Chapter 02 ANTEN & CÁC THIẾT BỊ PHỤ TRỢ

Mục tiêu Nhiệm vụ của anten Đề cập đến các loại anten được sử dụng trong WLAN. Các thuộc tính của từng loại anten. Các thiết bị phụ trợ trong WLAN Bộ khuếch đại. Bộ giảm tín hiệu. Bộ tách….

Nội dung Nguyên lý hoạt động của anten. Anten vô tuyến Các thiết bị cấp nguồn Các thiết bị phụ trợ trong WLAN. Tính toán công suất của anten.

Nguyên lý hoạt động của anten Anten chuyển đổi năng lượng điện sang sóng vô tuyến đối với anten phát hay chuyển đổi sóng vô tuyến sang năng lượng điện đối với anten nhận. Kích thước vật lý (hay chiều dài) của anten liên quan trực tiếp đến tần số mà anten có thể thu hay phát sóng.

Line of Sight (LOS) Là sự biến thiên của độ khúc xạ, nhiễu xạ, phản xạ, là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến hiện tượng truyền dẫn đa đường mà kết quả của nó là tổn hao tín hiệu sóng.

Fresnel Zone Miền Fresnel là miền gồm có các hình elip đồng tâm xung quanh đường LOS. Các đối tượng trong miền Fresnel như cây, đỉnh đồi, và các tòa nhà có thể nhiễu xạ hoặc phản xạ các tín hiệu chính từ các thiết bị nhận và làm thay đổi RF LOS.

Multipath-Fading Multipath-Fading là một hiện tượng rất phổ biến trong truyền thông không dây gây ra do hiện tượng đa đường (Multipath) dẫn tới suy giảm cường độ và xoay pha tín hiệu (fading) không giống nhau tại các thời điểm hoặc/và tại các tần số khác nhau.

Độ khuếch đại của anten Độ khuếch đại anten là kết quả việc tập trung phát sóng vô tuyến vào một chùm hẹp hơn. Bằng việc giới hạn độ rộng chùm (beamwidth) tính theo độ ngang (horizontal) và độ dọc (vertical) mà vẫn giữ nguyên công suất phát sẽ cho một sóng vô tuyến được phát đi xa hơn.

Dạng bức xạ (Radiator) Là sự khác nhau về góc bức xạ ở một khoảng cách cố định từ anten. Anten thường có vùng bức xạ chính (main lobe) hay chùm bức xạ (beam) chính là hướng có độ khuếch đại lớn nhất.

Búp sóng (Beamwidth) Búp sóng là độ rộng của tia tín hiệu RF mà anten phát ra. Búp sóng dọc được đo theo độ và vuông góc với mặt đất, còn búp sóng ngang cũng được đo theo độ và song song với mặt đất. Việc làm hẹp hay tập trung các búp sóng của anten sẽ làm tăng độ lợi (gain) của anten.

Sự phân cực (Polarization) Sự phân cực là huớng vật lý của anten theo phương ngang (horizotal) hay dọc (vertical). Phân cực dọc thường được sử dụng trong mạng Wi-Fi (WLAN) là vuông góc với mặt phẳng của trái đất. Phân cực ngang là song song với mặt đất.

Trở kháng (Impedance) Trở kháng là tỷ số của tổng công suất phát ra bởi anten so với công suất từ trạm phát (nối với anten) được chấp nhận bởi anten. Tất cả các thiết bị RF, đường truyền (cáp), anten đều có trở kháng, chính là tỷ số giữa điện áp và dòng điện. Khi anten được kết nối với một đoạn cáp, nếu trở kháng đầu vào của anten trùng khớp với trở kháng của radio và đường truyền thì tổng công suất được truyền từ radio đến anten là tối đa.

Anten vô tuyến. Anten là thiết bị được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu tần số cao (RF) trên đường truyền dẫn sang dạng sóng để phát vào không khí. Có 2 loại anten chính: Đẳng hướng – vô hướng (Omni-directional). Định hướng – có hướng (Semi-directional). Định hướng cao (Highly-directional).

Anten Đẳng Hướng (Omni-directional) Anten đẳng hướng 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. Các loại anten đẳng hướng: Rubber Duck, Omni-directional, Celing Dome, Small Desktop, Mobile Vertical, Ceiling Dome...

Anten Đẳng Hướng (Omni/Dipole-directional)

Anten Đẳng Hướng (Omni/Dipole-directional)

Anten định hướng (Semi-directional). 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.

