Trên mỗi máy thu vô tuyến điện phải có bộ phận thu sóng, tức là có sự tồn tại của sóng vô tuyến điện. Cường độ điện trường chỉ ra độ khỏe của sóng vô tuyến điện tại điểm đang xét. Khi coi các đặc điểm kĩ thuật của anten và sóng vô tuyến trên lý thuyết anten thì anten ảo có thể được sử dụng. Chúng là các anten điểm, nó có thể thu phát sóng vô tuyến với cường độ trường mạnh nhất.
Trong các công thức dưới đây, công suất trên một khu vực có vị trí khoảng cách là D[m] từ anten với công suất là P[W]. Người ta gọiPD[W m/ 2] là mật độ công suất.
Ta có mô hình tính toán như sau:
Hình 2.5. Mô tả các véc tơ cần tính toán trên mặt cầu trái đất.
2.10. TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT THU VỚI CÔNG THỨC FRIIS.
Công thức này chỉ ra mối quan hệ giữa công suất thu và phát của anten tại vị trí D[m]. Có thể tìm được công suất thu từ cường độ công suất PD tại vị trí thu và
ảnh hưởng AR của anten thu:
PR = PD*AR
Hình 2.6. Mô tả tính toán mật độ công suất 2 2 . 4. R R A λ G m π = 2 2 . W / 4 T T D G P P m d π =
công thức truyền dẫn Friis: . 2. . . [ ]W 4 R D R T R T P P A G G P d λ π = = ÷
độ lợi truyền gốc trong không gian tự do :
4 F G D λ π = ÷ Trong đó:
- P PR, T: công suất thu và công suất phát [ ]W - G GT, R: Độ lợi đẳng hướng của anten [times]
- PD: mật độ công suấtW /m2 - D: khoảng cách truyền dẫn[ ]m
- A AR, T: diện tích bị tác động bởi anten thu và anten phát m2
2.11. TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT THU VỚI VECTƠ POYTING VÀ KHU VỰC ẢNH HƯỞNG CỦA ANTEN
Trong đó:
- P PR, T: công suất thu và công suất phát [ ]W
- A AR, T: diện tích bị tác động bởi anten thu và anten phát 2
m
- G GT, R: Độ lợi đẳng hướng của anten [times]
2.12. SUY HAO
2.12.1. Suy hao trong không gian tự do
Trong không gian tự do, sóng vô tuyến phân rã trên một đơn vị diện tích.
Nếu gọi L là tỉ lệ công suất thu trên công suất phát – hệ số suy giảm đường truyền trong không gian tư do thì:
Hình2.9. Mô tả suy hao trong các dải tần
Nếu chỉ có suy hao trong không gian tự do, tính toán theo thang dB cho công suất tại anten thu ta sử dụng công thức dưới đây:
= + - -
Hay : Pr =[dBm] =P dBmt[ ]+(GTA[ ]dBi +GRA[ ]dBi )−L dB[ ]
Ví dụ: với công suất phát là Pt = 10 mW, khoảng cách lien lạc là 500 m, ở tần số
400MHz ,độ lợi của anten thu và phát GRA= GRA = 0[ ]dBi :
Có L = 105 dB, Pt = 10 mW là Pt = 10 [dBm] r
P = Pt + GTA + GRA - L = 10 +0 +0 – 105 = -95[ dBm ]
2.12.2. Suy hao theo các mô hình truyền sóng
Về mặt lý thuyết có thể tính suy hao với công thức tính suy hao trong không công suất thu Công suất phát
độ lợi tuyệt đối của anten phát
và anten thu
Suy hao quá trình truyền lan cơ bản trong không gian tự do
a) Mô hình truyền sóng Hata
Vào khoảng năm 1980, M.Hata đã giới thiệu mô hình toán học trong việc tính suy giảm đường truyền dựa trên những phân tích dữ liệu của Okumura.
