Entender Cálculos alcance inalámbrico

Uno de los cálculos clave en cualquier diseño inalámbrico es gama, la distancia máxima entre el transmisor y el receptor para el funcionamiento normal. Este artículo identifica los factores que intervienen en el cálculo de alcance y muestra cómo estimar gama para asegurar un enlace de comunicaciones fiable.

¿Por qué alcance real puede no igual Dicho Range

¿Alguna vez compró una radio inalámbrica para un proyecto integrado y descubrió que no alcanzó la frecuencia de radio (RF) intervalo indicado en la hoja? ¿Porqué es eso? Es probablemente debido a las diferencias entre cómo el proveedor mide el alcance y la forma en que utiliza la radio.

Proveedores por lo general determinan gama derivando empíricamente a partir de pruebas del mundo real o mediante un cálculo. Cualquiera de estos enfoques está bien siempre y cuando se den cuenta de todas las variables. Una solución empírica, sin embargo, puede revelar situaciones del mundo real que los cálculos no se abordan.

Antes comparamos los enfoques, vamos a definir algunos términos para entender los números de un fabricante o variables relevantes para la gama.

Energía y cálculos dBm

Potencia de RF se expresa y se mide en decibelios con una referencia milivatios, o dBm más comúnmente. Un decibelio es una unidad logarítmica que es una relación de la potencia del sistema en cierta referencia. Un valor de decibelios de 0 es equivalente a una proporción de 1. Decibel-milivatios es la potencia de salida en decibelios referidos a 1 mW.

Desde dBm se basa en una escala logarítmica, es una medida de la potencia absoluta. Por cada aumento de 3 dBm hay casi el doble de la potencia de salida, y cada aumento de 10 dBm representa un aumento de diez veces en el poder. 10 dBm (10 mW) es 10 veces más potentes que 0 dBm (1 mW), y 20 dBm (100 mW) es 10 veces más potente que 10 dBm.

Puede convertir entre mW y dBm usando las siguientes fórmulas:

P (dBm) = 10 • log10 (P (mW))

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

Por ejemplo, una potencia de 2.5 mW en dBm es:

dBm = 10log2.5 = 3.979

o aproximadamente 4 dBm. Un valor dBm de 7 dBm en mW de potencia es:

P = 107 / 10 100.7 = = 5 mW

Camino perdido

Pérdida de trayectoria es la reducción en la densidad de potencia que se produce como una onda de radio se propaga a través de una distancia. El principal factor en la pérdida de trayectoria es la disminución de la intensidad de la señal sobre la distancia de los propios ondas de radio. Las ondas de radio siguen una ley del cuadrado inverso de la densidad de potencia: la densidad de potencia es proporcional a la inversa del cuadrado de la distancia. Cada vez que se duplica la distancia, recibe sólo una cuarta parte de la energía. Esto significa que cada aumento 6-dBm en potencia de salida se duplica la distancia posible que se puede lograr.

Además de la potencia del transmisor, otro factor que afecta la gama es la sensibilidad del receptor. Por lo general se expresa en dBm. Dado que tanto la potencia de salida y la sensibilidad del receptor se expresan en dBm, puede utilizar una simple suma y resta para calcular la pérdida máxima camino que un sistema puede incurrir:

Pérdida máxima path = potencia de transmisión - la sensibilidad del receptor + ganancias - pérdidas

Las ganancias incluyen las plusvalías resultantes de transmisión direccional y / o antenas de recepción. Ganancias de antena se expresan normalmente en dBi referidos a una antena isotrópica. Las pérdidas incluyen cualquier filtro o atenuación de cable o condiciones ambientales conocidos. Esta relación también se puede establecer como un presupuesto del enlace, que es la contabilidad de todas las ganancias y pérdidas de un sistema para medir la intensidad de la señal en el receptor:

Potencia recibida = transmitir potencia + ganancias - pérdidas

El objetivo es hacer que la potencia recibida superior a la sensibilidad del receptor

En el espacio libre (una condición ideal), la ley del cuadrado inverso es el único factor que afecta la gama. En el mundo real, sin embargo, la gama también puede ser degradado por otros factores:

• Los obstáculos, como paredes, árboles y colinas pueden causar la pérdida de señal significativa.

