Công nghệ không dây công nghiệp (Phần 2)

2-1 Khái niệm về hệ thống Radio

Radio làm việc như thế nào?

Sóng điện từ

Dữ liệu được truyền qua không khí bằng sóng điện từ (Electromagnetic-EM), được hình thành do một dòng điện thay đổi hướng rất nhanh trên vật liệu dẫn điện. Sự dao động nhanh của các điện tử và từ trường xung quanh một dây dẫn tạo ra sóng điện từ trường trong không khí (nhìn hình minh họa bên). Để cho dòng điện phát bức xạ ra trong không khí trong dạng của sóng điện từ, một vài yếu tố mang tính quyết định; là: độ dài của dây dẫn và tần số của dòng điện xoay chiều. Tần số càng cao sẽ giảm các yêu cầu về chiều dài đối với dây dẫn.

Một antenna (thường gọi antenna) là một vật dẫn được thiết kế để truyền và/hoặc nhận sóng điện từ trong kết nối không dây.

Kích thước (hoặc chiều dài) của antenna sẽ tương ứng với tần số truyền/nhận mong muốn.

Tx & Rx

Mọi cấu trúc radio bao gồm 2 thành phần chính:

• Bộ phát (viết tắt là Tx: Transmitter)
• Bộ thu (viết tắt là Rx: Receiver)

Sóng điện từ được phát ra từ một bộ phát và đi tới một bộ thu. Bộ phát mã hóa âm thanh, video, và dữ liệu trên một sóng hình sin, và truyền nó qua sóng radio. Bộ thu nhận một sóng radio và giải mã những sóng đó để lấy ra thông tin. Cả bộ phát và bộ thu đều sử dụng antenna để phát và bắt các tín hiệu radio. Hình bên dưới là ví dụ của cấu trúc hệ thống và sơ đồ khối của một thiết bị radio theo chuẩn IEEE 802.11a. Chúng ta có thể thấy bộ phát và bộ thu ở trong cùng một thiết bị. Phần cao hơn, từ phía antenna (bên trái) đi đến luồng dữ liệu (bên phải), chỉ ra cách tín hiệu radio truyền luồng dữ liệu thông qua một bộ thu và một số khối chức năng, trong khi phần dưới mô tả việc truyền dữ liệu như thế nào. Một bộ dồn kênh được dùng để chọn cách thức truyền hoặc nhận dữ liệu.

Sự lan truyền

Các sóng điện từ lan truyền xuyên qua không khí, và khi vượt qua các chướng ngạy vật khác nhau chúng sẽ thay đổi hình dáng theo đó.

Sự nhiễu xạ

Độ mạnh tín hiệu giảm đi sau khi vượt qua các nhiễu xạ. Các chướng ngại gây nhiễu xạ thường có góc cạnh như góc cạnh của một tòa nhà. Khi sóng điện từ gặp một chướng ngại vật với những góc cạnh mà không thể xuyên qua, sóng điện từ bao xung quanh chướng ngại vật để đến được bộ thu.

Sự tán xạ

Khi sóng điện từ gặp nhiều chướng ngại vật nhỏ (nhỏ hơn so với độ dài bước sóng của tín hiệu), sóng điện từ sẽ phân tán thành nhiều sóng phản xạ nhỏ và làm hỏng tín hiệu chính, và điều này gây giảm chất lượng hoặc thậm chí hỏng liên kết. Những trở ngại như vậy bao gồm các bề mặt thô, đá, cát, bụi, lá cây, đèn đường,.v.v.

Phản xạ

Khi một sóng điện từ chạy tới một vật cản lớn như mặt đất, bức tường, hoặc tòa nhà, chúng phản xạ và làm thay đổi hướng, pha. Nếu bề mặt phản xạ phẳng, tín hiệu phản xạ sẽ giống sóng ban tới bề mặt là không bị phân tán.

Tất cả các hiện tượng thu được ở trên trong nhiều kênh lan truyền, không phải tất cả tín hiệu đều đến antenna của bộ thu cùng lúc, do gặp phải chướng ngại vật và làm thay đổi đường đi của tín hiệu. Dù bạn thiết lập ứng dụng ngoài trời hay trong nhà, đa đường truyền có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng chất lượng tín hiệu nhận được. Bởi vì các tín hiệu trễ gây hủy hoại đến tín hiệu chính. Các vấn đề về đa đường thường có thể được bù bởi nhiều dạng antenna ứng với các mức tần số radio và/hoặc bởi OFDM ở dải cơ bản.

Hệ nhiều vào nhiều ra

MIMO (Multiple Input/Multiple Output-nhiều đầu vào/nhiều đầu ra) là công nghệ sử dụng nhiều bộ phát và thu (với nhiều antenna) để nâng cao khả năng của kết nối không dây. Các chữ cái sau được miêu tả như một hệ thống radio: M = Nhiều; S = đơn; I = đầu vào; O = đầu ra. M, S, I và O liên quan đến những gì được thực hiện trong không khí, không phải thiết bị. Ví dụ, đối với một hệ thống radio nhiều đầu vào nhiều đầu ra, MI (nhiều đầu vào) có nghĩa nhiều bộ truyền  gửi nhiều luồng dữ liệu vào không trung. MO (nhiều đầu ra) nghĩa là nhiều bộ thu nhận được nhiều luồng dữ liệu từ không trung. Lưu ý rằng, các đầu vào và đầu ra tương ứng với các kênh radio phát thanh mang tín hiệu, không phải để các thiết bị với antenna.

