Giải pháp thiết kế nâng cao vùng phủ sóng thông tin di động bên trong toàn nhà cao tầng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ



VŨ TUẤN NAM



GIẢI PHÁP THIẾT KẾ NÂNG CAO VÙNG PHỦ SÓNG
THÔNG TIN DI ĐỘNG BÊN TRONG TÒA NHÀ CAO TẦNG




LUẬN VĂN THẠC SỸ









Hà Nội - 2011
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

VŨ TUẤN NAM



GIẢI PHÁP THIẾT KẾ NÂNG CAO VÙNG PHỦ SÓNG
THÔNG TIN DI ĐỘNG BÊN TRONG TÒA NHÀ CAO TẦNG


LUẬN VĂN THẠC SỸ

Ngành: Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60 52 70

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN KIM GIAO





Hà Nội - 2011
II
MỤC LỤC
Các hình vẽ sử dụng trong đồ án 5
Các từ viết tắt sử dụng trong đồ án 7
MỞ ĐẦU 1
Chương 1 3
CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

1.1. Mô hình truyền sóng bên ngoài tòa nhà 3
1.1.1. Truyền sóng trong không gian tự do 3
1.1.2. Nguyên lý Huyghen và miền Fresnel 5
1.1.3. Các mô hình truyền sóng bên ngoài tòa nhà 7
1.1.3.1. Mô hình Okumura 7
1.1.3.2. Mô hình Hata 8
1.1.3.3. Mô hình Walfish 10
1.2. Mô hình truyền sóng trong tòa nhà 12
1.2.1. Giai đoạn 1: Truyền sóng từ bên ngoài vào bên trong tòa nhà 13
1.2.2. Giai đoạn 2: Truyền sóng bên trong tòa nhà 21
1.2.2.1. Đặc tính truyền sóng 22
1.2.2.2. Mô hình truyền sóng trong tòa nhà của Rappaport 23
1.2.2.3. Mô hình truyền sóng trong tòa nhà của Keenan và Motley 34
Chương 2 39
HỆ THỐNG PHỦ SÓNG DI ĐỘNG TRONG CÁC TÒA NHÀ CAO TẦNG 39
2.1. Khái niệm về hệ thống phủ sóng di động trong tòa nhà 39
2.1.1. Lý do để cải thiện chất lượng sóng di động trong nhà 39
2.1.2. Hệ thống phủ sóng trong tòa nhà 40
2.1.3. Lợi ích khi sử dụng hệ thống 40
2.2. Cấu trúc hệ thống phủ sóng di động trong tòa nhà 41
2.2.1. Nguồn tín hiệu 42
2.2.1.1. Nguồn tín hiệu bằng trạm outdoor 42
2.2.1.2. Nguồn tín hiệu bằng trạm indoor dành riêng 43
2.2.2. Hệ thống phân phối tín hiệu 44
2.2.2.1. Hệ thống thụ động 44
2.2.2.2. Hệ thống chủ động 45
2.2.2.3. Hệ thống lai ghép 46
2.2.3. Phần tử bức xạ 47
2.2.3.1. Anten 47
III

2.2.3.2. Cáp rò 50
2.3. Thiết bị đo truyền lan RF dùng trong khảo sát 50
2.4. Các tham số về trạm BTS cần quan tâm 51
2.5. Các thông số cần thiết cho thiết kế hệ thống 52
2.6. Tính toán quỹ đường truyền 53
2.7. Tính toán dung lượng 55
2.8. Công cụ thiết kế 57
Chương 3 60
THIẾT KẾ HỆ THỐNG INBUILDING CHO TÒA NHÀ BITEXCO FINANCIAL TOWER 60
3.1. Khảo sát 60
3.1.1. Khảo sát tòa nhà 60
3.1.2. Khảo sát tình trạng phủ sóng 64
3.1.3. Đo mức thu RxLevel 65
3.1.4. Đo mức chất lượng thu RxQual 66
3.2. Yêu cầu thiết kế hệ thống Inbuilding 66
3.2.1. Chỉ tiêu kỹ thuật của nhà mạng di động 66
3.2.2. Yêu cầu của chủ tòa nhà đối với hệ thống Inbuilding 66
3.2.3. Các điều kiện đầu vào 67
3.3. Giải pháp thiết kế đề xuất 67
3.3.1. Phương án phủ sóng cho mặt bằng tầng điển hình 68
3.3.2. Phương án phủ sóng cho thang máy 71
3.3.3. Tính toán dung lượng và cấu hình BTS tương ứng 71
3.3.4. Tính toán quỹ đường truyền (Link Budget) 73
3.3.5 Sơ đồ bố trí anten và mô phỏng vùng phủ sóng từng tầng 75
3.3.6. Sơ đồ nguyên lý hệ thống Inbuilding 83
3.3.7 Sơ đồ bố trí thiết bị phòng máy 85
3.3.8. Khả năng nâng cấp mở rộng hệ thống 85
3.3.8.1 Khả năng nâng cấp lên 3G/4G 85
3.3.8.2 Tích hợp mạng không dây WLAN 86
3.3.9. Danh mục vật tư tổng hợp 87

