Estimación da perda de camiño e a distancia de transmisión de dispositivos sen fíos de curta distancia a través de modelos de propagación a grande escala

Os deseñadores de dispositivos sen fíos de curto alcance nas bandas de frecuencia de 900 MHz e 2.4 GHz deben ser capaces de comprender que parámetros afectan e como afectan a distancia de transmisión en función da fórmula e usar estes parámetros na fórmula para calcular a perda e a perda de ruta en ambientes interiores e exteriores mediante métodos estatísticos. Distancia de transmisión.

A medida que as aplicacións domésticas, de construción e industriais avanzan cara á rede sen fíos, os dispositivos inalámbricos de curto alcance están a ser o foco de atención. Estas aplicacións normalmente usan prácticas propias ou baseadas en estándares, como ZigBee nas bandas de frecuencia ISM (industrial, científica e médica) de 900 MHz e 2.4 GHz. Debido á crecente popularidade dos dispositivos sen fíos de curto alcance, os deseñadores de sistemas de terminais tamén deben ter unha profunda comprensión da distancia de transmisión das comunicacións sen fíos. Este artigo trata sobre a propagación do sinal sen fíos e establece un modelo para estimar a perda de camiño e a distancia de transmisión dos dispositivos sen fíos de curto alcance nun ambiente interior. Os deseñadores poden usar estes modelos para estimar preliminarmente o rendemento dos sistemas de comunicación sen fíos.

Antes de discutir a fórmula de estimación da distancia, os deseñadores deben comprender a contorna de propagación do sinal e a canle sen fíos. A canle de radio é o camiño de transmisión entre o transmisor e o receptor de destino. Ten características aleatorias e variables no tempo, polo que é difícil construír un modelo, que é moi diferente das canles cableadas fixas e previsibles. Polo tanto, os deseñadores deben empregar modelos estatísticos para analizar estas canles aleatorias.

O foco tradicional dos modelos de propagación de ondas de radio é predicir a intensidade media do sinal recibido a unha distancia específica do transmisor e o cambio na intensidade do sinal preto dun determinado lugar. Independentemente da distancia entre o transmisor e o receptor, o modelo de propagación a gran escala pode predicir a intensidade media do sinal, que é útil para estimar a distancia de transmisión do transmisor. Pola contra, os modelos a pequena escala ou a desaparición poden analizar os rápidos cambios na intensidade do sinal recibido en varias lonxitudes de onda. Este artigo trata principalmente do modelo de propagación a grande escala, que se pode usar para estimar a distancia de transmisión sen fíos.

Cando non hai obstrución entre o transmisor e o receptor e a outra parte pode verse directamente, pódese usar o modelo de propagación do espazo libre para predicir a intensidade do sinal recibido. O modelo de propagación do espazo libre predice que a intensidade do sinal recibido atenuarase coa enésima potencia da distancia entre o transmisor e o receptor. Esta relación funcional tamén se coñece como función de lei de poder. Cando hai unha distancia entre a antena do receptor e a antena do transmisor, a potencia do espazo libre que recibe está determinada pola seguinte ecuación de espazo libre de Friis:

Estimación da perda de camiño e a distancia de transmisión de dispositivos sen fíos de curta distancia a través de modelos de propagación a grande escala

Onde PT é a potencia de transmisión; PR (d) é a potencia recibida, que tamén é unha función da distancia entre o transmisor e o receptor d; GT é a ganancia da antena do transmisor; GR é a ganancia da antena do receptor; d é a distancia entre o transmisor e o receptor, en unidades É o contador; λ é a lonxitude de onda e a unidade tamén é o metro.

A ecuación do espazo libre de Friis mostra que a potencia recibida diminúe co cadrado da distancia entre o transmisor e o receptor; noutras palabras, a potencia recibida diminuirá a un ritmo de 20dB / década a medida que a distancia aumenta.

