Tìm hiểu hệ thống phủ sóng di động trong tòa nhà

y, các giải pháp inbuilding ngày càng được triển khai nhiều 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 mở rộng vùng phủ, cải thiện dịch vụ, gia tăng lưu lượng mới cho những vùng mà trước đây gọi là “hố đen” do mạng macro không có khả 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 III: TIẾN HÀNH KHẢO SÁT VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHỦ SÓNG DI ĐỘNG TRONG TOÀ NHÀ 3.1 Các bước thiết kế hệ thống IBC cho tòa nhà Sau khi hoàn tất hợp đồng cung cấp giải pháp phủ sóng di động cho toàn nhà, thì kỹ sư sẽ xin bên chủ đầu tư bản vẽ kiến trúc của tòa nhà, bao gồm cả tầng hầm… Việc có bản vẽ kiến trúc trong tay sẽ rất thuận lợi cho việc thiết kế hệ thống IBS: vị trí lắp đặt các anten, hệ thống đi dây cáp… Hình 3.1: Thiết kế hệ thống IBS cho tòa nhà cao tầng Để có thể nắm rõ kiến trúc của toàn nhà thì bắt buộc người kỹ sư cần phải đi khảo sát thực tế, vì trên bản vẽ kiến trúc không thể hiện hết những gì trên thực tế. Bên cạnh đó, người kỹ sư cũng cần nắm rõ vị trí địa lý của tòa nhà (tòa nhà cao bao nhiêu tầng, một tầng rộng bao nhiêu mét vuông, vị trí đặt tòa nhà có gần trạm BTS không…), từ đó có phương hướng đề xuất ra những giải pháp có tính kinh tế nhất, thuận lợi cho công việc lắp đặt. Quan trọng nhất trong là việc khảo sát chất lượng mạng trong tòa nhà. Trong quá trình khảo sát, dựa trên việc xem xét cấu trúc xây dựng của toà nhà, một số tầng được lựa chọn khảo sát vùng phủ sóng và khả năng thâm nhập sóng từ các trạm bên ngoài vào các tầng này để đưa ra các số liệu cụ thể. Thiết bị phục vụ cho việc khảo sát bao gồm: Máy đo TEMS8 hỗ trợ trên máy điện thoại cầm tay Sony-Erricson K800i. Máy tính xách tay IBM T61 với phần mềm đo kiểm Tems 8. Máy định vị vệ tinh GPS. Máy ảnh kỹ thuật số. Chúng tôi tiến hành đo ba thông số bao gồm: Mức thu (RxLev). Chất lượng thu (RxQual). Tỉ số nhiễu đồng kênh C/I. Dựa trên kết quả đo và khảo sát hai thông số này, đánh giá chúng, đưa ra kết luận chất lượng phủ sóng trong toà nhà và từ đó đưa ra giải pháp kỹ thuật giải quyết vấn đề trên. Lập dự án một hệ thống phủ sóng tín hiệu di động bên trong tòa nhà (Inbuilding Coverage - IBC) là một quá trình gồm nhiều bước. Tất cả các bước phải được tiến hành một cách cẩn thận để thu được một hệ thống hoạt động tối ưu. Trong chương này, ngƣời thực hiện đồ án sẽ giải thích từng bước của quá trình thiết kế và thực hiện lắp đặt hệ thống phủ sóng tín hiệu trong tòa cao ốc. Hệ thống này được thiết kế dựa trên công nghệ thông tin di động GSM 1800 và mạng 3G với tần số 2100MHz. Quá trình lập dự án IBC được chia thành các bước chính sau đây. Khảo sát và nhận dạng địa hình tòa nhà cần phủ sóng. Khảo sát trạm thu phát gốc và tín hiệu bên trong tòa nhà. Lập kế hoạch vị trí. Thiết kế, lắp đặt và cấu hình thiết bị. Kiểm tra và hiệu chỉnh. 3.2 Mục tiêu khảo sát Khảo sát là một bước cơ bản và quan trọng trong quá trình lập dự án IBC. Các thông số quan trọng cần cho quá trình lập dự án phải được thu thập cẩn trọng và chính xác trong quá trình khảo sát từng khu vực cụ thể của tòa nhà. Quá trình khảo sát không có nghĩa là một ai đó đi vào tòa nhà và đi xung quanh khắp mọi nơi, ngoài ra cũng có thể thu thập các thông tin cần thiết thông qua nhà cung cấp dịch vụ và chủ tòa nhà. Tuy nhiên, một quá trình khảo sát tại thực địa sẽ dễ dàng thu thập được thông tin đầy đủ và chính xác. Những mục tiêu phải đạt được trong giai đoạn khảo sát: Phạm vi phủ sóng: toàn bộ tòa nhà hay một số khu vực nhất định. Khu vực đỗ xe có được mở rộng phủ sóng trong tương lai, các khu vực quan trọng đối với khách hang. Loại cáp: cáp đồng trục, feeder, cáp quang hay loại cáp khác. Liệu ống dẫn cáp cho phép đi loại cáp có kích thước tối đa là bao nhiêu, góc uốn cong cho phép của cáp trong ống dẫn cáp. Vị trí đi cáp: cách đi cáp từ trạm thu phát gốc BTS đến các anten, vị trí anten để đi cáp dễ nhất, khoảng cách kết nối. Vị trí đặt anten: Liệu trần giả có cho phép đặt anten hay không, từng loại anten cụ thể để lắp trên trần giả hoặc trên tường, loại anten cụ thể (có hướng, vô hướng, nhiều băng tần hoặc một băng tần…) được chỉ định bởi nhà khai thác (Operator). Số lượng anten cần thiết cho một tầng, loại tòa nhà (văn phòng, nhà máy, điểm đỗ xe, cửa hàng, trung tâm mua sắm…). Các tầng có cấu trúc giống hệt nhau hay không, các phép đo cần thiết. Việc lắp nhiều anten có tiết kiệm năng lượng hơn là việc lắp một anten ở trung tâm tầng nhà. Nguồn nuôi cho BTS và hệ thống, bằng ắc quy dự phòng hay nguồn điện xoay chiều trực tiếp. 3.3 Khảo sát tòa nhà và nhận dạng địa hình toà nhà cần phủ sóng Trong quá trình khảo sát, các đặc tính sau đây của tòa nhà cần được quan tâm và thu thập thông tin: - Hình dáng : cao và dẹt, rộng và thấp, số lượng tầng, mặt bằng. - Kích cỡ: Diện tích bao phủ (m2). - Toà nhà cũ hay mới sẽ quyết định việc lựa chọn phương thức truyền dẫn. Một số tòa nhà cũ không cho phép sử dụng các loại cáp có trọng lượng lớn, các loại cáp đồng trục lõi to đòi hỏi góc uốn cong lớn. Trong khi đó, các tòa nhà mới xây dựng, hiện đại thường có cấu trúc thẳng, ít uốn khúc, cho phép sử dụng các loại cáp có đường kính lớn. - Các tòa nhà có sẵn hệ thống dây cáp (VD: SMF và MMF). 3.3.1 Kiểu văn phòng cao ốc Hình 3.2: Tòa nhà cao tầng Mô tả chung: Nhiều tầng có cấu trúc giống nhau, hình tháp, mặt bằng hạn chế. Ảnh hưởng tới IBC: + Thiết kế tương đối gọn nhờ vào liên kết liên tầng, lượng ăng ten cần cho một sàn ít. + Dễ lắp đặt IBC nhờ vào cấu trúc các lát sàn tương tự nhau. + Mức sử dụng lưu lượng cao, cần đến nhiều tần số, có bản thiết kế chi tiết. + Nếu toà nhà lớn thể sử dụng active IBC. + Người thiết kế có thể lập kế hoạch phủ sóng (bao gồm vị trí đặt anten, công suất ra anten EiRP) cho một sàn, sau đó áp dụng tương tự cho các sàn khác. Lập kế hoạch cho từng sàn trước tiên, sau đó là đường trục backbone. 