Trạm BTS là gì? Cách thức hoạt động, cấu trúc và các thiết bị của một trạm phát sóng

Trạm BTS hay còn được gọi là trạm phát sóng hoặc trạm di động được các nhà cung cấp dịch vụ mạng ISP như Viettel, Vinaphone, FPT,… phủ sóng liên tục. Ta vẫn thường hay nói rằng càng gần trạm phát sóng thì sóng điện thoại càng khỏe và ngược lại nếu càng xa trạm phát sóng thì sóng điện thoại càng yếu, mạng yếu. Và tất nhiên ngoài vùng phủ sóng của trạm BTS thì ta sẽ chẳng có mạng nữa cơ.

Trạm BTS là gì?

Trạm BTS (base transceiver station) là “trạm phát sóng cơ sở”, được sử hỗ trợ liên lạc không dây giữa thiết bị người dùng UE và mạng. Trong đó, các thiết bị UE là các thiết bị như điện thoại di động, điện thoại WLL, máy tính có kết nối Internet không dây hoặc các Ăng-ten gắn trên tòa nhà hoặc tháp viễn thông. Mạng có thể là mạng di động toàn cầu GSM hoặc công nghệ CMDA, WLL, Wifi, WiMax hoặc mạng WAN.

Trạm BTS đóng vai trò như Node B trong mạng viễn thông. (Node B là nút viễn thông cho các mạng truyền thông di động tuân thủ tiêu chuẩn UMTS). Thuật ngữ trạm BTS có thể được áp dụng cho bất kỳ tiêu chuẩn truyền thông không dây nào. BTS được phát triển từ hệ thống trạm con BSS.

Một trạm BTS cũng sẽ có các thiết bị mã hóa, giả mã, các bộ lọc thông dải, ăng ten,…Đặc biệt, một trạm BTS sẽ có một bộ thu phát (TRX) có thể hoạt động ở nhiều tần số khác nhau. BTS được điều khiển bởi bộ điều khiển trạm gốc.

BTS được triển khai theo khu vực nhất định (được gọi là Ô). Nó bao gồm các bộ thu phát vô tuyến và xử lý các giao thức liên kết vô tuyến với MS. Trạm BTS sẽ được triển khai ở trung tâm của Ô. Trong một khu đô thị lớn sẽ có thể có nhiều trạm BTS.

Công suất truyền của một trạm BTS được xác định bằng số lượng bộ thu phát. Mỗi BTS có từ 1 đến 16 bộ thu phát tùy thuộc vào số lượng người dùng trong ô.

Chức năng của trạm BTS

Các chức năng chính của BTS bao gồm:

• Chuyển đổi tín hiệu giữa mạng điện thoại di động và mạng cố định. BTS truyền tải tín hiệu thọai, dữ liệu giữa điện thoại và trạm cơ sở BSC.
• BTS quản lý và sử dụng tần số để tránh xung đột và đảm bảo hiệu suất của mạng di động.
• Kết nối với các điện thoại di động trong khu vực và duy trì kết nối và liên lạc với các trạm cơ sở khác hay hệ thống cố định.
• BTS quản lý công suất phát sóng để đảm bảo chất lượng tín hiệu được truyền với chất lượng tốt nhất.
• Khi một thiết bị di động di chuyển từ ô này sang ô khác, BTS sẽ thực hiện chuyển giao để duy trì cuộc gọi không bị gián đoạn.
• Các trạm BTS có thể tự theo dõi các cảm biến và thiết bị để đảm bảo rằng hoạt động ổn định.
• Cung cấp dịch vụ di động như thoại, tin nhắn văn bản, dữ liệu di động và các dịch vụ khác cho người sử dụng.

Cấu tạo của một trạm BTS

Một trạm BTS sẽ bao gồm các thành phần và thiết bị sau:

• Bộ thu phát (TRX): đảm nhiệm vai trò truyền và nhận tín hiệu.
• Bộ khuếch đại công suất (PA): nhằm tăng công suất phát sóng tín hiệu từ TRX để truyền qua Ăng-ten.
• Bộ kết hợp: đảm nhiệm chức năng kết hợp dữ liệu từ các bộ thu phát để gửi thông tin qua một Ăng-ten duy nhất.
• Bộ ghép kênh: dùng để tách tín hiệu gửi và nhận đến từ Ăng-ten. Có thể gửi và nhận tín hiệu qua cùng một cổng Ăng-ten.
• Ăng-ten: là nơi dùng để truyền sóng tới các thiết bị và nhận tín hiệu từ các thiết bị trong Ô.
• Hệ thống báo động mở rộng: thu thập các thông tin về trạng thái của các thành phần trong trạm BTS và gửi chúng đến các trạm giám sát vận hành và bảo trì (O&M).
• Điều khiển: Giúp kiểm soát và quản lý các thành phần của trạm BTS bao gồm tất cả phần mềm. Theo đó, ta có thể cấu hình, thay đổi trạng thái, nâng cấp,.. thông qua chức năng điều khiển.
• Bộ thu băng cơ sở (BBxx): giúp kiểm soát tần số và tín hiệu DSP.

