Bài giảng Mạng không dây - Chương 2: Lan truyền vô tuyến - Trần Thị Minh Khoa

CHƯƠNG 2. LAN TRUYỀN VÔ TUYẾN (RADIO 
WAVE PROPAGATION)
GV: TS. Trần Thị Minh Khoa
AGENDA
• Sóng điện từ (Electromagnectic wave)
– Sóng vô tuyến (Radio wave)
• Anten
– 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
2/27/2017 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.
2/27/2017 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)
2/27/2017 4
SÓNG ĐIỆN TỪ (ELECTROMAGNECTIC WAVE)
2/27/2017 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)
2/27/2017 6
SÓNG ĐIỆN TỪ (ELECTROMAGNECTIC WAVE)
• Tốc độ = bước sóng * tần số
2/27/2017 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
2/27/2017 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)
•
2/27/2017 9
ANTEN
• Anten là thiết bị điện tử có thể bức xạ hoặc thu nhận song điện từ, có 
nhiệm vụ chuyển năng lượng điện từ thành sóng vô tuyến, và ngược lại
– Nhận: Anten 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: Anten lấy tín hiệu tần số cao RF trên đường truyền dẫn (cable), sau đó bức 
xạ vào không khí thành sóng điện từ
2/27/2017 17
ANTEN
• Có 3 loại Anten chính
– Anten đẳng hướng – vô hướng (Isotropic Anten 
– Omnidirectional Anten)
– Anten định hướng – có hướng (Directional 
Anten – Beam Anten – Semidirectional Anten)
– Anten định hướng cao (Highly directional)
2/27/2017 18
– Anten đẳng hướng (Isotropic Anten – Omnidirectional Anten)
• 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.
• Trường hợp lý tưởng của 1 Antenna không bị suy hao (lossless Antenna)
• Các loại anten đẳng hướng: Rubber Duck, Omni-directional, Celing Dome, 
Small Desktop, Mobile Vertical, Ceiling Dome...
2/27/2017 19
ANTEN
– Anten đẳng hướng (Isotropic Anten – Omnidirectional Anten)
2/27/2017 20
Vertical Anten (Whip Anten, 
Monopole Anten)
Half-wave Dipole Anten
Coverage area of a omnidirectional Anten
ANTEN
– Anten định hướng (Directional Anten – Beam Anten)
• 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.
2/27/2017 21
ANTEN
– Anten định hướng (Directional Anten – Beam 
Anten)
2/27/2017 22
Coverage area of a semidirectional Anten
ANTEN
– Anten định hướng (Directional Anten – Beam 
Anten)
2/27/2017 23
Usage of semi-directional anten
ANTEN
– Anten định hướng (Directional Anten – Beam Anten)
• Highly directional: phát ra các beam tín hiệu hẹp nhất và có độ 
lợi cao nhất trong các loại Anten
– 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, Anten dạng lưới
– Anten highly-directional có beamwidth rất hẹp nên phải được 
hướng một cách chính xác vào nhau thì mới kết nối được.
2/27/2017 24
Radiation pattern of a highly directional Anten
25
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.
ĐỘ LỢI (GAIN) CỦA ANTEN
• Độ lợi của Anten
– Đo tính có hướng của Anten
– Là công suất phát ra theo 1 hướng cụ thể so với thông số chuẩn của 1 
Anten đẳng hướng
– Trong thực tế, việc tăng bức xạ của Anten theo 1 hướng nhất định 
đồng nghĩa với việc giảm bức xạ của Anten đó ở những hướng khác
• Vùng ảnh hưởng (effective area) của Anten
– Tùy vào kích thước vật lý và hình dạng của Anten
2/27/2017 26
ĐỘ LỢI (GAIN) CỦA ANTEN
2/27/2017 27
ĐỘ LỢI (GAIN) CỦA ANTEN
• Ví dụ: Một anten phản xạ parabol (parabolic reflective Anten) 
với đường kính 2m, hoạt động ở tần số 12GHz. Tìm vùng ảnh 
hưởng (effective area) và độ lợi của anten này?
2/27/2017 28
ĐỘ LỢI (GAIN) CỦA ANTEN
𝐴 = 𝜋𝑟2 = 𝜋
𝐴𝑒 = 0.56𝐴 = 0.56𝜋 (𝑚2) Table 5.2
𝜆 =
𝑐
𝑓
=
3×108
12×109
= 0.025 𝑚
Then:
𝐺 =
4𝜋𝐴𝑒
𝜆2
=
4𝜋𝑓2𝐴𝑒
𝑐2
= 45.48(𝑑𝐵)
2/27/2017 29
LAN TRUYỀN VÔ TUYẾN
(RADIO WAVE PROPAGATION)
2/27/2017 30
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)
2/27/2017 31
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,)
2/27/2017 32
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 
2/27/2017 33
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
2/27/2017 34
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
2/27/2017 35
2/27/2017 36
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)
2/27/2017 37
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
2/27/2017 38
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
2/27/2017 39
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
2/27/2017 40
Lan truyền đa tuyến (Multipath propagation)
CÁC CHẾ ĐỘ LAN TRUYỀN (PROPAGATION MODES)
• Ground wave propagation
• Sky wave propagation
• Line-of-Sight propagation
2/27/2017 41
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
2/27/2017 42
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
2/27/2017 43
CÁC CHẾ ĐỘ LAN TRUYỀN (PROPAGATION MODES)
• Line-of-Sight propagation (>30MHz)
– Chỉ đi theo đường thẳng
2/27/2017 44
BĂNG TẦN VÔ TUYẾN (FREQUENCY BANDS)
2/27/2017 45
2/27/2017 46
LINE-OF-SIGHT (LOS) WIRELES TRANSMISSION
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
2/27/2017 47
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
2/27/2017 48
LINE-OF-SIGHT (LOS) WIRELES TRANSMISSION
– Free space loss: Trong truyền thông không dây, tín hiệu luôn bị phân 
tán theo khoảng cách.