3.4. Phương án triển khai thi công hệ thống 88
3.5. Hòa mạng phát sóng, đưa hệ thống vào hoạt động 89
3.6. Đo kiểm tối ưu 90
3.6.1 Đi kiểm tra (Walking Test) 90
3.6.2. So sánh kết quả đo thực tế và tính toán lý thuyết 91
IV
3.6.3. Tối ưu 91
3.7. Nghiệm thu bàn giao 92
KẾT LUẬN 94
TÀI LIỆU THAM KHẢO 96
PHỤ LỤC A 1
BẢNG ERLANG B 1
PHỤ LỤC B 3
BẢNG KẾT QUẢ ĐO NGHIỆM THU VINAPHONE 2G 3
PHỤ LỤC C 12
THÔNG SỐ KỸ THUẬT THIẾT BỊ 12
V
Các hình vẽ sử dụng trong đồ án
Hình 1.1. Miền Fresnel thứ nhất [6] 6
Hình 1.2. Cấu trúc cell [6] 7
Hình 1.3. Phân bố xếp chồng của sự thay đổi quy mô lớn của tín hiệu tại tần số 900 MHz trong một
tòa nhà khi không tồn tại đường truyền LOS: (____) kết quả đo được, ( ) tuân theo phân bố loga
chuẩn với độ lệch chuẩn 4 dB. 18
Hình 1.4. Suy hao thâm nhập vào tòa nhà là một hàm của chiều cao tòa nhà: x là các điểm thực
nghiệm 19
Hình 1.5. Đồ thị suy hao đường truyền là một hàm của khoảng cách tại tòa nhà công sở 1 29
Hình 1.6. Đồ thị suy hao đường truyền là một hàm của khoảng cách tại tòa nhà công sở 2 29
Hình 1.7. Tổn hao tầng theo mô hình Keenan – Motley 37
Hình 1.8. So sánh tổn hao tường theo mô hình Keenan – Motley với tổn hao trong không gian tự do và
công thức xấp xỉ 37

Hình 2.1. Mô hình một hệ thống phủ sóng inbuilding 41
Hình 2.2. Thành phần chính của một hệ thống phủ sóng trong nhà 41
Hình 2.3. Vùng phủ cho tòa nhà từ một tế bào macro trong trạm BTS outdoor macro 43
Hình 2.4. Vùng phủ cho tòa nhà được cung cấp bởi trạm indoor dành riêng. 43
Hình 2.5. Giải pháp hệ thống anten phân phối thụ động 45
Hình 2.6. Sơ đồ một hệ thống anten phân phối chủ động cho khu trường sở 45
Hình 2.7. Sơ đồ một hệ thống anten phân phối chủ động cho một tòa nhà cao tầng. 46
Hình 2.8. Sơ đồ hệ thống lai ghép 46
Hình 2.9. Anten omni được sử dụng trong tòa nhà cao tầng 48
Hình 2.10. Đồ thị phương hướng của một anten omni 4dBi 48
Hình 2.11. Anten định hướng sử dụng trong thang máy 49
Hình 2.12. Đồ thị phương hướng của anten panel 8dBi 49
Hình 2.13. Hệ thống phân phối cáp rò 50
Hình 2.14. Sơ đồ một hệ thống phân phối anten thụ động đơn giản 54
Hình 2.15. Giao diện phần mềm thiết kế Inbuilding iBwave RF-vu V2.1 57
Hình 2.17. Thiết lập tham số mô phỏng vùng phủ trong RF-vu V2.1 59
Hình 3.1. Tòa nhà Bitexco Financial Tower. 62
Hình 3.2. Thiết bị dùng trong khảo sát tình trạng sóng 64
Hình 3.3. Bản đồ mô tả tuyến đi đo kiểm mức thu Rxlevel tại tầng điển hình 65
Hình 3.4. Bộ kết hợp đa băng tần - POI 68
Hình 3.5. Sơ đồ bố trí anten và tuyến đi cáp mặt bằng tầng điển hình 69
Hình 3.6. Tính toán công suất phân bổ cho nhánh anten tầng điển hình 70
Hình 3.7. Sơ đồ bố trí anten và mô phỏng vùng phủ tầng hầm 3 75
Hình 3.8. Sơ đồ bố trí anten và mô phỏng vùng phủ tầng hầm 2 76
Hình 3.9. Sơ đồ bố trí anten và mô phỏng vùng phủ tầng hầm 1 76
Hình 3.10. Sơ đồ bố trí anten và mô phỏng vùng phủ tầng trệt 1 77
Hình 3.11. Sơ đồ bố trí anten và mô phỏng vùng phủ tầng trệt 2 77
Hình 3.12. Sơ đồ bố trí anten và mô phỏng vùng phủ tầng 3 78
Hình 3.13. Sơ đồ bố trí anten và mô phỏng vùng phủ tầng 4-5 78
Hình 3.14. Sơ đồ bố trí anten và mô phỏng vùng phủ tầng 6 79

