Báo cáo thực tập tốt nghiệp hệ thống IBS - Nội dung chương 3

Báo cáo thực tậo tốt nghiệp Trang 20

CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP PHỦ SÓNG DI ĐỘNG CHO TÒA NHÀ

3.1 Mở đầu

Để mở rộng thị phần, ngoài vi ệc cạnh tranh về giá cả, dịch vụ giá tr ị gia tăng, chăm sóc khách hàng... các nhà cung c ấp dịch vụ di động cũng không ngừng tập trung phát triển mạng lưới để có vùng phủ rộng, phủ sâu, chất lượng phủ sóng tốt. Tuy nhiên, ngay cả đối với các công ty cung c ấp dịch vụ di động đã phủ sóng 64/64 tỉnh thành có một vấn đề cần quan tâm là t ại một số thành ph ố lớn nh ư Hà N ội, TP. H ồ Chí Minh…chất lượng ph ủ sóng trong các toà nhà, đặc bi ệt là các toà nhà cao t ầng của khách sạn, văn phòng…ch ưa được đảm bảo. Tại các t ầng th ấp th ường cótình tr ạng sóng yếu, chập chờn, ở các tầng cao thì nhiễu (nhất là đối với các nhà khai thác chia sẻ chung băng tần GSM) dẫn đến khó th ực hiện và rớt cuộc gọi. Một trong các gi ải pháp nhằm khắc phục hiện tượng trên và đảm bảo chất lượng cho khách hàng được các công ty áp d ụng đó là gi ải pháp ph ủ sóng trong nhà (inbuilding). Bài vi ết sẽ gi ới thiệu về giải pháp trên.

3.2 Giới thiệu về hệ thống inbuilding

Có thể nói hiện nay đối với các tòa nhà l ớn như là sân bay, ga điện ngầm, văn phòng cao tầng, siêu th ị kinh doanh hàng hóa r ộng lớn… thì vấn đề vùng phủ và dung lượng đều rất quan trọng vì chất lượng thoại di dộng ảnh hưởng trực tiếp đến uy tín của nhà cung cấp dịch vụ. Tuy nhiên, do đặc trưng vùng phủ của những khu vực này rộng hoặc tr ải dài theo chi ều dọc, sóng vô tuy ến từ tr ạm BTS bên ngoài tòa nhà (BTS outdoor macro) bị suy hao nhiều khi xuyên qua các b ức tường bê tông dẫn đến cường độ tín hi ệu không đạt yêu c ầu, nên gi ải pháp ph ủ sóng trong tòa nhà hi ện nay được nhiều nhà cung c ấp dịch vụ di động lựa ch ọn. Hệ thống inbuilding bao g ồm 3 ph ần chính: ngu ồn tín hi ệu, hệ th ống phân ph ối tín hi ệu và ph ần tử bức xạ. Trong đó hệ thống phân phối tín hiệu là điểm khác biệt điển hình giữa hệ thống inbuilding so với hệ thống mạng BTS outdoor macro thông thường.

Bộ lặp hoặc BTS Cáp rò hoặc anten

Hệ thống phân phối thụ động hoặc hệ thống phân phối tích cực hoặc hệ thống phân phối ghép lai

Ngu ồn tín hiệu Hệ thống phân phối Ph ần tử bức xạ

Hình 3.1 Thành phần chính của một hệ thống phủ sóng trong nhà

Chương 3: Giải pháp phủ sóng di động cho tòa nhà

Báo cáo thực tậo tốt nghiệp Trang 21

a. Nguồn tín hiệu

Để phủ sóng cho inbuilding ta có thể dùng:

Nguồn tín hiệu bằng trạm outdoor:

Đây là gi ải pháp đơn gi ản nhất để cung cấp vùng ph ủ cho các toà nhà v ới tín hiệu từ các tr ạm macro bên ngoài toà nhà. Gi ải pháp này được khuyến ngh ị nếu lưu lượng trong tòa nhà không cao, ho ặc chủ tòa nhà không cho phép l ắp đặt thiết bị và đi cáp trong tòa nhà ho ặc việc triển khai giải pháp dành riêng cho nó không kinh t ế. Khi đó vùng phủ được cung cấp bằng cách:

• Tín hiệu sẽ thâm nh ập vào toà nhà t ừ bên ngoài. Điều này ch ỉ thực hiện được

đối với các tòa nhà có khoảng hở lớn đối với bên ngoài hoặc ít tường, cửa sổ kim loại.

