Memahami Wireless Rentang Perhitungan

Salah satu perhitungan kunci dalam setiap desain nirkabel jarak, jarak maksimum antara pemancar dan penerima untuk operasi normal. Artikel ini mengidentifikasi faktor-faktor yang terlibat dalam menghitung jangkauan dan menunjukkan bagaimana memperkirakan kisaran untuk memastikan link komunikasi yang handal.

Mengapa Rentang Aktual Mungkin Tidak Sama Lain Rentang

Apakah Anda pernah membeli radio nirkabel untuk proyek tertanam dan menemukan bahwa Anda tidak mencapai frekuensi radio (RF) berkisar dinyatakan dalam datasheet? Mengapa demikian? Ini mungkin karena perbedaan antara bagaimana pemasok diukur jangkauan dan bagaimana Anda menggunakan radio.

Pemasok biasanya menentukan kisaran dengan yang berasal secara empiris dari tes dunia nyata atau dengan menggunakan perhitungan. Entah pendekatan baik-baik saja selama Anda memperhitungkan semua variabel. Sebuah solusi empiris, bagaimanapun, dapat mengungkapkan situasi dunia nyata bahwa perhitungan tidak mengatasi.

Sebelum kita membandingkan pendekatan, mari kita mendefinisikan beberapa istilah untuk memahami nomor produsen atau variabel yang relevan untuk berbagai.

Daya Dan Perhitungan dBm

daya RF yang paling sering diungkapkan dan diukur dalam desibel dengan referensi milliwatt, atau dBm. Sebuah desibel adalah unit logaritmik yang rasio kekuatan sistem untuk beberapa referensi. Nilai decibel 0 setara dengan rasio 1. Decibel-milliwatt adalah kekuatan output dalam desibel direferensikan ke 1 mW.

Sejak dBm didasarkan pada skala logaritmik, itu adalah pengukuran kekuasaan mutlak. Untuk setiap kenaikan 3 dBm ada kira-kira dua kali kekuatan output, dan setiap kenaikan 10 dBm merupakan peningkatan sepuluh kali lipat dalam kekuasaan. 10 dBm (10 mW) adalah 10 kali lebih kuat dari 0 dBm (1 mW), dan 20 dBm (100 mW) adalah 10 kali lebih kuat dari 10 dBm.

Anda dapat mengkonversi antara mW dan dBm menggunakan rumus berikut:

P (dBm) = 10 • log10 (P (mW))

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

Misalnya, kekuatan 2.5 mW di dBm adalah:

dBm = 10log2.5 = 3.979

atau sekitar 4 dBm. Nilai dBm dari 7 dBm di mW kekuasaan adalah:

P = 107 / 10 = 100.7 = 5 mW

path Loss

path loss adalah pengurangan densitas daya yang terjadi sebagai gelombang radio merambat lebih jauh. Faktor utama dalam path loss adalah penurunan kekuatan sinyal lebih jarak gelombang radio sendiri. gelombang radio mengikuti hukum kuadrat terbalik untuk rapat daya: kepadatan daya sebanding dengan kuadrat terbalik dari jarak. Setiap kali Anda dua kali lipat jarak, Anda hanya menerima seperempat kekuatan. Ini berarti bahwa setiap kenaikan 6-dBm daya output menggandakan kemungkinan jarak yang dapat dicapai.

Selain kekuatan pemancar, faktor lain yang mempengaruhi rentang sensitivitas penerima. Hal ini biasanya dinyatakan dalam -dBm. Karena kedua output daya dan sensitivitas penerima dinyatakan dalam dBm, Anda dapat menggunakan tambahan sederhana dan pengurangan untuk menghitung path loss maksimum yang sistem dapat dikenakan:

path kerugian maksimum = daya pancar - sensitivitas penerima + keuntungan - kerugian

Keuntungan mencakup keuntungan yang dihasilkan dari transmisi directional dan / atau menerima antena. Keuntungan antena biasanya dinyatakan dalam dBi dirujuk ke antena isotropik. Kerugian mencakup filter atau atenuasi kabel atau kondisi lingkungan yang dikenal. Hubungan ini juga dapat dinyatakan sebagai link budget, yang merupakan akuntansi semua keuntungan dan kerugian dari sistem untuk mengukur kekuatan sinyal pada penerima:

daya yang diterima = daya pancar + keuntungan - kerugian

Tujuannya adalah untuk membuat daya yang diterima lebih besar dari sensitivitas receiver

Di ruang bebas (kondisi ideal), hukum kuadrat terbalik adalah satu-satunya faktor yang mempengaruhi jangkauan. Dalam dunia nyata, bagaimanapun, rentang juga dapat terdegradasi oleh faktor lain:

• Hambatan seperti dinding, pohon, dan bukit-bukit dapat menyebabkan kehilangan sinyal yang signifikan.

