Beraming van die padverlies en transmissieafstand van draadlose toestelle op kort afstand deur middel van grootskaalse voortplantingsmodelle

Ontwerpers van draadlose toestelle op kort afstand in die frekwensiebande van 900 MHz en 2.4 GHz moet in staat wees om te verstaan ​​watter parameters beïnvloed en hoe dit die transmissieafstand beïnvloed op grond van die formule, en gebruik hierdie parameters in die formule om die padverlies en padverlies te bereken binne en buite omgewings deur middel van statistiese metodes. Transmissie afstand.

Namate huis-, konstruksie- en nywerheidstoepassings in die rigting van draadlose, kortafstand-draadlose toestelle beweeg, word die fokus van aandag. Hierdie toepassings gebruik gewoonlik eie of standaardgebaseerde praktyke, soos ZigBee in die 900MHz- en 2.4GHz ISM (industriële, wetenskaplike en mediese) frekwensiebande. Vanweë die toenemende gewildheid van draadlose toestelle op kort afstand, moet terminale stelselontwerpers ook 'n diep begrip hê van die oordragafstand van draadlose kommunikasie. In hierdie artikel word draadlose seinvermeerdering bespreek en 'n model opgestel om die padverlies en transmissieafstand van kortafstand-draadlose toestelle in 'n binnenshuise omgewing te skat. Ontwerpers kan hierdie modelle gebruik om die prestasie van draadlose kommunikasiestelsels voorlopig te skat.

Voordat die afstandsberamingsformule bespreek word, moet ontwerpers die draadlose kanaal en seinvermeerderingsomgewing verstaan. Die radiokanaal is die transmissiepad tussen die sender en die teikenontvanger. Dit het ewekansige en tydsveranderende eienskappe, dus is dit moeilik om 'n model te bou wat baie verskil van vaste en voorspelbare bedrade kanale. Daarom moet ontwerpers statistiese modelle gebruik om hierdie ewekansige kanale te ontleed.

Die tradisionele fokus van radiogolf voortplantingsmodelle is om die gemiddelde ontvangste seinsterkte op 'n spesifieke afstand van die sender en die verandering in seinsterkte naby 'n sekere plek te voorspel. Ongeag die afstand tussen die sender en die ontvanger, kan die grootskaalse voortplantingsmodel die gemiddelde seinsterkte voorspel, wat nuttig is om die transmissieafstand van die sender te skat. Daarenteen kan kleinskaalse of vervaagende modelle die vinnige veranderinge in ontvangs seinsterkte oor verskillende golflengtes ontleed. Hierdie artikel bespreek hoofsaaklik die grootskaalse voortplantingsmodel, wat gebruik kan word om die draadlose transmissieafstand te skat.

As daar geen obstruksie tussen die sender en die ontvanger is nie, en die ander party direk gesien kan word, kan die vryspasie-voortplantingsmodel gebruik word om die sterkte van die ontvangsein te voorspel. Die voortplantingsmodel van die vrye ruimte voorspel dat die ontvangste seinsterkte sal verswak met die negende krag van die afstand tussen die sender en die ontvanger. Hierdie funksionele verhouding staan ​​ook bekend as die magswetfunksie. As daar 'n afstand is tussen die ontvangerantenne en die senderantenne, word die vrye ruimtevermoë wat dit ontvang, bepaal deur die volgende Friis-ruimtevergelyking:

Beraming van die padverlies en transmissieafstand van draadlose toestelle op kort afstand deur middel van grootskaalse voortplantingsmodelle

Waar PT die oordragkrag is; PR (d) is die ontvangen krag, wat ook 'n funksie is van die afstand tussen die sender en die ontvanger d; GT is die sender antenna wins; GR is die ontvanger antenna wins; d is die afstand tussen die sender en die ontvanger, in eenhede Is die meter; λ is die golflengte, en die eenheid is ook die meter.

Die Friis-vryruimtevergelyking toon dat die ontvangsvermoë afneem met die kwadraat van die afstand tussen die sender en die ontvanger; met ander woorde, die ontvangsvermoë sal verminder met 'n tempo van 20dB / dekade namate die afstand toeneem.