3.3.2 Kiểu công xưởng Mô tả chung: Ít tầng, trần cao, các công xưởng, kho bãi, bãi để xe... Ảnh hưởng tới IBC. + Diện tích bao phủ lớn, khoảng cách kết nối xa. + Giảm sự mất đường truyền trong không gian bởi tầm nhìn quang. + Việc lập kế hoạch phức tạp hơn cho các lát sàn không giống nhau. + Thuận lợi cho việc lắp đặt IBC do khoảng cách kết nối rộng. + Mức sử dụng đặc biệt thấp, số lượng thiết bị truyền tải ít. Hình 3.3: Tòa nhà công xưởng 3.3.3 Khu trường học Hình 3.4: Khu trường học Mô tả chung: Gồm nhiều toà nhà có thể nối liên kết với nhau, số lượng lát sàn hạn chế, diện tích mặt bằng hạn chế, giống mô hình kiểu văn phòng, kích cỡ nhỏ hơn. Ảnh hưởng tới IBC: + Liên kết giữa các toà nhà lớn hơn, liên kết trong mỗi toà nhà tương đối ít. + Mức sử dụng cao, nhiều thiết bị truyền tải. + Thuận lợi cho việc lắp đặt active IBC do khoảng cách kết nối rộng. + Có thể kết hợp mô hình hệ thống lai Coax/FO. FO để nối khoảng cách giữa các toà nhà và Coax để nối khoảng cách bên trong mỗi toà nhà. 3.3.4 Kiểu cấu trúc phức tạp (sân bay, ga tàu điện ngầm) Mô tả chung: Gồm nhiều toà nhà có cấu trúc phức tạp, kích cỡ và chiều cao lát sàn khác nhau, số lượng sàn hạn chế, mặt bằng rộng. Ảnh hưởng tới IBC: + Khoảng cách liên kết kết nối xa, có thể phân khu. + Kế hoạch chi tiết, phức tạp do môi trường và kích cỡ các phòng không đồng nhất. + Mức sử dụng cao với các trạm điều hành BTS được nối với một thiết bị IBC chung. + Số lượng thiết bị truyền tải lớn do mức sử dụng lớn. + Thuận lợi cho việc lắp đặt active IBC, cần thiết phải có nhiều dịch vụ băng thông. Hình 3.5: Cấu trúc nhà ga sân bay 3.4 Tiến hành đo các thông số cơ bản 3.4.1 Đo mức thu RxLevel (RF Signal Level) Sau khi kết thúc quá trình khảo sát toà nhà, người thực hiện báo cáo có thể nhận xét về mức thu RxLevel trong toà nhà là yếu. Kết quả thong thường của máy đo cho thấy, mức thu nằm trong khoảng từ –80 dBm đến –112dBm. Tại tầng hầm của toà nhà, hoàn toàn không có sóng di động. Tại các tầng từ tầng 1 đến tầng giữa của khách sạn, mức thu nằm trong khoảng – 80 dbm đến -96 dbm. Các phòng nằm sâu trong toà nhà mức thu RxLevel rất thấp, đặc biệt trong thang máy hoàn toàn không có sóng. Đối với các tầng trên cùng, hiện tượng điển hình của toà nhà cao tầng là floating xuất hiện. Điều này có ảnh hưởng nghiêm trọng đến quá trình thực hiện cuộc gọi. Hình 3.6: Tín hiệu yếu tại các tầng thấp Hình 3.7: Ví dụ mức thu được khảo sát của một tòa nhà 3.4.2 Đo chất lượng thu QxLevel (RF Signal Quality) Đánh giá chất lượng thu dựa trên các yếu tố, đó là mức thu RxLevel, hệ số lỗi khung FER (frame error rate), interfere, handover...Sau khi khảo sát toà nhà, từ kết quả cho thấy tại các tầng cao, hiện tượng handover liên tục xảy ra. Trong toàn bộ cả toà nhà, lưu lượng cuộc gọi luôn ở mức cao. Kết hợp 2 yếu tố này dẫn đến tình trạng rớt cuộc gọi khi chuyển giao rất cao. Tỷ lệ cuộc gọi thành công rất thấp. Chúng ta thấy rõ hiện tượng handover xảy ra liên tục trong đồ thị bên dưới. Ngưỡng chỉ tiêu RxQual < 2 trong tổng số 90% mẫu tín hiệu đo. Hình 3.8: Chất lượng thu của tòa nhà Hình 3.9: Handover liên tục xảy ra tại các tầng cao của toà nhà 3.4.3 Đo tỉ số chất lượng thoại SQI (Speech Quality Index) SQI được tính toán trên cơ sở tỷ lệ lỗi bít (BER), tỷ lệ lỗi khung (FER), các sự kiện handover và việc sử dụng DTX trên mạng. Ngưỡng chỉ tiêu: SQI >20 trong tổng số 90% mẫu tín hiệu đo. Hình 3.10: Chỉ số SQI thấp 3.4.4 Đo tỉ số nhiễu đồng kênh C/I Theo khuyến nghị của GSM giá trị C/I bé nhất mà máy di động vẫn có thể làm việc tốt là 9 dB. Trong thực tế, người ta nhận thấy rằng giá trị này cần thiết phải lên đến 12 dB ngoại trừ nếu sử dụng nhảy tần thì mới có thể làm việc ở mức C/I là 9 dB. Ở mức thấp hơn C/I thì giá trị BER sẽ cao không chấp nhận được và mã hoá kênh cũng không thể sửa lỗi một cách chính xác được. Hình 3.11: Chỉ số C/I thấp khi xảy ra handover 3.5 Khảo sát trạm thu phát gốc và tín hiệu bên trong tòa nhà Phần này đưa đến cho người lập kế hoạch những tham số quan trọng của một trạm thu phát kết nối đến hệ thống IBC. Tất cả các dữ liệu phải được thu thập từ các nhà cung cấp dịch vụ cụ thể. Với sự hiểu biết sâu sắc về bản chất của trạm thu phát gốc, người lập kế hoạch sẽ cấu hình một cách chính xác và hiệu quả và không làm ảnh hưởng đến cấu trúc mạng BTS của các nhà khai thác mạng. Người lập kế hoạch cũng có thể thuyết phục nhà khai thác sử dụng loại BTS công suất thấp, giá rẻ, đầu tư nhiều hơn vào các thiết bị IBC. 3.5.1 Cấu trúc BTS dùng trong indoor Để có được một thiết kế IBC tối ưu, cần phải lựa chọn chính xác loại BTS được sử dụng, ghi chú các tham số quan trọng của BTS cũng như kết nối cấu trúc bên trong của nó, chủng loại bộ thu phát và vị trí đặt trạm. Các tham số sau đây cần được quan tâm cho quá trình lập kế hoạch: - Các loại hệ thống truyền thông di động (GMS 900/1800/1900, băng thông kép, TDMA, CDMA, IDEN, ...). - Số lượng sóng mang (tần số) cấp cho trạm, công suất phát của từng sóng mang tại cổng kết hợp, độ nhạy thu. - Vị trí BTS (tại tầng nào, khoảng cách đến đường cáp trục), cấu hình kết hợp của BTS (ghép TRX, sector, …), khả năng kết hợp nhiều Operators. - Khả năng mở rộng trong tương lai, số lượng sóng mang tối đa, mở rộng băng tần (băng tần đơn, băng tần kép). Người thiết kế sẽ khảo sát BTS công suất thấp với bộ ghép thụ động: Một BTS mini hay micro có công suất phát ra khoảng 43 dBm (18W) có 4 sóng mang ngõ ra kết hợp ở bộ LNA hướng lên điều này sẽ làm cân bằng công suất giữa BTS và MS. Một MS điển hình có công suất phát cho hướng lên là 30 dBm và độ nhạy thu của hướng xuống là -104 dBm cho hệ thống GSM, bên cạnh đó, độ nhạy thu của BTS là -113 dBm. Hiện nay các nhà khai thác di động ở Việt Nam thường dùng các loại BTS trong indoor. Bảng 3.1: Các loại BTS thường dùng trong Indoor Tên Tần số hoạt động (MHz) Công suất phát tối đa (dBm) Hãng sản xuất Horizon II mini Indoor 900 63 Motorola RBS 2206 900/1800 63 Ericson RBS 3216 2100 45 Ericson 3.5.2 Lưu lượng của hệ thống Việc tính toán liên quan đến dung lượng của BTS theo cách thông dụng sẽ do nhà khai thác thực hiện, cho nên người lập kế hoạch IBC không nhất thiết phải tính toán. Số lượng sóng mang thường do nhà khai thác đưa ra, và người lập kế hoạch IBC không phải tính toán. Tuy nhiên, phần này sẽ giúp người lập kế hoạch IBC hiểu sâu hơn yêu cầu về lưu lượng của nhà khai thác để từ đó tính toán được đối với mỗi toà nhà sẽ cần bao nhiêu tần số và đồng thời nắm được nhu cầu mở rộng hệ thống IBC trong tương lai. 3.5.2.1 Lưu lượng Lưu lượng được định nghĩa là tỉ số giữa cuộc gọi trung bình trên cường độ phục vụ trung bình. Khi đó lưu lượng của một thuê bao A được tính theo công thức sau: 𝐴 = 𝑛.