Vlerësimi i humbjes së rrugës dhe distancës së transmetimit të pajisjeve pa tel në distancë të shkurtër përmes modeleve të përhapjes në shkallë të gjerë

Projektuesit e pajisjeve pa tel me rreze të shkurtër në brezat e frekuencës 900MHz dhe 2.4GHz duhet të jenë në gjendje të kuptojnë se cilat parametra ndikojnë dhe si ndikojnë në distancën e transmetimit bazuar në formulë dhe t'i përdorin këto parametra në formulë për të llogaritur humbjen e rrugës dhe humbjen e rrugës. në ambiente të brendshme dhe të jashtme përmes metodave statistikore. Distanca e transmetimit.

Ndërsa shtëpia, ndërtimi dhe aplikimet industriale lëvizin drejt wireless, pajisjet me valë të shkurtër me rreze janë duke u bërë fokusi i vëmendjes. Këto aplikacione zakonisht përdorin praktika të pronarit ose të bazuara në standarde, të tilla si ZigBee në brezat e frekuencës 900MHz dhe 2.4GHz ISM (industriale, shkencore dhe mjekësore). Për shkak të popullaritetit në rritje të pajisjeve pa tel me rreze të shkurtër, projektuesit e sistemit të terminalit duhet gjithashtu të kenë një kuptim të thellë të distancës së transmetimit të komunikimeve pa tela. Ky artikull diskuton përhapjen e sinjalit pa tel dhe krijon një model për të vlerësuar humbjen e rrugës dhe distancën e transmetimit të pajisjeve pa tel me rreze të shkurtër në një mjedis të brendshëm. Projektuesit mund t'i përdorin këto modele për të vlerësuar paraprakisht performancën e sistemeve të komunikimit pa tel.

Para se të diskutojnë formulën e vlerësimit të distancës, projektuesit duhet të kuptojnë kanalin pa tel dhe mjedisin e përhapjes së sinjalit. Kanali i radios është rruga e transmetimit ndërmjet transmetuesit dhe marrësit të synuar. Ka karakteristika të rastësishme dhe të ndryshueshme në kohë, kështu që është e vështirë të ndërtohet një model, i cili është shumë i ndryshëm nga kanalet me tela fikse dhe të parashikueshme. Prandaj, dizajnerët duhet të përdorin modele statistikore për të analizuar këto kanale të rastit.

Fokusi tradicional i modeleve të përhapjes së valëve të radios është parashikimi i fuqisë mesatare të sinjalit të marrë në një distancë specifike nga transmetuesi dhe ndryshimi i fuqisë së sinjalit pranë një vendndodhje të caktuar. Pavarësisht nga distanca midis transmetuesit dhe marrësit, modeli i përhapjes në shkallë të gjerë mund të parashikojë fuqinë mesatare të sinjalit, e cila është e dobishme për vlerësimin e distancës së transmetimit të transmetuesit. Në të kundërt, modelet në shkallë të vogël ose venitje mund të analizojnë ndryshimet e shpejta në fuqinë e sinjalit të marrë në disa gjatësi vale. Ky artikull kryesisht diskuton modelin e përhapjes në shkallë të gjerë, i cili mund të përdoret për të vlerësuar distancën e transmetimit pa tel.

Kur nuk ka asnjë pengesë midis transmetuesit dhe marrësit, dhe pala tjetër mund të shihet drejtpërdrejt, modeli i përhapjes së hapësirës së lirë mund të përdoret për të parashikuar fuqinë e sinjalit të marrë. Modeli i përhapjes së hapësirës së lirë parashikon që forca e sinjalit të marrë do të zbutet me fuqinë e n-të të distancës ndërmjet transmetuesit dhe marrësit. Kjo marrëdhënie funksionale njihet gjithashtu si funksioni i ligjit të pushtetit. Kur ekziston një distancë midis antenës marrës dhe antenës transmetuese, fuqia e hapësirës së lirë që merr përcaktohet nga ekuacioni i hapësirës së lirë Friis në vijim:

Vlerësimi i humbjes së rrugës dhe distancës së transmetimit të pajisjeve pa tel në distancë të shkurtër përmes modeleve të përhapjes në shkallë të gjerë

Ku PT është fuqia transmetuese; PR (d) është fuqia e marrë, e cila është gjithashtu një funksion i distancës midis transmetuesit dhe marrësit d; GT është përfitimi i antenës transmetuese; GR është përfitimi i antenës marrës; d është distanca midis transmetuesit dhe marrësit, në njësi A është njehsori; λ është gjatësia e valës, dhe njësia është gjithashtu matësi.

Ekuacioni i hapësirës së lirë Friis tregon se fuqia e marrë zvogëlohet me katrorin e distancës ndërmjet transmetuesit dhe marrësit; me fjalë të tjera, fuqia e marrë do të ulet me një shpejtësi prej 20dB / dekadë ndërsa distanca rritet.

Humbja e rrugës është shumë e rëndësishme për vlerësimin e distancës së transmetimit pa tel. Shtë e barabartë me diferencën midis fuqisë transmetuese dhe fuqisë së marrë (në decibel) dhe paraqet zbutjen e sinjalit. Mund të rrjedh nga ekuacioni (1) që humbja e shtegut është e barabartë me fuqinë transmetuese të ndarë nga fuqia e marrë. Ekuacioni (2) përcakton humbjen e rrugës si:

Vlerësimi i humbjes së rrugës dhe distancës së transmetimit të pajisjeve pa tel në distancë të shkurtër përmes modeleve të përhapjes në shkallë të gjerë

Ku PL është humbja e shtegut. Duke supozuar që të dy antenat transmetuese dhe marrëse janë fitim i unitetit, ekuacioni (2) mund të thjeshtohet në:

Vlerësimi i humbjes së rrugës dhe distancës së transmetimit të pajisjeve pa tel në distancë të shkurtër përmes modeleve të përhapjes në shkallë të gjerë

Ky ekuacion gjithashtu mund të shprehet në format e mëposhtme të dobishme:

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

Ku d është distanca në metra.
Vetëm kur vlera e d është në fushën e largët të antenës transmetuese, formula e hapësirës së lirë Friis mund të vlerësojë intensitetin e energjisë së marrë. Fusha e largët e antenës transmetuese quhet gjithashtu zona Fraunhofer, e cila i referohet zonës përtej distancës së fushës së antenës dF. DF e antenës është e barabartë me 2D2 / λ, ku D është madhësia fizike maksimale lineare e antenës; përveç kësaj, dF duhet të jetë më i madh se D dhe duhet të jetë në zonën e fushës së largët. Kjo formulë e humbjes së rrugës është e zbatueshme vetëm për sistemet ideale ku transmetuesi dhe marrësi janë në sytë e palës tjetër, dhe vetëm për vlerësimin paraprak.

Modeli i përhapjes ka të bëjë me distancën e ngushtë d0 si pikë referimi të energjisë së marrë dhe projektori duhet të përdorë fuqinë e marrë PR (d0) të kësaj pike referimi për të llogaritur fuqinë e marrë kur distanca është më e madhe se d0. Projektuesit mund të përdorin ekuacionet 1 dhe 4 për të parashikuar PR (d0), ose të masin fuqinë e marrë në shumë pika pranë transmetuesit, dhe pastaj të përdorin vlerën e tyre mesatare si PR (d0). Kur projektuesi zgjedh pikën e referencës me distancë të shkurtër, ai duhet të sigurohet që zona e fushës së largët të jetë jashtë distancës së distancës së shkurtër.

Projektuesi mund të përdorë këtë informacion dhe formulën e mëposhtme për të llogaritur fuqinë e marrë në çdo distancë:

Vlerësimi i humbjes së rrugës dhe distancës së transmetimit të pajisjeve pa tel në distancë të shkurtër përmes modeleve të përhapjes në shkallë të gjerë

Për sistemet aktuale që veprojnë në intervalin 1-2 GHz, distanca referuese për mjediset e brendshme është 1 metër, dhe për ambientet e jashtme është 100 metra.