• El agua en el aire (humedad) puede absorber la energía de RF.

• Los objetos metálicos pueden reflejar las ondas de radio, la creación de las nuevas versiones de la señal. Estas múltiples olas llegan al receptor en diferentes momentos y destructiva (y, a veces de manera constructiva) interferir con ellos mismos. Esto se llama multitrayecto.

Fundido Margen

Existen muchas fórmulas para la cuantificación de estos obstáculos. Al publicar números de rango, sin embargo, los fabricantes suelen ignorar obstáculos y Estado sólo una línea de visión directa (LOS) o número ideal gama camino. Para ser justos con el fabricante, es imposible conocer todos los entornos en los que se puede utilizar una radio, por lo que es imposible calcular el rango específico se podría lograr. Los fabricantes a veces incluyen un margen de desvanecimiento en su cálculo para establecer dichas condiciones ambientales. Por lo tanto, la ecuación para los cálculos de distancia se convierte en:

Pérdida máxima path = potencia de transmisión - sensibilidad + ganancias receptor - pérdidas - margen de desvanecimiento

Margen de desvanecimiento es una asignación de un diseñador del sistema incluye para tener en cuenta variables desconocidas. Cuanto mayor sea el margen de desvanecimiento, mejor será la calidad del enlace global será. Con un margen de desvanecimiento ajusta a cero, el presupuesto del enlace sigue siendo válida, sólo en condiciones LOS, que no es muy práctico para la mayoría de los diseños. La cantidad de margen de desvanecimiento para incluir en un cálculo depende del entorno en el que se espera que el sistema para ser desplegado. Un margen de desvanecimiento de 12 dBm es bueno, pero un número mejor sería 20 30 a dBm.

A modo de ejemplo, supongamos que una potencia de transmisión de 20 dBm, una sensibilidad del receptor de -100 dBm, antena de recepción ganancia de 6 dBi, transmitir antena ganancia de 6 dBi y un margen de desvanecimiento de 12 dB. Pérdida de cable es insignificante:

Pérdida máxima path = potencia de transmisión - sensibilidad + ganancias receptor - pérdidas - margen de desvanecimiento

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

Una vez que se ha encontrado la pérdida máxima camino, usted puede encontrar el rango de la fórmula:

Distancia (km) = 10 (máxima pérdida de trayectoria - 32.44 - 20log (f)) / 20

donde f = frecuencia en MHz. Por ejemplo, si la pérdida máxima camino es 120 dB a una frecuencia de 2.45 2450 GHz o MHz, el rango será:

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

Figura 1 muestra la relación entre la pérdida de trayectoria máxima y el rango a una frecuencia de 2.45 GHz.

1. La curva muestra la relación entre el presupuesto del enlace o máxima pérdida de trayectoria en dBm y rango estimado en kilómetros.

Interpretación de los resultados empíricos

Mientras que los métodos empíricos son muy útiles en la determinación de la gama, a menudo es difícil de lograr LOS ideal para mediciones del mundo real y difícil de entender cuánto margen de desvanecimiento para construir en un sistema. Los resultados medidos pueden ayudar a identificar los problemas más allá de propagación de RF que pueden afectar el rango de un sistema, como la propagación por trayectos múltiples, la interferencia y la absorción de radiofrecuencia. Pero no todas las pruebas del mundo real son las mismas, por lo que las mediciones del mundo real deben ser utilizados principalmente para reforzar los números del presupuesto enlace calculados anteriormente.