• Đặt BTS trên các tòa nhà xung quanh và h ướng anten tới tòa nhà cần phủ. Khi đó không cần đến hệ thống phân phối tín hiệu nữa và phần tử bức xạ chính là anten của trạm BTS outdoor macro đó.

Hình 3.2 Vùng phủ cho trong tòa nhà từ một tế bào macro trong mạng BTS outdoor macro

Ưu điểm của giải pháp này là chi phí thấp, không mất nhiều thời gian trong triển khai, có th ể phủ cả ngoài nhà (outdoor) và trong nhà (indoor). Nh ược điểm của giải pháp này là vùng ph ủ hạn chế, tốc độ bit thấp đối với các dịch vụ dữ liệu, dung lượng

Chương 3: Giải pháp phủ sóng di động cho tòa nhà

Báo cáo thực tậo tốt nghiệp Trang 22

thấp và ch ất lượng không th ể chấp nhận được ở một số phần trong toà nhà. Suy hao tăng dần khi tần số càng cao, do vậy khó cung cấp vùng phủ cho toà nhà mức tín hiệu tốt. Suy hao có th ể khắc phục bằng cách tăng công su ất từ các tr ạm ngoài nhà nh ưng nhiễu sẽ tăng. Việc thiết kế tần số gặp nhiều khó kh ăn do qu ỹ tần số hạn hẹp (nhất là đối với các nhà khai thác chia sẻ chung băng tần GSM).

Ngoài cách ph ủ sóng trong nhà b ằng trạm outdoor ta có th ể sử dụng trạm lặp (repeater) làm nguồn vô tuyến cung cấp cho hệ thống phân phối. Khi đó vùng phủ của trạm outdoor hiện có được mở rộng. Nhưng giải pháp này ít được sử dụng trong thực tế vì cường độ tín hiệu, chấtlượng, sự ổn định, dung lượng phụ thuộc vào tr ạm BTS bên ngoài và việc thiết kế cho trạm lặp (quỹ đường truyền, mức độ cách ly 2 h ướng) mặc dù giá thành thấp, triển khai nhanh, dễ dàng. Vì có nhiều nhược điểm nói trên nên trên thực tế rất ít nhà cung c ấp dịch vụ di động sử dụng giải pháp này, tr ừ trường hợp bất khả kháng.

Hình 3.3 Vùng phủ cho tòa nhà được cung cấp bởi trạm indoor dành riêng

Nguồn tín hiệu bằng trạm indoor dành riêng:

Giải pháp này có th ể tăng thêm dung lượng cho những vùng trong nhà yêu c ầu lưu lượng cao. Vấn đề chính ở đây là cung cấp dung lượng yêu cầu trong khi vẫn đảm bảo vùng ph ủ tốt của toà nhà mà không làm ảnh hưởng tới ch ất lượng dịch vụ của

Chương 3: Giải pháp phủ sóng di động cho tòa nhà

Báo cáo thực tậo tốt nghiệp Trang 23

mạng BTS outdoor macro. Vì v ậy gi ải pháp này được các nhà cung c ấp dịch vụ di động trong khu vực sử dụng như SingTel, Digi...

Ưu điểm của giải pháp này là nguồn tín hiệu từ bên ngoài ổn định, mức tín hiệu tốt, mở rộngdung lượng hệ thống dễ dàng. Nhược điểm của giải pháp là giá thành cao, yêu cầu phải có cáchbố trí tần số/kênh cụ thể và xây dựng hệ thống truyền dẫn đảm bảo tính mỹ thuật.

b. Hệ thống phân phối tín hiệu

Hệ thống phân phối tín hiệu có nhiệm vụ phân phối tín hiệu từ nguồn cung cấp

đi đến các anten hoặc phần tử bức xạ khác và được phân loại thành:

Hệ thống thụ động:

Hệ thống thụ động là hệ thống anten được phân phối bằng cáp đồng trục và các phần tử thụ động. Đây là giải pháp phổ biến nhất cho các khu vực phủ sóng inbuilding không quá rộng, có đặc điểm:

