Bài giảng Nguyên lý truyền thông không dây - Chương 4: Lan truyền vô tuyến

Bài giảng Nguyên lý truyền thông không dây - Chương 4: Lan truyền vô tuyến, cung cấp cho người học những kiến thức như: Các đặc tính của sóng điện từ; Tốc độ, bước sóng và tần số; Phân loại sóng vô tuyến; Sự lan truyền vô tuyến; Phân loại Antenna; Các cơ chế lan truyền không dây;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Wireless Communications

Principles and Practice

Chương 4 Lan truyền vô tuyến

• Sóng vô tuyến là một dạng bức xạ

điện từ

• Bức xạ điện từ có tính chất kép:

 Trong một số trường hợp xem như sóng

 Trong các trường hợp khác được xem

như các hạt (photon)

• Đối với tần số vô tuyến, thích hợp

với mô hình sóng hơn

• Sóng điện từ có thể được tạo ra bằngnhiều phương tiện, nhưng tất cả đều

liên quan đến sự chuyển động của các điện tích.

Electromagnetic Wave (Sóng điện từ)

• Được dự đoán bởi nhà vật lý người Anh, JamesMaxwell năm 1865, và được kiểm chứng thực tế bởinhà vật lý người Đức, Heinrich Hertz, năm 1887

• Được tạo nên bởi sự rung động của dòng điện

• Sóng được tạo ra có cả từ tính và điện tính, có khả

năng lan truyền qua không gian

– Bằng việc sử dụng antenna, việc truyền và nhận sóng

điện từ qua không gian có thể thực hiện được.

– Tốc độ dao động của electron quyết định tần số sóng.

Electromagnetic Wave (Sóng điện từ)

• Bức xạ (radiation) điện từ tạo ra từ trường (MagneticField) và điện trường (Electric Field)

• Hai trường này vuông góc với nhau và hướng

di chuyển cũng vuông góc với cả 2 trường

• Mặt phẳng của điện trường sẽ

xác định sự phân cực (polarization) của sóng

Các đặc tính của sóng điện từ

• Wavelength (Bước sóng)

– Khoảng cách giữa 2 đỉnh của hình sóng

– Khoảng cách lan truyền được trong 1 chu kỳ (cycle)

– Tần số tỷ lệ nghịch với bước sóng (tần số càng cao thì bước sóng càng ngắn và ngược lại)

– Tín hiệu có bước sóng ngắn sẽ suy hao nhanh hơn khi lan truyền

cycles per second

Sóng được đặc trưng bởi tần số và bước sóng



v  f

• Biên độ truyền: biên độ

ban đầu tại transmitter

• Biên độ nhận: cường độ

sóng nhận được

Tốc độ, bước sóng và tần số

• Tốc độ ánh sáng = Bước sóng x Tần số

= 3 x 108 m/s = 300,000 km/s

Phổ điện từ - Electromagnetic Spectrum

• Phổ điện từ (Electromagnetic Spectrum) là thuật ngữ

được sử dụng để mô tả toàn bộ dải tần số của bức xạđiện từ, từ 0 đến vô cực

• Phổ (Spectrum) đại diện cho 1 quãng tần số

(frequency range)

Phổ điện từ

Sóng vô tuyến (Radio wave)

• Sóng radio là sóng điện từ có bước sóng lớn hơn 1 mm.(Sóng điện từ có tần số thấp hơn 300 GHz)

• Trong phạm vi này, sóng có thể được dùng để truyềnthông

• Hầu hết công nghệ truyền thông không dây đều dùngsóng radio, và từ ‘wireless’ và ‘radio’ thường được hiểunhư nhau

Sóng vô tuyến (Radio wave)

• Để truyền dữ liệu từ điểm này đến điểm khác, dữ liệuphải được biểu diễn dưới dạng tín hiệu:

– Điện thế chạy qua dây cáp bằng đồng.