Anten định hướng (Semi-directional). Anten Yagi là loại anten định hướng rất phổ biến bởi vì chúng dễ chế tạo (do 2 người Nhật là Hidetsugu Yagi và Shintaro Uda chế tạo vào năm 1926)

Anten định hướng- Anten Patch

Usage of semi-directional antenna

Định hướng cao (Highly-directional). Anten định hướng cao là anten để truyền tải với một chùm tia rất hẹp. Những loại ăng-ten này thường giống như các đĩa vệ tinh. Chúng thường được gọi là anten parabol hoặc anten lưới. Chúng chủ yếu sử dụng cho kết nối PtP hoặc PtMP.

Định hướng cao (Highly-directional).

Anten hình cánh quạt (sectorized) Anten cánh quạt là anten hoạt động theo hướng back to back với một anten hình cánh quạt khác.

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.

Các thiết bị phụ trợ trong WLAN Bộ khuếch đại: Tín hiệu từ Anten đưa vào bộ khuếch đại được bộ khuếch đại lọc nhiễu, tái tạo lại tín hiệu và đưa ra đầu ra.

Các thiết bị phụ trợ trong WLAN Bộ giảm tín hiệu: là thiết bị làm giảm biên độ của tín hiệu vô tuyến nhưng không làm méo dạng sóng, ngược lại với bộ khuếch đại.

Các thiết bị phụ trợ trong WLAN Bộ thu lôi: Bộ thu lôi được sử dụng để chuyển hướng dòng điện gây ra bởi sét xuống mặt đất. Nó cũng được sử dụng để bảo vệ phần cứng WLAN như AP, Bridge hay Wireless Workgroup Bridge được kết nối vào đường truyền đồng trục. Đường truyền đồng trục rất dễ bị ảnh hưởng bởi sét đánh ở các vùng lân cận.

Các thiết bị phụ trợ trong WLAN Bộ tách sóng: Một bộ tách RF là một thiết bị có một đầu input và nhiều output. Nó được sử dụng nhằm mục đích chia một tín hiệu thành nhiều tín hiệu độc lập. Việc sử dụng bộ tách thường xuyên trong mạng WLAN là không được khuyến khích.

Tính toán công suất Có 4 thông số cần tính trong mạng WLAN gồm : Công suất tại bộ phát sóng Độ suy hao và độ khuếch đại của các thiết bị kết nối giữa bộ phát sóng và angten như cáp, đầu nối, bộ khuếch đại , bộ suy hao và bộ tách. Công suất tại đầu nối cuối cùng trước khi vào angten (bộ bức xạ định hướng). Công suất tại thành phần angten (EIRP).

Tính toán công suất Giới thiệu đơn vị đo đầu tiên W (Watt) đơn vị đo cơ bản của công suất là Watt (W). 1W = 1V * 1A FCC chỉ cho phép công suất 4 W được phát ra từ Angten trong kết nối WWAN. ( Điểm nối điểm )hoạt động trong băng tần 2.4 GHz và với công suất này một tín hiệu sóng có thể truyền đi xa đếm 1,6 km Miliwatt (mW) 1 W= 1000 mW

- Decibel (dB): The decibel is a comparative measurement value - Decibel (dB): The decibel is a comparative measurement value. It is a measurement of the difference between two power levels. - dBm: The dBm represents an absolute measurement of power where the m stands for milliwatts - dBi : The dBi (the i stands for isotropic) represents a measurement of power gain used for RF antennas. - dBd: The dBd is a calculation of directional gain compared to a dipole antenna

Tính toán công suất Đơn vị dB hoặc dBm Đơn vị đo lường độ khuếch đại và suy hao chúng ta phải sử dụng đến đơn vị dB hoặc dBm (decibel) là một đơn vị tương đối. (chữ m: tham chiếu đến 1 mW). Qui ước: 1mW = 0 dBm.

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)

Tính toán công suất Ta có bảng đơn vị chuyển đổi như sau: Từ biểu đồ trên ta có thể nhận thấy rằng + 10 có nghĩa là nhân với 10 còn +3 có nghĩa là nhân với 2.

Vd 1 Ví dụ1 : Chuyển từ đơn vị dBm sang W: +43 dBm = ? W Ta có: 43 = 0 + 10 + 10 + 10 +10 + 3 Vậy suy ra: 10 dBm đầu tiên dựa vào bảng sẽ là 10 mW Tiếp theo, ta cứ nhân tiếp tục vì nó tiếp tục + 10, suy ra: 1 mW x 10 = 10 mW 10mW x 10 = 100 mW 100 mW x10 = 1000mW 1000mW x 10 = 10,000 mW 10,000mW x2 = 20,000 mW = 20 W Vậy ta có +43 dBm là tăng một lượng công suất là 20 W

Vd 2 40 mW +3 dB +3 dB +3 dB = ? mW 300 mW +3 dB +3 dB −3 dB = ? mW 250 mW +10 dB +10 dB = ? mW 12 mW +15 dB = ? mW 30 mW +7 dB −5 dB +12 dB −6 dB = ? mW 30 mW +8 dB = ? mW

Tính toán công suất Giải Ví dụ 3: Tín hiệu Wifi truyền được bao xa? Giả sử thiết bị Wifi hoạt động ở băng tần phổ biến là 2.4GHz, có các đặc tính sau: Công suất thành phần: Ptp = 30 mW Độ khuếch đại anten: G = 5 dbi Độ nhạy thu (RX – Receiver Sensitivity): -94dB @ 1Mbps Tính Công suất phát sóng (PEIRP): ? dbm Tính khoảng cách tín hiệu Wifi truyền được bao xa? Giải

Bảng độ nhạy thu Rx

Giải Công suất phát sóng (PEIRP) PEIRP = Ptx + Gain - Loss Công suất phát sóng tại thành phần anten (EIRP): Ptx = 10xlog(Ptp) = 10xlog(30mW) = 15 dBm Độ lợi ăng-ten: 5dBi => PEIRP = 15 dBm + 5 dBi = 20 dBm Độ nhạy thu (RX – Receiver Sensitivity): -94dB @ 1Mbps (Có nghĩa: nếu độ lớn của tín hiệu là -94dBm thì tốc độ truyền dữ liệu đạt 1Mbps) Suy ra Quỹ công suất (Power Budget):  PB= PEIRP – RX = 20 dBm – (-90 dBm) = 110 dBm

(Lưu ý: Khi xuyên qua mỗi bức tường ( dày 20 cm) tín hiệu giảm 10 dBm) Giải Ở khoảng cách 10m đầu tiên, tín hiệu Wifi bị suy giảm 70 dBm => Quỹ công suất : 110 dBm – 70 dBm = 40 dBm Sau mỗi lần gấp đôi khoảng cách tiếp theo tín hiệu bị suy giảm 10 dBm, nên ta có: Ở khoảng cách 20m, Quỹ công suất còn 30 dBm (40 – 10 =30) Ở khoảng cách 40m, Quỹ công suất còn 20 dBm (30 – 10 =20) Ở khoảng cách 80m, Quỹ công suất còn 10 dBm (20 – 10 =10) Ở khoảng cách 160m, Quỹ công suất còn 0 dBm (10 – 10 =0) Suy ra, trong “tầm nhìn thẳng, không vật cản” tín hiệu truyền được ở khoảng cách 160m với tốc độ 1Mbps (Lưu ý: Khi xuyên qua mỗi bức tường ( dày 20 cm) tín hiệu giảm 10 dBm)

Vd 4 Giả sử: hệ thống Wireles Lan có AP Linksys E2000 hoạt động ở băng tần 2.4 GHz có: Công suất phát : 500 mW Anten có độ khuếch đại: 12 dBi. Cáp nối từ anten đến thiết bị có độ suy hao 4dB. Thiết bị thu có thể thu được tín hiệu ở tốc độ tối đa 24Mbps và suy hao từ cáp đến thiết bị là 4dB. Tính: Công suất phát ra tại đỉnh anten phát (PEIRP) Giả sử từ bộ phát E2000 tới Laptop có 2 bức tường dày 20cm tại vị trí 15m và 25m, tính khoảng cách Laptop có thể hoạt động ở khoảng cách bao xa để có thể nhận được sóng Wifi.

Vd 4 Giả sử: hệ thống Wireles Lan có AP Linksys E2000 hoạt động ở băng tần 2.4 GHz có: Công suất phát : 500 mW Anten có độ khuếch đại: 12 dBi. Cáp nối từ anten đến thiết bị có độ suy hao 4dB. Thiết bị thu có thể thu được tín hiệu ở tốc độ tối đa 24Mbps và suy hao từ cáp đến thiết bị là 4dB. Tính: Tính mức độ tín hiệu bị suy hao khi AP truyền đi trong khoảng cách 500 met. Khi tăng độ khuếch đại anten đến 24dB thì công suất phát của AP tăng bao nhiêu?

Suy hao đường truyền (path loss)  

Receive Sensitivity The minimum signal strength needed at the receiver. The receive sensitivity is not a single dBm rating; it is a series of dBm ratings required to communicate at varying data rates. Ex: The lowest number in dBm, which is −94dBm is the weakest signal the radio can tolerate.(allowed)

Link Budget Loss in many places Pg 90