• Isotropic Anten:
𝐿 =
𝑃𝑡
𝑃𝑟
=
(4𝜋𝑑)2
𝜆2
=
(4𝜋𝑓𝑑)2
𝑐2
⇒ 𝐿𝑑𝐵 = 10𝑙𝑜𝑔
𝑃𝑡
𝑃𝑟
= 20𝑙𝑜𝑔 𝑓 + 20 log 𝑑 − 147.56𝑑𝐵
• Other Antens:
𝐿 =
𝑃𝑡
𝑃𝑟
=
(4𝜋)2(𝑑)2
𝐺𝑟𝐺𝑡𝜆2
=
(𝜆𝑑)2
𝐴𝑟𝐴𝑡
=
(𝑐𝑑)2
𝑓2𝐴𝑟𝐴𝑡
⇒ 𝐿𝑑𝐵
= −20 log 𝑓 + 20 log 𝑑 − 10 log 𝐴𝑡𝐴𝑟 + 169.54𝑑𝐵
2/27/2017 49
LINE-OF-SIGHT (LOS) WIRELES TRANSMISSION
– Free space loss:
2/27/2017 50
LINE-OF-SIGHT (LOS) WIRELES TRANSMISSION
– Noise: Với bất kì việc truyền dữ liệu nào, tín hiệu nhận đều bao 
gồm: tín hiệu dc truyền, các biến dạng tín hiệu bị áp đặt bởi hệ 
thống truyền, và những tín hiệu không mong muốn trong quá 
trình truyền
– 4 loại tạp âm (noise):
• Thermal noise
• Intermodulation noise
• Crosstalk
• Impulse noise
2/27/2017 51
LINE-OF-SIGHT (LOS) WIRELES TRANSMISSION
– Noise:
• Thermal noise: do sự lắc của các electron, luôn tồn tại trong các 
thiết bị và các phương tiện truyền dẫn, là 1 hàm nhiệt độ không 
thể bị loại trừ
N0 = kT (W/Hz)
• Intermodulation noise: gây ra bởi các tín hiệu ở những tần số khác 
nhau sử dụng chung phương tiện truyền dẫn. 
– Là sự kết hợp giữa các tần số f1+f2+..
2/27/2017 52
LINE-OF-SIGHT (LOS) WIRELES TRANSMISSION
– Noise:
• Crosstalk: là sự ghép nối không mong muốn giữa 2 đường truyền tín 
hiệu. Xuất hiện do các khớp nối điện bị xoắn đôi, hoặc hiếm hơn là do 
những đường cáp đồng trục mang nhiều tín hiệu. Crosstalk có cùng độ 
lớn với thermal noise
• Impulse noise: không liên tục, xuất hiện khi xung đột hoặc tiếng ồn 
tăng đột biến trong thời gian ngắn và biên độ tương đối cao. Thông 
thường chỉ gây phiền toái nhỏ với tín hiệu analog
– Không thể dự đoán
2/27/2017 53
LINE-OF-SIGHT (LOS) WIRELES TRANSMISSION
– Atmospheric distortion:
• Hơi nước và oxygen là 2 nguyên nhân chính gây nên sự suy giảm tín hiệu
• Đối với hơi nước: đỉnh điểm của sự suy giảm xuất hiện lân cận của 22GHz. 
Những tần số dưới 15GHz thì sự suy giảm thấp
• Đối với oxygen: đỉnh điểm của sự suy giảm xuất hiện lân cận của 60GHz và 
thấp với những tần số dưới 30GHz
• Mưa và sương mù cũng là nguyên nhân gây suy giảm tín hiệu
• Do đó, tại những vùng có lượng mưa đáng kể, độ dài đường truyền nên ngắn 
và nên sử dụng các băng thông với tần số thấp
2/27/2017 54
LINE-OF-SIGHT (LOS) WIRELES TRANSMISSION
– Multipath:
2/27/2017 55
LINE-OF-SIGHT (LOS) WIRELES TRANSMISSION
– 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 
2/27/2017 56
CƯỜNG ĐỘ TÍN HIỆU NHẬN ĐƯỢC (RSSI)
• RSSI – received signal strength indicator
• Các yếu tố ảnh hưởng tới RSSI tại receiver
– Khoảng cách (hoặc delay): mô hình Path loss/Free Space Loss 
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
2/27/2017 57
HIỆN TƯỢNG MỜ (FADING)
• Tính chất của quá trình truyền thông 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)
2/27/2017 58
HIỆN TƯỢNG MỜ (FADING)
2/27/2017 59
HIỆU ỨNG DOPPLER
• Hiệu ứng Doppler được phát biểu như sau
– Nếu sóng được phát ra từ nguồn phát cố định đến một đầu thu 
cố định thì tần số thu bằng tần số phát.