– Xung ánh sáng truyền qua cáp quang

– Bức xạ vô tuyến truyền qua không khí

Phân loại sóng vô tuyến

Sóng dài và cực dài

Sóng trung Sóng ngắn Sóng cực ngắn

3-300kHz 0,3-3MHz 3-30MHz 30-3000MHz

100km-1km 1000m-100m 100m-10m 10m-0,01m

• Dao động điện từ tần số nhỏ  bức xạ rất yếu  không có khả năng truyền đi xa.

• Trong thông tin vô tuyến, sử dụng những sóng có tần số từ hàng nghìn hec trở lên, gọi là sóng vô tuyến.

• sóng càng ngắn (tức là tần số càng cao) thì năng lượng sóng càng lớn

Phân loại sóng vô tuyến

• Các sóng dài ít bị nước hấp thụ  được dùng để thông tin dưới nước, ít được dùng để thông tin trên mặt đất.

• Các sóng trung truyền dọc theo bề mặt của trái đất Ban ngày chúng bị tầng điện li hấp thụ mạnh, nên không truyền được xa Ban đêm, tầng điện li phản xạ các sóng trung nên chúng truyền được xa Vì vậy ban đêm nghe đài bằng sóng trung rõ hơn ban

ngày (Ground wave )

Phân loại sóng vô tuyến

• Các sóng ngắn có năng lượng lớn hơn sóng trung Chúng được tầng điện li phản xạ về mặt đất, mặt đất phản xạ lại lần thứ hai tầng điện

li phản xạ lần thứ ba v.v… Vì vậy một đài phát sóng ngắn với công suất lớn có thể truyền sóng đi mọi địa điểm trên mặt đất (Phát thanh

ở phạm vi quốc tế- Sky wave)

• Các sóng cực ngắn có năng lượng lớn nhất, không bị tầng điện li hấp thụ hoặc phản xạ, có khả năng truyền đi rất xa theo đường thẳng, và được dùng trong thông tin vũ trụ Vô tuyến truyền hình dùng các sóng cực ngắn, không truyền được xa trên mặt đất Muốn truyền hình đi xa, người ta phải làm các đài tiếp sóng trung gian, hoặc dùng vệ tinh nhân tạo để thu sóng của đài phát (Điện thoại di

động, hệ thống vệ tinh, … - Space Wave)

Phân loại sóng vô tuyến

Ground wave: Sóng mặt đất Space wave: Sóng không gian Sky wave: Sóng trời

Troposphere: tầng đối lưu Stratosphere: tầng bình lưu Mesosphere: tầng giữa

Ionosphere: tầng điện ly

Dải tần số ứng dụng trong phương tiện

truyền thông vô tuyến.

Dải tần Tên Dữ liệu tương tự Dư liệu số Ứng dụng

Sự biên thiên

Độ rộng dải tần

Sự điều biến

Tốc độ dữ liệu

<20KHz ELF Tiếng nói, kênh thoại

Băng thông - Bandwidth

• Bandwidth (BW)

• – Là sự khác biệt giữa tần số mức cao và tần số mức

• thấp trong 1 dải tần số liên tục

SỰ LAN TRUYỀN VÔ TUYẾN

(RADIO PROPAGATION)

• Một anten là 1 thiết bị dẫn hoặc 1 hệ thống thiết bị dẫn

có thể làm những việc sau:

– Truyền (Transmission) – phát năng lượng

điện từ vào không khí

– Nhận (Reception) – thu thập năng lượng điện từ từ không

khí

• Trong 1 hệ thống truyền thông 2 chiều, 1 anten có thểđược sử dụng để truyền và nhận

Phân loại Antenna

• Anten đẳng hướng (Isotropic antenna)

– Phát ra năng lượng như nhau theo mọi hướng

• Anten lưỡng cực (Dipole antenna)

– Half-wave dipole antenna (hoặc Hertz antenna)

– Quarter-wave verticalantenna (hoặc Marconi antenna)

• Anten định hướng (Directional Antenna)

Phân loại Antenna

Các cơ chế lan truyền không dây

• Lan truyền không dây là các “hành vi” của sóng vô

tuyến khi được truyền, hoặc lan truyền từ điểm này đếnđiểm khác trên mặt đất, hoặc vào những vùng khácnhau của bầu khí quyển

• Khi sóng radio gặp vật cản, những hiệu ứng lan truyền

sau xảy ra với sóng:

– Reflection (phản xạ)

– Refraction (khúc xạ)

– Diffraction (nhiễu xạ)

– Scattering (tán xạ)

Các cơ chế lan truyền không dây

• Phản xạ (Reflection)

– Xảy ra khi bức xạ điện từ gặp một vật cản lớn hơn nhiều so với bước sóng (chẳng hạn: bề mặt trái đất, nhà cao tầng, …).

