Langbiang: Wireless Network_7_Các hiện tượng (behavior) xảy ra khi truyền tần số vô tuyến

Các sóng tần số vô tuyến khi đã được điều chế để chứa thông tin được gọi là các tín hiệu tần số vô tuyến (RF signal). Trong quá trình truyền các tín hiệu này, xảy ra các hiện tượng có thể dự đoán và phát hiện được như: sự gia tăng và suy giảm tín hiệu, phản ứng khác nhau khi gặp các vật thể khác nhau, và có thể bị can nhiễu (interfere) với các tín hiệu khác. Phần sau đây sẽ trình bày 1 số hiện tượng chính.

o Độ lợi (gain)

o Suy hao (loss)

o Phản xạ (reflection)

o Khúc xạ (refraction)

o Nhiễu xạ (diffraction)

o Tán xạ (scattering)

o Hấp thụ (absorption)

o Tỉ số sóng đứng điện áp (VSWR – voltage standing wave ratio)

o Suy hao phản hồi (return loss)

o Sự khuếch đại (amplification)

o Sự suy giảm (attenuation)

o Sự lan truyền sóng (wave propagation)

o Suy hao không gian tự do (free space path loss)

o Đa đường truyền và trễ tín hiệu (multipath and delay spread)

Độ lợi

Độ lợi là một giá trị thể hiện sự gia tăng về biên độ, giữa hai tín hiệu sóng tần số vô tuyến (từ đây gọi tắt là tín hiệu RF). Khuếch đại là quá trình làm tăng biên độ của tín hiệu RF, kết quả là làm tăng độ lợi. Có 2 loại độ lợi: độ lợi chủ động và độ lợi bị động.

Hình sau minh họa về độ lợi và suy hao.

Độ lợi chủ động

Độ lợi chủ động có thể được tạo ra nhờ bộ khuếch đại đặt giữa máy phát tín hiệu RF (ví dụ access point) và anten truyền. Các bộ khuếch đại sử dụng decibel (dB) làm đơn vị đo độ lợi. Ví dụ, một bộ khuếch đại có thể cung cấp 6dB độ lợi cho tín hiệu RF. Để xác định được độ mạnh thực sự của tín hiệu sau khi đi qua bộ khuếch đại, cần phải biết được độ mạnh ban đầu của tín hiệu tại thiết bị phát RF và thực hiện các tính toán (sẽ được trình bày ở chương sau).

Chú ý, khi thực hiện khuếch đại để tăng độ lợi, cần phải tham khảo tới quy định của các tổ chức quản lý về tần số vô tuyến để không vi phạm các ràng buộc về phát tín hiệu. Ví dụ, tại Mỹ, FCC quy định công suất phát tối đa của anten trên các thiết bị kết nối điểm-đa-điểm thuộc dải tần 2.4 GHz là 4 watt.

Độ lợi bị động

Độ lợi bị động là sự tăng biên độ của tín hiệu ở phía sau bộ phát định hướng, được thực hiện bằng việc điều chỉnh độ tập trung, hoặc điều chỉnh hướng của tín hiệu phát ra. Độ lợi bị động có hai loại, loại có chủ ý và loại không có chủ ý.

Độ lợi bị động có chủ ý giống như việc sử dụng hai bàn tay tạo thành hình phễu, đặt trước miệng, khi muốn gọi ai đó ở khoảng cách xa. Trong trường hợp này, bạn đã có chủ ý điều chỉnh hướng của sóng âm về phía người nghe, mà không cố gắng gọi to hơn. Điều này làm cho âm thanh phát ra có thể nghe được ở khoảng cách xa hơn, vì các sóng âm tập trung về phía người nghe nhiều hơn.

Các anten đã được sử dụng để tạo ra độ lợi bị động có chủ ý trong hệ thống mạng không dây sử dụng tín hiệu RF. Các anten sẽ truyền nhiều năng lượng của tín hiệu RF theo hướng mong muốn hơn là các hướng khác.

Độ lợi bị động không có chủ ý xảy ra khi có hiện tượng phản xạ và tán xạ trong một vùng phủ sóng. Khi tín hiệu RF được phát ra từ anten, tín hiệu sẽ được truyền đi theo những thiết lập đã được cài đặt cho anten. Tuy nhiên, tín hiệu này có thể gặp phải các vật cản trên đường truyền làm cho nó bị khúc xạ hoặc tán xạ, điều này sẽ tạo ra nhiều bản sao của cùng một tín hiệu đi tới anten nhận. Nếu các tín hiệu này đến anten mà cùng pha, chúng sẽ làm tín hiệu mạnh hơn, điều này tạo ra độ lợi bị động không có chủ ý.

