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

Báo cáo thực tậo tốt nghiệp Trang 20 CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP PHỦ SĨNG DI ĐỘNG CHO TỊA NHÀ 3.1 Mở đầu Để mở rộng thị phần, việc cạnh tranh giá cả, dịch vụ giá trị gia tăng, chăm sóc khách hàng nhà cung cấp dịch vụ di động không ngừng tập trung phát triển mạng lưới để có vùng phủ rộng, phủ sâu, chất lượng phủ sóng tốt Tuy nhiên, công ty cung cấp dịch vụ di động phủ sóng 64/64 tỉnh thành có vấn đề cần quan tâm số thành phố lớn Hà Nội, TP Hồ Chí Minh…chất lượng phủ sóng nhà, đặc biệt nhà cao tầng khách sạn, văn phòng…chưa đảm bảo Tại tầng thấp thường cótình trạng sóng yếu, chập chờn, tầng cao nhiễu (nhất nhà khai thác chia sẻ chung băng tần GSM) dẫn đến khó thực rớt gọi Một giải pháp nhằm khắc phục tượng đảm bảo chất lượng cho khách hàng cơng ty áp dụng giải pháp phủ sóng nhà (inbuilding) Bài viết giới thiệu giải pháp 3.2 Giới thiệu hệ thống inbuilding Có thể nói tịa nhà lớn sân bay, ga điện ngầm, văn phòng cao tầng, siêu thị kinh doanh hàng hóa rộng lớn… vấn đề vùng phủ dung lượng quan trọng chất lượng thoại di dộng ảnh hưởng trực tiếp đến uy tín nhà cung cấp dịch vụ Tuy nhiên, đặc trưng vùng phủ khu vực rộng trải dài theo chiều dọc, sóng vơ tuyến từ trạm BTS bên ngồi tịa nhà (BTS outdoor macro) bị suy hao nhiều xuyên qua tường bê tơng dẫn đến cường độ tín hiệu khơng đạt u cầu, nên giải pháp phủ sóng tòa nhà nhiều nhà cung cấp dịch vụ di động lựa chọn Hệ thống inbuilding bao gồm phần chính: nguồn tín hiệu, hệ thống phân phối tín hiệu phần tử xạ Trong hệ thống phân phối tín hiệu điểm khác biệt điển hình hệ thống inbuilding so với hệ thống mạng BTS outdoor macro thông thường Bộ lặp BTS Nguồn tín hiệu Hệ thống phân phối thụ động hệ thống phân phối tích cực hệ thống phân phối ghép lai Hệ thống phân phối Cáp rò anten Phần tử xạ Hình 3.1 Thành phần hệ thống phủ sóng nhà Chương 3: Giải pháp phủ sóng di động cho tịa nhà Báo cáo thực tậo tốt nghiệp Trang 21 a Nguồn tín hiệu Để phủ sóng cho inbuilding ta dùng: Nguồn tín hiệu trạm outdoor: Đây giải pháp đơn giản để cung cấp vùng phủ cho nhà với tín hiệu từ trạm macro bên ngồi nhà Giải pháp khuyến nghị lưu lượng tịa nhà khơng cao, chủ tịa nhà không cho phép lắp đặt thiết bị cáp tòa nhà việc triển khai giải pháp dành riêng cho khơng kinh tế Khi vùng phủ cung cấp cách: • Tín hiệu thâm nhập vào nhà từ bên Điều thực tịa nhà có khoảng hở lớn bên ngồi tường, cửa sổ kim loại • Đặt BTS tịa nhà xung quanh hướng anten tới tòa nhà cần phủ Khi khơng cần đến hệ thống phân phối tín hiệu phần tử xạ anten trạm BTS outdoor macro Hình 3.2 Vùng phủ cho tòa nhà từ tế bào macro mạng BTS outdoor macro Ưu điểm giải pháp chi phí thấp, khơng nhiều thời gian triển khai, phủ ngồi nhà (outdoor) nhà (indoor) Nhược điểm giải pháp vùng phủ hạn chế, tốc độ bit thấp dịch vụ liệu, dung lượng Chương 3: Giải pháp phủ sóng di động cho tịa nhà Báo cáo thực tậo tốt nghiệp Trang 22 thấp chất lượng chấp nhận số phần nhà Suy hao tăng dần tần số cao, khó cung cấp vùng phủ cho