Giải pháp nâng cao chất lượng phủ sóng trong nhà cho mạng di động 3G

Nội dung đề tài gồm bốn chương: Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG Chương 2: VẤN ĐỀ PHỦ SÓNG TRONG NHÀ KHI TRIỂN KHAI MẠNG DI ĐỘNG 3G Chương 3: GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG PHỦ SÓNG TRONG NHÀ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ FEMTOCELL Chương 4: TRIỂN KHAI DỊCH VỤ FEMTOCELL TẠI VNPT.

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

GVHD chấm điểm Bằng số: ………

Bằng chữ: ………

Hà Nội, ngày …… tháng …… năm 2012

Giảng viên hướng dẫn

Vũ Trường Thành

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Hà Nội, ngày …… tháng …… năm 2012

Cán bộ phản biện

(Ký, ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

LỜI MỞ ĐẦU 1

1.1 Lịch sử phát triền của mạng thông tin di động 3

1.1.1 Giới thiệu sự phát triển của mạng thông tin di động từ 2G lên 4G 3

1.1.2 Sơ đồ kiến trúc tổng quan của mạng thông tin di động từ 2G lên 4G 5

1.2 Các đặc tính cơ bản của hệ thống thông tin di động 6

1.3 Cấu trúc chung của một hệ thống thông tin di động 6

1.3.1 Mô hình tham khảo hệ thống thông tin di động 2G GSM 6

1.3.2 Mô hình tham khảo hệ thống thông tin di động 3G UMTS 7

2.1 Các vấn đề về phủ sóng trong nhà khi triển khai mạng di động 3G 10

2.1.1 Tế bào ngoài trời (Outdoor Cells) 10

2.1.2 Outdoor Microcell 11

2.2 Một số giải pháp nâng cao chất lượng phủ sóng trong nhà 12

2.2.1 Lặp (Repeaters) 12

2.2.2 Hệ thống anten phân tán (DAS – Distributed Antenna System) 15

2.2.3 Phần tử bức xạ hoặc cáp rò 19

2.2.4 Các trạm cơ sở trong nhà 23

2.3 So sánh các công nghệ phủ sóng trong nhà 26

2.4 Kết luận chương 2 28

CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG PHỦ SÓNG TRONG NHÀ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ FEMTOCELL 29

3.1 Tổng quan về Femtocell 29

3.1.1 Khái niệm Femtocell 29

3.2.2 Giao diện và giao thức Femtocell 32

3.3 Các giải pháp kết nối Femtocell tới mạng lõi 3G 33

3.3.1 Kiến trúc dựa trên UMTS 33

3.3.2 Kiến trúc dựa trên giải pháp UMA/GAN 37

3.3.3 Kiến trúc dựa trên IMS 38

3.4 Hoạt động của Femtocell 40

3.4.1 Hoạt động của femtocell 40

3.4.2 Quá trình thiết lập của Femtocell 41

3.5 Các vấn đề về nhiễu và biện pháp khắc phục 41

3.5.1 Các loại nhiễu 41

3.5.2 Các vấn đề do nhiễu đồng lớp Femtocell gây ra 42

3.5.3 Các giải pháp khắc phục nhiễu đồng lớp femtocell 44

3.5.4 Nhiễu xuyên lớp (cross-layer) 47

3.5.5 Các biện pháp khắc phục nhiễu xuyên lớp 48

3.6 Chuyển giao 51

3.7 Bảo mật 52

3.8 Kết luận chương 3 53

4.1 Tình hình triển khai dịch vụ Femtocell tại VNPT 54

4.1.1 Triển khai Femtocell tại Mobiphone 54

4.1.2 Triển khai Femtocell tại Vinaphone 55

4.2 Đo kiểm chất lượng ban đầu 57

4.2.1 Kết quả đo kiểm của Mobifone 57

4.3 Một số vấn đề cần khắc phục 61

4.4 Kết luận chương 4 62

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN CHUNG 63

PHỤ LỤC 64

1.Phụ lục 1: Sản phẩm ePico3801 của Huawei 64

2.Phụ lục 2: Thủ tục lắp đặt Femtocell 68

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sự phát triển của thông tin di động từ 2G-4G 3

Hình 1.2 Sơ đồ tổng quan mạng từ 2G-4G 5

Hình 1.3 Kiến trúc mạng GSM 6

Hình 1.4 Kiến trúc UMTS R3 7

Hình 1.5 Tái sử dụng tần số trong một mạng tế bào lý tưởng hoá 9

Hình 2.1 Vùng phủ cho tòa nhà ba tầng được cung cấp từ outdoor cell 10

Hình 2.2 Vùng phủ trong nhà được cung cấp bởi kỹ thuật lặp 13

Hình 2.3 Kỹ thuật lặp 15

Hình 2.4 Vùng phủ trong nhà sử dụng DAS 17

Hình 2.5 Vùng phủ trong nhà được cung cấp bằng cáp rò 20

Hình 2.6 Mặt cắt ngang của một cáp rò 20

Hình 2.7 Cáp bức xạ bằng các BAD nối tiếp 21

Hình 2.8 Hệ thống cáp rò T-fed 22

Hình 2.9 Sự suy giảm dọc cáp cho hệ thống BDA nối tiếp và T-fed 22

Hình 2.10 Vùng phủ trong nhà sử dụng trạm cơ sở trong nhà (Indoor Base Station) 23

Hình 2.11 So sánh kích thước tế bào cho các công nghệ khác nhau 24

Hình 3.1 Kiến trúc Femtocell 31

Hình 3.2 Giao diện hệ thống Femtocell 32

Hình 3.3 Các giải pháp kết nối Femtocell tới mạng lõi di động (CN) 33

Hình 3.4 Kiến trúc giải pháp Iub-trên-IP 34

Hình 3.5 Bộ giao thức của giải pháp « Iub trên IP » 34

Hình 3.6 Kiến trúc giải pháp Iu trên IP 36

Hình 3.7 Bộ giao thức của giải pháp « Iu trên IP » 36

Hình 3.8 Bộ giao thức của giải pháp dựa trên UMA/GAN 37

Hình 3.9 Kiến trúc giải pháp dựa trên IMS/SIP 39

39

Hình 3.10 Bộ giao thức của giải pháp dựa trên IMS/SIP 39

Hình 3.11 Mô hình mạng hai lớp macrocell và femtocell điển hình 42

Hình 3.12 Các vấn đề chính gây ra bởi nhiễn đồng lớp femtocell 43

Hình 3.13 Các giải pháp chống nhiễu đồng lớp 44

Hình 3.14 Các vấn đề chính gây ra bởi nhiễu xuyên lớp 47

Hình 3.15 Các biện pháp khắc phục nhiễu xuyên lớp 48

Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống thử nghiệm Femtocell của Mobifone 54

