Những phương pháp đầu tiên được phát triển nhằm mục đích tăng mức độ tín hiệu trong nhà bằng cách sử dụng các tín hiệu phát ra từ các trạm cơ sở ngoài trời (như macrocell, microcells và bộ lặp), sau đó phát triển với mục đích mở rộng phạm vi vùng phủ bằng các trạm cơ sở bên trong một tòa nhà bằng cách sử dụng cáp bức xạ hoặc các hệ thống anten phân tán. Một đề nghị mới để tăng phạm vi vùng phủ và hiệu năng mạng bằng cách triển khai các trạm gốc nhỏ trực tiếp bên trong các tòa nhà như biểu diễn trong hình 2.10. Do đó đề xuất hai phương pháp chính: sử dụng picocell và femtocell.
Hình 2.10. Vùng phủ trong nhà sử dụng trạm cơ sở trong nhà (Indoor Base Station)
Picocell
Với sự thành công của tiêu chuẩn IEEE 208.11, còn gọi là WiFi (Wireless Fidelity), cho phép mọi người truy cập vào các kết nối Internet băng rộng của họ thông qua giao diện vô tuyến, các nhà khai thác bắt đầu suy nghĩ về việc mở rộng khái niệm này cho các mạng di động. Trong WiFi, người dùng kết nối với một thiết bị được gọi là một điểm truy cập (AP – Access Point), được tích hợp một anten để làm cho sự liên kết giữa người sử dụng và kết nối với Internet qua giao diện vô tuyến. Picocell là một trạm gốc nhỏ rất giống với một điểm truy cập. Nó thường là nhỏ (thường kích thước giấy A4, dày một vài cm), tích hợp một anten phát ra một tín hiệu công suất thấp. Thật vậy, một picocell là một trạm cơ sở đơn giản, với điện năng và công suất thấp hơn so với Microcell hoặc các trạm cơ sở macrocell. Nó kết nối với bộ điều khiển trạm gốc (BSC) của nhà điều hành mạng.
Với các trạm cơ sở tiêu chuẩn, BSC quản lý việc truyền tải dữ liệu giữa các picocell và mạng, thực hiện chuyển giao giữa các tế bào và phân bổ các nguồn tài nguyên cho người sử dụng khác nhau. Picocell được kết nối với mạng lõi thông qua hệ thống dây điện trong nhà, cáp quang hoặc kết nối Ethernet. Thông thường, một anten đẳng hướng được tích hợp vào các picocell .
Hình 2.11. So sánh kích thước tế bào cho các công nghệ khác nhau
Ưu điểm
Ưu điểm chính của picocells là rẻ hơn so với các trạm cơ sở tiêu chuẩn, và chi phí lắp đặt cũng thấp. Chúng tăng hiệu quả phủ sóng trong nhà. Vùng phủ sóng của các tế bào là nhỏ so với các trạm gốc ngoài trời bởi vì năng lượng bức xạ thấp hơn. Điều này cho phép các nhà điều hành có nhiều tế bào hơn, và do đó tăng cường khả năng của mạng lưới bên trong tòa nhà.
Hơn nữa, bằng cách cài đặt một picocell, các nhà điều hành có thể có nhiều dung lượng hơn trong mạng ngoài trời vì các tế bào ngoài được sử dụng chỉ để phủ sóng cho các người dùng ngoài trời. Picocells là những tế bào nhỏ nên cũng có thể được sử dụng trong các tình huống mà giới hạn vùng là quan trọng. Thật vậy, giới hạn vùng bằng cách sử dụng các tế bào ngoài trời và phương pháp tam giác phân, không đủ chính xác do phản xạ từ những trở ngại. Tuy nhiên, với các tế bào nhỏ có thể dễ dàng xác định vị trí người dùng đang ở, và nếu có nhiều picocells hơn thì vị trí chính xác của người sử dụng sẽ được biết đến.
Khi triển khai các picocells, vị trí đặt và các thông số tốt nhất là những thách thức chính. Đối với việc triển khai picocells, cần một giải pháp tối ưu số lượng picocells đủ để đảm bảo các yêu cầu vùng phủ và hiệu năng mà không phải là quá nhiều để tránh nhiễu. Picocells chủ yếu được triển khai ở khu vực rộng lớn như các trung tâm thương mại, sân bay. Khi cài đặt picocells một ảnh hưởng quan trọng khác là nhiễu từ các tế bào ngoài trời lân cận. Trong các tòa nhà gần với các tế bào ngoài trời, một phần của tín hiệu đến từ bên ngoài sẽ gây nhiễu với các tín hiệu trong nhà. Một phần của tín hiệu phát ra bởi picocells sẽ đi ra ngoài và gây nhiễu với các tế bào ngoài trời. Những hiện tượng này chủ yếu xảy ra qua cửa sổ, bởi vì tín hiệu ít phản xạ từ thủy tinh hơn là từ đá hoặc bê tông. Do đó, thách thức chính khi cài đặt picocells là phải tính đến ảnh hưởng từ các tế bào ngoài trời. Kết hợp quy hoạch mạng lưới trong nhà ngoài trời là một vấn đề quan trọng.
