Compreender Cálculos alcance sem fio

Um dos cálculos fundamentais em qualquer desenho sem fios é a gama, a distância máxima entre o transmissor e o receptor para a operação normal. Este artigo identifica os fatores envolvidos no cálculo de gama e mostra como estimar gama para assegurar um link de comunicação confiável.

Por alcance real pode não ser igual Dito Gama

Alguma vez você já comprou um rádio sem fio para um projeto integrado e descobri que você não conseguir a frequência de rádio (RF) faixa indicada na folha de dados? Por que é que? É provavelmente devido a diferenças entre a forma como o fornecedor mediu o alcance e como você está usando o rádio.

Fornecedores geralmente determinam gama derivando empiricamente a partir de testes do mundo real ou através de um cálculo. Qualquer abordagem é muito bem contanto que você conta para todas as variáveis. Uma solução empírica, no entanto, pode revelar situações do mundo real que os cálculos não tratam.

Antes de comparar as abordagens, vamos definir alguns termos para entender os números de um fabricante ou variáveis ​​relevantes para a gama.

Poder e cálculos dBm

Potência de RF é mais comumente expressa e medido em decibéis com uma referência miliwatt, ou dBm. Um decibel é uma unidade logarítmica que representa uma relação entre a potência do sistema de alguma referência. Um valor de decibéis 0 é equivalente a uma proporção de 1. Decibel-miliwatts é a potência de saída em decibéis referenciado para 1 mW.

Desde dBm baseia-se numa escala logarítmica, que é uma medição da energia absoluta. Para cada aumento de 3 dBm há cerca de duas vezes a potência de saída, e cada aumento de 10 dBm representa um aumento de dez vezes no poder. 10 dBm (10 mW) é ​​10 vezes mais potentes do que 0 dBm (1 mW), e 20 dBm (100 mW) é ​​10 vezes mais poderoso do que 10 dBm.

Você pode converter entre mW e dBm utilizando as seguintes fórmulas:

P (dBm) = 10 • log10 (P (mW))

P (mW) = 10 (P (dBm) / 10)

Por exemplo, um poder de 2.5 mW em dBm é:

dBm = 10log2.5 = 3.979

ou cerca de 4 dBm. Um valor dBm de 7 dBm em mW de potência é:

P = 107 / 10 100.7 = = 5 mW

Caminho perdido

Perda de percurso é a redução da densidade de energia que ocorre como uma onda rádio se propaga ao longo de um raio. O fator principal na queda de caminho é a diminuição da intensidade do sinal com a distância das próprias ondas de rádio. As ondas de rádio seguem uma lei do inverso do quadrado para densidade de potência: a densidade de potência é proporcional ao inverso do quadrado da distância. Toda vez que você dobrar a distância, você receber apenas um quarto do poder. Isto significa que cada aumento de 6-dBm em potência de saída duplica a distância possível que é possível.

Além potência do transmissor, um outro fator que afeta a gama é a sensibilidade do receptor. É geralmente expressa em -dBm. Uma vez que tanto a potência de saída e sensibilidade do receptor são expressos em dBm, você pode usar simples adição e subtração para calcular a perda de caminho máximo que um sistema pode incorrer:

Perda máxima path = transmitir energia - sensibilidade do receptor + ganhos - perdas

Os ganhos incluem as mais-valias resultantes da transmissão direcional e / ou antenas de recepção. Ganhos de antena são geralmente expressos em dBi referenciado a uma antena isotrópica. Perdas incluir qualquer filtro ou atenuação do cabo ou condições ambientais conhecidas. Essa relação também pode ser indicado como um orçamento link, que é a contabilidade de todos os ganhos e perdas de um sistema para medir a intensidade do sinal no receptor:

Potência recebida = transmitir energia + ganhos - perdas

O objectivo é fazer com que a potência recebida maior do que a sensibilidade de recepção

No espaço livre (uma condição ideal), a lei do inverso do quadrado é o único fator que afeta intervalo. No mundo real, contudo, a gama também podem ser degradados por outros factores:

• Obstáculos, como paredes, árvores e colinas pode causar a perda de sinal significativo.

