Nghiên cứu khảo sát phủ sóng công trình đô thị

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG  LÊ QUANG MINH NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT PHỦ SÓNG CÔNG TRÌNH ĐÔ THỊ CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 60.52.70 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS. LÊ CHÍ QUỲNH HÀ NỘI - 2009 2 Luận văn được hoàn thành tại: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: TS. Lê Chí Quỳnh Phản biện 1: …………………………………………………… …………………………………………………… Phản biện 2: …………………………………………………… …………………………………………………… Phản biện 3: …………………………………………………… …………………………………………………… Luận văn sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: giờ ngày tháng năm 200 Có thể tìm hiểu luận văn tại: Thư viện Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông ……………………………………………………… 3 MỞ ĐẦU Những năm gần đây, với sự phát triển về kinh tế xã hội của đất nước tốc độ hiện đại hoá tại các đô thị và đô thị hoá diễn ra mạnh mẽ. Nhiều công trình cao ốc mọc lên trong các thành phố lớn đồng thời cũng xuất hiện nhiều công trình ngầm, công trình có cấu trúc phức tạp như toà nhà văn phòng, khách sạn, chung cư cao cấp Tại các công trình này có yêu cầu lớn về thông tin và lưu lượng thông tin. Yêu cầu cao về chất lượng phục vụ của hệ thống thông tin nói chung và thông tin vô tuyến di động nói riêng. Tuy nhiên, do đặc điểm phức tạp của cấu trúc công trình cùng với sự thiếu đồng bộ khi xây dựng công trình chưa tính đến các yếu tố phủ sóng di dộng nên tín hiệu di động kém, tồn tại nhiều điểm mù sóng, chuyển giao, chất lượng cuộc gọi thấp…Với các lý do trên, việc xây dựng hệ thống phủ sóng trong công trình này đảm bảo chất lượng phục vụ của mạng di động là hết sức cần thiết. Trong khuôn khổ của luận văn này sẽ phân tích các mô hình truyền sóng, các tham số ảnh hưởng đến quá trình phủ sóng nói chung và phủ sóng công trình đô thị nói riêng, đưa ra mô hình thích hợp làm cơ sở cho công tác khảo sát, đánh giá, quy hoạch mạng, lựa chọn phương án tốt nhất để thi công đảm bảo chất lượng dịch vụ. Mô hình được lựa chọn là 3D (3-Dimension), một mô hình hiện đại được các nhà thiết kế trong nhiều lĩnh vực sử dụng để mô phỏng, khảo sát đối tượng. Mô hình này áp dụng trong phân tích, thiết kế mạng di động chắc chắn sẽ đem lại hiệu quả cao. Chương I của luận văn sẽ tìm hiểu các mô hình truyền sóng; Nắm vững phạm vi ứng dụng của các mô hình truyền sóng; Có khả năng áp dụng kiến thức mô hình truyền sóng mới; Tính toán suy hao của tín hiệu vô tuyến trong các môi trường. Chương II tìm hiểu nguyên lý lan truyền tín hiệu di động trong môi trường truyền dẫn trong nhà; Đánh giá được mức độ phủ sóng của trạm phát sóng ngoài trời đối với một tòa nhà cao tầng; Sự cần thiết phải xây dựng hệ thống phủ sóng tín hiệu cho các công trình xây dựng cao tầng, công trình ngầm. Giới thiệu mô hình 4 trong không gian 3D với bộ phần mềm Google Sketchup để biểu diễn và mô phỏng