Hình 3.15. Sơ đồ bố trí anten và mô phỏng vùng phủ tầng 7 79
Hình 3.16. Sơ đồ bố trí anten và mô phỏng vùng phủ tầng 8-28 80
Hình 3.17. Sơ đồ bố trí anten và mô phỏng vùng phủ tầng 29-30 80
Hình 3.18. Sơ đồ bố trí anten và mô phỏng vùng phủ tầng kỹ thuật 81
VI
Hình 3.19. Sơ đồ bố trí anten và mô phỏng vùng phủ tầng 48-49 81
Hình 3.20. Sơ đồ bố trí anten và mô phỏng vùng phủ tầng 50-55 82
Hình 3.21. Sơ đồ bố trí anten và mô phỏng vùng phủ tầng 56-67 82
Hình 3.22. Sơ đồ nguyên lý hệ thống Inbuilding – Tòa nhà Bitexco Financial Tower 84
Hình 3.23. Minh họa phòng máy Inbuilding điển hình 85
Hình 3.24. Tích hợp Wifi vào hệ thống DAS sẵn có 86
Hình 3.25. Minh họa lắp đặt anten Omni 88
Hình 3.26. Kết quả đo hệ số phản xạ sóng đứng anten A3-F8 89
Hình 3.27. Kết quả đo walking test bằng máy TEMS sau khi phát sóng Inbuiding 91
VII
Danh sách các bảng biểu
Bảng 1.1. Suy hao thâm nhập trung bình tại các tầng khác nhau của một tòa nhà 6 tầng 18
Bảng 1.2. Số mũ n và độ lệch sử dụng cho mô hình suy hao đường truyền phụ thuộc khoảng cách đo
tại tần số sóng mang 914MHz 27
Bảng 1.3. Số mũ và độ lệch chuẩn cho suy hao đường truyền được đo cho các tòa nhà khác nhau 28
Bảng 1.4. Hệ số suy giảm theo tầng trung bình (dB) cho một, hai, ba, và bốn tầng giữa máy phát và
máy thu trong hai tòa nhà công sở; cùng với độ lêch tiêu chuẩn (dB) và số vị trí được sử dụng để tính
toán thống kê 30
Bảng 1.5. Báo cáo đo đạc suy hao tín hiệu trung bình thực hiện bởi rất nhiều nhà nghiên về các đường
truyền vô tuyến bị che khuất bởi vật liệu xây dựng nói chung 32
Bảng 1.6. Các tham số truyền dẫn trong các tòa nhà 35
Bảng 2.1. Bảng Erlang B với GoS 2 % tương ứng với số kênh TCH 56
Bảng 3.1. Thống kê diện tích các tầng của tòa nhà Bitexco Financial Tower 63
Bảng 3.2. Bảng giá trị suy hao, tăng ích các thiết bị và vật liệu 71
Bảng 3.3. Bảng tính quỹ đường truyền trên phần mềm Excel 74

Bảng 3.4. Bảng tổng hợp danh mục vật tư hệ thống DAS – Bitexco Financial Tower 87
Bảng 3.5. Bảng so sánh kết quả đo thực tế và tính toán thiết kế 92
Các từ viết tắt sử dụng trong đồ án
VIII
STT
Từ viết tắt
Tên tiếng anh
1
BCH
Broadcast Control Channel
2
BSC
Base station controller
3
BTS
Base transceiver station
4
CCTV
Closed Circuit Television
5
CPICH
Common pilot channel
6
DAS
Distributed Antena System
7
EDGE
Enhance Datarate for GSM Evolution
8
EIRP

Effective Isotropic Radiated Power
9
ERP
Effective Radiated Power
10
FAF
Floor Attenuation Factor
11
GPRS
General Packet Radio Services
12
GSM
Global System for Mobile communications
13
IOI
Interference on Idle Mode
14
LOS
Line of Sight
15
MMSE
Minimum Mean Square Error
16
MS
Mobile Station
17
MU
Main Unit/ Master Unit
18
Non-LOS

None Line of Sight
19
OBS
Obstructed
20
OMC
Operations and Maintenance Center
21
PCN
Personal Communications Network
22
PCS
Personal Communications System
23
RAU
Remote bi-direction Antenna Unit
24
RSCP
Received signal code power
25
RU
Remote Unit
26
TCH
Traffic Channels
27
T-R
Transmitter-Receiver
28
WCDMA

