Kısa mesafeli kablosuz cihazların yol kaybını ve iletim mesafesini büyük ölçekli yayılma modelleriyle tahmin etme

900MHz ve 2.4GHz frekans bantlarındaki kısa menzilli kablosuz cihaz tasarımcıları, formüle göre hangi parametrelerin iletim mesafesini etkilediğini ve nasıl etkilediğini anlayabilmeli ve bu parametreleri formülde yol kaybını ve yol kaybını hesaplamak için kullanmalıdır. iç ve dış ortamlarda istatistiksel yöntemlerle. İletim mesafesi.

Ev, inşaat ve endüstriyel uygulamalar kablosuz, kısa menzilli kablosuz cihazlara doğru ilerledikçe ilgi odağı haline geliyor. Bu uygulamalar genellikle 900MHz ve 2.4GHz ISM (endüstriyel, bilimsel ve tıbbi) frekans bantlarında ZigBee gibi tescilli veya standartlara dayalı uygulamaları kullanır. Kısa menzilli kablosuz cihazların artan popülaritesi nedeniyle, terminal sistem tasarımcılarının kablosuz iletişimin iletim mesafesini derinlemesine anlaması gerekir. Bu makale, kablosuz sinyal yayılımını tartışır ve bir iç ortamdaki kısa menzilli kablosuz cihazların yol kaybını ve iletim mesafesini tahmin etmek için bir model oluşturur. Tasarımcılar, kablosuz iletişim sistemlerinin performansını önceden tahmin etmek için bu modelleri kullanabilir.

Mesafe tahmin formülünü tartışmadan önce, tasarımcılar kablosuz kanalı ve sinyal yayılma ortamını anlamalıdır. Radyo kanalı, verici ile hedef alıcı arasındaki aktarım yoludur. Rastgele ve zamanla değişen özelliklere sahiptir, bu nedenle sabit ve öngörülebilir kablolu kanallardan çok farklı bir model oluşturmak zordur. Bu nedenle, tasarımcılar bu rastgele kanalları analiz etmek için istatistiksel modeller kullanmalıdır.

Radyo dalgası yayılma modellerinin geleneksel odak noktası, vericiden belirli bir mesafede alınan ortalama sinyal gücünü ve belirli bir konum yakınındaki sinyal gücündeki değişikliği tahmin etmektir. Verici ve alıcı arasındaki mesafeden bağımsız olarak, büyük ölçekli yayılma modeli, vericinin iletim mesafesini tahmin etmek için yararlı olan ortalama sinyal gücünü tahmin edebilir. Bunun aksine, küçük ölçekli veya zayıflayan modeller, birkaç dalga boyunda alınan sinyal gücündeki hızlı değişiklikleri analiz edebilir. Bu makale temel olarak kablosuz iletim mesafesini tahmin etmek için kullanılabilecek büyük ölçekli yayılma modelini tartışmaktadır.

Verici ve alıcı arasında herhangi bir engel olmadığında ve diğer taraf doğrudan görülebildiğinde, alınan sinyalin gücünü tahmin etmek için serbest alan yayılma modeli kullanılabilir. Boş alan yayılma modeli, alınan sinyal gücünün verici ile alıcı arasındaki mesafenin n'inci gücü ile zayıflayacağını öngörür. Bu işlevsel ilişki, güç yasası işlevi olarak da bilinir. Alıcı anten ile verici anten arasında bir mesafe olduğunda, aldığı boş alan gücü aşağıdaki Friis boş alan denklemi ile belirlenir:

Kısa mesafeli kablosuz cihazların yol kaybını ve iletim mesafesini büyük ölçekli yayılma modelleriyle tahmin etme

PT'nin iletim gücü olduğu yerde; PR (d), aynı zamanda verici ile alıcı d arasındaki mesafenin bir fonksiyonu olan alınan güçtür; GT, verici anten kazancıdır; GR, alıcı anten kazancıdır; d, verici ile alıcı arasındaki mesafedir, birim cinsinden Ölçüdür; λ dalga boyu ve birim aynı zamanda metredir.

Friis boş alan denklemi, alınan gücün, verici ile alıcı arasındaki mesafenin karesi ile azaldığını gösterir; diğer bir deyişle, alınan güç mesafe arttıkça 20dB / on yıl oranında azalacaktır.

