Đề tài Thiết kế hệ thống phủ sóng di động trong tòa nhà cao tầng

PHẦN A GIỚI THIỆU Trang i LỜI CẢM ƠN  Lời đầu tiên nhóm sinh viên thực hiện xin chân thành bày tỏ lòng cảm ơn thầy Trƣơng Ngọc Hà, ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn trong suốt quá trình hoàn thành luận văn này. Thầy đã mở ra cho nhóm sinh viên thực hiện những vấn đề khoa học hƣớng nhóm thực hiện đề tài vào nghiên cứu các lĩnh vực hết sức thiết thực và vô cùng bổ ích, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi nhóm sinh viên thực hiện học tập và nghiên cứu. Nhóm sinh viên thực hiện đã học hỏi đƣợc rất nhiều ở thầy phong cách làm việc, cũng nhƣ phƣơng pháp nghiên cứu khoa học của thầy… Nhóm luôn đƣợc thầy cung cấp các tài liệu, các chỉ dẫn hết sức quý báu khi cần thiết trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Nhóm sinh viên thực hiện cũng xin thể hiện sự kính trọng và lòng biết ơn đến quý thầy cô trong khoa Điện – Điện tử, những ngƣời đã trang bị cho nhóm rất nhiều kiến thức chuyên ngành, cũng nhƣ sự chỉ bảo, giúp đỡ tận tình của quý thầy cô đối với nhóm sinh viên thực hiện trong suốt quá trình học tập. Nhân đây, nhóm sinh viên thực hiện xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến bố, mẹ và những ngƣời thân trong gia đình, cảm ơn những tình cảm và những lời động viên nhóm sinh viên thực hiện trong suốt quá trình hoàn thành luận văn này. Nhóm sinh viên thực hiện cũng xin đƣợc cảm ơn tất cả anh chị, các bạn học, những ngƣời đã cung cấp và chia sẻ những tài liệu, thông tin quý báu trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu, hoàn thành luận văn này. Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1 năm 2011 Nhóm sinh viên thực hiện NGUYỄN TOÀN VĂN DƢƠNG LÊ NHẬT TIẾN Trang ii  QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI Họ và tên sinh viên:…………………………………MSSV: .………………………………...MSSV: Ngành: Công Nghệ Điện tử-Viễn thông Tên đề tài: …………………………………………………………………………... 1) Cơ sở ban đầu: ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ 2) Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ 3) Các bản vẽ: ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ 4) Giáo viên hƣớng dẫn:…………………………………………… 5) Ngày giao nhiệm vụ:……………………………………………. 6) Ngày hoàn thành nhiệm vụ: …………………………………… BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Giáo viên hƣớng dẫn Ngày ........ tháng…..năm 20… Chủ nhiệm bộ môn Trang iii QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI  ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHỦ SÓNG DI ĐỘNG TRONG TÕA NHÀ CAO TẦNG. ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… TP.HCM – ngày tháng năm 2011 NGƢỜI GIAO ĐỀ TÀI: Trang iv NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN  ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHỦ SÓNG DI ĐỘNG TRONG TÕA NHÀ CAO TẦNG. ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………….. TP.HCM – ngày tháng năm 2011 NGƢỜI NHẬN XÉT Trang v NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN  ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHỦ SÓNG DI ĐỘNG TRONG TÕA NHÀ CAO TẦNG. ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… TP.HCM – ngày tháng năm 2011 NGƢỜI NHẬN XÉT Trang vi LỜI NÓI ĐẦU I Lời nói đầu. Hòa nhịp với sự phát triển chung của nền kinh tế thế giới, nền kinh tế Việt Nam đang từng bƣớc đẩy mạnh phát triển kinh tế, xã hội, … Trong đó, dịch vụ viễn thông đang là một trong những ngành kinh tế mũi nhọn nhằm đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin đang tăng lên cả về số lƣợng lẫn chất lƣợng. Số lƣợng các nhà khai thác viễn thông trong và ngoài nƣớc tham gia vào thị trƣờng viễn thông ngày một tăng, sự cạnh tranh giữa các nhà khai thác ngày càng trở nên căng thẳng. Cùng với sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế, cơ sở hạ tầng đô thị cũng ngày một đổi mới. Các khu nhà cao tầng đang mọc lên ngày một nhiều hơn. Phần lớn các toà nhà cao tầng này đều là văn phòng làm việc của các công ty trong và ngoài nƣớc, khách sạn, nhà hàng cao cấp, siêu thị, khu chung cƣ cấp cao, … Đây là nơi mà nhu cầu liên lạc rất lớn và là những khách hàng quan trọng của các nhà khai thác 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 bƣớc tập trung nâng cao chất lƣợng viễn thông trong các toà nhà cao tầng, vì thế việc xây dựng một hệ thống phủ sóng di động