I. Tổng Quan Thiết Kế Hệ Thống Thông Tin Di Động VNU HNUE
Để mở rộng thị phần, giữ thuê bao và khuếch trương thương hiệu, 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 nhà mạng di động đã phủ sóng khắp các tỉnh thành, có một vấn đề đang rất được quan tâm là tại một số thành phố lớn như Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh…chất lượng phủ sóng trong các tòa nhà, đặc biệt là các tòa nhà cao tầng của khách sạn, văn phòng, trung tâm thương mại…chưa được đảm bảo. Tại các tầng thấp thường có tình trạng sóng yếu, chập chờn, ở các tầng cao thì nhiễu dẫn đến khó thực hiện và rớt cuộc gọi. Nguyên nhân chính của tình trạng này là do tín hiệu di động của trạm phát sóng ngoài trời bị suy hao rất lớn khi thâm nhập vào tòa nhà qua các vật cản trở sóng như cửa kính, vách ngăn, tường. Và nhiều khi là do chiều cao của tòa nhà vượt quá vùng phục vụ của trạm phát sóng ngoài trời. Một trong các giải pháp hữu hiệu nhằm khắc phục hiện tượng trên và đảm bảo chất lượng dịch vụ cho thuê bao di động là giải phủ sóng di động bên trong tòa nhà (Inbuilding).
1.1. Tầm Quan Trọng Của Hệ Thống Thông Tin Di Động Inbuilding
Cùng với sự phát triển kinh tế, tốc độ đô thị hóa cao diễn ra tại các thành phố lớn, các tòa nhà cao ốc mọc lên ngày càng nhiều. Nhu cầu sử dụng các dịch vụ di động bên trong các tòa nhà này là rất lớn. Theo thống kê tại các thành phố lớn trên thế giới, số lượng cuộc gọi phát sinh bên trong tòa nhà chiếm tới 60-70% tổng lưu lượng mạng. Yêu cầu phải có hệ thống Inbuilding phục vụ các tòa nhà cao ốc trở thành tất yếu. Tuy nhiên các nhà mạng thì mong muốn giảm chi phí đầu tư cơ sở hạ tầng, người dùng thì mong muốn được hường nhiều loại hình dịch vụ di động với chất lượng cao. Dẫn đến phải xây dựng giải pháp Inbuilding mang tính tích hợp đa dịch vụ (GSM, WCDMA, CDMA, Wifi…), đáp ứng nâng cấp công nghệ mới (LTE, Wimax…) và cho phép nhiều nhà khai thác dịch vụ cùng chia sẻ chung một hệ thống Inbuilding duy nhất. Hơn nữa, mỗi tòa nhà cao ốc lại có cấu trúc, công năng, vị trí khác nhau nên cần phải có giải pháp thiết kế hệ thống Inbuilding riêng phù hợp cho từng tòa nhà.
1.2. Mục Tiêu Nghiên Cứu Thiết Kế Hệ Thống Thông Tin Di Động
Đề tài "Giải pháp thiết kế nâng cao vùng phủ sóng thông tin di động bên trong tòa nhà cao tầng" cùng với sự hướng dẫn trực tiếp của PGS.TS Nguyễn Kim Giao. Kết quả của đề tài này đã được vận dụng thực tế thành công tại tòa tháp cao nhất Việt Nam, Bitexco Financial Tower, 45 Ngô Đức Kế, Quận 1, Tp. Nội dung chính được trình bày trong các chương như sau: Chương 1: Trình bày tổng quan về các mô hình truyền sóng bên ngoài và bên trong tòa nhà. Chương 2: Trình bày về cấu trúc của hệ thống phủ sóng di động cho tòa nhà, các công thức tổng quát về tính toán quỹ đường truyền và công cụ phần mềm thiết kế Inbuilding RF-vu 2. Chương 3: Vận dụng lý thuyết và công cụ phần mềm vào tính toán, thiết kế và mô phỏng hệ thống Inbuilding cho tòa tháp Bitexco Financial Tower.