𝑇. Trong đó: A: lưu lượng thuê bao A n: số cuộc gọi trung bình trong một giờ T: thời gian trung bình của một cuộc gọi tính bằng giây (s) Ví dụ: Tính lưu lượng của thuê bao A trong mạng GSM có trung bình 1 cuộc gọi 15 phút trong một giờ, khi đó lưu lượng của thuê bao A sẽ là: 𝐴 = 𝑛.𝑇. =0.25𝑒𝑟𝑙 Với n = 1 và T = 15.60 = 900 (s). Như vậy, để phục vụ cho 1000 thuê bao ta cần một lưu lượng là 25 Erlang. 3.5.2.2 Một số định nghĩa cho mô hình Erlang + Hệ thống tiêu hao: Đây là hệ thống mà các thuê bao sẽ bị từ chối thực hiện cuộc gọi khi hệ thống đầy tải + Hệ thống theo kiểu đợi: Đây là hệ thống mà các thuê bao sẽ được chờ thực hiện cuộc gọi khi hệ thống đầy tải. + Đơn vị lưu lượng: Erlang là đơn vị đo mật độ lưu lượng. Một Erl mô tả tổng lưu lượng trong một giờ. + Cấp độ phục vụ (GoS): là đại lượng thể hiện số % cuộc gọi không thành công đối với hệ thống tiêu hao. Còn trong hệ thống đợi thì GoS là số % cuộc gọi thực hiện chờ gọi lại, để mạng hoạt động với hiệu suất cao thì mạng cellular thường có GoS = 2 % nghĩa là tối đa 2% lưu lượng bị nghẽn, tối thiểu 98% lưu lượng được truyền. Mô hình ERLANG B Đây là mô hình hệ thống thông tin hoạt động theo kiểu tiêu hao. Thuê bao không hề gọi lại khi cuộc gọi không thành. Đồng thời giả thiết rằng: Xác suất cuộc gọi phân bố theo luật ngẫu nhiên Poisson, số người dùng rất lớn so với số kênh dùng chung, không có kênh dự trữ dùng riêng, cuộc gọi bị nghẽn không được gọi lại ngay. Hình 3.12: Xác suất nghẽn GoS Mô hình Erlang B là mô hình thích hợp hơn cả cho mạng GSM. Từ các công thức toán học, người ta lập ra bảng Erlang B cho tiện dụng. Ví dụ: Số kênh dùng chung là 10, GoS là 2%. Tra bảng Erlang B ta có lưu lượng muốn truyền là A = 5,084 Erl. Vậy lưu lượng được truyền là: A.(1 - GoS) = 5,084*(1 – 0,02) = 4,9823 Erl 3.5.3 Khảo sát tín hiệu bên trong tòa nhà Đối với mạng GSM: -Đo mức thu RxLevel ( RF Signal Level ). -Đo chất lượng thu QxLevel ( RF Signal Quality ). -Đo tỉ số chất lượng thoại SQI ( Speech Quality Index). Đối với mạng WCDMA: - CPICH Ec/No : là tỉ số giữa mật độ công suất của tín hiệu CPICH trên mật độ công suất của toàn băng tần. Thông số này được sử dụng cho việc chọn cell và các thủ tục handover. Mức chỉ tiêu Ec/No ≥ -10 dBm trên 98% diện tích tòa nhà. - CPICH RSCP : là tín mức công suất của mã tín hiệu nhận được dựa trên các bit của kênh CPICH, đây là công suất của một chip chứ không phải công suất của bit dữ liệu. Ngoài việc phục vụ cho chọn cell handover, thông số này còn được sử dụng cho việc tính toán pathloss cũng như điều khiển công suất trong mạng. Mức chỉ tiêu RSCP ≥ -90dBm trên 95% diện tích tòa nhà. Khi UE đang hoạt động nó luôn đo kiểm và gởi báo cáo chất lượng tín hiệu về cho RNC thông qua kênh CPICH với hai thông số RSCP và Ec/No của tần số đang hoạt động để RNC có thể thực hiện thủ tục Handover cho UE. - PathLoss là độ chênh lệch giữa công suất phát và công suất thu của tín hiệu CPICH, phản ánh chất lượng đường truyền và được sử dụng để khởi tạo mức công suất cho PRACH và quá trình handover giữa hai tần số. 3.6 Các thông số cần thiết để lập kế hoạch vị trí 3.6.1 Các tham số về tòa nhà Khi lập dự án cho IBC, các thông số chi tiết về tòa nhà cần được thu thập. Các thông số đó là: Những khu vực cần được phủ sóng, đánh dấu những khu vực này trên sơ đồ bản vẽ. Diện tích sàn (ví dụ 50 x 50m) hoặc diện tích khu vực cần phủ sóng, xác định tỉ lệ của bản vẽ hoặc xác định một kích thước chuẩn trên bản vẽ. Chiều cao của mỗi tầng (thông thường là 4m). Vật liệu của sàn, tường, trần cũng như là độ dày của chúng. Số lượng và vị trí của vách ngăn, đánh dấu vị trí trên bản vẽ. Vị trí của máng cáp, các khu vực cho phép hoặc không cho phép dây cáp đi qua, đánh dấu các khu vực này trên bản vẽ. Xác định từng loại cáp cho các khu vực cụ thể. Xác định vị trí có thể đặt anten, các khu vực không cho phép đặt anten, các vị trí trần và tường cho phép mắc antena, chủng loại anten, số lượng anten cần thiết (công suất trên mỗi anten/ sóng mang), vị trí của trần giả nếu có. Vị trí của đường cáp chính. Vị trí đặt BTS, đánh dấu trên bản vẽ. Tất cả các thông tin trên cần được đánh dấu trên bản vẽ tòa nhà. 3.6.2 Các tham số lập kế hoạch Trong các phần trên, thông tin về toà nhà, BTS, thiết bị hỗ trợ đã được thu thập. Để hoàn thiện thông tin, thông số lập kế hoạch cho từng toà nhà cụ thể và cho từng nhà khai thác cụ thể cần được xác định. Vì những thông số này thay đổi theo từng trường hợp và khác nhau giữa các nhà khai thác dịch vụ. Chúng phải được xác định trước khi tiến hành lập kế hoạch IBC. Các thông số cần cho thiết kế IBC như sau: - Phần trăm diện tích cần bao phủ (thông thường > 95%) - Mức thu thiết kế ( tiêu chuẩn GSM > -85dBm). - ERP tối đa cho phép/ăng ten/1 sóng mang. Mức thu thiết kế được tính toán thông qua độ nhạy thu của máy di động, độ dự phòng phading, và suy hao bởi cơ thể người. Độ suy hao này là tham số mà tín hiệu phát ra từ máy di động hoặc tín hiệu thu được từ trạm BTS tại máy di động sẽ bị suy hao bởi đầu và thân người thuê bao. Độ dự phòng phading được đưa vào phép tính suy hao vì có những điểm phading sâu. Thông thường suy hao thân người là 5 đến 10dB, còn dự phòng phading là 10 đến 15 dB. Độ nhạy thu của máy di động được tính như sau: S = -174dBm + 10 log(NBW) + SNR + NF Trong đó: - 174 dBm là nhiễu nhiệt. - NBW: nhiễu băng thông. - SNR: hệ số tín hiệu/nhiễu. - NF: hệ số nhiễu của máy di động. Bảng 3.2: Các giá trị tham số điển hình NBW(10logNBW) SNR NF-MS MS Sensitivity Typical level GSM 200KHz (53dB) 9dB 8dB -104dBm -85dBm IS-136 30KHz (45dB) 17dB 8dB -104dBm -85dBm NMT 25KHz (44dB) 18dB 8dB -104dBm -85dBm AMPS 30KHz (45dB) 8dB 8dB -103dBm -85dBm IS-95 1.5MHz (62dB) -15dB 10dB -117/-115 -90dBm Các tham số khác: Diện tích vùng phủ sóng: 95 ~ 100% diện tích tòa nhà. Mức thu RxLevel: > -85dBm cho mạng GSM. Công suất phát