Estimació de la pèrdua de camí i la distància de transmissió dels dispositius sense fils de curta distància mitjançant models de propagació a gran escala

Els dissenyadors de dispositius sense fils d’abast curt de les bandes de freqüència de 900 MHz i 2.4 GHz han de ser capaços d’entendre quins paràmetres afecten i com afecten la distància de transmissió segons la fórmula i utilitzar aquests paràmetres a la fórmula per calcular la pèrdua i la pèrdua de camí en entorns interiors i exteriors mitjançant mètodes estadístics. Distància de transmissió.

A mesura que les aplicacions domèstiques, de construcció i industrials es dirigeixen cap a la xarxa sense fils, els dispositius sense fils de curt abast es converteixen en el focus d’atenció. Aquestes aplicacions solen utilitzar pràctiques propietàries o basades en estàndards, com ZigBee a les bandes de freqüència ISM (industrial, científica i mèdica) de 900 MHz i 2.4 GHz. A causa de la creixent popularitat dels dispositius sense fils d’abast curt, els dissenyadors de sistemes de terminals també han de tenir una comprensió profunda de la distància de transmissió de les comunicacions sense fils. Aquest article tracta de la propagació del senyal sense fils i estableix un model per estimar la pèrdua de camí i la distància de transmissió dels dispositius sense fils de curt abast en un entorn interior. Els dissenyadors poden utilitzar aquests models per estimar preliminarment el rendiment dels sistemes de comunicació sense fils.

Abans de discutir la fórmula d’estimació de distància, els dissenyadors han d’entendre el canal sense fils i l’entorn de propagació del senyal. El canal de ràdio és el camí de transmissió entre el transmissor i el receptor objectiu. Té característiques aleatòries i variables en el temps, de manera que és difícil construir un model, que és molt diferent dels canals fixats i previsibles per cable. Per tant, els dissenyadors han d’utilitzar models estadístics per analitzar aquests canals aleatoris.

El focus tradicional dels models de propagació d’ones de ràdio és predir la intensitat mitjana del senyal rebut a una distància específica del transmissor i el canvi en la intensitat del senyal prop d’un lloc determinat. Independentment de la distància entre el transmissor i el receptor, el model de propagació a gran escala pot predir la intensitat mitjana del senyal, que és útil per estimar la distància de transmissió del transmissor. En canvi, els models a petita escala o que s’esvaeixen poden analitzar els canvis ràpids en la intensitat del senyal rebut en diverses longituds d’ona. Aquest article tracta principalment del model de propagació a gran escala, que es pot utilitzar per estimar la distància de transmissió sense fils.

Quan no hi ha cap obstrucció entre el transmissor i el receptor, i es pot veure directament l'altra part, es pot utilitzar el model de propagació de l'espai lliure per predir la força del senyal rebut. El model de propagació de l'espai lliure prediu que la intensitat del senyal rebuda s'atenuarà amb l'enèsima potència de la distància entre el transmissor i el receptor. Aquesta relació funcional també es coneix com la funció de llei del poder. Quan hi ha una distància entre l'antena del receptor i l'antena del transmissor, la potència d'espai lliure que rep es determina mitjançant la següent equació d'espai lliure de Friis:

Estimació de la pèrdua de camí i la distància de transmissió dels dispositius sense fils de curta distància mitjançant models de propagació a gran escala

On PT és la potència de transmissió; PR (d) és la potència rebuda, que també és una funció de la distància entre el transmissor i el receptor d; GT és el guany de l'antena del transmissor; GR és el guany de l'antena del receptor; d és la distància entre el transmissor i el receptor, en unitats És el metre; λ és la longitud d'ona i la unitat també és el mesurador.

L'equació de l'espai lliure de Friis mostra que la potència rebuda disminueix amb el quadrat de la distància entre el transmissor i el receptor; en altres paraules, la potència rebuda disminuirà a un ritme de 20 dB / dècada a mesura que augmenti la distància.

