Forståelse Wireless Range Beregninger

Et af de vigtigste beregninger i en trådløs design er området, den maksimale afstand mellem sender og modtager til normal drift. Denne artikel identificerer de faktorer involveret i beregning af rækkevidde, og viser, hvordan man anslå rækkevidde for at sikre en pålidelig kommunikationsforbindelse.

Hvorfor Faktiske Range Kan lige angivne interval

Har du nogensinde købt en trådløs radio til en indlejret projekt, og opdagede, at du ikke opnå den radiofrekvens (RF) område angivet i dataarket? Hvorfor det? Det er sandsynligvis på grund af forskelle mellem, hvordan leverandøren målte området, og hvordan du bruger radioen.

Leverandører normalt bestemme interval ved at udlede det empirisk fra den virkelige verden forsøg eller ved hjælp af en beregning. Enten tilgang er fint, så længe du tegner for alle variabler. En empirisk løsning kan imidlertid afsløre den virkelige verden situationer, som beregningerne ikke løse.

Før vi sammenligne de tilgange, lad os definere nogle betingelser for at forstå en fabrikantens tal eller relevante variabler for rækkevidde.

Power og dBm Beregninger

RF-effekt er mest almindeligt udtrykkes og måles i decibel med en milliwatt henvisning eller dBm. En decibel er en logaritmisk enhed, der er et forhold mellem magt systemet til nogle reference. En decibel værdi på 0 svarer til et forhold på 1. Decibel-milliwatt er udgangseffekten i decibel reference til 1 mW.

Da dBm er baseret på en logaritmisk skala, er det en absolut effektmåling. For hver stigning på 3 dBm der er omtrent det dobbelte af udgangseffekten, og hvert stigning på 10 dBm repræsenterer en tifold stigning i magten. 10 dBm (10 mW) er 10 gange kraftigere end 0 dBm (1 mW), og 20 dBm (100 mW) er 10 gange kraftigere end 10 dBm.

Du kan konvertere mellem mW og dBm ved hjælp af følgende formler:

P (dBm) = 10 • log10 (P (mW))

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

For eksempel en effekt på 2.5 mW i dBm er:

dBm = 10log2.5 = 3.979

eller omkring 4 dBm. En dBm værdi på 7 dBm i mW af magt er:

P = 107 / 10 = 100.7 = 5 mW

Udbredelsestab

Vejtabet er reduktionen i effekttæthed, der opstår som radiobølgerne udbreder sig over en afstand. Den primære faktor i udbredelsestab er faldet i signalstyrke over afstand af radiobølger selv. Radiobølger følge en omvendt kvadrat lov til effekttæthed: effekttætheden er omvendt proportional med kvadratet på afstanden. Hver gang du fordobler afstanden, modtager du kun en fjerdedel af strømmen. Det betyder, at hver 6-dBm stigning i udgangseffekten fordobler den mulige afstand, der er opnåeligt.

Udover sendeeffekt, en anden faktor, der påvirker sortiment er modtagerens følsomhed. Det er normalt udtrykt i -dBm. Da både udgangseffekt og modtager følsomhed er angivet i dBm, kan du bruge simpel addition og subtraktion til at beregne den maksimale sti tab, at et system kan pådrage sig:

Maksimale tab sti = sendeeffekt - receiver følsomhed + gevinster - tab

Gevinster omfatter eventuelle gevinster som følge af retningsbestemt sende og / eller modtage antenner. Antenne gevinster er normalt udtrykt i dBi refereres til en isotrop antenne. Tab omfatter ethvert filter eller kabel dæmpning eller kendte miljøforhold. Dette forhold kan også angives som et link budget, hvilket er den regnskabsmæssige af alle gevinster og tab af et system til at måle signalstyrken på modtageren:

Modtagne effekt = transmittere strøm + gevinster - tab

Målet er at gøre den modtagne effekt større end modtagerfølsomheden

I det frie rum (en ideel tilstand), den omvendte kvadrat lov er den eneste faktor, der påvirker rækkevidde. I den virkelige verden, men området også kan nedbrydes af andre faktorer:

• Forhindringer som vægge, træer og bakker kan forårsage betydelige tab af signal.

• Vand i luften (fugtighed) kan absorbere RF-energi.

• Metal genstande kan reflektere radiobølger, der skaber nye versioner af signalet. Disse multiple bølger nå modtageren på forskellige tidspunkter og destruktivt (og undertiden konstruktivt) interfererer med sig selv. Dette kaldes multipath.

Fade Margin

Der er mange formler til kvantificering disse hindringer. Ved offentliggørelse range numre, men producenterne ofte ignorerer forhindringer og staten kun en line-of-sight (LOS), eller ideel sti interval nummer. Retfærdigvis til producenten, det er umuligt at kende alle de miljøer, hvor en radio kan anvendes, så det er umuligt at beregne den specifikke interval man kunne opnå. Producenterne vil undertiden indeholde en fade-margin i deres beregning at indføre sådanne miljømæssige forhold. Således ligningen for afstandsberegninger bliver:

Maksimale tab sti = sendeeffekt - receiver følsomhed + gevinster - tab - fade margin

Fade margin er en godtgørelse et system designer omfatter at tage højde for ukendte variabler. Jo højere fade margin, jo bedre den overordnede sammenhæng kvalitet være. Med en fade margin sat til nul, linket budgettet stadig er gyldig, kun i Los forhold, som ikke er meget praktisk for de fleste designs. Mængden af ​​fade margin skal medtages i en beregning afhænger af det miljø, hvor der forventes at systemet skal sættes ind. En fade margin på 12 dBm er god, men en bedre nummer ville blive 20 til 30 dBm.