cực đại tại mỗi antenna indoor/sóng mang:10 ~ 20 dBm. Công suất tại đầu ra của BTS: 33 ~ 43 dBm. Dải tần : GSM1800 MHz và 3G WCDMA 2100MHz GoS: 2%. Lưu lượng cho một thuê bao: 25mErl. 3.7 Thiết kế, lắp đặt và cấu hình thiết bị cho hệ thống 3.7.1 Thiết kế tổng quan Sau khi hoàn tất việc thu thập tất cả thông tin về toà nhà, về BTS và các chỉ tiêu tham số cho thiết kế, chúng ta có thể bắt đầu với việc đặt kế hoạch. Trước hết người thiết kế phải chọn một hệ thống phân phối. Đối với những toà nhà lớn có những đường nối dài (>200m) hoặc nhiều tầng đòi hỏi công suất cân bằng,ổn định, hệ thống phân phối tích cực được khuyến cáo sử dụng vì giá thành thấp của cáp sợi quang, chi phí lắp đặt thấp. Đối với những hệ thống nhỏ hơn và đường nối ngắn hơn, số lượng anten ít (<10 anten), người ta thường dùng hệ thống phân phối thụ động. Sau đó người thiết kế bố trí hệ thống BTS bao gồm bao nhiêu cell để phục vụ,ví dụ: trung bình 1 cell có thể phục vụ với diện tích 25 000m2. 3.7.2 Tính Link-Budget cho tòa nhà Quỹ đường truyền trong hệ thống GSM và 3G WCDMA dùng để tính toán suy hao cho phép lớn nhất của tín hiệu từ trạm phát đến trạm thu (chú ý: đối với đường lên máy phát là MS, máy thu là BS; đối với đường xuống: máy phát là BS, máy thu là MS). Để tính được quĩ đường truyền cho tòa nhà người thiết kế phải dựa vào các mô hình truyền sóng và sự lan truyền sóng trong nhà. Hình 3.13: Sự lan truyền sóng trong nhà Cách tốt nhất để có thông tin về sự truyền lan trong nhà là thực hiện test hiện trường với thiết bị thử nghiệm RF phù hợp. Cách này thường được thực hiện kết hợp với sự tính toán lý thuyết. Sự kết hợp hai phương pháp sẽ giúp người lập kế hoạch tối ưu hoá thiết kế. Sự truyền lan RF trong nhà là một vấn đề rất phức tạp. Hiện nay chưa có một phương pháp tính toán nào cho vùng phủ sóng trong nhà địa hình quá phức tạp, có nhiều cơ chế lan truyền sóng như phản xạ, khúc xạ, tán xạ xảy ra. Trên thị trường, có một số phần mềm cố gắng mô phỏng quá trình lan truyền sóng trong nhà tới mức tốt nhất có thể. Tuy nhiên, trong các phần mềm này, các tham số đầu vào như là tường, trần nhà, chủng loại, độ dày, vật liệu được giả thiết ở điều kiện tốt, do vậy quá trình mô phỏng cho kết quả khá đơn giản. Cũng có một số phần mềm yêu cầu các thông số đầu vào rất chi tiết và đầy đủ như là vật liệu của sàn, trần, tường, vật liệu làm cửa sổ, cửa ra vào, cũng như là vị trí và kích thước của chúng. Và khi các thông số đầu vào không được cung cấp đầy đủ, chương trình sẽ không cho ra kết quả mô phỏng. Để tìm ra kết quả tính toàn vùng phủ sóng của một anten trong nhà, người thực hiện sẽ sử dụng công thức dưới đây như là một chìa khóa. Công thức này dựa trên mô hình truyền sóng Keenan-Motley được sử dụng rộng rãi và dựa vào các phép đo trên hiện trường. 𝑝𝑙𝐾𝑒𝑒𝑛𝑎𝑛 𝑀𝑜𝑡𝑙𝑒𝑦 𝑑 =𝑝𝑙𝑓𝑠 𝑑 + 𝐿𝑤𝑖𝐼𝑖 Trong đó Lwi là tổn hao của bức tường thứ i. PL(dB)= 32.5 + 20 * log f + 20 * log d + k * F(k) + p * W(k) + D(d-db) Công thức tính rút gọn: (tính cho từng tầng riêng biệt) PL(dB)= 32.5 + 20 * log f + 20 * log d + p*W(k) f : tần số (MHz), d: là khoảng cách từ MS đến antenna (km). p: số bức tường mà sóng trực tiếp truyền qua. W(k): suy hao tường, thông thường từ 7dB cho tường gạch thông thường và 10dB đến 20dB cho tường bê-tông. Các công thức trên áp dụng cho cả mạng GSM1800 và WCDMA 2100. Ngoài ra còn có một số mô hình tính toán suy hao dựa trên đặc điểm và cấu trúc xây dựng của tòa nhà, và sự suy hao này được biểu thị bằng hệ số n. Bảng 3.3: Các giá trị n tương ứng với vật liệu tòa nhà Môi trường Tần số 900MHz Tần số 1800/2100MHz Không gian tự do. 2 2 Bãi đậu xe,trung tâm hội nghị. 3.37 3.01 Xí ngiệp, sân bay, nhà kho. 3.5 3.2 Siêu thị, văn phòng với 80% tường gạch mỏng và 20% tường bê tông dày. 3.61 3.31 Văn phòng với 50% tường mỏng và 50% tường bê tông dày. 3.76 3.48 Bệnh viện, văn phòng cao ốc với 20% tường mỏng và 80% tường bê tông dày. 3.94 3.81 Hình 3.14: Suy hao trong tòa văn phòng có mật độ người dùng cao Biểu đồ trên thể hiện suy hao với các khoảng cách từ 1- 50m, càng xa anten thì suy hao càng tăng, tần số càng lớn suy hao càng tăng. Từ công thức tính suy hao ta có thể tính được bán kính phủ sóng của anten: 𝑑=10(𝑃𝐿 𝑑 −𝑃𝐿(𝑑0))10∗𝑛 Vì các tòa nhà hầu hết có hình khối là hình vuông, nên chúng ta khá dễ dàng tính vùng phủ sóng là hình vuông. Bán kính hình tròn 65m có khả năng phủ sóng một diện tích vuông kích thước 90x90m. Trong quá trình tính toán, chúng ta phải đặc biệt chú ý đến sự suy hao của tín hiệu bởi tường, vách và các vật thể trong phòng, dẫn đến bán kính phủ sóng của anten sẽ giảm xuống. Đối với các bức tường mỏng, suy hao tín hiệu là 7 dB, tường bê tông suy hao từ 10 đến 20 dB. 3.7.3 Các thông số khác trong mạng UMTS WCDMA Trong hệ thống UMTS WCDMA, có một số các thông số đặc biệt trong quỹ đường truyền mà không được sử dụng trong hệ thống truy nhập vô tuyến của GSM, đó là: 3.7.3.1 Độ dự trữ fadinh nhanh (khoảng hở điều khiển công suất) Một số khoảng hở cần cho công suất phát của trạm di động để duy trì việc điều khiển công suất hợp lý. Thông số này được áp dụng một cách đặc biệt cho MS đi bộ di chuyển chậm mà tại đó điều khiển công suất nhanh có thể bù phading nhanh một cách hiệu quả. Một ảnh hưởng khác của điều khiển công suất nhanh là tăng công suất phát cần thiết trung bình (mức tăng công suất phát). Trong trường hợp MS di chuyển chậm, điều khiển công suất có thể theo kịp kênh phading và mức tăng công suất trung bình. Điều này rất cần thiết trong các cell của MS đó để cung cấp chất lượng tốt nhất cho các kết nối và không gây ra bất cứ một tác hại nào khi công suất phát tăng được bù bởi kênh phading. Tuy nhiên đối với cell lân cận thì lại tăng thêm nhiễu bởi vì phading nhanh trong các kênh là không tương quan. Các giá trị thông thường của độ dự trữ phading nhanh là 2.0 - 5.0dB đối với các MS di chuyển chậm. 3.7.3.2 Độ lợi chuyển giao mềm Chuyển giao mềm hay cứng cung cấp một độ lợi chống lại phading chậm bằng cách giảm độ dự trữ phading chuẩn log yêu cầu. Do trên thực tế phading chậm một phần không tương quan giữa các cell, và bằng cách thực hiện chuyển giao, máy di động có thể chọn lựa một liên kết thông tin tốt hơn. Hơn nữa, chuyển giao mềm đem lại một độ lợi phân tập bổ sung chống lại phading nhanh bằng cách giảm Eb/No tuỳ theo liên kết vô tuyến đơn do tác dụng của việc kết hợp phân tập macro. Tổng độ lợi là một hàm số của tốc độ máy di động và phụ thuộc vào thuật toán kết hợp phân tập được sử dụng trong bộ thu và hiện trạng trễ kênh. Các thông số trên nhằm giúp người lập kế hoạch có cách nhìn tổng quan về chất lượng của từng mạng cụ thể khi thiết kế hệ thống. 