Bài giảng Mạng không dây - Chương 2: Lan truyền vô tuyến (Radio Wave Propagation) - Trần Thị Minh Khoa

CHƯƠNG 2. LAN TRUYỀN VÔ TUYẾN (RADIO WAVE PROPAGATION) GV: TS. Trần Thị Minh Khoa AGENDA • Sóng điện từ (Electromagnectic wave) – Sóng vô tuyến (Radio wave) • Anten – Độ lợi (Gain) • Lan truyền vô tuyến (Radio Wave Propagation) – Các chế độ lan truyền (Propagation Modes) – Line-of-Sight (LOS) Wireless Transmission – RSSI, Fading, Doppler, Delay Spread, ISI, Coherence Bandwidth, Coherence Interference • Tính toán công suất 2/27/2017 2 SÓNG ĐIỆN TỪ (ELECTROMAGNECTIC WAVE) • Sóng điện từ (hay bức xạ điện từ) là sự kết hợp của dao động điện từ (electric field) và từ trường (magnectic field) vuông góc với nhau, lan truyền trong không gian như sóng. 2/27/2017 3 SÓNG ĐIỆN TỪ (ELECTROMAGNECTIC WAVE) • Tốc độ dao động của electron quyết định tần số sóng • Khi lan truyền, sóng điện từ mang theo năng lượng, động lượng, và thông tin • Được phân loại theo bước sóng (từ dài đến ngắn) – Vd: Ánh sáng - sóng điện từ có bước sóng thuộc (400nm-700nm) 2/27/2017 4 SÓNG ĐIỆN TỪ (ELECTROMAGNECTIC WAVE) 2/27/2017 5 SÓNG ĐIỆN TỪ (ELECTROMAGNECTIC WAVE) • Các đặc tính của sóng điện từ – Bước sóng (Wave length) – Tần số (Frequency) – Biên độ (Amplitude) – Pha (Phase) 2/27/2017 6 SÓNG ĐIỆN TỪ (ELECTROMAGNECTIC WAVE) • Tốc độ = bước sóng * tần số 2/27/2017 7 SÓNG VÔ TUYẾN (RADIO WAVE) • Là một kiểu sóng điện từ với bước sóng trong phổ điện từ dài hơn ánh sáng hồng ngoại • Tần số (Frequency): 3KHz – 300GHz • Bước sóng (Wavelength): 100km – 1mm • Truyền với vận tốc ánh sáng (3x108 m/s) • Sóng vô tuyến xuất hiện tự nhiên do: sét, hoặc bởi các đối tượng thiên văn • Sóng vô tuyến xuất hiện do con người tạo nên dùng cho radar, phát thanh, liên lạc vô tuyến (di động/cố định), và các hệ thống dẫn đường khác 2/27/2017 8 SÓNG VÔ TUYẾN (RADIO WAVE) • Pha: Sự khác biệt đo bằng độ (0-360o) giữa các sóng hình sin chồng lên nhau – 0: cùng pha (in phase) – 90o: Lệch pha ¼ ( quarter out of phase) – 180o: hủy tín hiệu ban đầu (cancels out original) • 2/27/2017 9 ANTEN • Anten là thiết bị điện tử có thể bức xạ hoặc thu nhận song điện từ, có nhiệm vụ chuyển năng lượng điện từ thành sóng vô tuyến, và ngược lại – Nhận: Anten có thể nhận sóng điện từ từ không khí, tạo thành dòng điện có điện thế thấp, và chuyển đến receiver. Tại đây, dòng điện sẽ được khuếch đại và xử lý tiếp – Truyền: Anten lấy tín hiệu tần số cao RF trên đường truyền dẫn (cable), sau đó bức xạ vào không khí thành sóng điện từ 2/27/2017 17 ANTEN • Có 3 loại Anten chính – Anten đẳng hướng – vô hướng (Isotropic Anten – Omnidirectional Anten) – Anten định hướng – có hướng (Directional Anten – Beam Anten – Semidirectional Anten) – Anten định