Kablosuz iletim mesafesini tahmin etmek için yol kaybı çok önemlidir. Gönderme gücü ile alınan güç (desibel cinsinden) arasındaki farka eşittir ve sinyalin zayıflamasını temsil eder. Yol kaybının, alınan güce bölünen iletim gücüne eşit olduğu denklem (1) 'den türetilebilir. Denklem (2) yol kaybını şu şekilde tanımlar:

Kısa mesafeli kablosuz cihazların yol kaybını ve iletim mesafesini büyük ölçekli yayılma modelleriyle tahmin etme

PL, yol kaybı olduğunda. Hem verici hem de alıcı antenlerin birlik kazancı olduğunu varsayarsak, denklem (2) şu şekilde basitleştirilebilir:

Kısa mesafeli kablosuz cihazların yol kaybını ve iletim mesafesini büyük ölçekli yayılma modelleriyle tahmin etme

Bu denklem aynı zamanda aşağıdaki faydalı şekillerde de ifade edilebilir:

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

D metre cinsinden uzaklıktır.
Sadece d'nin değeri verici antenin uzak alanında olduğunda, Friis boş alan formülü alınan güç yoğunluğunu tahmin edebilir. Gönderen antenin uzak alanı, antenin uzak alan mesafesi dF'nin ötesindeki alanı ifade eden Fraunhofer alanı olarak da adlandırılır. Antenin dF'si 2D2 / λ'ya eşittir, burada D antenin maksimum fiziksel doğrusal boyutudur; ek olarak, dF, D'den büyük olmalı ve uzak alan alanında olmalıdır. Bu yol kaybı formülü, yalnızca vericinin ve alıcının diğer tarafın görüş alanında olduğu ideal sistemler için ve yalnızca ön tahmin için geçerlidir.

Yayılma modeli, d0 yakın mesafesini alınan güç referans noktası olarak kabul eder ve tasarımcı, mesafe d0'dan büyük olduğunda alınan gücü hesaplamak için bu referans noktasının alınan gücünü PR (d0) kullanmalıdır. Tasarımcılar 1 ve 4 denklemlerini PR (d0) tahmin etmek için kullanabilir veya alınan gücü vericiye yakın birçok noktada ölçebilir ve ardından ortalama değerlerini PR (d0) olarak kullanabilir. Tasarımcı kısa menzilli referans noktasını seçtiğinde, uzak alan alanının kısa menzil mesafesinin dışında olduğundan emin olmalıdır.

Tasarımcı, alınan gücü herhangi bir mesafede hesaplamak için bu bilgileri ve aşağıdaki formülü kullanabilir:

Kısa mesafeli kablosuz cihazların yol kaybını ve iletim mesafesini büyük ölçekli yayılma modelleriyle tahmin etme

1-2 GHz aralığında çalışan gerçek sistemler için, iç ortamlar için referans mesafesi 1 metredir ve dış ortamlar için 100 metredir.

Yaygın olarak kullanılan RF güç yoğunluğu birimi, mutlak güç yoğunluğu yerine miliwatt desibel veya watt desibeldir. Bu nedenle denklem (6) şu şekilde ifade edilebilir:

Kısa mesafeli kablosuz cihazların yol kaybını ve iletim mesafesini büyük ölçekli yayılma modelleriyle tahmin etme

Aşağıdaki örnek bu kavramları göstermektedir. Gönderme frekansının 900MHz olduğu, iletim gücünün 6.3mW (8dBm) olduğu ve birim kazanç verici ve alıcı antenlerin kullanıldığı varsayıldığında, dış görüş hattında 1200 metredeki alıcı gücü şu şekilde hesaplanabilir: Referans mesafesi Dış ortam 100 metre, 900 MHz'dir Sinyalin dalga boyu 0.33 metredir, bu nedenle denklem (1) değeri 100 metrede alınan gücü hesaplamak için aşağıdaki şekilde kullanılabilir:

Kısa mesafeli kablosuz cihazların yol kaybını ve iletim mesafesini büyük ölçekli yayılma modelleriyle tahmin etme

Desibel güç değerini miliwatt olarak hesaplamak için, güç aşağıdaki miliwatt değeriyle ifade edilmelidir:

PR (100) = 0.44 × 10-6mW. (9)

Bu elde edilebilir:

PR (100) = 10log (0.44 × 10-6mW) = -63.6dBm. (10)

eşitlik (7), 1200 metrede alınan güç şu şekilde elde edilebilir:

Kısa mesafeli kablosuz cihazların yol kaybını ve iletim mesafesini büyük ölçekli yayılma modelleriyle tahmin etme

yanısıra

PR (1200) = -63.6dBm - 21.58dB = -85dBm. (12)

Ayrıca alınan gücün bu değer olduğunu doğrulamak için denklemi (5) de kullanabilirsiniz.

