Խոշոր տարածման մոդելների միջոցով կարճ հեռավորության անլար սարքերի ուղու կորստի և փոխանցման հեռավորության գնահատում

900 ՄՀց և 2.4 ԳՀց հաճախականությունների տիրույթներում կարճ հեռահարության անլար սարքերի դիզայներները պետք է կարողանան հասկանալ, թե որ պարամետրերն են ազդում և ինչպես են ազդում փոխանցման հեռավորության վրա ՝ հիմնվելով բանաձևի վրա, և այդ պարամետրերը օգտագործեն բանաձևում ՝ ճանապարհի կորուստը և ուղու կորուստը հաշվարկելու համար: ներքին և արտաքին միջավայրերում վիճակագրական մեթոդների միջոցով: Փոխանցման հեռավորությունը:

Երբ տան, շինարարության և արդյունաբերական ծրագրերը շարժվում են դեպի անլար, կարճ հեռահարության անլար սարքերը դառնում են ուշադրության կենտրոնում: Այս ծրագրերը սովորաբար օգտագործում են գույքային կամ ստանդարտների վրա հիմնված պրակտիկա, ինչպիսիք են ZigBee- ը 900MHz և 2.4GHz ISM (արդյունաբերական, գիտական ​​և բժշկական) հաճախականությունների տիրույթներում: Կարճ հեռահար անլար սարքերի ժողովրդականության մեծացման պատճառով, տերմինալային համակարգի դիզայներները պետք է նաև խորը պատկերացում ունենան անլար հաղորդակցությունների փոխանցման հեռավորության մասին: Այս հոդվածում քննարկվում է անլար ազդանշանի տարածումը և ստեղծվում է ներքին միջավայրում կարճ հեռահարության անլար սարքերի ուղու կորստի և փոխանցման հեռավորության գնահատման մոդել: Դիզայներները կարող են օգտագործել այս մոդելները `նախնական գնահատելու անլար կապի համակարգերի աշխատանքը:

Նախքան հեռավորության գնահատման բանաձևը քննարկելը, դիզայներները պետք է հասկանան անլար կապուղու և ազդանշանի տարածման միջավայրը: Ռադիոալիքը հաղորդիչի և թիրախային ստացողի միջև փոխանցման ուղին է: Այն ունի պատահական և ժամանակի փոփոխման հատկանիշներ, ուստի դժվար է կառուցել մի մոդել, որը շատ տարբեր է ֆիքսված և կանխատեսելի լարային ալիքներից: Հետեւաբար, դիզայներները պետք է օգտագործեն վիճակագրական մոդելներ `այս պատահական ալիքները վերլուծելու համար:

Ռադիոալիքի տարածման մոդելների ավանդական կիզակետը հաղորդիչից որոշակի հեռավորության վրա ստացված ազդանշանի միջին ուժի կանխատեսումն է և որոշակի վայրի մոտ ազդանշանի ուժի փոփոխությունը: Անկախ հաղորդիչի և ստացողի միջև հեռավորությունից, տարածման լայնածավալ մոդելը կարող է կանխատեսել ազդանշանի միջին ուժը, որն օգտակար է հաղորդիչի փոխանցման հեռավորության գնահատման համար: Ի տարբերություն դրա, փոքրածավալ կամ մարող մոդելները կարող են վերլուծել ստացված ազդանշանի ուժի արագ փոփոխությունները մի քանի ալիքի երկարությունների վրա: Այս հոդվածում հիմնականում քննարկվում է լայնածավալ տարածման մոդելը, որը կարող է օգտագործվել անլար փոխանցման հեռավորությունը գնահատելու համար:

Երբ հաղորդիչի և ստացողի միջև խոչընդոտ չկա, իսկ մյուս կողմը կարող է ուղղակիորեն դիտվել, ստացված ազդանշանի ուժը կանխատեսելու համար կարող է օգտագործվել ազատ տարածության տարածման մոդելը: Ազատ տարածության տարածման մոդելը կանխատեսում է, որ ստացված ազդանշանի ուժը կթուլանա հաղորդիչի և ստացողի միջև հեռավորության n- րդ ուժի հետ: Այս ֆունկցիոնալ կապը հայտնի է նաև որպես իշխանության իրավունքի գործառույթ: Երբ ընդունիչ ալեհավաքի և հաղորդիչ ալեհավաքի միջև հեռավորություն կա, նրա ստացած ազատ տարածության հզորությունը որոշվում է հետևյալ Friis ազատ տարածության հավասարմամբ.

