Máy này có nhiều phiên bản khác nhau. Phiên bản có giá thấp nhất gồm máy phát có kích cỡ bằng máy di động và một máy thu có kích thước cũng bằng một máy di động. Máy phát được đặt gần và nối với ang ten trong nhà, đóng vai trò là nguồn phát tín hiệu. Thay vì dùng máy phân tích quang phổ, ta sử dụng máy TEMS người lập kế hoạch IBC bây giờ có thể đi vòng quanh và đo suy hao đường truyền, mức thu tại các vị trí khác nhau.
Công việc này thực sự có ích để tìm ra các vị trí có thể đặt anten khác nhau. Một số vị trí cho phép công suất phát của anten thấp. Ví dụ như thay vì đặt một ăng ten tại trung tâm của toà nhà nơi mà tín hiệu RF suy hao rất lớn khi đi qua các bức tường ngăn hoặc thang máy thì ta sẽ đặt ít nhất 2 hoặc nhiều ăng ten bên ngoài vùng trung tâm trong phạm vi văn phòng.
4.2 Thiết kế hệ thống. 4.2.1. Giới thiệu.
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 chúng ta phải chọn một hệ thống phân phối. Đối với những toà nhà lớn có những đường nối dài ( > 200m), 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
Trước hết phạm vi phủ sóng của ăng ten phải được tính toán. Đối với hệ thống tích cực, vùng phủ sóng phụ thuộc vào số lượng sóng mang được sử dụng, vì công suất phát trên mỗi sóng mang sẽ giảm khi sử dụng nhiều sóng mang kết hợp. Công suất kết hợp của cả hệ thống là không đổi vì công suất này bằng tổng công suất các sóng mang thành phần. Ngoài ra công suất tổ hợp đó tuỳ thuộc vào hệ thống truyền thông di động được sử dụng (GSM, IS - 136, - 95... )
Ngoài ra, chúng ta phải thu thập thêm thông tin từ tài liệu kỹ thuật của các thiết bị cụ thể. Ví dụ với một hệ thống phân phối GSM có 4 sóng mang, từ tài liệu kỹ thuật của BTS, chúng ta biết rằng công suất phát tổ hợp là 40dBm thì như vậy công suất phát sẽ là 37dBm/2 sóng mang hoặc 34 dBm/4 sóng mang.
Từ nhà khai thác, chúng ta biết được mức thu tối thiểu cho phép của tòa nhà, giả sử là -85dBm. Từ đó, chúng ta có thể tính toàn được suy hao đường truyền lớn nhất 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 rađiô trong nhà.
4.2.2 Sự truyền lan 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. Chúng ta 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.
Tuy nhiên, để tìm ra kết quả tính toàn vùng phủ sóng của một anten trong nhà, chúng ta phải sử dụng công thức dưới đây như là một chìa khóa. Công thức này được sử dụng rộng rãi và dựa trên các phép đo trên hiện trường.
PL(d) = PL(d0) + 10nlog(d/d0) (dB)
PL(d0) = 20log(4d0/) = 20log(4/) + 20log(d0) PL(d0 = 1m; 960MHz) = 32dB
PL(d0 = 1m; 1800MHz) = 38dB d0(indoor, typical) = 1m
d0(outdoor, typical) = 100m ~ 1km.
Bảng 4.3 Hệ số suy hao hàm mũ n của một số loại môi trường
Môi trường Hệ số suy hao số mũ n
Free space 2
Urban area cellular/PCS 2.7 ~ 4.0
Shadowed urban cellular/PCS 3 ~ 5
In building line of sight 1.6 ~ 1.8
Obstructed in building 4 ~ 6
Hình 4.16 Đồ thị suy hao đường truyền ứng với các hệ số suy hao.