Bu nedenle engelsiz ve görüş mesafesinde ideal bir ortamda, iletim gücü 8 dBm iken 1200 metre mesafede alınan güç yaklaşık -85 dBm'dir. Elbette, gerçek ortamda alınan güç ideal değerden daha düşük olacaktır, çünkü hedef nokta ile verici arasında engeller olabilir veya hiç görünmeyebilir. Önceki örnekten, yol kaybının PT-PR olduğu bilinmektedir, bu nedenle 8dBm - (- 85dBm) = 93dB'ye eşittir.

Gerçek yol kaybı formülü

Herhangi bir pratik kablosuz sensör sistemi, maksimum güvenilir iletim mesafesini bilmelidir. Bu kablosuz sistemin iletim mesafesi doğrudan bağlantı bütçe parametreleri tarafından belirlenir:

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

LB, desibel cinsinden ifade edilen bağlantı bütçesi olduğunda, PT, miliwatt veya watt desibel cinsinden ifade edilen iletim gücüdür; GT, desibel cinsinden ifade edilen verici anten kazancıdır, GR, desibel cinsinden ifade edilen alıcı anten kazancıdır ve RS, alıcıdır. sistem, en küçük RF sinyalini uygun bir sinyal-gürültü oranıyla algılayabilir ve sağlayabilir. Alıcı hassasiyeti Denklem 14'te gösterilmektedir:

S = -174dBm / Hz + NF + 10logB + SNRMIN (14)

Bunların arasında, -174dBm / Hz termal gürültü kıyaslamasıdır, NF, alıcının desibel cinsinden ifade edilen toplam gürültü rakamıdır, B, alıcının toplam bant genişliğidir ve SNRMIN, minimum sinyal-gürültü oranıdır. Verici ile hedef alıcı arasındaki toplam yol kaybı bağlantı bütçesinden daha büyükse, veriler kaybolacak ve iletişim mümkün olmayacaktır. Bu nedenle, tasarımcılar nihai sistemi geliştirirken yol kaybı özelliklerini doğru bir şekilde analiz etmeli ve bir ön mesafe tahmini elde etmek için bağlantı bütçesi ile karşılaştırmalıdır.

Kapalı kanal yolu kaybıİç radyo kanalı dış kanaldan farklıdır çünkü iç kanalın iletim mesafesi daha kısadır ve kanal kaybı büyük ölçüde değişir, bu nedenle alınan sinyal gücü büyük ölçüde değişir. Ancak sabit kablosuz cihazlar için bu kısım önemsizdir. Binanın düzlem konfigürasyonu, tipi ve yapı malzemeleri, iç mekan sinyal yayılımı üzerinde büyük bir etkiye sahip olacaktır. Araştırmacılar, iç mekan kanallarını iki türe ayırırlar; biri görülebilen kanal, diğeri değişen derecelerde bloke edilen kanaldır (Kaynak 1). Bir binanın iç ve dış yapısı birçok farklı bölme ve engel içerebilir. Bölme şekli, binanın ev veya ofis ortamında olmasına bağlıdır. Bina yapısının bölmeleri sabit bölmelerdir ve hareketli bölmeler hareket edebilir ve bölmenin üstü tavana temas etmeyecektir. Aileler genellikle ahşap bölmeler kullanırken, ofis binaları katlar arasında betonarme kullanır ve hareketli bölmeler kullanır.

Binalarda birçok farklı bölme vardır ve bunların fiziksel ve elektriksel özellikleri de çok farklıdır. İç mekan kanallarını genel modellerle incelemek zordur. Bununla birlikte, kapsamlı araştırmalardan sonra, endüstri yaygın olarak kullanılan malzemelerin sinyal kaybını tablo haline getirdi (Tablo 1).

Kısa mesafeli kablosuz cihazların yol kaybını ve iletim mesafesini büyük ölçekli yayılma modelleriyle tahmin etme

Zemin zayıflatma faktörü, katlar arasındaki izolasyon kaybını temsil eder (Tablo 2).

Kısa mesafeli kablosuz cihazların yol kaybını ve iletim mesafesini büyük ölçekli yayılma modelleriyle tahmin etme

Denklem (15), logaritmik mesafe yol kaybı modeli kullanılarak elde edilen gerçek iç mekan kanal yolu kaybı modelidir:

Kısa mesafeli kablosuz cihazların yol kaybını ve iletim mesafesini büyük ölçekli yayılma modelleriyle tahmin etme

X, desibel cinsinden sıfır ortalamalı bir Gauss rasgele değişkeni ve σ, standart sapmadır. Sabit bir cihaz ise, Xσ'nun etkisi göz ardı edilebilir. 4 metrelik bir mesafe için yol kaybı değerini hesaplamak için denklemi (1) kullanın ve ardından sonucu, elde etmek için denklem 15 ile değiştirin:

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

N'nin değeri frekansla çok fazla değişmeyecek, ancak çevredeki ortam ve bina türünden etkilenecektir (Tablo 3).