3.7.3.3 Chuyển giao xuất hiện giữa hệ thống IBC với các hệ thống khác Đối với hệ thống GSM -Chuyển giao giữa 2 cell trong hệ thống. -Chuyển giao giữa hệ thống bên trong và bên ngoài tòa nhà. Hình 3.15: Quá trình handover trong indoor Để giảm hiện tượng thường xuyên chuyển giao trong tòa nhà người thiết kế sẽ đưa ra các giải pháp sau: - Thiết lập các thông số chuyển giao tối ưu trong các cell indoor: Trong các cell indoor người thiết kế sẽ thiết lập thông số RxLev min phù hợp trong BTS để khi handover thì chỉ số C/I ≥ 12dB, ở hình trên thông số RxLev min access là -90dBm. -Thiết lập chỉ số Handover Margin phù hợp: Handover Margin là sự chênh lệch giữa mức thu của cell đang phục vụ và các cell lân cận. Khi mức thu của một cell lân cận nào đó vượt quá mức thu của cell đang phục vụ một khoảng lớn hơn giá trị Handover Margin định sẵn thì một Handover Alarm sẽ được gửi về hệ thống nhằm đưa đến quyết định chuyển giao. Thông thường thì thủ tục Handover sẽ được thực hiện ngay sau đó. Nếu việc đặt giá trị Handover Margin quá thấp sẽ dẫn tới việc Handover quá nhiều, nhưng ngược lại khi giá trị này đặt quá lớn có thể làm cho chất lượng cuộc gọi bị giảm xuống. Đối với hệ thống UMTS WCDMA Vì các cell lân cận trong hệ thống 3G sử dụng cùng một tần số nên thuê bao sẽ chuyển giao mềm ngay khi nó phát hiện được BSIC của cell neighbor với tín hiệu mạnh hơn cell service. Các giải pháp đưa ra tương tự như hệ thống của GSM. Hình 3.16: Quá trình handover trong tòa nhà Khi biết được các quá trình chuyển giao trong hệ thống ngƣời thiết kế IBC sẽ phối hợp với các operator đang hoạt động khai báo, điều chỉnh các thông số chuyển giao, C/I… trong BTS của các cell gần hệ thống IBC, chỉ cho phép chuyển giao bên trong vùng phủ sóng indoor gần vùng biên, khi thuê bao gần vùng phủ sóng indoor thuộc vùng phụ vụ của macro cell thì không xảy ra sự chuyển giao. CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG HỆ THỐNG IBC CHO TOÀ NHÀ Giới thiệu: Ở chương này sẽ tiến hành xây dựng mô hình phủ sóng di động cho một toà nhà mẫu mười năm tầng với một tầng hầm và sáu thang máy có tổng diện tích 1600m2, kích thước 40m x 40m. Mục đích tìm hiểu và làm quen về các công đoạn thi công, lắp đặt, kiểm tra, hoàn thiện các bộ phận, thiết bị của hệ thống IBC. Hình 4.1: Mô hình toà nhà mười năm tầng 4.1 Phân tích kết quả khảo sát Kết quả đo kiểm chất lượng phủ sóng di động tại các toà nhà thường cho thấy: Khu vực thấp từ tầng trệt đến tầng bốn mức thu tín hiệu sóng di động không đồng đều, nhiều chỗ sóng rất yếu hoặc không có sóng do bị khuất . Khu vực tầng trung (từ tầng năm đến tầng mười năm) mức thu kém đồng thời chất lượng thu thấp, không đạt yêu cầu, thường xuyên rớt cuộc gọi. Ở các tầng cao (từ tầng mười sáu đến tầng mái) mặc dù cường độ tín hiệu thu được của máy di động được cải thiện nhưng chất lượng thu là rất tồi, hiện tượng khó thiết lập cuộc gọi cũng như rớt cuộc gọi thường xuyên xảy ra. Lý do của hiện tượng này là khi lên cao, máy di động thu được nhiều tín hiệu với cường độ mạnh tương đương nhau từ nhiều trạm phát đến do không gặp phải vật chắn. Tuy vậy, do xác suất máy di động thu được hai hay nhiều tín hiệu đồng kênh hoặc cận kênh và có cường độ tương đương nhau là rất lớn, dẫn đến can nhiễu đồng kênh hoặc cận kênh, từ đó gây ảnh hưởng lớn tới chất lượng thoại, khó thiết lập, hay rớt cuộc gọi. Dựa trên kết quả đo và khảo sát các thông số này sẽ đưa ra đánh giá, kết luận về chất lượng phủ sóng trong tòa nhà và từ đó đưa ra giải pháp kỹ thuật giải quyết vấn đề trên. 4.2 Thiết kế, lắp đặt và cấu hình thiết bị cho hệ thống Từ những kết quả phân tích và thống kê ở trên, chúng ta đưa ra nhận xét, đánh giá chung như sau: mức thu của các máy điện thoại cầm tay và chất lượng thu yếu, xảy ra chuyển giao liên tục trong tòa nhà dẫn đến ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng của cuộc gọi. Để nâng cao chất lượng dịch vụ vì mức thu không ổn định và các mobile ở trạng thái non-serving khi chuyển kênh, giải pháp kỹ thuật được lựa chọn là: Lắp đặt bổ sung vùng phủ sóng cho tòa nhà theo các giải pháp tối ưu. Từ kết quả khảo sát cho thấy, để tránh gây nhiễu với các trạm BTS xung quanh, tòa nhà phải được phủ sóng ở dải tần số GSM1800 và 3G WCDMA 2100. Một toà nhà 15 tầng và 1 tầng hầm sẽ được phủ sóng tín hiệu GSM1800 và tín hiệu 3G WCDMA2100. Nhà khai thác lập kế hoạch sử dụng một BTS có 4 sóng mang và được đặt ở tầng hầm của toà nhà. Từ kết quả trên, toà nhà này có thể lựa chọn các giải pháp kỹ thuật sau: +Phủ sóng toàn bộ: Việc thiết kế tổng thể để phủ sóng toàn bộ các tầng trong toà nhà trên cơ sở tích hợp đồng bộ cùng hệ thống mạng bên ngoài với việc lựa chọn các tham số phù hợp sẽ giảm thiểu được ảnh hưởng đến các BTS xung quanh. + Phủ sóng các điểm sóng yếu: Giải pháp này không thể giúp cải thiện hiệu suất chung trong toà nhà vì chỉ các điểm đã được xác định mới được khắc phục. + Lắp đặt Repeater: Giải pháp này có thể giải quyết được vấn đề can nhiễu và nhưng không giải quyết được bài toán lưu lượng. Đối với tòa nhà này, người thực hiện lựa chọn giải pháp “phủ sóng toàn bộ” là giải pháp nhằm cải thiện mức thu, chất lượng thu và cung cấp cho khách hàng chất lượng dịch vụ tốt nhất. 4.2.1 Lựa chọn nguồn tín hiệu Căn cứ vào thực trạng mạng lưới của nhà khai thác người thiết kế đưa ra phương án sử dụng thiết bị trạm thu phát gốc Microcell để làm nguồn phát tín hiệu nhằm phủ sóng toàn bộ toà nhà. Lý do của việc lựa chọn giải pháp này: Việc triển khai ít ảnh hưởng đến các trạm Marco hiện có ở xung quanh toà nhà. Dung lượng của tòa nhà không lớn nên không cần phải sử dụng thiết bị dung lượng lớn Marco. Tần số sử dụng