Nghiên cứu thiết kế và tối ưu cho việc phủ sóng di động trong các toà nhà cao tầng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

TRẦN TUẤN NGHĨA

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯƯ CHO VIỆC PHỦ SÓNG DI ĐÔNG
TRONG CÁC TÒA NHÀ CAO TẦNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Chuyên ngành : Điện tử viễn thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
NGUYỄN QUỐC TRUNG

Hà Nội – 2007


Trang 1

Mở đầu

Thông tin di động ra đời đầu tiên vào cuối năm 1940, khi đó nó chỉ là hệ thống
thông tin di động điều vận. Ngày nay, thông tin di động đã trở thành một nhu
cầu không thể thiếu đối với tất cả mọi ngời. Với các u thế vợt trội về mặt
công nghệ thì các lợi ích mà nó đem lại là không phải bàn cãi. Việc sử dụng
thông tin di động không chỉ bó hẹp trong một không gian hạn chế mà ngày
càng mở rộng cho phép ngời dùng có thể thông tin đợc bất cứ đâu. Đối với
khu vực thành phố mật độ dân số cao, nên số ngời sử dụng dịch vụ thông tin
di động nhiều lại có yêu cầu cao về mặt chất lợng cũng nh dịch vụ nên việc
nghiên cứu thiết kế và tối u cho hệ thống thông tin di động là việc hết sức

quan quan. Trong thành phố với đặc điểm là gồm rất nhiều các toà nhà cao
tầng, lại bị nhiễu từ các nguồn nhiễu do đó việc đảm bảo đợc chất lợng sóng
trở lên khó khăn hơn. Đối với các đặc điểm là bị che chắn nhiều , nếu chỉ sử
dụng các Cell Outdoor thông thờng thì chất lợng sóng là không đảm bảo
đặc biệt là trong các toà nhà lớn. Đặc biệt là đối với khu vực tầng hầm khi mà
sóng của các cell Outbuilding không thể phủ tới đợc hoặc đối với các tầng
cao khi nhiễu rất lớn từ các cell Outbuilding ngoài do đó việc thực hiện thông
tin là rất khó khăn. Các nghiên cứu về truyền sóng cũng nh suy hao đối với
Inbuiding đã cho thấy cần thiết phải thiết kế và tính toán tối u cho các toà
nhà cao tầng để có thể đáp ứng đợc nhu cầu của khách hàng. Trên thế giới
việc thiết kế các hệ thống Inbuilding cho các toà nhà cao tầng, đã đợc quan
tâm từ lâu. ở Việt Nam cùng với quá trình đô thị hoá diễn ra nhanh chóng việc
ra đời hàng loạt các toà nhà văn phòng, các khách sạn, trung tâm hội nghị nhu
cầu phải thiết kế hệ thống Inbuilding để đảm bảo chất lợng tín hiệu là điều tất
yếu cần phải làm. Luận văn Nghiên cứu thiết kế và tối u cho việc phủ sóng
thông tin di động trong các toà nhà cao tầng trình bày các nghiên cứu về mặt

Luận văn cao học

Trần Tuấn Nghĩa


Trang 2

lý thuyết và thực nghiệm về quá trình truyền sóng trong các toà nhà cao tầng,
trên cơ sở đó đa ra các phơng án thiết cụ thể cho từng các toà nhà. Sau khi
quá trình thiết kế xong quá trình tối u cần phải thực hiện để có thể thu đợc
kết quả tốt nhất.
Luận văn đợc chia làm 5 chơng:
Chơng 1- Nhu cầu và động lực cho sự phát triển của hệ thống Inbuilding

Chơng 2- Lý thuyết về truyền sóng trong nhà
Chơng 3- Tối u cho mạng inbuilding
Chơng 4- Thiết kế hệ thống IBC cho toà nhà cao ốc
Chơng 5- Giới thiệu giải pháp thiết kế cho toà nhà Horrison
Phụ lục- Kết quả đo kiểm cho toà nhà Horrison

Luận văn cao học

Trần Tuấn Nghĩa


Trang 3

CHơng I : NHU Cầu và Động lực cho sự phát triển của
hệ thống inbuilding

1.1.Tổng quan xu hớng và nhu cầu phủ sóng RF trong các toà nhà cao
tầng
Truyền thông không dây trong nhà đã trở thành nhu cầu cấp thiết trong thời kỳ
hiện nay. Quá trình áp dụng các công nghệ không dây tiên tiến nh GSM,
UMTS, CDMA 2000 1x, HSDPA, WLAN/WiFi, WiMAX,... đã khiến các dịch
vụ truyền thông và dữ liệu không dây trong nhà trở thành quan tâm hàng đầu
của tất cả chủ sở hữu các toà nhà, nhà cung cấp dịch vụ và ngời sử dụng toà
nhà. trong một môi trờng bùng nổ thông tin nh hiện nay, yêu cầu quan trọng
nhất đối với tất cả là việc phủ sóng RF phải có ở mọi nơi trong suốt toà nhà, từ
tầng sang tầng, từ khu vực này sang khu vực khác, từ văn phòng này sang văn
phòng khác.
Toàn bộ việc sử dụng các dịch vụ truyền thông không dây và đặc biệt là các
dịch vụ về dữ liệu sẽ ngày càng tập trung trong các toà nhà. Không nh nhu
cầu về các dịch vụ chỉ điện thoại không thế hệ 2, các nhu cầu dịch vụ dữ liệu

không dây trong nhà hiện nay không thể đáp ứng đợc nếu chỉ dựa trên các hệ
thống mạng bên ngoài. Chất lợng dịch vụ và công suất quyết định quá trình
này. Và nhu cầu cấp thiết là phát triển và thiết kế các hệ thống đặc biệt riêng
cho việc phủ sóng RF trong các toà nhà.
Trên xu hớng này, các nhà khai thác dịch vụ thông tin di động đã có chủ
trơng phát triển việc nâng cao chất lợng phủ sóng di động cho các toà nhà
cao tầng, đờng tàu điện ngầm, sân bay,... Với mục dịch đảm bảo tốt chất