Bảng 4.4 Hệ số suy hao ứng với các loại môi trường trong nhà. Ví dụ: Cửa hàng tạp phẩm trần cao 6m, quầy hàng làm bằng kim loại 2.1m chiều cao, 4 mét chiều dài, 1 lát sàn. Cửa hàng bán lẻ chiều cao trần nhà 4.5m, mái hở 1.8m. Lấy giá trị trung bình của hệ số suy hao = 3.14
Ta tính được bán kính phủ sóng của ăng ten cho suy hao đường truyền 89 dB như sau:
md d dB dB n dB d PL 65 10 10 10*3.14 ) 32 89 ( * 10 ) 32 ) ( ( 0
Điều này cho ta biết phạm vi phủ sóng của 1 ăng ten. Độ lệch chuẩn không được xét đến. Tuy nhiên chúng ta phải nhớ rằng mức thu tiêu chuẩn - 85 dBm đã bao gồm gần 20dB dự phòng vì máy di động GSM có độ nhạy thu xấp xỉ 104 dBm . Trong 20 dB này bao gồm xấp xỉ 5 dB là suy hao thân người và 15dB là dự phòng fading.
Hệ số suy hao trong nhà được đưa ra cùng với một độ lệch chuẩn là 16,3 dB cho hệ số = 3.14 trung bình trong nhà. Độ lệch chuẩn thể hiện cho sự khác nhau của các kết quả đo mức thu tại các vị trí khác nhau nhưng có cùng khoảng cách đến anten. Nếu độ lệch chuẩn nhỏ, thì độ ổn định về từ trường trong tòa nhà càng cao. Nếu chúng ta không đưa giá trị lệch chuẩn vào phép tính thì 50% số phép đo cho kết quả nhỏ hơn hoặc bằng giá trị suy hao đường truyền tính toán. Nếu chúng ta đưa giá trị lệch chuẩn vào phép tính, thì 84% các phép đo cho kết quả đáp ứng yêu cầu tối thiểu của mức thu. Để tăng giá trị phần trăm lên 95%, chúng ta phải tăng độ lệch chuẩn lên 1.65 lần, tức là 27dB. Tuy nhiên, phép tính này thực sự không cần thiết. Vì các tòa nhà là không giống nhau (giống với ví dụ trên), các vị trí để đo mức thu có tín hiệu không đồng nhất trong toàn bộ tòa nhà. Ngoài ra, độ dự phòng fading đã được cho vào phép toán. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trong suy hao lan truyền trong nhà, hệ số tăng ích của anten thu và phát không được tính đến. Hệ số tăng ích luôn được xét đến trong lan truyền sóng trong không gian tự do, tuy nhiên trong môi trường trong nhà, hệ số tăng ích không được tính đến vì quá trình lan truyền gồm nhiều cơ chế phản xạ và không trực tiếp. Anten của máy di động có hệ số tăng ích là 3dBi tại các vị trí tối ưu. Tuy nhiên hệ số tăng ích sẽ giảm mạnh khi máy di động gần đầu người vì cơ thể người hấp thu một phần công suất bức xạ. Do vậy, hệ số tăng ích của anten máy di động thường được coi là 0 dBi. Đối với anten trong nhà thường
là loại vô hướng có hệ số tăng ích là 3 dBi. Antena panel có hướng có hệ số tăng ích cao hơn, sử dụng cho các vị trí thích hợp. Việc xác định hệ số tăng ích của anten chính xác cho từng tòa nhà cụ thể là khó khăn, do vậy để an toàn, hệ số tăng ích của anten được xem là 0dBi.
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. Điều này đã được đưa vào công tính qua hệ số n. Một cách tính toán khác là đưa vào công thức hệ số n của tòa nhà văn phòng có cách vách ngăn mềm, cụ thể n = 2,4 và ta phải cộng thêm các giá trị suy hao cho từng bức tường chắn. Đối với các bức tường trong nhà, suy hao tín hiệu là 3 đến 5 dB, tường bê tông suy hao từ 10 đến 20 dB.
4.2.3 Toà nhà mẫu : Toà nhà văn phòng.
Một toà nhà văn phòng 30 tầng sẽ được phủ sóng tín hiệu GSM900. Toà nhà có hai tầng lửng và một tầng hầm. Nhà khai thác lập kế hoạch sử dụng một BTS có 4 sóng mang trong toà nhà. BTS được đặt ở tầng lửng thứ 2, tầng lửng thấp nhất của toà nhà.