La pèrdua de camí és molt important per estimar la distància de transmissió sense fils. És igual a la diferència entre la potència de transmissió i la potència rebuda (en decibels) i representa l’atenuació del senyal. Es pot derivar de l'equació (1) que la pèrdua del camí és igual a la potència de transmissió dividida per la potència rebuda. L'equació (2) defineix la pèrdua de camí com:

Estimació de la pèrdua de camí i la distància de transmissió dels dispositius sense fils de curta distància mitjançant models de propagació a gran escala

On PL és la pèrdua de camí. Suposant que tant les antenes emissores com les receptores són guanys d’unitat, l’equació (2) es pot simplificar a:

Estimació de la pèrdua de camí i la distància de transmissió dels dispositius sense fils de curta distància mitjançant models de propagació a gran escala

Aquesta equació també es pot expressar en les formes útils següents:

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

On d és la distància en metres.
Només quan el valor de d es troba al camp més llunyà de l’antena transmissora, la fórmula de l’espai lliure de Friis pot estimar la intensitat de potència rebuda. El camp més llunyà de l'antena transmissora també s'anomena àrea Fraunhofer, que es refereix a l'àrea més enllà de la distància del camp llunyà de l'antena dF. El dF de l’antena és igual a 2D2 / λ, on D és la mida lineal física màxima de l’antena; a més, dF ha de ser superior a D i ha de ser a la zona del camp més llunyà. Aquesta fórmula de pèrdua de camí només s’aplica als sistemes ideals on el transmissor i el receptor estan a la vista de l’altra part i només per a una estimació preliminar.

El model de propagació considera la distància d’aproximació d0 com a punt de referència de potència rebuda i el dissenyador ha d’utilitzar la potència rebuda PR (d0) d’aquest punt de referència per calcular la potència rebuda quan la distància és superior a d0. Els dissenyadors poden utilitzar les equacions 1 i 4 per predir PR (d0), o mesurar la potència rebuda en molts punts propers al transmissor, i després utilitzar el seu valor mitjà com a PR (d0). Quan el dissenyador tria el punt de referència de curt abast, s'ha d'assegurar que l'àrea de camp llunyà estigui fora de la distància de curt abast.

El dissenyador pot utilitzar aquesta informació i la fórmula següent per calcular la potència rebuda a qualsevol distància:

Estimació de la pèrdua de camí i la distància de transmissió dels dispositius sense fils de curta distància mitjançant models de propagació a gran escala

Per als sistemes reals que funcionen en el rang d’1-2 GHz, la distància de referència per a entorns interiors és d’1 metre i per a entorns exteriors de 100 metres.

La unitat d’intensitat de potència de RF que s’utilitza habitualment són decibels de milivati ​​o decibels de watts, en lloc de la intensitat de potència absoluta. Per tant, l’equació (6) es pot expressar com:

Estimació de la pèrdua de camí i la distància de transmissió dels dispositius sense fils de curta distància mitjançant models de propagació a gran escala

L'exemple següent il·lustra aquests conceptes. Suposant que la freqüència de transmissió és de 900 MHz, la potència de transmissió és de 6.3 mW (8 dBm) i que s’utilitzen les antenes de transmissió i recepció del guany d’unitat, la potència de recepció a 1200 metres a la línia de visió exterior es pot calcular de la manera següent: de l’entorn exterior és de 100 metres, 900 MHz La longitud d’ona del senyal és de 0.33 metres, de manera que es pot utilitzar el valor de l’equació (1) per calcular la potència rebuda a 100 metres de la següent manera:

Estimació de la pèrdua de camí i la distància de transmissió dels dispositius sense fils de curta distància mitjançant models de propagació a gran escala

Per calcular el valor de la potència en decibels en miliwatts, la potència s'ha d'expressar com el següent valor de miliwatt:

PR (100) = 0.44 × 10-6 mW. (9)

Es pot obtenir:

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

Sing equació (7), la potència rebuda a 1200 metres es pot obtenir com:

Estimació de la pèrdua de camí i la distància de transmissió dels dispositius sense fils de curta distància mitjançant models de propagació a gran escala

així com

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

També podeu utilitzar l’equació (5) per verificar que la potència rebuda sigui d’aquest valor.

