Оценка беспроводного диапазона
Как оценить диапазон беспроводной связи от параметров радиосвязи.
Рекомендуемый уровень
начинающий
мотивация
При проектировании системы с беспроводным компонентом важно знать, как далеко могут взаимодействовать два устройства. Перед выполнением какой-либо реальной конструкции необходимы быстрые вычисления для прогнозирования поведения системы. Как правило, радиосистема либо не укажет вам диапазон, либо это даст вам смутное представление. Это обычно преднамеренно! Очень трудно определить диапазон радиосвязи, когда окружающая среда неизвестна. Даже если среда известна, для определения диапазона нет идеальной модели, и во многих случаях эмпирические измерения являются единственным способом измерения. Тогда почему, спросите вы, мы даже будем беспокоиться о любых уравнениях «text-align: center;»> $$ P_r = P_tG_tG_r ( frac { lambda} {4 \ pi R}) ^ 2 $$
| Pr | Полученная мощность |
| Pt | Передаваемая мощность в антенну |
| Gt | Усиление антенны передатчика |
| Gr | Усиление антенны приемника |
| ?? λ | Длина волны сигнала |
| р | Расстояние между передающей и приемной антеннами |
Бюджет ссылок
Бюджет ссылок очень похож на приведенное выше уравнение. Разница заключается в добавлении дополнительных условий потерь. Эти термины потерь могут быть маржевыми, многолучевыми, затухающими, атмосферными помехами и многими другими. Каждая из этих потерь является суммой и может иметь свою собственную статью. Для целей этой статьи я объединил их всех в одну переменную Lm, называемую границей ссылок. Маржа ссылок - это хороший способ оценить диапазон в не-прямой видимости, например, в офисах. Хорошим правилом является использование ~ 10-20 дБ поля в зависимости от требований к среде и надежности соединения. В очень ясных приложениях с прямой видимостью маржа ссылок может стремиться к нулю.
$$ P_ {RX} = P_ {TX} + G_ {TX} -L_ {FS} -L_M + G_ {RX} $$
где L FS - потеря пути, преобразованная в единицы МГц и миль:
$$ L_ {FS} = ( frac { lambda} {4 \ pi R}) ^ 2 = 36.6dB + 20log (f_ {MHZ}) + 20log (range_ {miles}) $$
пример
Давайте проанализируем популярный радиомодуль XBee® 802.15.4 (Series 1). Вот некоторые ключевые спецификации из таблицы. Согласно данным, этот модуль получает 100 футов внутрь и 300 футов снаружи.
Решение уравнения бюджета связи для диапазона и f = 2400 МГц:
$$ range = antilog ( frac {P_ {TX} + G_ {TX} -L_M + G_ {RX} -P_ {RX} -104} {20}) text {мили} $$
на открытом воздухе
Подсоединение значений из таблицы данных к уравнению и установка нулевого значения поля ссылки.
$$ range = antilog ( frac {0dBm-6dBi-0dB-6dBi + 92dBm-104} {20}) text {miles} $$
$$ range = 0.0631 \ text {мили} $$
$$ range = 101.54 \ text {meters} $$
$$ range = 333.15 \ text {feet} $$
Это то же самое значение, которое показывает техническое описание, поэтому наша оценка коэффициента усиления антенны, вероятно, разумна.
В помещении
Для внутреннего использования, маржа линии изменяется на 10 дБ для учета многолучевого распространения, которое типично на частоте 2, 4 ГГц.
$$ range = antilog ( frac {0dBm-6dBi-10dB-6dBi + 92dBm-104} {20}) text {miles} $$
$$ range = 0.02 \ text {мили} $$
$$ range = 32.11 \ text {meters} $$
$$ range = 105.35 \ text {feet} $$
Внешние антенны
Предположим, мы хотим большего диапазона и имеем возможность использовать более крупные антенны, такие как Yagi. Мы могли бы использовать внешний антенный модуль с Yagi, который мог бы изменить коэффициент усиления антенны до 10 дБ, если бы мы указали Yagi друг на друга. Так как мы получим гораздо большие расстояния, лучше сохранить маржу ссылок на 10 дБ, даже если мы будем на улице. Это будет учитывать элементы, которые могут мешать, например деревья.
$$ range = antilog ( frac {0dBm-10dB-10dB-10dB + 92dBm-104} {20}) text {мили} $$
$$ range = 0.794 \ text {мили} $$
$$ range = 1278.35 \ text {meters} $$
$$ range = 4194.05 \ text {feet} $$
Это большой диапазон! Недостатком этой схемы является то, что антенна Яги должна быть направлена в одном направлении. Диапазон, если Яги был направлен в неправильном направлении, был бы очень плохим.
Потенциальные улучшения
Антенна
Как и в примере, если используется большая антенна, коэффициент усиления обычно улучшается. Это может быть проблемой для небольших встроенных устройств, потому что нежелательно или непрактично, чтобы антенна торчала из устройства. В идеале при разработке чего-то используется самая большая антенна.
Мощность передачи
Мощность передачи в типичных встроенных устройствах ограничена регулирующими органами, такими как FCC, стоимость и потребление энергии. FCC 15.247 ограничивает 2, 4 ГГц устройства, которые используют методы модуляции с расширенным спектром до 30 дБм и конкретные требования к пропускной способности. Как правило, предел для устройств - это не мощность, а пропускная способность. Для ограничения полосы пропускания необходимы сложные фильтры, которые эффективно ограничивают мощность передачи до 20 дБм. В примере, если мы добавили усилитель мощности к устройству, мы могли бы добавить 20 дБ коэффициента усиления в систему, что значительно улучшило бы диапазон. Компромисс заключается в том, что усилитель добавляет затраты и энергопотребление в систему. Дополнительное энергопотребление может быть проблемой для устройств с батарейным питанием.
Чувствительность приема
Чувствительность приема зависит от показателя шума и требуемого отношения сигнал / шум системы. Показатель шума определяет, сколько шума добавляется схемой к принятому сигналу. Чем ниже это число, тем лучше чувствительность приема, поскольку добавляется меньше шума. Отношение сигнал / шум, необходимое для приема, зависит от используемого метода модуляции. Как правило, чем выше скорость передачи данных в системе, тем больше пропускной способности. Это означает, что приемник должен захватывать больше сигнала, что означает, что больше шума захватывается.
Вывод
Диапазон - важный показатель для любой беспроводной системы. Диапазон зависит от многих переменных. В целом, больше мощности, медленных скоростей передачи данных и более крупных антенн будет обеспечивать более широкий диапазон и более надежную связь.