Hình 4.2 Sơ đồ cụ thể của một VMS1 55

Hình 4.3 Sơ đồ thử nghiệm Femtocell của Vinaphone 56

Hình 4.4 Kết quả test dịch vụ dữ liệu của Mobifone 58

Hình 4.5 Tỷ số Eb/I0 trong vùng phủ Femtocell thử nghiệm của Mobifone 59

Hình 4.6 RSCP trong vùng phủ Femtocell thử nghiệm của MobiFone 59

Hình 4.7 RSCP trong vùng phủ Femtocell thử nghiệm của Vinaphone 61

Hình i Vị trí của ePico3801 trong mạng WCDMA 64

Hình ii Sản phẩm ePico3801 của Huawei 65

DANH MỤC BẢNG BIỀU

Bảng 1.1 Sự phát triển từ GSM lên LTE 4

Bảng 1.2 Sự phát triển từ CDMA lên LTE 4

Bảng 2.1 So sánh giữa Picocell và Femtocell 26

Bảng 2.2 Sự khác nhau giữa các công nghệ phủ sóng trong nhà 27

Bảng 3.1 Mức quan trọng của từng quá trình chuyển giao 51

Bảng 4.1 Test các tham số cơ bản của cell 57

Bảng 4.2 Test dịch vụ thoại và SMS 57

Bảng 4.3 Test dịch vụ số liệu 58

Bảng i Danh sách vị trí lắp đặt Femtocell 3G thử nghiệm của MobiFone 72

Loại bỏ nhiễu kênh lân cận

ADSL Asymmetric Digital Subscriber

Line

Đường dây thuê bao số bất đối xứng

BPSK Binary Phase-Shift Keying Khóa chuyển pha hai trạng thái

BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc

BSS Base Station Subsystem Hệ thống con trạm gốc

BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

CSG Closed Subscriber Group Nhóm thuê bao đóng

DAS Distributed Antenna System Hệ thống anten phân tán

EIR Equipment Identity Register Bộ ghi nhận dạng thiết bị

FDD Frequency Division Duplexing Ghép kênh song công phân chia

theo tần số

GAN Generic Access Network Mạng truy nhập chung

GANC Generic Access Network

HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú

HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao

HSS Home Subscriber Server Server thuê bao nhà.

IMS IP Multimedia Subsystem Hệ thống con đa phương tiện IP

IPsec Internet Protocol Security Giao thức Internet bảo mật

Iub UMTS Interface between RNC

and Node B

Giao diện giữa RNC và NodeB của mạng UMTS

MIMO Multiple Input – Multiple Output Hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu

ra

MME Mobility Management Entity Thực thể quản lý di động

MMS Multimedia Messaging Server Dịch vụ truyền bản tin đa phương

tiện

RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến

SGSN Serving GPRS Support Node Node hỗ trợ GPRS dịch vụ

SIM Subscriber Identity Module Module nhận dạng thuê bao

TDD Time Division Duplex Ghép song công phân chia theo

thời gian

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời

gian

UMTS Universal Mobile

WAP WiFi Access Point Điểm truy cập Wifi

FAP Femrocell Access Point Điểm truy cập Femtocell

WiFi Wireless Fidelity Dịch vụ truy nhập không dây tin

cậy

WiMAX Wireless Interoperability for

Microwave Access Mạng truy cập thông tin vô tuyến liên kết hoạt động toàn cầu

LỜI MỞ ĐẦU

Theo thói quen sử dụng, người ta thống kê có đến trên 90% các dịch vụ dữ liệu vôtuyến được thực hiện ở môi trường trong nhà (tại gia đình hoặc nơi làm việc) Do đó, việccung cấp vùng phủ sóng trong nhà tốt không chỉ cho dịch vụ thoại mà cả dịch vụ video và

cả các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao là cực kỳ quan trọng đối với nhà cung cấp mạng vôtuyến Femtocell là một giải pháp kỹ thuật được kỳ vọng để giải quyết vấn đề trên và hyvọng sẽ được triển khai rộng rãi vào năm 2012 Femtocell có một số ưu điểm chính nhưsau:

• Chia sẻ tải

• Giảm chi phí đầu tư cơ sở hạ tầng

• Nâng cao chất lượng tín hiệu

• Với sự phát triển của Femtocell, một lượng lớn lưu lượng được truyền tải trong cácmạng Macrocell được truyền tải trong mạng Femtocell nên có thể cung cấp cácdịch vụ ở vùng tối Macrocell với chi phí cơ sở hạ tầng cho các thiết bị ở tòa nhà vàbackhaul được giảm đáng kể, kéo theo việc giảm chi phí hoạt động và đầu tư

Vì vậy, nghiên cứu về “Giải pháp nâng cao chất lượng phủ sóng trong nhà cho mạng

di động 3G”, cũng như giải pháp nâng cao chất lượng bằng công nghệ Femtocell đượcchọn là đề tài nghiên cứu cho khóa luận tốt nghiệp

Nội dung đề tài gồm bốn chương:

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Chương 2: VẤN ĐỀ PHỦ SÓNG TRONG NHÀ KHI TRIỂN KHAI MẠNG DI

ĐỘNG 3G

Chương 3: GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG PHỦ SÓNG TRONG NHÀ

SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ FEMTOCELL

Chương 4: TRIỂN KHAI DỊCH VỤ FEMTOCELL TẠI VNPT.

Để hoàn thành đề tài “Giải pháp nâng cao chất lượng phủ sóng trong nhà cho mạng diđộng 3G”, trước tiên, em xin cảm ơn chân thành sâu sắc tới các thầy cô tại Học việnCông nghệ Bưu chính Viễn thông nói chung và các thầy cô trong khoa Điện tử Viễnthông nói riêng đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em những kiến thức, kinh nghiệm

Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo, TS.Vũ Trường Thành, thầy đã tận tìnhgiúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn em trong suất quá trình làm đồ án tốt nghiệp Trongthời gian làm việc với thầy, không những em tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà cònhọc được tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả Đây lànhững điều rất cần thiết cho em trong quá trình học tập và công tác sau này.

Em xin chân thành cảm ơn ThS Trần Mạnh Đạt, anh đã giúp em sưu tầm tài liệu vàđịnh hướng cho quá trình làm đồ án

Sau cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đã động viên, đónggóp ý kiến và giúp đỡ trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành đồ án tốt nghiệp

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG.

1.1 Lịch sử phát triền của mạng thông tin di động

1.1.1 Giới thiệu sự phát triển của mạng thông tin di động từ 2G lên 4G

Thông tin di động ra đời với thế hệ đầu tiên là thông tin di động sử dụng kỹ thuậttương tự, chưa sử dụng kỹ thuật số (1G) Sang thế hệ thứ 2, thông tin di động chuyển sang

sử dụng kỹ thuật số Hiện nay, công nghệ di động đã phát triển sang thế hệ thứ 4 (4G).Một số chuẩn phát triển công nghệ thông tin di động từ 2G lên 4G đã được đưa ra trên thếgiới (hình 1.1)

Hình 1.1 Sự phát triển của thông tin di động từ 2G-4G

1.1.1.a Sự phát triển từ GSM lên LTE

- GSM: GSM là công nghệ 2G cung cấp cả dịch vụ thoại và dữ liệu (sau khi pháttriển lên GPRS và EDGE) Sự phát triển lớn nhất của công nghệ 2G so với 1G là việc sửdụng công nghệ kỹ thuật số và phương pháp truy nhập TDMA

- WCDMA (UMTS): là công nghệ 3G được phát triển từ GSM, PDC, IDEN,

IS-136 WCDMA là mạng truyền tải tốc độ cao dựa trên kỹ thuật truyền tải gói có khả năng

hỗ trợ truyền tải văn bản, thoại, video, và một số dịch vụ đa phương tiện khác

- HSPA: HSPA là sự phát triển của UMTS (W-CDMA) nhằm tăng hiệu suất mạng

và tăng tốc độ truyền tải dữ liệu thông qua việc cải tiến phương pháp điều chế ở giao diện

vô tuyến

- LTE: LTE là công nghệ 4G với tốc độ truyển tải dữ liệu tăng vượt bậc so với cáccông nghệ thế hệ trước và có khả năng cung cấp dịch vụ đa dạng tốc độ cao như: video,mobile TV, game…

Tốc độ tối đa 2Mbps ( down)

1.8Mbps-14.4Mbps (down)