Padverlies is baie belangrik vir die beraming van die draadlose transmissieafstand. Dit is gelyk aan die verskil tussen die stuurkrag en die ontvangkrag (in desibel) en verteenwoordig die verswakking van die sein. Uit vergelyking (1) kan afgelei word dat die padverlies gelyk is aan die versendingsvermoë gedeel deur die ontvangsvermoë. Vergelyking (2) definieer die padverlies as:

Beraming van die padverlies en transmissieafstand van draadlose toestelle op kort afstand deur middel van grootskaalse voortplantingsmodelle

Waar PL die padverlies is. As ons aanneem dat beide die stuur- en ontvangantenne eenheidswins is, kan vergelyking (2) vereenvoudig word om:

Beraming van die padverlies en transmissieafstand van draadlose toestelle op kort afstand deur middel van grootskaalse voortplantingsmodelle

Hierdie vergelyking kan ook in die volgende bruikbare vorme tot uitdrukking kom:

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

Waar d die afstand in meter is.
Slegs wanneer die waarde van d in die verste veld van die stuurantenne is, kan die Friis-vryruimteformule die ontvangsintensiteit skat. Die verste veld van die stuurantenne word ook die Fraunhofer-gebied genoem, wat verwys na die gebied buite die antenna-afstandsafstand dF. Die dF van die antenne is gelyk aan 2D2 / λ, waar D die maksimum fisiese lineêre grootte van die antenne is; Daarbenewens moet dF groter wees as D en moet dit in die verste veldgebied wees. Hierdie padverliesformule is slegs van toepassing op ideale stelsels waar die sender en ontvanger binne die sig van die ander party is, en slegs vir voorlopige skatting.

Die voortplantingsmodel beskou die nabye afstand d0 as die verwysingspunt vir ontvangsvermoë, en die ontwerper moet die ontvangsvermoë PR (d0) van hierdie verwysingspunt gebruik om die ontvangsvermoë te bereken wanneer die afstand groter is as d0. Ontwerpers kan vergelykings 1 en 4 gebruik om PR (d0) te voorspel, of die ontvangsvermoë op baie punte naby die sender te meet, en dan hul gemiddelde waarde as PR (d0) gebruik. Wanneer die ontwerper die kortafstand-verwysingspunt kies, moet hy seker maak dat die verveldarea buite die kortafstandafstand is.

Die ontwerper kan hierdie inligting en die volgende formule gebruik om die ontvangsvermoë op enige afstand te bereken:

Beraming van die padverlies en transmissieafstand van draadlose toestelle op kort afstand deur middel van grootskaalse voortplantingsmodelle

Vir werklike stelsels wat binne die 1-2 GHz-reeks werk, is die verwysingsafstand vir binnenshuise omgewings 1 meter en vir buite-omgewings 100 meter.

Die algemeen gebruikte eenheid van RF-kragintensiteit is milliwatt-desibel of watt-desibel, eerder as die absolute kragintensiteit. Daarom kan vergelyking (6) uitgedruk word as:

Beraming van die padverlies en transmissieafstand van draadlose toestelle op kort afstand deur middel van grootskaalse voortplantingsmodelle

Die volgende voorbeeld illustreer hierdie konsepte. As ons aanneem dat die uitsendingsfrekwensie 900MHz is, is die uitsendingsvermoë 6.3mW (8dBm), en die eenheidsversterkings- en ontvangsantenne word gebruik, kan die ontvangsvermoë op 1200 meter in die buite siglyn as volg bereken word: Die verwysingsafstand van die buitelugomgewing is 100 meter, 900MHz Die golflengte van die sein is 0.33 meter, dus kan die waarde van vergelyking (1) gebruik word om die ontvangsvermoë op 100 meter soos volg te bereken:

Beraming van die padverlies en transmissieafstand van draadlose toestelle op kort afstand deur middel van grootskaalse voortplantingsmodelle

Om die desibel kragwaarde in milliwatt te bereken, moet die drywing uitgedruk word as die volgende milliwatt waarde:

PR (100) = 0.44 × 10-6mW. (9)

Dit kan verkry word:

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

sing vergelyking (7), kan die ontvangsvermoë op 1200 meter verkry word as:

Beraming van die padverlies en transmissieafstand van draadlose toestelle op kort afstand deur middel van grootskaalse voortplantingsmodelle

sowel as

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

U kan ook vergelyking (5) gebruik om te verifieer dat die ontvangste krag hierdie waarde is.