Luận văn cao học

Trần Tuấn Nghĩa


Trang 4

lợng phủ sóng cũng nh chất lợng dịch vụ đợc cung cấp, các hệ thống này
sẽ đáp ứng đợc tất cả các yêu cầu chi tiết nh sau:
- Các tiêu chuẩn chung về công nghệ:
o Hệ thống phủ sóng trong nhà đáp ứng yêu cầu công nghệ
GSM900 và GSM1800.
o Hệ thống phủ sóng trong nhà phải cung cấp toàn bộ diện tích phủ
sóng cho toà nhà.
- Các chi tiêu kỹ thuật cơ bản:
o Mức thu tối thiểu đờng xuống đạt tốt hơn hoặc bằng -80 dBm
trên diện tích 98% (GSM900)
o Mức thu tối thiểu đờng lên đạt tốt hơn hoặc bằng -97 dBm trên
diện tích 98% (GSM900)
o Mức thu tối thiểu đờng xuống đạt tốt hơn hoặc bằng -85 dBm
trên diện tích 98% (GSM1800)
o Mức thu tối thiểu đờng lên đạt tốt hơn hoặc bằng -97 dBm trên

diện tích 98% (GSM1800)
o Mức thu tín hiệu tại khu vực xung quanh toà nhà lớn hơn hoặc
bằng -90 dBm với hơn 95% thời gian
o Mức thu tín hiệu ngay dới anten phải lớn hơn hoặc bằng -55
dBm và mức chất lợng RXQAL đạt mức 0
o Mức chất lợng tín hiệu BER tối thiểu đờng lên và đờng xuống
đạt tốt hơn hoặc bằng giá trị RXQUAL 4 trên diện tích 98%
o Chất lợng thoại của cuộc gọi phải rõ ràng, không bị méo, tạp âm
o Tỷ lệ thiết lập cuộc gọi thành công phải đạt trên 98%

Luận văn cao học

Trần Tuấn Nghĩa


Trang 5

o Tỷ lệ rớt cuộc gọi đạt dới 1%. Phải có khả năng đo kiểm tra và
hiệu chỉnh nếu tỷ lệ này vợt quá 1%
Các yêu cầu cần phải đạt đợc đối với một hệ thống Inbuiding.
- Chất lợng phủ sóng cao
- Công suất cao
- Chất lợng dịch vụ tốt
- Tối thiểu thời gian hồi vốn với chi phí đầu t nhỏ
- Đảm bảo hiệu quả đầu t trong tơng lai
Các giải pháp phủ sóng trong các toà nhà này sẽ mang lại lợi ích đáp ứng
mong đợi của hầu hết các thành phần liên quan trong nh:
- Chủ sở hữu các toà nhà cao tầng sẽ thu đợc lợi ích từ việc giá trị của
toà nhà đợc cải thiện và các mức phí sử dụng cũng đợc cao hơn.
- Các nhà cung cấp dịch vụ đảm bảo tối u hoá đợc chất lợng dịch vụ

và giảm thiểu đợc các rủi ro gây ra bởi sự không hài lòng của các thuê
bao
- Và cuối cùng là ngời sử dụng hài lòng với các dịch vụ truyền thông
không dây đa dịch vụ cần thiết theo yêu cầu
1.2. Động lực cho sự phát triển của hệ thống Inbuilding.
1.2.1. Khách hàng
- Những ngời sử dụng điện thoại di động với mục đích cá nhân với đa
phần thời gian ở những nơi mua bán lớn, công sở, cửa hàng, nơi gửi xe, nhà
hàng hay nhũng nơi công cộng v.v. Những khách hàng này luôn mong
muốn hệ thống thông tin di động đợc phủ sóng tốt ở mọi nơi để họ có thể
sử dụng dịch vụ điện thoại di động vào bất cứ khi nào họ muốn, bất kỳ thời

Luận văn cao học

Trần Tuấn Nghĩa


Trang 6

điểm nào, nhất là vào các ngày lễ lớn (mạng di động thờng bị nghẽn
mạch)
- Những ngời sử dụng điện thoại di động với mục đích kinh doanh là một
thành phần chiếm số đông và luôn có nhu cầu phủ sóng di động ở mọi nơi.
Họ muốn sử dụng dịch vụ giá trị gia tăng đợc cung cấp bởi mạng GSMon-net, Mobile Virtual Privat Network và các giải pháp khác.
1.2.2.Nhà khai thác dịch vụ
Việc phủ sóng trong toà nhà là quyết định quan trọng cần thiết cho một nhà
khai thác dịch vụ khi muốn có thêm doanh thu và có lợi thế cạnh tranh với các
nhà khai thác dịch vụ thông tin di động khác trên thị trờng.
Cuộc điều tra về lắp đặt Micro cells cho thấy tới hơn 80% các đờng thông tin
liên lạc đợc lắp đặt trong các toà nhà là đờng dây mới. Đây là một sự tăng

trởng đáng kể trong thu nhập.
Một hệ thống chuyên dụng trong toà nhà là giải pháp tốt nhất cho một toà nhà
để bảo đảm cho dung lợng và khả năng phủ sóng.
Lợi ích cho một nhà khai thác có nhiều hệ thống phủ sóng trong toà nhà là rất
lớn:
- Công việc kinh doanh mới thu hút đợc nhiều khách hàng (tăng thu
nhập)
- Tính cạnh tranh: Việc phủ sóng trong toà nhà có chất lợng tốt sẽ là
một u thế lớn thu hút thuê bao mới và giữ các thuê bao di động sẽ
không chuyển sang các mạng di động khác. Nếu thị trờng nhận thấy
rằng một nhà khai thác dịch vụ thông tin di động luôn có chất lợng phủ
sóng di động tốt ở mọi nơi, thì những thuê bao di động mới có thể lựa
chọn mạng của nhà cung cấp dịch vụ này thay vì sử dụng dịch vụ di
động của nhà cung cấp khác.