Խոշոր տարածման մոդելների միջոցով կարճ հեռավորության անլար սարքերի ուղու կորստի և փոխանցման հեռավորության գնահատում

Որտեղ PT- ն փոխանցման հզորությունն է. PR (դ) ստացված հզորությունն է, որը նաև հաղորդիչի և ստացողի միջև հեռավորության ֆունկցիա է. GT- ը հաղորդիչ ալեհավաքի շահույթն է; GR- ը ստացողի ալեհավաքի շահույթն է; d- ը հաղորդիչի և ստացողի միջև հեռավորությունն է `միավորներով: λ ալիքի երկարությունն է, և միավորը նաև հաշվիչ է:

Ֆրիիսի ազատ տարածության հավասարումը ցույց է տալիս, որ ստացված հզորությունը նվազում է հաղորդիչի և ստացողի միջև հեռավորության քառակուսիով. այլ կերպ ասած, ստացված հզորությունը կնվազի 20 դբ / տասնամյակ արագությամբ, քանի որ հեռավորությունն ավելանում է:

Ուղու կորուստը շատ կարևոր է անլար փոխանցման հեռավորությունը գնահատելու համար: Այն հավասար է փոխանցման ուժի և ստացված հզորության (դեցիբելներով) տարբերությանը և ներկայացնում է ազդանշանի թուլացումը: (1) հավասարումից կարող է ստացվել, որ ուղու կորուստը հավասար է ստացված ուժի վրա բաժանված փոխանցման հզորությանը: (2) հավասարումը ուղու կորուստը սահմանում է հետևյալ կերպ.

Խոշոր տարածման մոդելների միջոցով կարճ հեռավորության անլար սարքերի ուղու կորստի և փոխանցման հեռավորության գնահատում

Որտեղ PL- ն ուղու կորուստ է: Ենթադրելով, որ և՛ փոխանցող, և՛ ստացող ալեհավաքները միասնության շահ են, (2) հավասարումը կարող է պարզեցվել ՝

Խոշոր տարածման մոդելների միջոցով կարճ հեռավորության անլար սարքերի ուղու կորստի և փոխանցման հեռավորության գնահատում

Այս հավասարումը կարող է արտահայտվել նաև հետևյալ օգտակար ձևերով.

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

Որտեղ d հեռավորությունն է մետրերով:
Միայն այն դեպքում, երբ d- ի արժեքը գտնվում է փոխանցող ալեհավաքի հեռավոր դաշտում, Friis ազատ տարածության բանաձևը կարող է գնահատել ստացված էներգիայի ինտենսիվությունը: Հաղորդող ալեհավաքի հեռավոր դաշտը կոչվում է նաև Fraunhofer տարածք, որը վերաբերում է ալեհավաքից այն կողմ գտնվող տարածքին ՝ dF դաշտի հեռավոր հեռավորությունից: Անթենայի dF հավասար է 2D2 / λ, որտեղ D ալեհավաքի առավելագույն ֆիզիկական գծային չափն է. Բացի այդ, dF- ն պետք է լինի D- ից մեծ և պետք է լինի հեռավոր դաշտային տարածքում: Ուղու կորստի այս բանաձևը կիրառելի է միայն իդեալական համակարգերի համար, որտեղ հաղորդիչը և ընդունիչը գտնվում են մյուս կողմի տեսադաշտում և միայն նախնական գնահատման համար:

Տարածման մոդելը վերաբերում է փակված հեռավորությանը d0- ին ՝ որպես ստացված էներգիայի հղման կետի, և նախագծողը պետք է օգտագործի այս տեղեկանքի կետի ստացված էներգիայի PR (d0) - ը ստացված հզորությունը հաշվարկելու համար, երբ հեռավորությունը մեծ է d0- ից: Դիզայներները կարող են օգտագործել 1-ին և 4-րդ հավասարումները `կանխատեսելու PR- ը (d0), կամ չափելու ստացված հզորությունը հաղորդիչին մոտ գտնվող շատ կետերում, ապա օգտագործելով դրանց միջին արժեքը որպես PR (d0): Երբ դիզայները ընտրում է կարճ տարածության տեղեկանքի կետը, նա պետք է համոզվի, որ հեռահար դաշտի տարածքը գտնվում է փոքր հեռավորության վրա:

Դիզայները ցանկացած հեռավորության վրա ստացված հզորությունը հաշվարկելու համար կարող է օգտագործել այս տեղեկատվությունը և հետևյալ բանաձևը.