điều đó. Chương III áp dụng mô hình đã chọn cho việc xây dựng dự án, quá trình thiết kế và thực hiện lắp đặt hệ phủ sóng di động bên trong tòa nhà cao ốc. Cuối cùng, phần kết luận sẽ tổng kết các kết quả nghiên cứu của luận văn với hy vọng mô hình 3D được ứng dụng rộng rãi vào thực tế. 5 CHƯƠNG 1. CÁC MÔ HÌNH TRUYỀN SÓNG 1.1 Nguyên lý truyền dẫn sóng điện từ. 1.1.1 Các cơ chế lan truyền sóng điện từ. Lan truyền sóng điện từ được chia thành 3 cơ chế lan truyền cơ bản: Phản xạ là cơ chế xảy ra khi sóng điện từ va đập vào vật thể có kích thước lớn hơn rất nhiều so với bước sóng. Phản xạ sinh ra các sóng thứ cấp có thể gây nhiễu với các sóng khác. Khúc xạ là cơ chế xảy ra khi đường truyền sóng bị che khuất một phần bởi một vật thể. gốc và máy di động luôn thay đổi. Tán xạ là cơ chế xảy ra trong môi trường truyền dẫn có chứa các vật thể có kích thước nhỏ hơn nhiều so với bước sóng của tín hiệu. 1.1.2 Các hiệu ứng lan truyền sóng. Lan truyền sóng điện từ trong môi trường thực là một quá trình phức tạp, đó là sự kết hợp của nhiều cơ chế lan truyền khác nhau. Tuy nhiên, nó được mô hình hóa thành 3 loại hiệu ứng cơ bản sau: Hiệu ứng nhiều tia là hiệu ứng lan truyền sóng rất phổ biến trong môi trường di động. Nó là sự tổng quát hóa của cơ chế phản xạ hai tia. Trong thực tế, lan truyền nhiều tia sẽ có hàng chục đến hàng trăm tín hiệu thành phần với biên độ và pha ngẫu nhiên sẽ đến máy thu. Hiệu ứng che khuất: sự thay đổi chậm trong suy hao đường truyền gây ra bởi sự che chắn hoặc che chắn một phần do kích thước lớn của vật thể hoặc đặc tính của địa hình. Lan truyền qua tòa nhà và khu vực giao thông. Để đảm bảo rằng cường độ tín hiệu đủ mạnh tới các máy di động, chúng ta cần phải tính toán suy hao đường truyền khi tín hiệu xuyên qua các vật thể. Mức tín hiệu bên trong tòa nhà chịu ảnh hưởng của nhiều tham số khác nhau. Đó là: - Góc tới của tín hiệu từ trạm gốc đến tòa nhà. - Hình dạng của cửa sổ. - Đặc tính hấp thụ và phản xạ của bề mặt và tường của tòa nhà. - Sự bố trí sắp xếp và đặc tính của đồ vật bên trong. - Sự thay đổi từ tầng nọ đến tầng kia so với vị trí của trạm gốc. - Lan truyền trong các hộp kỹ thuật, giếng thang máy. 1.2 Lan truyền trong không gian tự do. 6 Lan truyền trong không gian tự do khi tín hiệu chỉ truyền trên một đường, không có sự phản xạ cũng như sự che chắn đường truyền bởi vật thể. Về mặt kỹ thuật, điều kiện để có lan truyền tự do là miền Fresnel thứ nhất không bị che chắn bởi vật thể. Nếu gọi d là bán kính miền Fresnel thứ nhất, λ là bước sóng của tín hiệu, D là khoảng cách từ trạm phát đến máy di động, ta có công thức tính bán kính miền Fresnel thứ nhất như sau: d= 1 2 D  (1-1) Chúng ta bắt đầu với công thức tính suy hao sau: Lfs= 2 4 d         (1-2) Trong công thức này, d là khoảng cách giữa máy phát và máy thu. λ là bước sóng . Ta viết lại công thức trên theo các tham số thường được sử dụng là tần số (f) và khoảng cách với ở = c/f, trong đó f là tần số sóng mang (đơn vị la MHz), c là vận tốc ánh sáng (c= 3.10 8 m/s). Lfs = 2 4 df c        (1-3) Chuyển đổi công thức này sang logarit, ta có: L (dB) = 32.44 + 20lgf(MHz) + 20lgd(km) (1-4) Chuyển đổi sang dB, ta có: fs 40 L (dB)=20lg 20 lg 20 lg 3 f d          1.3 Mô hình Okumura. Okumura muốn tính toán một cách hệ thống đối với các loại địa hình khác nhau và các môi trường khác nhau. Công thức Okumura: L OKUMURA = L fs + A m (1-5) Trong đó: A m là hệ số suy hao dự đoán Okumura. A m được tra qua đồ thị đường cong. L fs : là suy hao lan truyền trong không gian tự do. 1.4 Mô hình Hata 7 Mô hình này được xây dựng dựa trên suy hao đường truyền giữa các anten isotropic, nhưng nó cũng xét đến các thông số khác như chiều cao của cột anten trạm BTS, chiều cao của anten MS. Địa hình trong mô hình được giả thiết là khá bằng phẳng, không có bất thường. Công thức Hata tính suy hao đường truyền: L HATA = 69,55 + 26,16logf C –13,82logh B - a(h m ) + (44,9- 6,55logh) x logR (1-6) 1.5 Mô hình COST231 – Walfish – Ikegami. Mô hình COST231-Walfish-Ikegami ước lượng suy hao đường truyền trong môi trường đô thị, với dải tần làm việc từ 800 đến 2000MHz. Công thức COST231-Walfish-Ikegami : L COST = fs ms rts fs L + L + L L    Nếu L ms + L rts < 0 (1-7) Suy hao hướng phố:     ori 10 0,345 2,5 0,075 35 4,0 0,114 35 L                0 0 0 0 0 0 0 35 35 55 55 90 khi khi khi          8 CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH TRUYỀN SÓNG TRONG NHÀ 2.1 Các mô hình thực nghiệm. 2.1.1 Truyền sóng bên ngoài vào trong tòa nhà. Trong thông tin di động, các nhà chuyên môn lấy yếu tố suy hao đường truyền tín hiệu trong tòa nhà để đánh giá chất lượng cho từng mạng di động. Các vấn đề của mô hình lan truyền tín hiệu trong nhà rất khác nhau và phức tạp. Cụ thể là: * Đó là môi trường truyền dẫn 3 chiều. Bởi vì với một khoảng cách xác định từ BTS đến MS, chúng ta phải quan tâm đến yếu tố chiều cao, nó phụ thuộc vào số tầng của tòa nhà. Trong khu vực thành thị, chúng ta dễ nhận thấy rằng tín hiệu sẽ có đường truyền thẳng LOS từ BTS đến MS khi MS đang ở các tầng cao của tòa nhà, trong khi nếu MS ở các tầng thấp hay trên phố, đường truyền LOS rất khó đạt được. * Môi trường truyền dân bên trong tòa nhà trong đó chứa nhiều vật cản. Những vật cản này được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau, và có vị trí rất gần với máy di động. Với môi trường như vậy, đặc tính lan truyền của tín hiệu sẽ thay đổi rất nhiều so với môi trường ngoài trời. * Chúng ta đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu về lan truyền tín hiệu từ ngoài vào bên trong tòa nhà, đặc biệt với các dải tần số sử dụng cho mạng di động. Các kết quả nghiên cứu đã đưa ra công thức suy hao của tín hiệu: L = S + 10nlogd (2-1) Trong đó: S là hằng số, S = 32.0 @ 900MHz = 38.0 @ 1800MHz. d là khoảng cách giữa máy phát và máy thu. Khi trạm thu phát nằm bên ngoài, tín