

TBXLCS: thiết bị điều khiển công suất

+

BBĐ1, BBĐ3: bộ biến đổi điện áp xoay chiều/một chiều

+

BBĐ2: bộ biến đổi điện áp một chiều/xoay chiều

+

TBVT: thiết bị viễn thông

+

TBP: thiết bị phụ

Pin mặt trời gồm các module đấu nối tiếp/song song để đạt cơng suất u
cầu. Khi có nắng trong ngày, pin sẽ bảo đảm việc cung cấp năng lượng, nếu dư
sẽ nạp lại cho acquy. Máy phát điện sức gió sẽ không trực tiếp cấp nguồn cho

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông


Trang 9
thiết bị mà chỉ làm nhiệm vụ nạp điện cho acquy. Máy phát điện sẽ cung cấp
nguồn cho trạm viễn thông và nạp cho acquy khi các nguồn trên không hoạt
động.
1.3.2. Sơ đồ khối của hệ thống cấp nguồn
Hệ thống nguồn điện có nhiệm vụ tạo ra năng lượng điện cần thiết,
nhằm mục đích cung cấp cho các thiết bị viễn thông làm việc. Nguồn năng
lượng tạo ra là nguồn điện một chiều lấy từ mạng điện xoay chiều, hay từ
nguồn một chiều khác.

Hình 1.4. Sơ đồ khối cấp nguồn một chiều cho nhà trạm [1]

Chú thích:
+

AC panel: hệ thống chuyển mạch đầu vào điện áp AC, có hai đầu vào

là điện lưới quốc gia và máy phát điện dự phòng.
+

Tủ phân phối AC: nhận diện điện áp 3 pha/1 pha từ AC panel để cấp

cho máy nắn và bộ Inverter.
+

Rectifier: biến đổi điện áp 3 pha/1 pha thành điện áp một chiều cấp

cho nhà trạm và nạp cho acquy/battery.
+

Từ phân phối điện áp DC (-48VDC): nhận điện áp từ máy nắn cung

cấp tới các thiết bị trong nhà trạm tại các giá. Mỗi giá lại có các cầu chì để
bảo vệ và cấp nguồn riêng.
+

Acquy/battery: mỗi tổ sẽ có 24 bình, mỗi bình 2V dùng cung cấp cho

đài trạm và bộ inverter.
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông

Trang 10
+

Máy phát 3 pha/1 pha: cung cấp nguồn cho nhà trạm nếu mất điện lưới.

+

Inverter: biến đổi điện áp một chiều thành ra xoay chiều, để cung cấp

cho các thiết bị điều khiển phụ trong trạm.
Từ sơ đồ khối ở trên, ta có thể đưa ra nhận xét: nếu trong trường hợp tủ
phân phối nguồn DC bị sự cố, tồn bộ thiết bị viễn thơng sẽ bị ngừng hoạt
động và mất liên lạc hoàn toàn.
1.3.3. Vấn đề sử dụng năng lượng tại các trạm BTS hiện nay
Hiện nay, theo thống kê nước ta có khoảng 80.000 trạm BTS chỉ tính
riêng cho VNPT [13] và theo ước tính một trạm sẽ tiêu thụ khoảng 6 KW
điện. Vậy lượng điện năng cung cấp cho các trạm BTS sẽ là khoảng
480.000KW. Nếu tiếp tục tính tốn lượng điện năng tiêu thụ trong vịng một
tháng và tính tốn thêm cho các nhà mạng khác, ta sẽ thấy đây thật sự là một
con số khổng lồ.
Ngoài ra trong bối cảnh hiện nay, đi ngược lại với nhu cầu sử dụng điện
năng ngày một tăng cao của con người là sự suy giảm nhanh chóng các nguồn
tài nguyên thiên nhiên như dầu mỏ, than đá, v.v. cùng với vấn đề biến đổi khí
hậu đang xảy ra ngày một gay gắt hơn. Trước những vấn đề đó, yêu cầu đặt ra
là cần phải sử dụng các nguồn năng lượng phân tán như: mặt trời, gió, v.v. để
tiết giảm bớt sự phụ thuộc vào điện lưới quốc gia.
Tuy nhiên, vấn đề về đảm bảo thông tin thông suốt đã và đang trở thành
nhu cầu hằng ngày không thể thiếu đối với mọi người dân hiện nay. Vậy làm sao
vừa có thể đảm bảo sự vận hành thơng suốt, liên tục của các nhà trạm BTS; lại
vừa có thể tiết giảm được lượng điện năng sử dụng từ điện lưới quốc gia là một