Bộ điều khiển trạm gốc BSC

BSC được gọi là bộ điều khiển trạm gốc, tức là nó quản lý một hoặc nhiều trạm BTS. Nhiệm vụ của BSC bao gồm các công việc như: thiết lập kênh vô tuyến, nhảy tần và chuyển giao. BSC kết nối giữa thiết bị di động và MSC.

BSC và BTS cùng hoạt động để tạo nên một hệ thống di động có khả năng cung cấp dịch vụ di động chất lượng:

• BSC quản lý và phân bổ tài nguyên tần số cho các trạm BTS trong khu vực của nó. Có nghĩa là BSC sẽ đảm bảo việc các tần số được sử dụng mà không bị xung đột và tăng hiệu suất mạng di động.
• BSC quản lý quá trình chuyển giao kết nối (handover) từ một trạm BTS sang trạm BTS khác trong cùng khu vực của BSC.
• BSC cũng quản lý công suất của các trạm BTS để đảm bảo rằng chất lượng tín hiệu tốt và tiết kiệm năng lượng.
• BSC cũng theo dõi các kết nối với các di động trong khu vực để biết được trạng thái các cuộc gọi và đảm bảo rằng chất lượng của cuộc gọi diễn ra ổn định.

BSC dịch kênh thoại 13 Kbps sử dụng qua liên kết vô tuyến sang kênh 64 Kbps tiêu chuẩn sử dụng cho mạng điện thoại PSDN hoặc ISDN.

Hệ thống trạm cơ sở BSS

BSS được gọi là hệ thống trạm cơ sở, nó bao gồm cả 2 thành phần là trạm BTS và BSC. BSS là một trong các phần quan trọng của kiến trúc mạng di động và chịu trách nhiệm cho việc quản lý các trạm cơ sở (Base Transceiver Stations – BTS). Hệ thống BSS cung cấp các dịch vụ liên quan đến việc truyền và nhận tín hiệu giữa điện thoại di động và mạng di động.

Trong hệ thống BSS, BTS bao gồm các thành phần như anten, transceiver, power amplifier và các phần khác để thực hiện chức năng truyền tải. Trong khi đó, BSC thực hiện các chức năng quan trọng như quản lý tài nguyên tần số, handover (chuyển giao), quản lý kết nối di động và điều khiển các chức năng của BTS.

BSS là một phần quan trọng của kiến trúc mạng di động GSM (Global System for Mobile Communications) và các hệ thống di động khác.

Cách trạm BTS quản lý tần số

Trạm BTS sử dụng các tần số Radio để truyền và nhận tín hiệu giữa trạm và thiết bị di động. Các trạm BTS cần phải quản lý tần số nhằm:

• Tránh xung đột tần số: có nhiều trạm BTS trong một khu vực của BSC. Nếu chúng cùng sử dụng 1 tần số sẽ gây ra xung đột và giảm chất lượng tín hiệu.
• Tối ưu hóa sử dụng tần số: nguồn tài nguyên tần số là có hạn. Do đó, các trạm BTS phải quản lý và phân bổ sử dụng một cách hiệu quả và tránh lãng phí và tăng dung lượng mạng.
• Chuyển giao (handover): tần số là yếu tố quan trọng để thực hiện việc chuyển giao một cách mượt mà không ảnh hưởng đến chất lượng cuộc gọi.
• Giảm nhiễu: Tần số có thể đến từ các trạm BTS hoặc từ môi trường xung quanh. Do đó, cần phải quản lý tần số để đảm bảo chất lượng tín hiệu và tránh gây nhiễu.
• Bảo mật: Tần số cũng liên quan đến an toàn và bảo mật của dịch vụ truyền thông di động. Việc quản lý tần số là cần thiết để ngăn chặn sự xâm nhập và đảm bảo rằng dịch vụ được cung cấp một cách ổn định.

Để quản lý tần số các trạm BTS sử dụng hệ thống FDA. Kỹ thuật này cho phép các trạm BTS phân bổ tần số dựa trên yêu cầu và tình hình thực tế của mạng.

Các tiêu chuẩn giao tiếp trong trạm BTS

Trạm BTS sử dụng một số các chuẩn giao tiếp để kết nối tín hiệu giữa trạm và thiết bị di động như:

• GSM: là một tiêu chuẩn di động phổ biến nhất. BTS kết nối với thiết bị di động bằng tần số GSM chỉ định và kết nối với GSC qua tiêu chuẩn Abis Interface.
• CMDA: thường được sử dụng trong mạng 2G và 3G. Đây là hệ thống truy cập nhiều người dùng và sử dụng mã chủ để phân biệt giữa các người dùng với nhau. Trong CMDA, BTS sử dụng một tần số và nhiều mã chủ khác nhau để phân biệt giữa các kênh truyền tín hiệu.
• LTE: là tiêu chuẩn di động phổ biến cho mạng 4G. Nó sử dụng công nghệ IP và OFDMA để cung cấp tốc độ cao và hiệu suất tốt hơn. Trong hệ thống LTE, trạm BTS được gọi là eNB và thực hiện kết nối với thiết bị di động qua kênh truyền LTE và các thành phần mạng như MME và SGW.
• 5G NR: là tiêu chuẩn di động cho mạng 5G. Nó sử dụng nhiều công nghệ mới như tần số cao, băng thông rộng và MIMO. Trong hệ thống 5G NT, trạm BTS được gọi là gNB và kết nối với thiết bị di động qua tần số cũng như các thành phần mạng như AMF và UPF.