Per tant, en un entorn ideal sense obstacles i a la vista, quan la potència de transmissió és de 8 dBm, la potència rebuda a una distància de 1200 metres és d’uns -85 dBm. Per descomptat, la potència rebuda a l’entorn real serà inferior al valor ideal, perquè pot haver-hi obstacles entre el punt objectiu i el transmissor, o potser no es pot veure gens. Per l'exemple anterior se sap que la pèrdua de camí és PT-PR, de manera que és igual a 8dBm - (- 85dBm) = 93dB.

Fórmula de pèrdua de camí real

Qualsevol sistema de sensors sense fils pràctic ha de conèixer la seva distància de transmissió màxima fiable. La distància de transmissió d’aquest sistema sense fils es determina directament pels paràmetres del pressupost de l’enllaç:

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

Quan LB és el pressupost d’enllaç expressat en decibels, PT és la potència de transmissió expressada en milliwatts o watts decibels, GT és el guany de l’antena del transmissor expressat en decibels, GR és el guany de l’antena del receptor expressat en decibels i RS és el receptor La sensibilitat significa que el sistema pot detectar i proporcionar el senyal de RF més petit amb una relació senyal-soroll adequada. La sensibilitat del receptor es mostra a l’equació 14:

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

Entre ells, -174dBm / Hz és el punt de referència del soroll tèrmic, NF és la xifra total de soroll del receptor expressada en decibels, B és l’amplada de banda total del receptor i SNRMIN és la relació mínima senyal-soroll. Si la pèrdua total del camí entre el transmissor i el receptor objectiu és superior al pressupost de l'enllaç, es perdran dades i no serà possible la comunicació. Per tant, els dissenyadors han d’analitzar amb precisió les característiques de pèrdua de camí en desenvolupar el sistema final i comparar-lo amb el pressupost d’enllaç per obtenir una estimació preliminar de distància.

Pèrdua del recorregut del canal interiorEl canal de ràdio interior és diferent del canal exterior perquè la distància de transmissió del canal interior és més curta i la pèrdua del canal varia molt, de manera que la intensitat del senyal rebuda varia molt. Però per als dispositius sense fils fixos, aquesta part és insignificant. La configuració del pla, el tipus i els materials de construcció de l’edifici tindran una gran influència en la propagació del senyal interior. Els investigadors divideixen els canals interiors en dos tipus, un és el canal que es pot veure i l’altre és el canal bloquejat en diversos graus (referència 1). L’estructura interna i externa d’un edifici pot contenir molts compartiments i obstacles diferents. La forma dels compartiments depèn de si l'edifici es troba en un entorn domèstic o d'oficina. Els compartiments de l’estructura de l’edifici són compartiments fixos i els compartiments mòbils es poden moure i la part superior del compartiment no toca el sostre. Les famílies solen utilitzar envans de fusta, mentre que els edificis d’oficines utilitzen formigó armat entre pisos i utilitzen envans mòbils.

Hi ha molts compartiments diferents als edificis, i les seves característiques físiques i elèctriques també són molt diferents. És difícil analitzar els canals interiors per models generals. No obstant això, després d'una àmplia investigació, la indústria ha tabulat la pèrdua de senyal de materials d'ús habitual (taula 1).

Estimació de la pèrdua de camí i la distància de transmissió dels dispositius sense fils de curta distància mitjançant models de propagació a gran escala

El factor d’atenuació del sòl representa la pèrdua d’aïllament entre plantes (taula 2).

Estimació de la pèrdua de camí i la distància de transmissió dels dispositius sense fils de curta distància mitjançant models de propagació a gran escala

L’equació (15) és el model de pèrdua del recorregut del canal interior real obtingut mitjançant l’ús del model de pèrdua de recorregut de distància logarítmica:

Estimació de la pèrdua de camí i la distància de transmissió dels dispositius sense fils de curta distància mitjançant models de propagació a gran escala

On X és una variable aleatòria gaussiana de mitjana zero en decibels, i σ és la desviació estàndard. Si es tracta d'un dispositiu fix, es pot ignorar la influència de Xσ. Utilitzeu l’equació (4) per calcular el valor de pèrdua de camí per a una distància d’1 metre i, a continuació, substituïu el resultat per l’equació 15 per obtenir:

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

El valor de n no canviarà molt amb la freqüència, però es veurà afectat per l’entorn que l’envolta i pel tipus d’edifici (taula 3).