Njësia e përdorur zakonisht e intensitetit të fuqisë RF është decibel milliwatt ose decibel vat, në vend se intensiteti i energjisë absolute. Prandaj, ekuacioni (6) mund të shprehet si:

Vlerësimi i humbjes së rrugës dhe distancës së transmetimit të pajisjeve pa tel në distancë të shkurtër përmes modeleve të përhapjes në shkallë të gjerë

Shembulli i mëposhtëm ilustron këto koncepte. Duke supozuar që frekuenca e transmetimit është 900MHz, fuqia transmetuese është 6.3mW (8dBm) dhe përdoren antenat transmetuese dhe marrëse të fitimit të unitetit, fuqia marrëse në 1200 metra në vështrimin e jashtëm mund të llogaritet si më poshtë: e mjedisit të jashtëm është 100 metra, 900MHz Gjatësia e valës së sinjalit është 0.33 metra, kështu që vlera e ekuacionit (1) mund të përdoret për të llogaritur fuqinë e marrë në 100 metra si më poshtë:

Vlerësimi i humbjes së rrugës dhe distancës së transmetimit të pajisjeve pa tel në distancë të shkurtër përmes modeleve të përhapjes në shkallë të gjerë

Për të llogaritur vlerën e fuqisë decibel në milivat, fuqia duhet të shprehet si vlera e mëposhtme milliwat:

PR (100) = 0.44 × 10-6mW. (9)

Kjo mund të merret:

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

këndoni ekuacionin (7), fuqia e marrë në 1200 metra mund të merret si:

Vlerësimi i humbjes së rrugës dhe distancës së transmetimit të pajisjeve pa tel në distancë të shkurtër përmes modeleve të përhapjes në shkallë të gjerë

si edhe

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

Ju gjithashtu mund të përdorni ekuacionin (5) për të verifikuar që fuqia e marrë është kjo vlerë.

Prandaj, në një mjedis ideal pa pengesa dhe brenda shikimit, kur fuqia e transmetimit është 8 dBm, fuqia e marrë në një distancë prej 1200 metra është rreth -85 dBm. Sigurisht, fuqia e marrë në mjedisin aktual do të jetë më e ulët se vlera ideale, sepse mund të ketë pengesa midis pikës së synuar dhe transmetuesit, ose mund të jetë fare larg syve. Dihet nga shembulli i mëparshëm që humbja e shtegut është PT-PR, pra është e barabartë me 8dBm - (- 85dBm) = 93dB.

Formula aktuale e humbjes së rrugës

Çdo sistem sensori pa tel praktik duhet të dijë distancën maksimale të besueshme të transmetimit. Distanca e transmetimit të këtij sistemi pa tel përcaktohet drejtpërdrejt nga parametrat e buxhetit të lidhjes:

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

Aty ku LB është buxheti i lidhjes i shprehur në decibel, PT është fuqia transmetuese e shprehur në milivat ose wat decibel, GT është fitimi i antenës transmetuese i shprehur në decibel, GR është fitimi i antenës marrës i shprehur në decibel dhe RS është marrës Ndjeshmëria do të thotë që sistemi mund të zbulojë dhe sigurojë sinjalin më të vogël RF me një raport të duhur sinjal-ndaj-zhurmës. Ndjeshmëria e marrësit tregohet në ekuacionin 14:

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

Midis tyre, -174dBm / Hz është standardi i zhurmës termike, NF është shifra totale e zhurmës së marrësit e shprehur në decibel, B është gjerësia e përgjithshme e bandës së marrësit, dhe SNRMIN është raporti minimal i sinjalit me zhurmën. Nëse humbja totale e rrugës midis transmetuesit dhe marrësit të synuar është më e madhe se buxheti i lidhjes, të dhënat do të humbasin dhe komunikimi nuk do të jetë i mundur. Prandaj, dizajnerët duhet të analizojnë me saktësi karakteristikat e humbjes së rrugës kur zhvillojnë sistemin përfundimtar dhe ta krahasojnë atë me buxhetin e lidhjes për të marrë një vlerësim paraprak të distancës.

