Giải pháp thiết kế nâng cao vùng phủ sóng thông tin di động bên trong toàn nhà cao tầng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ TUẤN NAM GIẢI PHÁP THIẾT KẾ NÂNG CAO VÙNG PHỦ SĨNG THƠNG TIN DI ĐỘNG BÊN TRONG TỊA NHÀ CAO TẦNG LUẬN VĂN THẠC SỸ Hà Nội - 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ TUẤN NAM GIẢI PHÁP THIẾT KẾ NÂNG CAO VÙNG PHỦ SĨNG THƠNG TIN DI ĐỘNG BÊN TRONG TÒA NHÀ CAO TẦNG LUẬN VĂN THẠC SỸ Ngành: Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 70 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN KIM GIAO Hà Nội - 2011 II MỤC LỤC Các hình vẽ sử dụng đồ án Các từ viết tắt sử dụng đồ án MỞ ĐẦU Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Mơ hình truyền sóng bên ngồi tịa nhà 1.1.1.Truyền sóng khơng gian tự 1.1.2.Ngun lý Huyghen miền Fresnel 1.1.3.Các mơ hình truyền sóng bên ngồi tị 1.2 Mơ hình truyền sóng tòa nhà 1.2.1.Giai đoạn 1: Truyền sóng từ bên ngồ 1.2.2.Giai đoạn 2: Truyền sóng bên tị Chương HỆ THỐNG PHỦ SĨNG DI ĐỘNG TRONG CÁC TỊA NHÀ CAO TẦNG 2.1 Khái niệm hệ thống phủ sóng di động tịa nhà 2.1.1.Lý để cải thiện chất lượng sóng di đ 2.1.2.Hệ thống phủ sóng tịa nhà 2.1.3.Lợi ích sử dụng hệ thống 2.2 Cấu trúc hệ thống phủ sóng di động tòa nhà 2.2.1.Nguồn tín hiệu 2.2.2.Hệ thống phân phối tín hiệu 2.2.3.Phần tử xạ 2.3.Thiết bị đo truyền lan RF dùng khảo sát 2.4.Các tham số trạm BTS cần quan tâm 2.5.Các thông số cần thiết cho thiết kế hệ thống 2.6.Tính tốn quỹ đường truyền 2.7.Tính tốn dung lượng 2.8.Công cụ thiết kế Chương THIẾT KẾ HỆ THỐNG INBUILDING CHO TÒA NHÀ BITEXCO FINANCIAL TOWER 3.1.Khảo sát 3.1.1 Khảo sát tòa nhà 3.1.2 Khảo sát tình trạng phủ sóng 3.1.3 Đo mức thu RxLevel 3.1.4 Đo mức chất lượng thu RxQual 3.2.Yêu cầu thiết kế hệ thống Inbuilding 3.2.1 Chỉ tiêu kỹ thuật nhà mạng di động 3.2.2 Yêu cầu chủ tòa nhà hệ thống Inbuilding 3.2.3 Các điều kiện đầu vào 3.3.Giải pháp thiết kế đề xuất 3.3.1 Phương án phủ sóng cho mặt tầng điển hình 3.3.2 Phương án phủ sóng cho thang máy 3.3.3 Tính tốn dung lượng cấu hình BTS tương ứng 3.3.4 Tính tốn quỹ đường truyền (Link Budget) 3.3.5 Sơ đồ bố trí anten mơ vùng phủ sóng tầng 3.3.6 Sơ đồ nguyên lý hệ thống Inbuilding 3.3.7 Sơ đồ bố trí thiết bị phịng máy 3.3.8 Khả nâng cấp mở rộng hệ thống 3.3.8.1 Khả nâng cấp lên 3G/4G 3.3.8.2 Tích hợp mạng khơng dây WLAN 3.3.9 Danh mục vật tư tổng hợp 3.4 Phương án triển khai thi công hệ thống 3.5.Hòa mạng phát sóng, đưa hệ thống vào hoạt động 3.6.Đo kiểm tối ưu 3.6.1 Đi kiểm tra (Walking Test) 3.6.2 So sánh kết đo thực tế tính tốn lý thuyết IV 3.6.3 Tối ưu 91 3.7 Nghiệm thu bàn giao 92 KẾT LUẬN 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO 96 PHỤ LỤC A BẢNG ERLANG B PHỤ LỤC B BẢNG KẾT QUẢ ĐO NGHIỆM THU VINAPHONE 2G PHỤ LỤC C 12 THÔNG SỐ KỸ THUẬT THIẾT BỊ 12 V Các hình vẽ sử dụng đồ án Hình 1.1 Miền Fresnel thứ [6] Hình 1.2 Cấu trúc cell [6] Hình 1.3 Phân bố xếp chồng thay đổi quy mơ lớn tín hiệu tần số 900 MHz tịa nhà khơng tồn đường truyền LOS: ( ) kết đo được, ( ) tuân theo phân