A perda de ruta é moi importante para estimar a distancia de transmisión sen fíos. É igual á diferenza entre a potencia de transmisión e a potencia recibida (en decibelios) e representa a atenuación do sinal. Pódese derivar da ecuación (1) que a perda de ruta é igual á potencia de transmisión dividida pola potencia recibida. A ecuación (2) define a perda do camiño como:

Estimación da perda de camiño e a distancia de transmisión de dispositivos sen fíos de curta distancia a través de modelos de propagación a grande escala

Onde PL é a perda do camiño. Supoñendo que tanto as antenas transmisoras como as receptoras son ganancia de unidade, a ecuación (2) pode simplificarse para:

Estimación da perda de camiño e a distancia de transmisión de dispositivos sen fíos de curta distancia a través de modelos de propagación a grande escala

Esta ecuación tamén se pode expresar nas seguintes formas útiles:

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

Onde d é a distancia en metros.
Só cando o valor de d está no campo afastado da antena transmisora, a fórmula do espazo libre de Friis pode estimar a intensidade de potencia recibida. O campo afastado da antena transmisora ​​tamén se denomina área Fraunhofer, que se refire á área máis alá da antena a distancia de campo dF. O dF da antena é igual a 2D2 / λ, onde D é o tamaño lineal físico máximo da antena; ademais, dF debe ser maior que D e debe estar na área do campo afastado. Esta fórmula de perda de ruta só é aplicable a sistemas ideais onde o transmisor e o receptor están á vista da outra parte e só para unha estimación preliminar.

O modelo de propagación considera a distancia de achegamento d0 como o punto de referencia de potencia recibida, e o deseñador debe usar a potencia recibida PR (d0) deste punto de referencia para calcular a potencia recibida cando a distancia é maior que d0. Os deseñadores poden usar as ecuacións 1 e 4 para predicir PR (d0), ou medir a potencia recibida en moitos puntos próximos ao transmisor e despois usar o seu valor medio como PR (d0). Cando o deseñador elixe o punto de referencia de curto alcance, debe asegurarse de que a área de campo afastado está fóra da distancia de curto alcance.

O deseñador pode usar esta información e a seguinte fórmula para calcular a potencia recibida a calquera distancia:

Estimación da perda de camiño e a distancia de transmisión de dispositivos sen fíos de curta distancia a través de modelos de propagación a grande escala

Para os sistemas reais que operan no rango de 1-2 GHz, a distancia de referencia para ambientes interiores é de 1 metro e para os exteriores de 100 metros.

A unidade común de intensidade de potencia de RF é decibelios de milivatios ou decibelios de vatios, en vez de intensidade de potencia absoluta. Polo tanto, a ecuación (6) pódese expresar como:

Estimación da perda de camiño e a distancia de transmisión de dispositivos sen fíos de curta distancia a través de modelos de propagación a grande escala

O seguinte exemplo ilustra estes conceptos. Supoñendo que a frecuencia de transmisión é de 900 MHz, a potencia de transmisión é de 6.3 mW (8 dBm) e se utilizan as antenas de transmisión e recepción de ganancia de unidade, a potencia de recepción a 1200 metros na liña de visión exterior pódese calcular do seguinte xeito: a distancia de referencia do ambiente exterior é de 100 metros, 900 MHz A lonxitude de onda do sinal é de 0.33 metros, polo que o valor da ecuación (1) pode usarse para calcular a potencia recibida a 100 metros do seguinte xeito:

Estimación da perda de camiño e a distancia de transmisión de dispositivos sen fíos de curta distancia a través de modelos de propagación a grande escala

Para calcular o valor de potencia de decibelios en milivatios, a potencia debe expresarse como o seguinte valor de milivatios:

PR (100) = 0.44 × 10-6mW. (9)

Isto pódese obter:

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

cantando a ecuación (7), a potencia recibida a 1200 metros pódese obter como:

Estimación da perda de camiño e a distancia de transmisión de dispositivos sen fíos de curta distancia a través de modelos de propagación a grande escala

así como

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

Tamén pode usar a ecuación (5) para verificar que a potencia recibida sexa este valor.