Wideband Code Division Multiple Access
1
MỞ ĐẦU
***
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 toà
nhà, đặc biệt là các toà 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 pháp phủ sóng di động bên trong
tòa nhà (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 hưởng 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. Đây chính là tiền đề
để em bắt tay vào tìm hiểu, nghiên cứu và thực hiện đề tài “Giải pháp thiết kế nâng
2
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. Hồ Chí Minh.
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 2.1.
 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.
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Kim Giao đã tận tình hướng
dẫn và giúp đỡ em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.
Hà Nội, ngày 12 tháng 09 năm 2011
Học viên thực hiện
Vũ Tuấn Nam
3
Chương 1
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
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.
1.1. Mô hình truyền sóng bên ngoài tòa nhà
1.1.1. Truyền sóng trong không gian tự do
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]. Các hệ thống thông tin vệ tinh và đường truyền sóng vô tuyến cực ngắn được coi
là truyền trong không gian tự do. 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.
( )
=
( )
(1.1)
Trong đó:
• P
t
là công suất phát.
• P
r
(d) là công suất thu.
• G
t
là tăng ích anten phát.
• G
r
là tăng ích anten thu.
• d là khoảng cách T-R tính theo m.
4
• L là hệ số suy hao hệ thống (L≥1), là bước song tính theo m.

• Tăng ích của anten liên quan tới diện tích hiệu dụng của nó, A
e
, thông
qua phương trình:
= (1.2)
• Diện tích hiệu dụng anten A
e
phụ thuộc vào kích thước vật lý của anten,
và phụ thuộc vào tần số sóng mang:
= = (1.3)
 f là tần số sóng mang tính theo Hz.
 là tần số sóng mang tính theo rad/s, và c là vận tốc ánh
sang tính theo m/s.
Phương trình không gian tự do cho thấy công suất thu tỉ lệ nghịch với bình
phương khoảng cách d. Điều này có nghĩa công suất thu giảm 20dB/10m khoảng cách.
Anten bức xạ đẳng hướng là một anten lý tưởng, với công suất bức xạ đẳng
hướng hiệu dụng (EIRP) .
EIRP = P
t
G
t
(1.4)
Trên thực tế công suất bức xạ hiệu dụng (ERP) được sử dụng thay thế cho EIRP
để biểu thị công suất bức xạ cực đại khi được xem xét như là anten lưỡng cực nửa
bước sóng (thay cho một anten đẳng hướng).
Suy hao đường truyền, biểu diễn 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)
Khi không bao hàm tăng ích anten (coi bằng 1), suy hao đường truyền được
tính như sau:
5
PL(dB) = 10log = -10log
( )
= 10log (1.6)
PL(dB) = 32.44 + 20lgf(MHz) + 20lgd(km) (1.7)
Từ (1.5) ta thấy suy hao đường truyền tăng tỉ lệ thuận với bình phương tần số
truyền sóng. Anten có độ tăng ích cao có thể làm giảm suy hao này, và khá dễ dàng để
thiết kế tại tần số nằm trong dải VHF. Đây là giải pháp cho kết nối cố định (point – to
– point), nhưng không dùng cho kết nối di động dải VHF và UHF yêu cầu phủ sóng vô
hướng.
1.1.2. Nguyên lý Huyghen và miền Fresnel
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 thể 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 kì 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.
Ngoài ra, khi di động di chuyển bên trong hay giữa các tòa nhà, các tòa nhà trở
thành những vật cản ngẫu nhiên, và rất khó để xác định và phân tích một cách chính
xác trừ khi có cơ sở dữ liệu về môi trường truyền sóng và cập nhật về địa hình một
cách chính xác. Tổng hợp hình ảnh vệ tinh và các công nghệ tương tự như vậy đã giúp

ích trong việc tạo ra các cơ sở dữ liệu và được sử dụng cho các phương pháp dự đoán
như “dò theo tia sóng”.
Trong thực tế, các kênh vô tuyến di động có vị trí không thích hợp nhất trong
thông tin vô tuyến mặt đất. Suy hao đường truyền thường vượt quá suy hao trong
không gian tự do hay trong địa hình bằng phẳng khoảng vài chục dB; độ biến thiên cao
và dao động ngẫu nhiên khi bộ thu di chuyển qua các địa hình không bằng phẳng
6
và/hoặc giữa các tòa nhà. Các kênh cũng hay bị lỗi bởi nhiễu của môi trường xung
quanh gây nên bởi các loại thiết bị điện; nhiễu này là xung nhiễu và thường do con
người tạo ra . Hiện nay có một vài phương pháp nghiên cứu cường độ tín hiệu trung
bình trong một vùng địa lý tương đối nhỏ cho trước. Một vài trong số đó có thể áp
dụng trên các địa hình không bằng phẳng, một vài áp dụng được trong các vùng địa lý
có nhiều nhà cửa,…Các phương trình truyền sóng trong không gian tự do và địa hình
bằng phẳng được sử dụng như cơ sở cho các phương pháp này. Đầu tiên, chúng ta sẽ
nói về các nguyên lý và các phương pháp phân tích làm nền tảng cho rất nhiều các
phương pháp dự đoán.
Nguyên lý Huyghen cho biết rằng mỗi điểm của mặt sóng gây bởi một nguồn
bức xạ sơ cấp có thể được coi như nguồn của một sóng thứ cấp mới. Vì vậy, nguyên lý
này cho phép ta có thể tính toán trường tại một điểm bất kỳ trong không gian khi đã
biết được trường ở trên một bề mặt cầu nào đó.
Dựa trên nguyên lý Huyghen, ta có thể xác định khu vực không gian có tham
gia vào quá trình truyền sóng.
Trong các miền Fresnel, ta chỉ quan tâm đến miền Fresnel thứ nhất vì đây là
miền tập trung hầu hết năng lượng trường điện từ nên là miền chủ yếu tham gia vào
quá trình truyền sóng. Bán kính miền Fresnel thứ nhất được xác định khi n=1.
Hình 1.1. Miền Fresnel thứ nhất [6]
Trong quá trình tính toán suy hao đường truyền, lan truyền trong không gian tự
do được xem như là một mô hình chuẩn. Các mô hình khác được xây dựng trên mô
7
hình chuẩn này và cố gắng tìm ra một cách tiếp cận tới một giá trị suy hao dự đoán

