Radio Frequency (RF) Fundamental

[friends]

Radio Frequency (RF) Fundamental

Để hiểu được các khái niệm không dây trong mạng WLAN, một admin cần phải có kiến thức vững chắc về nền tảng lý thuyết của sóng radio (RF). Trong bài này, chúng ta sẽ thảo luận các đặc điểm của bức xạ RF và các đặc điểm đó ảnh hưởng như thế nào đến hiệu năng của mạng WLAN. Bài này cũng giới thiệu sơ qua anten và các đặc điểm của nó. Chúng ta cũng sẽ thảo luận các phép tính toán cần thiết về mạch RF và giải thích tại sao chúng lại quan trọng.

I. Radio Frequency (RF)
RF là tín hiệu dòng xoay chiều (AC = Alternating Current) có tần số cao được truyền dọc theo dây dẫn bằng đồng sau đó được phát ra vào không khí thông qua một anten. Anten sẽ chuyển đổi tín hiệu có dây sang tín hiệu không dây và ngược lại. Khi một tín hiệu AC tần số cao được phát ra vào không khí, chúng có dạng sóng radio. Các sóng radio này quảng bá (di chuyển) từ nguồn ( anten) trên đường thẳng theo mọi hướng cùng một lúc.

Bạn có thể tưởng tượng khi bạn thả một hòn đá vào một hồ nước yên lặng và nhìn những gợn sóng đồng tâm phát ra từ điểm trung tâm của hòn đá, bạn có thể có được những khái niệm về các đặc điểm của RF khi chúng được phát ra từ anten. Việc hiểu các đặc điểm này của sóng RF là một phần quan trọng để hiểu được tại sao WLAN hoạt động và chúng hoạt động như thế nào. Nếu không có những kiến thức này thì người quản trị mạng sẽ không thể xác định được vị trí cài đặt thiết bị tối ưu và cũng không biết cách làm thế nào để gở rối những vấn đề liên quan đến WLAN.

http://i47.photobucket.com/albums/f185/hinhup/77-2-1.jpg

(còn tiếp)

[friends]

1. RF behaviors
RF đôi khi còn được hiểu là “smoke and mirror” bởi vì RF dường như hoạt động một cách thất thường và không nhất quán trong một trường hợp cụ thể nào đó. Những điều nhỏ nhặt như những đầu nối không đủ chặc, hay trở kháng không tương thích với nhau trên đường dây cũng có thể gây ra những đặc điểm thất thường này và kết quả cuối cùng là không mong muốn. Phần sau sẽ mô tả những kiểu đặc điểm này và điều gì sẽ xảy ra đối với sóng radio khi chúng lan truyền trong không khí.

Gain (Độ lợi)
Gain được minh họa trong hình dưới đây. Nó là một thuật ngữ được sử dụng để mô tả một sự tăng lên trong biên độ của tín hiệu RF. Thông thường, gain là một tiến trình chủ động (active), có nghĩa là một nguồn công suất ở bên ngoài, chẳng hạn như bộ khuếch đại RF được sử dụng để khuyếch đại tín hiệu hoặc một anten có độ lợi cao được sử dụng để tập trung beamwidth của một tín hiệu để làm tăng biên độ của tín hiệu đó.

http://i47.photobucket.com/albums/f185/hinhup/76-2-2.jpg

Tuy nhiên, các tiến trình bị động (passive) cũng có thể gây ra gain. Ví dụ như các tín hiệu phản xạ có thể kết hợp với tín hiệu chính để làm tăng độ mạnh của tín hiệu chính. Việc tăng độ mạnh của tín hiệu RF có thể gây ra kết quả tích cực (positive) hay tiêu cực (negative). Thông thường thì công suất càng lớn càng tốt, nhưng cũng có trường hợp chẳng hạn như khi một transmitter phát ra công suất rất gần với giới hạn công suất phát ra hợp pháp, thì việc làm tăng thêm công suất có thể gây ra các vấn đề nghiêm trọng.