hướng cao (Highly directional) 2/27/2017 18 – Anten đẳng hướng (Isotropic Anten – Omnidirectional Anten) • Truyền tín hiệu RF theo tất cả các hướng theo trục ngang (song song mặt đất) nhưng bị giới hạn ở trục dọc (vuông góc với mặt đất). • Anten đẳng hướng có độ lợi (gain) trong khoảng 6dB, thường được dùng trong các tòa nhà cao tầng. • Anten đẳng hướng cung cấp vùng phủ sóng rộng nhất. • Trường hợp lý tưởng của 1 Antenna không bị suy hao (lossless Antenna) • Các loại anten đẳng hướng: Rubber Duck, Omni-directional, Celing Dome, Small Desktop, Mobile Vertical, Ceiling Dome... 2/27/2017 19 ANTEN – Anten đẳng hướng (Isotropic Anten – Omnidirectional Anten) Coverage area of a omnidirectional Anten Vertical Anten (Whip Anten, Monopole Anten) Half-wave Dipole Anten 2/27/2017 20 ANTEN – Anten định hướng (Directional Anten – Beam Anten) • Anten định hướng (directional) có hướng phát sóng rất hẹp, thiết bị thu sóng cần nằm chính xác trong phạm vi phát sóng hẹp này của anten định hướng mới có thể thu được sóng phát từ anten. • Anten định hướng có độ lợi lớn hơn anten đẳng hướng, từ 12dBi hoặc cao hơn. • Anten định hướng có nhiều kiểu dáng và kích thước khác nhau, điển hình có các loại anten: Yagi, Patch, Backfire, Dish... • Các loại anten định hướng này rất lý tưởng cho khoảng cách xa, kết nối không dây điểm-điểm. 2/27/2017 21 ANTEN – Anten định hướng (Directional Anten – Beam Anten) Coverage area of a semidirectional Anten 2/27/2017 22 ANTEN – Anten định hướng (Directional Anten – Beam Anten) Usage of semi-directional anten 2/27/2017 23 ANTEN – Anten định hướng (Directional Anten – Beam Anten) • Highly directional: phát ra các beam tín hiệu hẹp nhất và có độ lợi cao nhất trong các loại Anten – Là thiết bị có dạng lòng chảo hay dạng đĩa, lý tưởng cho khoảng cách xa, kết nối point-to-point, có thể truyền với khoảng cách 25 dặm – Vd: Parabol disk, Anten dạng lưới – Anten highly-directional có beamwidth rất hẹp nên phải được hướng một cách chính xác vào nhau thì mới kết nối được. Radiation pattern of a highly directional Anten 2/27/2017 24 MIMO ANTENNA SYSTEMS - Hệ thống anten MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) là hệ thống gồm nhiều anten ở cả hai đầu để thực hiện truyền và nhận dữ liệu đồng thời. - Công nghệ MIMO được tích hợp trong chuẩn 802.11n cho tốc độ 300 Mbps. 25 ĐỘ LỢI (GAIN) CỦA ANTEN • Độ lợi của Anten – Đo tính có hướng của Anten – Là công suất phát ra theo 1 hướng cụ thể so với thông số chuẩn của 1 Anten đẳng hướng – Trong thực tế, việc tăng bức xạ của Anten theo 1 hướng nhất định đồng nghĩa với việc giảm bức xạ của Anten đó ở những hướng khác • Vùng ảnh hưởng (effective area) của Anten – Tùy vào kích thước vật lý và hình dạng của Anten 