II. Mô Hình Truyền Sóng Trong Thiết Kế Mạng Di Động 4G 5G
Trong hệ thống phủ sóng di động cho tòa nhà thì tín hiệu sau khi từ nguồn tín hiệu đi qua hệ thống phân phối tín hiệu đến phần tử bức xạ và phát ra không gian sẽ chịu thêm một lượng suy hao phụ thuộc vào số tầng cũng như số bức tường mà sóng trực tiếp truyền qua rồi mới đến được thiết bị đầu cuối của thuê bao di động. Để dự đoán được những suy hao này nhà thiết kế sẽ sử dụng mô hình truyền sóng trong nhà từ đó tính toán ra quỹ đường truyền yêu cầu tương ứng. Trong chương này, chúng ta sẽ đi sâu nghiên cứu các mô hình truyền sóng được áp dụng vào tính toán suy hao và quỹ đường truyền trong các tòa nhà cao ốc.
2.1. Truyền Sóng Trong Không Gian Tự Do Công Thức Friis
Mô hình truyền sóng trong không gian tự do được sử dụng để dự đoán cường độ tín hiệu thu được khi giữa bộ thu và bộ phát không có vật cản và đường truyền LOS [7]. Như với hầu hết các mô hình truyền sóng vô tuyến dải rộng, mô hình không gian tự do dự đoán suy hao công suất thu như một hàm của khoảng cách T-R. Công suất trong không gian tự do nhận được bởi anten thu đặt cách anten phát một khoảng cách d, được cho bởi phương trình Friis. Suy hao đường truyền, biểu diễn sự suy giảm tín hiệu, tính bằng dB, được xác định bằng sự chênh lệch (theo dB) giữa công suất phát và thu hiệu dụng, và có thể có hoặc không bao hàm độ tăng ích của anten. Suy hao đường truyền trong không gian tự do khi bao hàm cả tăng ích anten được tính bởi: PL(dB) = 10log = -10log ( ) (1.5) ta thấy suy hao đường truyền tăng tỉ lệ thuận với bình phương tần số truyền sóng.
2.2. Nguyên Lý Huygens Và Miền Fresnel Trong Mạng Di Động
Hệ thống vô tuyến di động mặt đất đang được sử dụng một cách rộng rãi. Về một mặt nào đó, các dịch vụ kiểm soát và cấp cứu nội hạt vận hành trên một vùng khá rộng sử dụng các tần số thấp của dải VHF. Các vùng dịch vụ có thể mở rộng đủ để cần đến vài trạm phát, hoạt động ở chế độ cận đồng bộ, và bao gồm cả vùng nông thôn, ngoại ô và thành phố. Nhưng mặt khác, ở các thành phố lớn, các Cell riêng lẻ nằm trong cùng một hệ thống điện thoại vô tuyến tế bào 900 hoặc 1800 MHz có thể có kích thước rất nhỏ, với đường kính có thế dưới 1km, và cung cấp dịch vụ cho cả các hệ thống phương tiện định vị và các thiết bị cầm tay có thể đem vào trong các tòa nhà. Rõ ràng việc xác định vùng phủ sóng của bất kỳ một trạm phát gốc nào là một vấn đề khá phức tạp bao hàm cả các kiến thức về tần số hoạt động, địa hình, mức độ đô thị hóa, độ cao của anten và một vài yếu tố khác.
III. Giải Pháp Thiết Kế Hệ Thống Thông Tin Di Động Tối Ưu
Các mô hình truyền sóng mà chúng ta đã đề cập ở phần trước chỉ được áp dụng cho đường truyền sóng trực tiếp từ BTS đến MS. Những mô hình cổ điển này được ứng dụng vào các Cell lớn (macro Cell) với chiều cao lớn của cột anten BTS. Kết quả là, các mô hình này không thể áp dụng vào các hệ thống đang được triển khai hiện nay, với đường truyền ngắn hơn 1km và rất hiếm đường truyền thẳng trực tiếp LOS. Mô hình COST231-Walfish-Ikegami [7] ước lượng suy hao đường truyền trong môi trường đô thị, với dải tần làm việc từ 800 đến 2000MHz. Mô hình này được áp dụng cho cả đường truyền thẳng LOS và đường truyền gián tiếp Non-LOS.