Khi nhiều bộ phát và nhiều bộ thu được sử dụng, những luồng dữ liệu có thể được gửi đồng thời, sẽ làm tăng tốc độ truyền. Thêm nữa, nhiều bộ thu cho phép độ phủ sóng lớn hơn và khoảng cách truyền giữa các thiết bị xa hơn. Chuẩn IEEE 802.11n sử dụng hệ nhiều vào nhiều ra MIMO để tăng tốc độ đến 100 Mbps và hơn nữa. Công nghệ MIMO thường xuyên được sử dụng trong LTE hoặc các chuẩn không dây khác.

Điều cần biết về hệ thống Radio

Công suất tín hiệu

Tín hiệu radio truyền ở một mức công suất nhất định, với công suất đo bằng watt. Tuy nhiên công suất của một WLAN thường khoảng mW. Một điểm truy cập không dây AP thương mại, công suất truyền khoảng 30 đến 100mW, và bộ tiếp hợp không dây khoảng 50mW. Các ứng dụng nhất định yêu cầu công suất truyền cao hơn (hoặc công suất Tx) và có thể cố gắng sử dụng công suất cao hơn hoặc mô đun đặc chế công suất cao hơn để khuếch đại công suất truyền. Tuy nhiên, việc này phải thực hiện với những điểm lưu ý như; khuếch đại công suất có thể khiến cho hệ thống vượt quá mức quy định phát xạ sóng radio của quốc gia đó (ví dụ: quy định FCC).

Mức công suất đo cỡ mW là khó dựa trên toán học khi mức công suất vô cùng nhỏ tại bộ nhận tín hiệu. Do đó, thay vì việc sử dụng giá trị tuyệt đối mW, chúng ta chuyển nó sang dBm. Đơn vị của dBm trong biểu diễn logarit của mW. Sự chuyển đổi giống như sau:

dBm là đơn vị tuyệt đối và thứ nguyên là mW. Ở đó 0 dBm  bằng 1mW. Đơn vị dBm được sử dụng cho đo lường của công suất tuyệt đối. Bằng cách so sánh, decibel (dB) là một đơn vị thứ nguyên, dùng để định lượng tỷ lệ giữa hai giá trị. Nói tóm lại, khi tăng 3 dB biểu diễn cho việc tăng gần gấp đôi công suất, trong khi đó giảm 3 dB nghĩa là công suất giảm đi một nửa. Dưới đây là bảng chuyển đổi nhanh giữa hai đơn vị:

Công truyền và độ nhậy khi nhận tín hiệu

Khi một tín hiệu radio được truyền trong không khí, nó sẽ bị suy giảm cường độ tín hiệu, và được gọi là suy giảm khi truyền trong không khí. Do đó, khi đánh giá một hệ thống không dây, người ta cần phải đánh giá được mức công suất tín hiệu ở cuối bộ phát và bộ thu. Công suất tín hiệu nhận được sẽ không thể yếu quá vì có thể mất kết nối, hoặc quá mạnh gây bão hòa bộ phận khuếch đại của bộ thu.

Những mối quan tâm này yêu cầu cho sự xác định nguồn năng lượng của hệ thống không dây. Ngân sách năng lượng được dự tính sẽ cho ra một ý tưởng và giải pháp mở rộng liên kết không dây mà không mất kết nối. Lưu ý rằng, những tính toán sau đây là những ước tính lý thuyết và không có nghĩa là khoảng cách truyền thông được đảm bảo theo công thức. Công thức này dựa trên công thức Friis và ý tưởng của “suy hao truyền dẫn không gian tự do”. Công thức truyền Friis cho phép chúng ta tính toán công suất nhận được (P_r) , khi biết công suất phát xạ P_t­. Công thức truyền dẫn Friis cho rằng đúng khi cả hai antenna đẳng hướng, và “suy hao truyền dẫn không gian tự do” ngụ ý rằng không có đối tượng nào xuất hiện ở giữa và làm ảnh hưởng đến sự truyền tín hiệu. Công thức lý thuyết có thể biểu diễn:

Trong đó G_t và G_r là độ khuếch đại của antenna truyền và nhận, λ là độ dài bước sóng, và R là khoảng cách từ thiết bị radio.

Với  λ=c/F, trong đó c là tốc độ ánh sáng(3×108 m/s) và F là tần số đơn vị Hz, chúng ta có thể đơn giản hóa công thức và biểu diễn lại khoảng cách truyền  hiệu dụng (tính bằng km)  như sau:

Trong đó: f là tần số đơn vị MHz, p_t và p_r đơn vị dBm, và g_t và g_r đơn vị dBi.