tồ nhà mức tín hiệu tốt Suy hao khắc phục cách tăng cơng suất từ trạm ngồi nhà nhiễu tăng Việc thiết kế tần số gặp nhiều khó khăn quỹ tần số hạn hẹp (nhất nhà khai thác chia sẻ chung băng tần GSM) Ngồi cách phủ sóng nhà trạm outdoor ta sử dụng trạm lặp (repeater) làm nguồn vô tuyến cung cấp cho hệ thống phân phối Khi vùng phủ trạm outdoor có mở rộng Nhưng giải pháp sử dụng thực tế cường độ tín hiệu, chấtlượng, ổn định, dung lượng phụ thuộc vào trạm BTS bên việc thiết kế cho trạm lặp (quỹ đường truyền, mức độ cách ly hướng) giá thành thấp, triển khai nhanh, dễ dàng Vì có nhiều nhược điểm nói nên thực tế nhà cung cấp dịch vụ di động sử dụng giải pháp này, trừ trường hợp bất khả kháng Hình 3.3 Vùng phủ cho tịa nhà cung cấp trạm indoor dành riêng Nguồn tín hiệu trạm indoor dành riêng: Giải pháp tăng thêm dung lượng cho vùng nhà yêu cầu lưu lượng cao Vấn đề cung cấp dung lượng yêu cầu đảm bảo vùng phủ tốt tồ nhà mà khơng làm ảnh hưởng tới chất lượng dịch vụ Chương 3: Giải pháp phủ sóng di động cho tịa nhà Báo cáo thực tậo tốt nghiệp Trang 23 mạng BTS outdoor macro Vì giải pháp nhà cung cấp dịch vụ di động khu vực sử dụng SingTel, Digi Ưu điểm giải pháp nguồn tín hiệu từ bên ngồi ổn định, mức tín hiệu tốt, mở rộngdung lượng hệ thống dễ dàng Nhược điểm giải pháp giá thành cao, yêu cầu phải có cáchbố trí tần số/kênh cụ thể 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 đến anten phần tử xạ khác phân loại thành: Hệ thống thụ động: Hệ thống thụ động hệ thống anten phân phối cáp đồng trục phần tử thụ động Đây giải pháp phổ biến cho khu vực phủ sóng inbuilding khơng q rộng, có đặc điểm: Hình 3.4 Giải pháp hệ thống anten phân phối cáp đồng thụ động • Trạm gốc dành riêng cho tồ nhà: Tín hiệu vơ tuyến từ trạm gốc phân phối qua hệ thống đến anten Vùng phủ cho nhà giới hạn đồng thời không làm ảnh hưởng đến chất lượng mạng BTS outdoor macro Nhưng yêu cầu kỹ sư thiết kế phải tính tốn quỹ đường truyền cẩn thận mức cơng suất anten phụ thuộc vào tổn hao mà thiết bị thụ động sử dụng, đặc biệt chiều dài cáp • Các thiết bị gồm: cáp đồng trục, chia (splitter/tapper), lọc (filter), kết hợp (combiner), anten Chương 3: Giải pháp phủ sóng di động cho tịa nhà Báo cáo thực tậo tốt nghiệp Trang 24 Hệ thống chủ động: Hệ thống chủ động hệ thống anten phân phối sử dụng cáp quang thành phần chủ động (bộ khuếch đại công suất) Việc sử dụng cáp quang từ BTS tới khối điều khiển từ xa mở rộng tới vị trí anten riêng lẻ cách: tín hiệu RF từ BTS chuyển đổi thành tín hiệu quang truyền đến biến đổi ngược lại thành tín hiệu RF khối điều khiển từ xa trước phân phối tới hệ thống cáp đồng nhỏ Ngồi ra, hệ thống cịn sử dụng thiết bị khác việc phân phối tín hiệu: Hub quang chính, cáp quang, Hub mở rộng, khối anten từ xa Hình 3.5 (a): Sơ đồ 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 thường sử dụng cho khu vực phủ sóng inbuilding rộng, mà hệ thống thụ động không đáp ứng tiêu kỹ thuật suy hao cho phép Khi BTS phục vụ nhiều tòa nhà vùng, thường khu trường sở Các kết nối khoảng cách xa (hơn