• Công thức Hata:
[ ]
Lp( thi) 69,55 26,16.log( ) 13,82.log( )đô = + f − hb −a h.( )m + 44,9 6,55.log( ) .log( )− hb d Trong đó:
- Lp(đô thị): suy hao đường truyền đối với đô thị đông dân [dB] - f: tần số sóng mang (150÷1500) MHz
- hb: chiều cao của anten trạm gốc (30÷200) m - hm: chiều cao anten máy di động (1÷20) m
- d: khoảng cách từ trạm gốc đến máy di động (1÷20) km
Hệ số hiệu chỉnh anten a(hm) :
a(hm) = (1,1.logf – 0,7).hm – (1,56.logf – 0,8)
Và công thức tính suy hao cho vùng ngoài đô thị:
- Lp(ngoại ô) = Lp(đô thị) – 2.[log(f/28)]2 – 5,4
- Lp(nông thôn) = Lp(đô thị) – 4,78(logf)2 + 18,33.logf – 40,94
b) Mô hình COST 231
COST (Collaborative studies in Science and Technology - Cộng tác nghiên cứu khoa học và công nghệ) được sự bảo trợ của EU. COST231 bao gồm một số vấn đề liên quan tới vô tuyến của ô và những mô hình truyền sóng. Một Microcell được COST231 định nghĩa là một cell nhỏ với phạm vi từ 0,5 đến 1Km, trong phạm vi này anten gốc nói chung được đặt thấp hơn độ cao của toà nhà cao nhất.
Anten trạm gốc của cell lớn hoặc cell nhỏ nói chung đều được đặt phía trên của toà nhà cao nhất. Cell nhỏ của GSM được giới hạn trong phạm vi bán kính khoảng 1÷3Km, trái lại cell lớn có thể mở rộng phạm vi bán kính lên tới 35Km. Dựa trên cơ sở này, COST đưa ra mô hình Hata COST231.
→Mô hình Hata COST231
Mô hình này được thiết kế để hoạt động trong dải tần từ 1500÷2000MHz ở đô thị hoặc ngoại ô, ta có công thức:
46,3 33,9.logf 13,82.log .( ) (44,9 6,55.log ).log
p b m b m
L = + − h −a h + − h d C+
Trong đó:
- Lp : suy hao đường truyền (dB) - f : tần số hoạt động (MHz) - h b : độ cao anten trạm gốc (m)
- hm: độ cao anten máy di động (m)
- a(hm): hệ số hiệu chỉnh anten
- d : khoảng cách từ trạm gốc đến máy di động (km)
- Cm = 0dB đối với thành phố cỡ trung bình hoặc trung tâm ngoại ô = 3dB đối với trung tâm đô thị
2.13. QUY ĐỊNH VỀ CÔNG SUẤT BỨC XẠ WLAN
Công suất phát xạ đầu ra của các WLAN cho phép tuỳ thuộc vào dải tần công tác mà nó đang khai thác và hoạt động.
Sau đây là một số qui định về giới hạn công suất phát xạ trong WLAN
- Đối với dải tần 434MHz thì giới hạn công suất phát xạ giới hạn trong khoảng 1mW÷10mW
- Đối với dải tần 868MHz thì giới hạn công suất phát xạ được chia thành các giới hạn khác nhau như: nhỏ hơn 5mW, nhỏ hơn 10mW, nhỏ hơn 25mW và nhỏ hơn 500mW
- Đối với dải tần 2.4GHz và 5GHz thì giới hạn công suất phát xạ cũng được chia thành nhiều phần khác nhau. Nhưng các giới hạn này nằm trong khoảng từ 10mW÷100mW (tuỳ vị trí thiết kế là outdoor hay indoor).