4.2.3.1 Dung lượng.
Nhà khai thác tính toán yêu cầu về sóng mang cần thiết cho tòa nhà như thế nào?
Những tham số sau để tính toán dung lượng.
Kích thước sàn nhà : 70m x 70m (4900 m2).
30 tầng.
10 m2 không gian làm việc 50% không gian làm việc mỗi tầng
30% số nhân viên có máy di động.
1/3 số người dùng di động là thuê bao của một mạng nhất định.
25mErlang/thuê bao.
Từ những số liệu thu được chúng ta có: 245 người mỗi tầng, 7350 người/toà nhà và 735 người /mạng di động. 735 người yêu cầu lưu lượng là 18,38 Erl. Một BTS với 26 kênh thoại có thể đáp ứng lưu lượng này với hệ số GOS 2%. Trong một BTS GSM 4 sóng mang cung cấp được 26 kênh thoại.
4.2.3.2 Vùng phủ sóng GSM 900.
Tòa nhà văn phòng có vách ngăn mềm và một số tường bê tông. Hệ số suy hao được chọn là 3.3. Nếu một anten được lắp đặt ở giữa sàn, bán kính vùng phủ sóng của anten phải là 1.41 x 35m = 50m. Từ công thức tính suy hao đường truyền trong nhà, ta có:
PL = 32dB + 10*n*log(50m/1m) = 88dB.
Mức thu tiêu chuẩn của GSM = -85dBm/ 1 sóng mang. Thì công suất phát của anten phải là:
Từ khảo sát hiện trường, ta biết rằng BTS là loại GSM900, có 4 sóng mang, công suất phát của TRX là 2W, với độ nhạy thu là -104dBm. Máy di động có công suất phát là 30dBm và độ nhạy thu là -104dBm. Từ mục trên về cấu hình BTS, hướng lên có sự giới hạn về đường truyền. Tuy nhiên, trong trường hợp này, nhà khai thác yêu cầu có 3dB dự phòng so với hướng xuống và có kế hoạch cho mức thu là -85dBm. Tại đầu ra của BTS, tín hiệu tổ hợp có công suất là 26dBm/sóng mang.
Hình 4.17 Cấu hình BTS.
Trong bước tiếp theo, chúng ta tiến hành thiết kế mạng IBC thụ động. Mỗi tầng nhà có chiều cao 4m, được kết nối vơi nhau bằng feeder có đường kính 0,5”, loại cáp này có suy hao 7dB/100m. Suy hao ghép nối được tính là 0.3dB/tầng. Trên mỗi tầng, đường cáp nối từ trục chính đến anten dài 10m, suy hao trên đoạn này mất 0.7dB.
Thiết kế một hệ thống phân phối trong tòa nhà cao tầng thường bao gồm một đường trục tín hiệu. Trên mỗi tầng, chúng ta sử dụng bộ tách ghép coupler để phân chia công suất từ đường trục. Mức năng lượng cần cho mỗi tầng được tính theo công suất phát của mỗi sóng mang trên anten cộng với suy hao trên cáp và các suy hao ghép nối, ở đây 10m cáp 0,5” suy hao mất 0,7dB. Suy hao trên coupler được tính theo bảng dưới đây.
Bảng 4.6 Suy hao ghép nối của thiết bị tách ghép coupler.
Tại đầu ra của bộ coupler, công suất được tính như sau:
P = 3 dBm (công suất tại đầu ra anten) + 0 .7 dB (suy hao trên cáp) = 3.7 dBm.