km) sử dụng cáp quang, phân phối tầng phần tồ nhà dùng cáp xoắn đôi dây Nhưng nhược điểm dễ nhận thấy chi phí cao Chương 3: Giải pháp phủ sóng di động cho tịa nhà Báo cáo thực tậo tốt nghiệp Trang 25 MU (Main unit (E/O conversion)): Thiết bị (Chuyển đổi E/O) RU (Remote unit (O/E conversion)): Thiết bị từ xa (Chuyển đổi O/E) Hình 3.5 (b): Sơ đồ hệ thống anten phân phối chủ động cho nhà cao tầng Hệ thống lai ghép Hình 3.6 Sơ đồ hệ thống lai ghép Hệ thống kết hợp hệ thống thụ động chủ động Giải pháp dung hoà ưu nhược điểm hai hệ thống thụ động chủ động Vì vừa đảm bảo chất lượng tín hiệu cho khu vực phủ sóng nhà có quy mơ lớn lại vừa tiết kiệm chi phí c Phần tử xạ Phần tử xạ có nhiệm vụ biến đổi lượng tín hiệu điện thành sóng điện từ phát ngồi khơng gian ngược lại Do hệ thống nhà sử dụng Chương 3: Giải pháp phủ sóng di động cho tịa nhà Báo cáo thực tậo tốt nghiệp Trang 26 khu vực có vùng phủ sóng đặc biệt nên cơng trình cụ thể địi hỏi phải có phần tử xạ thích hợp Cụ thể: Anten: sử dụng thích hợp với vùng phủ có khuynh hướng hình trịn hình chữ nhật Đó anten cho vùng phủ sóng khơng đồng đều, việc tính quỹ đường truyền phụ thuộc nhiều vào cấu trúc nhà Phạm vi phủ sóng anten dải GSM900 25m ÷ 30m; GSM1800 15m ÷ 18m Có loại anten thường sử dụng anten vô hướng (omni) anten có hướng (yagi) Anten vơ hướng có tính thẩm mỹ, nhỏ gọn dễ lắp đặt nên kết hợp hài hồ với mơi trường tồ nhà, cịn anten có hướng có độ tăng ích cao thích hợp phủ sóng thang máy Cáp rò: Đặc điểm cáp rò (còn gọi cáp tán xạ) có cường độ tín hiệu đồng theo trục nên thường dùng cho vùng phủ phục vụ kéo dài đặc biệt như: hành lang dài, xe điện ngầm, đường hầm Phạm vi phủ sóng cáp dị vào khoảng 6m lại có ưu điểm hẳn so với anten hỗ trợ dải tần số rộng từ MHz ÷ 2500 MHz Hình 3.7 Hệ thống phân phối cáp rị 3.3 Mơ hình truyền sóng tính tốn quỹ đường truyền Trong hệ thống inbuilding tín hiệu sau từ nguồn tín hiệu qua hệ thống phân phối tín hiệu đến phần tử xạ phát không gian chịu thêm lượng suy hao phụ thuộc vào số tầng số tường mà sóng trực tiếp truyền qua đến thiết bị đầu cuối thuê bao di động Để dự đoán suy hao nhà thiết kế sử dụng mơ hình truyền sóng nhà từ tính tốn quỹ đường truyền u cầu tương ứng Thực chất mơ hình truyền sóng cơng thức tính suy hao sóng vơ tuyến truyền qua vật cản xây dựng từ nhiều trình Chương 3: Giải pháp phủ sóng di động cho tòa nhà Báo cáo thực tậo tốt nghiệp Trang 27 đo đạc thực nghiệm cụ thể, quỹ đường truyền xác định tất tham số suy hao tối đa cho phép tính từ nguồn tín hiệu đến máy di động để từ có nhìn tổng quan hệ thống Mơ hình truyền sóng: Khác với truyền dẫn hữu tuyến truyền đôi dây thiết kế định trước, suy hao lường trước tính tốn việc tính tốn truyền dẫn vơ tuyến đa dạng phức tạp đặc điểm kênh truyền mở Thông tin di động dịch vụ thông tin đặc biệt, cho phép thuê bao trao đổi thông tin di chuyển nên kênh truyền sóng liên tục thay đổi q trình th bao di động Vì vậy, yêu cầu hàng đầu nhà thiết kế phải dự đoán tương đối xác mức thu lượng vị trí th bao di động Do mơi trường truyền