Luận văn cao học

Trần Tuấn Nghĩa


Trang 7

- Khả năng và điều kiện tiên quyết cho dữ liệu đờng truyền: Dự đoán
trong tơng lai chỉ ra sự phát triển mạnh mẽ trong hệ thống đờng
truyền dữ liệu di động. Các nhà kinh doanh là một ví dụ họ muốn sử
dụng mạng không dây (M-VPN và GSM on the Net) và WAP ở mọi nơi.
Ngời sử dụng muốn truy cập Internet thông qua điện thoại di động của
họ bằng cách sử dụng ứng dụng WAP. Hầu hết đờng thông tin liên lạc
này có thể đặt ở trong nhà, nơi mà yêu cầu dung lợng mạng cao. Để
giành đợc đờng truyền này và đạt đợc lợi nhuận thì cần thiết phải lắp

đặt hệ thống phủ sóng trong các toà nhà.
- Giảm tải mạng Macro: Một Micro Cell đợc lắp đặt sẽ giảm tải dung
lợng cho trạm gốc mà trớc đó đã phủ sóng cho toà nhà. Công suất d
thừa này có thể đợc sử dụng thay cho lu lợng tăng bên ngoài toà nhà.
Điều này có nghĩa là việc đầu t cho mạng Macro sẽ đợc giảm đi.
- Cơ sở cho mạng không dây: (M-VPN và GSM on the Net): Các dịch vụ
mới nh M-VPN và GSM on the Net đều yêu cầu cả dung lợng và chất
lợng tốt. Ngày nay, nhiều văn phòng trên các toà tầng thờng gặp tình
trạng mất sóng hoặc hiện tợng nhiễu sóng. Hệ thống phủ song trong
nhà có thể đợc coi nh nền tảng của những ứng dụng trong văn phòng.
- Một công việc kinh doanh tốt: Hệ thống phủ sóng trong toà nhà chỉ ra
việc kinh doanh có hiệu quả.Trong hầu hết các trờng hợp thì thời gian
hoàn vốn ít hơn 2 năm.

Luận văn cao học

Trần Tuấn Nghĩa


Trang 8

1.2.3.Các chủ toà nhà
Các toà nhà công cộng
- Đối với một chủ toà nhà thì việc thu hút khách thuê nhà là rất quan
trọng trong việc kinh doanh. Một trong những cách để thu hút khách là
cung cấp hệ thống phủ sóng di động tốt mọi nơi mọi lúc. Một khách
hàng có thể giành rất nhiều thời gian ở công sở hay trong một khu mua
bán hàng giờ khi ngời ta có nhu cầu mua bán. Nếu khách hàng có thể
sử dụng đợc điện thoại di động trong nhà hàng, quán cafe, cửa hàng
hay siêu thịthì có thể họ sẽ tới toà nhà này để mua sắm và dùng các

dịch vụ khác nếu ở đây có chất lợng phủ sóng tốt, khách hàng không bị
mất các thông tin liên lạc với các đối tác, gia đình, bạn bè.....của họ. Vì
vậy, điều này sẽ lôi cuốn các chủ cửa hàng, chủ các doanh nghiệp.... đến
thuê địa điểm tại toà nhà này.
Các toà nhà văn phòng
- Ngày càng nhiều các thơng nhân sử dụng điện thoại di động và xu
hớng sử dụng điện thoại di động trong văn phòng ngày càng tăng.
Những dịch vụ mới có thể có thể đợc thêm vào mạng GSM nh Mobile
Virtual Private Network, GSM Mobile Centrex và GSM-on-the-Net sẽ
tăng thói quen sử dụng điên thoại di động nhiều hơn trong công việc.
- Nhiều công ty cũng thu hút đợc nhiều khách hàng đến toà nhà của họ
mỗi ngày. Những ngời khách này muốn sử dụng điện thoại di động của
họ trong các buổi diễn thuyết nhng cũng vẫn có thể liên lạc với công ty
của họ thông qua mạng GSM.
- Các chủ toà nhà có thể thu hút đợc nhiều công ty bằng chính loại hình
dịch vụ này đồng thời các chủ toà nhà cũng tạo vị thế khi thu hút thêm
nhiều khách hàng tới toà nhà của họ.

Luận văn cao học

Trần Tuấn Nghĩa


Trang 9

CHƯƠNG 2. lý thuyết TRUYềN SóNG trong nhà

Mục tiêu

Tìm hiểu nguyên lý lan truyền tín hiệu di động trong môi trờng
truyền dẫn trong nhà.



Đánh giá đợc mức độ phủ sóng của trạm phát sóng ngoài trời đối
với một tòa nhà cao tầng.



Sự cần thiết phải xây dựng hệ thống phủ sóng tín hiệu cho các công
trình xây dựng cao tầng, công trình ngầm.

Luận văn cao học

Trần Tuấn Nghĩa


Trang 10

2.1 Các mô hình thực nghiệm.
2.1.1 Truyền sóng bên ngoài vào trong tòa nhà.
Trong những năm gần đây, công nghệ thông tin di động đánh dấu sự phát
triển bùng nổ của các thiết bị di động cá nhân cả về số lợng lẫn chủng loại.
Việc lập kế hoạch mạng viễn thông là vấn đề cần thiết để theo kịp với sự phát
triển này. Trong thông tin di động, các nhà chuyên môn lấy yếu tố suy hao
đờng truyền tín hiệu trong tòa nhà để đánh giá chất lợng cho từng mạng di
động. Các vấn đề của mô hình lan truyền tín hiệu trong nhà rất khác nhau và
phức tạp. Cụ thể là:
* Đó là môi trờng truyền dẫn 3 chiều. Bởi vì với một khoảng cách xác

định từ BTS đến MS, chúng ta phải quan tâm đến yếu tố chiều cao, nó phụ
thuộc vào số tầng của tòa nhà. Trong khu vực thành thị, chúng ta dễ nhận thấy
rằng tín hiệu sẽ có đờng truyền thẳng LOS từ BTS đến MS khi MS đang ở các
tầng cao của tòa nhà, trong khi nếu MS ở các tầng thấp hay trên phố, đờng
truyền LOS rất khó đạt đợc.
* Môi trờng truyền dân bên trong tòa nhà trong đó chứa nhiều vật cản.
Những vật cản này đợc làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau, và có vị trí rất
gần với máy di động. Với môi trờng nh vậy, đặc tính lan truyền của tín hiệu
sẽ thay đổi rất nhiều so với môi trờng ngoài trời.
* Chúng ta đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu về lan truyền tín hiệu
từ ngoài vào bên trong tòa nhà, đặc biệt với các dải tần số sử dụng cho mạng
di động. Các công trình nghiên cứu này đợc chia thành 2 loại sau:
- Loại thứ nhất nghiên cứu trong môi trờng có chiều cao trạm BTS từ 3
đến 9m và máy di động chủ yếu di chuyển trong các tòa nhà cao 1 hoặc
2 tầng nằm ở ngoại ô.
- Loại thứ hai nghiên cứu trong môi trờng có chiều cao trạm BTS tơng
đơng với trong mạng di động cellular và máy di động di chuyển trong
các tòa nhà cao tầng.

Luận văn cao học

Trần Tuấn Nghĩa


Trang 11

Các nghiên cứu cho loại thứ nhất xuất phát từ hệ thống điện thoại vô tuyến
cầm tay vì hệ thống này phục vụ cho một số lợng lớn các thiết bị cầm tay
công suất thấp, có bán kính cell nhỏ (< 1km). Trong hệ thống này, việc phủ
sóng cho một tòa nhà cao tầng đợc 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 thấp, khoảng cách từ BTS đến MS nhỏ hơn 1km, và các phép đo
đợc tiến hành trong nhà.
Trong mạng thông tin di động cellular, anten của các trạm thu phát
macrocell thờng đợc đặt trên mái nhà của tòa nhà cao tầng nên thờng có
chiều cao từ 60 đến 100m so với mặt đất và bán kính cell lớn nhất có thể tới
30km. Do vậy chúng ta không thể áp dụng các kết quả nghiên cứu của loại thứ
nhất vào hệ thống này. Tuy nhiên, các nghiên cứu này cũng chỉ ra rằng tín
hiệu trong các khu vực nhỏ nh trong tòa nhà có phading Rayleigh phân bố
xấp xỉ với phading hàm log. Nói cách khác, hàm thống kê tín hiệu trong tòa
nhà có thể đợc mô hình nh là sự xếp chồng của quá trình small-scale
(Rayleigh) và large-scale (lognormal)- là các mô hình truyền sóng ngoài trời
cho khu vực thành thị. Mức tín hiệu luôn thay đổi theo chiều cao của anten và
chịu ảnh hởng của sự phản xạ từ mặt đất.
Các kết quả nghiên cứu đã đa ra công thức suy hao của tín hiệu:
L = S + 10nlogd

(2-1)

Trong đó:
S là hằng số, S = 32.0 tại 900MHz = 38.0 tại 1800MHz.
d là khoảng cách giữa máy phát và máy thu.
Các phép đo thực nghiệm đợc thực hiện bằng cách sử dụng một máy thu
đợc đặt cố định và một máy phát cầm tay di chuyển khắp mọi vị trí trong tòa
nhà, đã cho thấy giá trị của tham số n trong công thức (2-1) sẽ là 4,5; 3,9; 3,0
và 2,5 cho các vị trí tơng ứng là bên ngoài tòa nhà, tại tầng 1, tại tầng 2 và tại
tầng hầm.

Luận văn cao học

Trần Tuấn Nghĩa


Trang 12

Trong khi đó, các nghiên cứu của loại thứ hai lại liên quan đến các đặc
tính thống kê của suy hao tín hiệu trong nhà. Một công trình đầu tiên đợc
giới thiệu bởi Rice, đã chỉ ra sự khác nhau giữa tín hiệu trung bình tại tầng
khảo sát của tòa nhà với mức tín hiệu trung bình bên ngoài tòa nhà, trên phố
nằm kề với tòa nhà. Rõ ràng là có hai khả năng xảy ra, hoặc là ta có thể thực
hiện các phép đo trên đờng phố nằm xung quanh tòa nhà để tìm đợc mức tín
hiệu trung bình bên ngoài tòa nhà, nh Rice đã đa ra, hoặc là ta có thể lấy kết
quả của phép đo tức thời bên ngoài tòa nhà tại vị trí nằm trên đờng thẳng nối
từ tâm tòa nhà đến vị trí máy phát.
Phơng pháp thứ hai sẽ chính xác hơn nếu tồn tại một đờng truyền LOS
giữa máy phát và tòa nhà. Nhng trờng hợp này rất ít khả năng vì tín hiệu
truyền vào trong tòa nhà qua rất nhiều đờng truyền tán xạ, nên phơng pháp
một mang tính thực tiễn hơn. Phơng pháp phân tích số liệu cũng rất khác
nhau. Mặc dù trong hầu hết các nghiên cứu, tín hiệu đợc lấy mẫu tại theo
từng khoảng thời gian và từng vị trí. Nhng nhìn chung, các phơng pháp khác
nhau này không làm ảnh hởng đến giá trị trung bình phép đo suy hao tín hiệu
trong tòa nhà.
Vì những lí do này, chúng ta đôi khi rất khó so sánh kết quả của các công
trình nghiên cứu. Suy hao phụ thuộc rất nhiều các yếu tố, nhng chủ yếu là
phụ thuộc vào tần số, điều kiện lan truyền và chiều cao của máy thu trong tòa
nhà. Tuy nhiên, một số yếu tố khác cũng có ảnh hởng đến suy hao tín hiệu
nh hớng của tòa nhà so với anten BTS, cấu trúc tòa nhà (vật liệu xây nhà, số
lợng và kích thớc cửa sổ) và cách bố trí vật dụng trong tòa nhà. Trong hầu
hết các mô hình để dự đoán cờng độ tín hiệu trong tòa nhà đều sử dụng
phơng pháp kỹ thuật đợc đa ra bởi Rice. Cụ thể là trớc tiên, chúng ta dự

đoán mức tín hiệu trung bình trên các con phố nằm xung quanh tòa nhà, sau
đó cộng thêm phần suy hao bởi tòa nhà.

Luận văn cao học

Trần Tuấn Nghĩa


Trang 13

Một nghiên cứu khác của Barry và Williamson New Zealand tập trung
nghiên cứu vào tòa nhà, tại các tầng chính có đờng truyền thẳng tới trạm thu
phát gốc BTS. Hai ông đã sử dụng các tiêu chuẩn tơng tự nh việc tính toán
trong môi trờng giao thông. Phơng pháp mô tả thống kê của Suzuki cho
thấy tín hiệu trên bất cứ tầng nhà nào tại tần số 900MHz có độ lệch tiêu chuẩn
là 6,7dB. Mô hình cũng cho rằng suy hao qua cửa sổ có ô kính nhỏ có giá trị là
10dB.
Các nghiên cứu thực nghiệm tại Anh cho tần số 441, 896.5 và 1400MHz
đã cho ra cùng một kết quả về sự thay đổi tín hiệu, tơng tự nh những nghiên
cứu ở trên. Các nghiên cứu này đa ra cách nhìn về bản chất ảnh hởng của
điều kiện lan truyền đến độ sai lệch tiêu chuẩn.
Bảng 2.1 đa ra giá trị suy hao xâm nhập cho 3 tần số tín hiệu khác nhau
khi máy thu ở các vị trí khác nhau của một tòa nhà 6 tầng hiện đại. Giá trị suy
hao tăng khoảng 1.5dB khi tần số thay đổi từ 441 lên 896.5MHz và khoảng
4.3dB khi tần số tăng lên 1400MHz.
Các phép đo thử khác nhau đợc thực hiện trong tòa nhà lớn, có tầng hầm
thì giá trị suy hao là 14.2, 13.4 và 12.8 tơng ứng với các tần số 900, 1800 và
2300MHz. Đối với các nhà thiết kế hệ thống, sự suy hao tín hiệu tại tầng hầm
là rất quan trọng. Bởi vì nếu một hệ thống đợc thiết kế mà đạt đợc chất
lợng tốt nhất tại tầng hầm thì chất lợng tại các tầng trên của tòa nhà cũng sẽ

tốt.
Chúng ta cũng phải nhấn mạnh một điều là, tổng suy hao tín hiệu lan
truyền từ trạm BTS đến MS đợc chia ra làm hai thành phần: một là suy hao
tín hiệu từ BTS đến vị trí xung quanh tòa nhà; thứ hai là suy hao của tín hiệu
khi xâm nhập vào tòa nhà. Sự phân chia này tạo thuận lợi khi chúng ta ớc
lợng suy hao của tín hiệu. Theo các kết quả nghiên cứu ở trên, suy hao xâm
nhập vào tòa nhà và suy hao trong không khí của tín hiệu tăng tỉ lệ thuận với
tần số.

Luận văn cao học

Trần Tuấn Nghĩa


Trang 14

Bảng 2.1 Bảng giá trị suy hao xâm nhập theo số tầng.
Số tầng

Suy hao xâm nhập
441.0 MHz

896.5 MHz

1400.0 MHz

Tầng trệt

16.37

11.61

7.56

Tầng 1

8.11

8.05

4.85

Tầng 2

12.76

12.50

7.98

Tầng 3

13.76

11.18

9.11

Tầng 4

11.09

8.95

6.04

Tầng 5

5.42

5.98

3.31

Tầng 6

4.20

5.23

5.24

Các điều kiện của môi trờng truyền dẫn cũng có ảnh hởng rất lớn đến
giá trị sai lệch chuẩn và cũng ảnh hởng đến giá trị gốc của hàm phân bố
lognormal. Hình 2.1 chỉ ra rằng, khi tín hiệu không có đờng truyền thẳng
LOS, sự thay đổi của tín hiệu theo tỉ lệ lớn (large-scale) sẽ tuân theo sự phân
bố lognormal và khi đó giá trị sai lệch chuẩn sẽ là 4dB. Trong trờng hợp
khác, khi tín hiệu tồn tại đờng truyền thẳng đến toàn bộ tòa nhà hoặc một
phần của tòa nhà, thì sự thay đổi của tín hiệu theo tỉ lệ lớn (large-scale) sẽ xuất
phát từ một giá trị nào đó của hàm lognormal và giá trị sai lệch chuẩn sẽ cao

hơn. Đối với môi trờng truyền dẫn hoàn toàn LOS, giá trị sai lệch chuẩn sẽ là
6 7dB.

Luận văn cao học

Trần Tuấn Nghĩa


Trang 15

Hình 2.1 Phân bố tích lũy của sự thay đổi tín hiệu tại tần số 900MHz trong
tòa nhà không có đờng truyền LOS. (

): giá trị đo, (----): giá trị lý thuyết

của phân bố lognormal với độ lệch chuẩn 4dB.
Tóm lại, giá trị sai lệch chuẩn của tín hiệu có liên quan đến diện tích của
sàn, với sàn có diện tích nhỏ thì giá trị sai lệch chuẩn cũng sẽ nhỏ và ngợc
lại. Suy hao xâm nhập sẽ giảm khi MS di chuyển lên các tầng cao của tòa nhà,
vì sẽ có nhiều đờng truyền LOS đến các tầng cao hơn là các vị trí thấp trên
các con phố xung quanh tòa nhà.

Luận văn cao học

Trần Tuấn Nghĩa


Trang 16

Dấu x: giá trị đo thực tế.

Hình 2.2 Mối quan hệ giữa suy hao xâm nhập và số tầng tòa nhà.
Tuy nhiên, cũng có những trờng hợp cá biệt, đó là giá trị suy hao xâm
nhập lại tăng lên cùng với số tầng của tòa nhà. Điều này gây ra bởi điều kiện
môi trờng lan truyền đặc biệt tồn tại giữa BTS và MS. Hình 1.2 chỉ ra sự thay
đổi 2dB trên mỗi tầng.
Tổng kết lại, khi trạm thu phát nằm bên ngoài, tín hiệu bên trong tòa nhà
sẽ có những đặc tính sau:
- Sự thay đổi tín hiệu theo tỉ lệ nhỏ (small-scale) tuân theo phân bố
Rayleigh.
- Sự thay đổi tín hiệu theo tỉ lệ rộng (large-scale) tuân theo phân bố
lognormal với độ lệch chuẩn phụ thuộc vào điều kiện môi trờng lan
truyền và diện tích từng tầng.

Luận văn cao học

Trần Tuấn Nghĩa


Trang 17

- Suy hao xâm nhập vào tòa nhà của tín hiệu sẽ giảm khi tần số tăng.
- Khi không có đờng truyền thẳng LOS giữa BTS và tòa nhà (cơ chế tán
xạ chiếm u thế), sự sai lệch tiêu chuẩn của giá trị trung bình cục bộ
xấp xỉ 4dB. Khi có đờng truyền thẳng LOS, sự sai lệch tiêu chuẩn là 6
đến 9dB.
- Sự thay đổi suy hao xâm nhập của tín hiệu theo độ cao là 2dB/tầng.
Cuối cùng, chúng ta thảo luận về vấn đề mô hình hóa. Hầu hết các mô
hình lan truyền ngoài trời đợc phát triển và tối u cho macrocell, và chúng
không chính xác khi áp dụng cho microcell. Ngoài ra, việc dự đoán suy hao
đờng truyền từ một trạm BTS bên ngoài đến một máy thu nằm bên trong tòa

nhà sẽ chính xác hơn nếu nó đợc tính toán trực tiếp và không đơn thuần là sự
mở rộng của các mô hình ngoài trời. Barry và Williamson đã đa ra một hệ số
kết hợp liên quan đến sự lan truyền của tín hiệu từ ngoài vào trong tòa nhà và
hệ số liên quan đến sự lan truyền của tín hiệu bên trong tòa nhà để cho ra đời
một mô hình toàn diện.
Toledo đã thực hiện các phân tích hồi quy nhiều bớc với một cơ sở dữ
liệu to lớn, và nghiên cứu mối quan hệ của các tham số. Kết quả tốt nhất của
ông là đa 3 tham số vào công thức toán hồi quy. Đó là khoảng cách d giữa
máy phát và thu, diện tích sàn Af, và hệ số SQ thể hiện cho số sàn của tòa nhà
có đờng truyền thẳng LOS. Mô hình cho tần số 900 và 1800MHz nh sau:
L = -37,7 + 40logd + 17,6logAf 27,5SQ

(2-2)

L = -27,9 + 40logd + 23,3logAf 20,9SQ

(2-3)

Sai số giữa công thức toán học trên với giá trị đo thực nghiệm là 2,4 và
2,2dB tơng ứng. Sai số này nhỏ hơn một chút so với kết quả nghiên cứu của
Barry và Williamson.
2.1.2 Truyền sóng bên trong tòa nhà.
Có rất nhiều nghiên cứu về lan truyền sóng trong tòa nhà trên một phạm vi
tần số rộng. Lan truyền sóng trong nhà chịu ảnh hởng rất lớn bởi các đặc tính

Luận văn cao học

Trần Tuấn Nghĩa

Trang 18

của tòa nhà nh các bố trí vật dụng trong nhà, vật liệu dùng để xây dựng
tờng, sàn nhà, trần nhà.
Hệ thống thông tin vô tuyến trong nhà khác với hệ thống vô tuyến bình
thờng ở hai yếu tố quan trọng sau: môi trờng can nhiễu và tốc độ phading.
Môi trờng can nhiễu thờng gây ra bởi sự bức xạ của các thiết bị điện tử nh
máy tính. Mức nhiễu bên trong nhà này đôi khi lớn hơn bên ngoài. Hơn nữa,
cờng độ tín hiệu thay đổi từ chỗ này sang chỗ khác trong tòa nhà. Tín hiệu có
thể bị suy hao rất nhiều khi lan truyền một vài mét qua tờng, trần nhà hoặc
sàn nhà hay thậm chí vẫn đủ mạnh sau khi đã lan truyền hàng trăm mét dọc
hành lang. Hệ số tín hiệu trên tạp âm SNR rất khó dự đoán và thay đổi liên
tục.
Tốc độ phading chậm làm nó không thích hợp cho việc tính toán hoạt động
của hệ thống. Có hai khả năng sau: thứ nhất, nếu ngời sử dụng máy điện
thoại vô tuyến di chuyển chậm xung quanh trong tòa nhà trong khi cuộc đàm
thoại vẫn liên tục, thì anten sẽ bị ảnh hởng bởi phading. Trờng hợp này đợc
mô tả chính xác nhất bằng tỉ lệ phần trăm của thời gian khi hệ số SNR rơi
xuống thấp hơn một giá trị có thể chấp nhận đợc. Nếu là hệ thống số, thì đó
là tỉ lệ phần trăm của tỉ lệ lỗi rơi xuống thấp hơn giá trị cho phép. Tuy nhiên vì
các ảnh hởng thứ cấp (nh chuyển động của ngời, cửa bị đóng hoặc mở),
những khả năng này thay đổi chậm theo thời gian.
Sự hoạt động không nh mong muốn của hệ thống băng thông rộng có thể
gây ra bởi nhiễu giữa các ký tự do sự trễ dải rộng. Điều này làm hạn chế tốc
độ truyền dữ liệu. Do vậy, trong hệ thống băng thông hẹp, phading nhiều tia và
che khuất làm hạn chế vùng phủ sóng.Nhiễu có thể xuất phát từ tự nhiên, cũng
có thể do con ngời, hoặc cũng có thể do các user khác trong một hệ thống
nhiều user tạo ra. Nó làm hạn chế số lợng user cùng tồn tại trong một vùng
phủ sóng. Các kỹ thuật nh cấp kênh động, điều khiển công suất, thu phân tập
có thể đợc sử dụng để hạn chế vấn đề này.

Luận văn cao học

Trần Tuấn Nghĩa


Trang 19

2.1.2.1 Đặc tính lan truyền.
Một số các nghiên cứu đã đợc thực hiện để xác định các đặc tính lan
truyền trong nhà, trong tòa nhà văn phòng, trong nhà xởng. Một trong số các
nghiên cứu mới nhất, đợc thực hiện trên hệ thống điện thoại vô tuyến tại Nhật
Bản, có dải tần làm việc từ 250 đến 400MHz. Các kết quả đo đợc thực hiện
với máy phát công suất thấp 10mW. Kết quả nghiên cứu cho thấy suy hao
đờng truyền trung bình tuân theo quy luật suy hao trong không gian tự do
trong khoảng cách rất gần (trong phạm vi 10m). Sau đó, suy hao này tăng tỉ lệ
với khoảng cách. Nếu đờng lan truyền của tín hiệu bị che chắn bởi đồ vật, thì
đặc tính lan truyền sẽ bị ảnh hởng theo nhiều cách khác nhau và không có
quy luật chung nào cả. Sự thay đổi tức thời của tín hiệu rất gần với phân bố
Rayleigh, đó là kết quả của quá trình tán xạ bởi sự che chắn của tờng, sàn,
trần và đồ vật.
Một quy luật liên quan giữa suy hao đờng truyền và khoảng cách từ máy
phát đợc sử dụng để dự đoán cờng độ tín hiệu trong một tòa nhà có cấu trúc,
nhng chúng ta rất khó để đa ra đợc một công thức chung. Mô hình chính
xác nhất để miêu tả đờng truyền thẳng thờng xảy ra tại các phòng có diện
tích tơng đơng nhau, có cùng kiểu sắp xếp đồ đạc, có suy hao giống nhau
của tờng ngăn giữa các phòng. Hệ số mũ n trong công thức tính suy hao thay
đổi xung từ 2 khi tín hiệu lan truyền tự do tại sảnh hoặc hành lang đến 6 khi
tín hiệu bị che chắn nhiều.
Motley and Keenan đã báo cáo kết quả nghiên cứu thực nghiệm của họ với

môi trờng nghiên cứu là tòa nhà văn phòng nhiều tầng, tại tần số là 900 và
1700MHz. Một máy phát cầm tay di chuyển trong một phòng đợc lựa chọn
trong tòa nhà này, trong khi máy thu là cố định một chỗ. Máy thu có vị trí tại
trung tâm của tòa nhà, nó giám sát các mức của tín hiệu. Họ đã đa ra một
công thức thể hiện mối quan hệ giữa công suất và khoảng cách nh sau:
P = P + kF = S + 10nlogd

Luận văn cao học

(2-4)

Trần Tuấn Nghĩa


Trang 20

Trong đó:
F là suy hao tại mỗi tầng của tòa nhà.
K là số tầng.
P là tham số suy hao phụ thuộc tần số
Bảng 2.2 đa ra giá trị của các tham số đợc đo thực nghiệm. Chúng ta
thấy rằng hệ số n là tơng tự nhau cho cả hai tần số, nhng F và S lại có giá trị
cao hơn 6 và 5 dB tại tần số 1700MHz. Kết quả này đã đợc kiểm tra lại trong
các tòa nhà cao tầng khác. Ta thấy rằng tổng giá trị suy hao đờng truyền của
tín hiệu tại tần số 1700MHz sẽ lớn hơn 5,5dB so với suy hao tín hiệu tại tần số
900MHz. Nhận định này phù hợp với các kết quả dự đoán về mặt lý thuyết.
Bảng 2.2 Các tham số lan truyền trong tòa nhà.
Tần số

F (dB)

S (dB)

N

900MHz

10

16

4

1700MHz

16

21

3,5

Các kết quả đo thực nghiệm khác cho thấy suy hao tín hiệu qua vách ngăn
mềm là 3-4 dB, và suy hao qua tờng ngạch là 7-8dB. Giá trị suy hao qua các
vật liệu trên thờng nhỏ hơn giá trị suy hao tín hiệu qua sàn nhà, vì sàn nhà
thờng bằng bê tông có lới kim loại gia cố. Chúng ta nhận thấy rằng tần số
1700MHz có xu hớng bị giữ lại năng lợng nhiều hơn tần số 900MHz khi
truyền qua cầu thang bộ và thang máy. Các báo cáo cho biết suy hao giữa các
tầng chịu ảnh hởng bởi vật liệu xây dựng, số lợng và kích thớc cửa sổ,
cũng nh chủng loại kính.
Môi trờng xung quanh tòa nhà cũng phải đợc xem xét, vì rõ ràng, năng

lợng bên trong tòa nhà có thể lan truyền ra xa gây ảnh hởng và nhiễu với
các tòa nhà xung quanh. Nó có thể phản xạ ngợc trở lại tòa nhà tại các tầng
cao hoặc thấp hơn, phụ thuộc vào vị trí đặt anten và hớng búp sóng. Các kết

Luận văn cao học

Trần Tuấn Nghĩa


Trang 21

quả thực nghiệm đã chỉ ra rằng suy hao giữa các tầng liền nhau sẽ lơn hơn suy
hao của tín hiệu của các tầng khác. Sau năm hoặc sáu tầng, tín hiệu không còn
ảnh hởng lẫn nhau. Một số nghiên cứu cũng đã xuất bản thông tin về suy hao
tín hiệu gây ra bởi lan truyền qua các loại vật liệu xây dựng khác nhau, trên
các dải tần số khác nhau.
Các nghiên cứu đã cho thấy, lan truyền tín hiệu bên trong tòa nhà sẽ phụ
thuộc nhiều hơn vào cấu trúc, vật liệu xây dựng khi tần số cao hơn (ví dụ
1700MHz so với 900MHz). Băng tần thấp (860MHz) đã đợc sử dụng cho hệ
thống điện thoại vô tuyến số châu Âu DECT. Hệ thống này đợc thiết kế cho
môi trờng kinh doanh và dân dụng. Hệ thống này cung cấp một chất lợng
thoại tốt, cung cấp các ứng dụng về dữ liệu và thoại. Nó cho phép ngời sử
dụng các thiết bị cầm tay di chuyển linh hoạt trong tòa nhà. Mặc dù suy hao
tín hiệu tăng lên theo tần số, nhng dải tần 1700MHz có thể sử dụng đợc cho
hệ thống điện thoại vô tuyến trong nhà. Trong bất cứ trờng hợp nào, số lợng
trạm thu phát sóng sẽ phụ thuộc vào dung lợng và yêu cầu về chất lợng hoạt
động, chứ nó không bị giới hạn vào vùng phủ sóng của tín hiệu.
Trong tòa nhà, không gian đợc chia thành các phòng riêng biệt, phading
thờng xuất hiện thành từng cụm, kéo dài trong vài giây với phạm vi dao động
khoảng 30dB. Trong môi trờng văn phòng thoáng rộng, phading xuất hiện

liên tục nhng lại có phạm vi dao động hẹp hơn, khoảng 17dB. Sự thay đổi
đờng biên theo thời gian là Phading Racian với giá trị của K từ 6 đến 12dB.
Giá trị của K là một hàm mở rộng, có sự bổ sung yếu tố chuyển động, thay
cho cấu trúc nhiều tia tồn tại gần máy thu. Sự chuyển động của máy thu đầu
cuối cũng gây ra phading, vì sự chuyển động này xuyên qua các khu vực có
trờng điện từ biến đổi.
Có một số công thức mở rộng của (2-1) trong mô hình suy hao tín hiệu
trong nhà.
L = S + 10nlogd + Xd

Luận văn cao học

(2-5)

Trần Tuấn Nghĩa


Trang 22

Trong đó Xd là tham số lognormal (dB) với độ sai lệch tiêu chuẩn là .
Anderson đã đa ra giá trị tiêu chuẩn của và n cho các loại tòa nhà khác
nhau trên một phạm vi tần số, n nằm trong khoảng 1.6 đến 3.3 , còn nằm
trong khoảng từ 3 đến 14dB. Seidel cũng đa ra các giá trị cho n và cho các
tòa nhà khác nhau. Các giá trị này đợc tìm ra thông qua các phép đo thực
nghiệm tại rất nhiều vị trí. Các giá trị này đợc sử dụng để mô hình hóa lan
truyền thông qua công thức sau:
L = S + 10nSFlogd + F

(2-6)

Trong đó, nSF là hệ số mũ cho các phép đo trên cùng một sàn.
Giả thiết rằng nếu có một giá trị nSF chính xác, thì suy hao lan truyền trên
các sàn khác nhau có thể đợc xác định bằng cách cộng thêm vào một giá trị
thích hợp cho hệ số suy hao F giữa các sàn. Một cách khác, trong công thức
(1-6) F có thể đợc loại bỏ bằng cách sử dụng hệ số nMF . Hệ số này đã bao
gồm ảnh hởng cách ly giữa các sàn. Khi đó công thức suy hao sẽ trở thành:
L = S + 10nMFlogd

(2-7)

Devarsirvatham đã nhận thấy suy hao trong nhà có thể đợc mô hình hóa
nh suy hao trong không gian tự do và công thêm phần suy hao phụ có tính
chất tăng hàm mũ theo khoảng cách. Do đó, công thức tính suy hao sẽ đợc
sửa lại nh sau:
L = S + 10nSFlogd + d + F

(2-8)

Trong đó, là hằng số suy hao (dB/m). Các công thức tính suy hao trong
nhà đã đợc Rappaport tổng hợp lại. Rappaport là nhà nghiên cứu hàng đầu
trên thế giới về lĩnh vực truyền sóng indoor.
Cuối cùng, xuất phát từ công thức cơ bản (2-1), Toledo và Turkmani đã
tiến hành nghiên cứu có sử dụng thêm các yếu tố khác. Hai ông đa ra công
thức cuối cùng dự đoán suy hao đờng truyền cho tần số 900 và 1800MHz, với
máy phát đặt tại một sàn xác định trong tòa nhà cao tầng:
L = 18.8 + 39.0logd + 5.6kr + 13.0Swin 11.0G 0.024Af

Luận văn cao học

Trần Tuấn Nghĩa

Trang 23

L = 24.5 + 33.8logd + 4.0kr + 16.6Swin 9.8G 0.017Af

(2-9)

Trong đó,
kf là số sàn giữa máy phát và máy thu.
Swin là hệ số thể hiện cho mức năng lợng thoát ra và quay lại tòa nhà.
Swin có giá trị là 0 hoặc 1, phụ thuộc vào vị trí của máy thu.
G thể hiện cho mức năng lợng tại hai tầng thấp nhất của tòa nhà.
Af là diện tích sàn của phòng đặt máy thu.
Đối với các phòng nằm cùng phía với máy phát, Swin =1, phía đối diện Swin
= 0.25; phía vuông góc Swin = 0.5; Đối với các phòng bên trong, không có cửa
sổ Swin =0.
Hệ số G có giá trị bằng 1 đối với 2 tầng thấp hơn so với tầng đặt máy phát,
và bằng 0 với các tầng khác.
Vùng phủ sóng tốt nhất trong bất kỳ tòa nhà nào khi vị trí của máy phát
nằm trong một phòng rộng và tại trung tâm của tòa nhà.

2.1.2.2 Nghiên cứu lan truyền sóng với hệ thống băng rộng.
Ngoài các nghiên cứu với hệ thống băng thông hẹp để tìm ra sự thay đổi
cờng độ tín hiệu so với khoảng cách, chúng ta cũng có một số nghiên cứu
trên hệ thống băng thông rộng về đặc tính lan truyền của tín hiệu bên trong tòa
nhà.
Devarsirvatham đã sử dụng thiết bị hoạt động ở tần số 850MHz, có độ
phân giải trề lan truyền là 25ns (nghĩa là có thể phân biệt các đờng truyền có
chiều dài khác nhau 7,5m ) để tiến hành các phép đo về trề lan truyền của tín

hiệu trong tòa nhà và khu dân c. Thiết bị này cho thấy hình dạng chi tiết của
hiện trạng trề công suất có ảnh hởng rất ít đến hoạt động của hệ thống vô
tuyến. Do vậy, các nghiên cứu sẽ tập trung vào trễ là trề lan truyền.
Nói chung, trễ của tín hiệu indoor sẽ rất nhỏ hơn so với tín hiệu lan truyền
outdoor. Hình 2.3 thể hiện dạng trề trung bình trong một tòa nhà cao 6 tầng,

Luận văn cao học

Trần Tuấn Nghĩa


Trang 24

diện tích rộng. Hình 2.4 thể hiện phân bố tích lũy của trễ lan truyền cho tòa
nhà này và một tòa nhà văn phòng khác có 2 tầng với diện tích nhỏ hơn. Một
hệ thống thông tin di động sẽ phải làm việc trong điều kiện trễ lan truyền tồi
nhất, 250ns cho cả hai tòa nhà.

Hình 2.3 Dạng trễ tín hiệu lan truyền trong một tòa nhà 6 tầng.

Luận văn cao học

Trần Tuấn Nghĩa