Pochopení bezdrátový dosah výpočty

Jedním z klíčových výpočtů v jakékoli bezdrátové designu je rozsah, maximální vzdálenost mezi vysílačem a přijímačem pro normální provoz. Tento článek identifikuje faktory podílející se výpočtu rozsah a ukazuje, jak odhadnout rozsah zajišťuje spolehlivé komunikační spojení.

Proč Skutečný rozsah nemusí odpovídat uvedený rozsah

Už jste někdy zakoupili bezdrátové rádio pro embedded projekt, a zjistil, že jste nedosáhl rádiové frekvence (RF), rozsah uvedených v manuálu? Proč tomu tak je? Je to pravděpodobně způsobeno rozdíly mezi tím, jak dodavatel měřený rozsah a jak používáte rádio.

Dodavatelé obvykle určovat rozsah odvození to empiricky z reálných testů nebo pomocí výpočtu. Buď přístup je v pořádku, pokud vám účet pro všechny proměnné. Empirický řešení však může odhalit reálných situacích, že výpočty nejsou řešení.

Než jsme porovnat přístupy, pojďme definovat několik pojmů k pochopení čísel a výrobce nebo relevantní proměnné pro rozsah.

Power A dBm Výpočty

RF energie je nejčastěji exprimován a měří v decibelech s odkazem mW, nebo dBm. Decibel je logaritmická jednotka, která je poměrem mezi výkonem systému k nějakému prvku. Decibel hodnota 0 je ekvivalentní poměru 1. Decibel-miliwattů je výstupní výkon v decibelech vztažená k 1 mW.

Vzhledem k tomu, dBm je založen na logaritmické stupnici, je absolutní měření výkonu. Pro každou zvýšení 3 dBm je zhruba dvakrát vyšší než výstupní výkon, a každé zvýšení o 10 dBm představuje nárůst desetinásobné u moci. 10 dBm (10 mW) je 10 krát silnější než 0 dBm (1 mW), a 20 100 dBm (MW) je 10 krát silnější než 10 dBm.

Můžete převádět mezi mW a dBm pomocí následujícího vzorce:

P (dBm) = 10 • log10 (P (mW))

P (mW) = 10 (P (dBm) / 10)

Například, síla 2.5 mW v dBm je:

dBm = 10log2.5 = 3.979

nebo přibližně 4 dBm. DBm hodnota 7 dBm na mW síly je:

P = 107 / 10 100.7 = = 5 mW

Path Loss

Ztráta Path je snížení hustoty výkonu, který se vyskytuje jako rádiové vlny šíří přes vzdálenost. Hlavním faktorem při ztráty na trase je pokles síly signálu na vzdálenost samotných rádiových vln. Rádiové vlny následovat gravitační zákon pro výkonové hustoty: hustota energie je úměrná inverzní čtverci vzdálenosti. Pokaždé, když zdvojnásobit vzdálenost, zobrazí se pouze jedna čtvrtina napájení. To znamená, že každé zvýšení 6-dBm výstupní výkon zdvojnásobuje možnou vzdálenost, která je dosažitelná.

Kromě vysílacího výkonu, dalším faktorem, který ovlivňuje rozsah je přijímač citlivost. To je obvykle vyjádřena v -dBm. Vzhledem k tomu, jak výstupní výkon a citlivost přijímače jsou uvedeny v dBm, můžete použít jednoduchý sčítání a odčítání pro výpočet maximální ztráty na cestě, že systém může utrpět:

Maximální ztráta path = vysílací výkon - citlivost přijímače + zisky - ztráty

Zisky zahrnují veškeré zisky vyplývající z směrové vysílání a / nebo přijímacích antén. Anténní zisky jsou obvykle vyjádřeny v dBi vztažena k izotropní antény. Ztráty zahrnují jakýkoliv filtr nebo útlum kabelu nebo známých podmínek v oblasti životního prostředí. Tento vztah může být také uvedeno jako rozpočet link, který je účetní všech zisků a ztrát v systému pro měření síly signálu na přijímači:

Přijatý výkon = vysílací výkon + zisky - ztráty

Cílem je, aby se dostal výkon je větší než citlivost přijímače

Ve volném prostoru (ideální stav), inverzní náměstí zákon je jediným faktorem, který ovlivňuje rozsah. V reálném světě, ale rozsah také může být degradován jinými faktory:

• Překážky, jako jsou stěny, stromy a kopce mohou způsobit významnou ztrátu signálu.