sóng mạng BTS outdoor macro (không gian tự do) không cịn với mơi trường truyền sóng hệ thống nhà nên yêu cầu đặt cần phải có mơ hình truyền sóng nhà dành riêng Có nhiều mơ hình truyền sóng nhà nhà nghiên cứu đưa mơ hình Bertoni, N.Yarkoni-N.Blaunstein, Rappaport đặc trưng môi trường truyền sóng phức tạp, cấu trúc vật liệu xây dựng đa dạng khn khổ viết có hạn nên giới thiệu mơ hình Motley & Keenan ưu điểm Motley & Keenan cho tổn hao trung bình pl(d) hàm khoảng cách d tính từ tổn hao không gian tự plfs(d) từ số tường I Tx Rx I Lwi tổn hao 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) (cơng thức tính cho khơng gian tự do) Trong đó: Chương 3: Giải pháp phủ sóng di động cho tịa 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 tầng (dB) p : số tường mà sóng trực tiếp truyền qua W: hệ số tổn hao tường (dB) (note 1) D : hệ số tổn hao tuyến tính (dB/m) (note 2) db : điểm ngắt nhà (indoor breakpoint) (m) (note 2) note 1: Các tường mỏng thơng thường có tổn hao dB cịn tường dày có tổn hao 10 dB note 2: Đối với khoảng cách điểm ngắt, trung bình cộng thêm vào 0.2dB/m Điểm ngắt điển hình: 65m Hình 3.8 So sánh suy hao tường theo mơ hình Keenan Motley với suy hao khơng gian tự công thức xấp xỉ Chương 3: Giải pháp phủ sóng di động cho tịa nhà Báo cáo thực tậo tốt nghiệp Trang 29 Trên thực tế mơ hình truyền sóng Keenan Motley hay sử dụng để dự đốn sơ suy hao truyền sóng nhà lẽ khơng q phức tạp, mơ hình có ưu điểm tính tốn đơn giản, khơng có nhiều thơng số phải giả định thực nghiệm Ngồi từ mơ hình truyền sóng này, nhận thấy suy hao truyền sóng nhà phụ thuộc chủ yếu vào số tầng số tường mà sóng trực tiếp truyền qua Kết đo đạc thực tế mơ hình truyền sóng khác phức tạp truyền sóng mơi trường nhà khó mơ cách xác kết cấu tồ nhà khác nhau, vật liệu sử dụng khác Tính tốn quỹ đường truyền Mục đích việc tính tốn quỹ đường truyền (link budget) xác định tất tham số suy hao tối đa cho phép trạm BTS máy di động MS để từ có nhìn tổng quan cơng suất, tăng ích tổn hao hệ thống Đồng thời giúp cho nhà thiết kế dễ dàng dự phòng mức dự trữ hợp lý dành cho cần nâng cấp mở rộng hệ thống Pout_bts > SSdes + Lp - Ga + Lf + Lps + Lc (3) Trong đó: Pout_bts: Công suất đầu đầu nối anten Lp: Suy hao đường truyền từ anten tới MS biên tế bào (mơ hình truyền sóng Keenan Motley) Ga: Hệ số tăng ích anten BTS, hệ số tăng ích anten MS xem dB Lf: Suy hao fiđơ Lps: Suy hao công suất chia Lc: Suy hao mở rộng, kết hợp, xong công, phối hợp SSdes: Cường độ tín hiệu thiết kế SSdes = EiRP – Lp EiRP: Công suất xạ đẳng hướng tương đương EiRP= Pout_bts – Lc – Lf + Ga (4) Chương 3: Giải pháp phủ sóng di động cho tịa nhà Báo cáo thực tậo tốt nghiệp Trang 30 Hình 3.9 Sơ đồ hệ thống phân phối antenna thụ động đơn giản Ví dụ: Tính tốn EIRP cho hệ thống phân phối anten thụ động đơn giản EiRP = 29dBm(Pout_bts) – 18dB(6 x chia) – 11dB(suy hao feeder) + 2dBi(Ant Gain) = + 2dBm Tóm lại: EIRP phụ thuộc yếu tố sau: • Vị trí đặt anten • Loại anten • Đặc thù vùng phủ: mở, khép kín, trần cao hay trần thấp • Loại tường bao: tường dày dùng EIRP cao mà khơng lo tín hiệu ngồi q mạnh • Số lượng tính chất tường ngăn quanh anten Tuy nhiên nhà cao tầng thường gặp, cấu trúc tầng thường giống nên để đơn giản hố nên làm EIRP đồng tế bào Sau tính tốn EIRP, cần phải tính tốn kiểm tra tiêu truyền sóng khác, cụ thể: • Total loss tổng tổn hao từ đầu máy phát đến anten: Total loss = (hybrid couple loss + tổn hao chia + suy hao coupler + suy hao cáp) • Năng lượng xạ đẳng hướng tương đương EIRP: EIRP = (TxBTS + Ant Gain) – tổng suy hao + Booster Chương 3: Giải pháp phủ sóng di động cho tịa nhà Báo cáo thực tậo tốt nghiệp Trang 31 Trong đó: TxBTS công suất phát trạm BTS, TxBTS = 47 dBm dải tần 900 MHz 45 dBm 1800 MHz Booster khuếch đại sử dụng tuyến truyền dẫn từ BTS đến anten dài không đảm bảo công suất đầu anten Ant Gain = dB Hiệu phủ sóng đường xuống: • Mức cơng suất MS thu nhỏ nhất: MS minimum receivable level (dB) = EIRP – tổn hao không gian tự – fading margin – tổn hao thân nhiệt – att Wall loss • Mức dự trữ hệ thống đường xuống (dành cho nâng cấp, mở rộng hệ thống): System margin left over (dB) = tiêu chí vùng phủ + MS minimum receivable level • Tổn hao đường truyền lớn cho phép: Max allowable path loss (dB) = EIRP – fading margin – suy hao thân nhiệt – tiêu chí vùng phủ Hiệu phủ sóng đường lên: • Mức cơng suất BTS thu nhỏ nhất: BTS minimum receivable level (dB) = TxMS – tổng suy hao – suy hao không gian tự – fading margin – suy hao thân nhiệt • Mức dự trữ hệ thống đường lên (dành cho nâng cấp, mở rộng hệ thống): System margin left over (dB) = RxBTS + BTS minimum receivable level 3.4 Kết luận: Q trình truyền sóng mơi trường nhà phức tạp khó dự đốn xác cấu trúc, kết cấu, vật liệu xây dựng cơng trình khác nhau, mục đích sử dụng khác nhau: sân bay, ga điện ngầm, văn phòng cao tầng, khu vực kinh doanh hàng hóa rộng lớn Vì phải cân nhắc chọn giải pháp thiết kế Chương 3: Giải pháp phủ sóng di động cho tòa nhà Báo cáo thực tậo tốt nghiệp Trang 32 cho phù hợp với cơng trình cách kết hợp linh hoạt lựa chọn khối thành phần hệ thống nhà Trong năm gần đây, giải pháp inbuilding ngày triển khai nhiều mạng di động quan tâm nhằm đáp ứng nhu cầu người sử dụng “vùng phủ nơi” Đồng thời hội để nhà khai thác mở rộng vùng phủ, cải thiện dịch vụ, gia tăng lưu lượng cho vùng mà trước gọi “hố đen” mạng macro khơng có khả phục vụ Với vùng phủ nhà chồng lên với vùng phủ mạng macro làm tăng tổng dung lượng vùng phủ toàn mạng di động Chương 3: Giải pháp phủ sóng di động cho tịa nhà ... (filter), kết hợp (combiner), anten Chương 3: Giải pháp phủ sóng di động cho tịa nhà Báo cáo thực tậo tốt nghiệp Trang 24 Hệ thống chủ động: Hệ thống chủ động hệ thống anten phân phối sử dụng cáp... O/E) Hình 3. 5 (b): Sơ đồ hệ thống anten phân phối chủ động cho nhà cao tầng Hệ thống lai ghép Hình 3. 6 Sơ đồ hệ thống lai ghép Hệ thống kết hợp hệ thống thụ động chủ động Giải pháp dung hoà ưu... + 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 hệ thống phân phối antenna thụ động đơn giản Ví dụ: Tính tốn EIRP cho hệ thống phân