Loss (Suy hao)
Loss được mô tả là sự giảm trong độ mạnh tín hiệu (trong hình dưới). Có nhiều nguyên nhân gây ra giảm tín hiệu RF, cả khi tín hiệu còn đang ở trong cable (tín hiệu điện AC tần số cao) và khi tín hiệu được phát ra như sóng radio vào không khí bởi anten. Điện trở của cable và các đầu nối có thể gây ra los bởi vì chúng chuyển tín hiệu AC sang dạng nhiệt. Trở kháng không tương thích trong cable và đầu nối cũng gây ra công suất phản xạ ngược trở lại nguồn và điều này gây ra giảm tín hiệu. Các vật nằm trực tiếp trên đường truyền của sóng có thể hấp thụ, phản xạ hoặc phá hủy tín hiệu RF. Chúng ta cũng có thể chủ động gây ra loss bằng cách sử dụng một bộ suy hao RF. Bộ suy hao RF là một cái điện trở có nhiệm vụ chuyển AC tần số cao sang dạng nhiệt để giảm biên độ tín hiệu.

http://i47.photobucket.com/albums/f185/hinhup/75-2-3.gif

Việc có thể đo và bù đắp được cho loss trong một kết nối RF hay trong circuit là rất quan trọng bởi vì radio có một ngưỡng về độ nhạy sóng (sensitivity threshold). Sensitivity threshold được định nghĩa là một điểm trong đó radio có thể phân biệt được giữa tín hiệu và nhiễu nền. Bởi vì độ nhạy của receiver là xác định, trạm truyền phải truyền một tín hiệu có biên độ đủ để có thể nhận ra được tại bên nhận. Nếu có loss xuất hiện giữa transmitter và receiver, vấn đề phải được giải quyết bằng cách di chuyển những vật gây ra loss hoặc bằng cách tăng công suất của trạm phát.

(còn tiếp)

[friends]

Reflection (phản xạ)
Phản xạ như được minh họa trong hình dưới đây, xuất hiện khi một sóng điện từ đang quảng bá va chạm phải một vật có kích thước rất lớn nếu so sánh với bước sóng của sóng đang quảng bá. Phản xạ xuất hiện từ bề mặt của trái đất, tòa nhà, tường và nhiều vật cản khác. Nếu bề mặt là nhẵn, tín hiệu phản xạ có thể không bị thay đổi, mặc dù vẫn có một số loss gây ra bởi sự hấp thụ và tán xạ của tín hiệu.

http://i47.photobucket.com/albums/f185/hinhup/74-2-4.gif

Sự phản xạ tín hiệu RF có thể gây ra những vấn đề nghiêm trọng cho WLAN. Sự phản xạ của tín hiệu chính từ nhiều vật thể trong vùng truyền còn được gọi là Multipath. Multipath có thể gây ảnh hưởng bất lợi lên mạng WLAN, chẳng hạn như giảm hay phá hủy tín hiệu chính và gây ra các lỗ hổng hay kẻ hở trong vùng bao phủ (vùng phủ sóng) của RF. Các bề mặt như hồ, mái nhà kim loại, cửa chớp kim loại, cửa kim loại, và các vật khác có thể gây ra sự phản xạ nghiêm trọng và vì thế cũng gây ra multipath.

Sự phản xạ này là không mong muốn và thường yêu cầu các phương pháp đặc biệt (như antenna diversity) trong các phần cứng WLAN để đền bù cho nó.

Refraction (Khúc xạ)
Khúc xạ được mô tả là sự uốn cong của sóng radio khi chúng truyền qua môi trường có mật độ khác nhau. Khi một sóng RF truyền qua một môi trường dày đặc (ví dụ, vũng nước của một vùng không khí lạnh nằm trong thung lũng) thì sóng sẽ bị uốn cong và hướng của chúng sẽ bị thay đổi. Khi truyền qua những môi trường như vậy thì một số sóng sẽ bị phản xạ lại khỏi hướng chúng định truyền và một số có thể bị uốn cong thông qua môi trường theo một hướng khác như được minh họa trong hình dưới đây.

http://i47.photobucket.com/albums/f185/hinhup/73-2-5.gif

Khúc xạ có thể là một vấn đề cho các đường truyền RF ở khoảng cách xa. Khi điều kiện không khí thay đổi, sóng RF có thể đổi hướng làm lệch hướng tín hiệu khỏi đích đến.