vấn đề đang trở nên rất cấp thiết. Để giải quyết phần nào bài toán về sử dụng
điện năng hiệu quả, hiện trên thế giới đã có các hệ thống pin năng lượng mặt trời
với hiệu suất cao, hoặc hệ thống cung cấp năng lượng gió cũng là một giải pháp.
Để có thể áp dụng các công nghệ này vào các trạm BTS, yêu cầu chi

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông


Trang 11
phí đầu tư ban đầu khơng hề nhỏ và điểm quan trọng hơn nữa là ta sẽ hoàn
toàn bị phụ thuộc vào cơng nghệ của nước ngồi. Giải pháp sử dụng nguồn
năng lượng mặt trời và gió hiện tại chủ yếu vẫn sử dụng cho các trạm BTS đặt
ở những nơi mà điện lưới không thể đưa tới. Tuy nhiên đây là các trạm có lưu
lượng sử dụng khơng cao và tỷ lệ các trạm BTS này vẫn rất thấp, đa số các
trạm BTS được đặt ở những nơi có mật độ dân số đơng và được cung cấp
năng lượng từ điện lưới quốc gia làm nguồn cung cấp chính.

Hình 1.5. Trạm BTS sử dụng năng lượng xanh của VinaPhone tại Đảo Mê [14]

Nếu có một giải pháp nào đó có thể được thực hiện tại đa số các trạm
BTS, với mục đích sử dụng nguồn cung cấp từ các nguồn năng lượng phân tán
để có thể tiết giảm sự phụ thuộc quá lớn vào nguồn điện lưới quốc gia, thì đây sẽ
là một giải pháp tối ưu đối với thực tế hiện nay. Nhưng như đã đề cập ở phần
trên, năng lượng mặt trời và gió khơng thể được xem là các nguồn cung cấp năng
lượng chính tại đa phần các trạm BTS, hay nói cách khác các nguồn cung cấp
này chỉ có thể được sử dụng trong một khoảng thời gian nhất định trong ngày. Về
mặt lập luận logic ta có thể thấy, tại một trạm BTS không phải lúc nào lưu lượng
người sử dụng cũng sẽ ở mức cao, tức là sẽ có một khoảng thời gian xảy ra hiện
tượng lưu lượng thấp tại trạm. Khi xuất hiện khoảng thời gian với lưu lượng
người dùng thấp, yêu cầu về mức tiêu thụ năng lượng của các thiết bị viễn thơng

cũng sẽ thấp, hay nói cách khác khi lưu lượng người dùng

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông


Trang 12
tại trạm BTS giảm, năng lượng cung cấp cho trạm cũng sẽ giảm theo và đây
chính là khoảng thời gian có thể thực hiện việc tiết giảm sử dụng năng lượng
điện lưới quốc gia, mà thay vào bằng các nguồn năng lượng phân tán.
Ý