• Água no ar (umidade) podem absorver energia de RF.

• Os objetos metálicos refletem as ondas de rádio, criando novas versões do sinal. Estas múltiplas ondas atingem o receptor em diferentes épocas e destrutiva (e às vezes de forma construtiva) interferir com eles mesmos. Isto é chamado de trajectórias múltiplas.

Desvanece-se Margin

Existem muitas fórmulas para quantificar esses obstáculos. Ao publicar os números de intervalo, no entanto, os fabricantes muitas vezes ignoram os obstáculos e estado apenas uma line-of-sight (LOS) ou o número ideal gama caminho. Para ser justo com o fabricante, é impossível conhecer todos os ambientes em que podem ser utilizados um rádio, por isso é impossível calcular o intervalo específico que se poderia alcançar. Os fabricantes, por vezes, incluem uma margem de fade em seu cálculo para prever que essas condições ambientais. Assim, a equação para o cálculo da distância torna-se:

Perda máxima path = potência de transmissão - de sensibilidade + ganhos receptor - perdas - margem de fade

Margem desvanece-se é um subsídio de um designer sistema inclui a conta para variáveis ​​desconhecidas. Quanto maior a margem de desbotamento, melhor será a qualidade global ligação será. Com uma margem de fade definido para zero, o orçamento link ainda é válida, apenas em condições los, o que não é muito prático para a maioria dos projetos. A quantidade de margem desvaneça para incluir em um cálculo depende do ambiente em que o sistema está previsto para ser implantado. A margem de fade de 12 dBm é bom, mas um número melhor seria 20 30 para dBm.

Como exemplo, assumir uma potência de transmissão de 20 dBm, a sensibilidade do receptor de -100 dBm, receber o ganho da antena de 6 dBi, transmitir ganho de antena de 6 dBi, e uma margem de fade de 12 dB. Perda do cabo é insignificante:

Perda máxima path = potência de transmissão - de sensibilidade + ganhos receptor - perdas - margem de fade

V - perda máxima path = 20 - (-100) + 12 - 12 120 = dB

Uma vez que a perda máxima caminho foi encontrado, você pode encontrar a faixa a partir da fórmula:

Distância (km) = 10 (perda máxima caminho - 32.44 - 20log (f)) / 20

onde f = freqüência em MHz. Por exemplo, se a perda máxima caminho é 120 dB com uma frequência de 2.45 2450 GHz ou MHz, a faixa será:

Distância (km) = 10 (120 - 32.44 - 67.78) / 20 9.735 km =

Figura 1 mostra a relação entre a perda máxima caminho e alcance a uma frequência de 2.45 GHz.

1. A curva mostra a relação entre o orçamento link ou perda de caminho máximo em dBm e alcance estimado em quilômetros.

Interpretação dos resultados empíricos

Enquanto os métodos empíricos são muito úteis na determinação da gama, que muitas vezes é difícil de conseguir LOS ideal para medições do mundo real e difícil de entender o quanto margem de fade para construir em um sistema. Os resultados medidos podem ajudar a identificar questões além de propagação de RF que podem afetar o alcance de um sistema, como a propagação multipath, interferência, e absorção de RF. Mas nem todos os testes do mundo real são os mesmos, então medições do mundo real devem ser usados ​​principalmente para reforçar os números de ligação orçamentais calculados acima.