Phụ thuộc vào năng lượng sẵn có của đường cáp trục, chúng ta sử dụng bộ tách ghép thích hợp để trích ra mức năng lượng xấp xỉ theo yêu cầu. Cụ thể nếu công suất trên đường trục là 26dBm, ta sử dụng bộ coupler 20dB thì có thể tách 6dBm công suất ra tầng này. Đến tầng tiếp theo, công suất trên đường trục sẽ giảm 0,3dB do suy hao trên cáp và 0,2dB do suyhao ghép nối qua coupler 20dB. Do vậy công suất tại tầng tiếp theo còn lại là 25,5dBm. Một lần nữa, coupler 20dB được sử dụng. Khi mà công suất trên đường trục giảm xuống tới mức 23,7dBm thì chúng ta phải chuyển đổi loại coupler sang loại 15dB. Quá trình thiết kế được tiến hành như vậy cho đến khi công suất trên đường trục giảm xuống dưới 3,7dBm. Lúc đó trên đường trục không còn đủ công suất để nuôi anten. Nếu yêu cầu về công suất vẫn còn, chúng ta phải sử dụng đến bộ khuếch đại công suất. Sơ đồ thiết kế hệ thống được mô tả dưới đây.
Hệ thống phủ sóng thụ động được thiết kế đến tầng 20. Các tầng trên của tòa nhà sử dụng hệ thống phân phối tích cực. Hệ thống phân phối tích cực có công suất tín hiệu tổ hợp tại đầu ra bộ khuếch đại đầu cuối EA là 10dBm, cụ thể là 7dBm/ 2sóng mang và 4dBm/4 sóng mang. Hệ số tăng ích giữa hub tích cực và EA là 10dB. Bộ hub tích cực được đặt tại tầng thứ 20. Hệ thống cáp cho
các tầng cao được sử dụng giống như các tầng thấp. Suy hao tối lớn nhất giữa bộ khuếch đại đầu cuối EA và bộ hub tích cực là 12dB, suy hao ghép nối giữa bộ khuếch đại đường trục và thiết bị tích cực trước nó là 22dB. Suy hao phân chia công suất của splitter 2 đường là 4dB, của loại plitter 4 đường là 8dB. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 4.18 Sơ đồ thiết kế hệ thống IBC thụ động.
Thiết kế của hệ thống phân phối tích cực được thể hiện trong hình 4.15. Các anten từ tầng 21 đến tầng 28 được kết nối với hub tích cực thông qua bộ chia splitter 4 đường và bộ khuếch đại đầu cuối. Suy hao lớn nhất giữa hub tích cực và anten là anten tại tầng trên cùng, tầng 28, cụ thể là 7 x 0.3 + 0.7 + 8 = 10,8dB. Giá trị này nhỏ hơn suy hao lớn nhất cho phép là 12dB. Các tầng 29 và 30 được kết nối thông qua bộ chia 2 đường. Suy hao cực đại cho 2 tầng này là 9 x 0,3 + 0,7 + 4 = 7,4 dB.
Hình 4.19 Sơ đồ thiết kế hệ thống IBC tích cực. 4.2.3.3 Vùng phủ sóng GSM 900 / 1800.
Phần này, tôi muốn giới thiệu hệ thống phủ sóng tích hợp 2 băng tần GSM900 và DCS1800. Hệ số suy hao đường truyền vẫn được lấy là 3.3 như trong hệ thống GSM900. Nếu một anten được đặt trong trung tâm của mỗi tầng nhà, bán kính phạm vi phủ sóng của anten phải là 1.41 X 35 M = 50 M. Trong một mạng hai băng tần Dual Band, việc lập kế hoạch sẽ được tiến hành cho băng tần cao hơn vì suy hao trên cáp feeder và suy hao đường truyền của nó sẽ cao hơn. Do vậy, các hệ thống có tần số cao sẽ gặp những giới hạn nhất định.
Từ công thức tính suy hao chúng ta có :
PL = 38dB + 10nlog(50m/1m) = 94dB
Mức đặt kế hoạch cho mức thu RxLevel ở đây là -85 dBm, do vậy yêu cầu công suất phát tại đầu ra ănten/sóng mang sẽ là:
Một mức 6dB cao hơn mức được cần, vì mạng đang được lập kế hoạch cho băng tần số cao hơn. Hệ số suy hao cũng phải thay đổi theo băng tần, nhưng ở đây nó vẫn được lấy giá trị cũ để tiện cho việc tính toán đơn giản.
Yêu cầu về lưu lượng cho tòa nhà vẫn được tính như trên. Bốn sóng mang GSM có thể đáp ứng được yêu cầu. Trong một mạng hai băng tần, các sóng