Hình 3.4 Giải pháp hệ thống anten phân phối cáp đồng thụ động

• Trạm gốc được dành riêng cho toà nhà: Tín hi

ệu vô tuy ến từ trạm gốc được phân phối qua hệ thống đến các anten. Vùng ph ủ cho toà nhà được giới hạn đồng thời không làm ảnh hưởng đến chất lượng mạng BTS outdoor macro. Nhưng yêu cầu kỹ sư thiết kế phải tính toán qu ỹ đường truyền cẩn th ận vì mức công su ất ở mỗi anten ph ụ thuộc vào sự tổn hao mà các thiết bị thụ động được sử dụng, đặc biệt là chiều dài cáp.

• Các thiết bị chính gồm: cáp đồng trục, bộ chia (splitter/tapper), bộ lọc (filter), bộ

kết hợp (combiner), anten.

Chương 3: Giải pháp phủ sóng di động cho tòa nhà

Báo cáo thực tậo tốt nghiệp Trang 24

Hệ thống chủ động:

Hệ thống chủ động là hệ thống anten phân phối sử dụng cáp quang và các thành phần ch ủ động (b ộ khuếch đại công su ất). Vi ệc sử dụng cáp quang t ừ BTS t ới kh ối điều khiển từ xa có thể mở rộng tới từng vị trí anten riêng lẻ bằng cách: tín hiệu RF từ BTS được chuyển đổi thành tín hi ệu quang rồi truyền đến và được biến đổi ngược lại thành tín hiệu RF tại khối điều khiển từ xa trước khi được phân ph ối tới một hệ thống cáp đồng nhỏ. Ngoài ra, hệ thống còn sử dụng các thiết bị khác trong việc phân phối tín hiệu: Hub quang chính, cáp quang, Hub mở rộng, khối anten từ xa.

Hình 3.5 (a): Sơ đồ một hệ thống anten phân phối chủ động cho khu trường sở

RAU (Remote bi-direction antenna unit): Thiết bị anten song hướng từ xa

Giải pháp này thường được sử dụng cho những khu vực phủ sóng inbuilding rất rộng, khi mà h ệ th ống th ụ động không đáp ứng được ch ỉ tiêu k ỹ thu ật suy hao cho phép. Khi đó một BTS phục vụ được nhiều tòa nhà trong một vùng, thường là các khu trường sở. Các kết nối khoảng cách xa (h ơn 1 km) s ử dụng cáp quang, s ự phân ph ối giữa một tầng và các ph ần trong toà nhà có th ể dùng cáp xo ắn đôi dây. Nh ưng nhược điểm dễ nhận thấy là chi phí cao.

Chương 3: Giải pháp phủ sóng di động cho tòa nhà

Báo cáo thực tậo tốt nghiệp Trang 25

MU (Main unit (E/O conversion)): Thiết bị chính (Chuyển đổi E/O)

RU (Remote unit (O/E conversion)): Thiết bị từ xa (Chuyển đổi O/E)

Hình 3.5 (b): Sơ đồ một hệ thống anten phân phối chủ động cho một toà nhà cao tầng

Hệ thống lai ghép

Hình 3.6 Sơ đồ hệ thống lai ghép

Hệ thống này là sự kết hợp giữa hệ thống thụ động và chủ động. Giải pháp này dung hoà được cả ưu nhược điểm của hai hệ thống thụ động và ch ủ động. Vì nó v ừa đảm bảo chất lượng tín hiệu cho những khu vực phủ sóng trong nhà có quy mô l ớn lại vừa tiết kiệm chi phí.

c. Phần tử bức xạ

Phần tử bức xạ có nhiệm vụ biến đổi năng lượng tín hiệu điện thành sóng điện từ phát ra ngoài không gian và ngược lại. Do hệ thống trong nhà được sử dụng ở những

Chương 3: Giải pháp phủ sóng di động cho tòa nhà

Báo cáo thực tậo tốt nghiệp Trang 26

khu vực có vùng phủ sóng đặc biệt như nên đối với từng công trình cụ thể đòi hỏi phải có phần tử bức xạ thích hợp. Cụ thể:

Anten: sử dụng thích hợp với những vùng phủ có khuynh hướng hình tròn hoặc hình chữ nhật. Đó là vì anten cho vùng phủ sóng không đồng đều, việc tính quỹ đường truyền ph ụ thuộc nhiều vào cấu trúc c ủa toà nhà. Ph ạm vi ph ủ sóng của anten ở dải GSM900 là 25m ÷ 30m; GSM1800 là 15m ÷ 18m. Có 2 lo ại anten th ường được sử dụng là anten vô hướng (omni) và anten có hướng (yagi). Anten vô hướng có tính thẩm mỹ, nhỏ gọn dễ lắp đặt nên có th ể kết hợp hài hoà v ới môi tr ường trong toà nhà, còn anten có hướng có độ tăng ích cao thích hợp khi phủ sóng trong thang máy.