2/27/2017 26 ĐỘ LỢI (GAIN) CỦA ANTEN 2/27/2017 27 ĐỘ LỢI (GAIN) CỦA ANTEN • Ví dụ: Một anten phản xạ parabol (parabolic reflective Anten) với đường kính 2m, hoạt động ở tần số 12GHz. Tìm vùng ảnh hưởng (effective area) và độ lợi của anten này? 2/27/2017 28 ĐỘ LỢI (GAIN) CỦA ANTEN 퐴 = 휋푟2 = 휋 퐴푒 = 0.56퐴 = 0.56휋 (푚2) Table 5.2 푐 3×108 휆 = = = 0.025 푚 푓 12×109 Then: 4휋퐴 4휋푓2퐴 퐺 = 푒 = 푒 = 45.48(푑퐵) 휆2 푐2 2/27/2017 29 LAN TRUYỀN VÔ TUYẾN (RADIO WAVE PROPAGATION) 2/27/2017 30 LAN TRUYỀN VÔ TUYẾN • Lan truyền vô tuyến là hành vi của sóng radio khi chúng được phát từ 1 điểm đến 1 điểm khác, hoặc khi chúng di chuyển giữa những phần khác nhau trong bầu khí quyển • Vì là 1 dạng của sóng điện từ, sóng radio cũng bị ảnh hưởng bởi các hiện tượng: reflection (phản xạ), reflaction (khúc xạ), diffraction (nhiễu xạ), absorption (hấp thụ), polarization (phân cực), và scattering (tán xạ) 2/27/2017 31 LAN TRUYỀN VÔ TUYẾN • Reflection (phản xạ) – Xảy ra khi bức xạ điện từ gặp một vật cản lớn hơn nhiều so với bước sóng (vd: bề mặt trái đất, nhà cao tầng,) 2/27/2017 32 LAN TRUYỀN VÔ TUYẾN • Reflaction (khúc xạ) – Tín hiệu bị bẻ cong khi nó đi qua 1 chất liệu có mật độ khác biệt so với môi trường trước đó – Thay đổi hướng đi của sóng 2/27/2017 33 LAN TRUYỀN VÔ TUYẾN • Diffraction (nhiễu xạ) – Đường đi của sóng giữa transmitter và receiver bị cản bởi 1 vật có cạnh trơn – Sóng vòng qua vật cản 2/27/2017 34 LAN TRUYỀN VÔ TUYẾN • Scattering (tán xạ) – Khi vật cản nhỏ hơn so với bước sóng của sóng đang lan truyền (vd: cột đèn, biển báo,) – Tín hiệu bị phân tán thành nhiều đường tín hiệu có cường độ yếu hơn 2/27/2017 35 Lan truyền đa tuyến (Multipath propagation) 2/27/2017 36 Lan truyền đa tuyến (Multipath propagation) • Hiệu ứng đa tuyến xảy ta khi có nhiều đường tín hiệu của cùng một dữ liệu đến thiết bị thu • Tác động của lan truyền đa tuyến thường là tiêu cực: suy giảm (downfade), tăng cường (upfade), hoặc triệt tiêu (nulling) 2/27/2017 37 Lan truyền đa tuyến (Multipath propagation) • Suy giảm (downfade) – Làm suy hao cường độ tín hiệu – Khi nhiều đường tín hiệu RF đến receiver vào cùng thời điểm và lệch pha so với sóng chính – Lệch pha trong khoảng (120o,180o) sẽ tạo nên hiện tượng suy giảm 2/27/2017 38 Lan truyền đa tuyến (Multipath propagation) • Tăng cường (upfade) – Gia tăng cường độ tín hiệu – Khi nhiều đường tín hiệu RF đến receiver vào cùng thời điểm và cùng pha hoặc lệch pha 1 phần so với sóng chính – Lệch pha từ [0-120o] sẽ gây ra hiện tượng upfade – Lưu ý: Cường độ tín hiệu nhận được cuối cùng không bao giờ lớn hơn cường độ được phát đi ban đầu 2/27/2017 39 Lan truyền đa tuyến (Multipath propagation) • Triệt tiêu (nulling) – Khi nhiều đường tín hiệu RF đến receiver vào