chính xác hơn.
Dựa vào miền Fresnel thứ nhất người ta đưa ra một số mô hình truyền sóng áp
dụng cho các địa hình không bằng phẳng hay các địa hình có nhiều nhà cửa: mô hình
Okumura, mô hình Hata, mô hình Walfish…
1.1.3. Các mô hình truyền sóng bên ngoài tòa nhà
Hình 1.2. Cấu trúc cell [6]
1.1.3.1. Mô hình Okumura
Mô hình Okumura [7] là một trong những mô hình dự báo tín hiệu trong khu
vực đô thị được sử dụng rông rãi nhất. Mô hình này áp dụng cho tần số trong dải 150
MHz đến 1920MHz (mặc dù có thể đạt tới 3000MHz) và khoảng cách là từ 1km đến
100km. Nó có thể được sử dụng cho các trạm anten gốc với chiều cao từ 30m đến
1000m.
Trong các bản báo cáo của Okumura có chứa một tập các đường cong được xây
dựng từ rất nhiều các phép đo thực hiện từ năm 1962 đến 1965. Mục đích của nó là
miêu tả sự suy hao và sự thay đổi cường độ trường điện từ theo sự thay đổi của địa
hình.
8
Okumura muốn tính toán một cách hệ thống đối với các loại địa hình khác nhau
và các môi trường khác nhau. Do vậy, ông đã phân loại địa hình và môi trường như
sau:
 Địa hình:
 Địa hình bằng phẳng: là địa hình có các vật thể trên đó có chiều cao
trung bình không vượt quá 20m.
 Địa hình bất thường: là các địa hình không thuộc địa hình bằng
phẳng, ví dụ như địa hình đồi núi.
 Môi trường:
 Khu vực mở: là vùng không gian trong đó không có cây cao, tòa nhà
cao tầng chắn ngang đường truyền sóng. Địa hình thoáng đãng,
không có vật thể nằm cản đường truyền đến máy di động trong
phạm vi 300m đến 400m. Ví dụ như khu vực cánh đồng, nông trang.

 Khu vực ngoại ô: khu làng xã, đường cao tốc với cây và nhà thưa
thớt. Trong khu vực này có một số vật thể chắn nhưng không che
chắn hoàn toàn.
 Khu vực thành phố: là khu vực có nhiều nhà cao tầng liền kề nhau,
dân cư đông đúc, cây cối trồng thành hàng sát nhau.
Trong một khu đô thị trên một vùng gần như bằng phẳng với một trạm gốc
chiều cao hiệu dụng (h
te
) khoảng 200m và chiều cao của một anten MS (h
re
) khoảng
3m. Công thức Okumura:
= + (1.8)
Trong đó:
: là hệ số suy hao dự đoán Okumura.
: suy hao lan truyền trong không gian tự do
1.1.3.2. Mô hình Hata
Mô hình Hata [7] xây dựng trên kinh nghiệm, đúc rút từ mô hình Okumura. Mô
hình Hata chuyển đổi các thông tin về suy hao đường truyền có tính hình học của mô
hình Okumura sang công thức toán học.
9
Mô hình này được xây dựng dựa trên suy hao đường truyền giữa các anten
isotropic, nhưng nó cũng xét đến các thông số khác như chiều cao của cột anten trạm
BTS, chiều cao của anten MS. Địa hình trong mô hình được giả thiết là khá bằng
phẳng, không có bất thường.
Các điều kiện ràng buộc của mô hình Hata:
 Dải tần làm việc f : 150 đến 1500MHz
 Chiều cao của anten BTS h
B
: 30 đến 200m

 Chiều cao của anten MS h
m
: 1 đến 10m
 Khoảng cách giữa BTS và MS R : 1 đến 20 km.
Công thức Hata tính suy hao đường truyền trung bình cho khu vực đô thị:
( )( )
= 69.55+26.16 − 1 3.82
−
( )
+
(
44.9−6.55
)
R (1.9)
Với a(h
m
) là hệ số hiệu chỉnh của chiều cao hiệu dụng của anten MS
• Đối với khu vực thành phố vừa và nhỏ:
( )
=
(
1.11 −0.7
)
−(1.56 −0.8) (1.10)
• Đối với khu vực thành phố lớn:
( )
= 8.29( 1.54 ) −1.1
( )
ớ ≤ 300 (1.10a)
( )