384 Kbps–2Mbps (up)

42Mbps(downlink)

100Kbps-<100Kbps (up)

2 Mbps (downonly)

5Mbps(downlink)

3 Mbps (uplink)

5–12Mbps(down)2–5Mbps (up)

Bảng 1.1 Sự phát triển từ GSM lên LTE

1.1.1.b Sự phát triển từ CDMA lên LTE

- CDMAone (CDMA IS-95-A): là công nghệ 2G cung cấp cả dịch vụ thoại và dữliệu Phát triển hơn 1G vì sử dụng công nghệ kỹ thuật số và đa truy nhập CDMA

- CDMA2000: là công nghệ 3G phát triển từ CDMAone CDMA2000 hỗ trợnhững ứng dụng với tốc độ dữ liệu cao hơn so với CDMAone, đa dạng dịch vụ hơn vàkhả năng đáp ứng số lượng thuê bao nhiều hơn

- CDMA2000 1xEV-DO: là công nghệ phát triển tiếp theo của CMDA2000, đápứng những ứng dụng với tốc độ dự liệu cao hơn, dựa trên nền tảng là mạng truyền tải gói.CDMA2000 1xEV-DO ra đời với release0 sao đó được phát triển lên relA

Công nghệ CDMA 1000 CDMA2000

1x EV-DO Rel.0

CDMA2000 1xEV-DO Rev.A

3GPP LTE

Tốc độ tối

đa

153Kbps(down)153Kbps (up)

2.4Mbps(down)153Kbps (up)

3.1Mbps(down) 1.8 Mbps (up)

100Mbps(down)

50 Mbps (up)Băng thông

trung bình

cho đầu cuối

60–80Kbps(down)60–80Kbps(down)

700Kbps(down)60–80Kbps (up)

400-6001,400Kbps(do

800Kbps (up)

5-12Mbps(down)2–5Mbps (up)

Bảng 1.2 Sự phát triển từ CDMA lên LTE

1.1.2 Sơ đồ kiến trúc tổng quan của mạng thông tin di động từ 2G lên 4G

Mạng di động phát triển từ 2G lên 4G có 2 chuẩn là từ 2G GSM và 2G CDMA Tuynhiên, ở Việt Nam hiện nay chủ yếu sử dụng công nghệ 2G GSM và đã phát triển từ 2GGSM lên HSPA+ Dưới đây là sơ đồ kiến trúc tổng quát của mạng 2G GSM và sự pháttriển lên LTE từ GSM

Hình 1.2 Sơ đồ tổng quan mạng từ 2G-4G

- Mạng 2G GSM: mạng GSM ban đầu chỉ có dịch vụ thoại, chưa có dịch vụ dữliệu nên kiến trúc mạng chỉ bao gồm phần CS, sử dụng toàn bộ truyền dẫn là TDM Với2.5G bao gồm cả dịch vụ dữ liệu, kiến trúc mạng có thêm phần lõi PS (phần RAN vẫn sửdụng chung cho cả thoại và dữ liệu) Trong cấu trúc mạng 2G, miền thoại vẫn dùng toàn

bộ truyền dẫn TDM, chỉ trong miền truyền dữ liệu mới sử dụng truyền IP

- Mạng 3G: mạng 2G phát triển lên 3G bổ sung thêm toàn bộ lớp mạng truy nhậpriêng cho 3G Lớp truy nhập của 3G kết nối với lõi CS bằng ATM và kết nối mạng lõi PSbằng IP Một phát triển lớn của 3G so với 2G nữa là sự tách biệt MSC thành MSC server

và MGW, tách phần điều khiển và truyền tải trong MSC

- Mạng 4G LTE: so với mạng 3G, 4G phát triển thêm cấu trúc cả phần truy nhập

và mạng lõi Phần truy nhập chỉ có 1 phần tử (eNode B) kết nối trực tiếp với mạng CS và

PS thông qua S-GW và MME Có sự tách biệt phần điều khiển với miền truyền tải và truynhập (hình 2.2).

1.2 Các đặc tính cơ bản của hệ thống thông tin di động.

Để đảm bảo được các chức năng nói trên các mạng thông tin di động phải đảm bảo

một số đặc tính cơ bản chung sau đây:

1 Sử dụng hiệu quả băng tần được cấp phát

2 Đảm bảo chất lượng truyền dẫn yêu cầu

3 Đảm bảo an toàn thông tin tốt nhất

4 Giảm tối đa rớt cuộc gọi khi thuê bao di động chuyển từ vùng phủ này sangvùng phủ khác

5 Cho phép phát triển các dịch vụ mới nhất là các dịch vụ phi thoại

6 Để mang tính toàn cầu phải cho phép chuyển mạng quốc tế

7 Các thiết bị cầm tay phải gọn nhẹ và tiêu tốn ít năng lượng

1.3 Cấu trúc chung của một hệ thống thông tin di động.

1.3.1 Mô hình tham khảo hệ thống thông tin di động 2G GSM

 Kiến trúc tổng quan của hệ thống thông tin di động 2G GSM.

GSM là hệ thống thông tin di động đầu tiên được xây dựng trên phương pháp đa truynhập TDMA Một hệ thống GSM được tổ chức thành ba phần tử chính: MS, hệ thống contrạm gốc BSS và hệ thống con chuyển mạch SS như hình 1.3

Hình 1.3 Kiến trúc mạng GSM

1.3.2 Mô hình tham khảo hệ thống thông tin di động 3G UMTS

 Kiến trúc tổng quan của hệ thống thông tin di động 3G UMTS.

UMTS R3 hỗ trợ cả kết nối chuyển mạch kênh lẫn chuyển mạch gói Một mạngUMTS bao gồm 3 phần: thiết bị di động – UE, mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS –UTRAN, mạng lõi – CN như hình 1.4

Hình 1.4 Kiến trúc UMTS R3

Node B: thực hiện kết nối vô tuyến vật lý giữa đầu cuối với nó.

Miền HE: bao gồm AuC, HLR, EIR

1.3.2 Cấu trúc tế bào của hệ thống thông tin di động.

Nét đặc trưng chủ yếu của các hệ thống vô tuyến tế bào là một số lượng không hạnchế lưu lượng có thể được phục vụ bởi một số lượng hạn chế băng thông phổ tần Điềunày được thực hiện bằng cách tái sử dụng phổ làm mật độ tăng lên như số lượng thuêbao trong một vùng đã cho tăng lên và bởi sự bảo đảm rằng nhiễu phát ra được kiểmsoát và quản lý nhằm ngăn ngừa sự tổn hại đến các dịch vụ được trải nghiệm bởi cáckhách hàng Nguyên tắc đó được thừa nhận trước năm 1947 tại BellLab

Phương pháp cơ bản nhất thực hiện tái sử dụng phổ một cách dễ ràng là trực tiếptái sử dụng tần số tại trạm gốc mà bảo đảm một khoảng cách phù hợp nhằm giảm tốithiểu nhiễu lẫn nhau Điều đó đưa ra nguồn gốc cho hình ảnh truyền thống của ngànhcông nghiệp tế bào được trình bày là các hình lục giác gần bằng với vùng phủ củanhiều trạm gốc, có cùng số lượng/được đánh bóng miêu tả các trạm gốc có cùng tần sốvới nhau (hình 1.5)

Trong thực tế, các phương pháp sử dụng để tái sử dụng phổ trong các hệ thống hiệnđại là tinh vi hơn, và thế giới thực là không cư trú với các vùng phủ lục giác đó,nhưng nguyên lý vẫn áp dụng và duy trì vô cùng mạnh