Cáp rò: Đặc điểm của cáp rò (còn gọi là cáp tán xạ) là có cường độ tín hiệu đồng đều theo một trục chính nên th ường được dùng cho các vùng ph ủ phục vụ kéo dài đặc biệt như: hành lang dài, xe điện ngầm, đường hầm... Phạm vi phủ sóng của cáp dò ch ỉ vào khoảng 6m nh ưng lại có ưu điểm hơn hẳn so với anten là h ỗ trợ được dải tần số rộng từ 1 MHz ÷ 2500 MHz.

Hình 3.7 Hệ thống phân phối cáp rò

3.3 Mô hình truyền sóng và tính toán quỹ đường truyền

Trong hệ thống inbuilding thì tín hiệu sau khi từ nguồn tín hiệu đi qua hệ thống phân phối tín hi ệu đến phần tử bức xạ và phát ra không gian s ẽ chịu thêm một lượng suy hao phụ thuộc vào số tầng cũng như số bức tường mà sóng trực tiếp truyền qua rồi mới đến được thiết bị đầu cuối của thuê bao di động. Để dự đoán được những suy hao này nhà thi ết kế sẽ sử dụng mô hình truy ền sóng trong nhà t ừ đó tính toán ra qu ỹ đường truyền yêu cầu tương ứng. Thực chất mô hình truyền sóng là công thức tính suy hao sóng vô tuy ến khi truyền qua các vật cản và được xây dựng từ rất nhiều quá trình

Chương 3: Giải pháp phủ sóng di động cho tòa nhà

Báo cáo thực tậo tốt nghiệp Trang 27

đo đạc th ực nghiệm cụ thể, còn qu ỹ đường truyền sẽ xác định tất cả các tham s ố suy hao tối đa cho phép tính t ừ nguồn tín hiệu đến máy di động để từ đó có được cái nhìn tổng quan hơn về hệ thống.

Mô hình truyền sóng:

Khác với truyền dẫn hữu tuyến ch ỉ truyền trên nh ững đôi dây đã được thiết kế định trước, suy hao có thể lường trước và tính toán được thì việc tính toán trong truyền dẫn vô tuy ến là r ất đa dạng và ph ức tạp do đặc điểm kênh truy ền mở. Thông tin di động là một trong nh ững dịch vụ thông tin đặc biệt, cho phép thuê bao trao đổi thông tin ngay cả khi đang di chuyển nên kênh truy ền sóng liên t ục thay đổi trong quá trình thuê bao di động. Vì vậy, yêu cầu hàng đầu đối với nhà thiết kế là phải dự đoán tương đối chính xác mức thu năng lượng tại từng vị trí của thuê bao di động. Do môi tr ường truyền sóng của mạng BTS outdoor macro (không gian tự do) không còn đúng với môi trường truyền sóng của hệ thống trong nhà nên m ột yêu cầu đặt ra là cần phải có một mô hình truyền sóng trong nhà dành riêng.

Có nhiều mô hình truy ền sóng trong nhà được các nhà nghiên c ứu đưa ra nh ư mô hình c ủa Bertoni, N.Yarkoni-N.Blaunstein , Rappaport... do đặc tr ưng của môi trường truy ền sóng ph ức tạp, do c ấu trúc và v ật li ệu xây d ựng đa dạng...nhưng vì khuôn khổ bài viết có hạn nên ở đây chỉ giới thiệu mô hình Motley & Keenan vì những ưu điểm của nó.

Motley & Keenan cho r ằng tổn hao trung bình pl(d) là một hàm c ủa kho ảng cách d có th ể được tính từ tổn hao không gian t ự do plfs(d) và từ số các b ức tường I giữa Tx và Rx.