= 3.2( 11.75 ) −4.97
( )
ớ ≥ 300 (1.10b)
Đối với khu vực ngoại ô:
L
HATA, Suburban
= L
HATA
–2 (log(f
C
/28))
2
– 5,4. (1.11)
Đối với khu vực nông thôn:
L
HATA, Rural
= L
HATA
– 4,78(logf
C
)
2
+ 18,33logf
C
– 40,94 (1.12)
10
Mô hình Hata gần giống với mô hình Okumura khi khoảng cách R lớn hơn
1km. Mô hình này rất phù hợp cho cá hệ thống di động tế bào lớn, nhưng lại không
phù hợp với hệ thống truyền thông cá nhân (PCS) vì có bán kính cell khoảng 1km.
1.1.3.3. Mô hình Walfish

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.
Đối với đường truyền LOS, phương trình suy hao có dạng giống như suy hao
trong không gian tự do.
L (dB) = 42.6 + 26logd + 20logf
C
(d≥ 20 ) (1.13)
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 khúc 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 L
fs
 Suy hao nhiều bề mặt L
ms
 Suy hao khúc xạ và tán xạ từ mái nhà đến đường phố L
rts
.
Điều kiện ứng dụng của mô hình là cho đường truyền sóng vô tuyến trong khu
vực đô thị.
 Tần số làm việc f
C
: 800 đến 2000MHz.

 Chiều cao cột anten BTS h
b
: 4 đến 50m.
 Chiều cao anten MS h
m
: 1 đến 3m.
11
 Khoảng cách từ BTS đến MS d : 20 đến 5km.
Công thức COST231-Walfish-Ikegami :
=
+ + , + > 0
, + < 0
(1.14)
Chú ý: khi suy hao do khúc 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.
 Độ rộng của đường phố w (m).
 Khoảng cách giữa các tòa nhà dọc theo đường truyền b (m).
 Chiều cao của tòa nhà h
r
(m).
 ∆h
m
= h
r
– h
m
; ∆h
b

= h
b
- h
r
 Góc tới tạo với chiều của đường phố ϕ (độ).
Các công thức tính suy hao chính:
 Suy hao trong không gian tự do:
L
fs
= 32.44 + 20logf
C
(MHz) + 20logd(km) (1.15)
 Suy hao khúc xạ và tán xạ:
L
rts
= -16,9 – 10logw + 10logf
C
+ 20log∆h
m
+ L
ϕ
. (1.16)
 Suy hao đa bề mặt:
L
ms
= L
bsh
+ k
a
+ k

d
logd + k
f
logf
C
– 9logb. (1.17)
Các tham số phụ trong mô hình :
=
−18log
[
1+
(
−
)]
, >
0, ≤
(1.18)
k
a
là độ tăng suy hao đường truyền khi anten BS thấp hơn độ cao tòa nhà
12
=
54, >
54−0.8
(
−
)
, ≤ à ≥ 0.5
54−0.8
(

−
)
.
, ≤ à < 0.5
(1.19)
k
d
và k
f
biểu diễn sư phụ thuộc của suy hao nhiễu xạ vào khoảng cách hay dải
tần số
=
18, >
18−15
( )
, ≤
(1.20)
(1.21)
Suy hao hướng phố:
=
−10+0.354 , 0 ≤ < 35
2.5+0.075
(
−35
)
, 35 ≤ < 55
4.0−0.114( −55), 55 ≤ < 90
(1.22)
Mặc định
h

r
= 3m × (số tầng) + chiều cao mái (1.23)
(1.24)
b = 20 ÷ 50 m
w = b/2
= 90
1.2. Mô hình truyền sóng trong tòa nhà
Phần trước ta đã trình bày về các mô hình truyền sóng trong không gian tự do.
Tuy nhiên, ta 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:
13

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
Chúng ta thấy 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 ta không thể xây dựng
một công thức chính xác để tính toán suy hao truyền sóng trong nhà.
Ta chia quá trình truyến sóng trong nhà thành 2 giai đoạn:
 Truyền sóng từ bên ngoài vào bên trong tòa nhà
 Truyền sóng bên trong tòa nhà
1.2.1. Giai đoạn 1: Truyền sóng từ bên ngoài vào bên trong tòa nhà
Trong những năm gần đây việc sử dụng các thiết bị di động cầm tay gia tăng
một cách rõ rệt, ví dụ như các thiết bị thu phát được mang theo bên người hơn là được
cài đặt trong một phương tiện nào đó. Các thiết bị như vậy được sử dụng rất nhiều
trong các hệ thống vô tuyến cá nhân và vô tuyến tế bào và hiện nay đang hoàn toàn