3.1. Mô Hình Walfish Ikegami Cho Mạng Di Động Đô Thị
Đối với đường truyền LOS, phương trình suy hao có dạng giống như suy hao trong không gian tự do. Đối với đường truyền Non-LOS, mô hình sẽ được bổ sung thêm 2 điều kiện về suy hao. Điều kiện thứ nhất là suy hao nhiều bề mặt, nguyên nhân gây ra bởi tín hiệu lan truyền từ BTS qua các mái nhà. Điều kiện thứ hai gây ra bởi suy hao khuếch xạ và tán xạ tại mái, cạnh tòa nhà, góc phố nơi máy mobile đang ở đó. Có 3 thành phần suy hao cần quan tâm đối với đường truyền Non-LOS: Suy hao lan truyền trong không gian tự do Lfs, Suy hao nhiều bề mặt Lms, Suy hao khuếch xạ và tán xạ từ mái nhà đến đường phố Lrts.
3.2. Ứng Dụng Mô Hình Walfish Trong Thiết Kế Hệ Thống
Điều kiện ứng dụng của mô hình là cho đường truyền sóng vô tuyến trong khu vực đô thị. Tần số làm việc f : 800 đến 2000MHz. Công thức COST231-Walfish-Ikegami : + + , + > 0 = (1.14) , + < 0 Chú ý: khi suy hao do khuếch xạ và suy hao bề mặt nhỏ hơn hoặc bằng 0, thì mô hình sẽ chuyển về suy hao lan truyền trong không gian tự do. Trước khi kiểm tra lại công thức, chúng ta phải định nghĩa một số tham số phụ được sử dụng trong công thức.
IV. Thách Thức Giải Pháp Phủ Sóng Di Động Trong Tòa Nhà
Phần trước đã trình bày về các mô hình truyền sóng trong không gian tự do. Tuy nhiên, không thể áp dụng các mô hình truyền sóng trong không gian tự do để tính toán suy hao sóng trong môi trường là các nhà cao tầng do môi trường trong nhà khác với môi trường tự do ở những điểm sau: Phụ thuộc vào từng loại tòa nhà, Trễ lan truyền, Lan truyền giữa các tầng, Tín hiệu xâm nhập từ ngoài vào trong tòa nhà. Môi trường bên trong tòa nhà rất phức tạp. Nó phụ thuộc vào thiết kế của tòa nhà và cách bố trí các đồ vật trong nhà. Do vậy không thể xây dựng một công thức chính xác để tính toán suy hao truyền sóng trong nhà. Chia quá trình truyền sóng trong nhà thành 2 giai đoạn: Truyền sóng từ bên ngoài vào bên trong tòa nhà, Truyền sóng bên trong tòa nhà.
4.1. Giai Đoạn 1 Truyền Sóng Từ Bên Ngoài Vào Bên Trong
Trong những năm gần đây việc sử dụng các thiết bị di động cầm tay gia tăng. Điều này dẫn đến nhu cầu phủ sóng di động bên trong các tòa nhà trở nên cấp thiết. Tuy nhiên, tín hiệu từ các trạm phát sóng bên ngoài thường bị suy hao đáng kể khi xâm nhập vào bên trong tòa nhà do các vật liệu xây dựng như tường, kính, và các vật cản khác. Do đó, việc thiết kế hệ thống phủ sóng bên trong tòa nhà cần phải xem xét đến các yếu tố này để đảm bảo chất lượng tín hiệu.
4.2. Giai Đoạn 2 Truyền Sóng Bên Trong Tòa Nhà Cao Tầng
Sau khi tín hiệu đã xâm nhập vào bên trong tòa nhà, việc truyền sóng bên trong trở nên phức tạp hơn do sự phản xạ, tán xạ và hấp thụ của các vật thể bên trong. Các yếu tố như bố trí nội thất, vật liệu xây dựng, và cấu trúc của tòa nhà đều ảnh hưởng đến quá trình truyền sóng. Để đảm bảo phủ sóng tốt, cần phải sử dụng các anten phân bố và các thiết bị khuếch đại tín hiệu để bù đắp cho sự suy hao tín hiệu.