bố loga chuẩn với độ lệch chuẩn dB 18 Hình 1.4 Suy hao thâm nhập vào tòa nhà hàm chiều cao tòa nhà: x điểm thực nghiệm 19 Hình 1.5 Đồ thị suy hao đường truyền hàm khoảng cách tịa nhà cơng sở 29 Hình 1.6 Đồ thị suy hao đường truyền hàm khoảng cách tịa nhà cơng sở 29 Hình 1.7 Tổn hao tầng theo mơ hình Keenan – Motley 37 Hình 1.8 So sánh tổn hao tường theo mơ hình Keenan – Motley với tổn hao không gian tự công thức xấp xỉ 37 Hình 2.1 Mơ hình hệ thống phủ sóng inbuilding 41 Hình 2.2 Thành phần hệ thống phủ sóng nhà 41 Hình 2.3 Vùng phủ cho tịa nhà từ tế bào macro trạm BTS outdoor macro 43 Hình 2.4 Vùng phủ cho tịa nhà cung cấp trạm indoor dành riêng 43 Hình 2.5 Giải pháp hệ thống anten phân phối thụ động 45 Hình 2.6 Sơ đồ hệ thống anten phân phối chủ động cho khu trường sở 45 Hình 2.7 Sơ đồ hệ thống anten phân phối chủ động cho tịa nhà cao tầng 46 Hình 2.8 Sơ đồ hệ thống lai ghép 46 Hình 2.9 Anten omni sử dụng tòa nhà cao tầng 48 Hình 2.10 Đồ thị phương hướng anten omni 4dBi 48 Hình 2.11 Anten định hướng sử dụng thang máy 49 Hình 2.12 Đồ thị phương hướng anten panel 8dBi 49 Hình 2.13 Hệ thống phân phối cáp rò 50 Hình 2.14 Sơ đồ hệ thống phân phối anten thụ động đơn giản 54 Hình 2.15 Giao diện phần mềm thiết kế Inbuilding iBwave RF-vu V2.1 57 Hình 2.17 Thiết lập tham số mô vùng phủ RF-vu V2.1 59 Hình 3.1 Tịa nhà Bitexco Financial Tower 62 Hình 3.2 Thiết bị dùng khảo sát tình trạng sóng 64 Hình 3.3 Bản đồ mô tả tuyến đo kiểm mức thu Rxlevel tầng điển hình 65 Hình 3.4 Bộ kết hợp đa băng tần - POI 68 Hình 3.5 Sơ đồ bố trí anten tuyến cáp mặt tầng điển hình 69 Hình 3.6 Tính tốn cơng suất phân bổ cho nhánh anten tầng điển hình 70 Hình 3.7 Sơ đồ bố trí anten mơ vùng phủ tầng hầm 75 Hình 3.8 Sơ đồ bố trí anten mô vùng phủ tầng hầm 76 Hình 3.9 Sơ đồ bố trí anten mơ vùng phủ tầng hầm 76 Hình 3.10 Sơ đồ bố trí anten mơ vùng phủ tầng 77 Hình 3.11 Sơ đồ bố trí anten mô vùng phủ tầng 77 Hình 3.12 Sơ đồ bố trí anten mơ vùng phủ tầng 78 Hình 3.13 Sơ đồ bố trí anten mơ vùng phủ tầng 4-5 78 Hình 3.14 Sơ đồ bố trí anten mơ vùng phủ tầng 79 Hình 3.15 Sơ đồ bố trí anten mô vùng phủ tầng 79 Hình 3.16 Sơ đồ bố trí anten mơ vùng phủ tầng 8-28 80 Hình 3.17 Sơ đồ bố trí anten mơ vùng phủ tầng 29-30 80 Hình 3.18 Sơ đồ bố trí anten mô vùng phủ tầng kỹ thuật 81 VI Hình 3.19 Sơ đồ bố trí anten mơ vùng phủ tầng 48-49 81 Hình 3.20 Sơ đồ bố trí anten mơ vùng phủ tầng 50-55 82 Hình 3.21 Sơ đồ bố trí anten mô vùng phủ tầng 56-67 82 Hình 3.22 Sơ đồ nguyên lý hệ thống Inbuilding – Tòa nhà Bitexco Financial Tower 84 Hình 3.23 Minh họa phịng máy Inbuilding điển hình 85 Hình 3.24 Tích hợp Wifi vào hệ thống DAS sẵn có 86 Hình 3.25 Minh họa lắp đặt anten Omni 88 Hình 3.26 Kết đo hệ số phản xạ sóng đứng anten A3-F8 89 Hình 3.27 Kết đo walking test máy TEMS sau phát sóng Inbuiding 91 VII Danh sách bảng biểu Bảng 1.1 Suy hao thâm nhập trung bình tầng khác tòa nhà tầng 18 Bảng 1.2 Số mũ n độ lệch sử dụng cho mơ hình suy hao đường truyền phụ thuộc khoảng cách đo tần số sóng mang 