Estimació de la pèrdua de camí i la distància de transmissió dels dispositius sense fils de curta distància mitjançant models de propagació a gran escala

El model de propagació a l'edifici inclou la influència del tipus d'edifici i els obstacles. Aquest model no només és flexible, sinó que també redueix la desviació estàndard entre la pèrdua de camí mesurada i la prevista a uns 4 dB, que és millor que els 13 dB quan s’utilitza només el model de distància logarítmica. L’equació 17 representa el model del factor d’atenuació:

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

Entre ells, nSF representa l’índex de pèrdua de trajectòria mesurat al mateix pis i FAF és el factor d’atenuació del sòl (taula 3). El dissenyador pot determinar el factor d’atenuació del sòl segons la taula 2. L’exemple següent demostra com utilitzar la taula i l’equació esmentades per calcular la pèrdua de trajectòria dels senyals de 915 MHz i 2.4 GHz en un entorn obert a una distància de 1200 metres:

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

A partir de la fórmula anterior, la pèrdua de camí de 915 MHz es pot obtenir com:

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

La pèrdua de camí de 2400 MHz és:

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

Com més gran sigui la freqüència del senyal de transmissió, major serà la pèrdua de camí, cosa que reduirà la distància de transmissió sense fils del senyal d’alta freqüència. Per exemple, en un entorn exterior obert, els dispositius sense fils de 2.4 GHz tenen aproximadament una pèrdua de camí de 8.4 dB més que els dispositius de 915 MHz.

Un altre exemple és un entorn d’oficina amb compartiments fixos a la mateixa planta i tres plantes. Les dades de la taula 2 s’utilitzen per calcular la pèrdua de trajectòria dels senyals de 915 MHz i 2.4 GHz a una distància de 100 metres. Es pot observar a la taula 3 que la pèrdua mitjana de trajectòria del mateix pis és de 3dBm. Substituïu aquest valor de n = 3 per la fórmula següent:

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

La pèrdua de camí de 915 MHz es pot obtenir com:

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

On σ = 7dB. La pèrdua de camí de 2400 MHz és:

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

On σ = 14dB.

A partir de la taula 2, es pot calcular que el factor d’atenuació del pis de l’edifici de tres pisos és d’uns 24 dB i la desviació estàndard és de 5.6 dB. Substituïu aquesta informació per la fórmula següent:

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

La pèrdua de camí de 915 MHz es pot obtenir com:

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

On σ = 5.6dB. La pèrdua de camí de 2400 MHz és:

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

On σ = 5.9 dB.

El tercer exemple suposa que el sistema utilitza antenes de transmissió i recepció de guany d’unitat, la potència de transmissió és de 8 dBm i la sensibilitat del receptor és de -100dBm i, a continuació, estima la distància de transmissió del senyal de 915 MHz en els dos primers exemples. Tingueu en compte que el pressupost d'enllaç del sistema en aquest moment és de 8 - (-100) = 108 dB.

Per il·lustrar la desviació estàndard en la fórmula de pèrdua de camí, és millor reservar un marge d’uns 10 dB al pressupost de l’enllaç. Això significa que el pressupost d’enllaç disponible és de 98 dB, que supera la pèrdua de camí de 92.8 dB del primer exemple; per tant, els dissenyadors poden considerar la distància de transmissió exterior del sistema com a 1200 metres. En un entorn interior, la pèrdua de camí és de 91.2 dB i el pressupost d’enllaç útil quan es reserva el marge de 10 dB és d’uns 98 dB, que també supera la pèrdua de camí. Per tant, els dissenyadors poden considerar la distància de transmissió interior del sistema com a 100 metres.

Deixa un missatge 

Llista de missatges