hiệu bên trong tòa nhà sẽ có những đặc tính sau: - Sự thay đổi tín hiệu theo tỉ lệ nhỏ (small-scale) tuân theo phân bố Rayleigh. - Sự thay đổi tín hiệu theo tỉ lệ rộng (large-scale) tuân theo phân bố lognormal với độ lệch chuẩn phụ thuộc vào điều kiện môi trường lan truyền và diện tích từng tầng. 9 - Suy hao xâm nhập vào tòa nhà của tín hiệu sẽ giảm khi tần số tăng. - Khi không có đường truyền thẳng LOS giữa BTS và tòa nhà (cơ chế tán xạ chiếm ưu thế), sự sai lệch tiêu chuẩn của giá trị trung bình cục bộ xấp xỉ 4dB. Khi có đường truyền thẳng LOS, sự sai lệch tiêu chuẩn là 6 đến 9dB. - Sự thay đổi suy hao xâm nhập của tín hiệu theo độ cao là 2dB/tầng. Toledo đã thực hiện các phân tích hồi quy nhiều bước với một cơ sở dữ liệu to lớn, và nghiên cứu mối quan hệ của các tham số. Kết quả tốt nhất của ông là đưa 3 tham số vào công thức toán hồi quy. Đó là khoảng cách d giữa máy phát và thu, diện tích sàn A f , và hệ số S Q thể hiện cho số sàn của tòa nhà có đường truyền thẳng LOS. Mô hình cho tần số 900 và 1800MHz như sau: L = -37,7 + 40logd + 17,6logA f –27,5S Q (2-2) L = -27,9 + 40logd + 23,3logA f – 20,9S Q (2-3) Sai số giữa công thức toán học trên với giá trị đo thực nghiệm là 2,4 và 2,2dB tương ứng. Sai số này nhỏ hơn một chút so với kết quả nghiên cứu của Barry và Williamson. 2.1.2 Truyền sóng bên trong tòa nhà. Lan truyền sóng trong nhà chịu ảnh hưởng rất lớn bởi các đặc tính của tòa nhà như các bố trí vật dụng trong nhà, vật liệu dùng để xây dựng tường, sàn nhà, trần nhà. Sự hoạt động không như mong muốn của hệ thống băng thông rộng có thể gây ra bởi nhiễu giữa các ký tự do sự trễ dải rộng. Điều này làm hạn chế tốc độ truyền dữ liệu. Do vậy, trong hệ thống băng thông hẹp, phading nhiều tia và che khuất làm hạn chế vùng phủ sóng.Nhiễu có thể xuất phát từ tự nhiên, cũng có thể do con người, hoặc cũng có thể do các user khác trong một hệ thống nhiều user tạo ra. Nó làm hạn chế số lượng user cùng tồn tại trong một vùng phủ sóng. Các kỹ thuật như cấp kênh động, điều khiển công suất, thu phân tập có thể được sử dụng để hạn chế vấn đề này. 2.1.2.1 Đặc tính lan truyền. Một số các nghiên cứu đã được thực hiện để xác định các đặc tính lan truyền trong nhà, trong tòa nhà văn phòng, trong nhà xưởng. Một trong số các nghiên cứu mới nhất, được thực hiện trên 10 hệ thống điện thoại vô tuyến tại Nhật Bản, có dải tần làm việc từ 250 đến 400MHz. Kết quả nghiên cứu cho thấy suy hao đường truyền trung bình tuân theo quy luật suy hao trong không gian tự do trong khoảng cách rất gần (trong phạm vi 10m). Sau đó, suy hao này tăng tỉ lệ với khoảng cách. Motley and Keenan đã báo cáo kết quả nghiên cứu thực nghiệm của họ với môi trường nghiên cứu là tòa nhà văn phòng nhiều tầng, tại tần số là 900 và 1700MHz. Một máy phát cầm tay di chuyển trong một phòng được lựa chọn trong tòa nhà này, trong khi máy thu là cố định một chỗ. Máy thu có vị trí tại trung tâm của tòa nhà, nó