Những thông số này dễ dàng có được từ thiết kế hoặc sản phẩm mẫu. Đưa các giá trị này vào công thức trên để tính ra khoảng cách truyền hiệu quả. Trong thực tế, do tổn hao hệ thống hoặc sử dụng anten truyền và nhận dị hướng, chúng ta thường lấy kết quả lý thuyết chia cho bốn (4) để tìm được khoảng cách hợp lý hơn. Thực tế, có thể chia cho 8, hoặc lớn hơn nữa vì ảnh hưởng của các điều kiện môi trường không biết được.

Công thức trên cũng chỉ ra rằng có nhiều hơn yếu tố phức tạp sẽ ảnh hưởng khoảng cách truyền. Độ nhạy của bộ thu ở mức công suất tối thiểu phải đáp ứng với yêu cầu của bộ thu để có thể nhận dữ liệu. Độ nhạy được xác định không chỉ là công suất của antenna nhận, mà còn được  thể hiện tại mô đun bộ thu nhận tín hiệu. Một điểm quan trọng cần lưu ý từ công thức ở trên là khi tăng tần số sẽ làm giảm khoảng cách truyền hiệu quả. Do đó, ở dải tần 5 GHz cho phép theo chuẩn 802.11a và 802.11n sẽ có khoảng cách truyền ngắn hơn so với dải tần 2.4 GHz cho phép 802.11b/g và 802.11n. Khi người dùng mong muốn truyền tín hiệu với khoảng cách xa  nên chọn dải tần 2.4 GHz và dùng chuẩn 802.11b/g/n trong thiết kế.

Điều chế và trải phổ

Điều chế là một quá trình chuyển một tín hiệu thư điện tử bằng một hoặc nhiều hơn các thuộc tính của chu kỳ dạng sóng, được gọi là tín hiệu mang, với một tín hiệu điều chế sẽ mã hóa thông tin khi truyền đi. Hoạt động giải nén thông tin gốc mang tín hiệu từ sóng mang đã điều chế gọi là giải điều chế. Có nhiều công nghệ điều chế sóng radio RF.  Đồ thị biểu diễn sự phân loại khác nhau của các công nghệ điều chế số. Công nghệ trải phổ là phương pháp cho việc truyền một tín hiệu radio qua một băng tần, nó được hiểu rộng hơn về nội dung tần số của thông tin dữ liệu gốc. Công nghệ trải phổ cung cấp các lợi ích cho kết nối an toàn, chống các nhiễu, nhiễu âm tốt hơn, và giới hạn về mật độ dao động công suất. Để đơn giản trong thảo luận, công nghệ trải phổ đề cập tới lớp vật lý của sóng radio trong tiêu chuẩn 802.11, có tên là FHSS, DSSS, và OFDM, và sẽ được thảo luận ở các phần dưới.

Trải phổ nhảy tần số (FHSS, hay FH)

Đây là một trong những kỹ thuật điều chế được sử dụng trong trải phổ tần số truyền tín hiệu. Nó được biết đến như công nghệ đa truy cập phân chia mã theo tần số FH-CDMA (Frequency-Hopping Code Division Multiple Access: FH-CDMA). Trải phổ cho phép một tín hiệu truyền qua một dải băng tần số rộng hơn băng thông tối thiểu được yêu cầu đối với thông tin tín hiệu. Bộ phát “trải” năng lượng, tập trung tín hiệu gốc trong một dải hẹp, đi qua một số kênh dải tần số với một phổ trường điện từ rộng hơn. FHSS có ưu điểm của việc cải thiện bảo mật, giảm sự can thiệp nhiễu dải hẹp, và tăng khả năng truyền tín hiệu.

Trải phổ trình tự trực tiếp (DSSS, hay DS )

DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) chia một luồng thông tin để truyền thành những phần nhỏ, với mỗi phần được phân bổ đến một dãy kênh qua một phổ điện từ. DSSS sinh ra một bit mẫu dự phòng cho mỗi bit được truyền. Mẫu bit này được gọi là một chip (hoặc mã chipping). Thậm chí, nếu một hoặc nhiều bit trong chip bị phá hỏng khi truyền, những công nghệ thống kê được nhúng trong sóng radio có thể khôi phục dữ liệu gốc mà không cần truyền lại. Trải phổ theo trình tự trực tiếp còn được biết như đa truy cập phân chia mã theo thứ tự (DS-CDMA). Kỹ thuật điều chế chính thức được chấp nhận và sử dụng trong các chuẩn IEEE 802.11b và IEEE 802.11g.

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM)

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là lược đồ điều chế phân chia đồng thời tín hiệu số đơn lẻ thành 1000 hoặc nhiều hơn tín hiệu sóng mang. Các tín hiệu gửi đi bằng theo hướng vuông góc (góc trực giao) với nhau để chúng không gây nhiễu nhau. OFDM có khả năng vượt qua các ảnh hưởng do các hiệu ứng đa đường bằng cách sử dụng nhiều sóng mang để truyền một tín hiệu. OFDM thường sử dụng các tiêu chuẩn IEEE 802.11a hoặc IEEE 802.11g. Các tổ hợp tuyến tính hoặc phi tuyến khi truyền có thể sử dụng bằng công nghệ OFDM. Tiêu chuẩn 802.11g (tương thích với các chuẩn 802.11b trước đây) được sử dụng như bên dưới, là ví dụ cho cách thức truyền sóng theo trải phổ và sơ đồ điều chế  tương ứng với các tốc độ truyền dữ liệu.