trong các tòa nhà này trở nên cần thiết đặc biệt là hai thành phố lớn Hà Nội và Tp Hồ Chí Minh. II Lý do chọn đề tài. Vì nhu cầu thông tin liên lạc và sử dụng các dịch vụ viễn thông trong các tòa nhà cao tầng ngày một tăng cao, khi mà các nhà mạng ở Việt Nam đang tiến hành nâng cấp lên mạng di động 3G nên việc phủ sóng di động trong tòa nhà là rất cần thiết. Vì thế nhóm thực hiện tiến hành nghiên cứu luận văn: “ Thiết kế hệ thống phủ sóng di động trong tòa nhà cao tầng ”. III Mục tiêu của đề tài. Trong luận văn này, nhóm thực hiện đề tài sẽ trình bày quy trình thiết kế, kiểm định chất lƣợng và vận hành, bảo trì hệ thống phủ sóng điện thoại di động cho một tòa nhà cụ thể ở Tp Hồ Chí Minh và sẽ đƣợc triển khai rộng cho các tòa nhà cao tầng khác. Trang vii IV Đối tƣợng cần tìm hiểu. Nhóm thực hiện đề tài tiến hành tìm hiểu các đặc điểm, thành phần, nguyên lý hoạt động của hệ thống IBC (Inbuilding Coverage) trong một tòa cao ốc chung cƣ 15 tầng ở quận 7, thành phố Hồ Chí Minh . V Giới hạn đề tài. Nhóm thực hiện tập trung vào việc thiết kế và đo kiểm một hệ thống phủ sóng di động cho mạng GSM với tần số 1800MHz và mạng di động 3G UMTS với tần số 2100MHz. VI Tóm tắt luận văn. Luận văn đƣợc tổ chức thành 4 chƣơng nhƣ sau: Chƣơng 1:Chƣơng này sẽ trình bày tổng quan về các mạng đang hoạt động chủ yếu ở Việt Nam và xu hƣớng phát triển các mạng di động này trong tƣơng lai. Chƣơng 2:Giới thiệu các mô hình lan truyền sóng đƣợc sử dụng rộng rãi trên thế giới khi thiết kế một hệ thống IBC. Chƣơng 3:Giới thiệu hệ thống anten và các loại anten sẽ đƣợc sử dụng trong hệ thống IBC. Chƣơng 4:Chƣơng này sẽ tập trung vào việc thiết kế hoàn chỉnh một hệ thống IBC cho tòa cao ốc cụ thể và tiến hành kiểm tra chất lƣợng sóng di động khi hệ thống đi vào hoạt động. Kết luận và hƣớng phát triển đề tài: Phần này nhóm thực hiện sẽ trình bày các kết quả đạt đƣợc của luận văn, và một số hạn chế chƣa khắc phục đƣợc, để từ đó đƣa ra một số hƣớng phát triển trong tƣơng lai của đề tài. Phụ lục: Các bản vẽ thiết kế và các phần mềm để tiến hành một dự án IBC. Trang viii LIỆT KÊ BẢNG Bảng1.1 Phân loại dịch vụ của IMT-2000 15 Bảng 1.2 Các thông số lớp vật lý. 20 Bảng 2.1 Các giá trị ngầm định các tham số trong mô hình 34 Bảng 2.2 Bảng giá trị suy hao xâm nhập theo số tầng. 44 Bảng 2.3 Các tham số lan truyền trong tòa nhà. 49 Bảng 2.4 Các tham số từ các nghiên cứu về lan truyền sóng trong nhà. 55 Bảng 4.1: Các loại BTS thƣờng dùng trong Indoor. 91 Bảng 4.2 Các giá trị tham số điển hình. 95 Bảng 4.3 Các giá trị n tƣơng ứng với vật liệu tòa nhà. 98 Bảng 4.4 Hệ số suy hao của tín hiệu qua các vật chắn. 100 Bảng 4.5 Suy hao của các loại feeder của hãng Rosenberger (Đức): 105 Bảng 4.6 Suy hao các bộ Coupler của hãng Telestone (Trung Quốc): 106 Bảng 4.7 Chia theo từng dịch vụ của thuê bao 110 Bảng 4.8 Công suất tiêu thụ RBS 2206 111 Bảng 4.9 Công suất tiêu thụ RBS 3216 112 Bảng 4.10 Các file log sau khi sử dụng phần mềm Tems đo đƣợc: 113 Bảng 4.11 Các giá trị ngƣỡng thu đƣợc từ các log file: 114 Bảng 4.12 Thông số đo của mạng 3G trong thang máy 128 Bảng 4.13 Thông số chuyển giao các vùng biên của tòa nhà 129 Bảng A1 Bảng tính Link budget của tòa nhà. 141 Bảng A2 Bảng Erlang B. 148 Bảng B1 Danh mục các thiết bị dùng cho hệ thống IBC của tòa nhà. 152 Bảng B2 Dung lƣợng kết hợp của bộ POI. 153 Bảng B3 Đặc tính bộ POI. 155 Bảng B4 Đặc tính của Antenna, Celiling Mounted Omni Directional 800- 2500MHz, 3dBi. 156 Bảng B5 Đặc tính của Directional Source-Building Antenna 824 -2500MHz 240°, 4,5dBi. 156 Bảng B6 Đặc tính của Directed Dipole Antenna (for elevcator), Vpol 1710- 2170MHz 45° 14dBi. 157 Trang ix Bảng B6 Đặc tính của các Slipter dùng trong hệ thống. 157 Bảng B7 Đặc tính của các Coupler. 158 Trang x LIỆT KÊ HÌNH Hình1.1 Thị phần của GSM chiếm đa số. ................................................................. 3 Hình 1.2 Phân cấp cấu trúc địa lý mạng GSM .......................................................... 3 Hình 1.3 Phân vùng và chia ô .................................................................................... 4 Hình 1.4 Mô hình hệ thống thông tin di động GSM ................................................ 6 Hình 1.6 Mô hình cấu trúc hệ thống UMTS. ........................................................... 