Hình 1.5 Tái sử dụng tần số trong một mạng tế bào lý tưởng hoá

1.4 Kết luận chương 1

Chương này trình bày tổng quan nhất về thông tin di động Trước hết là quá trình pháttriển của các hệ thống thông tin di động từ 1G đến 4G Các hệ thống 1G là các hệ thốngtương tự dựa trên đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) được thiết kế để truyềnthoại với tốc độ thấp 1G có dung lượng thấp Các hệ thống TTDĐ 2G được thiết kế trướchết là để giải quyết vấn đề dung lượng thấp của 1G Các hệ thống 2G là các hệ thống sốdựa trên các phương thức đa truy nhập tiên tiến hơn như TDMA và CDMA 2G đượcthiết kế cho thoại tốc độ cao hơn (13 kbps) và cho phép truyền số liệu với sử dụngmodem Nhu cầu phát triển các dịch vụ IP trong thông tin di động đã dẫn tới sự ra đời củacác hệ thống di động 3G Các hệ thống 3G đều sử dụng công nghệ đa truy nhập CDMA

và cho tốc độ truy nhập cao lên đến 384 kpbs Các cải tiến của các hệ thống này cho tốc

độ lên tới 10 Mbps Để đạt được truy nhập băng rộng lên đến 100 Mbps người ta đangnghiên cứu 4G

Các phần sau trình bấy cấu trúc chung của một hệ thống thông tin di động, chức năngcủa các phần tử trong một hệ thống cũng như cách phân chia vùng địa lý trong các mạngthông tin di động Khác với các máy cố định, các máy di động thường xuyên thay đổi vịtrí vì thế mỗi vị trí cần được đánh số để mạng có thể dàng tìm gọi máy di động Phân chiavùng địa lý giúp cho việc đánh số các vị trí trong mạng được thuận tiện

CHƯƠNG 2: VẤN ĐỀ PHỦ SÓNG TRONG NHÀ KHI TRIỂN KHAI MẠNG

DI ĐỘNG 3G

2.1 Các vấn đề về phủ sóng trong nhà khi triển khai mạng di động 3G.

Trong những năm vừa qua, sự phát triển rất nhanh những khu đô thị mới cùng vớinhững khu nhà cao tầng mới đã phản ánh được tốc độ hiện đại hóa cuộc sống trong thời

kỳ hội nhập Tuy nhiên bên cạnh đó cũng nảy sinh những tồn tại đòi hỏi nhất thiết phảikhắc phục nhằm phục vụ tối đa lợi ích người tiêu dùng Tại các khu đô thị hiện đại, bêntrong các tòa nhà cao tầng, do đặc trưng cấu trúc tòa nhà cũng như vật liệu xây dựng, chấtlượng vùng phủ sóng điện thoại di động kém đã gây nhiều khó khăn cho người dùng, đặcbiệt là tại các khu vực như thang máy, tầng hầm, các khu tầng cao trong tòa nhà tìnhtrạng cuộc gọi không thực hiện được hoặc thực hiện rất khó khăn thường xuyên xảy ra

2.1.1 Tế bào ngoài trời (Outdoor Cells)

Trong quá khứ, với việc triển khai các hệ thống GSM, vùng phủ sóng mạng luônđược cung cấp bởi các trạm gốc được cài đặt tại các khu vực nông thôn với bán kính tếbào vài km, hoặc trong các khu vực đô thị với bán kính tế bào vài trăm mét Phần chínhcủa mạng lưới cung cấp dịch vụ thoại nên không cần tốc độ cao Hầu hết các vùng phủsóng trong nhà chỉ được cung cấp bởi các trạm cơ sở ngoài trời Thực tế này vẫn cònđược áp dụng, các giải pháp phát sóng trong nhà (sẽ được mô tả trong phần tiếp theo) chỉbắt đầu được triển khai trong vòng mười năm qua

Hình 2.1 Vùng phủ cho tòa nhà ba tầng được cung cấp từ outdoor cell

Hình 2.1, mô tả một ví dụ về việc cung cấp vùng phủ trong nhà bằng BS ngoài trời.Các bức tường của các tòa nhà, tùy thuộc vào các tính chất của vật chất, sẽ làm giảm bớt

ít hoặc nhiều các tín hiệu Vì vậy cần phải có biện pháp tăng vùng phủ trong nhà Hai loạimôi trường phủ sóng chính: khu vực nông thôn có các macrocells với khoảng cách lớn, vàkhu vực đô thị nơi có mật độ dân số cao đòi hỏi phải có mật độ dày hơn của cácmicrocell

 Ở vùng nông thôn.

Ở nông thôn, các BS công suất cao được cài đặt để đảm bảo khoảng cách giữa cáctrạm xa hơn Chúng được gọi là các macrocells Công suất của các trạm cơ sở macrocellphải cao, để tối đa hóa khả năng mở rộng vùng phủ sóng Trong loại môi trường này, do ítkhách hàng và trạm cơ sở có giá thành cao nên các nhà khai thác chỉ cố gắng để đảm bảochất lượng phủ sóng tối thiểu để các cuộc gọi thoại có thể được thực hiện Mạng đượctriển khai chỉ tính đến phạm vi vùng phủ ngoài trời nên trong nhiều vùng nông thôn vẫncòn cần thiết phải đi ra bên ngoài của tòa nhà để có thể thực hiện cuộc gọi Để tối ưu hóaphủ sóng trong nhà, cách tiếp cận duy nhất cho các nhà khai thác thêm nhiều macrocellshơn Cần nhiều thiết bị đắt tiền, không chỉ về chi phí mua, mà còn về bảo trì, nên các nhàđiều hành luôn luôn phải đối phó với một sự thỏa hiệp kinh tế: thêm macrocells trong khuvực có số lượng khách hàng lớn, đủ để làm cho việc cài đặt có lợi nhuận, và để lại cáckhu vực khác với một phạm vi vùng phủ tối thiểu

Trong môi trường này, xảy ra sự phản xạ trên các bức tường và nhiễu xạ trên mái nhànên thường không đủ để sử dụng không gian miễn phí hoặc các mô hình truyền sóng vôtuyến thực nghiệm Xác định mô hình truyền sóng, chẳng hạn như dựa trên phương pháptiếp cận tạo chùm tia Ray - tracking, có thể được sử dụng để tính toán hiệu quả nhiễu xạ

và phản xạ của tín hiệu để tính toán bản đồ vùng phủ chính xác

2.1.2 Outdoor Microcell.

Với sự phát triển gần đây của UMTS hoặc HSPA, các dịch vụ dữ liệu mới xuất hiện,yêu cầu vùng phủ cao hơn Để tăng cường công suất, các nhà khai thác bắt đầu cài đặt các

trạm gốc nhỏ hơn ngoài trời gọi là microcells Các trạm này được triển khai tại các khuvực cụ thể cần thêm công suất, ví dụ như gần một trạm xe lửa hoặc ở trung tâm thànhphố Chúng cũng thường được tạm thời triển khai trong những dịp đặc biệt như các sựkiện thể thao Thêm microcells trong môi trường đô thị cho phép các nhà điều hành chianhỏ các tế bào, dẫn đến một tối ưu hóa việc sử dụng của phổ tần và đảm bảo công suất tốthơn.