2.14. CÁC BĂNG TẦN HOẠT ĐỘNG CỦA WLAN
Trong phần trên đề cập đến các chuẩn được sử dụng trong mạng WLAN. Các chuẩn này đều có các qui định riêng về băng thông, và các băng thông này do FFC qui định. FFC là chữ viết tắt của Federal Communication Commission- Hội đồng truyền thông. Hội đồng này được thành lập từ năm 1934 tại Mỹ. Nhiệm vụ của cơ quan này là ban hành các qui định về truyền thông trong nước Mỹ và quốc tế với các lĩnh vực như: Mạng máy tính, Radio, TV, vệ tinh, cáp (cable)…
Qui định về các giải tần số làm việc của WLAN như sau:
Các dải tần ISM cho các thông tin vô tuyến khoảng cách ngắn (mức độ bao phủ tần số phụ thuộc vào mỗi nước) bao gồm các dải sóng sau:
- VHF– Very High Frequencies (các tần số rất cao) WLAN Operating Frequency
FFC qui định 2 loại băng tần dành cho WLAN là ISM và UNII
Sau đây ta sẽ tìm hiểu 2 loại băng tần này đối với các mạng vô tuyến:
2.14.1 Băng tần ISM (ISM bands)
ISM bands là chữ viết tắt của Industrial – Scientific – Medical bands
Có 3 loại băng tần ISM cho mạng vô tuyến đó là: 900MHz, 2.4GHz và 5.8GHz.
Băng tần 900MHz ISM
Băng tần 900MHz ISM được định nghĩa trong vùng tần số từ 902MHz đến 928MHz hay (915MHz ± 13MHz), Tức là ISM 900MHz có thông lượng là 13MHz. Mặc dù băng tần này được phép sử dụng trong mạng WLAN nhưng mạng WLAN thường sử dụng các băng tần số cao hơn vì nó có băng thông (bandwidth) rộng hơn và throughput cao hơn. Một số các thiết bị không dây vẫn còn sử dụng băng tần 900MHz như điện thoại gia đình không dây hay hệ thống camera không dây. Các tổ chức sử dụng mạng WLAN 900 MHz sẽ rất khó tìm ra thiết bị để thay thế vì chúng rất ít được sản xuất và giá thành rất cao.
Băng tần 2.4GHz ISM
Băng tần này được sử dụng bởi tất cả các thiết bị tương thích chuẩn 802.11, 802.11b, 802.11g và đã trở nên rất phổ biến. Băng tần này nằm trong khoảng từ 2.4GHz đến 2.5GHz (2.45 GHz ± 50 MHz). Trong số 100MHz từ 2.4GHz đến
2.5GHz thì chỉ có dải tần số từ 2.4GHz đến 2.4835GHz là thật sự được sử dụng bởi các thiết bị WLAN. Nguyên nhân chủ yếu cho sự giới hạn này là FCC về công suất phát chỉ cho vùng tần số này mà thôi.
Băng tần ISM 5.8GHz ISM
Băng tần này thường được gọi là 5GHz ISM. Nó nằm trong khoảng 5.725GHz đến 5.875GHz (rộng 150MHz). Băng tần này không được chỉ định để sử dụng trong mạng WLAN nên nó gây ra một số nhầm lẫn. Băng tần 5.8GHz ISM trùng lặp với một phần của một băng tần miễn phí khác là băng tần UNII upper làm cho băng tần 5.8GHz ISM thường bị nhầm lẫn với băng tần 5GHz UNII upper (băng tần này được sử dụng trong WLAN).
2.14.2. Băng tần UNII (UNII bands)
Băng tần 5GHz UNII bao gồm 3 băng tần rộng 100MHz riêng biệt được sử dụng trong các thiết bị tương thích chuẩn 802.11a.
Ba băng tần này là lower (thấp), middle (trung) và upper (cao). Trong mỗi băng tần này có 4 kênh DSSS không trùng lặp, mỗi kênh cách nhau 5MHz. FCC quy định rằng băng tần lower được sử dụng indoor (trong nhà), băng tần middle được sử dụng indoor và outdoor (ngoài trời) và băng tần upper được sử dụng cho outdoor.
Thường thì AP được để trong nhà nên băng tần 5GHz UNII sẽ cho phép 8 AP indoor được sử dụng đồng thời (mỗi AP hoạt động ở một kênh) bằng cách sử dụng cả băng tần lower và middle.