Phổ tần (ISM) và dải tần không được đăng kí (không tiêu chuẩn)

Các dải tần không kiểm soát là một phần của phổ radio có thể được sử dụng bởi bất kỳ cá nhân nào mà không cần phải đăng kí. Dải tần miễn phí được biết đến là dải tần ISM (Industrial, Scientific, and Medical-công nghiệp, khoa học, và y tế), thường được dùng rộng rãi trên thế giới cho những ứng dụng năng lượng tần số radio cho các mục đích trong công nghiệp, khoa học và mục đích y tế hoặc một số kiểu truyền thông khác. Dải tần ISM được định nghĩa bởi ITU-R trong các quy phạm điều lệ radio 5.138, 5.150 và 5.280. Có 3 dải tần ISM  được dùng phổ biến là

• 902 MHz đến 928 MHz
• 2.4GHz đến 2.5 GHz
• 5.725 GHz đến 5.875 GHz

Cách sử dụng các dải tần được chỉ định trong các phần này có thể thay đổi theo từng quốc gia khác nhau theo các qui định tần số radio quốc gia đó. Ở Mỹ, dải tần ISM sử dụng các điều luật bởi FCC (Federal Communications Commission) tại phần 18, 15 gồm các qui định cho các thiết bị truyền thông không cần đăng ký. Các quốc gia ở Châu Âu, việc sử dụng dải tần ISM được quy định bởi các các qui định của SRD (Short Range Device-thiết bị truyền sóng ngắn) được ban hành bởi ủy ban châu âu EU, dựa trên công nghệ được giới thiệu bởi CEPT và các tiêu chuẩn của ETSI.

Cơ quan quản lý có thể phân bổ một phần của dải tần radio cho truyền thông không cần đăng kí hoặc cũng có thể không thường phân bổ như dải tần ISM. Ví dụ, FCC quy định dải tần được phép và công suất cho phép lớn nhất trong những dải tần này ở Mỹ. Từ 1997, nó được thêm dải tần trong dải 5GHz theo qui định tại phần 15.407, cũng giống như các dải tần cơ sở hạ tầng thông tin quốc gia không cần đăng kí (Unlicensed National Information Infrastructure: U-NII) cho ứng dụng không dây WLAN.

Ưu, nhược điểm khi sử dụng các dải tần không cần đăng ký (cấp phép)

Dải tần ISM và U-NII đều là những dải tần không cần đăng kí, và cho phép bất kì ai truyền trên những dải tần này mà không cần đăng kí với FCC hoặc các tổ chức có thẩm quyề . Tính mở của những dải tần miễn phí này cho phép phát triển hoạt động kết nối WLAN trong mảng thương mại nhỏ và gia đình. Tuy nhiên, tự do sử dụng những dải tần miễn phí đồng nghĩa có số lượng lớn người dùng không cần đăng kí có thể cùng chia sẻ băng thông. Những thiết bị loại này có thể tạo những nhiễu điện từ khi hoạt động và làm gián đoạn hoạt động truyền thông sử dụng cùng tần số, vì vậy những thiết bị này bị giới hạn những tần số nhất định. Nói chung, những thiết bị truyền thông hoạt động trong những dải tần không cần đăng kí này sẽ phải chịu những nhiễu sinh ra bởi các thiết bị khác, và nó cũng có nghĩa là người dùng không có quy định bảo vệ tránh các ảnh hưởng từ những thiết bị hoạt động trong dải tần này.

Hãy lấy băng tần 2.4GHz làm ví dụ. Trong biểu đồ bên dưới, có 3 kênh không chồng chéo với hoạt động DSSS (chuẩn IEEE 802.11b). Khi kênh liên kết được áp dụng trong IEEE 802.11n, chỉ có một kênh không chồng chéo (hoặc là kênh 3 hoặc kênh 11), có nghĩa là hoạt động của một thiết bị có thể dễ dàng gây nhiễu đối với một thiết bị khác, và ngược lại. Đó là lý do tại sao một số nhà cung cấp không vận hành với băng tần 2.4GHz. Trong các phần sau, sẽ thảo luận chỉ gồm dải tần 2.4GHz và dải tần 5GHz, bởi vì chúng được sử dụng nhiều nhất trong các ứng dụng WLAN. Ngoài tiêu chuẩn IEEE 802.11, sự cân bằng giữa 2 dải này thường được xem xét đến nhiễu (hầu như hoàn toàn đối với dải 2.4GHz) và khoảng cách (mất nhiều công suất để truyền xa ở dải tần 5GHz).