Daarom is die ontvangsvermoë op 'n afstand van 8 meter in 'n ideale omgewing sonder hindernisse en binne sig, ongeveer -1200 dBm, wanneer die transmissiekrag 85 dBm is. Natuurlik sal die ontvangsvermoë in die werklike omgewing laer wees as die ideale waarde, want daar kan hindernisse tussen die teikenpunt en die sender wees, of dit kan glad nie buite sig wees nie. Uit die vorige voorbeeld is bekend dat die padverlies PT-PR is, dus dit is gelyk aan 8dBm - (- 85dBm) = 93dB.

Werklike formule vir padverlies

Enige praktiese draadlose sensorsisteem moet die maksimum betroubare oordragafstand ken. Die oordragafstand van hierdie draadlose stelsel word direk bepaal deur die skakelbegrotingsparameters:

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

Waar LB die skakelbegroting is uitgedruk in desibel, PT die uitsendingsvermoë is uitgedruk in milliwatt of watt desibel, GT is die senderantenne-versterking uitgedruk in desibel, GR is die ontvanger se antenna-wins uitgedruk in desibel, en RS is die ontvanger. Sensitiwiteit beteken dat die stelsel kan die kleinste RF-sein met 'n toepaslike sein-ruis-verhouding opspoor en voorsien. Die ontvanger-sensitiwiteit word in vergelyking 14 getoon:

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

Onder hulle is -174dBm / Hz die maatstaf vir termiese geraas, NF is die totale geraasfiguur van die ontvanger uitgedruk in desibel, B is die totale bandwydte van die ontvanger, en SNRMIN is die minimum sein-ruisverhouding. As die totale padverlies tussen die sender en die teikenontvanger groter is as die skakelbegroting, gaan data verlore en kan kommunikasie nie moontlik wees nie. Daarom moet ontwerpers die padverlies-eienskappe akkuraat ontleed tydens die ontwikkeling van die finale stelsel en dit vergelyk met die skakelbegroting om 'n voorlopige afstandskatting te kry.

Verlies van binnepaneelpaaieDie binne-radiokanaal verskil van die buitelugkanaal, omdat die transmissieafstand van die binnekanaal korter is, en die kanaalverlies baie wissel, sodat die ontvangste seinsterkte baie wissel. Maar vir vaste draadlose toestelle is hierdie deel weglaatbaar. Die vliegtuigkonfigurasie, tipe en konstruksiemateriaal van die gebou sal 'n groot invloed hê op die binnenshuise seinvermeerdering. Navorsers verdeel binnekanale in twee soorte, die een is die kanaal wat gesien kan word en die ander die kanaal wat in verskillende grade geblokkeer is (Verwysing 1). Die interne en eksterne struktuur van 'n gebou kan baie verskillende kompartemente en hindernisse bevat. Die manier van kompartemente hang daarvan af of die gebou in 'n huis- of kantooromgewing is. Die kompartemente van die gebou is vaste kompartemente en die beweegbare kompartemente kan rondbeweeg, en die bokant van die kompartement sal nie die plafon raak nie. Gesinne gebruik gewoonlik houtafskortings, terwyl kantoorgeboue gewapende beton tussen vloere gebruik en beweegbare afskortings gebruik.

Daar is baie verskillende kompartemente in geboue, en die fisiese en elektriese eienskappe daarvan verskil ook baie. Dit is moeilik om binnekanale volgens algemene modelle te ontleed. Na uitgebreide navorsing het die bedryf egter die seinverlies van algemeen gebruikte materiale getabelleer (Tabel 1).

Beraming van die padverlies en transmissieafstand van draadlose toestelle op kort afstand deur middel van grootskaalse voortplantingsmodelle

Die vloerdempingsfaktor verteenwoordig die isolasieverlies tussen vloere (Tabel 2).