• Voda ve vzduchu (vlhkost) může pohlcovat RF energii.

• Kovové objekty mohou odrážet rádiové vlny, vytváření nových verzí signálu. Tyto více vlny dosahují přijímače v různých časech a ničivě (a někdy i konstruktivně) zasahovat sami se sebou. To se nazývá multipath.

Fade Margin

Existuje mnoho vzorce pro kvantifikaci těchto překážek. Při publikování čísel rozsah, nicméně výrobci často ignorují překážky a stát jen line-na-pohled (LOS), nebo ideální číslo rozsahu cesta. Pro spravedlnost pro výrobce, je nemožné znát všechny prostředí, kde mohou být použity rádio, takže je možné vypočítat určitý rozsah by se dalo dosáhnout. Výrobci budou někdy obsahovat fade rezervu do jejich výpočtu, aby byly takové podmínky v oblasti životního prostředí. To znamená, že rovnice pro výpočet vzdálenosti se stává:

Maximální ztráta path = vysílací výkon - Citlivost přijímače + zisky - ztráty - fade margin

Fade marže je příspěvkovou návrhář systém obsahuje odpovídat za neznámých proměnných. Čím vyšší je vyblednutí marže, bude lepší celková kvalita spojení být. S fade margin nastaven na nulu, je rozpočet odkaz je stále platný, pouze v Los podmínkách, což není příliš praktické pro většinu návrhů. Množství blednutí marže zahrnout do výpočtu závisí na prostředí, ve kterém se očekává, že systém bude nasazen. Prolnutí rozpětí 12 dBm je dobrá, ale lepší číslo by se na 20 30 dBm.

Jako příklad, předpokládají vysílacího výkonu 20 dBm, citlivosti přijímače -100 dBm, přijímací anténou zisk 6 dBi, vysílací anténa zisk 6 dBi, a fade rozpětí 12 dB. Ztráta Cable je zanedbatelné:

Maximální ztráta path = vysílací výkon - Citlivost přijímače + zisky - ztráty - fade margin

V - maximální ztráta path = 20 - (-100) + 12 - 12 120 dB =

Jakmile se maximální ztráta cesta byl nalezen, můžete najít rozsah od vzorce:

Vzdálenost (km) = 10 (maximální ztráta cesta - 32.44 - 20log (f)) / 20

kde f = frekvence v MHz. Například, pokud je maximální ztráty na trase je 120 dB při frekvenci 2.45 GHz nebo 2450 MHz, rozsah bude:

Vzdálenost (km) = 10 (120 - 32.44 - 67.78) / 20 9.735 km =

Obrázek 1 ukazuje vztah mezi maximální ztráty na trase a rozsah s frekvencí 2.45 GHz.

1. Křivka ukazuje vztah mezi rozpočtem odkazu nebo maximální ztráty na trase v dBm a odhadovaného rozsahu v kilometrech.

Interpretace empirické výsledky

Zatímco empirické metody jsou velmi užitečné při určování rozsahu, často je obtížné dosáhnout ideálního LOS pro měření v reálném světě, a těžké pochopit, jak moc fade margin stavět do systému. Naměřené výsledky mohou pomoci identifikovat problémy mimo šíření RF, které mohou mít vliv na rozsah systému, jako je například vícecestného šíření, rušení, a absorpci RF. Ale ne všechny real-svět testy jsou stejné, takže měření v reálném světě by měly být použity v první řadě posílit počty odkaz rozpočtu vypočítané výše.