Dải tần 2.4GHz

Chuẩn 802.11b/g được sử dụng nhiều trong các tiêu chẩn mạng không dây WLAN ngày nay. Dải tần 2.4 GHz ISM được hỗ trợ bởi hầu hết các quốc gia trên thế giới.  Nhưng không phải mọi nước hỗ trợ các kênh trong cùng dải 2.4 GHz ISM, mà người dùng cần chắc chắn rằng điểm truy cập wireless có cùng một tiêu chuẩn được sử dụng tại quốc gia đó. Sau đây là biểu đồ cho thấy các kênh được hỗ trợ trong các băng tần ở dải ISM 2.4 GHz cho các lĩnh vực khác nhau. Mặc dù dải tần ISM từ 2.4 đến 2.5 GHz, chuẩn IEEE 802.11b/g chỉ sử dụng 2.400 đến 2.483,5 GHz.  Một điểm không phù hợp nhỏ là do khoảng kênh và cung cấp bộ đệm để ngăn chặn công suất rò ảnh hưởng tới dải tần được đăng kí.

Dải tần 5GHz

Chuẩn 802.11a/h/j/n/ac sử dụng dải tần 5GHz. So với dải tần 2.4GHz, dải tần 5GHz được cân nhắc để có nhiều lựa chọn hợp lý hơn: một kênh đầy độ rộng dự trữ mà không chồng chéo nhau, và ít nhiễu không Wi-fi và đóng gói thông tin nhanh hơn. Tuy nhiên, mỗi quốc gia áp dụng các quy định riêng để phân bổ những kênh được phép và các mức năng lượng tối đa trong dải tần 5GHz. Những người khai thác mạng nên tham khảo ý kiến các cơ quan địa phương cũng như những quy định để có thể thay đổi bất cứ lúc nào. Các bảng dưới đây là các kênh hỗ trợ dải tần 5GHz cho 3 vùng US, EU, Japan.

Dải tần 900 MHz

Khi triển khai truyền thông ở khoảng cách xa thường cho những ứng dụng công nghiệp đắt tiền, và yêu cầu tốc độ kết nối nhanh và tin cậy. Dòng AWK-3191 AP/bridge/client không chỉ giảm bớt được chi phí dây kết nối, mà còn cho người dùng sử dụng truyền thông không dây ở dải tần 900MHz với tốc độ 6Mbps với khoảng cách 30km, đây là giải pháp thay thế tuyệt vời cho các thiết bị radio sóng ngắn đắt tiền. Không giống như thiết bị kết nối điểm-điểm ở tần số 900MHz, AWK-3191 hỗ trợ cả chế độ hoạt động master/slave và AP/Client để cho phép cả kết nối điểm-điểm và điểm-nhiều diểm cho các ứng dụng, bao gồm dầu và gas, giám sát đường ống, giàn khoan ngoài khơi.

2-2 Antenna WLAN

Tại sao quan trọng trong việc sử dụng đúng antenna?

Tốc độ truyền của kết nối không dây có quan hệ với cường độ tín hiệu radio khi truyền. Việc chọn loại antenna phù hợp với môi trường ứng dụng là bước quan trọng nhất để đảm bảo một kết nối không dây tốt.

Hình bên dưới là một minh họa đơn giản của tín hiệu truyền không dây. Sau khi tín hiệu số nhận được được chuyển đổi sang dạng tín hiệu tương tự, tín hiệu sẽ được trộn, lọc, khuếch đại và cuối cùng được phát ra khí quyển. Chức năng chính của antenna là điều khiển công suất phát và dạng của công suất phát. Chương này mô tả các thông số quan trọng khi chọn antenna phù hợp cho ứng dụng của bạn, như tần số của anten, trở kháng phù hợp, tỷ số điện áp sóng đứng(VSWR), độ khuếch đại, và độ phân cực.

Các thông số Antenna

Tần số

An ten là một bộ biến đổi, và được thiết kết để truyền và/hoặc nhận các sóng điện từ. Nó giống như bộ chuyển đổi để chuyển đổi lại giữa sóng điện từ và dòng điện. Sự khác nhau giữa thiết bị không dây là sử dụng các antenna khác nhau để hoạt động ở những tần số khác nhau và mục đích khác nhau, ví dụ một dải hoạt động mong muốn. Thông số quan trọng nhất của antenna là tần số làm việc của nó. Ví dụ, chiều dài bước sóng của antenna 2.4 GHz là quá ngắn để sử dụng theo chuẩn truyền thông IEEE 802.11a và khi sử dụng antenna với tần số không phù hợp sẽ là nguyên nhân tạo ra hiệu năng hoạt động kém cả về tần số radio và lưu lượng dữ liệu truyền thực tế.

Trở kháng phù hợp

Để truyền công suất truyền lớn nhất từ bộ biến đổi đến antenna cần trở kháng phù hợp của hệ thống antenna. Hình vẽ bên dưới mô tả hiệu ứng phản xạ khi trở kháng không phù hợp giữa 2 môi trường. Trở kháng không phù hợp sẽ là nguyên nhân làm tổn thất công suất và làm hỏng chức năng mạch do xung công suất khi có phản hồi. Bộ truyền sinh ra một trở kháng 50 ohms và cần phù hợp giữa đường truyền đến antenna để tối đa toàn bộ công suất, loại bỏ yếu tố thay đổi đường truyền theo tỷ số điện áp sóng đứng (Voltage Standing Wave Ratio-VSWR) và giảm sự tổn hao trên đường truyền.

Sự phân cực

Sự phân cực được đề cập đến hướng của các đường sức điện trường như các tín hiệu phát ra từ antenna. Kiểu đơn giản nhất và loại phổ biến nhất là sự phân cực tuyến tính. Nếu lắp đặt antenna không đúng sẽ làm giảm chất lượng tín hiệu thu. Ví dụ, một hàng antenna được sắp xếp theo phương ngang sẽ không nhận bất kỳ tín hiệu nào được gửi từ một antenna được lắp theo chiều dọc.

Tuy nhiên, khi antenna tại hướng 45°  (phân cực chéo) có thể nhận tín hiệu gửi từ cả antenna dọc và ngang, nhưng cường độ tín hiệu bị giảm (dB). Việc biết độ phân cực của antenna rất quan trọng trong kết nối WLAN, để chắc chắn rằng tín hiệu được gửi và nhận với những điều kiện tối ưu nhất. Hình dưới biểu thị độ phân cực tuyến tính dọc và ngang.

Khuếch đại

Độ khuếch đại của antenna xác định theo hướng và hiệu suất điện của antenna. Nói chung, với độ khuếch đại thấp, bức xạ sẽ được phân bổ đồng đều hơn theo tất cả các hướng. Nói cách khác, một antenna với độ khuếch đại lớn sẽ phát ra bức xạ có định hướng rõ ràng hơn. Độ khuếch đại quyết định công suất khuếch đại hoặc hướng khuếch đại theo tỷ số cường độ, hoặc theo công suất trên một đơn vị bề mặt. Nói chung, khi chúng ta chọn một antenna, để có khoảng cách truyền xa, nên chọn một antenna có độ khuếch đại cao hơn. Đồng thời chúng ta chấp nhận mất đi khả năng bao phủ đẳng hướng của antenna. Với antenna nghiêng 45° (phân cực chéo), có thể nhận tín hiệu từ một antenna dọc và ngang, nhưng cường độ tín hiệu sẽ bị giảm (dB). Có thể nói rằng độ phân cực của một antenna trong kết nối WLAN tương đối quan trọng, để đảm bảo rằng những tín hiệu được gửi và nhận với các điều kiện tối ưu nhất. Hình bên dưới minh họa độ phân cực tuyến tính dọc và ngang.

Hướng phát của Antenna

Hiệu suất hoạt động của antenna có thể được cải thiện nhiều hơn từ dạng bức xạ của antenna. Dạng bức xạ của antenna là một trong 3 loại minh họa về cách thức antenna phát và nhận tín hiệu radio trong khi kết nối (xem hình bên phải).

Hình dạng bức xạ về bản chất là trường điện từ, nó gồm có một điện trường (E-Plane: mặt đứng) và từ trường (H-Plane: mặt ngang). Điện trường và từ trường lan truyền có hướng giống nhau, nhưng sự phân cực của những sóng này luôn vuông góc nhau (90°). Hình dạng bức xạ sẽ khác nhau ứng với mỗi loại antenna khác nhau. Biểu đồ E-Plane và H-Plane cung cấp cái nhìn 2 chiều về điện trường và từ trường hoạt động như thế nào cho mỗi antenna.

Độ rộng búp sóng nửa công suất

Độ rộng búp sóng nửa công suất (Half-power beamwidth- HPBW), thường được gọi là độ rộng búp sóng 3-dB, đây là góc đo được của hướng bầu sóng chính trên dạng phát xạ của antenna với độ khuếch đại (độ nhạy) bằng một nửa (hoặc -3dB) của giá trị lớn nhất. Đôi khi nó thường được gọi là FWHM (độ rộng toàn bộ của búp sóng tại nửa độ lớn nhất của nó). Sự đo lường độ rộng búp sóng 3-dB thường được dùng để xác định góc đứng và góc ngang của mỗi  antenna.

Lưu ý rằng, antenna là một phần tử thụ động, có nghĩa nó không thể tăng (khuếch đại) năng lượng đầu vào bằng bất kỳ cách nào. Để đạt được những khoảng cách truyền xa hơn, nó phải nén trường năng lượng để tạo ra độ hẹp (gầy) và dài hơn.

Do đó, một antenna có độ khuếch đại cao hơn sẽ mang đến với một độ rộng búp sóng hẹp hơn.

Tỷ số áp sóng đứng

Tỷ số áp sóng đứng (voltage standing wave ratio-VSWR)  là một tỷ số của điện áp lớn nhất và điện áp nhỏ nhất trên đường truyền (cáp) được sử dụng nhằm đo hiệu suất của antenna. Khi bộ phát gửi tín hiệu qua đường truyền đến antenna, một phần của tín hiệu sẽ tản ra ngoài đường truyền nếu antenna có trở kháng khác nhau, và trộn lẫn với các tín hiệu chuyển tiếp để tạo một dạng sóng điện áp đứng.

A1:1 VSWR (hoặc chỉ 1) biểu thị công suất thu được của antenna là đầy đủ (bởi vì trở kháng của antenna bằng với trở kháng trên đường truyền) và không có công suất phản xạ lại về bộ phát, nhưng cái này rất khó để đạt được. Ví dụ, một radio 50-ohm với một antenna có trở khảng 75-ohm thì theo lý thuyết VSWR là 1.5:1 so với đường truyền. Điển hình cho hệ thống antenna, một tỷ số áp sóng đứng (VSWR) của 1.2:1 có thể được cân nhắc để có thể được chấp nhận. Một tỷ số áp sóng đứng (VSWR) 2:1 thường dùng cho các hệ thống antenna, có nghĩa là sẽ làm tổn thất khoảng 10% tín hiệu truyền đi sẽ bị phản hồi từ antenna. Với tỷ số áp sóng đứng cao hơn có nghĩa là hiệu suất truyền kém hơn và có thể gây hại đến đường truyền và phá hỏng bộ phát.

Các loại antenna

Có 2 kiểu antenna cơ bản của antenna cho các sản phẩm WLAN, phân loại bằng hướng của sóng tín hiệu radio: đa hướng hoặc có định hướng.

Antenna Omni-directional – Antenna Vô hướng

Được thiết kết để phát ra tín hiệu như nhau theo tất cả các hướng 360 độ. Sử dụng loại antenna này nếu bạn cần để truyền từ một điểm trung tâm như một điểm truy cập, người sử dụng ở xung quanh khu vực. Trong một văn phòng nhỏ với 3 hoặc 4 phòng, một điểm truy cập với một antenna omni –directional có thể cung cấp đủ sóng cho tất cả các trạm không dây ở tất cả các phòng.

Antenna định hướng

Antenna có hướng hoặc antenna bảng cung cấp tín hiệu tập trung hơn loại antenna đa hướng. Tín hiệu được truyền đi trong một hình bầu dục với độ rộng chùm khoảng 30 độ. Đây là loại antenna lý lưởng cho các địa điểm văn phòng. Ví dụ, một điểm truy cập với một antenna bán hướng có thể được đặt ở góc phòng, để cung cấp phạm vi nhất định cho toàn bộ chiều dài của nó. Antenna định hướng có thể dùng ở ngoài trời để cung cấp liên kết điểm-điểm trong khoảng cách ngắn hoặc cho khách hàng ở điểm cuối của mạng điểm đến đa điểm.

2.3 Cáp

Cáp RF

Cáp RF, thường gọi là cáp đồng trục, là loại cáp phổ biến được sử dụng để kết nối một bộ phát hoặc thu RF đến antenna. Lõi và lớp kim loại lưới bảo vệ đều được làm từ đồng, và lớp điện môi cách điện thường làm bằng chất rắn hoặc nhựa cao su polyethylene. Một vài cáp RF thường bao gồm một lớp lá kim loại mỏng ở giữa lớp bảo vệ và lớp điện môi có chức năng giảm tổn thất do nhiễu.

Thông thường, lớp kim loại bảo vệ được nối đất và điện áp đặt vào các dây dẫn chính để truyền tín hiệu. Tác dụng chính của việc sử dụng cáp RF là giữ từ trường ở trong chất điện môi và giảm mất mát bức xạ. Thêm nữa, chất điện môi bảo vệ đường truyền chống lại nguồn nhiễu từ bên ngoài.

Các thông số chính

Tương thích trở kháng

Đây là một nguyên lý được giới thiệu trong phần antenna. Để có hiệu quả truyền tốt nhất, các môi trường kết nối trung gian, như cáp RF, antenna, đầu kết nối, và bộ nguồn phát phải có một trở kháng phù hợp.

Độ suy giảm

Mọi cáp RF đều có tổn hao tín hiệu, đó là sự suy giảm được đo bằng tỷ số dB/100feet. Độ suy giảm của tín hiệu RF sẽ tăng tại tần số cao hơn bởi vì dòng RF di chuyển nhiều nhất trên bề mặt ngoài (hiệu ứng bề mặt) dây dẫn và điện trở bề mặt sẽ tăng tại tần số cao hơn. Tổn hao bề của vật dẫn có thể giảm khi tăng đường kính của dây dẫn. Khi tăng gấp đôi đường kính của cáp sẽ giảm một nửa hiệu ứng bề mặt (không bao gồm tổn thất điện môi và cách điện)

Bán kính uốn cong

Bán kính uốn nhỏ nhất của độ cong phía trong đo được của cáp mà cáp có thể chịu mà không gây hỏng hóc vật lý nào, giảm hiệu năng của nó, hoặc rút ngắn tuổi thọ cáp. Hình bên dưới minh họa một cáp với bán kính uốn cong là 3cm

Cáp  Ethernet

Cáp Cat 5 (Category 5) là tiêu chuẩn thế hệ thứ 5 cho cáp xoắn Ethernet được ban hành bởi Hiệp hội công nghiệp điện tử và Hiệp hội truyền thông công nghiệp (EIA/TIA). Cáp Cat 5  gồm 4 cặp dây xoắn nhưng chỉ sử dụng 2 cặp (ở tốc độ 100MHz) cho chuẩn truyền 10Base-T và 100Base-Tx (Fast Ethernet). Một phiên bản nâng cấp, CAT 5e, với nhiều thông số kỹ thuật đặc biệt hơn để đảm bảo sự ổn định khi sử dụng tất cả 4 cặp dây xoắn cho truyền thông Gigabit 1000BASE-T. Cat5/5e có khoảng cách truyền tối đa khoảng 100m. Cáp Cat 6 thường được dùng cho chuẩn truyền Gigabit Ethernet. Nó có thể tương thích với chuẩn Cat 5 và Cat 5e, nhưng tại một thời điểm, nó cho phép tần số truyền cao hơn lên đến 250 MHz, nó phù hợp cho 10BASE-T, 100BASE-TX (Fast Ethernet), 1000BASE-T/1000BASE-TX (Gigabit Ethernet), và 10GBASE-T (10-Gigabit Ethernet).

Các thông số chính

Bán kính uốn cong

Hầu hết các loại cáp CAT 5 có thể được uốn cong ở bất kỳ bán kính nào với khoảng bốn lần so với đường kính của cáp.

Độ dài cáp tối đa

Chiều dài khuyến nghị cho đoạn cáp CAT 5 là 100m (theo chuẩn TIA/EIA 568-5-A). Bộ lặp và bộ switch có thể sử dụng để mở rộng khoảng cách truyền. Bộ chuyển đổi môi trường truyền, như bộ chuyển Ethernet to Fiber (bộ chuyển đổi quang-điện), có thể sử dụng để nâng đáng kể khoảng cách truyền.

Cáp thẳng và cáp chéo

Các cặp dây xoắn của cáp Ethernet có thể được sắp xếp lại để tạo kết nối giữa nhiều loại thiết bị. Một cáp thẳng, thường được gọi là cáp chính, có sự sắp xếp các cặp dây xoắn ở hai đầu kết nối RJ45 là giống nhau và sử dụng để kết nói một máy tính đến một bộ switch hoặc một bộ định tuyến (router). Cáp chéo có một cặp dây màu cam đổi vị trí cho cặp màu xanh lá cây ở một đầu, và được dùng để kết nối trực tiếp hai máy tính với nhau. Tuy nhiên, các giao diện mạng mới hiện nay với các cổng tự động nhận MDIX có khả năng nhận ra kiểu kết nối để chọn cấu hình MDI hoặc MDIX một cách tự động, loại bỏ sự cần thiết sử dụng cáp chéo.

10BASE-T và 100BASE-TX vs. 1000BASE-T

Kết nối 10BASE-T và 100BASE-TX yêu cầu 2 cặp dây xoắn. Kết nối 1000BASE-T yêu cầu 4 cặp dây xoắn (8 chân). Liệt kê chân dưới đây là sự phân chia chân chức năng theo 3 chuẩn (10BASE-T, 100BASE-TX, 1000BASE-T) trên cả MDI và MDI-X.

Chân 4,5,7,8 không sử dụng

2-4 Đầu kết nối

Trước khi đặt mua antenna và cáp cho thiết bị không dây của bạn, trước tiên phải xác định các kiểu đầu nối. Nói chung, các phần như kiểu giắc cắm, chân, và quy định là đầu nối đực, và quy định về chân cắm, ổ cắm, và khe quy định cho đầu nối cái. Đối với đầu kết nối điện, kiểu đầu kết nối (đực và cái) không đủ để nhận dạng đúng đầu kết nối. Chương này sẽ cung cấp một số đầu kết nối được sử dụng thường xuyên và hình của chúng được đưa ra ở phần dưới đây.

Đầu kết nối antenna

Có rất nhiều kiểu đầu nối antenna đồng trục được thiết kế cho những ứng dụng khác nhau. Phần này giới thiệu về một số đầu nối antenna thông dụng như một lưu ý để nhận dạng và chọn đầu nối thích hợp.

Đầu kết nối Ethernet

Đầu kết nối đồng

Hình vẽ bên biểu thị thông tin cho kiểu đầu kết nối RJ45 và M12, những kiểu đầu kết nối phổ biến nhất. Đầu kết nối RJ45 rất thông dụng cho những ứng dụng tiêu chuẩn trong nhà, trong khi M12 được sử dụng nhiều nhất cho môi trường ngoài trời hoặc thường xuyên gặp trong những  ứng dụng rung sốc.

Đầu kết nối quang

Đầu kết nối quang được sử dụng để nhanh chóng kết nối/ngắt kết nối cáp quang. Đầu nối quang được sử dụng nén tải để đảm bảo rằng mặt cắt ngang cáp quang được ép chặt với nhau để loại bỏ những khoảng trống không khí, là nguyên nhân gây mất tín hiệu. Các bảng đi kèm theo cho thấy thường sử dụng những đầu kết nối quang.

Mô đun cắm Ethernet

Các module SFP và SFP+ Ethernet là những kiểu của bộ chuyển đổi giao diện (hoặc bộ phát) có thể trao đổi với nhiều loại đa dạng của thiết bị mạng và cung cấp một giao diện gigabit. Những bộ thu phát hợp khối này là sự cải tiến từ bộ thu phát gigabit (GBIC Gigabit interface Converter). Mô đun cắm có thể dùng cho cáp đồng, nhưng nó thường dùng cho kết nối quang.