V. Ứng Dụng Thực Tế Thiết Kế Hệ Thống Thông Tin Di Động 5G
Việc triển khai hệ thống Inbuilding không chỉ là giải pháp kỹ thuật mà còn mang lại nhiều lợi ích kinh tế và xã hội. Đối với các nhà mạng, việc cải thiện chất lượng phủ sóng giúp tăng cường sự hài lòng của khách hàng, giảm tỷ lệ rớt cuộc gọi, và tăng doanh thu từ dịch vụ dữ liệu. Đối với người dùng, việc có kết nối ổn định và tốc độ cao giúp nâng cao hiệu quả công việc, giải trí, và kết nối với xã hội. Ngoài ra, hệ thống Inbuilding còn hỗ trợ các ứng dụng IoT (Internet of Things) và các dịch vụ thông minh khác trong tòa nhà.
5.1. Triển Khai Hệ Thống Inbuilding Tại Bitexco Financial Tower
Bitexco Financial Tower là một trong những tòa nhà cao nhất Việt Nam và là biểu tượng của sự phát triển kinh tế. Việc triển khai hệ thống Inbuilding tại đây không chỉ đảm bảo chất lượng phủ sóng cho người dùng mà còn thể hiện sự tiên phong trong việc ứng dụng công nghệ mới. Hệ thống này đã được thiết kế và triển khai với sự hợp tác của các chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực viễn thông và xây dựng.
5.2. Đánh Giá Hiệu Quả Hệ Thống Sau Triển Khai Vinaphone 2G
Sau khi triển khai hệ thống Inbuilding tại Bitexco Financial Tower, đã có những đánh giá khách quan về hiệu quả của hệ thống. Các kết quả đo kiểm cho thấy sự cải thiện đáng kể về cường độ tín hiệu, tốc độ truyền dữ liệu, và giảm tỷ lệ rớt cuộc gọi. Điều này chứng minh rằng hệ thống Inbuilding là một giải pháp hiệu quả để cải thiện chất lượng phủ sóng di động trong các tòa nhà cao tầng.
VI. Tương Lai Xu Hướng Phát Triển Hệ Thống Thông Tin Di Động
Với sự phát triển không ngừng của công nghệ di động, hệ thống Inbuilding cũng sẽ tiếp tục phát triển và thích ứng với các xu hướng mới. Các công nghệ như 5G, IoT, và điện toán đám mây sẽ tạo ra những yêu cầu mới về băng thông, độ trễ, và bảo mật. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp Inbuilding tiên tiến là rất quan trọng để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng và các ứng dụng thông minh.
6.1. Tích Hợp Mạng Không Dây WLAN Vào Hệ Thống DAS Hiện Có
Việc tích hợp mạng không dây WLAN vào hệ thống DAS (Distributed Antenna System) hiện có là một xu hướng quan trọng trong phát triển hệ thống Inbuilding. Điều này giúp cung cấp kết nối đa dạng cho người dùng, từ các dịch vụ di động truyền thống đến các ứng dụng dựa trên Wi-Fi. Việc tích hợp này cũng giúp tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên mạng và giảm chi phí đầu tư.
6.2. Nâng Cấp Lên Công Nghệ Mới LTE Wimax 5G Tại VNU
Việc nâng cấp hệ thống Inbuilding lên các công nghệ mới như LTE, Wimax, và đặc biệt là 5G là một yêu cầu tất yếu để đáp ứng nhu cầu băng thông và tốc độ ngày càng cao của người dùng. Các công nghệ này mang lại những cải tiến vượt trội về hiệu suất, độ trễ, và khả năng kết nối. Việc triển khai 5G trong hệ thống Inbuilding sẽ mở ra những cơ hội mới cho các ứng dụng như thực tế ảo, thực tế tăng cường, và các dịch vụ thông minh khác.