thống trị thị trường. Điều này là cần thiết cho các kỹ sư vô tuyến lập kế hoạch các hệ
thống cần thiết xoay quanh vấn đề này, và kiến thức về suy hao đường truyền giữa các
trạm gốc và các máy thu phát bên trong tòa nhà là một yếu tố quan trọng cần được
đánh giá.
Độ mạnh của tín hiệu nhận được bên trong tòa nhà do một trạm phát bên ngoài
truyền vào là vấn đề quan trọng cho các hệ thống không dây cùng chia sẻ tân số với
các tòa nhà lân cận hoặc với các hệ thống outdoor khác. Việc xác định một mô hình
chính xác cho việc tính toán truyền sóng vào bên trong tòa nhà là rất khó khăn. Tuy
nhiên vẫn có những tổng quát hóa nhất định. Kết luận từ những báo cáo cho thấy độ
mạnh của tín hiệu thu trong tòa nhà tăng theo độ cao. Tại những tầng thấp hơn trong
tòa nhà, tắc nghẽn đô thị làm tăng suy hao và giảm mức thâm nhập vào tòa nhà. Ở các
tầng cao hơn, đường truyền LOS có thể tồn tại, do đó gây ra tín hiệu tới mạnh hơn ở
bên ngoài bức tường của tòa nhà.
14
Mô hình sóng vô tuyến thâm nhập vào tòa nhà khác với đa số các trường hợp
truyền dẫn thông thường ở một vài khía cạnh. Trong trường hợp cụ thể:
• Vấn đề là không gian 3 chiều thực sự vì tại một khoảng cách cố định từ trạm
phát gốc, thiết bị di động có thể nằm tại chiều cao nào đó phụ thuộc vào
tầng của tòa nhà mà nó định vị. Trong môi trường đô thị có thể có đường
truyền LOS tới những tầng cao hơn của nhiều tòa nhà, nhưng điều này lại rất
hiếm xảy ra trên các tuyến phố của thành phố.
• Môi trường bên trong tòa nhà có rất nhiều vật cản. Chúng được cấu thành
bởi rất nhiều vật liệu, nằm rất gần với các thiết bị di động, trạng thái và số
lượng của chúng có thể thay đổi trong khoảng cách khá ngắn.
Đã có một vài nghiên cứu về sự thâm nhập của sóng vô tuyến vào bên trong các
tòa nhà, đa phần là nằm trong dải tần được sử dụng trong các hệ thống tế bào
Các nghiên cứu có thể dược chia thành 2 loại chính:
• Chiều cao của anten trạm gốc trong khoảng 3.0 – 9.0 m và các thiết bị di
động hoạt động chính trong các khu nhà ngoại ô một hoặc 2 tầng.
• Chiều cao của anten giống như loại vẫn thường được sử dụng trong các hệ

thống tế bào và các thiết bị di động hoạt động trong các tòa nhà công sở
nhiều tầng.
Các nghiên cứu cho loại thứ nhất đều bắt nguồn hệ thống điện thoại vô tuyến
cầm tay phổ thông. Bởi hệ thống này phục vụ cho một số lượng lớn các thiết bị cầm
tay công suất thấp, có kích thước cell rất nhỏ (bán kính <1.0 km). Ngoài ra, trong hệ
thống này, việc phủ sóng cho một tòa nhà cao tầng được thực hiện thông qua rất nhiều
cell nhỏ nằm trong tòa nhà. Đó là lý do tại sao các nghiên cứu lại sử dụng chiều cao
của anten trạm gốc thấp, khoảng cách từ BTS đến MS nhỏ hơn 1km, và các phép đo
được tiến hành trong các ngôi nhà vùng ngoại ô.
Trong các hệ thống tế bào đang tồn tại, các trạm gốc cho các macrocell là loại
được đặt tại nóc của các tòa nhà cao khoảng 100 m hoặc hơn trong địa hình khảo sát,
và khoảng cách BTS và MS là 1 km hoặc hơn. Do đó, rất khó để sử dụng các kết quả
khảo sát của loại thứ nhất vào thiết kế các hệ thống thế hệ hiện nay. Tuy nhiên, các
15
nghiên cứu cũng chỉ ra rằng tín hiệu trong các khu vực nhỏ trong các tòa nhà xấp xỉ
phân bố Rayleigh với phân bố trung bình gần đạt tới phân bố loga chuẩn. Nói cách
khác, hàm thống kê tín hiệu trong một tòa nhà có thể được mô hình như sự xếp chồng
của các tiến trình quy mô lớn (Rayleigh) và quy mô nhỏ (loga chuẩn) – mô hình được
sử dụng cho truyền dẫn vô tuyến bên ngoài tòa nhà trong khu đô thị. Mức tín hiệu thay
đổi theo chiều cao của anten và chịu ảnh hưởng của phản xạ từ mặt đất.
Các kết quả nghiên cứu đã đưa ra công thức suy hao tín hiệu
= +10 (1.25)
S là hằng số: S = 32.0 tại tần số 900MHz, S = 38.0 tại tần số 1800MHz.
d là khoảng cách giữa máy phát và máy thu.
Các thử nghiệm được tiến hành sử dụng một máy thu cố định và máy phát cầm
tay có thể di chuyển khắp mọi vị trí trong tòa nhà. Giá trị của n sẽ là 4.5, 3.9, 3.0 và
2.5 cho các phép đo tương ứng bên ngoài tòa nhà, tại tầng 1, tầng 2 và trong tầng hầm.
Trong khi đó, các nghiên cứu loại thứ 2 lại liên quan đến đặc tính thống kê (số
trung bình hay giá trị trung bình, phương sai và CPD) của “suy hao trong nhà”, thuật
ngữ đầu tiên được giới thiệu bởi Rice, để chỉ ra sự khác biệt giữa mức tín hiệu trung