Trạm BTS có thể xây dựng ở đâu?

Trạm BTS có nhiều loại khác nhau như:

• Tháp BTS: xây dựng tại các khu vực đất trống rộng theo kiểu dạng tháp ở phía trên cùng là các ăng ten và ở phía dưới sẽ là các thiết bị thu phát được đặt trong tủ ở chân trạm.

• Trạm BTS gắn trên tòa nhà: thường được xây dựng tại các khu đô thị nơi có mật độ dân cư cao và không có đất trống để xây dựng tháp BTS. Người ta sẽ xây dựng các trạm BTS trên các tòa nhà với cấu trúc nhỏ gọn hơn.

• BTS di động: là các loại BTS được thiết kế nhỏ gọn và có khả năng di chuyển linh hoạt.

Các công nghệ mới được sử dụng trong trạm BTS

Trong lĩnh vực xây dựng và phát triển trạm BTS đang tích hợp nhiều công nghệ mới để đem lại tốc độ, dung lượng và hiệu suất mạng cao hơn. Các công nghệ tiên tiến đang được áp dụng trong BTS phải kể đến như:

• Công nghệ 5G: Với các tính năng như: MIMO và Beamforming, Massive MIMO, mmWave với khả năng cung cấp tốc độ cao, băng thông rộng và hỗ trợ tốt cho nhiều thiết bị một lúc.
• Công nghệ AI và Machine Learning: BTS đang áp dụng công nghệ AI để tự động điều chỉnh cấu hình và tài nguyên. Cũng như sử dụng machine Learning để dự báo nhu cầu sử dụng để đảm bảo hiệu suất ổn định.
• Công nghệ Cloud RAN: giúp các BTS thành các phần mềm và triển khải trên nền tảng Cloud. Điều này giúp các trạm BTS dễ dàng chia sẻ tài nguyên và người quản lý dễ dàng điều khiển từ xa.
• Công nghệ Massive IOT: các trạm BTS ngày nay đang hỗ triển khai ứng dụng IOT. Tính năng như LPWA giúp tối ưu hóa kết nối thiết bị IoT.
• Công nghệ Blockchain: BTS sử dụng công nghệ này để tăng cường bảo mật và duyệt phí trong các giao dịch trên mạng di động.

Sóng từ trạm BTS có ảnh hưởng tới sức khỏe không?

Hiện nay, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để đánh giá ảnh hưởng của sóng từ trạm BTS (Base Transceiver Station) hoặc các thiết bị truyền sóng di động khác đến sức khỏe. Các tổ chức chức năng như Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) và các tổ chức y tế quốc gia đã thực hiện đánh giá và đưa ra các khuyến cáo.

Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đã đánh giá đa dạng các nghiên cứu và công bố rằng không có bằng chứng khoa học cụ thể nào chứng minh rằng sóng từ trạm BTS ở mức tiêu chuẩn an toàn hiện tại sẽ gây hại cho sức khỏe.

Tiêu chuẩn an toàn về sóng từ và truyền thông di động được đặt ra để đảm bảo rằng mức phát sóng không vượt quá giới hạn được xác định, đảm bảo an toàn cho người dùng và dân cư xung quanh.

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tầm ảnh hưởng của sóng từ trạm BTS giảm đi rất nhanh khi xa khỏi trạm, và mức phát sóng giảm đáng kể theo quy luật bình phương khoảng cách. Vì vậy, ở xa trạm BTS, mức phát sóng thường rất thấp và không tạo ra ảnh hưởng đáng kể đến sức khỏe.

Trạm BTS sử dụng cáp nào để truyền tín hiệu?

Trong trạm BTS sử dụng rất nhiều loại cáp khác nhau. Dưới đây là một số loại cáp được sử dụng và mục đích của nó:

• Cáp Feeder 1/2: thường được sử dụng để truyền tín hiệu giữa trạm BTS giữa anten và thiết bị truyền sóng:
• Cáp quang: được sử dụng để kết nối các trạm BTS với thành phần mạng nền như BSC hoặc trung tâm dữ liệu.
• Cáp mạng Ethernet: thường được sử dụng để kết nối các thiết bị trong hệ thống như kết nối các thiết bị điều khiển trong trạm.
• Cáp RF được sử dụng để truyền tin hiệu tần số Radio giữa các thành phần trong mạng di động.