16 Hình 1.7 Sơ đồ khối tổng quát của mạng thông tin di động thế hệ 3 WCDMA. .... 17 Hình 1.8 Cấu trúc lớp vật lý của hệ thống UMTS................................................... 20 Hình 1.9 Hƣớng phát triển mạng trong tƣơng lai. ................................................... 22 Hình 1.10 Mạng hội tụ băng rộng ............................................................................ 23 Hình 1.11 Mô hình BCN .......................................................................................... 24 Hình 1.12 Biểu đồ tăng trƣởng HSPA khu vực châu Á – Thái Bình Dƣơng .......... 25 (Nguồn Infoma & Media) ......................................................................................... 25 Hình 1.13 Phát triển mạng UMTS-HSPDA trong tƣơng lai. .................................. 26 Hình1.14 Dự báo sự phát triển của các thuê bao di động toàn cầu đến năm 2014 . 27 Hình 1.15 UMTS/HSPA vẫn là công nghệ chủ đạo trong họ 3G với 84% thị phần (Nguồn: Informa & 3gamericas) ............................................................................... 27 Hình 2.1 Miền Fresnel thứ nhất. .............................................................................. 28 Hình 2.2 Đƣờng cong dự đoán suy hao. .................................................................. 31 Hình 2.3 Các tham số trong mô hình Walfish- Ikegami. ........................................ 34 Hình 2.4 : Truyền sóng vào tòa nhà ......................................................................... 41 Hình 2.5 Phân bố tích lũy của sự thay đổi tín hiệu tại tần số 900MHz trong tòa nhà không có đƣờng truyền LOS. ( ): giá trị đo, (----): giá trị lý thuyết của phân bố lognormal với độ lệch chuẩn 4dB. ............................................................................ 45 Hình 2.6 Mối quan hệ giữa suy hao xâm nhập và số tầng tòa nhà. ......................... 46 Hình 2.7 Suy hao khác nhau giữa môi trƣờng không gian tự do và tòa cao ốc. ...... 50 (Tài liệu tham khảo [5]) ............................................................................................ 50 Hình 2.8 Dạng trễ tín hiệu lan truyền trong một tòa nhà 6 tầng. ............................. 53 Hình 2.9 Phân bố tích lũy trễ lan truyền trong hai tòa nhà văn phòng. ................... 54 Hình 2.10 Ví dụ đơn giản về mô hình lan truyền sóng indoor. ............................... 57 Hình 2.11 Quá trình xử lý ảnh. ................................................................................ 58 Trang xi Hình 2.12 (a) Điểm phản xạ P2 không tồn tại trên bức tƣờng 2. (b) Điểm phản xạ P1 không tồn tại trên bức tƣờng 1. ............................................................................ 59 Hình 2.13 (c) Tồn tại cả hai điểm phản xạ, vì vậy đƣờng truyền đƣợc xác định. .... 61 (d) Máy thu không nằm trong miền mô phỏng. ........................................................ 61 Hình 3.1 Trƣờng bức xạ xung quanh anten. ............................................................. 64 Hình 3.2 Độ tăng ích của anten. .............................................................................. 66 Hình 3.3 Công suất bức xạ hiệu dụng của anten. ..................................................... 69 Hình 3.4 Độ tăng ích của anten isotropic so với anten dipole. ................................ 70 Hình 3.5 Tọa độ cực. ................................................................................................ 71 Hình 3.6 Hình dạng búp sóng bức xạ trên mặt phẳng ngang. ................................. 72 Hình 3.7 Hình dạng búp sóng bức xạ trên mặt phẳng đứng. ................................... 72 Hình 3.8 Hình dạng búp sóng bức xạ trong không gian 3 chiều. ............................ 73 Hình 3.9: Sự phân cực. ............................................................................................ 75 Hình 3.10 Một số cấu hình của anten thu phân tập không gian .............................. 77 Hình 3.11 Tín hiệu thu phân tập theo không gian. .................................................. 77 Hình 3.12 Thu phân tập theo cực tính. .................................................................... 78 Hình 4.1 Các thành phần chính của hệ thống IBC .................................................. 80 Hình 4.2 Vùng phủ trong tòa nhà từ một tế bào macro trong mạng BTS outdoormacro ............................................................................................................ 