При проектировании системы, основанной на радиоканале, максимальное расстояние между передатчиком и приемником является одним из самых важных параметров, который будет в максимальной степени влиять на процесс проектирования и монтаж системы. В процессе разработки радиосистемы инженер, как правило, оптимизирует все остальные параметры для того, чтобы добиться максимальной дальности связи. Это позволяет избежать повышения выходной мощности, применения ретрансляторов или усилителей. При разработке системы радиосвязи необходимо всегда стремиться обеспечить максимальное возможное расстояние. Если дальность связи получается слишком большой, имеет смысл уменьшить выходную мощность и, как следствие, конечное потребление тока изделием.

Передача радиосигнала через бетонные и кирпичные стены в городской среде с радиочастотными (RF) шумами на дистанции нескольких сотен метров может быть такой же трудной, как и обеспечение связи в прямой видимости (LoS) на дистанции в несколько километров [23].

Выбор оптимальной частоты для системы в диапазоне ISM, равном 0,169…2,4 ГГц, не всегда очевиден. Характеристики антенны, рабочего изделия и его местоположение, законодательные ограничения по максимальной выходной мощности, нежелательные источники помех, рабочая частота, конфигурация радио и затухание в среде распространения, электромагнитная совместимость -- все эти параметры определяют максимально возможное расстояние между приемником (Rx) и передатчиком (Tx).

Примеры реалистических прогнозов расстояния рассматриваются на базе двухлучевой модели распространения радиоволн и по формуле Фрииса [17]. Данная модель также может учитывать типичные строительные материалы зданий. Ниже будут приведены результаты расчетов по данной модели.

Распространение

Есть три основных модели распространения радиосигналов:

1. Волны частотой всего несколько МГц, которые параллельны Земле и огибают ее поверхность;

2. Пространственные волны, отражающиеся от верхних слоев атмосферы и Земли, которые находятся в диапазоне приблизительно 3…30 МГц;

3. Волны, распространяющиеся в пределах прямой видимости (LOS).

Самые общие диапазоны ISM для радиосвязи - это 169 МГц, 315 МГц, 433 МГц, 490 МГц, 780 МГц, 868 МГц, 915 МГц и 2,4 ГГц. Распространение всех этих волн осуществляется в пределах LOS. Максимальное расстояние LOS (км) зависит от искривления Земли (радиус земли равен 6365 км) и высот антенны передатчика (H1) и приемника (H2):

(1)

Бюджет канала

Бюджет радиоканала грубо равен разности в дБ между выходной мощностью передатчика в дБм и пределом чувствительности радио в -дБм. Например, при выходной мощности передатчика +10 дБм и пределе чувствительности приемника -110 дБм бюджет канала составит примерно 120 дБ:

Бюджет канала ? Выходная мощность Тх (дБм) - Чувствительность Rх (-дБм).

Фактический бюджет канала дополнительно учитывает усиление антенны передатчика и приемника, как показано в формуле:

Бюджет канала = Выходная мощность Tх (дБм) + Коэффициент усиления антенны Tх (дБи) -Чувствительность Rх (-дБм) + Коэффициент усиления антенны Rх (дБи)

Бюджет канала = РТ + GТ + РR + GR, (4)

Где:

· PR -- мощность, полученная от приемной антенны;

· РТ -- мощность, подаваемая на передающую антенну;

· GR -- коэффициент усиления приемной антенны;

· GТ -- коэффициент усиления передающей антенны.

Для идеальной дипольной антенны коэффициент усиления антенны (дБи) составляет 2,1 дБ; то есть в предыдущем примере бюджет канала составил бы 124,2 дБ.

В цифровых радиосистемах чувствительность часто определяется как уровень входного сигнала, при котором частота появления ошибок в приемнике превысит 1%. Частота появления ошибок может быть вычислена на основе частоты появления ошибок пакета (PER) или частоты появления ошибок битов (BER).

Потери распространения

Связь достигается за счет передачи энергии сигнала от точки расположения передатчика до местоположения приемника. Энергия полученного сигнала должна быть достаточной, чтобы отличить требуемый сигнал от всегда присутствующего шума. Это требование определяется как необходимое отношение «сигнал-шум» (S/N). В спецификациях приемника иногда задается отношение S/N, при котором обеспечивается нормальный прием сигнала, однако чаще чувствительность определяется как абсолютный уровень в дБм (отрицательная величина).

Уравнение Фрииса

Уравнение передачи Фрииса используется в телекоммуникационной инженерии и дает мощность, полученное одной антенной при идеализированных условиях, излучаемых к другой антенне на некотором расстоянии, далеко передающее известное количество энергии. Формула была разработана в 1945 датско-американским радиоинженером Гаральдом Т. Фриисом в «Bell Labs», которая была позже опубликована в 1946. Расстояние в радиосвязи в общем случае вычисляется по уравнению Фрииса:



(5)

Где:

· РR -- мощность, полученная от приемной антенны;

· РТ -- мощность, подаваемая на передающую антенну;

· GR -- коэффициент усиления приемной антенны;

· GТ -- коэффициент усиления передающей антенны;

· d -- расстояние;

· c -- скорость света в вакууме = 299,972458Ч106 м/с;

· л -- длина волны;

· л = c/f;

· f -- частота.