giám sát các mức của tín hiệu. Họ đã đưa ra một công thức thể hiện mối quan hệ giữa công suất và khoảng cách như sau: P = P’ + kF = S + 10nlogd (2-4) Trong đó: F là suy hao tại mỗi tầng của tòa nhà. K là số tầng. P’ là tham số suy hao phụ thuộc tần số Có một số công thức mở rộng của (2-1) trong mô hình suy hao tín hiệu trong nhà. L = S + 10nlogd + X d (2-5) Trong đó X d là tham số lognormal (dB) với độ sai lệch tiêu chuẩn là σ. Xuất phát từ công thức cơ bản (2-1), Toledo và Turkmani đã tiến hành nghiên cứu có sử dụng thêm các yếu tố khác, đưa ra công thức: L = 18.8 + 39.0logd + 5.6k r + 13.0S win – 11.0G – 0.024A f L = 24.5 + 33.8logd + 4.0k r + 16.6S win – 9.8G – 0.017A f (2-6) Trong đó, k r là số sàn giữa máy phát và máy thu. S win là hệ số thể hiện cho mức năng lượng thoát ra và quay lại tòa nhà. Swin có giá trị là 0 hoặc 1, phụ thuộc vào vị trí của máy thu. G thể hiện cho mức năng lượng tại hai tầng thấp nhất của tòa nhà. A f là diện tích sàn của phòng đặt máy thu. 2.2 Mô hình giải tích truyền sóng trong nhà (Ray tracing). Có một số phương pháp để xác định đường đi trong đó chúng ta có thể áp dụng phương pháp tìm vết ( Ray tracing ). Phương pháp này dựa trên công nghệ xử lí ảnh. Nó coi tất cả các vật cản như là vật phản xạ tiềm tàng và tính toán ảnh hưởng của chúng dựa trên xử lí ảnh. Đây là các tiếp cận suy hao trong nhà đầy đủ nhất vì nó tính đến tất cả các tia phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ tất cả mọi hướng. Do đó vị trí giữa máy phát và máy thu cần được xây dựng [...]... phỏng bằng mô hình 3D Bản vẽ phủ sóng tầng hầm 1 Bản vẽ phủ sóng tầng 1 21 Mô phỏng vùng phủ sóng Mô phỏng vùng phủ sóng 22 KẾT LUẬN Mục tiêu của luận văn là : Tìm hiểu các mô hình truyền sóng với mục đích nắm vững phạm vi ứng dụng của các mô hình truyền sóng, từ đó vận dụng để tính toán suy hao của tín hiệu vô tuyến trong các môi trường Với phạm vi khảo sát môi trường truyền sóng bên trong các tòa cao... trường truyền dẫn trong nhà là để đánh giá được mức độ phủ sóng của trạm phát sóng ngoài trời đối với một tòa nhà cao tầng Đồng thời, thấy được sự cần thiết phải xây dựng hệ thống phủ sóng tín hiệu cho các công trình xây dựng cao tầng, công trình ngầm Quá trình khảo sát, thiết kế để đạt được kết quả tốt phải trải qua nhiều bước với nhiều phương pháp, công cụ, thiết bị hỗ trợ Thông thường, với mô hình 2D,... thiết kế dựa trên công nghệ thông tin di động GSM1800 Đối tượng lập dự án là tòa nhà văn phòng Trung tâm Phát thanh Quốc gia 58-Quán Sứ-Hà Nội Qui mô công trình gồm 15 tầng, trong đó có 2 tầng hầm, được xây dựng trong tổng diện tích hơn 17.000 m2 3.2 Khảo sát và nhận dạng địa hình tòa nhà cần phủ sóng 3.2.1 Mục tiêu Những mục tiêu phải đạt được trong giai đoạn khảo sát: • Phạm vi phủ sóng ; • Loại cáp,... do đó dự trù vật liệu, nhân công đúng hơn Điều này rất quan trọng trong thực tế Vì vậy, các công ty nước ngoài hiện nay hay áp dụng phần mềm 