Faktory, které mohou mít vliv na rozsah dosažený v empirickém testu zahrnují zisk antény, výšku antény, a rušení. Zisk antény je klíčovým zdrojem zisku v systému. Často výrobci budou certifikovat své rádio pro práci s různými typy antén z high-gain Yagi nebo patch antén na mírnější ziskem všesměrových antén. Je důležité zajistit, aby testy byly provedeny se stejným typem antény, se kterou se nyní pomocí rádia. Přechod z antény 6-dBm na anténě 3-dBm na obou vysílacího a přijímacího stranu způsobí rozdíl 6-dBm v rozpočtu odkaz a snížit rozsah o polovinu.

Antény výšky a do Fresnelovy zóny

Výška antény je další starost o empirických měření. Zvýšení výšku antény dělá dvě hlavní věci. Za prvé, může pomoci dostat se výše případné překážky, jako jsou automobily, lidé, stromy a budovy. Za druhé, to může pomoci dostat svou pravou cestu signálu RF Los nejméně 60% vůli v Fresnelovy zóny.

Fresnelova zóna je elipsoid objem mezi vysílačem a přijímačem, jehož plocha je dána vlnovou délkou signálu. Jedná se o oblast, která se snaží vypočtená k účtu pro zablokování nebo difrakce rádiových vln. Používá se k výpočtu správného vůli signál by měl mít kolem překážek, aby bylo dosaženo optimální sílu signálu. Obecným pravidlem je mít cestu LOS jasný nad překážkami, které jsou více než 60% výšky antény.

Zakřivení Země může LOS také dopad na dalekonosné bezdrátové spojení. Tabulka uvádí některé příklady dopadů, kde výška Země je ve středu dráhy odkazu nevysvětluje kopce nebo dalších funkcí terénu a výšku antény dosahuje signál, který je alespoň 60% v Fresnelovy zóny.
V mnoha praktických nastavení, vaše transceivery může fungovat s nižší výškou antény, ale je to dobrá sázka, že výrobci umístit své antény ve vhodné výšce. Pro vaši aplikaci, měli byste se snažit mít odpovídající výšku antény pro dosažení nejlepší rozsah. Obrázek ukazuje, jak cesta 2 vzdálenost, výška překážky, a výška antény jsou spojeny s Fresnelovy zóny.

2. Požadovaná výška antény je určena výškou překážek a zohlednění 60% marže pro vyrovnání podmínek Fresnelovy zóny.

A konečně, šum a interference může mít negativní dopad na dosah bezdrátového systému. Hluk nelze kontrolovat, ale měly by být zapracovány do rozsahu, pokud to je problém. V průmyslové, vědecké a lékařské (ISM) pásmech v 902 928 na MHz (Severní Amerika) a 2.4 GHz (celosvětově), rušení může často dalo očekávat, ale představuje to je obtížné. Výrobci mohou provádět empirické testy pouze v případě rušení není přítomen. Rozhodně je pravděpodobné, že vaše prostředí má větší rušení, než byl přítomen během testování výrobce.

Shrnutí

S tolika proměnnými v systému, jak můžete zjistit, zda rozsah tvrdí výrobce bude platit pro váš systém? Často není možné zjistit, zda testy byly provedeny empiricky, nebo v případě, byly vypočteny čísla rozsah. Ať tak či onak, analýzou maximální vysílací výkon a citlivost přijímače, můžete vygenerovat základní čáru k porovnání jednoho rádia na další. Pomocí těchto čísel, spolu s set fade marže a zisky díky antén nebo ztráty v důsledku RF kabelů, můžete vypočítat maximální rozpočet odkaz. Pak použijte výše vzdálenost rovnici k výpočtu vlastní rozsah. Pro různé rádiová zařízení, mělo by to zajistit dobrou výchozí srovnat dva nebo tři systémy, které odpovídají vašim potřebám.

Chcete-li pochopit, pokud rádia bude pracovat v aplikaci, měli byste usilovat o přesné reálných testů, které může představovat pro výšku antény, multipath, rušením, a překážkami. Odložení reálných testů pro vaši aplikaci a to pouze při čísla výrobce v doslovném znění vás může zanechat ptá: "Jaký je můj dosah?"

Zanechat vzkaz 

Seznam zpráv