Humbja e rrugës së kanalit të brendshëmai kanal i brendshëm i radios është i ndryshëm nga kanali i jashtëm sepse distanca e transmetimit të kanalit të brendshëm është më e shkurtër dhe humbja e kanalit ndryshon shumë, kështu që forca e sinjalit të marrë ndryshon shumë. Por për pajisjet wireless fikse, kjo pjesë është e papërfillshme. Konfigurimi i avionit, lloji dhe materialet e ndërtimit të ndërtesës do të kenë një ndikim të madh në përhapjen e sinjalit të brendshëm. Studiuesit ndajnë kanalet e brendshme në dy lloje, njëri është kanali që mund të shihet dhe tjetri është kanali që bllokohet në shkallë të ndryshme (Referenca 1). Struktura e brendshme dhe e jashtme e një ndërtese mund të përmbajë shumë ndarje dhe pengesa të ndryshme. Mënyra e ndarjeve varet nëse ndërtesa është në një ambient shtëpie apo zyre. Ndarjet e strukturës së ndërtesës janë ndarje fikse, dhe ndarjet e luajtshme mund të lëvizin përreth, dhe pjesa e sipërme e ndarjes nuk do të prekë tavanin. Familjet zakonisht përdorin ndarje prej druri, ndërsa ndërtesat e zyrave përdorin beton të armuar midis dyshemeve dhe përdorin ndarje të luajtshme.

Ka shumë ndarje të ndryshme në ndërtesa, dhe karakteristikat e tyre fizike dhe elektrike janë gjithashtu shumë të ndryshme. Shtë e vështirë të analizosh kanalet e brendshme sipas modeleve të përgjithshme. Sidoqoftë, pas një hulumtimi të gjerë, industria ka paraqitur tabelën e humbjes së sinjalit të materialeve të përdorura zakonisht (Tabela 1).

Vlerësimi i humbjes së rrugës dhe distancës së transmetimit të pajisjeve pa tel në distancë të shkurtër përmes modeleve të përhapjes në shkallë të gjerë

Faktori i zbutjes së dyshemesë përfaqëson humbjen e izolimit midis dyshemeve (Tabela 2).

Vlerësimi i humbjes së rrugës dhe distancës së transmetimit të pajisjeve pa tel në distancë të shkurtër përmes modeleve të përhapjes në shkallë të gjerë

Ekuacioni (15) është modeli aktual i humbjes së rrugës së kanalit të brendshëm i marrë duke përdorur modelin e humbjes së rrugës logaritmike:

Vlerësimi i humbjes së rrugës dhe distancës së transmetimit të pajisjeve pa tel në distancë të shkurtër përmes modeleve të përhapjes në shkallë të gjerë

Ku X është një ndryshore e rastësishme Gaussian me mesatare zero në decibel, dhe σ është devijimi standard. Nëse është një pajisje fikse, ndikimi i Xσ mund të injorohet. Përdorni ekuacionin (4) për të llogaritur vlerën e humbjes së rrugës për një distancë prej 1 metër dhe më pas zëvendësoni rezultatin në ekuacionin 15 për të marrë:

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

Vlera e n nuk do të ndryshojë shumë me frekuencën, por do të ndikohet nga mjedisi përreth dhe lloji i ndërtesës (Tabela 3).