2.2 Một số giải pháp nâng cao chất lượng phủ sóng trong nhà.

Trong thời gian gần đây, việc nâng cao chất lượng phủ sóng trong nhà ngày càng đượcquan tâm và đã có nhiều giải pháp khác nhau được đề xuất Trước kia, vùng phủ sóngtrong nhà chỉ được cung cấp bởi một anten ngoài trời Khi đó, để nâng cao chất lượng phủsóng trong nhà bắt buộc phải tăng công suất hoặc thêm nhiều tế bào hơn Điều này dẫnđến việc tạo các tế bào nhỏ ngoài trời (microcell) để cung cấp năng lượng cho mạng.Trong phương pháp này, các nhà khai thác phải lắp đặt BS tại nhiều vị trí hơn, làm tăngđáng kể chi phí cho thiết bị và cho bảo trì nên gây tốn kém Hơn nữa, giải pháp này tạonhiều vấn đề về nhiễu hơn vì nhiều tế bào dễ gây chồng lấn lên nhau Để khắc phục hạnchế của macrocell, một số phương pháp tiếp cận khác đã được đề xuất, bao gồm:

Có hai loại lặp đã được đề xuất:

 Lặp thụ động (Passive Repeaters): khuếch đại tín hiệu trong một dải tần số nhất định,bất kể bản chất của nó

 Lặp tích cực (Active Repeaters): có khả năng sửa đổi các tín hiệu trước khi phát lại

Hình 2.2 Vùng phủ trong nhà được cung cấp bởi kỹ thuật lặp

 Hệ thống lặp thụ động trong nhà (Indoor Passive Repeaters)

Hệ thống lặp thụ động trong nhà làm việc tại một dải tần số nhất định Chúng thườnggồm ba thành phần: một anten bên ngoài để nhận được tín hiệu ngoài trời thấp, bộ khuếchđại, và anten khác để truyền lại tín hiệu khuếch đại bên trong tòa nhà

 Anten ngoài trời:

Thông thường, các anten bên ngoài là có hướng và được định hướng theo hướng của

BS ngoài trời gần nhất Việc sử dụng các anten có độ tăng ích cao cho phép cung cấp chấtlượng tín hiệu tốt hơn so với anten có độ tăng ích nhỏ Trong một số trường hợp lặp nhỏhơn được sử dụng nên đạt được tín hiệu lặp không phải là quá cao Do đó, cần bù đắp tínhiệu bằng cách đảm bảo rằng các anten định hướng là hoàn toàn theo đúng hướng

 Bộ khuếch đại:

Nếu P0 là công suất của tín hiệu nhận được tại các anten bên ngoài, và P công suất củatín hiệu phát ra bởi ăng ten trong nhà, độ tăng ích G (dB) được tính theo phương trình sauđây:

Thông thường, giá trị đạt được của các bộ khuếch đại có thể thay đổi từ 30 đến 50 dB.

 Sự phát triển của kỹ thuật lặp trong nhà.

Trong hầu hết các trường hợp, lặp trong nhà được sử dụng để khuếch đại tín hiệungoài trời và phát lại chúng bên trong tòa nhà, và do đó mở rộng phạm vi vùng phủ ngoàitrời vào bên trong tòa nhà Chúng cũng có thể được sử dụng trong nhà chỉ để truyền tảicác tín hiệu từ một phần của tòa nhà khác, hoặc để làm cho vùng phủ vượt qua những bứctường bê tông lớn Lặp được sử dụng để tăng vùng phủ sóng trong nhà Lặp nhiều thườngđược kết hợp với xoay pha Sự kết hợp này là để đảm bảo rằng các tín hiệu trong các lĩnhvực mong muốn được kết hợp bằng cách điều chỉnh pha Điều này cũng tương tự nhưtrường hợp tạo thành anten một mảng, và kết quả là, các mô hình bức xạ được thay đổi.Điều chỉnh một cách chính xác các pha của lặp khác nhau có thể làm cho khu vực máychủ tốt nhất phù hợp với càng nhiều khu vực bao phủ Cách tiếp cận này là thú vị bởi vìlặp nhiều sẽ tạo ra tín hiệu đa đường và tín hiệu không tương quan, cải thiện hiệu suất củanhiều hệ thống như hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output)

 Loại bỏ nhiễu

Trong một hệ thống lặp, cả hai anten đều nhận và truyền tín hiệu Các anten cần được

cô lập đầy đủ để tránh những tác động dến nhau Ví dụ, trong hình 2.3, nếu cách ly giữacác anten không đủ có thể khiến cho các anten bên ngoài nhận được cả tín hiệu ngoài trời

và một phần của tín hiệu trong nhà từ các anten trong nhà Sau khi nhận được, tín hiệu (cảtrong nhà và ngoài trời) sẽ được khuếch đại, do đó thêm tạp âm vào tín hiệu ban đầu nên

làm giảm hiệu suất của hệ thống Để tránh nhiễu cần duy trì một giá trị cách ly tối thiểu(khuyến khích là 15 dB) Đây là lý do tại sao mà khi cài đặt lặp trong nhà cần kiểm traxem sự suy giảm do trở ngại giữa hai anten (thường là bức tường ngăn cách) và có giá trịcách ly thích hợp Hơn nữa, điều này cũng rất quan trọng để lựa chọn anten một cáchchính xác để tránh sự chồng chéo (ví dụ như chọn anten có hướng) Cuối cùng, gia tăngkhoảng cách giữa các anten cũng sẽ làm giảm nhiễu Một số bộ lặp tiên tiến hơn đượctrang bị với hệ thống xóa nhiễu Trong phương pháp này, các bộ lọc nội suy được sử dụngnhư các bộ lọc đầu vào lựa chọn băng tần số, và một bộ lọc đầu ra kiểm soát mặt nạ phổ.

Hệ thống có thể ước lượng thông tin phản hồi và lọc nó

Hình 2.3 Kỹ thuật lặp

 Điều chỉnh khuếch đại

Như đã giải thích ở phần trên, với lặp, tạp âm được khuếch đại, gây ra sự sai lệch tínhiệu Sự lựa chọn hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại không phải là một nhiệm vụ dễdàng, bởi vì cần phải có một thỏa hiệp giữa việc tăng cao về mặt lý thuyết vùng phủ tốthơn, nhưng lại gây ra tạp âm nhiều hơn, và hệ số khuếch đại tạp âm thấp hơn nhưng kíchthước khu vực vùng phủ cũng hẹp hơn Lặp với điều khiển khuếch đại tự động (AGC) đãđược phát triển

2.2.2 Hệ thống anten phân tán (DAS – Distributed Antenna System).

Ý tưởng của DAS là phân chia các công suất phát giữa các thành phần anten riêngbiệt Ví dụ, các anten có thể được đặt trên các tầng của một tòa nhà khác nhau để cungcấp vùng phủ đồng nhất DAS nâng cao hiệu quả của mạng, giảm sự chồng chéo giữa cácvùng phủ sóng của anten khác nhau

DAS thụ động sử dụng các yếu tố thụ động để làm cho các tín hiệu đầu ra của cáctrạm cơ sở đi đến các anten khác nhau Sau đó, hệ thống DAS tiên tiến hơn đã được pháttriển, dựa trên các thành phần tích cực làm cho hiệu năng của hệ thống tốt hơn.

 Hệ thống anten phân tán thụ động.