I

trong đó Lwi là tổn hao của bức tường thứ i.

Cụ thể:

L(dB)= 32.5 + 20 * log f + 20 * log d + k * F(k) + p * W(k) + D(d-db) (2)

(công thức tính cho không gian tự do)

Trong đó:

Chương 3: Giải pháp phủ sóng di động cho tòa nhà

Báo cáo thực tậo tốt nghiệp Trang 28

L : Tổn hao đường truyền (dB).

f : Tần số (MHz).

d : khoảng cách từ máy phát đến máy thu (km).

k : số tầng mà sóng trực tiếp truyền qua.

F : hệ số tổn hao của tầng (dB).

p : số bức tường mà sóng trực tiếp truyền qua.

W: hệ số tổn hao của tường (dB) (note 1).

D : hệ số tổn hao tuyến tính (dB/m) (note 2).

db : điểm ngắt trong nhà (indoor breakpoint) (m) (note 2).

note 1: Các bức tường mỏng thông thường có tổn hao 7 dB còn các b ức tường dày có tổn hao 10 dB.

note 2: Đối với khoảng cách ở trên điểm ngắt, trung bình cộng thêm vào 0.2dB/m.

Điểm ngắt điển hình: 65m.

Hình 3.8 So sánh suy hao tường theo mô hình Keenan Motley với suy hao không gian tự do và công thức xấp xỉ

Chương 3: Giải pháp phủ sóng di động cho tòa nhà

Báo cáo thực tậo tốt nghiệp Trang 29

Trên thực tế mô hình truyền sóng Keenan Motley hay được sử dụng để dự đoán sơ bộ suy hao truy ền sóng trong nhà b ởi lẽ không quá ph ức tạp, mô hình này có ưu điểm là tính toán đơn giản, không có nhi ều thông số phải giả định hoặc thực nghiệm. Ngoài ra cũng từ mô hình truyền sóng này, có thể nhận thấy suy hao truyền sóng trong nhà phụ thuộc chủ yếu vào số tầng và số bức tường mà sóng tr ực tiếp truyền qua. Kết quả đo đạc thực tế của các mô hình truy ền sóng khác c ũng đã chỉ ra sự phức tạp của truyền sóng trong môi trường trong nhà và khó mô phỏng nó một cách chính xác vì kết cấu của các toà nhà khác nhau, vật liệu sử dụng khác nhau...

Tính toán quỹ đường truyền

Mục đích chính của vi ệc tính toán qu ỹ đường truyền (link budget) là xác định tất cả các tham số suy hao tối đa cho phép giữa trạm BTS và máy di động MS để từ đó có được cái nhìn tổng quan về công suất, tăng ích và tổn hao của hệ thống. Đồng thời giúp cho nhà thiết kế dễ dàng dự phòng mức dự trữ hợp lý dành cho khi c ần nâng cấp hoặc mở rộng hệ thống.

Pout_bts > SSdes + Lp - Ga + Lf + Lps + Lc (3)

Trong đó:

Pout_bts: Công suất đầu ra của tại đầu nối anten.

Lp: Suy hao đường truyền từ anten tới MS tại biên tế bào (mô hình truyền sóng

Keenan Motley).

Ga: Hệ số tăng ích của anten BTS, hệ số tăng ích của anten MS xem như là 0 dB.

Lf: Suy hao fiđơ.

Lps: Suy hao ở bộ công suất bộ chia.

Lc: Suy hao trong các bộ mở rộng, kết hợp, bộ xong công, bộ phối hợp...

SSdes: Cường độ tín hiệu thiết kế.

SSdes = EiRP – Lp.

EiRP: Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương.

EiRP= Pout_bts – Lc – Lf + Ga (4)

Chương 3: Giải pháp phủ sóng di động cho tòa nhà

Báo cáo thực tậo tốt nghiệp Trang 30

Hình 3.9 Sơ đồ một hệ thống phân phối antenna thụ động đơn giản

Ví dụ: Tính toán EIRP cho một hệ thống phân phối anten thụ động đơn giản.