Խոշոր տարածման մոդելների միջոցով կարճ հեռավորության անլար սարքերի ուղու կորստի և փոխանցման հեռավորության գնահատում

1-2 ԳՀց տիրույթում գործող իրական համակարգերի համար փակ միջավայրի համար հղման հեռավորությունը 1 մետր է, իսկ արտաքին միջավայրի համար `100 մետր:

ՌԴ էներգիայի ինտենսիվության սովորաբար օգտագործվող միավորը միլիվատ դեցիբելն է կամ վտ դեցիբելը, այլ ոչ թե բացարձակ հզորության ինտենսիվությունը: Հետեւաբար, (6) հավասարումը կարող է արտահայտվել հետևյալ կերպ.

Խոշոր տարածման մոդելների միջոցով կարճ հեռավորության անլար սարքերի ուղու կորստի և փոխանցման հեռավորության գնահատում

Հետևյալ օրինակը ներկայացնում է այս հասկացությունները: Ենթադրելով, որ հաղորդիչ հաճախականությունը 900 ՄՀց է, փոխանցող ուժը ՝ 6.3 մՎտ (8 դԲմ), և օգտագործվում են փոխանցող և ստացող ալեհավաքների միասնության շահույթ, արտաքին տեսադաշտում 1200 մետր ստացող հզորությունը կարելի է հաշվարկել հետևյալ կերպ. բացօթյա միջավայրը 100 մետր է, 900 ՄՀց Ազդանշանի ալիքի երկարությունը 0.33 մետր է, ուստի ստացված հզորությունը 1 մետրում հաշվարկելու համար (100) հավասարման արժեքը կարող է օգտագործվել հետևյալ կերպ.

Խոշոր տարածման մոդելների միջոցով կարճ հեռավորության անլար սարքերի ուղու կորստի և փոխանցման հեռավորության գնահատում

Դեցիբել հզորության արժեքը միլիվատներով հաշվարկելու համար հզորությունը պետք է արտահայտվի որպես հետեւյալ միլիվատտ արժեքը.

PR (100) = 0.44 × 10-6մՎտ: (9)

Սա կարելի է ձեռք բերել.

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

երգի հավասարումը (7), ստացված հզորությունը 1200 մետր վրա կարելի է ստանալ որպես.

Խոշոր տարածման մոդելների միջոցով կարճ հեռավորության անլար սարքերի ուղու կորստի և փոխանցման հեռավորության գնահատում

ինչպես նաեւ

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

Կարող եք նաև օգտագործել (5) հավասարումը ՝ ստուգելու համար, որ ստացված էներգիան այս արժեքն է:

Հետևաբար, իդեալական միջավայրում, առանց խոչընդոտների և տեսադաշտում, երբ փոխանցման հզորությունը 8 դբմ է, 1200 մետր հեռավորության վրա ստացված հզորությունը կազմում է մոտ -85 դբմ: Իհարկե, ստացված էներգիան իրական միջավայրում իդեալական արժեքից ցածր կլինի, քանի որ թիրախային կետի և հաղորդիչի միջև կարող են խոչընդոտներ լինել, կամ այն ​​ընդհանրապես տեսադաշտից դուրս կլինի: Նախորդ օրինակից հայտնի է, որ ուղու կորուստը PT-PR է, ուստի այն հավասար է 8dBm - (- 85dBm) = 93dB:

Ուղու կորստի փաստացի բանաձև

Practicalանկացած գործնական անլար սենսորային համակարգ պետք է իմանա իր փոխանցման առավելագույն հուսալի հեռավորությունը: Այս անլար համակարգի փոխանցման հեռավորությունը ուղղակիորեն որոշվում է հղման բյուջեի պարամետրերով.

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

Այն դեպքում, երբ LB- ը դեցիբելներով արտահայտված կապող բյուջեն է, PT- ը միլիվատներով կամ վտ դեցիբելներով արտահայտված փոխանցման հզորությունն է, GT- ը փոխանցիչ ալեհավաքի շահույթն է արտահայտված դեցիբելով, GR- ը ստացողի ալեհավաքի շահույթն է արտահայտված դեցիբելով, իսկ RS- ը ստացողը ensգայունություն նշանակում է, որ համակարգը կարող է հայտնաբերել և ապահովել ամենափոքր RF ազդանշանը `ազդանշանի և աղմուկի համապատասխան հարաբերակցությամբ: Ստացողի զգայունությունը ներկայացված է 14-րդ հավասարությունում.