Los factores que pueden influir en el rango alcanzado en una prueba empírica incluyen ganancia de antena, altura de la antena, y la interferencia. Ganancia de la antena es una fuente clave de ganancia en el sistema. A menudo, los fabricantes certificar su radio para trabajar con diferentes tipos de antenas de alta ganancia y antenas Yagi de parche en más moderada ganancia antenas omnidireccionales. Es importante asegurarse de pruebas se realizaron con el mismo tipo de antena con la que está ahora utilizando la radio. El cambio de una antena 6-dBm a una antena 3-dBm tanto en la transmisión y recepción lado provocará una diferencia 6-dBm en el presupuesto del enlace y reducir el intervalo a la mitad.

Altura de la antena y de la zona de Fresnel

Altura de la antena es otro motivo de preocupación para las mediciones empíricas. El aumento de la altura de una antena hace dos cosas principales. Primero, puede ayudar a conseguir que por encima de las posibles obstrucciones, como los coches, personas, árboles y edificios. En segundo lugar, puede ayudar a que su ruta de señal verdadera RF LOS al menos 60 aclaramiento% en la zona de Fresnel.

La zona de Fresnel es un volumen elipsoide entre el transmisor y el receptor cuya área está definida por la longitud de onda de la señal. Es un área calculada que se esfuerza para dar cuenta de la obstrucción o de difracción de las ondas de radio. Se utiliza para calcular la distancia adecuada de una señal debe tener alrededor de los obstáculos para lograr la intensidad de la señal óptima. Una regla general es que la trayectoria LOS clara por encima de los obstáculos que no son más que 60% de la altura de la antena.

La curvatura de la Tierra también puede afectar LOS de largo alcance enlaces inalámbricos. La tabla proporciona algunos ejemplos del impacto, donde la altura de la Tierra en el punto medio de la ruta de enlace no tiene en cuenta colinas u otras características del terreno y la altura de la antena alcanza una señal de que es al menos 60% en la zona de Fresnel.
En muchas situaciones prácticas, sus transceptores pueden funcionar con una altura de la antena más baja, pero es una buena apuesta que los fabricantes colocan sus antenas a una altura adecuada. Para su aplicación, debe esforzarse por tener una altura de la antena apropiada para lograr la mejor gama. Figura 2 ilustra cómo distancia de la trayectoria, altura de los obstáculos, y la altura de la antena están relacionados con la zona de Fresnel.

2. La altura de la antena deseada está determinada por la altura de los obstáculos y la factorización en 60% de margen para compensar las condiciones de la zona de Fresnel.

Finalmente, el ruido y la interferencia pueden tener un impacto negativo en el rango de un sistema inalámbrico. El ruido no se puede controlar, pero debe tenerse en cuenta en el rango si se trata de un problema. En las bandas industriales, científicas y médicas (ISM) en 902 a 928, a menudo se puede esperar interferencias MHz (América del Norte) y 2.4 GHz (mundial), pero que representa es difícil. Los fabricantes pueden realizar pruebas empíricas sólo cuando la interferencia no está presente. Sin duda, es probable que el entorno tiene una mayor interferencia que estuvo presente durante las pruebas del fabricante.

Resumen

Con tantas variables en un sistema, ¿cómo se puede saber si el intervalo reivindicado por un fabricante se aplicará a su sistema? A menudo es imposible saber si las pruebas se llevaron a cabo empíricamente o si se calcularon los números de rango. De cualquier manera, mediante el análisis de la potencia de transmisión máxima y la sensibilidad del receptor, puede generar una línea de base para comparar una radio a la siguiente. El uso de estos números, junto con un margen conjunto desvanecen y las ganancias debido a las antenas o pérdidas debidas a los cables de RF, se puede calcular un presupuesto máximo de enlaces. A continuación, utilice la ecuación de distancia por encima para calcular su propia gama. Por diversos dispositivos de radio, esto debería proporcionar una buena base para comparar dos o tres sistemas que satisfagan sus necesidades.

Para entender si las radios funcionarán en su solicitud, usted debe esforzarse para las pruebas del mundo real precisos que pueden dar cuenta de altura de la antena, múltiples, interferencias y obstrucciones. El retraso de las pruebas del mundo real para su aplicación y sólo tomando los números del fabricante textualmente puede hacer que te pregunta: "¿Cuál es mi rango?"

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