cùng thời điểm và lệch pha 180o so với sóng chính – Kết quả là tín hiệu RF bị triệt tiêu hoàn toàn 2/27/2017 40 CÁC CHẾ ĐỘ LAN TRUYỀN (PROPAGATION MODES) • Ground wave propagation • Sky wave propagation • Line-of-Sight propagation 2/27/2017 41 CÁC CHẾ ĐỘ LAN TRUYỀN (PROPAGATION MODES) • Ground wave propagation (< 2MHz) – Đi trên mặt đất và có thể truyền khoảng cách dài – AM(LF,MF) radio 2/27/2017 42 CÁC CHẾ ĐỘ LAN TRUYỀN (PROPAGATION MODES) • Sky wave propagation (2-30 MHz) – Sóng ngắn, bị phản xạ ở tầng điện ly – Dội lên dội xuống giữa bề mặt trái đất và tầng điện ly, di chuyển vòng quanh trái đất – Phát thanh ở phạm vi quốc tế 2/27/2017 43 CÁC CHẾ ĐỘ LAN TRUYỀN (PROPAGATION MODES) • Line-of-Sight propagation (>30MHz) – Chỉ đi theo đường thẳng 2/27/2017 44 BĂNG TẦN VÔ TUYẾN (FREQUENCY BANDS) 2/27/2017 45 LINE-OF-SIGHT (LOS) WIRELES TRANSMISSION 2/27/2017 46 LINE-OF-SIGHT (LOS) WIRELES TRANSMISSION • Các nguyên nhân chính làm suy yếu tín hiệu: – Attenuation and attenuation distortion – Free space loss – Noise – Atmospheric distortion – Multipath – Refraction 2/27/2017 47 LINE-OF-SIGHT (LOS) WIRELES TRANSMISSION – Attenuation and attenuation distortion: Cường độ tín suy giảm dần theo khoảng cách đối với mọi phương tiện truyền dẫn • Cường độ tín hiệu tại transmitter phải đủ lớn để tín hiệu được nhận biết tại receiver, nhưng không được làm quá tải mạch của transmitter hay receiver • Sóng cũng phải được duy trì ở 1 mức đủ cao hơn các tạp âm (noise) • Ở những tần số cao thì sự suy giảm càng lớn gây nên hiện tượng biến dạng 2/27/2017 48 LINE-OF-SIGHT (LOS) WIRELES TRANSMISSION – Free space loss: Trong truyền thông không dây, tín hiệu luôn bị phân tán theo khoảng cách. • Isotropic Anten: 2 2 푃푡 (4휋푑) (4휋푓푑) 푃푡 퐿 = = 2 = 2 ⇒ 퐿푑퐵 = 10푙표푔 푃푟 휆 푐 푃푟 = 20푙표푔 푓 + 20 log 푑 − 147.56푑퐵 • Other Antens: 2 2 2 2 푃푡 (4휋) (푑) (휆푑) (푐푑) 퐿 = = 2 = = 2 ⇒ 퐿푑퐵 푃푟 퐺푟퐺푡휆 퐴푟퐴푡 푓 퐴푟퐴푡 = −20 log 푓 + 20 log 푑 − 10 log 퐴푡퐴푟 + 169.54푑퐵 2/27/2017 49 LINE-OF-SIGHT (LOS) WIRELES TRANSMISSION – Free space loss: 2/27/2017 50 LINE-OF-SIGHT (LOS) WIRELES TRANSMISSION – Noise: Với bất kì việc truyền dữ liệu nào, tín hiệu nhận đều bao gồm: tín hiệu dc truyền, các biến dạng tín hiệu bị áp đặt bởi hệ thống truyền, và những tín hiệu không mong muốn trong quá trình truyền – 4 loại tạp âm (noise): • Thermal noise • Intermodulation noise • Crosstalk • Impulse noise 2/27/2017 51 LINE-OF-SIGHT (LOS) WIRELES TRANSMISSION – Noise: • Thermal noise: do sự lắc của các electron, luôn tồn tại trong các thiết bị và các phương tiện truyền dẫn, là 1 hàm nhiệt độ  không thể bị loại trừ N0 = kT (W/Hz) • Intermodulation noise: gây ra bởi các tín hiệu ở những tần số khác nhau sử dụng chung phương tiện truyền dẫn. – Là sự kết hợp giữa các tần số f1+f2+.. 