EiRP = 29dBm(Pout_bts) – 18dB(6 x b ộ chia) – 11dB(suy hao feeder) + 2dBi(Ant. Gain)

= + 2dBm

Tóm lại: EIRP có thể phụ thuộc các yếu tố sau:

• Vị trí đặt anten. • Loại anten. • Đặc thù của vùng phủ: mở, khép kín, trần cao hay trần thấp. • Loại tường bao: tường dày thì có th ể dùng EIRP cao mà không lo tín hi ệu thoát ra ngoài quá mạnh.

• Số lượng và tính chất tường ngăn quanh anten. Tuy nhiên đối với các toà nhà cao t ầng th ường gặp, cấu trúc các t ầng th ường giống nhau nên để đơn giản hoá thì nên làm EIRP đồng đều trong từng tế bào. Sau khi tính toán EIRP, c ần ph ải tính toán ki ểm tra các ch ỉ tiêu truy ền sóng

khác, cụ thể:

• Total loss là tổng tổn hao từ đầu ra máy phát đến anten:

Total loss = (hybrid couple loss + tổn hao bộ chia + suy hao coupler + suy hao cáp).

• Năng lượng bức xạ đẳng hướng tương đương EIRP:

EIRP = (TxBTS + Ant. Gain) – tổng suy hao + Booster

Chương 3: Giải pháp phủ sóng di động cho tòa nhà

Báo cáo thực tậo tốt nghiệp Trang 31

Trong đó:

TxBTS là công suất phát của trạm BTS, TxBTS = 47 dBm đối với dải tần 900 MHz và 45 dBm đối với 1800 MHz.

Booster là bộ khuếch đại sử dụng khi tuyến truyền dẫn từ BTS đến anten quá dài không đảm bảo công suất đầu ra tại anten.

Ant. Gain = 5 dB.

Hiệu quả phủ sóng ở đường xuống:

• Mức công suất MS thu được nhỏ nhất:

ổn hao không gian t ự do – fading

MS minimum receivable level (dB) = EIRP – t margin – tổn hao thân nhiệt – att. Wall loss.

• Mức dự trữ hệ thống đường xuống (dành cho khi nâng cấp, mở rộng hệ thống):

System margin left over (dB) = tiêu chí vùng phủ + MS minimum receivable level.

• Tổn hao đường truyền lớn nhất cho phép:

Max allowable path loss (dB) = EIRP – fading margin – suy hao thân nhi ệt – tiêu chí vùng phủ.

Hiệu quả phủ sóng ở đường lên:

• Mức công suất BTS thu được nhỏ nhất:

BTS minimum receivable level (dB) = TxMS – t ổng suy hao – suy hao không gian t ự do – fading margin – suy hao thân nhiệt.

• Mức dự trữ hệ thống đường lên (dành cho khi nâng cấp, mở rộng hệ thống):

System margin left over (dB) = RxBTS + BTS minimum receivable level.

3.4 Kết luận:

Quá trình truyền sóng trong môi tr ường trong nhà r ất phức tạp và khó d ự đoán chính xác do c ấu trúc, kết cấu, vật liệu xây dựng của các công trình khác nhau, m ục đích sử dụng cũng khác nhau: sân bay, ga điện ng ầm, văn phòng cao t ầng, khu vực kinh doanh hàng hóa r ộng lớn... Vì vậy phải cân nh ắc khi chọn giải pháp thi ết kế sao

Chương 3: Giải pháp phủ sóng di động cho tòa nhà

Báo cáo thực tậo tốt nghiệp Trang 32

cho phù hợp nhất với từng công trình bằng cách kết hợp linh hoạt các lựa chọn trong 3 khối thành ph ần chính c ủa hệ th ống trong nhà. Trong nh ững năm gần đây, các gi ải pháp inbuilding ngày càng được triển khai nhi ều và được các mạng di động quan tâm nhằm đáp ứng nhu cầu của người sử dụng “vùng phủ mọi nơi”. Đồng thời đây cũng là cơ hội để các nhà khai thác m ở rộng vùng ph ủ, cải thiện dịch vụ, gia tăng lưu lượng mới cho những vùng mà trước đây gọi là “hố đen” do mạng macro không có kh ả năng phục vụ được. Với vùng phủ trong nhà chồng lên và cùng với vùng phủ mạng macro sẽ làm tăng tổng dung lượng và vùng phủ của toàn mạng di động.

Chương 3: Giải pháp phủ sóng di động cho tòa nhà