Đặng Thanh Bình Chương 2 Sự lan truyền vô tuyến
Nội dung Sóng vô tuyến (Radio wave) Sự lan truyền sóng vô tuyến Antenna Các cơ chế lan truyền (Propagation Mechanism) Các mô hình lan truyền (Propagation Model)
SÓNG VÔ TUYẾN (RADIO WAVE)
Electromagnetic Wave (Sóng điện từ) Được dự đoán bởi nhà vật lý người Anh, James Maxwell năm 1865, và được kiểm chứng thực tế bởi nhà 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 (Magnetic Field) 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) Frequency (Tần số) Amplitude (Biên độ) Phase (Pha)
Các đặc tính của sóng điện từ
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
Các đặc tính của sóng điện từ Frequency (Tần số) Số lượt dao động của sóng trong 1 giây 1 hertz (Hz) = 1 cycle per second 1 kilohertz (KHz) = 1,000 cycles per second 1 megahertz (MHz) = 1,000,000 (million) cycles per second 1 gigahertz (GHz) = 1,000,000,000 (billion) cycles per second
Các đặc tính của sóng điện từ Amplitude (Biên độ) Cường độ/mức năng lượng của tín hiệu λ là bước sóng y là biên độ (amplitude) Biên độ truyền Biên độ ban đầu tại transmitter Biên độ nhận Cường độ sóng nhận được
Các đặc tính của sóng điện từ Phase (Pha) Sự khác biệt (đo bằng độ) giữa các sóng hình sin chồng lên nhau Lệch pha (Out of phase) Đo từ 0-360 độ 0 cùng pha (in phase) 90 lệch pha ¼ (quarter out of phase) 180 hủy tín hiệu ban đầu (cancels out original)
Tốc độ, bước sóng và tần số Tốc độ ánh sáng = Bước sóng x Tần số = 3 x 10 8 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 xạ điện từ, từ 0 đến vô cực (infinity) 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 dung để truyền thông. Hầu hết công nghệ truyền thông không dây đều dùng sóng radio, và từ wireless và radio thường được hiểu như nhau.
Sóng vô tuyến (Radio wave) Để truyền dữ liệu từ điểm này đến điểm khác, dữ liệu phải 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 Ground wave (<2 MHz): Sóng có tần số thấp Đi trên mặt đất và có thể truyền khoảng cách dài AM(LF,MF) radio. Sky wave (2 30 MHz): sóng ngắn, bị phản xạ ở tầng điện ly. Dội lên và xuống giữa bề mặt trái đất và tầng điện ly, di chuyển vòng quanh thế giới Phát thanh ở phạm vi quốc tế Space Wave (>30 MHz): sóng có tần số cao (>30MHz) và chỉ đi theo đường thẳng (line of sight). Điện thoại di động, hệ thống vệ tinh,
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
Băng tần vô tuyến
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)
Antenna Một anten là 1 thiết bị dẫn hoặc 1 hệ thống thiết bị dẫn (conductor) 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 thể được 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 vertical antenna (hoặc Marconi antenna) Anten định hướng (Directional Antenna)
Phân loại 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 đến điểm khác trên mặt đất, hoặc vào những vùng khác nhau của bầu khí quyển. Khi sóng radio gặp vật cản, những hiệu ứng lan truyền (propagation effect) 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 có cường độ yếu hơn.
Lan truyền đa tuyến (Multipath)
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 khoảng 121 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
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 hiện tượng 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 (hoặc delay) (mô hình Path Loss Model) 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 Lệch pha
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 lượng nhận được hoặc việc suy hao trên đường truyền gây ra bởi các hiệu ứng refraction, reflection, scattering,
Phân loại mô hình lan truyền không dây Line-of-Sight Model (Mô hình Đường nhìn thẳng) Free Space Model (Mô hình không gian tự do) Path Loss Model (Mô hình suy hao trên đường truyền) Land Propagation Model (Mô hình lan truyền mặt đất) Mô hình lan truyền phạm vi rộng Mô hình lan truyền phạm vi hẹp Empirical Model (mô hình thực nghiệm) Mô hình cho môi trường ngoài trời Mô hình cho môi trường trong nhà
Mô hình lan truyền vô tuyến - Mục tiêu
Mô hình Free Space Propagation Dùng để dự đoán cường độ tín hiệu nhận được khi transmitter và receiver có đường line-ofsight (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 nhận được 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
Mô hình Free Space Propagation Mức năng lượng nhận được bởi 1 anten ở phía nhận (công thức free space Friis)
Mô hình Free Space Propagation P t = cường độ tín hiệu tại anten phát P r = cường độ tín hiệu tại anten thu λ = bước sóng của sóng mang (m) G t = mức khuếch đại (gain) của anten phát G r = 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.
Mô hình Path Loss Path Loss (Suy hao trên đường truyền): Mức suy hao tín hiệu được đo bằng db và là 1 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 d 2 và d 4
Mô hình Path Loss Định nghĩa path loss
Mô hình Line of Sight Vấn đề 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: Địa hình gồ ghề Các tòa nhà Phản xạ Sự di động Che chắn ĐỘ CHÍNH XÁC THẤP Giải pháp: Mô hình thực nghiệm (Empirical Model)
Lan truyền mặt đất (Land Propagation) Một kênh truyền thông di động mặt đất (land mobile radio channel) được xác định khi một phiên truyền thông từ/đến một trạm cố định (base station BS) đến/từ một trạm di động (mobile station MS); nó trở thành một kênh lan truyền đa tuyến có suy giảm tự nhiên (fading.) Tín hiệu (signal) đến đích theo nhiều đường đi do các hiệu ứng/cơ chế lan truyền trên đường truyền, vd như phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ,
Lan truyền mặt đất (Land Propagation) Cường độ tín hiệu nhận được (RSSI) và thời gian đến đích của thông tin có thể khác biệt nhau tùy vào môi trường Việc lan truyền sóng trong kênh đa tuyến (multipath channel) phụ thuộc vào môi trường thực tế, kể cả các yếu tố như chiều cao của anten, nhà cửa, đường sá, địa hình. 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 hình hóa 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 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)
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.
Tác động của tốc độ di chuyển
Delay Spread
Intersymbol Interference (ISI) Hiện tượng xung đột ký hiệu/giao thoa tín hiệu Được tạo ra do nhiều đường tín hiệu đến đích không cùng lúc với nhau. Tín hiệu của đường đến sau được nhận trong lúc nhận symbol kế tiếp Tác động lên mức độ lỗi burst của channel Với bit-error-rate (BER) thấp R (tốc độ truyền) bị giới hạn bởi delay spread R 1 2 d d
Intersymbol Interference (ISI) Transmission signal 1 1 Time 0 Received signal (short delay) Time Propagation time Received signal (long delay) Delayed signals Time
Coherence Bandwidth Băng thông kết hợp B c : Thể hiện sự tương quan (correlation) giữa 2 tín hiệu fading ở tần số f 1 và f 2. Là 1 hàm của delay spread. Sử dụng trong các hệ thống nhận tín hiệu diversity (đa dạng) Nhiều phiên bản của thông điệp được truyền trên các tần số khác nhau. Chẳng hạn, hệ thống sử dụng MIMO
Xung đột kênh - Cochannel Interference Các tế bào (cell) có cùng tần số xung đột lẫn nhau. r d là tín hiệu muốn nhận (desired signal) r u là tín hiệu gây xung đột (undesired signal) là hệ số bảo vệ (protection ratio), trong đó r d r u (nhờ thế sóng ít xung đột nhất) Nếu P(r d r u ) thì r d r u, Cochannel probability P co = P(r d r u )