914MHz 27 Bảng 1.3 Số mũ độ lệch chuẩn cho suy hao đường truyền đo cho tòa nhà khác 28 Bảng 1.4 Hệ số suy giảm theo tầng trung bình (dB) cho một, hai, ba, bốn tầng máy phát máy thu hai tịa nhà cơng sở; với độ lêch tiêu chuẩn (dB) số vị trí sử dụng để tính toán thống kê 30 Bảng 1.5 Báo cáo đo đạc suy hao tín hiệu trung bình thực nhiều nhà nghiên đường truyền vô tuyến bị che khuất vật liệu xây dựng nói chung 32 Bảng 1.6 Các tham số truyền dẫn tòa nhà 35 Bảng 2.1 Bảng Erlang B với GoS % tương ứng với số kênh TCH 56 Bảng 3.1 Thống kê diện tích tầng tòa nhà Bitexco Financial Tower 63 Bảng 3.2 Bảng giá trị suy hao, tăng ích thiết bị vật liệu 71 Bảng 3.3 Bảng tính quỹ đường truyền phần mềm Excel 74 Bảng 3.4 Bảng tổng hợp danh mục vật tư hệ thống DAS – Bitexco Financial Tower 87 Bảng 3.5 Bảng so sánh kết đo thực tế tính tốn thiết kế 92 Các từ viết tắt sử dụng đồ án STT Từ viết tắt 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 BCH BSC BTS CCTV CPICH DAS EDGE EIRP ERP FAF GPRS GSM IOI LOS MMSE MS MU Non-LOS OBS OMC PCN PCS RAU RSCP RU TCH T-R WCDMA MỞ ĐẦU *** Để mở rộng thị phần, giữ thuê bao khuếch trương thương hiệu, 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, nhà mạng di động phủ sóng khắp tỉnh thành có vấn đề 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, trung tâm thương mại…chưa đảm bảo Tại tầng thấp thường có tình trạng sóng yếu, chập chờn, tầng cao nhiễu dẫn đến khó thực rớt gọi Nguyên nhân tình trạng tín hiệu di động trạm phát sóng ngồi trời bị suy hao lớn thâm nhập vào tòa nhà qua vật cản trở sóng cửa kính, vách ngăn, tường nhiều chiều cao tòa nhà vượt vùng phục vụ trạm phát sóng ngồi trời Một giải pháp hữu hiệu nhằm khắc phục tượng đảm bảo chất lượng dịch vụ cho thuê bao di động giải pháp phủ sóng di động bên tịa nhà (Inbuilding) Cùng với phát triển kinh tế, tốc độ đô thị hóa cao diễn thành phố lớn, tòa nhà cao ốc mọc lên ngày nhiều Nhu cầu sử dụng dịch vụ di động bên tòa nhà lớn Theo thống kê thành phố lớn giới, số lượng gọi phát sinh bên tòa nhà chiếm tới 60-70% tổng lưu lượng mạng Yêu cầu phải có hệ thống Inbuilding phục vụ tòa nhà cao ốc trở thành tất yếu Tuy nhiên nhà mạng mong muốn giảm chi phí đầu tư sở hạ tầng, người dùng mong muốn hưởng nhiều loại hình dịch vụ di động với chất lượng cao Dẫn đến phải xây dựng giải pháp Inbuilding mang tính tích hợp đa dịch vụ (GSM, WCDMA, CDMA, Wifi ), đáp ứng nâng cấp công nghệ (LTE, Wimax ) cho phép nhiều nhà khai thác dịch vụ chia sẻ chung hệ thống Inbuilding Hơn nữa, tịa nhà cao ốc lại có cấu trúc, cơng năng, vị trí khác nên cần phải có giải pháp thiết kế hệ thống Inbuilding riêng phù hợp cho tịa nhà Đây tiền đề để em bắt tay vào tìm hiểu, nghiên cứu thực đề tài “Giải pháp thiết kế nâng Draft Andy Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH & Co KG, Germany Tel.: +49 8684 www.rosenberger.de TECHNICAL DATA SHEET SLink Cable This product used for mobile network and telecommunication equipment Material and dimensions Inner conductor Dielectric