Băng tần thấp (Lower bands)
Băng tần lower nằm trong khoảng 5.15GHz đến 5.25GHz và FCC chỉ định công suất phát lớn nhất cho băng tần này là 50mW. Khi triển khai các thiết bị tương thích chuẩn 802.11a thì IEEE đã chỉ định rằng chỉ 40mW (80%) của công suất phát tối đa là được sử dụng cho các thiết bị tương thích chuẩn 802.11a.
Tất nhiên vẫn có thể truyền với công suất 50mW, điều này vẫn tuân theo luật của FCC nhưng lại không tương thích với chuẩn 802.11a.
Băng tần trung (Middle bands)
Băng tần middle nằm trong khoảng 5.25GHz đến 5.35GHz và FCC quy định công suất phát tối đa là 250mW. Công suất phát được quy định bởi IEEE là
indoor/outdoor nên các sản phẩm trong băng tần middle này sẽ được chấp nhận rộng rãi trong tương lai.
Băng tần cao (Upper bands)
Băng tần upper được dành cho các kết nối outdoor và FCC giới hạn công suất phát là 1W (hay 1000mW). Băng tần này chiếm vùng tần số giữa 5.725GHz đến 5.825GHz và thường bị nhầm lẫn với băng tần 5.8GHz ISM. IEEE quy định công suất phát tối đa cho băng tần này là 800mW, đây là mức công suất khá lớn cho hầu hết các kết nối outdoor.
Chương 3
TÍNH TOÁN VÙNG PHỦ SÓNG WLAN
Việc tính toán thiết kế vùng phủ sóng cho WLAN phải tuân thủ nghiêm ngặt các quy định về băng tần và công suất phát. Và dựa vào các thông số của các mô đun vô tuyến.
Chọn tần số thiết kế WLAN nói riêng và tất cả các mạng viễn thông khác đều phải tuân thủ nghiêm ngặt quy định chung về sử dụng băng tần (tài nguyên quốc gia có giới hạn) của ITU, của Việt Nam do bộ thông tin và truyền thông quản lý, các chuẩn 802.... Nếu chọn sai sẽ ảnh hưởng tới các mạng khác do chồng lấn phổ, nhiễu bội tần … Và ảnh hưởng trực tiếp tới dự án thiết kế. Băng tần thiết kế của WLAN nằm trong dải 400MHz – 450MHz hoặc lớn hơn 2.4GHz.
Việc chọn công suất phát trước tiên phải tuân thủ các quy định về công suất phát nhằm đảm bảo hiệu quả sử dụng của mạng, hiệu quả sử dụng tần số, tránh can nhiễu …khi tính toán vùng phủ sóng dựa vào bảng quy định công suất phát (đã được nêu ở trên ). Và cơ bản ở đây là chính là việc chọn công suất phát hợp lý vừa đảm bảo khoảng cách, cự ly, chất lượng thông tin vừa tiết kiệm công suất phát nâng cao hiệu quả kinh tế của dự án, đây là nhân tố quyết định tới thành công của dự án.
Các mô đun vô tuyến ngày nay đã được thiết kế theo hướng chuẩn nhằm đảm bảo cho việc đồng bộ và dễ dàng thay thế, mở rộng. Việc thiết kế tính toán vùng phủ sóng phải dựa trên các tham số mà các mô đun vô tuyến đã đưa ra để rễ dàng ứng dụng trong thực tế.
Việc chọn vị trí đặt trạm, vị trí anten còn dựa vào thực tế thông thường người ta cố gắng đặt tại trung tâm của vùng phủ sóng.
Việc tính toán được thực hiện bằng phần mềm đã được kiểm chứng, khuyến nghị và được sử dụng rộng rãi trên thế giới.
