GIẢI PHÁP PHỦ SÓNG DI ĐỘNG TRONG TOÀ NHÀ

Ngày nay, để mở rộng thị phần ngoài việc cạnh tranh về giá cả, dịch vụ giá trị gia tăng, chăm sóc khách hàng… các nhà cung cấp dịch vụ di động cũng không ngừng tập trung phát triển mạng lưới để có vùng phủ rộng, phủ sâu, chất lượng phủ sóng tốt. Tuy nhiên, ngay cả đối với các công ty cung cấp dịch vụ di động đã phủ sóng 63/63 tỉnh thành có một vấn đề cần quan tâm là tại một số thành phố lớn như Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh là chất lượng phủ sóng trong các toà nhà, đặc biệt là các toà nhà cao tầng của khách sạn, văn phòng của các công ty trong và ngoài nước, khu chung cư cao cấp… Đây là nơi mà nhu cầu liên lạc rất lớn và là những khách hàng quan trọng của các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông. Vì vậy để có thể đảm bảo nhu cầu liên lạc, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của khách hàng đặc biệt là các khách hàng cao cấp, các nhà khai thác viễn thông đang từng bước tập trung nâng cao chất lượng viễn thông trong các toà nhà cao tầng đó chính là hệ thống IBS.

Hình 2.1: Mô hình hệ thống phủ sóng di động trong tòa nhà

Tại các tầng thấp thường có tình trạng sóng yếu, chập chờn, ở các tầng cao thì nhiễu (nhất là đối với các nhà khai thác chia sẻ chung băng tần GSM) dẫn đến khó thực hiện và rớt cuộc gọi. Tuy nhiên, do đặc trưng vùng phủ của những khu vực này rộng hoặc trải dài theo chiều dọc, sóng vô tuyến từ trạm BTS outdoor macro bị suy hao nhiều khi xuyên qua các bức tường bê tông dẫn đến cường độ tín hiệu không đạt yêu cầu, nên giải pháp phủ sóng trong tòa nhà IBS (Inbuilding Solutions) hay IBC (Inbuilding Coverage) hiện nay được nhiều nhà cung cấp dịch vụ di động lựa chọn. Trong các phần tiếp theo người thực hiện sẽ đi sâu vào việc thiết kế hệ thống IBC.

Giải pháp truyền thống:

Sử dụng cáp feeder 7/8 và 1/2 đề truyền tín hiệu. Thích hợp với các tòa nhà qui mô vừa và nhỏ (dưới 23 tầng, dưới 100 000 m2).

Lắp đặt dễ dàng và nhanh chóng, sử dụng các quang đi dọc trục để giảm suy hao tín hiệu

Chia tách hệ thống thành từng phần nhỏ, trong mỗi phần sử dụng cáp feeder 7/8 chạy dọc trục. Có thêm các bộ repeater quang để điều khiển tín hiệu. Thích hợp với các tòa nhà diện tích lớn, cao trên 30 tầng.

v Dưới đây là những ưu điểm khi sử dụng hệ thống Inbuilding:

Ø Đảm bảo vùng phủ sóng di động mọi lúc mọi nơi bên trong tòa nhà, giúp khả năng truy cập mạng và liên lạc không bị gián đoạn cho việc giao dịch, hội nghị…

Ø Các dịch vụ thông tin, dữ liệu, mobile… đều được cung cấp với chất lượng ổn định để mang lại hiệu quả công việc tốt nhất và lợi nhuận cho khách hàng.

Ø Tối ưu hóa thiết kế về kinh phí thiết bị sử dụng và khả năng phủ sóng.

Ø Tránh phủ sóng ra ngoài phạm vi tòa nhà để giảm thiểu khả năng nghẽn mạng ngoài ý muốn.