Polo tanto, nun ambiente ideal sen obstáculos e á vista, cando a potencia de transmisión é de 8 dBm, a potencia recibida a unha distancia de 1200 metros é de aproximadamente -85 dBm. Por suposto, a potencia recibida no ambiente real será inferior ao valor ideal, porque pode haber obstáculos entre o punto de destino e o transmisor, ou pode estar fóra de vista. No exemplo anterior sábese que a perda de ruta é PT-PR, polo que é igual a 8dBm - (- 85dBm) = 93dB.

Fórmula de perda de camiño real

Calquera sistema práctico de sensores sen fíos debe coñecer a súa distancia máxima de transmisión fiable. A distancia de transmisión deste sistema sen fíos está directamente determinada polos parámetros do orzamento da ligazón:

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

Cando LB é o orzamento de enlace expresado en decibelios, PT é a potencia de transmisión expresada en milivatios ou watts decibelios, GT é a ganancia da antena do transmisor expresada en decibelios, GR é a ganancia da antena do receptor expresada en decibelios e RS é o receptor. A sensibilidade significa que o sistema pode detectar e proporcionar o menor sinal de RF cunha relación sinal-ruído axeitada. A sensibilidade do receptor móstrase na ecuación 14:

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

Entre eles, -174dBm / Hz é o punto de referencia de ruído térmico, NF é a cifra de ruído total do receptor expresada en decibelios, B é o ancho de banda total do receptor e SNRMIN é a relación sinal-ruído mínima. Se a perda de ruta total entre o transmisor e o receptor de destino é maior que o orzamento da ligazón, perderanse datos e non será posible a comunicación. Polo tanto, os deseñadores deben analizar con precisión as características da perda de ruta ao desenvolver o sistema final e comparalo co orzamento da ligazón para obter unha estimación preliminar da distancia.

Perda do camiño da canle interiorA canle de radio interior é diferente da canle exterior porque a distancia de transmisión da canle interior é menor e a perda da canle varía moito, polo que a intensidade do sinal recibido varía moito. Pero para dispositivos sen fíos fixos, esta parte é insignificante. A configuración do plano, o tipo e os materiais de construción do edificio influirán moito na propagación do sinal interior. Os investigadores dividen as canles interiores en dous tipos, unha é a canle que se pode ver e a outra é a canle bloqueada en diferentes graos (referencia 1). A estrutura interna e externa dun edificio pode conter moitos compartimentos e obstáculos. A forma de compartimentos depende de se o edificio está nun ambiente doméstico ou de oficina. Os compartimentos da estrutura do edificio son compartimentos fixos e os compartimentos móbiles poden moverse e a parte superior do compartimento non tocará o teito. As familias adoitan empregar tabiques de madeira, mentres que os edificios de oficinas utilizan formigón armado entre pisos e utilizan tabiques móbiles.

Hai moitos compartimentos nos edificios e as súas características físicas e eléctricas tamén son moi diferentes. É difícil analizar as canles interiores por modelos xerais. Non obstante, tras unha extensa investigación, a industria tabulou a perda de sinal de materiais de uso común (táboa 1).

Estimación da perda de camiño e a distancia de transmisión de dispositivos sen fíos de curta distancia a través de modelos de propagación a grande escala

O factor de atenuación do chan representa a perda de illamento entre os pisos (táboa 2).

Estimación da perda de camiño e a distancia de transmisión de dispositivos sen fíos de curta distancia a través de modelos de propagación a grande escala

A ecuación (15) é o modelo de perda de traxecto da canle interior obtido usando o modelo de perda de traxecto de distancia logarítmica:

Estimación da perda de camiño e a distancia de transmisión de dispositivos sen fíos de curta distancia a través de modelos de propagación a grande escala

Onde X é unha variable aleatoria gaussiana media cero en decibelios, e σ é a desviación estándar. Se se trata dun dispositivo fixo, pódese ignorar a influencia de Xσ. Use a ecuación (4) para calcular o valor da perda de camiño a unha distancia de 1 metro e, a continuación, substitúa o resultado pola ecuación 15 para obter:

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

O valor de n non cambiará moito coa frecuencia, pero afectará o entorno circundante e o tipo de edificio (táboa 3).