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

Դրանցից -174dBm / Hz- ը ջերմային աղմուկի նշաձողն է, NF- ը ստացողի ընդհանուր աղմուկի ցուցանիշն է `արտահայտված դեցիբելով, B- ը ստացողի ընդհանուր թողունակությունն է, իսկ SNRMIN- ը` ազդանշանի և աղմուկի նվազագույն հարաբերակցությունը: Եթե ​​հաղորդիչի և թիրախային ստացողի միջև ուղու ընդհանուր կորուստը ավելի մեծ է, քան հղման բյուջեն, տվյալները կկորչեն, և հաղորդակցությունը հնարավոր չի լինի: Հետևաբար, վերջնական համակարգը մշակելիս դիզայներները պետք է ճշգրիտ վերլուծեն ճանապարհի կորստի բնութագրերը և այն համեմատեն հղման բյուջեի հետ `հեռավորության նախնական գնահատումը ստանալու համար:

Փակ ալիքի ուղու կորուստնա փակ ռադիոալիքը տարբերվում է արտաքին ալիքից, քանի որ փակ ալիքի փոխանցման հեռավորությունն ավելի կարճ է, և ալիքի կորուստը մեծապես տատանվում է, ուստի ստացված ազդանշանի ուժը մեծապես տատանվում է: Բայց ֆիքսված անլար սարքերի համար այս մասը աննշան է: Շենքի ինքնաթիռի կազմաձևը, տեսակը և շինանյութերը մեծ ազդեցություն կունենան ներսի ազդանշանի տարածման վրա: Հետազոտողները փակ ալիքները բաժանում են երկու տիպի. Մեկը `տեսանելի ալիքը և մյուսը` տարբեր աստիճանի արգելափակված ալիք (հղում 1): Շենքի ներքին և արտաքին կառուցվածքը կարող է պարունակել բազմաթիվ տարբեր բաժանմունքներ և խոչընդոտներ: Բաժանների ձևը կախված է նրանից, թե շենքը տան կամ գրասենյակի միջավայրում է: Շենքի կառուցվածքի խցիկները ֆիքսված խցիկներ են, և շարժական խցիկները կարող են տեղաշարժվել, և խցիկի վերևը չի դիպչի առաստաղին: Ընտանիքները սովորաբար օգտագործում են փայտե միջնապատեր, իսկ գրասենյակային շենքերը `երկաթբետոնե հատակների միջև և օգտագործում են շարժական միջնապատեր:

Շենքերում կան շատ տարբեր բաժանմունքներ, և դրանց ֆիզիկական և էլեկտրական բնութագրերը նույնպես շատ տարբեր են: Ընդհանուր մոդելներով դժվար է վերլուծել փակ ալիքները: Այնուամենայնիվ, լայնածավալ ուսումնասիրություններից հետո արդյունաբերությունը աղյուսակագրել է սովորաբար օգտագործվող նյութերի ազդանշանի կորուստը (աղյուսակ 1):

Խոշոր տարածման մոդելների միջոցով կարճ հեռավորության անլար սարքերի ուղու կորստի և փոխանցման հեռավորության գնահատում

Հատակի թուլացման գործոնը ներկայացնում է հատակների մեկուսացման կորուստը (աղյուսակ 2):

Խոշոր տարածման մոդելների միջոցով կարճ հեռավորության անլար սարքերի ուղու կորստի և փոխանցման հեռավորության գնահատում

Հավասարումը (15) փակ ալիքի ուղու կորստի փաստացի մոդելն է, որը ձեռք է բերվել լոգարիթմական հեռավորության ճանապարհի կորստի մոդելի օգտագործման միջոցով.

Խոշոր տարածման մոդելների միջոցով կարճ հեռավորության անլար սարքերի ուղու կորստի և փոխանցման հեռավորության գնահատում

Որտեղ X- ը դեցիբելներով զրո միջին գաուսյան պատահական փոփոխական է, իսկ σ- ը ստանդարտ շեղում է: Եթե ​​դա ֆիքսված սարք է, կարելի է անտեսել Xσ- ի ազդեցությունը: Օգտագործեք հավասարություն (4) ՝ 1 մետրի հեռավորության վրա ճանապարհի կորստի արժեքը հաշվարկելու համար, և ապա արդյունքը փոխարինեք 15 հավասարման մեջ ՝ ստանալու համար.

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

N- ի արժեքը հաճախականության հետ մեծապես չի փոխվի, բայց դրա վրա կազդի շրջակա միջավայրը և շենքի տեսակը (աղյուսակ 3):

Խոշոր տարածման մոդելների միջոցով կարճ հեռավորության անլար սարքերի ուղու կորստի և փոխանցման հեռավորության գնահատում

Շենքում տարածման մոդելը ներառում է շենքի տեսակի և խոչընդոտների ազդեցությունը: Այս մոդելը ոչ միայն ճկուն է, այլև նվազեցնում է ստանդարտ շեղումը չափված և կանխատեսված ուղու կորստի միջև մինչև մոտ 4 դբ, ինչը ավելի լավ է, քան 13 դբ-ն `միայն լոգարիթմական հեռավորության մոդելը օգտագործելու դեպքում: 17-րդ հավասարումը ներկայացնում է թուլացման գործոնի մոդելը.