Ø Hệ thống In Building là một hệ thống độc lập không phụ thuộc vào hệ thống outdoor bên ngoài nên việc sử dụng hệ thống này bảo đảm tính bền vững ổn định chất lượng vùng phủ sóng cho tòa nhà

Ø Hệ thống có khả năng tích hợp tất cả các mạng đang sử dụng trên toàn quốc như cùng một lúc có thể dùng chung các mạng như Vinaphone, Mobifone,Viettel…trên một hệ thống Inbuilding đã lắp trước, có khả năng linh hoạt thay đổi cấu hình, nâng cấp cấu hình bảo dưỡng mạng.

Ø Nền tảng cho các ứng dụng hệ thống wireless, mobile broadband, mobile TV…

2) Tổng quan giải pháp IBC cho tòa nhà cao tầng

Có thể nói hiện nay đối với các tòa nhà lớn như là sân bay, ga điện ngầm, văn phòng cao tầng, siêu thị kinh doanh hàng hóa rộng lớn… thì vấn đề vùng phủ và dung lượng đều rất quan trọng vì chất lượng thoại di dộng ảnh hưởng trực tiếp đến uy tín của nhà cung cấp dịch vụ. Tuy nhiên, do đặc trưng vùng phủ của những khu vực này rộng hoặc trải dài theo chiều dọc, sóng vô tuyến từ trạm BTS bên ngoài tòa nhà (BTS outdoor macro) bị suy hao nhiều khi xuyên qua các bức tường bê tông dẫn đến cường độ tín hiệu không đạt yêu cầu, nên giải pháp phủ sóng trong tòa nhà hiện nay được nhiều nhà cung cấp dịch vụ di động lựa chọn.

Hệ thống inbuilding bao gồm ba phần chính: nguồn tín hiệu, hệ thống phân phối tín hiệu và phần tử bức xạ. Trong đó hệ thống phân phối tín hiệu là điểm khác biệt điển hình giữa hệ thống inbuilding so với hệ thống mạng BTS outdoor macro thông thường.

Nguồn tín hiệu Hệ thống phân phối tín hiệu Phần tử bức xạ

Hình 2.2: Các thành phần chính của hệ thống IBC

2.2.1 Nguồn tín hiệu để phủ sóng cho indoor có thể dùng

Ø Nguồn tín hiệu bằng trạm outdoor:

Hình 2.3: Vùng phủ trong tòa nhà từ một tế bào macro trong mạng BTS outdoormacro

Đây là giải pháp đơn giản nhất để cung cấp vùng phủ cho các toà nhà với tín hiệu từ các trạm macro bên ngoài toà nhà. Giải pháp này được khuyến nghị nếu lưu lượng trong tòa nhà khôngcao, hoặc chủ tòa nhà không cho phép lắp đặt thiết bị và đi cáp trong tòa nhà hoặc việc triển khai giải pháp dành riêng cho nó không kinh tế.

Khi đó vùng phủ được cung cấp bằng cách:

· Tín hiệu sẽ thâm nhập vào toà nhà từ bên ngoài. Điều này chỉ thực hiện được đối với các tòa nhà có khoảng hở lớn đối với bên ngoài hoặc ít tường, cửa sổ kim loại.

· Đặt BTS trên các tòa nhà xung quanh và hướng anten tới tòa nhà cần phủ. Khi đó không cần đến hệ thống phân phối tín hiệu nữa và phần tử bức xạ chính là anten của trạm BTS outdoor macro đó.

Ưu điểm của giải pháp này là chi phí thấp, không mất nhiều thời gian trong triển khai, có thể phủ cả ngoài nhà (outdoor) và trong nhà (indoor).

Nhược điểm của giải pháp này là vùng phủ hạn chế, tốc độ bit thấp đối với các dịch vụ dữ liệu, dung lượng thấp và chất lượng không thể chấp nhận được ở một số phần trong toà nhà. Suy hao tăng dần khi tần số càng cao, do vậy khó cung cấp vùng phủ cho toà nhà mức tín hiệu tốt. Suy hao có thể khắc phục bằng cách tăng công suất từ các trạm ngoài nhà nhưng nhiễu sẽ tăng. Việc thiết kế tần số gặp nhiều khó khăn do quỹ tần số hạn hẹp (nhất là đối với các nhà khai thác chia sẻ chung băng tần GSM).