tưởng được đề cập ở trên khơng mang tính thuyết phục cao vì nó

khơng có cơ sở khoa học chứng minh. Để có thể thực hiện được ý tưởng này
cần phải thực hiện được các nội dung sau:
+ Chứng minh được sự phụ thuộc của công suất sử dụng tại phần lõi
của trạm BTS với lưu lượng sử dụng của người dùng tại trạm.
+ Tìm ra được mức ngưỡng công suất dưới cần thiết để cung cấp cho
hoạt động của phần lõi của một trạm BTS khi lưu lượng thấp, từ đó làm cơ sở
cho việc thực hiện tiết giảm nguồn năng lượng điện lưới quốc gia.
+ Từ những kết quả đạt được, sẽ đề xuất một giải thuật phân phối các
nguồn năng lượng cần thiết cung cấp cho trạm BTS.
1.4. Các lý thuyết cơ sở
Nội dung thực hiện của đề tài có bao gồm phần phân tích dữ liệu, do đó
để có thể nắm được phương pháp phân tích u cầu phải có kiến thức cơ bản
về lý thuyết xác suất thống kê. Trong nội dung phần này sẽ giới thiệu tóm tắt
lý thuyết cơ sở về xác suất thống kê, một môn khoa học đã và đang trở nên vô
cùng quan trọng hiện nay.
1.4.1. Biến ngẫu nhiên và phân loại biến ngẫu nhiên [2]
Biến ngẫu nhiên thường được ký hiệu bằng các chữ cái in hoa như , v.v.

là đại lượng nhận các giá trị nào đó phụ thuộc vào yếu tố ngẫu
X,Y,Z

nhiên, nghĩa là với mọi giá trị thực x ∈R thì X nhận giá trị nhỏ hơn bằng x , ký
hiệu {X ≤ x} , là một biến cố ngẫu nhiên.

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông


Trang 13
Đối với biến ngẫu nhiên người ta chỉ quan tâm xem nó nhận một giá trị
nào đó hoặc nhận giá trị trong khoảng nào đó với một xác suất bao nhiêu. Tập
hợp các giá trị của X được gọi là miền giá trị của X , ký hiệu X (Ω). Căn cứ
vào tập X (Ω) biến ngẫu nhiên được chia làm 2 loại:
+ Biến ngẫu nhiên rời rạc nếu X (Ω) là hữu hạn hay vô hạn đếm được:
X

( Ω ) ={x1, x2 ,..., xn} hay X ( Ω ) ={x1, x2 ,..., xn,...}
+

Biến ngẫu nhiên liên tục nếu X (Ω) là một khoảng hay một số khoảng

hay toàn bộ R.

+

Số chấm xuất hiện khi gieo một con xúc xắc.

+

Tuổi thọ của một thiết bị đang hoạt động.

+

Số khách hàng vào một điểm phục vụ trong một khoảng thời gian nào

+

Số cuộc gọi đến một tổng đài trong một khoảng thời gian nào đó.

+

Sai số khi đo lường một đại lượng vật lý.

đó.

Hai biến ngẫu nhiên X , Y là độc lập nếu X nhận các giá trị nào đó khơng
phụ thuộc Y và ngược lại. Nói một cách khác với mọi số thực x, y hai biến cố
sau là độc lập:

{X ≤ x} ,{Y ≤ y}
1.4.2. Phân phối xác suất của biến ngẫu nhiên [2]
Luật phân phối xác suất của biến ngẫu nhiên là một cách biểu diễn quan
hệ giữa các giá trị của biến ngẫu nhiên với các xác suất tương ứng mà nó nhận
các giá trị đó.
1.4.2.1. Trường hợp biến ngẫu nhiên rời rạc

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông

Trang 14

{

} và P { X = xi } = pi .

Cho biến ngẫu nhiên X có X ( Ω ) = x1, x2 ,..., xn

Phân phối xác suất được xác định như sau:
X

…

P

…

xn
pn

Với

Với X (Ω)
Nếu có bảng phân phối xác suất thì xác suất: P

{ a < X < b} = ∑

a< x
i

1.4.2.2. Trường hợp biến ngẫu nhiên liên tục
Phân phối xác suất có tên là hàm mật độ xác suất. Cho biến ngẫu nhiên

X hàm f (x) , x ∈R được gọi là hàm mật độ xác suất của X nếu thỏa các điều
kiện sau:
+ f (x ) ≥ 0, ∀x ∈R
+∞
+ ∫ f ( x ) dx =1