• Air di udara (kelembaban) dapat menyerap energi RF.

• benda logam dapat mencerminkan gelombang radio, menciptakan versi baru dari sinyal. Ini beberapa gelombang mencapai receiver pada waktu yang berbeda dan destruktif (dan kadang-kadang konstruktif) mengganggu diri mereka sendiri. Ini disebut multipath.

Fade Margin

Ada banyak rumus untuk mengukur hambatan tersebut. Ketika menerbitkan nomor jangkauan, bagaimanapun, produsen sering mengabaikan hambatan dan negara hanya garis-of-sight (LOS) atau yang ideal nomor rentang jalan. Dalam keadilan ke produsen, tidak mungkin untuk mengetahui semua lingkungan di mana radio dapat digunakan, sehingga tidak mungkin untuk menghitung kisaran tertentu yang mungkin dicapai. Produsen kadang-kadang akan mencakup margin memudar ke dalam perhitungan mereka untuk menyediakan kondisi lingkungan tersebut. Dengan demikian, persamaan untuk perhitungan jarak menjadi:

path loss maksimum = daya pancar - sensitivitas penerima + keuntungan - kerugian - margin memudar

fade margin adalah uang saku desainer sistem termasuk untuk memperhitungkan variabel yang tidak diketahui. Semakin tinggi margin memudar, semakin baik kualitas link keseluruhan akan. Dengan margin memudar diatur ke nol, link budget masih berlaku, hanya dalam kondisi LOS, yang sangat tidak praktis untuk sebagian besar desain. Jumlah margin memudar untuk dimasukkan dalam perhitungan tergantung pada lingkungan di mana sistem ini diharapkan akan dikerahkan. Sebuah margin memudar dari 12 dBm baik, tetapi sejumlah yang lebih baik akan 20 untuk 30 dBm.

Sebagai contoh, asumsikan daya pancar 20 dBm, sensitivitas penerima -100 dBm, menerima keuntungan antena 6 dBi, mengirimkan keuntungan antena 6 dBi, dan margin memudar dari 12 dB. hilangnya kabel diabaikan:

path loss maksimum = daya pancar - sensitivitas penerima + keuntungan - kerugian - margin memudar

V - path loss maksimum = 20 - (-100) + 12 - 12 = 120 dB

Setelah path loss maksimum telah ditemukan, Anda dapat menemukan berbagai dari rumus:

Jarak (km) = 10 (path loss maksimum - 32.44 - 20log (f)) / 20

dimana f = frekuensi dalam MHz. Sebagai contoh, jika path loss maksimum adalah 120 dB pada frekuensi 2.45 GHz atau 2450 MHz, rentang akan:

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

Gambar 1 menunjukkan hubungan antara path loss maksimum dan jangkauan pada frekuensi 2.45 GHz.

1. Kurva menunjukkan hubungan antara anggaran link atau path loss maksimum dalam dBm dan diperkirakan rentang kilometer.

Menafsirkan Hasil empiris

Sementara metode empiris yang sangat berguna dalam menentukan kisaran, sering sulit untuk mencapai yang ideal LOS untuk pengukuran dunia nyata dan sulit untuk memahami berapa banyak fade margin untuk membangun ke dalam sistem. Hasil diukur dapat membantu mengidentifikasi masalah luar propagasi RF yang dapat mempengaruhi berbagai sistem, seperti propagasi multipath, gangguan, dan penyerapan RF. Tapi tidak semua tes dunia nyata adalah sama, sehingga pengukuran dunia nyata harus digunakan terutama untuk meningkatkan angka link budget dihitung di atas.

Faktor-faktor yang dapat mempengaruhi rentang dicapai dalam uji empiris termasuk gain antena, tinggi antena, dan gangguan. gain antena adalah sumber utama keuntungan dalam sistem. Seringkali produsen akan menyatakan radio mereka untuk bekerja dengan berbagai jenis antena dari high gain Yagi dan antena patch untuk antena omnidirectional lebih moderat-gain. Hal ini penting untuk memastikan tes dilakukan dengan jenis yang sama dari antena dengan yang Anda sekarang menggunakan radio. Mengubah dari antena 6-dBm untuk antena 3-dBm pada kedua mengirim dan menerima sisi akan menyebabkan perbedaan 6-dBm dalam link budget dan mengurangi rentang setengah.