(còn tiếp)

[friends]

Diffraction (nhiễu xạ)
Nhiễu xạ xuất hiện khi đường truyền radio giữa transmitter và receiver bị cản trở bởi một bề mặt sắt nhọn không đồng đều hoặc là một bề mặt nhám. Ở tần số cao, nhiễu xạ cũng giống như phản xạ, nó tùy thuộc vào hình dạng của vật cản trở, biên độ, pha và cực của sóng tại điểm nhiễu xạ.

Nhiễu xạ thường bị nhầm lẫn và sử dụng lẫn lộn với khúc xạ. Hãy cẩn thận đừng nhầm lẫn 2 thuật ngữ này. Nhiễu xạ mô tả một sóng bị uốn quanh vật thể (Hình dưới), trong khi khúc xạ được mô tả là một sóng bị bẻ cong khi xuyên qua một môi trường. Trong ví dụ hòn đá rơi xuống nước ở trên, bây giờ giả sử có một cành cây nhỏ đâm thẳng xuống bề mặt của nước gần điểm hòn đá chạm mặt nước. Khi các gợn sóng va vào cành cây, chúng sẽ bị ngăn chặn lại một phần nhỏ, tuy nhiên, ở mức độ lớn hơn, những gợn sóng đó sẽ bị uốn quanh cành cây. Nếu như vật cản đủ lớn hay có mép lởm chởm như răng cưa thì sóng sẽ không bị uốn quanh nữa mà sẽ bị chặn lại.

http://i47.photobucket.com/albums/f185/hinhup/73-2-5.gif

Nhiễu xạ sẽ làm chậm sóng đứng tại điểm sóng đứng va đập vào vật cản, trong khi các phần còn lại của vật cản vẫn duy trì tốc độ như lúc quảng bá. Vì vậy nó gây ra giảm tốc độ tại điểm tiếp xúc và thay đổi hướng truyền ban đầu.

Scattering (tán xạ)
Tán xạ xuất hiện khi sóng truyền qua một môi trường có các vật có kích thước nhỏ so với bước sóng của tín hiệu, và số lượng vật cản trên một đơn vị thể tích là lớn. Sóng bị tán xạ được sinh ra bởi các vật nhỏ, có bề mặt nhám hay không đều trên đường truyền của tín hiệu, như được minh họa trong hình sau.

http://i47.photobucket.com/albums/f185/hinhup/72-2-6.gif

Một số các vật cản ngoài trời có thể gây ra tán xạ trong hệ thống truyền thông di động bao gồm lá cây, các biển báo giao thông và cột đèn giao thông. Tán xạ có thể xảy ra theo 2 cách chính.

Thứ nhất, tán xạ có thể xuất hiện khi một sóng va đập vào một bề mặt không bằng phẳng và bị phản xạ theo nhiều hướng đồng thời. Tán xạ theo kiểu này sinh ra nhiều phản xạ có biên độ nhỏ và có thể phá hủy tín hiệu RF chính. Sự suy hao của tín hiệu RF có thể xuât hiện khi sóng RF bị phản xạ khỏi cát, đá hay những bề mặt lởm chởm. Khi bị phản xạ theo kiểu này, sự suy hao sóng RF có thể đáng để gây ra các truyền thông bị ngắt quản hoặc mât hoàn toàn tín hiệu.

Thứ 2, tán xạ có thể xuất hiện khi một tín hiệu sóng di chuyển xuyên qua một phần của môi trường có nhiều bụi. Trong trường hợp này, thay vì bị phản xạ khỏi bề mặt không bằng phẳng, sóng RF sẽ bị phản xạ một cách riêng lẽ trên rất nhiều vật nhỏ khác nhau.

[friends]

2. Voltage Standing Wave Ratio – VSWR (tỷ số sóng đứng điện áp)
VSWR xuất hiện khi trở kháng (điện trở của dòng điện đo bằng ohm) không tương thích giữa các thiết bị trong hệ thống RF. VSWR được gây ra bởi một bộ tín hiệu RF bị phản xạ tại điểm trở kháng không tương thích trên đường truyền tín hiệu. VSWR gây ra return loss, nó được định nghĩa là loss của năng lượng truyền về phía trước do một số công suất bị phản xạ trở lại transmitter. Nếu trở kháng của các đầu cuối kết nối không khớp với nhau (không tương thích) thì tổng số tối đa công suất được truyền sẽ không được nhận bởi anten. Khi một phần của tín hiệu RF bị phản xạ ngược trở lại transmitter, mức độ tín hiệu trên đường dây sẽ khác nhau thay vì đáng lẽ ra chúng phải ổn định. Sự khác nhau này được gọi là VSWR.

Để minh họa cho VSWR, hãy tưởng tượng dòng nước chảy qua 2 ống nước ở trong vườn. Nếu 2 ống nước có cùng đường kính thì dòng nước sẽ chảy qua chúng một cách thông suốt. Nếu một ống nước được kết nối với một vòi lớn hơn đáng kể so với ống nước còn lại nằm ở phía dưới đường ống, thì sẽ có một trở lực trên vòi nước và thậm chí tại điểm kết nối giữa 2 ống nước. Trở lực đứng này minh họa cho VWSR được minh họa trong hình sau. Trong ví dụ này bạn có thể thấy rằng trở lực này có thể có ảnh hưởng xấu và sẽ không có nhiều nước được truyền sang ống nước thứ 2 như trong trường hợp 2 ống nước có đường kính bằng nhau.

Đo lường VSWR (VSWR Measurement)
VSWR là một tỷ số, vì thế chúng được biểu diễn như là mối liên quan giữa 2 số. Giá trị VSWR thường thấy là 1.5:1. Hai số biểu diễn tỷ số của trở kháng không tương thích với trở kháng lý tưởng. Số thứ hai luôn luôn là 1, là trở kháng lý tưởng, trong khi số thứ nhất là biến (thay đổi). Số thứ nhất càng thấp (càng gần với 1) thì hệ thống của bạn sẽ có phối hợp trở kháng tốt hơn. Ví dụ, giá trị 1.1:1 là tốt hơn giá trị 1.4:1. Giá trị VSWR 1:1 biểu diễn một sự phối hợp trở kháng hoàn hảo và sẽ không có sóng đứng điện áp nào hiện diện trong đường tín hiệu.

Tác dụng của VSWR (Effect of VSWR)
VSWR quá cao có thể gây ra các vấn đề nghiêm trọng trong một mạch RF. Trong hầu hết trường hợp, kết quả được đánh dấu là giảm biên độ của tín hiệu RF được truyền. Tuy nhiên, do một số transmitter không được bảo vệ chống lại công suất bị phản xạ lại, công suất này có thể đốt cháy mạch điện tử. Tác dụng của VSWR là rất rõ ràng khi mạch truyền bị đốt cháy là mức công suất phát ra là không ổn định, và nó khác hoàn toàn với công suất được mong đợi. Phương thức thay đổi VSWR bao gồm việc sử dụng đúng thiết bị thích hợp, kết nối chặc giữa cable và đầu nối, sử dụng trở kháng tương thích giữa các thiết bị phần cứng và sử dụng các thiết bị chất lượng cao là các phương thức tốt chống lại VSWR. VSWR có thể được đo lường với dụng cụ có độ chính xác cao như SWR metter, nhưng sự đo lường này là không cần thiết đối với administrator.

Giải pháp cho VSWR (Solution to VSWR)
Để ngăn chặn những tác dụng xấu của VSWR, chúng ta cần phải bảo đảm tất cả cable, đầu nối và tất cả thiết bị có trở kháng tương thích với nhau và càng gần nhau càng tốt. Không bao giờ sử dụng cable 75 Ohm với một thiết bị 50 Ohm. Hầu hết các thiết bị WLA ngày nay có trở kháng khoảng 50 Ohm, nhưng bạn cũng nên kiểm tra chúng trước khi cài đặt. Mọi thiết bị từ transmitter đến anten phải có trở kháng khớp nhau càng gần càng tốt, bao gồm cable, đầu nối, anten, bộ khuếch đại, bộ suy hao, mạch transmitter output và mạch transmitter input.

(hết)