Ø Nguồn tín hiệu dùng trạm lặp Repeater:

Ngoài cách phủ sóng trong nhà bằng trạm outdoor có thể sử dụng trạm lặp (repeater) làm nguồn vô tuyến cung cấp cho hệ thống phân phối. Khi đó vùng phủ của trạm outdoor hiện có được mở rộng. Nhưng giải pháp này ít được sử dụng trong thực tế vì cường độ tín hiệu, chất lượng, sự ổn định, dung lượng phụ thuộc vào trạm BTS bên ngoài và việc thiết kế cho trạm lặp (quỹ đường truyền, mức độ cách ly 2 hướng) mặc dù giá thành thấp, triển khai nhanh, dễ dàng. Vì có nhiều nhược điểm nói trên nên trên thực tế rất ít nhà cung cấp dịch vụ di động sử dụng giải pháp này, trừ trường hợp bất khả kháng.

Ø Nguồn tín hiệu bằng trạm indoor dành riêng:

Hình 2.4: Vùng phủ cho tòa nhà được cung cấp bởi trạm indoor dành riêng

Giải pháp này có thể tăng thêm dung lượng cho những vùng trong nhà yêu cầu lưu lượng cao. Vấn đề chính ở đây là cung cấp dung lượng yêu cầu trong khi vẫn đảm bảo vùng phủ tốt của toà nhà mà không làm ảnh hưởng tới chất lượng dịch vụ của mạng BTS outdoor macro. Vì vậy giải pháp này được các nhà cung cấp dịch vụ di động trong khu vực sử dụng như SingTel, Digi…

Ưu điểm của giải pháp này là nguồn tín hiệu từ bên ngoài ổn định, mức tín hiệu tốt, mở rộng dung lượng hệ thống dễ dàng. Nhược điểm của giải pháp là giá thành cao, yêu cầu phải có cách bố trí tần số/kênh cụ thể và xây dựng hệ thống truyền dẫn đảm bảo tính mỹ thuật.

2.2.2 Hệ thống phân phối tín hiệu

Hệ thống phân phối tín hiệu có nhiệm vụ phân phối tín hiệu từ nguồn cung cấp đi đến các anten hoặc phần tử bức xạ khác và được phân loại thành:

Ø Hệ thống thụ động:

Hình 2.5: Giải pháp hệ thống anten phân phối cáp đồng thụ động

Hệ thống thụ động là hệ thống anten được phân phối bằng cáp đồng trục và các phần tử thụ động. Đây là giải pháp phổ biến nhất cho các khu vực phủ sóng inbuilding không quá rộng, có đặc điểm:

– Trạm gốc được dành riêng cho toà nhà: Tín hiệu vô tuyến từ trạm gốc được phân phối qua hệ thống đến các anten. Vùng phủ cho toà nhà được giới hạn đồng thời không làm ảnh hưởng đến chất lượng mạng BTS outdoor macro. Nhưng yêu cầu kỹ sư thiết kế phải tính toán quỹ đường truyền cẩn thận vì mức công suất ở mỗi anten phụ thuộc vào sự tổn hao mà các thiết bị thụ động được sử dụng, đặc biệt là chiều dài cáp.

– Các thiết bị chính gồm: cáp đồng trục, bộ chia (splitter/tapper), bộ lọc (filter), bộ kết hợp (combiner), anten.

Ø Hệ thống chủ động:

Hệ thống chủ động là hệ thống anten phân phối sử dụng cáp quang và các thành phần chủ động (bộ khuếch đại công suất). Việc sử dụng cáp quang từ BTS tới khối điều khiển từ xa có thể mở rộng tới từng vị trí anten riêng lẻ bằng cách: tín hiệu RF từ trạm BTS được chuyển đổi thành tín hiệu quang rồi truyền đến và được biến đổi ngược lại thành tín hiệu RF tại khối điều khiển từ xa trước khi được phân phối tới một hệ thống cáp đồng nhỏ. Ngoài ra, hệ thống còn sử dụng các thiết bị khác trong việc phân phối tín hiệu: Hub quang chính, cáp quang, Hub mở rộng, khối anten từ xa.

Hình 2.6: Sơ đồ một hệ thống anten phân phối chủ động cho khu trường sở

Giải pháp này thường được sử dụng cho những khu vực phủ sóng inbuilding rất rộng, khi mà hệ thống thụ động không đáp ứng được chỉ tiêu kỹ thuật suy hao cho phép. Khi đó một cây BTS phục vụ được nhiều tòa nhà trong một vùng, thường là các khu trường sở. Các kết nối khoảng cách xa (hơn 1 km) sử dụng cáp quang, sự phân phối giữa một tầng và các phần trong toà nhà có thể dùng cáp xoắn đôi dây. Nhưng nhược điểm dễ nhận thấy là chi phí cao.

Hình 2.7: Sơ đồ một hệ thống anten phân phối chủ động cho một toà nhà cao tầng

Ø Hệ thống lai ghép:

Hình 2.8: Sơ đồ hệ thống lai ghép

Hệ thống này là sự kết hợp giữa hệ thống thụ động và chủ động. Giải pháp này dung hoà được cả ưu nhược điểm của hai hệ thống thụ động và chủ động. Vì nó vừa đảm bảo chất lượng tín hiệu cho những khu vực phủ sóng trong nhà có quy mô lớn lại vừa tiết kiệm chi phí.

2.2.3 Phần tử bức xạ

Phần tử bức xạ có nhiệm vụ biến đổi năng lượng tín hiệu điện thành sóng điện từ phát ra ngoài không gian và ngược lại. Do hệ thống trong nhà được sử dụng ở những khu vực có vùng phủ sóng đặc biệt như nên đối với từng công trình cụ thể đòi hỏi phải có phần tử bức xạ thích hợp.

o Anten: sử dụng thích hợp với những vùng phủ có khuynh hướng hình tròn hoặc hình chữ nhật. Đó là vì anten cho vùng phủ sóng không đồng đều, việc tính quỹ đường truyền phụ thuộc nhiều vào cấu trúc của toà nhà. Phạm vi phủ sóng của anten ở dải GSM900 là 25m ÷ 30m; GSM1800 là 15m ÷ 18m. Có 2 loại anten thường được sử dụng là anten vô hướng (omni) và anten có hướng (yagi). Anten vô hướng có tính thẩm mỹ, nhỏ gọn dễ lắp đặt nên có thể kết hợp hài hoà với môi trường trong toà nhà, còn anten có hướng có độ tăng ích cao thích hợp khi phủ sóng trong thang máy.

Hình 2.9: Hệ thống phân phối cáp rò

o Cáp rò: Đặc điểm của cáp rò (còn gọi là cáp tán xạ) là có cường độ tín hiệu đồng đều theo một trục chính nên thường được dùng cho các vùng phủ phục vụ kéo dài đặc biệt như: hành lang dài, xe điện ngầm, đường hầm… Phạm vi phủ sóng của cáp dò chỉ vào khoảng 6m nhưng lại có ưu điểm hơn hẳn so với anten là hỗ trợ được dải tần số rộng từ 1 MHz ÷ 2500 MHz.

2.3 Các thiết bị dùng trong hệ thống DAS

2.3.1 Các loại anten dùng cho hệ thống

Anten Omni 3dBi, Omni Direction 2400 4.5dBi, Panel 14 dBi, hỗ trợ dải tần từ 800-2700 MHz.