 Các thành phần thụ động

Trong các hệ thống thụ động, các thành phần khác nhau được sử dụng để phân chiacác tín hiệu giữa các anten Các thành phần này là thụ động, có nghĩa là chúng không cầnnguồn điện bên ngoài

Cáp đồng trục: phân chia các tín hiệu và hình thành mối liên hệ giữa các thành phầnkhác nhau của DAS Điểm yếu là mất tín hiệu, tùy thuộc vào khoảng cách

Bộ chia (Splitters): tách tín hiệu đầu vào thành N tín hiệu đầu ra Chúng được sử dụngnhư là một kết nối để phân chia các tín hiệu giữa các anten khác nhau

Taps: tap tương tự như splitter, nhưng có thể chia tín hiệu đầu vào thành hai tín hiệuđầu ra với tỷ lệ khác nhau, được sử dụng điều chỉnh công suất cho các tầng khác nhau

Bộ suy hao (Attenuators): làm suy giảm tín hiệu với giá trị của bộ suy hao Chúngđược sử dụng để mang lại những tín hiệu đến với mức độ thấp hơn

Bộ lọc: sử dụng với các băng tần riêng biệt, ví dụ bộ lọc tách ba tách tín hiệu đếnthành ba tín hiệu đầu ra tương ứng với các tần số 900 MHz, 1800 MHz và 2100 MHz.Các thành phần khác: terminators được sử dụng để kết thúc một tuyến, circulators đểbảo vệ một cổng chống phản xạ ngược lại do một dây cáp bị ngắt kết nối trong hệ thống,

và ghép được sử dụng để kết hợp tín hiệu từ các nguồn đến khác nhau

 Triển khai DAS thụ động

Với DAS thụ động, tín hiệu được phân phối giữa các anten bằng cách sử dụng các yếu

tố thụ động được mô tả phía trên Một ví dụ điển hình của quá trình cài đặt được minhhọa trong hình 2.4 Số lượng các anten sử dụng và công suất đầu ra là những thông sốquan trọng cần phải được lên kế hoạch cẩn thận và sẽ phụ thuộc vào các loại môi trường.Thật thú vị khi so sánh hiệu suất của DAS với một hệ thống sử dụng một anten, xemhình 2.4

Hình 2.4 Vùng phủ trong nhà sử dụng DAS

Suy hao kênh truyền (PL – Path Loss) tại điểm r do một anten được đại diện bằng sựmất tín hiệu từ khoảng cách dr đến khoảng cách d và được tính bằng:

dr d

P PL

 Vùng phủ tối đa

Với cùng một công suất bức xạ, hệ thống N anten sẽ tạo vùng phủ AN so với vùng phủ

A của hệ thông một anten theo công thức sau:

1 2

Ví dụ, với N=4 thì α=5, khi đó ta có A4=A/8

 Giảm thiểu công suất bức xạ:

Với một vùng phủ nhất định, công suất bức xạ PN so với công suất bức xạ P của hệthống một anten giảm được:

1 2

Với các tham số giống nhau, giảm được 9 dB

 DAS là một giải pháp phân tập không gian

Trong hệ thống MIMO, một giải pháp hiệu quả để tăng hiệu suất của hệ thống là kếthợp các anten khác nhau, phân bổ công suất chính xác cho mỗi anten Từ đó một mô hìnhanten toàn cầu với một khuôn mẫu cụ thể được tạo ra Kết quả khuôn mẫu của các môhình anten có thể được tính toán, như vậy là chùm tia khác nhau được định hướng theohướng của người sử dụng khác nhau Quá trình này, còn được gọi là hình thành chùm tiaphân tập không gian, ví dụ, hai người dùng phân bổ cho hai chùm tia khác nhau có thể sửdụng cùng một kênh hoặc mã mà không nhiễu Phương pháp truy cập này còn được gọi là

đa truy nhập phân chia theo không gian SDMA (Spatial Division Multiple Access)

Một cách tương tự, với hệ thống anten phân tán, nó cũng có thể khai thác sự phân tậpkhông gian bằng cách đảm bảo rằng vùng phủ sóng tốt nhất của các anten khác nhauchồng lên nhau càng ít càng tốt Xác định số lượng các anten và vị trí triển khai chúng lànhiệm vụ chính của các kỹ sư xây dựng

 Hệ thống anten phân tán tích cực.

 Các phần tử tích cực.

Không giống như hệ thống thụ động sử dụng các phần tử thụ động không cần nguồnđiện, hệ thống tích cực sử dụng các phần tử tích cực sau:

Các đơn vị chủ (MU – Master Unit): có thể được kết nối với các trạm cơ sở hoặc bộlặp Phân phối các tín hiệu thông qua các sợi quang có các đơn vị mở rộng khác nhau.Các đơn vị tổng thể là các phần thông minh vì hệ thống anten phân phối điều khiển tất cảcác tín hiệu để cung cấp và điều chỉnh các mức độ tín hiệu nhờ bộ khuếch đại và bộchuyển đổi

Đơn vị từ xa (RU – Remote Unit): được cài đặt gần anten để giảm suy hao và kết nốitới anten RU chuyển đổi tín hiệu RU thành tín hiệu vô tuyến đường xuống, và chuyển đổitín hiệu vô tuyến đường lên thành tín hiệu EU

Cable: sử dụng các kết nối tiêu chuẩn như cáp đồng trục Việc cài đặt được thực hiện

dễ dàng hơn bởi vì các đơn vị từ xa có thể bù đắp cho sự mất mát phụ thuộc vào khoảngcách Sau đó, với sự phát triển của sợi quang giá rẻ, một số hệ thống sử dụng công nghệquang để truyền các tín hiệu trên một khoảng cách dài hơn

 Triển khai hệ thống DAS tích cực

Việc cài đặt các hệ thống tích cực là khá đơn giản Suy hao sẽ được tự động bù đắpbằng các đơn vị chủ và các đơn vị từ xa Do đó không cần phải lựa chọn bộ chia, bộ suyhao hay độ dài chính xác của cáp

 Hệ thống DAS lai

Một số giải pháp khác kết hợp DAS thụ động và tích cực đã được cài đặt Ý tưởng làkết nối các đơn vị từ xa thông qua cáp quang, nhưng sử dụng cáp đồng trục thụ động liênkết các đơn vị từ xa và anten Phương pháp lai có nhiều ưu điểm như: có một khoảng cáchdài kết nối bằng cáp quang và có mức giá rẻ hơn do các thành phần thụ động DAS laicũng có thể kết hợp các hệ thống khác nhau với các băng tần khác nhau như kết hợp hệthống anten phân tán với lặp

2.2.3 Phần tử bức xạ hoặc cáp rò.

Cáp bức xạ, còn được gọi là feeder rò là một dây kim loại hoạt động như một antendài Năng lượng điện từ có thể được nhận hoặc truyền dọc theo dây cáp, đó là lý do tạisao nó thích nghi tốt với môi trường hẹp và dài như hành lang, thang máy hoặc đườnghầm Ví dụ, ở London, một hệ thống cáp bức xạ được sử dụng trong đường ngầm chomạng lưới giao thông nội bộ của họ Nói chung, như thể hiện trong hình 2.5, cáp bức xạtrực tiếp kết nối với các trạm cơ sở

Hình 2.5 Vùng phủ trong nhà được cung cấp bằng cáp rò

 Nguyên lý hoạt động

Một cáp bức xạ tương tự như một dây cáp đồng trục tiêu chuẩn, tuy nhiên có một sốkhe điều chỉnh được định vị trên bề mặt ngoài của dây dẫn Một mặt cắt ngang của cápnhư vậy được biểu diễn trong hình 2.6 Các khe cắm được điều chỉnh bước sóng RF cụthể theo hoạt động hoặc điều chỉnh một băng tần phát sóng cụ thể Chúng sẽ bị rò rỉ mộtphần của năng lượng điện từ truyền dẫn trong cáp trong các hình thức của sóng điện từ.Các đồ thị bức xạ anten hầu như theo mọi hướng trong mặt phẳng ngang của cáp Để đạtđược hiệu quả tốt hơn nên để lại một khoảng trống giữa cáp và các bức tường Hơn nữa,các bộ phận cố định bằng kim loại không được khuyến khích bởi vì chúng ảnh hưởng đến

đồ thị bức xạ của anten

Hình 2.6 Mặt cắt ngang của một cáp rò

Nếu cáp là đồng nhất, tỷ lệ giữa năng lượng bức xạ và năng lượng truyền dẫn dọc cáp

là hằng số Vấn đề được quan tâm hơn các thiệt hại trong cáp là khả năng tỏa năng lượng.Một số giải pháp gần đây đã được đề xuất liên quan đến việc điều chỉnh mất khớp nối,cho phép người sử dụng thích ứng với năng lượng bức xạ trong môi trường phức tạp

Đây là lý do tại sao hệ thống như vậy có phạm vi hạn chế, đặc biệt là trong phạm vitần số cao, nơi năng lượng bị mất quan trọng hơn.

