KỸ THUẬT MẠNG VÔ TUYẾN

Suy hao truyền dẫn và Độ dư năng lượng


Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến phạm vi tối đa chấp nhận được của mạng vô tuyến với thủ phạm chính là Suy hao đường truyền (Path Loss) tín hiệu vô tuyến của bạn. Suy hao đường truyền là cực điểm suy hao của các yếu tố khác liên quan đến tín hiệu bao gồm suy hao truyền dẫn qua không gian tự do (free-space loss), khúc xạ, nhiễu xạ và phản xạ sóng, suy hao ghép nối do độ mở sóng ngoài môi trường (aperture - medium coupling loss) và hấp thụ. Nhưng nó cũng bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như đường biên địa lý, môi trường khu vực, môi trường tự nhiên (chẳng hạn tán lá) và môi trường lan truyền (tức là độ ẩm không khí).


Path Loss (sự suy giảm của đường tín hiệu) là sự suy giảm mật độ công suất (attenuation) của sóng truyền dẫn vô tuyến khi lan truyền thông qua một môi trường trên một khoảng cách. Nó là một yếu tố quan trọng khi nói đến việc thiết kế và quy hoạch một mạng vô tuyến và là một yếu tố khóa khi tính toán mức năng lượng sẵn có cho liên kết.

Suy hao đường truyền mà do suy hao truyền dẫn không gian tự do (Free-space Loss) có lẽ sẽ là yếu tố quan trọng nhất khi quy hoạch mạng ngoài trời, liên kết tầm xa với cường độ tín hiệu giảm 4 lần nếu khoảng cách giữa các thiết bị tăng gấp đôi. Suy hao truyền dẫn không gian tự do không bao gồm các yếu tố như độ lợi của anten được sử dụng tại máy phát và máy thu, cũng không phải bất kỳ mất mát liên quan đến sự không hoàn hảo của phần cứng, nó chỉ được dựa trên LoS (Line of Sight) thông qua không gian tự do.



Suy hao truyền dẫn không gian tự do có thể được tính toán sử dụng phương trình sau:

Trong đó,

  • FSL = Free-Space Loss (Suy hao truyền dẫn không gian tự do)
  • λ = Bước sóng tín hiệu (m)
  • d = Khoảng cách giữa trạm phát và trạm thu (m)

Thông qua một số phép đạo hàm sâu hơn, phương trình thực tế hơn dưới đây có thể chỉ ra suy hao FSL trong ước tính dB (decibels):

 

Trong đó: 

  • FSL (dB) = Free-Space Loss (Suy hao truyền dẫn không gian tự do) (dB)
  • d = Khoảng cách giữa trạm phát và trạm thu (km)
  • f = Tần số tín hiệu (GHz)

Ví dụ 1:

Tính toán FSL của một tín hiệu 2.4GHz, trên kênh (2.437GHz) với khoảng cách 250m:

Ví dụ 2:

Tính toán FSL của một tín hiệu 70GHz (72,000MHz) trên một khoảng cách 250m:

 

Bạn có thấy được từ hai ví dụ trên, khi mà tầng số tăng lên, suy hao truyền dẫn không gian tự do (giảm về công suất tín hiệu) tăng lên với cùng khoảng cách.

Mức năng lượng sẵn có (Link Budget)


Đối với các kết nối mạng vô tuyến, một mức năng lượng sẵn có (Link budget ) có thể được tính toán để xem xét về tất cả độ khuếch đại và suy hao trên đường liên kết, từ máy phát qua không khí và sau đó đến trạm thu. Nó đánh giá bản chất lan truyền tín hiệu, các độ lợi anten phát - thu và những suy hao khác từ các yếu tố như các ảnh hưởng của địa hình và độ ẩm, …

Một lối giải thích đơn giản với phương trình tính toán Mức năng lượng sẳn có được viết như sau:

Các trường yếu tố trên có thể được chia nhỏ hơn thành những biến ảnh hưởng nhỏ hơn đưa ra một phương trình thực tế hơn:

Trong đó,

  • PRX = Công suất máy thu (dBm)
  • PTX = Công suất ngõ ra máy phát (dBm)
  • GTX = Độ lợi anten phát (dBi)
  • LTX = Các suy hao do máy phát (cáp, connector...) (dB)
  • LFS = Suy hao truyền dẫn không gian tự do (dB)... Đề cập ở trên
  • LM = Các suy hao hỗn tạp (fade margin, phân cực lệch...) (dB)
  • GRX = Độ lợi anten thu (dBi)
  • LRX = Các suy hao do máy thu (cáp, connector...) (dB)

Trong môi trường văn phòng, người ta cho rằng sự lan truyền suy hao chỉ gây ra trong khoảng 3m đầu tiên, tiếp theo đó các suy hao indoor có thể tăng lên tới 30dB mỗi 30m.