Trong các tòa nhà nhiều tầng điển hình, cách tiếp cận để cài đặt picocells là khá tương tự như sử dụng khi cài đặt DAS. Những thách thức chính với picocells là sự giao thoa giữa các picocells với rìa của các tế bào ngoài trời và quản lý chuyển giao giữa picocells. Từ các mô phỏng về sự chồng chéo Picocell trong GSM đã cho thấy cần phải có sự xác định vị trí Picocell một cách chính xác. Điều này có thể thực hiện được bằng cách nhập vào cơ sở dữ liệu của hệ thống chạm gốc con vị trí tương đối giữa các Picocell.
Ứng dụng
Lợi thế của picocells là tăng khả năng phủ sóng trong nhà. Chúng sử dụng các biện pháp tốt nhất để thực hiện hai yêu cầu:
Điền các lỗ hổng vùng phủ có mức tín hiệu quá thấp.
Giảm tải lưu lượng truy cập từ mạng vĩ mô trong các khu vực đô thị đông đúc. Một số ví dụ về các ứng dụng bao gồm môi trường kinh doanh và các trung tâm mua sắm. Chúng cũng rất hữu ích trong các tòa nhà cao tầng. Thực tế ở các thành phố càng ngày càng có nhiều tòa nhà cao nhưng cường độ tín hiệu macrocell có xu hướng giữ nguyên. Vì vậy tại các khu vực đông dân cư, các nhà khai thác cần thêm nhiều tế bào.
Picocells cũng rất hữu ích trong các tòa nhà khó khăn cho phủ sóng Macrocell như di tích lịch sử (bức tường khổng lồ bằng đá hấp thụ các tín hiệu đến từ macrocells) hoặc các tòa nhà có hình dạng và vật liệu phức tạp (như kết cấu kim loại hoặc các cửa sổ thủy tinh đặc biệt cho hiệu suất nhiệt).
Cuối cùng, picocells cũng được sử dụng trong các ứng dụng phương tiện giao thông có kết nối backhaul được đảm bảo bởi vệ tinh. Vì vậy picocells có thể được sử dụng để cung cấp sóng vô tuyến cho hành khách ở trên máy bay hoặc tàu bay.
Femtocell
Để mở rộng ý tưởng picocell cho mạng gia đình, Femtocell được đề xuất. Femtocell là một picocell đơn giản, được cài đặt trực tiếp tại nhà khách hàng. Nó kết hợp trong cùng một thiết bị bao gồm chức năng như một BTS trong nhà. Thay vì kết nối tới BSC của nhà điều hành (giống như một Picocell), Femtocell được kết nối trực tiếp tới Internet qua dây cáp. Với các Femtocell, tất cả các thông tin lên lạc giữa người dùng và nhà điều hành đều thông qua mạng Internet nên không cần cơ sở hạ tầng cho BSC/MSC. Femtocell cho một vùng phủ nhỏ hơn, phục vụ ít người sử dụng hơn Picocell nên giá thành rẻ hơn và yêu cầu công suất thấp hơn (từ 10 đến 20 dBm phục vụ cho 4 đến 6 người sử dụng). Các đặc điểm cụ thể hơn về kỹ thuật Femtocell sẽ được trình bày tại chương 3.
Sự khác nhau giữa Picocell và Femtocell.
Femtocell là một Picocell nhỏ với các tài nguyên được đơn giản hóa để giảm chi phí và lắp đặt dễ dàng. Tuy nhiên, Picocell được kết nối vào mạng của các nhà điều hành băng rộng, còn Femtocell là một mạng khép kín và được kết nối vào một mạng lõi sử dụng IP. Femtocell tự cấu hình và giao diện giữa Femtocell và mạng lõi được đơn giản hóa để tránh bất kỳ tác động nào từ phía nhà điều hành. Femtocell được cài đặt trong nhà của khách hàng nên càng đơn giản càng tốt (tính năng Plug and Play). Sự khác nhau giữa Picocell và Femtocell được trình bày trong bảng 2.1.
Thông số Picocell Femtocell
Cài đặt Bởi nhà điều hành Bởi người dùng
Kết nối với mạng lõi Cáp đồng trục hoặc cáp quang Cáp thông qua mạng ADSL
Giá Rẻ Rất rẻ
Khả năng phục vụ 10 – 15 người dùng 3 – 5 người dùng
Phạm vi vùng phủ < 100 m < 30 m
Bảng 2.1. So sánh giữa Picocell và Femtocell