Outer conductor Jacket Electrical data Impedance Relative velocity of propagation Capacitance Inductance Maximum operating frequency Cut-off frequency Peak power rating Insulation resistance DC breakdown voltage Jacket spark test voltage Inner conductor DC-resistance Outer conductor DC-resistance 50±1Ω 88% 76 pF/m 0.190 µH/m 5.0 GHz 5.2 GHz 91 kW ≥ 10 GΩ x km 10000V 8000 Vrms ≤ 1.21 Ω/km ≤ 1.17 Ω/km 35/06.07/5.0 *Can provide special cable according to customer’s requirement Tel.: +49 8684 18-0 RF Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH & Co KG, Germany www.rosenberger.de TECHNICAL DATA SHEET SLink Cable Attenuation values and power ratings Attenuation, ambient temperature Average power, ambient temperature Average power, inner conductor temperature Frequency [MHz] Attenuation, typical [dB/100m] Mean power [kW] * Maximum attenuation value shall be 105% of the nominal attenuation value * Other frequencies on request Mechanical data Cable weight Tensile strength Min bending radius (single) Min bending radius (repeated) Number of bends, minimum (typical) Bending moment Flat plate crush strength Recommended hanger spacing Additional characteristics RF_35/06.07/5.0 Installation temperature Storage temperature Operation temperature 2002/95/EC (RoHS) -40°C to +60°C -70°C to +85°C -55°C to +85°C compliant While the information has been carefully compiled to the best of our knowledge, nothing is intended as representation or warranty on our part and no statement herein shall be construed as recommendation to infringe existing patents In the effort to improve our products, we reserve the right to make changes judged to be necessary Draft Andy Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH & Co KG, Germany Tel.: +49 8684 www.rosenberger.de 1/2” Super-flexible Jumper Cable, N Male to N Male JP-NM/NMxM-SF1/2 Electrical Characteristic Impedance - [Ω] Insulation Resistance - [MΩ] Withstanding Voltage AC - [V] VSWR (@0~2.2GHz) 3rd Order Inter-modulation (PIM3) - [dBc] (@2x43dBm Carriers) Mechanical Interface Durability, number of cycles Connector Type Cable Length - [m] Body Material Inner Contact Material Sealing Material Insulator Material Environmental Operating Temperature - [°C] Relative Humidity - [%] (@temperature 40±2°C) Water-proof Rating Mechanical Outline Drawing Order Information Information contained in this document is subject to confirmation at time of ordering http://www.comba-telecom.com POI-TD92IDN1VN Multi Operator Combiner - 3xGSM1800, 4x 3G, 2x LTE2.6G Features • • • • Permits combining of 3xGSM1800, 4x3G, 2xLTE2.6G Low insertion loss and passive intermodulation High inter-band isolation Compact size permits space saving wall mount ProductDescription The POI-TD92IDN1VN is one of a range of compact, low intermodulation, cellular combiners for cost effective, multi-band inbuilding combining systems This high power combiner is designed to combine 3xGSM1800, 4x3G and 2xLTE2.6G to share the same indoor DAS