Vlerësimi i humbjes së rrugës dhe distancës së transmetimit të pajisjeve pa tel në distancë të shkurtër përmes modeleve të përhapjes në shkallë të gjerë

Modeli i përhapjes në ndërtesë përfshin ndikimin e llojit të ndërtesës dhe pengesat. Ky model është jo vetëm fleksibël, por gjithashtu zvogëlon devijimin standard midis humbjes së matur dhe të parashikuar të rrugës në rreth 4dB, e cila është më e mirë se 13dB kur përdorni vetëm modelin e distancës logaritmike. Ekuacioni 17 përfaqëson modelin e faktorit të zbutjes:

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

Midis tyre, nSF përfaqëson indeksin e humbjes së shtegut të matur në të njëjtin kat, dhe FAF është faktori i zbutjes së dyshemesë (Tabela 3). Projektuesi mund të përcaktojë faktorin e zbutjes së dyshemesë sipas Tabelës 2. Shembulli i mëposhtëm demonstron se si të përdoret tabela dhe ekuacioni i lartpërmendur për të llogaritur humbjen e rrugës së sinjaleve 915MHz dhe 2.4GHz në një mjedis të hapur në natyrë në një distancë prej 1200 metrash:

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

Nga formula e mësipërme, humbja e rrugës prej 915MHz mund të merret si:

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

Humbja e rrugës prej 2400MHz është:

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

Sa më e lartë të jetë frekuenca e sinjalit të transmetimit, aq më e madhe është humbja e shtegut, e cila do të shkurtojë distancën e transmetimit pa tel të sinjalit me frekuencë të lartë. Për shembull, në një mjedis të hapur të jashtëm, pajisjet pa tela 2.4GHz kanë afërsisht 8.4dB humbje të rrugës më shumë sesa pajisjet 915MHz.

Një shembull tjetër është një mjedis zyre me ndarje fikse në të njëjtin kat dhe tre kate. Të dhënat në Tabelën 2 përdoren për të llogaritur humbjen e shtegut të sinjaleve 915MHz dhe 2.4GHz në një distancë prej 100 metrash. Mund të shihet nga Tabela 3 që humbja mesatare e shtegut në të njëjtin kat është 3dBm. Zëvendësoni këtë vlerë të n = 3 në formulën vijuese:

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

Humbja e shtegut prej 915MHz mund të merret si më poshtë:

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

Ku σ = 7dB. Humbja e rrugës prej 2400MHz është:

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

Ku σ = 14dB.

Nga Tabela 2, mund të llogaritet që faktori i zbutjes së dyshemesë së ndërtesës trekatëshe është rreth 24dB, dhe devijimi standard është 5.6dB. Zëvendësoni këtë informacion në formulën e mëposhtme:

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

Humbja e shtegut prej 915MHz mund të merret si më poshtë:

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

Ku σ = 5.6dB. Humbja e rrugës prej 2400MHz është:

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

Ku σ = 5.9dB.

Shembulli i tretë supozon që sistemi përdor antena të transmetimit dhe marrjes së fitimit të unitetit, fuqia e transmetimit është 8dBm dhe ndjeshmëria e marrësit është -100dBm, dhe pastaj vlerësoni distancën e transmetimit të sinjalit 915MHz në dy shembujt e parë. Vini re se buxheti i lidhjes së sistemit në këtë kohë është 8 - (-100) = 108dB.

Për të ilustruar devijimin standard në formulën e humbjes së rrugës, është më mirë të rezervoni një diferencë prej rreth 10dB në buxhetin e lidhjes. Kjo do të thotë që buxheti i lidhjes në dispozicion është 98dB, i cili tejkalon humbjen e rrugës 92.8dB në shembullin e parë; prandaj, dizajnerët mund të konsiderojnë distancën e transmetimit në natyrë të sistemit si 1200 metra. Në një ambient të brendshëm, humbja e shtegut është 91.2 dB, dhe buxheti i lidhjes së përdorshme kur rezervohet marzhi 10dB është rreth 98dB, i cili gjithashtu tejkalon humbjen e shtegut. Prandaj, projektuesit mund ta konsiderojnë distancën e brendshme të transmetimit të sistemit si 100 metra.

Lini një mesazh 

Lista mesazh