Các cơ chế lan truyền không dây

• Khúc xạ (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.

Các cơ chế lan truyền không dây

• Nhiễu xạ (Diffraction)

– Đường đi giữa transmitter và receiver bị cản bởi

1 vật có cạnh trơn.

– Sóng vòng qua vật cản, ngay cả khi tầm nhìn thẳng (Line

of Sight – LoS) không tồn tại

Các cơ chế lan truyền không dây

• Tán xạ (Scattering)

– Khi vật thể nhỏ hơn so với bước sóng của sóng

đang lan truyền (chẳng hạn: biển báo, cột đèn, …)– Tín hiệu bị phân tán thành nhiều đường tín hiệu cócường độ yếu hơn

Lan truyền đa tuyến (Multipath)

• Hiệu ứng đa tuyến xảy ra khi có nhiều đường tín

• hiệu của cùng 1 dữ liệu đến thiết bị thu

• Tác động của hiệu ứng đa tuyến thường là tiêu cực

Lan truyền đa tuyến (Multipath)

• Downfade (suy giảm)

– 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 khoảng121 và 179 độ

sẽ tạo nên hiện tượng suy giảm

Lan truyền đa tuyến (Multipath)

• Upfade (tăng cường)

– 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 với sóng chính

– Lệch pha từ 0 đến 120 độ sẽ gây ra hiện tượng upfade.

– Cường độ tín hiệu nhận được cuối cùng không bao giờ lớn hơn cường độ tín hiệu phát đi ban đầu.

Lan truyền đa tuyến (Multipath)

• Nulling (triệt tiêu)

– Kết quả gây ra: triệt tiêu tín hiệu.

– Khi nhiều đường tín hiệu RF đến receiver cùng thời điểm và lệch pha 180 độ so với sóng chính.

– Tín hiệu RF bị triệt tiêu hoàn toàn.

Các cơ chế lan truyền không dây

Phân loại đường đi của tín hiệu vô tuyến:

1 Đường đi thẳng

2 Đường phản xạ

3 Đường tán xạ

4 Đường nhiễu xạ

Các cơ chế lan truyền không dây

• Kết quả của các cơ chế lan truyền là 3 hiệntượng gần như độc lập nhau:

• Suy hao trên đường truyền - Path loss

• Hiện tượng mờ dần - Slow fading (shadowing)

• Hiện tượng mờ nhanh – Fast fading (multipath fading)

Cường độ tín hiệu nhận được - RSSI

• Suy hao (Loss/Attenuation): Là hiện tượng suy giảm

cường độ tín hiệu sau quá trình truyền tải – cường độ tín hiệu đo được ở 1 thời điểm bất kỳ thấp hơn so với cường độ đo ở 1 thời điểm trước đó

• Cường độ tín hiệu nhận được (Received Signal

Strength Indicator – RSSI): Cường độ tín hiệu tại thiết

bị thu

Cường độ tín hiệu nhận được - RSSI

• Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ tín hiệu tại

receiver

– Khoảng cách (mô hình Path Loss Model)

⇒ suy hao trên đường truyền

– Slow fading (hiện tượng mờ chậm) hoặc Shadowing (do vật

Mô hình lan truyền không dây

• Một mô hình lan truyền không dây (radio propagation

model) là một mô hình toán học được xây dựng để mô

tả quá trình lan truyền vô tuyến dưới dạng hàm của tần

số, khoảng cách và các điều kiện khác

• Các mô hình được sử dụng để dự đoán năng lượngnhận được hoặc việc suy hao trên đường truyền gây rabởi các hiệu ứng refraction, reflection, scattering, …