 

Ví dụ 3:

Tính mức năng lượng sẳn có (Link Budget) hai trạm thu phát hoạt động trên một tín hiệu 5GHz (5765MHz), với khoảng cách 500m với công suất ngỏ ra 21dBm, độ lợi anten 14.6dBi, suy hao thiết bị (cáp, connector…) 1.2dB, các suy hao khác 0dB và một suy hao đường truyền 101.5dB:

Từ kết quả này, điểm nhận của bạn muốn có một độ nhạy thu -53.7dBm hoặc thấp hơn (giá trị âm cao hơn) cho đường liên kết của bạn hoạt động thông suốt.

Độ dư năng lượng (System Operating Margin)


SOM (System Operating Margin- Độ dư năng lượng) là một cách tính toán sự sai khác giữa cường độ tín hiệu thực sự nhận được tại trạm thu với những gì nó thực sự cần cho phục hồi dữ liệu tốt. SOM được tính bằng cách lấy giá trị mức năng lượng sẵn có (Link Budget) trừ đi giá trị độ nhạy thu (dB).

Trong đó:

  • SOM = System Operating Margin (Độ dư năng lượng) (dBm)
  • PRX = Công suất nhận được (dBm)
  • SRX = Độ nhạy máy thu (dBm)

Để cho hoạt động tối ưu, độ dư năng lượng 20dBm hoặc lớn hơn sẽ là lý tưởng tuy nhiên những giá trị này không phải luôn đạt được,  ngoài ra những giá trị thấp hơn 10dBm thường được xem là không thể chấp nhận. Dưới đây là một bảng chỉ ra mối quan hệ giữa SOM và độ khả dụng. Giá trị 20dBm gây ra một downtime (thời gian chết hay thời gian rớt) khoảng 70 giờ mỗi năm.

 

SOM (dBm)

Độ khả dụng %

Downtime (trênnăm)

 

 

8

90

876 giờ

 

 

18

99

88 giờ

 

 

28

99.9

8.8 giờ

 

 

38

99.99

53 phút

 

 

48

99.999

5.3 phút

 

 

58

99.9999

32 giây

 

 

Nối tiếp ví dụ 3:

Nếu Mức năng lượng sẵn có đã được tính toán có công suất nhận được là -53.7dBm và thiết bị nhận có độ nhạy thu -75dBm:

Như bạn có thể thấy, hệ thống có một độ dư năng lượng hoạt động 21.3dBm liên quan tới độ khả dụng khoảng 99.4%, hay sẽ có 2 ngày 4 giờ 42 phút và 5 giây downtime (thời gian rớt hoặc nghẽn mạng) trên năm.

Phạm vi mạng vô tuyến cho phép tối đa


Nếu bạn chỉ định một độ khả dụng mong muốn cho mạng vô tuyến của bạn và các thiết bị mà bạn muốn sử dụng, khoảng cách tối đa giữa các thiết bị có thể được tính bằng kỹ thuật đảo ngược các phương trình thảo luận ở trên.

Ví dụ 4:

Yêu cầu với một cầu kết nối điểm - điểm:

  • Độ khả dụng 99.9% trên năm (28dBm)
  • Hai trạm thu phát giống nhau hoạt động tại bằn tần 5GHz, kênh 36 (5180MHz)
  • Công suất ngõ ra giảm đến 9dBm với độ lợi anten cao
  • Receiver Sensitivity of -67dBm
  • Các suy hao trên mỗi hệ thống truyền nhận 1.2dB
  • Anten chảo 2ft, độ lợi 28dBi













d = 0.56km

 

Vì vậy, bạn có thể thấy, nếu bạn có các đặc tính sản phẩm và độ khả dụng cụ thể, khoảng cách tối đa giữa các thiết bị cho một mức khả dụng cụ thể có thể được tính toán.

Rain Fade


Hiện tượng Rain Fade được gây ra bởi những giọt mưa có khoảng cách tách biệt tương tự như các bước sóng tín hiệu và gây ra hấp thụ tín hiệu, làm gián đoạn thông tin liên lạc. Hiện tượng này có ảnh hưởng lớn hơn đối với các tín hiệu trên 10GHz, các trận mưa lớn hay bão tuyết có thể nguyên nhân gây nên sự suy giảm lớn cường độ tín hiệu. Một mô hình biểu thị tỷ lệ lượng mưa giữa trên khu vực được gọi là “Crane Model” có thể được sử dụng để tính toán Rain Fade.

Từ biểu đồ trên, bạn xác định vị trí đường liên kết mạng vô tuyến của bạn và kết hợp với một giá trị là chỉ số tỷ lệ lượng mưa tương ứng trong vùng

 

Tỷ lệ lượng mưa (R)

Tỉ lệ phần trăm
của năm (%)

Khu vực

A
(mm/hr)

B
(mm/hr)

B1
(mm/hr)

B2
(mm/hr)

C
(mm/hr)

D1
(mm/hr)

D2
(mm/hr)

D3
(mm/hr)

E
(mm/hr)

F
(mm/hr)

G
(mm/hr)

H
(mm/hr)

1

0.2

1.2

0.8

1.4

1.8

2.2

3.0

4.6

7.0

0.6

8.4

12.4

0.5

0.5

2.0

1.5

2.4

2.9

3.8

5.3

8.2

12.6

1.4

13.2

22.6

0.1

2.5

5.7

4.5

6.8

7.7

10.3

15.1

22.4

36.2

5.3

31.3

66.5

0.05

4.0

8.6

6.8

10.3

11.5

15.3

22.2

31.6

50.4

8.5

43.8

97.2

0.01

9.9

21.1

16.1

25.8

29.5

36.2

46.8

61.6

91.5

22.2

90.2

209.3

0.005

13.8

29.2

22.3

35.7

41.4

49.2

62.1

78.7

112.0

31.9

118.0

283.4

0.001

28.1

52.1

42.6

63.8

71.6

86.6

114.1

133.2

176.0

70.7

197.0

542.6

 

Hiện tượng Rain Fade có thể được tính toán theo phương trình sau:

Trong đó: 

  •  Suy hao cường dộ tín hiệu do mưa (dB)
  •  Hệ số suy giảm riêng do mưa (db/km)
  •  Chiều dài tuyến mạng (km)

Để xác định giá trị suy giảm lượng mưa cụ thể, bạn phải nhận biết một số yếu tố tùy thuộc vào vị trí, độ khả dụng được yêu cầu và tần số. Công thức để tính toán như sau:

Trong đó: 

  •  Các hệ số tần số khác nhau
  • R = Tỷ lệ lượng mưa phụ thuộc vào độ khả dụng được yêu cầu trong vùng cụ thể

Gía trị tỷ lệ lượng mưa (R) có thể được lấy từ các bảng đã được liệt kê ở trên, chẳng hạn giá trị R ứng với đường liên kết có độ khả dụng 99,99% trong khu vực C sẽ là 29.5mm/hr.

k và α có thể được xác định từ bảng dưới đây dựa trên sự phân cực ngang hoặc dọc của thiết bị bạn dùng.

 

Tần số (GHz)

kH

kV

αH

αV

 

 

30

0.187

0.167

1.02

1.00

 

 

40

0.350

0.310

0.94

0.93

 

 

50

0.536

0.479

0.87

0.87

 

 

60

0.707

0.642

0.83

0.82

 

 

70

0.851

0.784

0.79

0.79

 

 

80

0.975

0.906

0.77

0.77

 

 

90

1.060

0.999

0.75

0.75

 

 

100

1.120

1.060

0.74

0.74

 

 

Ví dụ 5:

Nếu một phân cực dọc, đường kết nối 80GHz nằm trong vùng Tây nam nước Anh yêu cầu độ khả dụng là 99.99% trên khoảng cách 4km, cường độ tín hiệu suy hao trên mỗi km do mưa là bao nhiêu?

 





k = 0.906

 

Tây nam nước Anh thuộc khu vực C nên:







Vì vậy với khoảng cách liên kết trên 4km, cường độ tín hiệu bị mất mát 49.08dB cho một liên kết 80GHz với độ khả dụng 99.99% trong vùng đó.

 

Các bài viết liên quan