cho trạm này thuộc băng tần DCS 1800 MHz và 3G WCDMA 2100MHz. Đây là giải pháp tối ưu cho vùng phủ nhỏ bên trong khuôn viên tòa nhà. Để đảm bảo công suất phát ra của hệ thống anten đủ lớn, người thiết kế chọn công suất phát ra của thiết bị Microcell đối với GSM 1800 là 42 dBm và 3G WCDMA 2100 là 33dBm. Trong giải pháp này, thiết bị thu phát tín hiệu trạm gốc Microcell được đặt trong phòng thiết bị kỹ thuật. Thiết bị thu phát sẽ được kết nối về tổng đài di động của các nhà khai thác thông qua các truyền dẫn viba hoặc cáp quang, ở đây người thiết kế dùng viba để thu phát tín hiệu cho hệ thống và được đặt tại tầng mái và dẫn tín hiệu xuống BTS đặt ở tầng hầm của tòa nhà. Tín hiệu từ trạm Microcell này sẽ được phân phối phủ sóng cho các tầng thông qua hệ thống anten phân tán (DAS) bao gồm các phần tử thụ động như anten đặt tại các tầng, các bộ trích tín hiệu coupler, các bộ chia tín hiệu splitter và các hệ thống cáp feeder dẫn tín hiệu. Hình 4.2: Giải pháp sử dụng repeater với 3 anten tách tín hiệu từ Splitter chia 3 Người thiết kế sử dụng anten vô hướng có tăng ích 3 dBi để phủ sóng hành lang tầng hầm và vùng thang bộ. Các căn hộ của của toà nhà được phủ sóng bởi các anten đẳng hướng lắp đặt bên ngoài hành lang lối đi chung có hướng phủ sóng 2400 ra bốn góc biên tòa nhà. Các thang máy tòa nhà được phủ bởi các anten panel 14dBi đặt ở hốc thang máy tầng hầm. Ngoài ra, hiện nay có thể triển khai hệ thống phủ sóng di động cho tòa nhà bằng việc sử dụng hệ thống Repeater. 4.2.2 Hệ thống cấp nguồn, tiếp đất Nguồn điện 220VAC hoặc nguồn điện 3 pha 380 VAC được lấy từ nguồn điện của tòa nhà. Do phòng đặt BTS được đặt trong phòng kỹ thuật của toà nhà nên nguồn điện được cấp tại chỗ. Cáp nguồn được sử dụng có tiết diện lõi là 6mm/lõi. Sau khi đi qua UPS 3KVA, nguồn được cấp nuôi BTS, các thiết bị cảnh báo, ngoại vi. Tiêu chuẩn Ngành: TCN 68-140-1995: Chống quá áp, quá dòng để bảo vệ đường dây và thiết bị thông tin - yêu cầu kỹ thuật. Nguồn điện nuôi điều hòa cũng được lấy từ đường cáp này, nhưng không đi qua UPS. Ngoài ra, nguồn điện 220VAC được cấp cho các bộ khuếch đại. Tiếp đất của các thiết bị trong phòng đặt BTS được nối với hệ thống tiếp đất của tòa nhà, yêu cầu của hệ thống tiếp đất phải có điện trở suất nhỏ hơn 5Ω. Tiêu chuẩn Ngành TCN 68-141-1999: Tiếp đất cho các công trình viễn thông. Các hệ thống cáp điện và cáp tín hiệu phải được đặt trên cầu cáp và được cố định bằng gút nhựa. Các thiết bị trong phòng máy cần được lắp đặt cách xa vị trí điều hoà để tránh hỏng hóc do nước điều hoà chảy xuống. 4.2.3 Hệ thống cáp feeder và các bộ chia tín hiệu Lắp đặt 1 trạm thu phát BTS RBS 2216 và Node B dùng RBS 3216 tại phòng kỹ thuật nằm tại tầng hầm của tòa nhà. Phòng kỹ thuật có kích thước phù hợp với tiêu chuẩn kỹ thuật và được lắp đặt bổ sung hệ thống điều hoà không khí, bộ cảnh báo BTS. Thiết lập chế độ làm việc của BTS ở chế độ ưu tiên, việc khai báo này do operator cài đặt tại BSC của nhà cung cấp dịch vụ. Hệ thống feeder chạy trong tòa nhà được thiết kế theo kiểu backbone, trong đó có một feeder trục chạy dọc tòa nhà từ tầng một lên đến tầng trên cùng. Tại mỗi tầng, công suất được phân phối và điều khiển thông qua các bộ coupler. Để giảm thiểu suy hao công suất trên feeder, đường trục backbone được sử dụng loại feeder 7/8. Tại mỗi tầng, do việc thi công rất khó khăn, để vừa đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, vừa đảm bảo tính khả thi trong thi công, người thực hiện sử dụng loại feeder 1/2. Tại các vị trí gãy 900 người thiết kế sử dụng các adapter vuông để kết nối 2 dây, nhằm đảm bảo thẩm mỹ tốt nhất cho tòa nhà. Anten Omni - Indoor 3dBi 3600 được bố trí tại các điểm có mức thu RxLev thấp nhằm tăng mức thu trong toàn bộ toà nhà. Anten được lắp sát trần giả, rất đảm bảo mỹ quan cho tòa nhà. Các anten được nối với các bộ chia, bộ trộn bằng feeder 1/2. 4.2.4 Hệ thống anten trong toà nhà Từ BTS, feeder được phân chia thành 4 đường nối tới hệ thống anten cho toà nhà, bốn đường feeder này kết hợp 2 băng tần DCS 1800 và 3G WCDMA 2100 thông qua bộ Hybrid coupler. Tòa nhà này có trục gen chạy thông suốt từ tầng hầm đến tầng 15. Khoảng cách từ trục gen đến đầu ra BTS khoảng 10m. Đường trục feeder loại 7/8” chạy suốt từ tầng hầm đến tầng 15. Cụ thể tại tầng hầm là nơi sóng di động rất thấp, người thực hiện bố trí tầm bốn anten Omni- Indoor 3dBi 3600 và 3 anten Panel-Direction14dBi đặt tại 3 thang máy, các anten này sẽ được gắn lên trần bê tông thông qua các thanh sắt đỡ. Hình dưới đây minh hoạ cách gắn anten lên trần bê tông của tầng hầm. Hình 4.3: Anten Omni được gắn ở tầng hầm - Đối với các tầng khác (Sử dụng cấu trúc trần giả): Các anten vô hướng sẽ được gắn lên trần giả bằng các bộ gá treo anten như hình minh họa ở dưới. Hình 4.4: Anten Omni được gắn trên trần giả - Tại mỗi tầng trong tòa với diện tích 40mx40m = 1600m2 vậy người thiết kế sẽ lắp đặt một anten Omni-Indoor 3dBi 3600 ở giữa sàn và 4 anten Omni-Direction- Indoor 4,5dBi 2400 hướng ra bốn góc tại mỗi tầng tòa nhà, bán kính phạm vi phủ sóng của anten là 16m được đo trong bản vẽ mặt bằng của tòa nhà, các anten này được gắn dưới bộ gá cao 4cm, sử dụng đầu connector vuông. Tòa nhà có tổng cộng 6 thang máy dùng cho hoạt động lưu thông và chuyên chở đi lại, người thiết kế sẽ lắp đặt 6 anten Panel-Direction14dBi đặt tại 6 thang máy. Hình 4.5: Bố trí anten Panel trên đỉnh tòa nhà rồi hướng đến thang máy Phân phối công suất ra mỗi tầng thông qua các bộ coupler với các mức phân tách là 3db và 5db. Yêu cầu về lưu lượng cho tòa nhà vẫn được tính như trên. Bốn sóng mang trong BTS có thể đáp ứng được yêu cầu. Trong một mạng hai băng tần, các sóng mang được phân bố trên cả hai băng tần. Do vậy, hệ thống sẽ phát 2 sóng mang DCS1800 và 2 sóng mang 3G WCDMA 2100. Tổng công suất phát tín hiệu của BTS là 18W, đối với GSM1800 là 16W(42dBm)/tần số và 2W(33dBm)/tần số đối với WCDMA 2100. Hai băng tần được kết hợp với nhau qua bộ Hybrid Combiner có suy hao là 6,2dB, ở đây ta chỉ sử dụng 2 ngõ vào tương ứng với 2 băng tần và 4 ngõ ra kết hợp 2 băng tần để phân phối công suất ngang bằng ra các anten. Thi công hệ thống phân phối ănten Đối với hầu hết các toà nhà chúng tôi đều khuyến nghị sử dụng hệ thống anten phân tán thụ động (DAS). Hệ thống anten phân tán được đề cập chi tiết này còn cần đảm bảo phù hợp với các yêu cầu sử dụng cũng như của công nghệ mới mà không cần phải tăng thêm chi phí do phải thay đổi kiến trúc thiết kế cũng như môi trường truyền dẫn. Hầu hết các hệ thống anten phân tán hiện nay đều được thiết kế với mô hình kiến trúc phân cấp hình sao phù hợp với các chuẩn đi cáp trong các toà nhà thương mại, và có độ bền tới 15 năm mà vẫn đáp ứng được cho quá trình phát triển rất nhanh chóng của các công nghệ viễn thông do các nhu cầu tăng công suất sử dụng, do nhiều dịch vụ mới ra đời (điều này thường thể hiện qua quá trình nâng cấp liên tục riêng phần các thiết bị viễn thông từng phần hoặc toàn bộ trong 3 đến 5 năm một lần). Hệ thống anten phân tán DAS được sử thiết kế dựa trên mô hình kiên trúc hình sao có sửa đổi bằng việc kết hợp với các đường trục chính kết nối các điểm tâm. Với mô hình kiến trúc này, mỗi đườg liên kết sẽ độc lập với các đường khác, việc thay đổi các kết nối sẽ chỉ ảnh hưởng đến chính kết nối này. Một lợi điểm khác, mô hình kiến trúc này cho phép các hệ thống anten phân tán này có thể được triển khai từng giai đoạn một tuỳ theo yêu cầu sử dụng thông qua việc phân mảng thành các hệ thống thành phần. Một hệ thống anten phân tán DAS có thể được tổ chức thành các hệ thống thành phần chi tiết như sau: Hệ thống thiết vị viễn thông: bao gồm BTS, Repeater,... Phần nầy sẽ kết nối đến mạng lưới của các nhà cung cấp dịch vụ và thường được chính các nhà cung cấp dịch vụ cung cấp và triển khai. Hệ thống cáp trục chính: Bao gồm cáp feeder 7/8” hoặc có thể kết hợp với cáp quang, các bộ kết nối quang, bộ chia cân bằng spliter hoặc không cân bằng coupler... Hệ thốngnày cung cấp các tuyến cáp chính trong toà nhà và liên kết các tầng với nhau. Hệ thống cáp phân tán ngang: Bao gồm cáp Feeder ½”, adapter, cáp nhảy, bộ chia công suất, đầu nối connector,... hệ thống này mở rộng hệ thống cáp trục chính nói trên ra các khu vực lắp đặt anten. Hình 4.6: Làm đầu connector và đấu nối vào coupler Hệ thống anten phân tán: bao gồm các anten, các bộ giá lắp,... hệ thống này hoàn thiện nốt nhiệm vụ của toàn bộ các hệ thống trên bằng vai trò thu phát song, làm việc trực tiếp với các đầu cuối sử dụng dịch vụ. Hình 4.7: Nhân viên đang đấu nối đầu connector cáp feeder 1/2 vào anten omni 4.2.5 Thiết kế hệ thống IBS theo trục đứng Một hệ thống IBS có sơ đồ như sau: BTS --->Hybrid Combiner/ POI --->Feeder --->Amplifier---->Feeder---->Anten Hình 4.8: Mô hình hệ thống IBS theo trục đứng Tín hiệu từ trạm BTS sẽ được cho qua bộ ghép kết hợp. Bộ ghép kết hợp( Hybrid Combiner ): Có tác dụng kết hợp từ 2 nhà khai thác mạng dùng chung một hệ thống. Đối với những tòa nhà lớn phải dùng Amlifier để khếch đại tín hiệu (đồng nghĩa với việc nếu Amplifier không tốt sẽ khếch đại cả nhiễu). Sau khi qua Feeder cable sẽ dẫn đến hệ thống anten ở các tầng của tòa nhà. Sau khi khảo sát xong, công việc tiếp theo là bên bộ phận thiết kế hệ thống. Tùy vào số tầng cũng như diện tích mặt bằng của công trình mà người kỹ sư quyết định có sử dụng repeater hay không. Viêc tính toán phải hết sức kỹ lưỡng giữa việc sử dụng nhiều anten hay việc sử dụng repeater (tăng công suất phát làm tăng vùng phủ sóng của anten). Trình tự công việc có thể nêu ngắn gọn như sau: Dựa trên bản vẽ kiến trúc của chủ đầu tư cung cấp cùng với việc khảo sát thực tế tòa nhà, người kỹ sư sẽ biết được các vị trí thích hợp để đặt các ănten (thông thường là ở các hành lang, ít khi đặt trong phòng hay trong căn hộ). Ở đây, người thiết kế dùng phần mềm Auto Cad để mở các file kiến trúc, sau đó lọc bỏ hết các lớp nội thất, lớp text … chỉ dùng lớp ARC-PLAN là lớp kết cấu tường nhà. Sau đó thì vẽ thêm lớp đặt các ănten và đi dây từ BTS Room đến các anten. Từ bản vẽ người thiết kế biết được chiều dài dây cáp từ là bao nhiêu (dựa trên tỉ lệ bản vẽ so với thực tế). Hình 4.9: Sơ đồ bố trí vị trí đặt anten ở tầng hầm Tùy theo từng tầng có kết cấu bê tông khác nhau (dày hay mỏng, nhiều hay ít tường chắn thì độ suy hao khác nhau), diện tích khác nhau sẽ đưa ra các giải pháp khác nhau. Dùng loại ănten nào (vô hướng hay có hướng), số lượng bao nhiêu, đi dây cáp từ hệ thống cáp đứng đến ănten (cáp đồng loại 1/2hay 7/8). Nếu toàn nhà trên 15 tầng thì phải dùng cáp quang (độ suy hao ít). Trên lý thuyết nếu dùng toàn cáp quang cho việc đi dây trục đứng thì sẽ chất lượng tốt hơn nhưng bù lại tính kinh tế không cao vì phải sử dụng các bộ biến đổi quang sang điện, điện sang quang, khó khăn trong việc bảo trì dây cáp (cáp đồng bền hơn cáp quang). Hình 4.10: Sơ đồ hình cây hệ thống phân phối anten Hình 4.11: Hình mô phỏng vùng phủ sóng của các anten Nếu dây feeder càng dài thì suy hao từ BTS đến thiết bị bức xạ càng lớn. Công suất tại ănten càng lớn thì vùng phủ sóng càng rộng, tất nhiên phải dự trù độ suy hao do bị ảnh hưởng của các bức tường bê tông. Và cũng tùy vào hình dạng của mặt bằng, điều kiện cho phép mà có thể dùng thêm các anten có hướng để tăng cường. Hình 4.12: Hình mô phỏng vùng phủ sóng của các anten (có dùng anten có hướng) 4.2.6 Lắp đặt phòng BTS room Phòng BTS thường được đặt ở tầng hầm hay tầng thượng của tòa nhà. Sau có được nguồn tín hiệu bằng phương pháp truyền dẫn vô tuyến hay hữu tuyến thì dẩn xuống phòng BTS bằng cáp đồng hay cáp quang. Hình 4.13: Truyền dẫn vô tuyến từ BTS gần nhất của nhà mạng đến phòng BTS Tùy vào số lượng người dùng cần được phủ sóng với kết cấu tòa nhà mà người thiết kế có thể sử dụng các thiết bị phụ trợ: RF repeater, Wideband in line Boosters, Fibre Optic Repeater, Combiner.. Hình 4.14: Lựa chọn thiết bị tùy theo từng môi trường Để kết hợp tín hiệu của nhiều nhà mạng khác nhau, có thề dùng thiết bị combiner để kết hợp sóng lại với nhau. Hiện nay tại Việt Nam có thêm mạng 3G thì phải dùng thiết bị đa năng hơn, điển hình là Multiband Inbuilding Solution – Point Of Interconnects. Hình 4.15: Thiết bị POI của hãng Comba Hình 4.16: Sơ đồ thiết kế hệ thống của IBC thụ động của tòa nhà 4.3 Kiểm tra chất lượng