Lan truyền vô tuyến (Radio Wave Propagation) GV: TS. Trần Thị Minh Khoa Email: ttmk84@gmail.com Agenda • Sóng điện từ (Electromagnectic wave) – Sóng vô tuyến (Radio wave) • Antenna – 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 12/27/2022 – Department of Computer Science 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. 12/27/2022 – Department of Computer Science 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) 12/27/2022 – Department of Computer Science 4 Sóng điện từ (Electromagnectic wave) 12/27/2022 – Department of Computer Science 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) 12/27/2022 – Department of Computer Science 6 Sóng điện từ (Electromagnectic wave) • Tốc độ = bước sóng * tần số 12/27/2022 – Department of Computer Science 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 12/27/2022 – Department of Computer Science 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) • 12/27/2022 – Department of Computer Science 9 Antenna • Antenna là thiết bị điện có nhiệm vụ chuyển năng lượng điện từ thành sóng vô tuyến, và ngược lại – Nhận: antenna 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: antenna lấy tín hiệu tần số cao RF trên đường truyền dẫn (cable), sau đó bức xạ vào không khí thành sóng điện từ 12/27/2022 – Department of Computer Science 10 Antenna • Có 2 loại antenna chính – Antenna đẳng hướng (Isotropic antenna – Omnidirectional antenna) – Antenna định hướng (Directional antenna – Beam antenna) 12/27/2022 – Department of Computer Science 11 Antenna – Antenna đẳng hướng (Isotropic antenna – Omnidirectional antenna) • Trường hợp lý tưởng của 1 antennana không bị suy hao (lossless antennana) • Phát ra năng lượng như nhau theo mọi hướng xung quanh trục của nó được sử dụng khi có nhu cầu bao phủ xung quanh theo mọi hướng của trục hoành – Vd: đặt 1 antenna omnidirectional ở giữa 1 phòng rộng sẽ cho vùng bao phủ tốt nhất • Trên thực tế thì tất cả các loại antenna có một độ lợi nào đó so với bức xạ đẳng hướng 12/27/2022 – Department of Computer Science 12 Antenna – Antenna đẳng hướng (Isotropic antenna – Omnidirectional antenna) Coverage area of a omnidirectional antenna Half-wave Dipole antenna Vertical antenna (Whip antenna, Monopole antenna) 12/27/2022 – Department of Computer Science 13 Antenna – Antenna định hướng (Directional antenna – Beam antenna) • Tập trung năng lượng của chúng tạo thành một hình nón được gọi là Beam (tia) • Semidirectional: tập trung năng lượng từ bộ phát của chúng theo 1 hướng nào đó, có vùng bao phủ hình bán cầu hay hình trụ – Một số kiểu semidirectional antenna thường được sử dụng trong WLAN: Patch, Panel, và Yagi - Lý tưởng cho việc kết nối ở khoảng cách ngắn và trung bình 12/27/2022 – Department of Computer Science 14 Antenna – Antenna định hướng (Directional antenna – Beam antenna) Coverage area of a semidirectional antenna 12/27/2022 – Department of Computer Science 15 Antenna – Antenna định hướng (Directional antenna – Beam antenna) • Highly directional: phát ra các beam tín hiệu hẹp nhất và có độ lợi cao nhất trong các loại antenna – 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, antenna dạng lưới – Antenna 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 antenna 12/27/2022 – Department of Computer Science 16 Độ lợi (Gain) của antenna • Độ lợi của antenna – Đo tính có hướng của antenna – Là công suất phát ra theo 1 hướng cụ thể so với thông số chuẩn của 1 antenna đẳng hướng – Trong thực tế, việc tăng bức xạ của antenna theo 1 hướng nhất định đồng nghĩa với việc giảm bức xạ của antenna đó ở những hướng khác • Vùng ảnh hưởng (effective area) của antenna – Tùy vào kích thước vật lý và hình dạng của antenna 12/27/2022 – Department of Computer Science 17 Độ lợi (Gain) của antenna 12/27/2022 – Department of Computer Science 18 Độ lợi (Gain) của antenna • Ví dụ: Một anten phản xạ parabol (parabolic reflective antenna) với đường kính 2m, hoạt động ở tần số 12GHz. Tìm vùng ảnh hưởng (effective area) và độ lợi của anten này? 12/27/2022 – Department of Computer Science 19 Độ lợi (Gain) của antenna 𝐴 = 𝜋𝑟 2 = 𝜋 𝐴𝑒 = 0.48(𝑑𝐵) 12/27/2022 – Department of Computer Science 20 LAN TRUYỀN VÔ TUYẾN (RADIO WAVE PROPAGATION) 12/27/2022 – Department of Computer Science 21 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) 12/27/2022 – Department of Computer Science 22 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,…) 12/27/2022 – Department of Computer Science 23 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 12/27/2022 – Department of Computer Science 24 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 12/27/2022 – Department of Computer Science 25 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 12/27/2022 – Department of Computer Science 26 Lan truyền đa tuyến (Multipath propagation) 12/27/2022 – Department of Computer Science 27 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) 12/27/2022 – Department of Computer Science 28 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 12/27/2022 – Department of Computer Science 29 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 12/27/2022 – Department of Computer Science 30 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 12/27/2022 – Department of Computer Science 31 Các chế độ lan truyền (Propagation Modes) • Ground wave propagation • Sky wave propagation • Line-of-Sight propagation 12/27/2022 – Department of Computer Science 32 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 12/27/2022 – Department of Computer Science 33 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 12/27/2022 – Department of Computer Science 34 Các chế độ lan truyền (Propagation Modes) • Line-of-Sight propagation (>30MHz) – Chỉ đi theo đường thẳng 12/27/2022 – Department of Computer Science 35 Băng tần vô tuyến (Frequency Bands) 12/27/2022 – Department of Computer Science 36 Line-of-Sight (LOS) Wireles Transmission 12/27/2022 – Department of Computer Science 37 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 12/27/2022 – Department of Computer Science 38 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 12/27/2022 – Department of Computer Science 39 Line-of-Sight (LOS) Wireles Transmission – Free space loss: Trong truyền thông không dây, tín hiệu luôn bị phân tán theo khoảng cách. • Isotropic antenna: 𝑃𝑡 (4𝜋𝑑)2 (4𝜋𝑓𝑑)2 𝑃𝑡 𝐿= = = ⇒ 𝐿𝑑𝐵 = 10𝑙𝑜𝑔 𝑃𝑟 𝜆2 𝑐2 𝑃𝑟 = 20𝑙𝑜𝑔 𝑓 + 20 log 𝑑 − 147.56𝑑𝐵 • Other antennas: 𝑃𝑡 (4𝜋)2 (𝑑)2 (𝜆𝑑)2 (𝑐𝑑)2 𝐿= = = = 2 ⇒ 𝐿𝑑𝐵 𝑃𝑟 𝐺𝑟 𝐺𝑡 𝜆2 𝐴𝑟 𝐴𝑡 𝑓 𝐴𝑟 𝐴𝑡 = −20 log 𝑓 + 20 log 𝑑 − 10 log 𝐴𝑡 𝐴𝑟 + 169.