Beraming van die padverlies en transmissieafstand van draadlose toestelle op kort afstand deur middel van grootskaalse voortplantingsmodelle

Vergelyking (15) is die werklike binnenshuise kanaalverliesmodel wat verkry word deur die logaritmiese afstandverliesmodel te gebruik:

Beraming van die padverlies en transmissieafstand van draadlose toestelle op kort afstand deur middel van grootskaalse voortplantingsmodelle

Waar X 'n nulgemiddelde Gaussiese ewekansige veranderlike in desibel is, en σ die standaardafwyking is. As dit 'n vaste toestel is, kan die invloed van Xσ geïgnoreer word. Gebruik vergelyking (4) om die padverlieswaarde vir 'n afstand van 1 meter te bereken, en vervang dan die resultaat in vergelyking 15 om:

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

Die waarde van n sal nie veel verander met frekwensie nie, maar dit word beïnvloed deur die omliggende omgewing en die tipe gebou (Tabel 3).

Beraming van die padverlies en transmissieafstand van draadlose toestelle op kort afstand deur middel van grootskaalse voortplantingsmodelle

Die voortplantingsmodel in die gebou sluit die invloed van die boustipe en hindernisse in. Hierdie model is nie net buigsaam nie, maar verminder ook die standaardafwyking tussen die gemete en voorspelde padverlies tot ongeveer 4dB, wat beter is as die 13dB as slegs die logaritmiese afstandsmodel gebruik word. Vergelyking 17 stel die verswakkingsfaktormodel voor:

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

Onder hulle verteenwoordig nSF die padverliesindeks gemeet op dieselfde vloer, en FAF is die vloerverswakkingsfaktor (Tabel 3). Die ontwerper kan die vloerdempingsfaktor bepaal volgens Tabel 2. Die volgende voorbeeld demonstreer hoe u die bogenoemde tabel en vergelyking kan gebruik om die padverlies van 915MHz en 2.4GHz seine in 'n oop buite-omgewing op 'n afstand van 1200 meter te bereken:

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

Uit die bostaande formule kan die padverlies van 915MHz verkry word as:

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

Die padverlies van 2400MHz is:

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

Hoe hoër die frekwensie van die transmissiesignaal is, hoe groter is die padverlies, wat die draadlose transmissieafstand van die hoëfrekwensie sein verkort. In 'n oop buitelugomgewing het 2.4 GHz draadlose toestelle byvoorbeeld ongeveer 8.4 dB meer padverlies as 915 MHz toestelle.

Nog 'n voorbeeld is 'n kantooromgewing met vaste kompartemente op dieselfde vloer en drie verdiepings. Die data in Tabel 2 word gebruik om die padverlies van 915MHz- en 2.4GHz-seine op 'n afstand van 100 meter te bereken. Uit tabel 3 kan gesien word dat die gemiddelde padverlies van dieselfde vloer 3dBm is. Vervang hierdie waarde van n = 3 deur die volgende formule:

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

Die padverlies van 915MHz kan verkry word as:

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

Waar σ = 7dB. Die padverlies van 2400MHz is:

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

Waar σ = 14dB.

Uit tabel 2 kan bereken word dat die vloerverswakkingsfaktor van die drieverdiepinggebou ongeveer 24dB is en dat die standaardafwyking 5.6dB is. Vervang hierdie inligting deur die volgende formule:

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

Die padverlies van 915MHz kan verkry word as:

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

Waar σ = 5.6dB. Die padverlies van 2400MHz is:

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

Waar σ = 5.9 dB.

Die derde voorbeeld gaan van die veronderstelling uit dat die stelsel gebruik maak van antenne vir stuur- en ontvangs-eenheidsversterking, die uitsendingsvermoë 8dBm en die ontvanger-sensitiwiteit is -100dBm, en skat dan die transmissieafstand van die 915MHz-sein in die eerste twee voorbeelde. Let op dat die stelselverbinding tans 8 - (-100) = 108dB is.

Om die standaardafwyking in die padverliesformule te illustreer, is dit beter om 'n marge van ongeveer 10dB in die skakelbegroting te behou. Dit beteken dat die beskikbare skakelbegroting 98 dB is, wat die verlies van 92.8 dB in die eerste voorbeeld oorskry; daarom kan ontwerpers die buite-oordragafstand van die stelsel as 1200 meter beskou. In 'n binnenshuise omgewing is die padverlies 91.2dB, en die bruikbare skakelbegroting as die 10dB-marge gereserveer word, is ongeveer 98dB, wat ook die padverlies oorskry. Daarom kan ontwerpers die binne-oordragafstand van die stelsel as 100 meter beskou.

Los 'n boodskap 

boodskap Lys