Hình 2.10: Anten Omni với sơ đồ bức xạ theo chiều ngang và dọc

2.3.2 Cáp feeder sử dụng cho hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo kiểu backbone nên cáp trục chính thƣờng dùng là feeder 7/8’’ và cáp nhánh cho các tầng là feeder 1/2’’.

Bảng 3.5 Suy hao của các loại feeder của hãng Rosenberger (Đức):

Loại feeder	Tần số 1800MHz	Tần số 2100MHz
1/2’’	10,7dB/100m	11,5dB/100m
7/8’’	6,11dB/100m	6,63dB/100m

Hình 2.11: Các loại slipter dùng trong IBC

v Công thức tính suy hao trong Slipter:

Ø Công thức tính suy hao: Slipter loss= 10log (tổng số ngõ ra) + 0.1dB

Ví dụ: Slipter 1:3 thì suy hao tại mỗi ngõ ra là: 10log(3)+0.1dB = 4.87dB

Hình 2.12: Suy hao của Slipter 1:3

2.3.3 Bộ chia không đều (Coupler)

Suy hao các bộ Coupler của hãng Rosenberger (Trung Quốc):

Coupler type	Coupling Value (dB)	Insertion Loss (dB)
Directional Coupler 5 dB	5	1,65
Directional Coupler 10 dB	10	0,46
Directional Coupler 15 dB	15	0,14
Directional Coupler 20 dB	20	0,04
Directional Coupler 30 dB	30	0

Hình 2.13: Coupler chia tín hiệu ra các anten có công suất 3.5 – 5dBm

2.3.4 Bộ POI (Point of Interface)

Chức năng của POI trong hệ thống IBC là kết hợp các Operator từ BTS rồi phân phối ra hệ thống DAS thông qua feeder.

Hình 2.14: Vị trí của POI trong hệ thống IBC

Phần A là tín hiệu từ BTS outdoor của các nhà cung cấp dịch vụ được đưa vào BTS indoor của hệ thống IBC, hiện tại có 3 nhà cung cấp dịch vụ chính ở nước ta: Vietel, VMS Mobifone và Vinaphone đều dùng tần số GSM 900MHz và DCS 1800MHz.

Phần B là bộ POI kết hợp tín hiệu của tất cả các nhà cung cấp dịch vụ được lấy từ Phần A thành một đường sau đó truyền đến hệ thống DAS ở phần C.

Hình 2.15: Các tần số được kết hợp vào bộ POI

Phần C là hệ thống DAS bao gồm các linh kiện thụ động như feeder, anten indoor, slipter…để phân phối công suất từ BTS đưa tới.

Ở đây, người thực hiện sẽ dùng bộ Hybrid 2 ngõ vào và 4 ngõ ra có chức năng tương tự như bộ POI.

Quá trình truyền sóng trong môi trường trong nhà rất phức tạp và khó dự đoán chính xác do cấu trúc, kết cấu, vật liệu xây dựng của các công trình khác nhau, mục đích sử dụng cũng khác nhau: sân bay, ga điện ngầm, văn phòng cao tầng, khu vực kinh doanh hàng hóa rộng lớn… Vì vậy phải cân nhắc khi chọn giải pháp thiết kế sao cho phù hợp nhất với từng công trình bằng cách kết hợp linh hoạt các lựa chọn trong ba khối thành phần chính của hệ thống trong nhà. Trong những năm gần đây, các giải pháp inbuilding ngày càng được triển khai nhiều và được các mạng di động quan tâm nhằm đáp ứng nhu cầu của người sử dụng “vùng phủ mọi nơi”. Đồng thời đây cũng là cơ hội để các nhà khai thác mở rộng vùng phủ, cải thiện dịch vụ, gia tăng lưu lượng mới cho những vùng mà trước đây gọi là “hố đen” do mạng macro không có khả năng phục vụ được. Với vùng phủ trong nhà chồng lên và cùng với vùng phủ mạng macro sẽ làm tăng tổng dung lượng và vùng phủ của toàn mạng di động.