Os factores que podem influenciar a gama alcançado em um teste empírico incluem o ganho da antena, a altura da antena, e interferência. O ganho da antena é uma fonte-chave de ganho no sistema. Muitas vezes, os fabricantes vão certificar a sua rádio para trabalhar com diferentes tipos de antenas de alto ganho Yagi e antenas patch a-ganho moderado antenas omnidirecionais mais. É importante assegurar testes foram realizados com o mesmo tipo de antena com a qual você está usando agora o rádio. Mudando de uma antena de 6-dBm a uma antena 3-dBm tanto na transmissão e recepção lado causará uma diferença 6-dBm no orçamento link e reduzir a faixa pela metade.

Altura da antena e da zona Fresnel

Altura da antena é outra preocupação para medições empíricas. Aumentar a altura de uma antena faz duas coisas principais. Primeiro, ele pode ajudá-lo acima de quaisquer possíveis obstáculos como carros, pessoas, árvores e edifícios. Em segundo lugar, ele pode ajudar a obter o seu caminho de sinal RF LOS verdade, pelo menos, 60 apuramento% na zona Fresnel.

A zona de Fresnel é um elipsóide volume de entre o transmissor e o receptor, cuja área é definida pelo comprimento de onda do sinal. É uma zona de cálculo que se esforça para explicar o bloqueio ou de difracção de ondas de rádio. Ele é usado para calcular a folga adequada deve ter um sinal em torno de obstáculos para alcançar a força do sinal ideal. A regra geral é ter o caminho LOS clara acima dos obstáculos que não são mais do que 60% da altura da antena.

A curvatura da Terra também pode impactar LOS para ligações sem fios de longo alcance. A tabela fornece alguns exemplos do impacto, onde a altura da Terra no ponto médio do caminho link não representam montanhas ou outras características do terreno e a altura da antena alcança um sinal que é, pelo menos, 60% na zona Fresnel.
Em muitos contextos práticos, seus transceptores podem funcionar com uma altura de antena inferior, mas é uma boa aposta que os fabricantes colocar suas antenas a uma altura apropriada. Para sua aplicação, você deve se esforçar para ter uma altura de antena adequada para alcançar a melhor gama. Figura 2 ilustra como distância caminho, altura do obstáculo, e altura da antena estão relacionados com a zona de Fresnel.

2. A altura da antena desejada é determinada pela altura do obstáculo e factoring em 60% de margem para compensar as condições de zonas de Fresnel.

Finalmente, o ruído e interferência pode ter um impacto negativo sobre o conjunto de um sistema sem fios. Ruído não pode ser controlada, mas deve ser tido em conta o intervalo se é um problema. Nas faixas industriais, científicos e médicos (ISM) em 902 928 para MHz (América do Norte) e 2.4 GHz (no mundo inteiro), a interferência pode muitas vezes ser o esperado, mas respondendo por isso é difícil. Os fabricantes podem realizar testes empíricos apenas quando a interferência não está presente. É certamente provável que o ambiente tem maior interferência do que estava presente durante os testes do fabricante.

Resumo

Com tantas variáveis ​​em um sistema, como você pode saber se o intervalo reivindicado por um fabricante se aplicam ao seu sistema? Muitas vezes é impossível saber se os testes foram realizados empiricamente ou se os números de intervalo foram calculadas. De qualquer maneira, por meio da análise da potência de transmissão máxima e a sensibilidade do receptor, é possível gerar uma linha de base para a comparação de rádio para o outro. Usando esses números, juntamente com uma margem de conjunto desbotamento e os eventuais ganhos devido a antenas ou perdas devido a cabos de RF, você pode calcular um orçamento máximo link. Em seguida, use a equação distância acima para calcular a sua própria gama. Para vários dispositivos de rádio, esta deve fornecer uma boa base para comparar dois ou três sistemas que atendam às suas necessidades.

Para entender se os rádios funcionarão em sua aplicação, você deve se esforçar para testes do mundo real precisas que podem explicar altura da antena, multipath, interferência, e obstruções. Atrasar testes do mundo real para a sua aplicação e tendo apenas números do fabricante verbatim pode deixá-lo perguntando: "Qual é a minha faixa?"

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