Antena Tinggi Dan Zona Fresnel

antena tinggi merupakan perhatian lain untuk pengukuran empiris. Meningkatkan ketinggian antena melakukan dua hal utama. Pertama, dapat membantu Anda atas setiap penghalang mungkin seperti mobil, orang, pohon, dan bangunan. Kedua, dapat membantu mendapatkan benar jalur sinyal RF LOS Anda setidaknya 60% cukai di zona Fresnel.

Zona Fresnel adalah volume ellipsoid antara pemancar dan penerima yang wilayah didefinisikan oleh panjang gelombang sinyal. Ini adalah daerah yang dihitung yang berusaha untuk menjelaskan penyumbatan atau difraksi gelombang radio. Ini digunakan untuk menghitung clearance yang tepat sinyal harus memiliki sekitar hambatan untuk mencapai kekuatan sinyal yang optimal. Aturan umum praktis adalah untuk memiliki jalur LOS jelas di atas rintangan yang tidak lebih dari 60% dari ketinggian antena.

Kelengkungan bumi juga dapat berdampak LOS untuk link nirkabel jarak jauh. meja memberikan beberapa contoh dampak, dimana tinggi bumi pada titik tengah dari jalur link tidak memperhitungkan bukit atau fitur medan lain dan ketinggian antena mencapai sinyal yang setidaknya 60% di zona Fresnel.
Dalam banyak pengaturan praktis, transceiver Anda dapat berfungsi dengan ketinggian antena yang lebih rendah, tetapi merupakan taruhan yang baik bahwa produsen menempatkan antena mereka di ketinggian yang tepat. Untuk aplikasi Anda, Anda harus berusaha untuk memiliki ketinggian antena yang sesuai untuk mencapai kisaran terbaik. Gambar 2 menggambarkan bagaimana jarak jalur, tinggi rintangan, dan tinggi antena terkait dengan zona Fresnel.

2. tinggi antena yang diinginkan ditentukan oleh tinggi rintangan dan anjak% margin 60 untuk mengimbangi kondisi zona Fresnel.

Akhirnya, kebisingan dan gangguan dapat memiliki dampak negatif pada kisaran sistem nirkabel. Kebisingan tidak dapat dikontrol tetapi harus menjadi faktor dalam kisaran jika itu adalah masalah. Dalam band industri, ilmiah, dan medis (ISM) di 902 ke 928 MHz (Amerika Utara) dan 2.4 GHz (seluruh dunia), gangguan sering dapat diharapkan, tapi akuntansi untuk sulit. Produsen dapat melakukan tes empiris hanya ketika gangguan tidak hadir. Ini tentu kemungkinan bahwa lingkungan Anda memiliki gangguan lebih besar dari hadir selama pengujian pabrikan.

Kesimpulan

Dengan begitu banyak variabel dalam suatu sistem, bagaimana Anda bisa tahu apakah kisaran diklaim oleh produsen akan berlaku untuk sistem anda? Sering tidak mungkin untuk mengetahui apakah tes dilakukan secara empiris atau jika nomor kisaran dihitung. Either way, dengan menganalisis daya pancar maksimum dan sensitivitas penerima, Anda dapat menghasilkan dasar untuk membandingkan satu radio ke yang berikutnya. Menggunakan angka-angka ini, bersama dengan margin set memudar dan setiap keuntungan karena antena atau kerugian akibat kabel RF, Anda dapat menghitung link budget maksimal. Kemudian gunakan persamaan jarak di atas untuk menghitung kisaran Anda sendiri. Untuk berbagai perangkat radio, ini harus memberikan dasar yang baik untuk membandingkan dua atau tiga sistem yang memenuhi kebutuhan Anda.

Untuk memahami jika radio akan bekerja dalam aplikasi Anda, Anda harus berusaha untuk akurat tes dunia nyata yang dapat menjelaskan tinggi antena, multipath, gangguan, dan penghalang. Menunda tes dunia nyata untuk aplikasi Anda dan hanya mengambil nomor pembuat verbatim mungkin meninggalkan Anda bertanya, "Apa jangkauan saya?"

Tinggalkan pesan 

Daftar pesan