 Triển khai

Công nghệ này là lý tưởng cho không gian hẹp và dài Ưu điểm chính của cáp bức xạ

là năng lượng được phân phối Ví dụ, trong một hành lang, cáp bức xạ cung cấp vùng phủđồng nhất dọc theo cáp còn các trạm gốc thì năng lượng được phân phối chủ yếu xungquanh vị trí đặt trạm Với một cáp bức xạ, một trạm cơ sở duy nhất có thể có thể cung cấpvùng phủ trên một diện tích lớn, giảm chi phí thực hiện hệ thống

Bất lợi là việc cài đặt khó khăn và tốn kém Việc cài đặt là tốn thời gian và nó khôngphải là luôn luôn dễ dàng để tìm thấy những không gian có sẵn để cài đặt Cáp phải phùhợp hoàn hảo để các khe có thể bị rò rỉ với sự mất mát tối thiểu Hơn nữa, cáp không phảiđược cài đặt trực tiếp vào tường cần một không gian được để lại nhờ một số bộ điều hợpđặc biệt Cuối cùng, đặc biệt là bên trong đường hầm bụi bẩn làm giảm hiệu suất của cáp

Do đó cáp phải được làm sạch thường xuyên và được đề xuất một số loại cáp đặc biệt như

sử dụng bộ khuếch đại hai chiều BAD theo kiểu nối tiếp và kiểu T-feed

 Bộ khuếch đại hai chiều BDA (Bi-Directional Amplifiers) nối tiếp

Giải pháp này để khắc phục các vấn đề của sự suy giảm tín hiệu khi sử dụng bộkhuếch đại hai chiều BAD, để với khoảng cách tối đa của cáp vẫn có thể đạt được mộtchất lượng tối thiểu chấp nhận được Đối với khoảng cách dài, BDAs được cài đặt trongcác khoảng nhất định (xem hình 2.7), và hệ số khuếch đại được cấu hình để tín hiệu đượcduy trì ở một mức nhất định Trong thực tế không có nhiều hơn ba hoặc bốn BDAs có thểđược sử dụng vì các cấp độ tạp âm cũng được khuếch đại trong các BDAs

Hình 2.7 Cáp bức xạ bằng các BAD nối tiếp

 T-feed

Kết cấu kiểu T-feed sử dụng một công cụ chuyển đổi quang có thể chuyển đổi các tínhiệu từ trạm cơ sở và phân phối nó thông qua sợi quang, như thể hiện trong hình 2.8 MỗiBDA có một giao diện quang để chuyển đổi các tín hiệu quang và gửi nó trong cả hai

hướng của cáp Hệ thống này có thể cho khoảng cách xa hơn và có kiểm soát tạp âm tốthơn, vì các BDAs không ăn thông nhau như trong cấu hình BDAs nối tiếp.

Hình 2.8 Hệ thống cáp rò T-fed

 So sánh:

Hình 2.9 Sự suy giảm dọc cáp cho hệ thống BDA nối tiếp và T-fed

Như đã nói, hệ thống T-feed được ưa thích hơn vì nó làm giảm tạp âm để có thể được

sử dụng cho các khoảng cách xa hơn Hơn nữa, bởi vì với T-feed có nguồn cấp dữ liệu tínhiệu được gửi theo cả hai hướng của BDAs, tín hiệu kết quả đạt đến cấp độ cao hơn vàđồng nhất hơn Để minh họa cho ý tưởng này, trong hình 2.9 sự suy giảm dọc theo dâycáp với hai cách tiếp cận trước đó trong một khoảng cách tương tự giữa các BDAs chothấy hệ thống T-fed có mức tín hiệu cao hơn nên chất lượng tín hiệu sẽ tốt hơn

2.2.4 Các trạm cơ sở trong nhà

Những phương pháp đầu tiên được phát triển nhằm mục đích tăng mức độ tín hiệutrong nhà bằng cách sử dụng các tín hiệu phát ra từ các trạm cơ sở ngoài trời (nhưmacrocell, microcells và bộ lặp), sau đó phát triển với mục đích mở rộng phạm vi vùngphủ bằng các trạm cơ sở bên trong một tòa nhà bằng cách sử dụng cáp bức xạ hoặc các hệthống anten phân tán Một đề nghị mới để tăng phạm vi vùng phủ và hiệu năng mạngbằng cách triển khai các trạm gốc nhỏ trực tiếp bên trong các tòa nhà như biểu diễn tronghình 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 giaodiện vô tuyến, các nhà khai thác bắt đầu suy nghĩ về việc mở rộng khái niệm này cho cácmạng di động Trong WiFi, người dùng kết nối với một thiết bị được gọi là một điểm truycập (AP – Access Point), được tích hợp một anten để làm cho sự liên kết giữa người sửdụng và kết nối với Internet qua giao diện vô tuyến Picocell là một trạm gốc nhỏ rấtgiống với một điểm truy cập Nó thường là nhỏ (thường kích thước giấy A4, dày một vàicm), tích hợp một anten phát ra một tín hiệu công suất thấp Thật vậy, một picocell là mộttrạm 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 vàmạng, 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 trongnhà, cáp quang hoặc kết nối Ethernet Thông thường, một anten đẳng hướng được tíchhợp 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 lắpđặt cũng thấp Chúng tăng hiệu quả phủ sóng trong nhà Vùng phủ sóng của các tế bào lànhỏ so với các trạm gốc ngoài trời bởi vì năng lượng bức xạ thấp hơn Điều này cho phépcác nhà điều hành có nhiều tế bào hơn, và do đó tăng cường khả năng của mạng lưới bêntrong tòa nhà

Hơn nữa, bằng cách cài đặt một picocell, các nhà điều hành có thể có nhiều dunglượng hơn trong mạng ngoài trời vì các tế bào ngoài được sử dụng chỉ để phủ sóng chocác người dùng ngoài trời Picocells là những tế bào nhỏ nên cũng có thể được sử dụngtrong 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 ngườidùng đang ở, và nếu có nhiều picocells hơn thì vị trí chính xác của người sử dụng sẽ đượcbiết đến