80 Hình 4.3 Vùng phủ cho tòa nhà đƣợc cung cấp bởi trạm indoor dành riêng ........... 81 Hình 4.4 Giải pháp hệ thống anten phân phối cáp đồng thụ động. .......................... 82 Hình 4.5 Sơ đồ một hệ thống anten phân phối chủ động cho khu trƣờng sở ........... 83 Hình 4.6 Sơ đồ một hệ thống anten phân phối chủ động cho một toà nhà cao tầng ................................................................................................................................... 83 Hình 4.7 Sơ đồ hệ thống lai ghép ............................................................................ 84 Hình 4.8 Tòa nhà cao tầng ....................................................................................... 86 Hình 4.9 Tòa nhà công xƣởng ................................................................................. 87 Hình 4.10 Khu trƣờng học ....................................................................................... 88 Hình 4.11 Cấu trúc nhà ga sân bay ........................................................................... 89 Hình 4.12 BTS công suất thấp với bộ ghép thụ động. ............................................ 90 Hình 4.13 Xác suất nghẽn GoS .............................................................................. 92 Hình 4.14 Sự lan truyền sóng trong nhà. .................................................................. 96 Trang xii Hình 4.15 Suy hao trong tòa văn phòng có mật độ ngƣời dùng cao. ...................... 99 Hình 4.16 Quá trình handover trong indoor .......................................................... 101 Hình 4.17 Quá trình handover trong tòa nhà. ......................................................... 103 Hình 4.18 Chuyển giao giữa các hệ thống GSM và UMTS WCDMA. ................ 104 Hình 4.19 Thủ tục chuyển giao giữa các hệ thống. ................................................ 104 Hình 4.20 Anten omni 3600 3dBi. .......................................................................... 105 Hình 4.21 Các loại slipter dùng trong IBC ............................................................ 105 Hình 4.22 Suy hao của Slipter 1:3 ......................................................................... 106 Hình 4.23 Coupler chia tín hiệu ra các anten có công suất 3.5 – 5dBm ............... 106 Hình 4.24 Vị trí của POI trong hệ thống IBC ....................................................... 107 Hình 4.25 Các tần số đƣợc kết hợp vào bộ POI. ................................................... 107 Hình 4.26 Phối cảnh tòa nhà V-Star ...................................................................... 108 Hình 4.27 Tín hiệu yếu tại các tầng thấp ................................................................ 116 Hình 4.28 Mức thu đƣợc khảo sát của tòa nhà. ..................................................... 117 Hình 4.29 Handover liên tục xảy ra tại các tầng cao của toà nhà. ........................ 118 Hình 4.30 Chất lƣợng thu của tòa nhà. .................................................................. 118 Hình 4.31 Chỉ số SQI thấp. .................................................................................. 119 Hình 4.32 Chỉ số C/I thấp khi xảy ra handover. .................................................... 119 Hình 4.33 Anten Omni đƣợc gắn ở tầng hầm. ...................................................... 124 Hình 4.34 Anten Omni đƣợc gắn trên trần giả. ..................................................... 125 Hình 4.35 Bố trí anten Panel trên đỉnh tòa nhà rồi hƣớng đến thang máy. ............ 126 Hình 4.36 Sơ đồ thiết kế hệ thống của IBC thụ động của tòa nhà. ....................... 127 Hình A1 Sơ đồ nguyên lý bố trí anten tòa nhà V-star. .......................................... 133 Hình A2 Bố trí anten mặt bằng tầng hầm .............................................................. 133 Hình A3 Kết quả sau khi phủ sóng tầng hầm ......................................................... 133 Hình A4 Kiểm tra tín hiệu sau khi phủ sóng tầng hầm. ......................................... 134 Hình A5 Bố trí anten mặt bằng tầng trệt ............................................................... 134 Hình A6 Kết quả phủ sóng tầng trệt .................................