Phân loại mô hình lan truyền không dây

• Mô hình Đường nhìn thẳng (Line-of-Sight Model )

– Free Space Model (Mô hình không gian tự do)

– Path Loss Model (Mô hình suy hao trên đường truyền)

- Mô hình lan truyền phạm vi rộng

– Mô hình lan truyền phạm vi hẹp

• Mô hình thực nghiệm (Empirical Model)

– Mô hình cho môi trường ngoài trời

– Mô hình cho môi trường trong nhà

Mô hình lan truyền vô tuyến

Mô hình Free Space Propagation

• Dùng để dự đoán cường độ tín hiệu nhận được khitransmitter và receiver có đường line-of- sight (LOS)

rõ ràng và không bị che khuất

– Vd: satellite, kết nối microwave line-of-sight.

• Mô hình free space dự đoán rằng mức năng lượng nhậnđược suy giảm theo 1 hàm khoảng cách (d) giữa thiết

bị phát và thiết bị thu (T-R)

• Năng lượng sẽ giảm:

– Tương ứng với d 2

– Tỉ lệ nghịch với λ 2

Mô hình Free Space Propagation

• Công thức Friis biểu diễn mối liên hệ giữa năng lượng

truyền và năng lượng nhận:

Mô hình Free Space Propagation

• Pt = cường độ tín hiệu tại anten phát

• Pr = cường độ tín hiệu tại anten thu

• λ = bước sóng của sóng mang (m)

• Gt = mức khuếch đại (gain) của anten phát

• Gr = mức khuếch đại (gain) của anten thu

• d = khoảng cách giữa các anten (T-R) đo bằng mét (>0)

• L : tham số suy hao của hệ thống do suy hao trên đường truyền, suy hao do các bộ lọc, suy hao của anten (L >= 1)

– L = 1 nghĩa rằng không có suy hao do phần cứng.

Free Space Propagation Model

• Trong thực tế, công suất có thể được đo tại d0 và dự báo tại d

Với d>= d0 >= df

df là khoảng cách Fraunhofer với: df =2D2/

D là kích thước tuyến tính vật lý lớn nhất của ăng ten

49

• Trong hệ thống truyền thông, không hiếm để chỉ rarằng Pr có thể thay đổi theo thứ tự khoảng cách trênvùng bao phủ điển hình hàng km2 Thông thường đơn

vị dBm và dBW được sử dụng để biểu diễn các mứccông suất nhận

• Nếu Pr là một đơn vị dBm thì:

• Pr(d0) có đơn vị là watts

Ví dụ 1

• Find the Far – field distance (df) ?

- Maximum dimension : 1 m

- Operating frequency : 900 mHz

Giải

Path Loss

• Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu vô tuyến mà

thủ phạm chính là Suy hao đường truyền (Path

• Tín hiệu giảm tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách từ nguồn của các tín hiệu vô tuyến trong không gian tự do.

Path loss

• Path Loss là sự suy giảm mật độ công suất(attenuation) của sóng truyền dẫn vô tuyến khi lantruyền thông qua một môi trường trên một khoảngcách

Mô hình Path Loss

• Path Loss (Suy hao trên đường truyền): Mức

suy hao tín hiệu được đo bằng dB và là đại lượng >0, được định nghĩa là sự khác nhau giữa mức năng lượng hiệu dụng phát ra bởi transmitter và mức năng lượng nhận được.

• Cường độ tín hiệu suy giảm theo hàm mũ của khoảng cách d giữa transmitter và receiver;

• Tùy theo môi trường, mức độ suy hao tỉ lệ với một giá trị trong khoảng d2 và d4

Free-space path loss formula

• Phương trình này chỉ chính xác trong trường xa nơi hình cầu

mở rộng có thể được giả định Nó không giữ gần máy phát.

Free-space path loss in decibels

Free-space path loss in decibels

• Đối với các ứng dụng vô tuyến điển hình: f đo bằng đơn vị GHz; d đo bằng km Trong trường hợp đó phương trình FSPL trở thành:

• Với d, f tương ứng là m và kHz, hằng số trở thành -87,55.

• Với d, f tương ứng là m và MHz, hằng số trở thành -27,55.