Estimación da perda de camiño e a distancia de transmisión de dispositivos sen fíos de curta distancia a través de modelos de propagación a grande escala

O modelo de propagación no edificio inclúe a influencia do tipo de edificio e os obstáculos. Este modelo non só é flexible, senón que tamén reduce a desviación estándar entre a perda de camiño medida e prevista a uns 4dB, o que é mellor que os 13dB cando se usa só o modelo de distancia logarítmica. A ecuación 17 representa o modelo do factor de atenuación:

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

Entre eles, nSF representa o índice de perda de camiño medido no mesmo andar e FAF é o factor de atenuación do chan (táboa 3). O deseñador pode determinar o factor de atenuación do chan segundo a táboa 2. O seguinte exemplo demostra como usar a táboa e a ecuación mencionadas para calcular a perda de camiño dos sinais de 915 MHz e 2.4 GHz nun ambiente aberto ao aire libre a unha distancia de 1200 metros:

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

A partir da fórmula anterior, a perda de camiño de 915 MHz pódese obter como:

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

A perda de camiño de 2400 MHz é:

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

Canto maior sexa a frecuencia do sinal de transmisión, maior será a perda de camiño, o que acurtará a distancia de transmisión sen fíos do sinal de alta frecuencia. Por exemplo, nun ambiente aberto ao aire libre, os dispositivos sen fíos a 2.4 GHz teñen aproximadamente 8.4 dB máis de perda de camiño que os dispositivos a 915 MHz.

Outro exemplo é un ambiente de oficina con compartimentos fixos no mesmo andar e tres plantas. Os datos da táboa 2 úsanse para calcular a perda de camiño dos sinais de 915 MHz e 2.4 GHz a unha distancia de 100 metros. Na táboa 3 pódese ver que a perda media de camiño do mesmo andar é de 3dBm. Substitúe este valor de n = 3 pola seguinte fórmula:

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

A perda de camiño de 915 MHz pódese obter como:

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

Onde σ = 7dB. A perda de camiño de 2400 MHz é:

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

Onde σ = 14dB.

Na táboa 2 pódese calcular que o factor de atenuación do chan do edificio de tres pisos é de aproximadamente 24 dB e a desviación estándar é de 5.6 dB. Substitúa esta información pola seguinte fórmula:

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

A perda de camiño de 915 MHz pódese obter como:

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

Onde σ = 5.6dB. A perda de camiño de 2400 MHz é:

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

Onde σ = 5.9dB.

O terceiro exemplo supón que o sistema usa antenas de transmisión e recepción de ganancia de unidade, a potencia de transmisión é de 8 dBm e a sensibilidade do receptor é de -100dBm e, a continuación, estima a distancia de transmisión do sinal de 915 MHz nos dous primeiros exemplos. Teña en conta que o orzamento da ligazón do sistema neste momento é de 8 - (-100) = 108 dB.

Para ilustrar a desviación estándar na fórmula de perda de camiño, é mellor reservar unha marxe duns 10 dB no orzamento da ligazón. Isto significa que o orzamento da ligazón dispoñible é de 98 dB, que supera a perda de camiño de 92.8 dB no primeiro exemplo; polo tanto, os deseñadores poden considerar a distancia de transmisión exterior do sistema como 1200 metros. Nun ambiente interior, a perda do camiño é de 91.2 dB e o orzamento da ligazón utilizable cando se reserva a marxe de 10 dB é de aproximadamente 98 dB, que tamén supera a perda do camiño. Polo tanto, os deseñadores poden considerar a distancia de transmisión interior do sistema como 100 metros.

Deixar unha mensaxe 

Lista de mensaxes