3.1. TÍNH TOÁN SUY HAO TRONG KHÔNG GIAN TỰ DO VÀ THEO ĐIỀU KIỆN ĐỊA HÌNH THEO ĐIỀU KIỆN ĐỊA HÌNH
Việc tính toán suy hao trong không gian là rất quan trọng đối với tính toán xác định công suất phát. Việc tính toán chính xác suy hao giúp ta tính toán được công suất phát một cách hợp lý đảm bảo cự ly thông tin.
Hình 3.1. Suy hao trong không gian tự do.
Kết quả tính toán suy hao đường truyền trong không gian tự do đối với các băng tần theo các khoảng cách khác nhau được cho dưới các bảng sau:
• Với băng tần 400MHz (433MHz) D[m] 100 250 500 750 1000 2000 3000 [ ] fs L dB 64.4829 7 72.44177 78.46237 81.9842 84.48297 90.50357 94.0254 • Với băng tần 2.4GHz (2.4835GHz) D[m] 100 250 500 750 1000 2000 3000 [ ] fs L dB 80.046 88.0048 94.0254 97.547226 100.046 106.0666 109.588425
• Với băng tần 5.8GHz (5.725GHz)
D[m] 100 250 500 750 1000 2000 3000
[ ]
fs
L dB 87.59728 95.55608 101.57668 105.09851 107.59728 113.61788 117.13971
Căn cứ vào bảng kết quả tính toán trên nhận thấy rằng suy hao đường truyền lớn dần lên theo khoảng cách. Ở băng tần - tần số thấp thì suy hao đường truyền nhỏ hơn so với các băng tần - tần số cao ở cùng khoảng cách.
3.2. TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT THU
Việc tính toán công suất thu – vùng phủ sóng được thực hiện trên băng tần hoạt động của WLAN và tuân thủ quy định về công suất phát.
Tần số sử dụng cho tính toán ở dải 433 MHz và 2.4 GHz trong băng tần hoạt động của WLAN.
Công suất phát khoảng 0.01W – 1.5 W.
Sử dụng loại anten: Việc tính toán được sử dụng với loại anten bất kỳ.
Cách tính toán: sau khi đã xác định được các tham số đầu vào như khoảng cách liên lạc D[m], tần số liên lạc f[MHz], công suất máy phát, độ lợi anten thu, phát, loại anten phù hợp. Nhập các thông số này vào chương trình chạy sẽ thu được thông số đầu ra cần tính toán: cường độ điện trường Eo, công suất thu được tại máy thu Pr, khu vực ảnh hưởng của anten phát At, mật độ công suất Wr[W/m2].
Các phép tính theo cùng một cách tính là giống nhau về bản chất, chỉ có sự khác nhau về thông số đầu vào.
3.2.1. Tính toán công suất thu theo điều kiện địa hình và không gian tự do.
Để có được cái nhìn tổng quát và xác thực sinh viên sử dụng hai mô hình tính toán: tính toán công suất thu trong điều kiện địa hình, không gian tự do và tính toán theo các mô hình truyền sóng.
Việc tính toán công suất thu được thực hiện ở các băng tần hoạt động của WLAN, ở các tần số 433MHz, 2.4835GHz, và 5.725GHz.
Hình 3.2. Mô phỏng tính toán Eo và Pr trong không gian tự do ở dải tần 433Mhz. D[m] 100 250 500 750 1000 2000 3000 [ ] 0 / E µV m 5477.2256 2190.8901 1095.4451 730.29675 547.72253 273.86127 182.57419 [ W] r P m 3.039814 E-6 4.863702 E-7 1.2159255 E-7 5.4041134 E-8 3.0398137 E-8 7.599534 E-9 3.377571 E-9 2 W W /r m 7.957747 E-8 1.2732396 E-8 3.183099 E-9 1.4147106 E-9 7.957747 E-10 1.9894368 E-10 8.841941 E-11 [ ]m λ 0.69284064
Bảng tính toán Eo và Pr trong không gian tự do với các khoảng cách D ở dải tần 433Mhz.
Hình 3.3. Mô phỏng tính toán Eo và Pr trong không gian tự do ở dải tần