2/27/2017 52 LINE-OF-SIGHT (LOS) WIRELES TRANSMISSION – Noise: • Crosstalk: là sự ghép nối không mong muốn giữa 2 đường truyền tín hiệu. Xuất hiện do các khớp nối điện bị xoắn đôi, hoặc hiếm hơn là do những đường cáp đồng trục mang nhiều tín hiệu. Crosstalk có cùng độ lớn với thermal noise • Impulse noise: không liên tục, xuất hiện khi xung đột hoặc tiếng ồn tăng đột biến trong thời gian ngắn và biên độ tương đối cao. Thông thường chỉ gây phiền toái nhỏ với tín hiệu analog – Không thể dự đoán 2/27/2017 53 LINE-OF-SIGHT (LOS) WIRELES TRANSMISSION – Atmospheric distortion: • Hơi nước và oxygen là 2 nguyên nhân chính gây nên sự suy giảm tín hiệu • Đối với hơi nước: đỉnh điểm của sự suy giảm xuất hiện lân cận của 22GHz. Những tần số dưới 15GHz thì sự suy giảm thấp • Đối với oxygen: đỉnh điểm của sự suy giảm xuất hiện lân cận của 60GHz và thấp với những tần số dưới 30GHz • Mưa và sương mù cũng là nguyên nhân gây suy giảm tín hiệu • Do đó, tại những vùng có lượng mưa đáng kể, độ dài đường truyền nên ngắn và nên sử dụng các băng thông với tần số thấp 2/27/2017 54 LINE-OF-SIGHT (LOS) WIRELES TRANSMISSION – Multipath: 2/27/2017 55 LINE-OF-SIGHT (LOS) WIRELES TRANSMISSION – Refraction: • Tín hiệu bị bẻ cong khi nó đi qua 1 chất liệu có mật độ khác biệt so với môi trường trước đó • Thay đổi hướng đi của sóng 2/27/2017 56 CƯỜNG ĐỘ TÍN HIỆU NHẬN ĐƯỢC (RSSI) • RSSI – received signal strength indicator • Các yếu tố ảnh hưởng tới RSSI tại receiver – Khoảng cách (hoặc delay): mô hình Path loss/Free Space Loss  Path attenuation (suy hao trên đường truyền) – Slow fading: hiện tượng mờ chậm hoặc shadowing (do vật cản) – Fast fading: hiện tượng mờ nhanh (do sự di động) • Hiệu ứng Doppler, Multipath 2/27/2017 57 HIỆN TƯỢNG MỜ (FADING) • Tính chất của quá trình truyền thông không chỉ được xác định bởi khái niệm suy hao (attenuation) • Suy hao có thể dao động lên xuống theo khoảng cách và thời gian  FADING • Fading xảy ra khi tín hiệu mất đi những đặc tính tự nhiên của nó và trở nên ngẫu nhiên (random) • Fading thường được mô hình hóa dưới dạng một tiến trình ngẫu nhiên (random process) 2/27/2017 58 HIỆN TƯỢNG MỜ (FADING) 2/27/2017 59 HIỆU ỨNG DOPPLER • Hiệu ứng Doppler được phát biểu như sau – Nếu sóng được phát ra từ nguồn phát cố định đến một đầu thu cố định thì tần số thu bằng tần số phát. – Nếu khoảng cách giữa đầu thu và đầu phát thay đổi trong khoảng thời gian thu sóng (thời gian sóng truyền đến đầu thu) thì bước sóng sẽ dài ra hoặc ngắn lại: ngắn lại trong trường hợp đầu thu và phát lại gần nhau và dài ra trong trường hợp ra xa nhau. 2/27/2017 60 HIỆU ỨNG DOPPLER • Hiệu ứng Doppler được phát biểu như sau – Là một yếu tố ảnh hưởng đến việc truyền tín hiệu vì khi người dùng di chuyển (gần hoặc xa) trạm bs thì tần số sóng tới máy thu sẽ thay đổi => tần số kênh truyền đến thiết bị bị thay đổi => ảnh hưởng đến việc tiếp nhận thông tin. 2/27/2017 61 HIỆN TƯỢNG TRỄ LAN TRUYỀN (DELAY SPREAD) • Tín hiệu đi thành nhiều đường do chịu một hoặc nhiều lần phản xạ • Mỗi đường có độ dài khác nhau  thời gian đến đích của từng đường là khác nhau 2/27/2017 62 HIỆN TƯỢNG TRỄ LAN TRUYỀN (DELAY SPREAD) 2/27/2017 63 INTERSYMBOL INTERFERENCE (ISI) • Hiện tượng xung đột ký hiệu/giao thoa tín hiệu • Là 1 hình thức của sự biến dạng tín hiệu trong đó biểu tượng đến sau can thiệp vào biểu tượng tới trước • Là hiện tượng không mong muốn vì các biểu tượng trước đó đang chịu tác dụng tương tự bởi tiếng ồn  thông tin liên lạc ít độ tin cậy 2/27/2017 64 INTERSYMBOL INTERFERENCE (ISI) 2/27/2017 65 COHERENCE BANWIDTH • Băng thông kết hợp • Là 1 hàm của delay spread • Sử dụng trong các hệ thống nhận tín hiệu đa dạng – Nhiều phiên bản của 1 tín hiệu được truyền trên các tần số khác nhau – Vd: hệ thống sử dụng MIMO 2/27/2017 66 COHERENCE INTERFERENCE • Xung đột kênh • Các cell ở cùng tần số xung đột lẫn nhau • rd tín hiệu muốn nhận (desired signal) • ru tín hiệu gây xung đột (undesired signal) • 훽 hệ số bảo vệ (protection ratio) 푟푑 ≤ 훽푟푢  sóng ít xung đột nhất • Nế푢 푃 푟푑 ≤ 훽푟푢 푡ℎì 푟푑 ≤ 훽푟푢 • Cochannel probability 푃퐶푂 = 푃(푟푑 ≤ 훽푟푢) 2/27/2017 67 TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT 2/27/2017 68 ĐƠN VỊ ĐO CÔNG SUẤT 2/27/2017 69 ĐƠN VỊ ĐO CÔNG SUẤT 2/27/2017 70 ĐƠN VỊ ĐO CÔNG SUẤT 2/27/2017 71 ĐƠN VỊ ĐO CÔNG SUẤT 2/27/2017 72 ĐƠN VỊ ĐO CÔNG SUẤT 2/27/2017 73 TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT • Để tính toán nhanh chóng và dễ dàng, chúng ta cần biết qui luật sau: – Qui luật 3: • -3 dB = 1/2* công suất (mW) • +3 dB = 2* công suất (mW) – Qui luật 10: • - 10 dB = 1/10 công suất (mW) • + 10 dB = 10* công suất (mW) 77 TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT • Ta có bảng đơn vị chuyển đổi như sau: Vậy thì từ biểu đồ trên ta có thể nhận thấy rằng +10 có nghĩa là nhân với 10 | -10 có nghĩa là chia cho 10 +3 có nghĩa là nhân với 2 | -3 có nghĩa là chia cho 2 78 TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT • Ví dụ1 : Chuyển từ đơn vị dBm sang W: +43 dBm = ? W – +66dBm 79 • Ví dụ2 : Chuyển từ đơn vị dBm sang W: -26 dBm = ? W 2/27/2017 80 TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT • Ví dụ 3: chẳng hạn, AP có công suất 50mw và sử dụng anten 3dB (loại Rubber Duck) thì công suất phát thực sự của AP là? • Ví dụ 4: chẳng hạn, AP có công suất 50mw và sử dụng anten -20dB (loại Rubber Duck) thì công suất phát thực sự của AP là? – 50*2 (3dB bằng gấp đôi công suất) = 100mw. 81