tín hiệu khi hệ thống IBC đi vào hoạt động Sau khi người thực hiện đồ án hoàn thành một hệ thống IBC sẽ đưa hệ thống đi vào hoạt động và phục vụ cho các thuê bao trong tòa nhà. Người thiết kế sẽ tiến hành từng bước để kiểm tra chất lượng tín hiệu bên trong tòa nhà. Đo mức tín hiệu trong tòa nhà: Sử dụng máy đo TEMS, NEMO hoặc máy điện thoại có chức năng hiển thị tham số mạng để đo. Các điểm chuẩn được xác định như sau: Dưới tất cả các anten các tầng. Các khu vực như: cầu thang bộ, vùng biên của tòa nhà. Tối thiểu 200m2 phải thể hiện được một điểm chuẩn. Mức thu yêu cầu đối với từng hệ thống: Đối với hệ thống 2G: mức thu dưới anten: Rxlevel: ≥-55dBm Vùng biên tòa nhà: Rxlevel: ≥-85dBm Đối với hệ thống 3G: mức thu dưới anten: RSCP: ≥-70dBm Vùng biên toà nhà: RSCP: ≥-95dBm Đo chất lượng thoại (SQI) và chất lượng thu (RxQual): Mức thu RxQual = 0. Chỉ tiêu SQI cho cuộc gọi half rate phải đạt giá trị tối thiểu là 17, đối với cuộc gọi full rate là 21, đối với Enhanced Full Rate là 30. Kiểm tra chất lượng phủ sóng trong thang máy: Thực hiện cuộc gọi ở bên ngoài thang máy tại tầng thấp nhất và đi vào thang máy thì cuộc gọi vẫn tiếp tục khi thang máy di chuyển lên đến tầng cao nhất. Ra khỏi thang máy trong khi cuộc gọi vẫn kết nối, không xảy ra rớt cuộc gọi. Mức thu RxLevel trong thang máy phải ≥ -85 dBm. Mức thu RSCP trong thang máy phải ≥ -95 dBm. Đánh giá về tỉ lệ thiết lập cuộc gọi và chuyển giao Tỷ lệ thiết lập cuộc gọi thành công (Call Setup Success Rate) ≥ 98%. Tỷ lệ rớt cuộc gọi (Drop Call Rate) ≤ 1%. Tỷ lệ chuyển giao cuộc gọi (Handover Success Rate) ≥ 98%. Handover 3G sang 2G trong trường hợp thuê bao đi từ trong tòa nhà ra ngoài tòa nhà. 2G sang 3G chỉ áp dụng trong trường hợp IDLE MODE (thuê bao chuyển vùng từ 2G sang vùng 3G sẽ cập nhật ngay vào 3G khi sóng đủ lớn). Kiểm tra hệ thống anten, feeder Sử dụng máy đo (Wiltron Sitemaster hoặc Bird Site Analyzer) để kiểm tra chất lượng Anten/feeder theo thông số của nhà sản xuất. Yêu cầu hệ số sóng đứng ≤ 1.3 (VSWR ≤1.3). Kết quả kiểm tra chi tiết vùng phủ sóng các tầng. Sử dụng máy TEMS, NEMO hoặc tương đương để walking test. Thực hiện 2 mẩu cuộc gọi cho 100m2 (tùy vào diện tích tầng mà có số mẫu cuộc gọi tương ứng). Các cuộc gọi được thực hiện trong khoảng thời gian 60 giây, thời gian nghĩ giữa 2 cuộc là 5 giây. Các cuộc gọi phải được thực hiện từ câu dòng lệnh máy đo. Mức thu RxLevel ≥ -85 dBm trên 98% diện tích tòa nhà. Mức thu RSCP ≥ - 95 dBm trên 98% diện tích tòa nhà. Mức thu Ec/No ≥ - 10dBm trên 98% diện tích tòa nhà. Kiểm tra dây cáp Hệ thống DAS sau khi được lắp đặt bên trên tường thì khó có thể biết được chất lượng của cáp. Trong nhiều trường hợp sóng yếu hay không có sóng thì nguyên nhân chủ yếu là đo cáp gãy hay đầu connector làm không đúng kỹ thuật hoặc anten bị hử hỏng. Để biết được nguyên nhân do đâu thì, người kỹ sư có thể dùng máy đo hệ số sóng đứng để kiểm tra. Mỗi anten đều có thông số về hê số sóng đứng tùy theo từng băng tần. Ví dụ: Anten Omni thường có hệ số sóng đứng khoảng <1.5, nhưng theo tiêu chuẩn yêu cầu là <1.3, với <1.2 là tốt. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN -------------------o0o------------------ Kết luận: Với báo cáo này, Em đã trình bày cơ sở lý thuyết và quy trình từng bước thiết kế hệ thống IBS cho một tòa nhà, và thiết kế hoàn chỉnh một hệ thống phủ sóng di động thực tế cho một tòa nhà mẫu có thể áp dụng cho các tòa nhà tương tự, ngoài ra đồ án còn phân tích các thông số của mạng dựa trên máy đo Tems Investigation và Tems pocket, không những đo các thông số mạng trong Indoor mà còn phục vụ cho việc đo các thông số cho các cell Macro outdoor, thực hiện Driving test, phân tích handover, phục vụ cho việc quy hoạch, tối ưu hóa và nâng cấp mạng. Hạn chế của báo cáo là chỉ đưa ra cách thiết kế cho một tòa nhà cao tầng từ 15- 25 tầng với dung lượng trung bình, đối với các tòa nhà cao tầng hơn và dung lượng cao cần phải có hệ thống cáp quang thay cho hệ thống feeder để giảm suy hao, lúc này hệ thống cần phải bổ sung thêm những phần tử biến đổi Quang-điện và ngược lại, làm cho hệ thống phức tạp hơn nhiều. Hướng phát triển đề tài: Ở đây Em chỉ trình bày về việc thiết một hệ thống phủ sóng di động trong tòa nhà, ngoài ra giải pháp Inbuilding bao gồm nhiều thành phần khác như hệ thống Wireless Lan, hệ thống IPTV, hệ thống truyền hình cáp… Tương lai sẽ phát triển hệ thống phủ sóng di động tích hợp nhiều dịch vụ như hệ thống Wireless Lan, hệ thống truyền hình cáp, và nghiên cứu, ứng dụng hệ thống phủ sóng di động dùng cáp quang để giảm suy hao tối đa cho hệ thống khi giá thành cáp quang ngày càng rẻ đi. Đáp ứng được chất lượng và giá cả dịch vụ cho nhu cầu ngày càng cao của xã hội. TÀI LIỆU THAM KHẢO ----------------o0o--------------- Sách tham khảo: [1]. PTS.Nguyễn Phạm Anh Dũng, Thông tin di động thế hệ 3 (tập 1), Nhà xuất bản bưu điện, 2001. [2]. PTS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, cdmaOne và cdma2000, Nhà xuất bản bưu điện, Hà Nội – 1997. [3]. KS Đinh Thị Minh Nguyệt, Giải pháp phủ sóng di động trong các công trình đặc biệt – 2008. [4]. Inbuilding system solution slide of: Ericsson, Alcatel, Singtel, Digi Business Confidential, Qualcomm. [5]. Professor Simon R. Saunders, Indoor Radio Planning, A John Wiley & Sons, Ltd, Publication, United Kingdom-2008. [6]. J.D.Parsons, The mobile radio propagation channel-Second Edition, A John Wiley & Sons, Ltd, Publication, United Kingdom-2000. Các Web Site tham khảo: www.ericsson.com.review www.ericsson.com/tems www.telestone.com www.gsmworld .com www.umtsworld.com www.ericson.com www.nokia.com NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ ----------------o0o---------------- CƠ SỞ THỰC TẬP: …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….................................................................................................................................................. GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..................................................................................................................................................