3D Và nhiều chủ đầu tư Việt Nam đòi hỏi mô hình 3D Do đó, việc nghiên cứu ứng dụng mô hình 3D là rất cần thiết 24 TÀI LIỆU THAM KHẢO [ 1 ] KS Đinh Thị Minh Nguyệt: Giải pháp phủ sóng di động GSM trong các công trình đặc biệt, Tạp chí công nghệ thông tin & truyền... từ máy di động nằm tại rìa vùng phủ sóng đến BTS như sau: Suy hao = + 4 dBm - ( - 85 dBm) = 89 dB Để tiếp tục chúng ta cần đi sâu hơn vào sự truyền lan sóng radio trong nhà 3.4 Công cụ mô phỏng không gian 3D Trên thức tế các tia sóng không phải lúc nào cũng có thể truyền thẳng từ BTS đến MS Nếu những vật che chắn hay vật hấp thụ sóng nằm trên đường truyền sóng thì tia sóng có thể bị tán xạ, khúc xạ... tường mà sóng di động truyền qua Đây là công thức suy hao chỉ mang tính tương đối trong một mô hình tương đối vì mô hình trong thực tế lại vô cùng phức tạp và có nhiều điều cần phải xét đến 12 CHƯƠNG III ÁP DỤNG MÔ HÌNH ĐÃ CHỌN CHO ĐỀ ÁN PHỦ SÓNG TÍN HIỆU BÊN TRONG TOÀ NHÀ CAO ỐC 3.1 Giới thiệu Trong chương này, sẽ giải trình bày từng bước của quá trình thiết kế và thực hiện lắp đặt hệ thống phủ sóng. .. 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 3.2.4.2 Kết quả khảo sát tòa nhà Trung tâm Phát thanh Quốc gia Sau khi tiến hành khảo sát tòa nhà Trung tâm Phát thanh Quốc gia, các thông số của tòa nhà được thu thập như sau: Công trình Trung... trình Trung tâm Phát thanh Quốc gia qui mô công trình gồm 15 tầng, trong đó có 2 tầng hầm, được xây dựng trong tổng diện tích hơn 17.000 m2 * Ngoài 2 tầng hầm ra, công trình có 3 khối chính: + Studio nhà hát và phòng máy + Studio thu nhạc nhẹ - nhạc điện tử và phòng máy + Studio thu nhạc dân tộc Hiện nay công trình đang trong giai đoạn hoàn thiện 3.2.5 Kết quả khảo sát tín hiệu bên trong tòa nhà Trung tâm... floating cũng được thu thập và đánh giá 3.2.5.2 Kết quả khảo sát a Đo mức thu RxLevel Sau khi kết thúc quá trình khảo sát tào nhà, có thể nhận xét về mức thu RxLevel của tào nhà như sau: Mức thu RxLevel trong toà nhà là yếu Từ báo cáo của máy đo cho thấy, mức thu nằm trong 14 khoảng từ –78 dbm đến – 94dbm Tại tầng hầm của toà nhà, hoàn toàn không có sóng di động Tại các tầng từ tầng 1 đến tầng giữa của... thuộc góc tới và vật liệu tường (trong không gian 3D khoảng cách thực còn phụ thuộc độ cao trần nhà) Do đó có thể nói vùng phủ sóng tròn như một số tài liệu mô phỏng là không đúng Thực tế, đó là những hình như chúng tôi đưa ra ở phần 3.5 Các tính toán các hạng mục công trình phủ sóng trong không gian 3D còn thấy rỏ các góc khuất, từ đó tính toán chi tiết đường đi của cáp, chiều dài cáp để xác định mức . THÔNG VIỆT NAM HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG  LÊ QUANG MINH NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT PHỦ SÓNG CÔNG TRÌNH ĐÔ THỊ CHUYÊN NGÀNH :. truyền sóng, các tham số ảnh hưởng đến quá trình phủ sóng nói chung và phủ sóng công trình đô thị nói riêng, đưa ra mô hình thích hợp làm cơ sở cho công