• Với d, f tương ứng là km và MHz, hằng số trở thành 32,45.

Ta thấy: khi mà tần số tăng lên, suy hao truyền dẫn không gian tự

do (giảm về công suất tín hiệu) tăng lên với cùng khoảng cách.

Ví dụ

Công suất của bộ phát là 50Watts, biểu diễn công suấttruyền trong đơn vị (a) dBm và (b) dBW Nếu 500Watts được áp dụng cho bộ khuếch đại ăng-ten với tần

số 900MHz Tìm năng lượng nhận trong dBm vớikhoảng cách không gian tự do là 100m từ ăng – ten

Pr(10km) =? Với bộ khuếch đại anten phát/nhận là 1

Có:

Pt = 50 W fc=900MHz

Gt,Gr = 1 L = 1

d0=100 d =10 km

Sử dụng công thức:

Năng lượng nhận áp dụng công thức:

Năng lượng nhận tại 10km biểu diễn trong dBm sử dụng công thức:

Ví dụ

a Xác định suy hao không gian tự do đẳng hướng ở 4 GHz cho

đường ngắn nhất đến vệ tinh từ trái đất là 35.863 km.

b Giả sử khuếch đại ăng-ten của vệ tinh và ăng-ten mặt đất là

44 dB và 48 dB, space free path loss (PL) = ?

c Giả sử công suất phát là 250W tại các trạm mặt đất.

Hỏi công suất nhận được (Pr) tại các ăng-ten vệ tinh?

Giả sử bộ thu ở 10km từ bộ phát 50W Tần số 900MHz,giả sử lan truyền không gian tự do, Gt=1 và Gr = 2 Tìmnăng lượng tại bộ thu?

Có công thức:

Năng lượng nhận tại khoảng cách d=10km là:

Mô hình Line of Sight

• Các mô hình line of sight (LOS) đơn giản, chẳng hạn như mô hình free space, không tính đến nhiều yếu tố thực tế, vd như:

Lan truyền mặt đất (Land Propagation)

• Một kênh truyền thông di động mặt đất (land mobileradio channel) được xác định khi một phiên truyềnthông từ/đến một trạm cố định (base station – BS)đến/từ một trạm di động (mobile station – MS); nó trởthành một kênh lan truyền đa tuyến có suy giảm tựnhiên (fading.)

• Tín hiệu (signal) đến đích theo nhiều đường đi do cáchiệu ứng/cơ chế lan truyền trên đường truyền, vd nhưphản xạ, nhiễu xạ, tán xạ, …

Lan truyền mặt đất (Land Propagation)

• Cường độ tín hiệu nhận được (RSSI) và thời gian đếnđích của thông tin có thể khác biệt nhau tùy vào môitrường

• Việc lan truyền sóng trong kênh đa tuyến (multipathchannel) phụ thuộc vào môi trường thực tế, kể cả cácyếu tố như chiều cao của anten, nhà cửa, đường sá, địahình

• Cần mô tả hoạt động của kênh truyền di động bằng một

cơ chế phù hợp

Lan truyền mặt đất (Land Propagation)

• Cường độ tín hiệu nhận được:

• Việc lan truyền sóng trong kênh di động được mô hìnhhóa bằng ba yếu tố: path loss, slow fading (shadowing),

và fast fading Hàm lan truyền L được mô tả như sau:

Hiện tượng mờ (Fading)

• Tính chất của quá trình truyền không chỉ đượcxác 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 tựnhiên của nó và trở nên ngẫu nhiên (random)

• Fading thường được mô hình hóa dướidạng một tiến trình ngẫu nhiên (random process)

Fading

Delay Spread-Hiện tượng trễ lan truyền

• Khi tín hiệu lan truyền từ transmitter đến receiver, tín hiệu đó chịu một hoặc nhiều lần phản xạ.

• Điều này làm cho tín hiệu đi thành nhiều đường.

• Mỗi đường có độ dài khác nhau, nên thời gian đến đích trên từng đường là khác nhau

• Hiệu ứng trải tín hiệu ra này được gọi là

“Delay Spread”.