Kısa mesafeli kablosuz cihazların yol kaybını ve iletim mesafesini büyük ölçekli yayılma modelleriyle tahmin etme

Binadaki yayılma modeli, bina tipi ve engellerin etkisini içerir. Bu model sadece esnek olmakla kalmaz, aynı zamanda ölçülen ve tahmin edilen yol kaybı arasındaki standart sapmayı yaklaşık 4dB'ye düşürür ki bu, yalnızca logaritmik mesafe modeli kullanıldığında 13dB'den daha iyidir. Denklem 17, zayıflatma faktörü modelini temsil eder:

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

Bunlar arasında nSF, aynı katta ölçülen yol kaybı indeksini temsil eder ve FAF, zemin zayıflatma faktörüdür (Tablo 3). Tasarımcı, Tablo 2'ye göre zemin zayıflatma faktörünü belirleyebilir. Aşağıdaki örnek, yukarıda belirtilen tablonun ve denklemin açık bir açık ortamda 915 metre mesafedeki açık bir ortamda 2.4MHz ve 1200GHz sinyallerinin yol kaybını hesaplamak için nasıl kullanılacağını gösterir:

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

Yukarıdaki formülden, 915 MHz'lik yol kaybı şu şekilde elde edilebilir:

915 MHz = 20log10 (915) + 20log10 (1200) - 28 = 92.8 dB (19)

2400 MHz'lik yol kaybı:

915 MHz = 20log10 (915) + 20log10 (1200) - 28 = 92.8 dB (19)

İletim sinyalinin frekansı ne kadar yüksekse, yol kaybı o kadar fazla olur ve bu, yüksek frekanslı sinyalin kablosuz iletim mesafesini kısaltır. Örneğin, açık bir dış ortamda, 2.4GHz kablosuz cihazlar, 8.4MHz cihazlara göre yaklaşık 915dB daha fazla yol kaybına sahiptir.

Diğer bir örnek, aynı katta ve üç katta sabit bölmeler bulunan bir ofis ortamıdır. Tablo 2'deki veriler, 915 metre mesafedeki 2.4MHz ve 100GHz sinyallerinin yol kaybını hesaplamak için kullanılır. Tablo 3'ten aynı katın ortalama yol kaybının 3dBm olduğu görülmektedir. Bu n = 3 değerini aşağıdaki formülle değiştirin:

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

915 MHz'lik yol kaybı şu şekilde elde edilebilir:

915 MHz = 20log10 (915) + 10 (3) günlük (100) - 28 + Xσ = 91.2 dB (22)

Σ = 7dB olduğunda. 2400 MHz'lik yol kaybı:

2400 MHz = 20log10 (2400) + 10 (3) günlük (100) - 28 + Xσ = 99.6 dB (23)

Σ = 14dB olduğunda.

Tablo 2'den, üç katlı binanın zemin zayıflatma faktörünün yaklaşık 24dB ve standart sapmanın 5.6dB olduğu hesaplanabilir. Bu bilgileri aşağıdaki formülle değiştirin:

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

915 MHz'lik yol kaybı şu şekilde elde edilebilir:

915 MHz = 20log10 (915) + 10 (3) log10 (100) - 28 + 24 = 115.2 dB (25)

Σ = 5.6dB olduğunda. 2400 MHz'lik yol kaybı:

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

Σ = 5.9dB olduğunda.

Üçüncü örnek, sistemin birim kazançlı gönderme ve alma antenleri kullandığını, iletim gücünün 8dBm olduğunu ve alıcı hassasiyetinin -100dBm olduğunu varsayar ve ardından ilk iki örnekte 915MHz sinyalinin iletim mesafesini tahmin eder. Şu anda sistem bağlantı bütçesinin 8 - (-100) = 108dB olduğunu unutmayın.

Yol kaybı formülündeki standart sapmayı göstermek için, bağlantı bütçesinde yaklaşık 10 dB'lik bir marj ayırmak daha iyidir. Bu, mevcut bağlantı bütçesinin 98dB olduğu anlamına gelir ve bu, ilk örnekteki 92.8dB yol kaybını aşar; bu nedenle tasarımcılar sistemin dış mekan iletim mesafesini 1200 metre olarak değerlendirebilirler. Kapalı bir ortamda, yol kaybı 91.2dB'dir ve 10dB marj rezerve edildiğinde kullanılabilir bağlantı bütçesi yaklaşık 98dB'dir ve bu da yol kaybını aşar. Bu nedenle tasarımcılar sistemin iç mekan iletim mesafesini 100 metre olarak değerlendirebilirler.

Mesaj bırakın 

İleti listesi