Main applications include convention centers, exhibition halls, airports, underground tunnels and other large buildings With extensive range of passive components, Comba is capable of providing solutions for almost any combination of frequency bands while keeping insertion loss to a minimum TechnicalSpecifications Electrical Frequency Range – [MHz] Mechanical Dimension LxWxH – [mm] (approx.) Weight (approx.) – [kg] - GSM1800 Number of Output Ports – Duplex Number of Monitors Ports – (30dB± 2) Number of Input Ports - Duplex Connector Type – Input / Output - UMTS2100 Connector Type - Monitors ports Operating Temperature Range – [°C] Operating Humidity – [%] Mounting Environmental Class Shipping Information -LTE2.6G Dimensions, H x W x D – [mm] * Weight – [kg] * Shipping in wooden crate Insertion Loss – [dB] Isolation – [dB] Return Loss – [dB] - Input port Impedance – [ohm] PIM (@2x 43dBm) – [dBc] Input Power Rating Per Port – [W] RF_35/08.06/5.0 Information contained in this document is subject to confirmation at time of ordering Please visit our website at http://www.comba-telecom.com Issued: 10thMay11 Control: 0-0-0 Page 1/1 This product used for mobile network and telecommunication equipment TECH NICA Electrical data L Impedance Frequency DATA SHEE Return loss/VSWR T Insertion loss Isolation CH1 Power handling Intermodulation (3rd order) Mechanical data Connectors Type N female Environmental data Temperature range Relative Humidity Applications -30°C to +60°C to 95% Indoor Packing Standard Dimensions Weight Pce in box 178mm×84mm×25mm 800g While the information has been carefully compiled to the best of our knowledge, nothing is intended as representation or warranty on our part and no statement herein shall be construed as recommendation to infringe existing patents In the effort to improve our products, we reserve the right to make changes judged to be necessary Draft Ken Rosenberger Asia Pacific Electronic Co., Ltd No Anxiang Street, Block B, Tianzhu Airport Ind Zone Beijing, P.C.: 101300 China Product Specifications RO-40-1821-NF-03(MU) Your Partner For Network Optimization WCDMA&DCS Dual Band Fiber Optical Repeater Main Features ƒ A good performance with good technical parameters ƒ Full Duplex mode, WCDMA & DCS1800 network ƒ Suitable for large-scale indoor installation ƒ Laser technology with high linearity ƒ Low noise and high reliability ƒ Broader frequency range ƒ Low optical transmission loss and fiber transmitting up to 20km ƒ Combined fiber operation by using WDM ƒ Full remote control of fiber optical repeaters Electrical Specifications Frequency Gain Output Power Intermodulation(DCS only) EVM(WCDMA only) PCDE (WCDMA only) ACLR (WCDMA only) VSWR Impedance Max non-destructive input powe NT-TQ233R07/4.0 Optical length Environ mental Specifica tions Operating temperature r Relative humidity Applications Monitoring and control No 303, XinKe Rd, Qingpu Industrial Zone, Shanghai, China Tel: +86 21 6921 4567 Fax: +86 21 6921 