 Triển khai

Khi triển khai các picocells, vị trí đặt và các thông số tốt nhất là những thách thứcchính Đối với việc triển khai picocells, cần một giải pháp tối ưu số lượng picocells đủ đểđảm 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, sânbay Khi cài đặt picocells một ảnh hưởng quan trọng khác là nhiễu từ các tế bào ngoài trờilân cận Trong các tòa nhà gần với các tế bào ngoài trời, một phần của tín hiệu đến từ bênngoài 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 thoagiữa 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 xácđịnh vị trí Picocell một cách chính xác Điều này có thể thực hiện được bằng cách nhậpvào 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 biệnpháp 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 muasắm Chúng cũng rất hữu ích trong các tòa nhà cao tầng Thực tế ở các thành phố càngngày càng có nhiều tòa nhà cao nhưng cường độ tín hiệu macrocell có xu hướng giữnguyên 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 ditích lịch sử (bức tường khổng lồ bằng đá hấp thụ các tín hiệu đến từ macrocells) hoặc cáctòa nhà có hình dạng và vật liệu phức tạp (như kết cấu kim loại hoặc các cửa sổ thủy tinhđặc 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 đểcung 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 làmột picocell đơn giản, được cài đặt trực tiếp tại nhà khách hàng Nó kết hợp trong cùngmột thiết bị bao gồm chức năng như một BTS trong nhà Thay vì kết nối tới BSC của nhàđiều hành (giống như một Picocell), Femtocell được kết nối trực tiếp tới Internet qua dâycáp Với các Femtocell, tất cả các thông tin lên lạc giữa người dùng và nhà điều hành đềuthông qua mạng Internet nên không cần cơ sở hạ tầng cho BSC/MSC Femtocell cho mộtvùng phủ nhỏ hơn, phục vụ ít người sử dụng hơn Picocell nên giá thành rẻ hơn và yêu cầucông 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 hànhbăng rộng, còn Femtocell là một mạng khép kín và được kết nối vào một mạng lõi sửdụng IP Femtocell tự cấu hình và giao diện giữa Femtocell và mạng lõi được đơn giảnhóa để tránh bất kỳ tác động nào từ phía nhà điều hành Femtocell được cài đặt trong nhàcủa khách hàng nên càng đơn giản càng tốt (tính năng Plug and Play) Sự khác nhau giữaPicocell và Femtocell được trình bày trong bảng 2.1

Kết nối với mạng lõi Cáp đồng trục hoặc cáp quang Cáp thông qua mạng ADSL

Trong chương này, một cái nhìn tổng quan về các kỹ thuật phủ sóng trong nhà khác

nhau đã được trình bày Giải pháp đầu tiên như macrocells, microcells và lặp đã được đềxuất Chúng tăng vùng phủ sóng trong nhà bằng cách mở rộng diện tích vùng phủ sóng

Giá thành đắt Giá tiện lợi Giá tiện lợi Giá tiện lợi Giá rẻ

Vùng phủ trong nhà kém Vùng phủ trong nhà chấp

nhận được

Vùng phủ trong nhàtốt

Vùng phủ trong nhàtốt

Vùng phủ trong nhàrất tốt

Bảng 2.2 Sự khác nhau giữa các công nghệ phủ sóng trong nhà

ngoài trời vào bên trong một tòa nhà Như vậy, phủ sóng trong nhà có thể được mở

rộng với các phương pháp khác nhau, chẳng hạn như tăng công suất tín hiệu ngoài trờibằng cách thêm nhiều tế bào hơn, hoặc phát lại tín hiệu ngoài trời bên trong tòa nhàbằng cách sử dụng lặp Tuy nhiên, các giải pháp này không phải là tối ưu bởi vì chúngkhông thực sự tối ưu hóa việc phủ sóng trong nhà, mà chỉ mở rộng ảnh hưởng củavùng phủ sóng ngoài trời bên trong các tòa nhà Tiếp theo, một số giải pháp hiệu quảhơn đã được đề xuất Bao gồm trong việc lắp đặt các trạm cơ sở trực tiếp bên trong cáctòa nhà hoặc sử dụng cáp bức xạ cho các môi trường dài và hẹp như đường hầm Việccài đặt trong môi trường lớn như các tòa nhà là quá khó khăn và tốn kém Mặt khác,picocells và femtocell là giải pháp hiệu quả bởi vì, nếu vị trí của chúng được lựa chọnkhôn ngoan, công suất tín hiệu trong nhà có thể được cải thiện hiệu quả, và số lượng tếbào sẽ tăng công suất tiềm năng của hệ thống Picocells được cài đặt bởi các nhà khaithác, đó là lý do tại sao chúng thích nghi tốt với các trung tâm thương mại hoặc các tòanhà văn phòng Tuy nhiên, trong môi trường gia đình, femtocell dường như là cáchtiếp cận tối ưu cho cả khách hàng và nhà khai thác Trong bảng 2.2 một bản tóm tắtnhững đặc điểm của kỹ thuật phủ sóng trong nhà trước đây được trình bày

có, hoặc sử dụng lặp để chuyển hướng các tín hiệu trong nhà hoặc tối ưu trực tiếpvùng phủ trong nhà như DAS, cáp rò hay sử dụng các trạm phát sóng trong nhà Trong

đó việc sử dụng công nghệ Femtocell được xem như công nghệ mang đến tiềm nănglớn nhất và sẽ được tìm hiểu cụ thể ở chương 3

CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG PHỦ SÓNG TRONG

NHÀ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ FEMTOCELL.

3.1 Tổng quan về Femtocell

3.1.1 Khái niệm Femtocell.

Femtocell là một trạm phát sóng nhỏ của mạng thông tin di động tế bào được dùng

để nâng cao chất lượng dịch vụ giá trị gia tăng ở phạm vi gia đình hay văn phòng,công sở

Femtocell được xem như trạm cơ sở trong nhà (home base station) hay điểm truynhập mạng tế bào giống điểm truy nhập WiFi Femtocell kết nối các thiết bị di độngtiêu chuẩn cho một nhà điều hành mạng Femtocell là cổng kết nối của mạng thông tin

di động tế bào đặt tại nhà khách hàng Sự khác biệt lớn của femtocell so với cácmacrocell hay microcell truyền thống là femtocell kết nối với mạng của nhà cung cấpdịch vụ thông qua mạng cố định băng rộng như DSL hay cáp, thay vì thông qua mạngriêng của nhà cung cấp dịch vụ di động

3.1.2 Lịch sử phát triển thuật ngữ Femtocell

Khái niệm « Trạm cơ sở trong nhà » (home base station) được nghiên cứu bởi BellLabs của Alcatel-Lucent vào năm 1999 Đến năm 2002, Motorola đã công bố trạm cơ

sở trong nhà 3G đầu tiên Tuy nhiên, đến năm 2005, khái niệm trạm cơ sở trong nhàmới được chấp nhận trên diện rộng Trong năm 2006, thuật ngữ Femtocell được đưa

ra Trong tháng 2 năm 2007, một số công ty chứng minh Femtocell tại hội nghị thếgiới 3GSM với nhiều công bố về những hoạt động thử nghiệm Trong tháng 2 năm

2007, diễn đàn Femto được thành lập để thúc đấy việc chuẩn hoá và triển khaiFemtocell trên toàn thế giới Tính đến tháng 12 năm 2008, diễn đàn đã có hơn 100thiết bị phần cứng và các nhà cung cấp phần mền, các nhà khai thác di động và đãđược đưa lên Trong năm 2008, Home NodeB (HNB) và Home eNodeB (HeNB) lầnlượt được giới thiệu trong dự án 3GPP R8, cho thấy rằng nó đã trở thành một côngnghệ mạng truy nhập không dây chủ đạo

Femtocell triển khai với quy mô lớn trong năm 2010 Có khả năng là roll-out củaLTE sẽ bao gồm cả macrocell ngoài trời và Femtocell trong nhà ngay từ giai đoạn đầutriển khai mạng Ngoài ra, Femtocell cũng có triển vọng cho các dịch vụ của doanhnghiệp

3.1.3 Tầm quan trọng của Femtocell

 Lợi ích mà công nghệ hứa hẹn mang đến cho người dùng: