Thiết kế Trạm BTS Mobifone

Phần này tóm tắt lịch sử phát triển của dịch vụ điện thoại di động, bắt đầu từ những năm 1960 với các hệ thống điều vận được cải tiến. Những hệ thống đầu tiên này có nhiều hạn chế về tiện lợi và dung lượng. Sự ra đời của hệ thống điện thoại tổ ong điều tần năm 1980 đánh dấu một bước tiến, nhưng vẫn còn hạn chế về phân bổ tần số. Để giải quyết vấn đề này, công nghệ thông tin số được áp dụng, dẫn đến sự ra đời của hệ thống GSM (Global System for Mobile Communications) vào năm 1982 tại châu Âu, sử dụng kỹ thuật đa thâm nhập phân chia theo thời gian (TDMA). Song song đó, công nghệ CDMA cũng được triển khai tại một số quốc gia khác. Để tăng dung lượng, tần số hoạt động của các hệ thống này được chuyển dần từ 800-900 MHz lên 1,8-1,9 GHz. Sự xuất hiện của GSM là một bước nhảy vọt, mang lại nhiều lợi ích không thể phủ nhận cho người dùng, và tiếp tục được cải tiến nhờ sự phát triển của kỹ thuật hiện đại và đổi mới công nghệ.

Phần này mô tả hệ thống điện thoại di động tổ ong, nơi vùng phủ sóng được chia thành nhiều vùng nhỏ gọi là các ô (cell). Mỗi ô có một trạm gốc (BTS) phụ trách và được điều khiển bởi tổng đài. Tần số của máy di động không cố định, mà được xác định bởi kênh báo hiệu và tự động đồng bộ. Các ô kế cận sử dụng tần số khác nhau để tránh nhiễu, trong khi các ô xa hơn có thể tái sử dụng tần số. Tổng đài điều khiển kênh báo hiệu và kênh lưu lượng để chuyển đổi tần số của máy di động khi di chuyển giữa các ô, đảm bảo duy trì cuộc gọi liên tục. Hiệu quả sử dụng tần số được tăng lên nhờ việc tái sử dụng tần số, dẫn đến tăng dung lượng thuê bao được phục vụ. Mỗi cell có một BTS hoạt động trên một tập các kênh vô tuyến khác nhau so với các cell lân cận để tránh nhiễu. BTS giao tiếp với MS (Mobile Station) qua đường vô tuyến và hoạt động dưới sự điều khiển của BSC (Base Station Controller).

Đoạn này chi tiết các thành phần chính của hệ thống GSM. MS (Mobile Station) là thiết bị thu phát cá nhân của thuê bao, bao gồm ME (Mobile Equipment) và SIM card. SIM lưu trữ thông tin cá nhân của thuê bao và thông tin mạng. Cell là đơn vị cơ bản của hệ thống tế bào, được định nghĩa bởi vùng phủ sóng của BTS. Một BTS có thể phục vụ một hoặc nhiều cell và tần số. BSC (Base Station Controller) điều khiển hoạt động của nhiều BTS, quản lý tài nguyên vô tuyến, điều khiển nhảy tần, chuyển giao và công suất. MSC (Mobile Switching Center) kiểm soát cuộc gọi đến và đi, kết nối với các mạng khác (PSTN, ISDN, PLMN...). HLR (Home Location Register) lưu trữ dữ liệu và quản lý thuê bao. VLR (Visitor Location Register) chứa tạm thời thông tin về thuê bao đang hoạt động trong vùng MSC. AUC (Authentication Center) đảm bảo tính bảo mật. EIR (Equipment Identity Register) kiểm tra tính hợp lệ của thiết bị.

Khi thiết bị di động được bật, nó sẽ tự động tìm kiếm các tần số GSM để kết nối với mạng. Quá trình này bao gồm việc dò tìm kênh điều khiển, đo cường độ tín hiệu từ các kênh khác nhau và lựa chọn kênh có tín hiệu mạnh nhất để thiết lập kết nối. Do GSM là một chuẩn chung, nên người dùng có thể sử dụng điện thoại GSM trên hầu hết các mạng GSM trên toàn cầu. Trong quá trình di chuyển, thiết bị liên tục dò kênh để duy trì tín hiệu mạnh nhất với trạm BTS. Khi tìm thấy trạm có tín hiệu mạnh hơn, thiết bị tự động chuyển sang mạng mới. Nếu trạm mới nằm trong vùng phủ sóng khác (LA khác), thiết bị sẽ báo cho mạng biết vị trí mới của mình. Như vậy, quá trình đăng nhập liên tục được điều chỉnh để đảm bảo chất lượng kết nối tốt nhất cho người dùng.

Một mô-đun thông minh trong thiết bị di động được sử dụng để xác thực thuê bao thông qua SIM (Subscriber Identity Module). SIM card là yếu tố quan trọng để truy cập mạng GSM, ngoại trừ các số điện thoại khẩn cấp như cảnh sát, cứu thương. Thiếu SIM, thiết bị di động không thể truy cập mạng. SIM card chứa thông tin cá nhân của thuê bao và một số thông tin mạng cần thiết cho quá trình đăng nhập và xác thực. Thông tin lưu trữ trong SIM bao gồm nhận dạng số thuê bao quốc tế và số vùng đăng ký. Do đó, SIM card đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo an ninh và xác thực danh tính người dùng trong mạng GSM.

Thiết bị di động (MS) có hai chức năng chính: truyền dữ liệu và truyền dẫn ở giao diện vô tuyến. Trạm thu phát gốc BTS thực hiện chức năng thu phát vô tuyến, phát quảng bá thông tin hệ thống, và thực hiện thu phát cuộc gọi. BTS kết nối với BSC (Base Station Controller) qua giao diện A-bis (sử dụng đường truyền vi ba hoặc cáp quang). BSC quản lý tài nguyên vô tuyến, điều khiển nhảy tần, chuyển giao và công suất cho các BTS. Trung tâm chuyển mạch di động MSC lập tuyến gọi, điều khiển cuộc gọi, và tương tác với các mạng khác (PSTN, ISDN...). MSC cũng xử lý các thủ tục chuyển điều khiển (HO), quản lý quá trình di động, và thực hiện nhận thực để chống truy cập trái phép. Như vậy, sự phối hợp hoạt động giữa các thành phần mạng GSM đảm bảo quá trình đăng nhập và kết nối thành công cho thiết bị di động.

Công nghệ 3G (third-generation technology) là công nghệ truyền thông thế hệ thứ ba, cho phép truyền tải cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại với tốc độ cao. Hiện nay, các nhà mạng cung cấp dịch vụ 3G với hai mức tốc độ là 3,6 Mbps và 7,2 Mbps. Để sử dụng dịch vụ 3G, người dùng cần có thiết bị hỗ trợ phần cứng kết nối tín hiệu 3G, bao gồm điện thoại di động, smartphone, USB 3G, thẻ PCMCIA 3G, hoặc thiết bị 3G router để chia sẻ kết nối cho nhiều thiết bị. Tốc độ truyền tải dữ liệu phụ thuộc vào vùng phủ sóng, tốc độ có thể dao động từ 9,6 kbps (vùng toàn cầu) đến 384 kbps (thành phố, ô micro) và 144 kbps (ngoại ô, ô macro). 3G mang lại khả năng truy cập internet tốc độ cao, gửi email, tin nhắn nhanh, và xem hình ảnh, vượt trội so với các công nghệ thế hệ trước.

Công nghệ 3G bao gồm các kỹ thuật W-CDMA (Wide band CDMA) kiểu FDD và TD-CDMA (Time Division CDMA) kiểu TDD. Mục tiêu của IMT-2000, tiêu chuẩn cho 3G, là cho phép người dùng liên lạc và sử dụng các dịch vụ đa phương tiện trên phạm vi toàn cầu. Lưu lượng bit có thể lên đến 2 Mbps trong vùng địa phương và 144 Kbit/s trong vùng rộng. Dịch vụ 3G bắt đầu được cung cấp từ năm 2001-2002. Sự ra đời của 3G đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về tốc độ và dung lượng dữ liệu của người dùng, mở ra kỷ nguyên mới cho việc truy cập thông tin di động.

BTS (Base Transceiver Station) thực hiện các chức năng thu phát liên quan đến giao diện vô tuyến GSM và xử lý tín hiệu. BTS có thể được coi là một modem vô tuyến phức tạp, chuyển đổi tín hiệu vô tuyến từ MS thành dữ liệu để truyền đến các thiết bị khác trong mạng và ngược lại. Vị trí của các BTS quyết định dung lượng và vùng phủ sóng của mạng. Tuy nhiên, BTS chỉ đóng vai trò phụ trong việc phân phối tài nguyên vô tuyến cho các MS khác nhau. BTS, hay trạm thu phát sóng di động, được các nhà cung cấp dịch vụ internet (ISP) đặt tại các vị trí chiến lược để tối ưu hóa hiệu quả thu phát sóng và vùng phủ sóng rộng rãi, hạn chế vùng chết.

Thiết kế mạng di động số đòi hỏi sự chuẩn bị kỹ lưỡng về mặt kỹ thuật và kinh tế. Việc lập kế hoạch, dự án kỹ thuật và dự trù kinh phí là rất quan trọng. Khả năng sử dụng và nguồn vốn ảnh hưởng đến phạm vi phủ sóng, có thể rộng khắp hoặc chỉ đáp ứng một số trường hợp cụ thể. Tuy nhiên, khả năng mở rộng mạng là rất lớn, đòi hỏi phải có quy hoạch mạng bài bản. Các yếu tố như số lượng thuê bao, lưu lượng truy cập (Erlang), chất lượng dịch vụ (GOS), và số lượng kênh cần thiết (TCH) phải được tính toán chính xác. Ví dụ, để phục vụ 10.000 thuê bao với lưu lượng 330 Erlang và GOS 2%, cần khoảng 123 kênh TCH, và vùng phủ sóng cần được chia thành 3 cell để tối ưu hóa hiệu quả sử dụng tần số.

Quy hoạch mạng bao gồm việc xác định vị trí đặt các trạm gốc BTS (Base Transceiver Station) một cách hợp lý. Trong các khu vực đô thị đông đúc, việc lắp đặt nhiều trạm BTS gặp khó khăn về mặt diện tích và chi phí. Để giải quyết vấn đề này, việc xây dựng trạm BTS trên các tòa nhà cao tầng là một giải pháp hiệu quả. Cấu hình trạm BTS ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng cuộc gọi, do đó, cần chú ý đến các phương án khử nhiễu và chống nhiễu đồng kênh. Việc tính toán góc ngẩng anten (tilt) cũng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định vùng phủ sóng của mỗi trạm BTS. Góc ngẩng thường được đặt ở mức 2-4 độ để tối ưu hóa vùng phủ sóng.

Trước khi tiến hành lắp đặt trạm BTS, cần kiểm tra và đảm bảo đầy đủ các dụng cụ, vật tư cần thiết. Điều này bao gồm phi đơ, dây nhảy, connector, các thanh đồng tiếp đất chống sét cho phi đơ, dây thít, và trang thiết bị an toàn lao động. Cần chuẩn bị sẵn các thông số vô tuyến liên quan đến anten như độ cao, góc phương vị, và góc ngẩng của mỗi anten GSM và anten vi ba (nếu có). Anten cần được lắp đặt downtilt, bộ gá cố định và dây nhảy trước khi kéo lên cột. Các đầu connector của dây nhảy cần được bảo vệ bằng cao su non và bọc nilon kỹ lưỡng để tránh bụi bẩn trong quá trình lắp đặt. Việc chuẩn bị kỹ lưỡng này giúp đảm bảo quá trình lắp đặt diễn ra suôn sẻ và an toàn.

Giai đoạn này bao gồm việc cố định anten lên cột anten thông qua downtilt và bộ gá cố định. Dây nhảy được cố định chắc chắn và thẩm mỹ lên cột bằng kẹp cáp. Góc ngẩng của anten cần được xác định chính xác bằng cách đo khoảng cách giữa hai vít trên bộ chỉnh downtilt và tra bảng hướng dẫn trên anten. Việc đảm bảo anten được lắp đặt đúng kỹ thuật và chắc chắn là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng tín hiệu và độ bền của thiết bị. Đây là bước then chốt ảnh hưởng trực tiếp đến phạm vi và chất lượng phủ sóng của trạm BTS.

Việc tiếp đất chống sét là một phần không thể thiếu trong quá trình lắp đặt trạm BTS nhằm đảm bảo an toàn cho thiết bị và người vận hành. Cần thực hiện tiếp đất chống sét cho anten và phi đơ thông qua các thanh đồng tiếp đất được đặt tại các vị trí cụ thể trên cột và trong phòng máy. Trên cột, các dây tiếp đất cho phi đơ được nối vào bảng tiếp đất gắn trên cột. Trong phòng máy, lõi phi đơ được tiếp đất thông qua connector, sau đó nối với bảng tiếp đất trên thanh cáp và cuối cùng là bảng tiếp đất chung trong phòng máy. Vị trí đặt thanh đồng tiếp đất có thể thay đổi tùy thuộc vào điều kiện của từng trạm, nhưng phải đảm bảo an toàn và hiệu quả chống sét.

Sau khi lắp đặt anten và hệ thống tiếp đất, tủ BTS được lắp đặt và cố định. Bản vẽ vị trí các vít dưới chân tủ BTS được sử dụng để đánh dấu vị trí khoan và bắt 2 thánh đế cố định trên sàn nhà. Tủ BTS sau đó được đặt lên 2 thánh đế và cố định bằng vít. Rack cần được cân bằng cẩn thận bằng bu-long và level (bộ kiểm tra cân bằng) trước khi vặn chặt để đảm bảo sự ổn định và hoạt động bình thường của hệ thống. Việc lắp đặt tủ BTS đúng cách góp phần vào sự vận hành ổn định và lâu dài của trạm BTS.

Trong các khu vực đô thị có diện tích hạn chế và nhà cửa dày đặc, việc lắp đặt trạm BTS trên các tòa nhà cao tầng là một giải pháp tối ưu. Giải pháp này giúp tiết kiệm chi phí và khắc phục khó khăn về mặt không gian. Tuy nhiên, việc cấu hình trạm BTS cần đặc biệt chú ý đến các phương án khử nhiễu và chống nhiễu đồng kênh để đảm bảo chất lượng cuộc gọi. Việc lựa chọn vị trí đặt trạm BTS trên tòa nhà cao tầng cần được nghiên cứu kỹ lưỡng để đảm bảo vùng phủ sóng tối ưu và chất lượng tín hiệu tốt nhất cho người dùng.