−∞

b

+ P { a < X < b } = ∫ f ( x ) dx

a
1.4.3. Hàm phân phối xác suất của biến ngẫu nhiên [2]

Hàm phân phối xác suất của X , ký hiệu F ( x) hoặc FX (x) là hàm số
thực xác định như sau:

F ( x ) = P { X < x} , ∀x ∈R
Về mặt ý nghĩa, hàm phân phối xác suất cho biết tỷ lệ phần trăm giá trị
của X nằm về bên trái của số x

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông


Trang 15
Với biến ngẫu nhiên rời rạc: F ( x ) =

P

{ X = xi } = ∑ pi
xi
xi < x

Với biến ngẫu nhiên liên tục: F ( x ) =

f ( x ) dx

Hàm phân phối xác suất có những tính chất sau:
+

0 ≤ F ( x ) ≤ 1, ∀x ∈R

F ( x)là hàm không giảm
(
)
( )
(
)
+ F −∞ = lim F x = 0; F +∞ =
lim
x→−∞
x→+∞
+

+

P

F

( )

x =1

{ a ≤ X < b} = F ( b ) − F ( a)

1.4.4. Các số đặc trưng của biến ngẫu nhiên [2]
1.4.4.1. Mốt của X, ký hiệu ModX
Với biến ngẫu nhiên rời rạc, ModX là giá trị của X ứng với xác suất lớn
nhất. ModX = x0 ⇔ p x0 = max pi . Như vậy ModX là giá trị của X nhiều khả
năng xảy ra nhất.
Với biến ngẫu nhiên liên tục, ModX là giá trị làm hàm mật độ xác suất
đạt giá trị max. Như vậy ModX là giá trị mà X có nhiều khả năng xuất hiện
trong một khoảng chứa nó nhất.
1.4.4.2. Kỳ vọng của biến ngẫu nhiên X, ký hiệu EX
n

Với biến ngẫu nhiên rời rạc:
∞

Trường hợp biến ngẫu nhiên rời rạc vô hạn đếm được: EX = ∑ xi pi i=1

Với biến ngẫu nhiên liên tục X có hàm mật độ xác suất f ( x) ta có:
+∞
EX = ∫ x. f ( x )dx

−∞

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông

(1.3)


Trang 16
Kỳ vọng mang ý nghĩa: nếu lấy trung bình n giá trị quan sát độc lập của
biến ngẫu nhiên X , thì kỳ vọng là giá trị trung bình của biến ngẫu nhiên. Nó
phản ánh giá trị trung tâm của phân phối xác suất của biến ngẫu nhiên.
Các tính chất của kỳ vọng:
+

EC = C , với C là hằng số.

+

ECX = CEX .

+

E(X ±Y)=EX±EY

+

Nếu X , Y là độc lập, thì: EX .Y = EX .EY

∑ϕ xi pi

i



+ Nếu Y =ϕ( X ) thì: EY = +∞




−∞

∫

( )

ϕ ( x ) f ( x ) dx



1.4.4.3. Phương sai của biến ngẫu nhiên
Phương sai của biến ngẫu nhiên X , ký hiệu VX được xác định như sau:

(1.4)

Trong tính tốn ta hay dùng cơng thức sau:
(1.5)

VX =EX

Phương sai là độ lệch giữa giá trị của X so với trung bình của nó, do đó

phương sai chính là trung bình của bình phương độ lệch đó. Nó đặc trưng cho
độ phân tán của biến ngẫu nhiên quanh giá trị trung bình, nghĩa là: phương sai
nhỏ, độ phân tán nhỏ vì vậy độ tập trung lớn, ngược lại phương sai lớn, độ
phân tán lớn, vì vậy độ tập trung nhỏ.
Trong kỹ thuật, phương sai đặc trưng cho độ sai số của thiết bị.
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông


Trang 17
1.4.5. Một số phân phối xác suất thông dụng của biến ngẫu nhiên liên tục

1.4.5.1. Phân phối chuẩn
Biến ngẫu nhiên X được gọi là có phân phối chuẩn với tham số μ và σ2
(σ > 0) ký hiệu X ~ N

(µ ;σ 2) nếu hàm mật độ xác suất của nó có dạng:
 x−µ )

2

f (x) là hàm mật độ xác suất vì


uốn



µ ±σ;



Các số đặc trưng:
+ ModX = MedX = µ

2

+ EX =µ;VX =σ ;σ (X)=σ
1.4.5.2. Phân phối đều
Biến ngẫu nhiên X được gọi là có phân phối đều trong khoảng



a, b) ,

ký hiệu X ~ U(a, b) , nếu hàm mật độ xác suất của nó có dạng:
 1

f ( x ) =  b − a ,





0

, x còn lại

x

(a, b)

(1.7)


E (X )=
Hàm phân phối của X :

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông


Trang 18
0



F(x)= 

1



1.4.5.3. Phân phối mũ
Biến ngẫu nhiên X được gọi là có phân phối mũ với tham số λ ( λ > 0),
ký hiệu X ~ E(λ) , nếu hàm mật độ xác suất của nó có dạng:

E(X)=
1.4.6. Một số phân phối xác suất thông dụng của biến ngẫu nhiên rời rạc

1.4.6.1. Phân phối Poisson
Biến ngẫu nhiên X có phân phối Poisson với tham số λ( λ > 0) , ký hiệu
X

~ P(λ), nếu tập giá trị của nó X ( Ω ) ={0,1,...n,...} và:
P{X=x}=e

−λ λ x

; x ∈ X (Ω )

(1.12)

x!
Các số đặc trưng:
EX = VX = λ ; ModX = x0 víi

( λ − 1 ≤ x 0 ≤ λ)

(1.13)

1.4.6.2. Phân phối nhị thức
Biến ngẫu nhiên X có phân phối nhị thức với tham số n, p và được ký
hiệu là:
X

~ B(n, p)

nếu tập giá trị của nó X ( Ω ) ={0,1,...n} và P { X = x } = C

EX = np;VX = npq;

x

p

x

q

n

n− x
, x ∈ X (Ω)


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông
Trang 19

ModX = x0 với np − q ≤ x0 ≤ np + p
1.4.6.3. Phân phối siêu bội
Biến ngẫu nhiên X có phân phối siêu bội với tham số N, NA, n, ký hiệu
X

~ H(N; NA; n), nếu tập giá trị của nó X ( Ω ) ={0,1,...,n} và

Các số đặc trưng:

EX = np , với p =
Số

N−n
N −1

1.5. Giới thiệu ngôn ngữ lập trình R
Trong một cơng trình nghiên cứu khoa học, nếu dữ liệu khơng được phân
tích đúng phương pháp sẽ khơng có ý nghĩa khoa học. Chính vì vậy mà ngày
nay, trong các cơng trình nghiên cứu được cơng bố thường có thêm phần “Phân
tích thống kê”, trong phần này tác giả sẽ giới thiệu ngôn ngữ R – công cụ được
dùng trong phân tích dữ liệu, đồng thời giải thích lý do sử dụng cơng cụ này.
Với thực tế hiện nay khi các phần mềm phân tích, thống kê dữ liệu như
SAS, SPSS, v.v. đều là các phần mềm có tính phí với mức phí rất cao (có thể lên
đến 100.000 USD một năm) vốn không phù hợp cho các nhóm nghiên cứu với
quy mơ nhỏ. Ngơn ngữ R [15] ra đời với mục đích ban đầu sử dụng cho học tập
và giảng dạy, tuy nhiên chi trong vòng 20 năm qua, R đã trở nên cực kỳ phổ biến
trong các trường Đại học và trong công tác nghiên cứu khoa học, R đã thật


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật viễn thông