bình tại một tầng cho trước của tòa nhà và mức tín hiệu trung bình bên ngoài tòa nhà,
trên các tuyến phố sát ngay tòa nhà. Có hai khả năng có thể xảy ra, hoặc là ta có thể
thực hiện các phép đo trên các tuyến phố nằm xung quanh tòa nhà để tìm được mức tín
hiệu trung bình bên ngoài tòa nhà, như Rice đã đưa ra, hoặc là ta có thể lấy kết quả của
phép đo tức thời tại điểm nào đó bên ngoài tòa nhà trên đường thẳng nối từ trung tâm
tòa nhà đến vị trí máy phát.
Phương pháp thứ 2 có ưu điểm khi một đường truyền LOS tồn tại giữa trạm
phát và tòa nhà, nhưng nhìn chung trường hợp này rất ít khi xảy ra, và năng lượng tín
hiệu đi vào tòa nhà phải qua một số đường truyền tán xạ, bởi vậy phương pháp thứ
nhất có tính thực tế hơn. Phương pháp phân tích số liệu cũng rất khác nhau, mặc dù
trong hầu hết các nghiên cứu tín hiệu được lấy mẫu tại các khoảng thời gian hay
khoảng cách cố định. Nói chung các phương pháp phân tích số liệu khác nhau không
có ảnh hưởng đáng kể đến giá trị suy hao trung bình thâm nhập vào tòa nhà, nhưng
16
việc tính toán sự thay đổi của tín hiệu có thể bị ảnh hưởng phụ thuộc vào việc điều này
có được xét tới trong thuật ngữ về độ lệch chuẩn hay hàm phân bố thống kê hay
không.
Vì nhưng nguyên nhân này, đôi khi chúng ta rất khó so sánh các kết quả từ các
nghiên cứu khác nhau. Suy hao thâm nhập phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhưng chủ yếu
phụ thuộc vào tần số sóng mang, điều kiện lan truyền và chiều cao của máy thu bên
trong tòa nhà. Tuy nhiên, một số yếu tố khác cũng có ảnh hưởng tới suy hao như
hướng của tòa nhà so với trạm gốc, cấu trúc tòa nhà (vật liệu xây dựng, số lượng và
kích thước cửa sổ) và cách bố trí vật dụng trong tòa nhà. Đa số các mô hình để dự
đoán cường độ tín hiệu trong tòa nhà đều sử dụng phương pháp kỹ thuật được đưa ra
bởi Rice, cụ thể, đầu tiên là dự đoán mức tín hiệu trung bình trên các con phố nằm
xung quanh tòa nhà sử dụng một trong những phương pháp đã biết sau đó cộng thêm
phần suy hao thâm nhập vào trong tòa nhà.
Một nghiên cứu của Barry và Williamson tại New Zealand đã tập trung chủ yếu
vào các tòa nhà nơi có phần lớn các tầng có đường truyền LOS tới trạm phát gốc.
Nghiên cứu này sử dụng tiêu chuẩn giống như trong môi trường giao thông, tín hiệu tại

bất kì tầng nào đều phù hợp với phương pháp mô tả thống kê Suzuki và tại tần số 900
MHz độ lệch tiêu chuẩn của phân bố là 6.7 dB. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng suy hao
qua các cửa sổ kính tráng gương có thể có giá trị 10 dB.
Các nghiên cứu thực nghiệm tại Anh cho tần số 441, 896.5 và 1400 MHz đã
đưa ra các kết luận chung về sự thay đổi tín hiệu giống như ở các nghiên cứu trước đó,
và cũng đưa ra cách nhìn nhận về các ảnh hưởng của điều kiện truyền dẫn và tần số
sóng mang. Các điều kiện truyền dẫn có tác động mạnh đến độ lệch chuẩn và độ lệch
của phân bố loga chuẩn.
Bảng 1.1 đưa ra suy hao thâm nhập với 3 tần số khác nhau (441, 896.1 và 1400
MHz) cho một máy thu nằm trong một tòa nhà 6 tầng hiện đại. Suy hao thâm nhập
giảm khoảng 1.5 dB khi tần số tăng từ 441 lên 896.5 MHz và khoảng 4.3 dB khi tần số
tăng tới 1400 MHz. Các kết quả này (suy hao thâm nhập giảm tại tần số cao hơn) đều
phù hợp với các kết luận của Rice và Mino.