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

Դրանց թվում nSF- ն ներկայացնում է ուղու կորստի ինդեքսը, որը չափվում է նույն հարկում, իսկ FAF- ը հատակի թուլացման գործոնն է (աղյուսակ 3): Դիզայները կարող է որոշել հատակի թուլացման գործակիցը համաձայն Աղյուսակ 2-ի: Հաջորդ օրինակը ցույց է տալիս, թե ինչպես օգտագործել վերոհիշյալ աղյուսակը և հավասարման հաշվարկը 915 ՄՀց և 2.4 ԳՀց ազդանշանների ուղու կորուստը հաշվարկելու համար 1200 մետր հեռավորության վրա գտնվող բաց միջավայրում.

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

Վերոնշյալ բանաձևից 915 ՄՀց ուղու կորուստը կարելի է ստանալ ՝

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

2400 ՄՀց ուղու կորուստը հետևյալն է.

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

Որքան բարձր է հաղորդման ազդանշանի հաճախականությունը, այնքան մեծ է ուղու կորուստը, ինչը կկրճատի բարձր հաճախականության ազդանշանի անլար փոխանցման հեռավորությունը: Օրինակ ՝ բաց արտաքին միջավայրում 2.4 ԳՀց անլար սարքերը ունեն մոտավորապես 8.4 դբ ավելի մեծ ուղու կորուստ, քան 915 ՄՀց սարքերը:

Մեկ այլ օրինակ է գրասենյակային միջավայրը `նույն հարկում և երեք հարկերում ֆիքսված խցիկներով: Աղյուսակ 2-ի տվյալներն օգտագործվում են 915 մետր հեռավորության վրա 2.4 ՄՀց և 100 ԳՀց ազդանշանների ուղու կորուստը հաշվարկելու համար: Աղյուսակ 3-ից կարելի է տեսնել, որ նույն հարկի ուղու միջին կորուստը 3dBm է: N = 3 այս արժեքը փոխարինեք հետևյալ բանաձևով.

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

915 ՄՀց ուղու կորուստը կարելի է ստանալ ՝

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

Որտեղ σ = 7dB: 2400 ՄՀց ուղու կորուստը հետևյալն է.

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

Որտեղ σ = 14dB:

Աղյուսակ 2-ից կարելի է հաշվարկել, որ եռահարկ շենքի հատակի թուլացման գործակիցը մոտ 24dB է, իսկ ստանդարտ շեղումը `5.6dB: Այս տեղեկատվությունը փոխարինեք հետևյալ բանաձևով.

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

915 ՄՀց ուղու կորուստը կարելի է ստանալ ՝

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

Որտեղ σ = 5.6dB: 2400 ՄՀց ուղու կորուստը հետևյալն է.

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

Որտեղ σ = 5.9 dB:

Երրորդ օրինակը ենթադրում է, որ համակարգը օգտագործում է միասնության շահույթի փոխանցման և ընդունման ալեհավաքներ, փոխանցման հզորությունը 8dBm է, իսկ ստացողի զգայունությունը ՝ -100 dBm, ապա գնահատեք 915MHz ազդանշանի փոխանցման հեռավորությունը առաջին երկու օրինակներում: Նշենք, որ այս պահին համակարգի հղման բյուջեն 8 - (-100) = 108dB է:

Pathանապարհի կորստի բանաձևի ստանդարտ շեղումը պատկերավորելու համար ավելի լավ է կապի բյուջեում մոտ 10 դԲ սահմանաչափ սահմանել: Սա նշանակում է, որ մատչելի հղման բյուջեն 98dB է, որը գերազանցում է 92.8dB ուղու կորուստը առաջին օրինակում: հետեւաբար, դիզայներները կարող են համակարգի արտաքին փոխանցման հեռավորությունը համարել 1200 մետր: Ներքին միջավայրում ուղու կորուստը 91.2 dB է, իսկ օգտագործելի կապի բյուջեն, երբ 10dB մարժան վերապահվում է, կազմում է մոտ 98dB, ինչը նույնպես գերազանցում է ուղու կորուստը: Հետեւաբար, դիզայներները կարող են համակարգի ներքին փոխանցման հեռավորությունը համարել 100 մետր:

Թողնել հաղորդագրություն 

հաղորդագրություն ցուցակ