– Nếu khoảng cách giữa đầu thu và đầu phát thay đổi trong 
khoảng thời gian thu sóng (thời gian sóng truyền đến đầu thu) 
thì bước sóng sẽ dài ra hoặc ngắn lại: ngắn lại trong trường hợp 
đầu thu và phát lại gần nhau và dài ra trong trường hợp ra xa 
nhau.
2/27/2017 60
HIỆU ỨNG DOPPLER
• Hiệu ứng Doppler được phát biểu như sau
– Là một yếu tố ảnh hưởng đến việc truyền tín hiệu vì khi 
người dùng di chuyển (gần hoặc xa) trạm bs thì tần số sóng 
tới máy thu sẽ thay đổi => tần số kênh truyền đến thiết bị 
bị thay đổi => ảnh hưởng đến việc tiếp nhận thông tin.
2/27/2017 61
HIỆN TƯỢNG TRỄ LAN TRUYỀN (DELAY SPREAD)
• Tín hiệu đi thành nhiều đường do chịu một hoặc 
nhiều lần phản xạ
• Mỗi đường có độ dài khác nhau thời gian đến 
đích của từng đường là khác nhau
2/27/2017 62
HIỆN TƯỢNG TRỄ LAN TRUYỀN (DELAY SPREAD)
2/27/2017 63
INTERSYMBOL INTERFERENCE (ISI)
• Hiện tượng xung đột ký hiệu/giao thoa tín hiệu
• Là 1 hình thức của sự biến dạng tín hiệu trong đó biểu 
tượng đến sau can thiệp vào biểu tượng tới trước
• Là hiện tượng không mong muốn vì các biểu tượng trước 
đó đang chịu tác dụng tương tự bởi tiếng ồn thông tin 
liên lạc ít độ tin cậy
2/27/2017 64
INTERSYMBOL INTERFERENCE (ISI)
2/27/2017 65
COHERENCE BANWIDTH
• Băng thông kết hợp
• Là 1 hàm của delay spread
• Sử dụng trong các hệ thống nhận tín hiệu đa dạng
– Nhiều phiên bản của 1 tín hiệu được truyền trên các tần số 
khác nhau
– Vd: hệ thống sử dụng MIMO
2/27/2017 66
COHERENCE INTERFERENCE
• Xung đột kênh
• Các cell ở cùng tần số xung đột lẫn nhau
• rd tín hiệu muốn nhận (desired signal)
• ru tín hiệu gây xung đột (undesired signal)
• 𝛽 hệ số bảo vệ (protection ratio)
𝑟𝑑 ≤ 𝛽𝑟𝑢 sóng ít xung đột nhất
• Nế𝑢 𝑃 𝑟𝑑 ≤ 𝛽𝑟𝑢 𝑡ℎì 𝑟𝑑 ≤ 𝛽𝑟𝑢
• Cochannel probability 𝑃𝐶𝑂 = 𝑃(𝑟𝑑 ≤ 𝛽𝑟𝑢)
2/27/2017 67
TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT
2/27/2017 68
ĐƠN VỊ ĐO CÔNG SUẤT
2/27/2017 69
ĐƠN VỊ ĐO CÔNG SUẤT
2/27/2017 70
ĐƠN VỊ ĐO CÔNG SUẤT
2/27/2017 71
ĐƠN VỊ ĐO CÔNG SUẤT
2/27/2017 72
ĐƠN VỊ ĐO CÔNG SUẤT
2/27/2017 73
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)
77
• Ta có bảng đơn vị chuyển đổi như sau:
78
TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT
Vậy thì từ biểu đồ trên ta có thể nhận thấy rằng 
+10 có nghĩa là nhân với 10 | -10 có nghĩa là chia cho 10
+3 có nghĩa là nhân với 2 | -3 có nghĩa là chia cho 2
TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT
• Ví dụ1 : Chuyển từ đơn vị dBm sang W: +43 dBm = ? W
– +66dBm
79
• Ví dụ2 : Chuyển từ đơn vị dBm sang W: -26 dBm = ? W
2/27/2017 80
TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT
• Ví dụ 3: chẳng hạn, AP có công suất 50mw và sử dụng 
anten 3dB (loại Rubber Duck) thì công suất phát thực sự 
của AP là?
• Ví dụ 4: chẳng hạn, AP có công suất 50mw và sử dụng 
anten -20dB (loại Rubber Duck) thì công suất phát thực 
sự của AP là?
– 50*2 (3dB bằng gấp đôi công suất) = 100mw.
81