Som et eksempel antager en sendeeffekten af ​​20 dBm, en modtager følsomhed -100 dBm, modtageantenne gevinst på 6 dBi, sendeantenne gevinst på 6 dBi, og en fade margin på 12 dB. Kabeltab er ubetydelig:

Maksimale tab sti = sendeeffekt - receiver følsomhed + gevinster - tab - fade margin

V - maksimal sti tab = 20 - (-100) + 12 - 12 = 120 dB

Når det maksimale tab stien er fundet, kan du finde området fra formlen:

Distance (km) = 10 (maksimale tab sti - 32.44 - 20log (f)) / 20

hvor f = frekvens i MHz. For eksempel, hvis det maksimale tab sti er 120 dB ved en frekvens på 2.45 GHz eller 2450 MHz, vil området være:

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

Figur 1 viser forholdet mellem det maksimale tab sti og interval ved en frekvens på 2.45 GHz.

1. Kurven viser forholdet mellem linket budget eller maksimale tab sti i dBm og anslået rækkevidde i kilometer.

Fortolkning empiriske resultater

Mens empiriske metoder er meget nyttig til at bestemme området, er det ofte vanskeligt at opnå ideelle LOS til den virkelige verden målinger og vanskelige at forstå, hvor meget fade margin at bygge ind i et system. Målte resultater kan hjælpe med at identificere problemer uden for RF formering, der kan påvirke området af et system, såsom flervejsudbredelse, interferens, og RF absorption. Men ikke alle virkelige verden test er den samme, så den virkelige verden målinger bør primært anvendes til at styrke de link budget tal beregnet ovenfor.

Faktorer, der kan påvirke det område opnået i en empirisk test omfatter antenneforstærkning, antenne højde, og interferens. Antenne gevinst er en vigtig kilde til forstærkning i systemet. Ofte producenter vil certificere deres radioen for at arbejde med forskellige typer af antenner fra high-gain Yagi og patch antenner til mere moderat gain rundstrålende antenner. Det er vigtigt at sikre tests blev udført med den samme type antenne, som du er begyndt at anvende radio. Ændring fra en 6-dBm antennen til en 3-dBm antenne på både sende og modtage side vil forårsage en 6-dBm forskel i linket budget og reducere intervallet halve.

Antenne højden og Fresnel Zone

Antenne højde er en anden bekymring for empiriske målinger. Hævning af højden af ​​en antenne gør to vigtigste ting. For det første kan det hjælpe med at få dig over eventuelle forhindringer som biler, mennesker, træer og bygninger. For det andet kan det hjælpe med at få din sande RF LOS signalvejen mindst 60% clearance i Fresnel zone.

Fresnel zone er et ellipsoide volumen mellem senderen og modtageren, hvis areal er afgrænset af bølgelængden af ​​signalet. Det er en beregnet område, der bestræber sig på at redegøre for blokering eller diffraktion af radiobølger. Det bruges til at beregne den korrekte afstand et signal skal have omkring forhindringer for at opnå optimal signalstyrke. En generel tommelfingerregel er at have LOS sti klar over de hindringer, der er ikke mere end 60% af antennen højde.

Krumning af Jorden kan også påvirke LOS for langtrækkende trådløse forbindelser. Tabellen giver nogle eksempler på konsekvenserne, hvor Jordens højde ved midtpunktet af linket stien ikke højde for bakker eller andre terræn funktioner og antennen højde opnår et signal, der er mindst 60% i Fresnel zone.
I mange praktiske indstillinger, kan dine transceivere fungere med en lavere antenne højde, men det er en god satsning, at fabrikanterne placere deres antenner i en passende højde. For din ansøgning, bør du stræbe efter at have en passende antenne højde for at opnå den bedste rækkevidde. Figur 2 viser, hvordan angrebet afstand, højde på forhindringer, og antennehøjde er relateret til Fresnel zone.

2. Den ønskede antenne højde er bestemt af forhindringen højde og factoring i 60% margin til at kompensere for Fresnel zone betingelser.

Endelig kan støj og interferens have en negativ indvirkning på den vifte af et trådløst system. Støj kan ikke styres, men bør indgå i intervallet, hvis det er et problem. I de industrielle, videnskabelige og medicinske (ISM) bånd ved 902 at 928 MHz (Nordamerika) og 2.4 GHz (på verdensplan), kan ofte forventes indblanding, men tegner sig for det er svært. Fabrikanterne kan udføre empiriske tests, når indblanding ikke er til stede. Det er helt sikkert sandsynligt, at dit miljø har større interferens end var til stede under producentens test.

Resumé

Med så mange variabler i et system, hvordan kan du vide, om det område hævdet af en producent vil gælde for dit system? Ofte er det umuligt at vide, om tests blev udført empirisk eller hvis range tal blev beregnet. Uanset hvad, ved at analysere den maksimale sendeeffekt og modtageren følsomhed, kan du generere en baseline at sammenligne en radio til den næste. Ved hjælp af disse tal, sammen med et sæt fade margin og eventuelle gevinster som følge af antenner eller tab som følge af RF-kabler, kan du beregne en maksimal link budget. Brug derefter afstanden ligning ovenfor for at beregne din egen serie. Af forskellige radioudstyr, bør det give en god baseline at sammenligne to eller tre systemer, der opfylder dine behov.

At forstå, hvis de radioer vil arbejde i din ansøgning, bør du stræbe efter præcise virkelige verden tests, der kan tegne sig for antenne højde, flervejs, interferens, og forhindringer. Forsinke den virkelige verden test for din ansøgning og kun tage producentens tal ordret kan forlade dig spørge, "Hvad er min rækkevidde?"

Læg en besked 

Message List