Suy hao

Suy hao là một giá trị thể hiện sự suy giảm về biên độ, giữa hai tín hiệu sóng RF. Cũng giống như độ lợi, suy hao cũng có hai loại: có chủ ý và không có chủ ý.

Suy hao có chủ ý

Dựa vào các quy định của các tổ chức quản lý trong lĩnh vực tần số vô tuyến, cần đảm bảo công suất phát của các thiết bị không dây phải nằm trong giới hạn cho phép. Tùy thuộc vào thiết bị phát sóng vô tuyến, bộ khuếch đại, cáp và anten sử dụng, đôi khi cũng cần phải thực hiện việc giảm biên độ của tín hiệu RF (suy hao có chủ ý). Việc này có thể thực hiện được bằng cách sử dụng bộ suy hao tín hiệu RF (attenuator).

Suy hao không có chủ ý (suy hao tự nhiên)

Suy hao tự nhiên xảy ra do các nguyên nhân: mở rộng không gian lan truyền, phản xạ, khúc xạ, tán xạ, nhiễu xạ và hấp thụ.

Phản xạ

Hiện tượng phản xạ là hiện tượng khi tín hiệu RF truyền tới bề mặt nhẵn, không có khả năng hấp thụ, bị đổi hướng truyền và quay trở lại môi trường mà nó đã tới. Đây có thể là hiện tượng RF xảy ra dễ hiểu nhất, vì chúng ta có thể thấy hiện tượng này thường xuyên trong cuộc sống. Bạn có thể chiếu ánh sáng vào một cái gương theo một góc lệch nào đó rồi quan sát sự phản xạ của nó. Thực tế, mỗi khi bạn nhìn vào gương là bạn đã trải nghiệm hiện tượng phản xạ điện từ, hay phản xạ tần số điện từ.

Hình sau đây minh họa về khái niệm phản xạ.

Ở ví dụ trên, sóng ánh sáng phát ra từ bóng đèn, (nó cũng là sóng điện từ, tương tự như các sóng RF), đầu tiên nó gặp phải đối tượng (hình hộp chữ nhật), xảy ra hiện tượng phản xạ, sóng ánh sáng truyền tới gương. Khi gặp bề mặt của gương, sóng ánh sáng tiếp tục bị phản xạ và truyền tới mắt của người quan sát. Cuối cùng, mắt sẽ hoạt động giống như một thiết bị tiếp nhận sóng ánh sáng, truyền tới các bộ phận cảm nhận ánh sáng của con người, đem đến cảm nhận về ánh sáng. Tuy nhiên, điều quan trọng cần chú ý là những gì nhìn thấy, chính là ánh sáng đã được phản xạ khi gặp đối tượng, truyền tới gương, và gương lại phản xạ tới mắt người.

Tín hiệu RF cũng phản xạ khi gặp các đối tượng phẳng và có kích thước lớn hơn bước sóng của nó. Vì vậy, nếu tín hiệu RF truyền qua môi trường chân không, sẽ không có hiện tượng phản xạ. Tuy nhiên, môi trường thực tế là trái đất hoặc khí quyển, trong môi trường này sẽ có các phần tử vật chất khác nhau, nên có thể sẽ xảy ra một số hiện tượng như: phản xạ, khúc xạ, tán xạ, nhiễu xạ và hấp thụ.

Vì các đối tượng có thể gây ra hiện tượng phản xạ luôn có bề mặt phẳng và có kích thước lớn hơn bước sóng và vì các sóng được sử dụng trong IEEE 802.11 có bước sóng từ 5 đến 13 cm, nên các đối tượng có bề mặt phẳng và có kích thước lớn hơn 5 cm (với băng tần 5 GHz) và lớn hơn 13 cm (với băng tần 2.4 GHz) sẽ gây ra hiện tượng phản xạ. Cụ thể các đối tượng đó là: mái nhà bằng kim loại, tường bao bằng nhôm hoặc kim loại, thang máy,…v.v.

Hình dưới đây minh họa hiện tượng phản xạ của tín hiệu RF. Điều quan trọng cần nhớ là tín hiệu phản xạ luôn luôn yếu hơn tín hiệu gốc. Lý do, là năng lượng của RF luôn luôn bị hấp thụ bởi vật phản xạ.