3655 P.C.: 201707 www.netop-technology.com Neto p Tech nolog y Co., Ltd Page of S101010WY16 Product Specifications RO-40-1821-NF-03(RU) Mechanical Specifications Dimensions Weight Power supply Power consumption rating Optical Connector RF Connectors type Packing NT-TQ233_R07/4.0 WCDMA&DCS Dual Band Fiber Optical Repeater Netop Technol ogy Co., Ltd Your Partner For Network Optimization No 303, XinKe Rd, Qingpu Industrial Zone, Shanghai, China Tel: +86 21 6921 4567 Fax: +86 21 6921 3655 S101010WY166 Product Specifications P.C.: 201707 www.netop-technology.com Page of RO-40-1821-NF-03(RU) WCDMA&DCS Dual Band Fiber Optical Repeater Your Partner For Network Optimization Main Features ƒ A good performance with good technical parameters ƒ Full Duplex mode, WCDMA &DCS1800 network ƒ Suitable for large-scale indoor installation ƒ Laser technology with high linearity ƒ Low noise and high reliability ƒ Broader frequency range ƒ Low optical transmission loss and fiber transmitting up to 20km ƒ Combined fiber operation by using WDM ƒ Full remote control of fiber optical repeaters Electrical Specifications Frequency Gain Output Power Gain control range ALC control(plus 20dB input signal) Noise figure VSWR Transmission delay Intermodulation(DCS only) EVM(WCDMA only) PCDE (WCDMA only) ACLR (WCDMA only) Netop Technology Co., Ltd No 303, XinKe Rd, Qingpu Industrial Zone, Shanghai, China Tel: +86 21 6921 4567 Fax: +86 21 6921 3655 P.C.: 201707 www.netop-technology.com Product Specifications RO-40-1821-NF-03(RU) Page of S101010WY166 WCDMA&DCS Dual Band Fiber Optical Repeater Spurious emission(out band) ≤36dBm/9KHz-1GHz ≤ -30dBm/1GHz-12.75GHz Your Partner For Network Optimization Impedance 50 Ω Optical length 1550nm/1310nm ≥ 45dBc/5MHz ≥ 50dBc/10MHz ≤-36dBm/9KHz-1GHz ≤ -30dBm/1GHz12.75GHz 50 Ω NT-TQ233_R07/4.0 1550nm/1310nm Netop Technology Co., Ltd No 303, XinKe Rd, Qingpu Industrial Zone, Shanghai, China Tel: +86 21 6921 4567 Fax: +86 21 6921 3655 S101010WY166 P.C.: 201707 www.netop-technology.com Page of Environmental Specifications Operating temperature range humidity Monitoring and control Mechanical Specifications Dimensions 540×400×215 (mm) Weight ≤40 kg Power supply AC220V ±20%, 50Hz ±10% Power consumption rating ≤350W Optical Connector FC/PC RF Connectors type N female Packing pce in box NT-TQ233_R07/4.0 Outline Drawing ... vụ di động lựa chọn 2.1 Khái niệm hệ thống phủ sóng di động tòa nhà 2.1.1 Lý để cải thiện chất lượng sóng di động nhà Các lý để cải thiện chất lượng sóng di động tịa nhà Vùng phủ sóng: Tồ nhà. .. đề tài ? ?Giải pháp thiết kế nâng cao vùng phủ sóng thơng tin di động bên tịa nhà cao tầng? ?? với hướng dẫn trực tiếp PGS.TS Nguyễn Kim Giao Kết đề tài vận dụng thực tế thành cơng tịa tháp cao Việt... TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ TUẤN NAM GIẢI PHÁP THIẾT KẾ NÂNG CAO VÙNG PHỦ SĨNG THƠNG TIN DI ĐỘNG BÊN TRONG TỊA NHÀ CAO TẦNG LUẬN VĂN THẠC SỸ Ngành: Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện