Ацэнка страты шляху і адлегласці перадачы бесправадных прылад на кароткай адлегласці праз буйнамаштабныя мадэлі распаўсюджвання

Дызайнеры бесправадных прылад блізкага радыусу дзеяння ў дыяпазонах частот 900 МГц і 2.4 ГГц павінны мець магчымасць зразумець, якія параметры ўплываюць і як яны ўплываюць на адлегласць перадачы, зыходзячы з формулы, і выкарыстоўваць гэтыя параметры ў формуле для разліку страт шляху і страт шляху у памяшканнях і на адкрытым паветры з дапамогай статыстычных метадаў. Адлегласць перадачы.

Калі хатняе, будаўнічае і прамысловае прымяненне пераходзіць да бесправадных, бесправадныя прылады малой далёкасці становяцца ў цэнтры ўвагі. Гэтыя прыкладання звычайна выкарыстоўваюць уласную практыку або практыку, заснаваную на стандартах, напрыклад, ZigBee у дыяпазонах частот 900 МГц і 2.4 Ггц ISM (прамысловыя, навуковыя і медыцынскія). У сувязі з ростам папулярнасці бесправадных прылад малой далёкасці, дызайнеры тэрмінальных сістэм таксама павінны глыбока разумець адлегласць перадачы бесправадной сувязі. У гэтым артыкуле разглядаецца распаўсюджванне бесправаднога сігналу і ўсталёўваецца мадэль для ацэнкі страт на шляху і адлегласці перадачы бесправадных прылад малога радыусу дзеяння ў памяшканні. Дызайнеры могуць выкарыстоўваць гэтыя мадэлі для папярэдняй ацэнкі прадукцыйнасці сістэм бесправадной сувязі.

Перш чым абмяркоўваць формулу разліку адлегласці, дызайнеры павінны зразумець бесправадны канал і асяроддзе распаўсюджвання сігналу. Радыёканал - гэта шлях перадачы паміж перадатчыкам і мэтавым прымачом. Ён мае выпадковыя і зменныя ў часе характарыстыкі, таму складана пабудаваць мадэль, якая моцна адрозніваецца ад стацыянарных і прадказальных правадных каналаў. Такім чынам, дызайнеры павінны выкарыстоўваць статыстычныя мадэлі для аналізу гэтых выпадковых каналаў.

Традыцыйная ўвага мадэляў распаўсюджвання радыёхваляў заключаецца ў прагназаванні сярэдняй магутнасці прынятага сігналу на пэўнай адлегласці ад перадатчыка і змены сілы сігналу паблізу пэўнага месца. Незалежна ад адлегласці паміж перадатчыкам і прымачом, буйнамаштабная мадэль распаўсюджвання можа прадказаць сярэднюю сілу сігналу, што карысна для ацэнкі адлегласці перадачы перадатчыка. У адрозненне ад малагабарытных мадэляў альбо мадэляў, якія затухаюць, можна аналізаваць хуткія змены ўзроўню атрыманага сігналу на працягу некалькіх даўжынь хваль. У гэтым артыкуле ў асноўным разглядаецца буйнамаштабная мадэль распаўсюджвання, якая можа быць выкарыстана для ацэнкі адлегласці бесправадной перадачы.

Калі паміж перадатчыкам і прыёмнікам няма перашкод, а другі бок можна бачыць непасрэдна, мадэль распаўсюджвання вольнай прасторы можа быць выкарыстана для прагназавання сілы прынятага сігналу. Мадэль распаўсюджвання ў вольнай прасторы прагназуе, што сіла атрыманага сігналу будзе змяншацца з n-й ступенню адлегласці паміж перадатчыкам і прымачом. Гэтая функцыянальная залежнасць таксама вядомая як функцыя закону ступені. Калі паміж антэнай прымача і антэнай перадатчыка ёсць адлегласць, магутнасць свабоднай прасторы, якую ён атрымлівае, вызначаецца наступным ураўненнем свабоднай прасторы Фрыса:

Ацэнка страты шляху і адлегласці перадачы бесправадных прылад на кароткай адлегласці праз буйнамаштабныя мадэлі распаўсюджвання

Дзе PT - магутнасць перадачы; PR (d) - атрыманая магутнасць, якая таксама залежыць ад адлегласці паміж перадатчыкам і прымачом d; GT - узмацненне антэны перадатчыка; GR - узмацненне антэны прымача; d - адлегласць паміж перадатчыкам і прымачом, у адзінках - гэта метр; λ - даўжыня хвалі, а адзінка - таксама метр.

Ураўненне свабоднай прасторы Фрыса паказвае, што атрыманая магутнасць памяншаецца з квадратам адлегласці паміж перадатчыкам і прымачом; іншымі словамі, атрыманая магутнасць будзе змяншацца з хуткасцю 20 дБ / дзесяцігоддзе па меры павелічэння адлегласці.

Страта шляху вельмі важная для ацэнкі адлегласці бесправадной перадачы. Ён роўны розніцы паміж магутнасцю перадачы і атрыманай магутнасцю (у дэцыбелах) і ўяўляе паслабленне сігналу. З раўнання (1) можна вывесці, што страта на шляху роўная магутнасці перадачы, падзеленай на атрыманую магутнасць. Ураўненне (2) вызначае страту шляху як:

Ацэнка страты шляху і адлегласці перадачы бесправадных прылад на кароткай адлегласці праз буйнамаштабныя мадэлі распаўсюджвання

Дзе PL - страта шляху. Зыходзячы з таго, што і перадачая, і прыёмная антэны з'яўляюцца ўзмацненнем адзінства, ураўненне (2) можна спрасціць да:

Ацэнка страты шляху і адлегласці перадачы бесправадных прылад на кароткай адлегласці праз буйнамаштабныя мадэлі распаўсюджвання

Гэта ўраўненне таксама можа быць выказана ў наступных карысных формах:

PL = 20log10 (фМГц) + 20log10 (d) - 28 (4) Or PR = PT-PL (5)

Дзе d - адлегласць у метрах.
Толькі калі значэнне d знаходзіцца ў далёкім полі перадавальнай антэны, формула свабоднай прасторы Фрыіса можа ацаніць атрыманую інтэнсіўнасць магутнасці. Далёкае поле перадавальнай антэны таксама называецца плошчай Фраўгофера, якая адносіцца да плошчы за адлегласцю далёкага поля антэны dF. DF антэны роўны 2D2 / λ, дзе D - максімальны фізічны лінейны памер антэны; акрамя таго, dF павінен быць большым за D і знаходзіцца ў далёкай вобласці поля. Гэтая формула страт шляху прымяняецца толькі да ідэальных сістэм, дзе перадатчык і прыёмнік знаходзяцца ў поле зроку іншага боку, і толькі для папярэдняй ацэнкі.

Мадэль распаўсюджвання разглядае блізкую адлегласць d0 як апорную кропку прынятай магутнасці, і праекціроўшчык павінен выкарыстоўваць атрыманую магутнасць PR (d0) гэтай апорнай кропкі для разліку атрыманай магутнасці, калі адлегласць больш за d0. Дызайнеры могуць выкарыстоўваць раўнанні 1 і 4 для прагназавання PR (d0) альбо вымераць атрыманую магутнасць у многіх кропках побач з перадатчыкам, а затым выкарыстоўваць іх сярэдняе значэнне як PR (d0). Калі дызайнер выбірае апорную кропку блізкага радыусу дзеяння, ён павінен пераканацца, што вобласць далёкага поля знаходзіцца за межамі блізкай адлегласці.

Дызайнер можа выкарыстоўваць гэтую інфармацыю і наступную формулу для разліку атрыманай магутнасці на любой адлегласці:

Ацэнка страты шляху і адлегласці перадачы бесправадных прылад на кароткай адлегласці праз буйнамаштабныя мадэлі распаўсюджвання

Для фактычных сістэм, якія працуюць у дыяпазоне 1-2 Ггц, эталонная адлегласць для памяшканняў складае 1 метр, а для вонкавых - 100 метраў.

Звычайна выкарыстоўванай адзінкай інтэнсіўнасці радыёчастотнай магутнасці з'яўляецца дэцыбел міліват або дэцыбел ват, а не абсалютная інтэнсіўнасць. Такім чынам, ураўненне (6) можна выказаць як:

Ацэнка страты шляху і адлегласці перадачы бесправадных прылад на кароткай адлегласці праз буйнамаштабныя мадэлі распаўсюджвання

Наступны прыклад ілюструе гэтыя паняцці. Зыходзячы з таго, што частата перадачы складае 900 МГц, магутнасць перадачы складае 6.3 мВт (8 дБм), а выкарыстоўваецца перадача і прыёмная антэна ўзмацнення адзінкі, атрыманне магутнасці на 1200 метраў у вонкавым прамым прыцэле можа быць разлічана наступным чынам: эталонная адлегласць вонкавага асяроддзя складае 100 метраў, 900 МГц. Даўжыня хвалі сігналу складае 0.33 метра, таму значэнне ўраўнення (1) можна выкарыстоўваць для разліку атрыманай магутнасці на 100 метраў наступным чынам:

Ацэнка страты шляху і адлегласці перадачы бесправадных прылад на кароткай адлегласці праз буйнамаштабныя мадэлі распаўсюджвання

Каб вылічыць значэнне магутнасці ў дэцыбелах у міліватах, магутнасць павінна быць выказана ў выглядзе наступнага значэння ў міліват:

PR (100) = 0.44 × 10-6мВт. (9)

Гэта можна атрымаць:

PR (100) = 10лаг (0.44 × 10-6мВт) = -63.6 дБм. (10)

з ураўнення (7) атрыманую магутнасць на 1200 метраў можна атрымаць у выглядзе:

Ацэнка страты шляху і адлегласці перадачы бесправадных прылад на кароткай адлегласці праз буйнамаштабныя мадэлі распаўсюджвання

а таксама

PR (1200) = -63.6 дБм - 21.58 дБ = -85 дБм. (12)

Вы таксама можаце выкарыстоўваць ураўненне (5), каб пераканацца, што атрыманая магутнасць з'яўляецца гэтай велічынёй.

Такім чынам, у ідэальным асяроддзі без перашкод і ў поле зроку, калі магутнасць перадачы складае 8 дБм, атрыманая магутнасць на адлегласці 1200 метраў складае каля -85 дБм. Вядома, атрыманая магутнасць у рэальным асяроддзі будзе ніжэй ідэальнай велічыні, таму што паміж мэтавай кропкай і перадатчыкам могуць быць перашкоды, альбо яна можа быць па-за ўвагай. З папярэдняга прыкладу вядома, што страта шляху - PT-PR, таму яна роўная 8 дБм - (- 85 дБм) = 93 дБ.

Фактычная формула страты шляху

Любая практычная бесправадная сістэма датчыкаў павінна ведаць сваю максімальна надзейную адлегласць перадачы. Адлегласць перадачы дадзенай бесправадной сістэмы напрамую вызначаецца параметрамі бюджэту сувязі:

LB = PT + GT + GR-RS (13)

Дзе LB - бюджэт сувязі, выражаны ў дэцыбелах, PT - магутнасць перадачы, выражаная ў міліватах або ватах у дэцыбелах, GT - узмацненне антэны перадатчыка, выражанае ў дэцыбелах, GR - узмацненне антэны прымача, выражанае ў дэцыбелах, а RS - адчувальнасць прыёмніка азначае, што сістэма можа выяўляць і забяспечваць найменшы ВЧ-сігнал з адпаведным суадносінамі сігнал-шум. Адчувальнасць прыёмніка паказана ва ўраўненні 14:

S = -174 дБм / Гц + NF + 10logB + SNRMIN (14)

Сярод іх, -174 дБм / Гц з'яўляецца арыенцірам цеплавога шуму, NF - агульная лічба шуму прымача, выражаная ў дэцыбелах, B - агульная прапускная здольнасць прымача, а SNRMIN - мінімальнае стаўленне сігналу да шуму. Калі агульная страта шляху паміж перадатчыкам і мэтавым прымачом перавышае бюджэт сувязі, дадзеныя будуць страчаныя, і сувязь будзе немагчымай. Такім чынам, дызайнеры павінны дакладна аналізаваць характарыстыкі страт на шляху пры распрацоўцы канчатковай сістэмы і параўноўваць яе з бюджэтам спасылкі для атрымання папярэдняй ацэнкі адлегласці.

Страта шляху ў закрытым каналеКрыты радыёканал адрозніваецца ад вонкавага, таму што адлегласць перадачы ўнутранага канала меншая, і страты канала моцна вар'іруюцца, таму моц прыманага сігналу значна вар'іруецца. Але для фіксаваных бесправадных прылад гэтая частка нязначная. Канфігурацыя плоскасці, тып і будаўнічыя матэрыялы будынка будуць мець вялікі ўплыў на распаўсюджванне сігналу ў памяшканні. Даследчыкі падзяляюць закрытыя каналы на два тыпы: адзін - гэта канал, які можна ўбачыць, а другі - канал, які ў рознай ступені блакуецца (Даведка 1). Унутраная і знешняя канструкцыя будынка можа ўтрымліваць мноства розных адсекаў і перашкод. Спосаб адсекаў залежыць ад таго, знаходзіцца ў будынку дома ці ў офісе. Адсекі будаўнічай канструкцыі з'яўляюцца нерухомымі аддзяленнямі, і рухомыя адсекі могуць перамяшчацца, і верх адсека не будзе дакранацца столі. Сем'і звычайна выкарыстоўваюць драўляныя перагародкі, у той час як адміністрацыйныя будынкі выкарыстоўваюць жалезабетон паміж перакрыццямі і рухомыя перагародкі.

У будынках шмат розных адсекаў, і іх фізічныя і электрычныя характарыстыкі таксама моцна адрозніваюцца. Цяжка прааналізаваць крытыя каналы па агульных мадэлях. Аднак пасля шырокіх даследаванняў прамысловасць пралічыла табліцу страты сігналу звычайна выкарыстоўваюцца матэрыялаў (табліца 1).

Ацэнка страты шляху і адлегласці перадачы бесправадных прылад на кароткай адлегласці праз буйнамаштабныя мадэлі распаўсюджвання

Каэфіцыент паслаблення падлогі ўяўляе страты ізаляцыі паміж паверхамі (табліца 2).

Ацэнка страты шляху і адлегласці перадачы бесправадных прылад на кароткай адлегласці праз буйнамаштабныя мадэлі распаўсюджвання

Ураўненне (15) - фактычная мадэль страт шляху руху ў закрытым канале, атрыманая з выкарыстаннем лагарыфмічнай мадэлі страты шляху шляху:

Ацэнка страты шляху і адлегласці перадачы бесправадных прылад на кароткай адлегласці праз буйнамаштабныя мадэлі распаўсюджвання

Дзе X - нулявая сярэдняя выпадковая велічыня Гауса ў дэцыбелах, а σ - стандартнае адхіленне. Калі гэта фіксаванае прылада, уплыў Xσ можна ігнараваць. Выкарыстоўвайце ўраўненне (4), каб вылічыць значэнне страты шляху на адлегласць 1 метр, а затым падстаўце вынік ва ўраўненне 15, каб атрымаць:

PL (d) = 20log10 (фМГц) + 10nlog10 (d) - 28 + Xσ (16)

Значэнне n не будзе моцна мяняцца з частатой, але на гэта будзе ўплываць навакольнае асяроддзе і тып будынка (табліца 3).

Ацэнка страты шляху і адлегласці перадачы бесправадных прылад на кароткай адлегласці праз буйнамаштабныя мадэлі распаўсюджвання

Мадэль распаўсюджвання ў будынку ўключае ўплыў тыпу будынка і перашкод. Гэтая мадэль не толькі гнуткая, але і памяншае стандартнае адхіленне паміж вымеранай і прагназаванай стратай шляху да каля 4 дБ, што лепш, чым 13 дБ, калі выкарыстоўваецца толькі лагарыфмічная мадэль адлегласці. Ураўненне 17 уяўляе мадэль каэфіцыента згасання:

PL (d) = 20log10 (фМГц) + 10nSFlog10 (d) - 28 + FAF (17)

Сярод іх nSF ўяўляе індэкс страт на шляху, вымераны на адным паверсе, а FAF - каэфіцыент згасання падлогі (табліца 3). Дызайнер можа вызначыць каэфіцыент паслаблення падлогі ў адпаведнасці з табліцай 2. У наступным прыкладзе дэманструецца, як выкарыстоўваць вышэйзгаданую табліцу і ўраўненне для разліку страт на шляху сігналаў 915 МГц і 2.4 ГГц у адкрытым адкрытым асяроддзі на адлегласці 1200 метраў:

20log10 (фМГц) + 20log10 (d) - 28 (18)

З прыведзенай вышэй формулы можна атрымаць страту на тракце 915 МГц у выглядзе:

915 МГц = 20log10 (915) + 20log10 (1200) - 28 = 92.8 дБ (19)

Страта на шляху 2400 МГц:

915 МГц = 20log10 (915) + 20log10 (1200) - 28 = 92.8 дБ (19)

Чым вышэй частата сігналу перадачы, тым большая страта шляху, што скароціць адлегласць бесправадной перадачы высокачашчыннага сігналу. Напрыклад, у адкрытым адкрытым асяроддзі бесправадныя прылады з частатой 2.4 ГГц маюць прыблізна на 8.4 дБ больш страт на шляху, чым прылады з 915 МГц.

Іншы прыклад - офіснае асяроддзе з нерухомымі аддзяленнямі на адным і трох паверхах. Дадзеныя ў табліцы 2 выкарыстоўваюцца для разліку страт на шляху сігналаў 915 МГц і 2.4 ГГц на адлегласці 100 метраў. З табліцы 3 відаць, што сярэдняя страта шляху аднаго і таго ж паверха складае 3dBm. Падстаўце гэта значэнне n = 3 у наступную формулу:

20log10 (фМГц) + 10log10 (d) - 28 + Xσ (21)

Страту на тракце 915 МГц можна атрымаць у выглядзе:

915 МГц = 20log10 (915) + 10 (3) часопіс (100) - 28 + Xσ = 91.2 дБ (22)

Дзе σ = 7 дБ. Страта на шляху 2400 МГц:

2400 МГц = 20log10 (2400) + 10 (3) часопіс (100) - 28 + Xσ = 99.6 дБ (23)

Дзе σ = 14 дБ.

З табліцы 2 можна вылічыць, што каэфіцыент паслаблення падлогі трохпавярховага будынка складае каля 24 дБ, а стандартнае адхіленне - 5.6 дБ. Заменіце гэтую інфармацыю ў наступную формулу:

20log10 (фМГц) + 10log10 (d) - 28 + Xσ

Страту на тракце 915 МГц можна атрымаць у выглядзе:

915 МГц = 20log10 (915) + 10 (3) log10 (100) - 28 + 24 = 115.2 дБ (25)

Дзе σ = 5.6 дБ. Страта на шляху 2400 МГц:

2400 МГц = 20log10 (2400) + 10 (3) log10 (100) - 28 + 24 = 123.6 дБ, (26)

Дзе σ = 5.9 дБ.

Трэці прыклад мяркуе, што сістэма выкарыстоўвае антэны перадачы і прыёму ўзмацнення адзінкі, магутнасць перадачы складае 8 дБм, а адчувальнасць прыёмніка -100 дБм, а затым ацэньвае адлегласць перадачы сігналу 915 МГц у першых двух прыкладах. Звярніце ўвагу, што на гэты момант бюджэт сістэмных спасылак складае 8 - (-100) = 108 дБ.

Для таго, каб праілюстраваць стандартнае адхіленне ў формуле страты шляху, лепш зарэзерваваць запас каля 10 дБ у бюджэце сувязі. Гэта азначае, што даступны бюджэт спасылак складае 98 дБ, што перавышае страту шляху ў 92.8 дБ у першым прыкладзе; такім чынам, дызайнеры могуць лічыць адлегласць сістэмы перадачы ад вонкавага боку 1200 метраў. У закрытых умовах страта шляху складае 91.2 дБ, а бюджэт карыснай спасылкі пры рэзерваванні 10 дБ складае каля 98 дБ, што таксама перавышае страту шляху. Такім чынам, дызайнеры могуць лічыць унутраную адлегласць перадачы сістэмы 100 метраў.

Пакінь паведамленне 

спіс паведамленняў