Формула (5) описывает уровень сигнала в приемнике (PR) относительно выходной мощности передатчика (PT), расстояния (d), частоты (л) и коэффициентов усиления антенн (GT и GR).

Например, мощность, полученная от приемной антенны на расстоянии 100 м при работе на частоте 2445 МГц и значениях PT = 1 мВт (0 дБм); GR = 1 дБ; GT = 1 дБ, рассчитанная по стандартному выражению Фрииса, составляет:

(6)

То есть, в свободном пространстве потери распространения до приемника составляют 80,2 дБ.

Разность между мощностью полученного сигнала (PR) и чувствительностью приемника называется энергетическим запасом или защитной полосой. Для реалистической оценки бюджета канала и ожидаемого расстояния, помимо потерь, предсказанных Фриисом, должны быть приняты во внимание дополнительные потери.

Согласно формуле Фрииса (5), теоретическая дальность связи равна расстоянию, на котором канал работает на уровне сигнала, равном уровню чувствительности приемника.

Двухлучевая модель распространения радиоволн

В типичном радиоканале волны от передатчика отражаются и перекрываются всеми объектами, облучаемыми антенной передатчика. Вычисление расстояния в такой среде является достаточно сложной задачей. Часто среда включает несколько подвижных объектов, которые еще более усложняют расчет. Большинство измерений расстояния выполняется на больших открытых пространствах без каких-либо преград, движущихся объектов или мешающих радиоисточников. Это делается для того, чтобы добиться единообразных повторяемых измерений. Формула (5) требует прямой видимости между антеннами приемника и передатчика. Носимое оборудование обычно работает у поверхности земли. Это подразумевает, что для вычисления расстояния, которое бы было ближе к реальности, нужно учитывать также влияние Земли[17].

Рис. 13. Передача с отражением от Земли

На рисунке 13 показана ситуация с бесконечной абсолютно плоской поверхностью Земли и при отсутствии иных объектов, затрудняющих прохождение сигнала. Полная полученная энергия может быть при этом смоделирована как векторная сумма непосредственно переданной волны и волны, отраженной от Земли [29].

Эти две волны складываются с положительным или отрицательным эффектом в зависимости от различия их фазы в приемнике. Величина и фаза непосредственно переданной волны меняются в зависимости от пути распространения сигнала. Величина отраженной волны зависит от общего расстояния, на которое она распространяется, и коэффициента отражения (Г), описывающего волны до и после отражения.

Коэффициент отражения

Всякий раз, когда падающий радиосигнал попадает на границу между различными диэлектрическими средами, часть энергии отражается, в то время как оставшаяся энергия передается через границу сред. Отраженная часть зависит от поляризации сигнала, угла падения и различных диэлектрических постоянных (еr, мr и у). Предполагаем, что оба вещества имеют равные проводимости мr = 1 и что один диэлектрик -- это свободное пространство, тогда формулы (7) и (8) будут задавать коэффициенты отражения Френеля для вертикально и горизонтально поляризованных сигналов:

(7)

(8)

Формулы (7) и (8) требуют некоторых электрических данных относительно поверхности земли в месте проведения теста. Для типичных условий земли (почва) обычно используется еr = 18. Для воды, как правило, используется еr = 88 и для песка еr = 2,5.

В системах, где H1 и H2 малы по сравнению с расстоянием (d), формулы (7) и (8) могут быть упрощены и Гv = Гh = -1 (например, для систем с малым углом падения вся энергия отражается). Изменение фазы отраженной волны также существенно для бюджета передачи, что показано на рисунках 2 и 3. На этих рисунках показано влияние поляризации и земли при измерениях в открытом пространстве. Значения вычислены с помощью табличного процессора Excel и основаны на формулах, которые приведены в приложении. На рисунках также показано, что горизонтальная поляризация (H) более восприимчива к замираниям от многолучевого распространения по сравнению с вертикально поляризованным сигналом (V).

Рис. 14. Оценка расстояния при вертикальной поляризации



Рис.15 . Оценка расстояния для горизонтальной поляризации

Для большинства приложений характерны сильные кроссполяризационные компоненты (смесь вертикальной и горизонтальной поляризаций), что усложняет разделение поляризаций. Фактический уровень сигнала часто находится между вычисленными выше вертикальными и горизонтальными уровнями.

На рисунке 14 показана оценка значений для вертикально поляризованного сигнала частотой 920 МГц, а на рисунке 15 -- для горизонтально поляризованного сигнала. Оценки расстояний для микросхемы CC112x при работе в свободном пространстве на скорости передачи примерно 2 Mбит/с и с уровнем чувствительности -110 дБм, показаны на рисунках 14 и 15. Для измерения эффективного расстояния, как правило, проводится тест на количество ошибочно принятых пакетов (PER) и регистрируется принимаемый уровень сигнала (RSSI); затем расстояние между приемником и передатчиком увеличивается. На рисунке показано, что связь может быть плохой уже приблизительно на расстоянии 5000 м, но, очевидно, потенциальное расстояние намного больше ожидаемого и должно быть приблизительно равно 5600м [18].

Местоположение мертвой точки меняется в зависимости от частоты, подстилающей поверхности земли и высоты антенны. Важно знать об этом во время тестирования расстояния, чтобы идентифицировать любые мертвые точки и правильно определить максимальное расстояние.

Невосприимчивость к нежелательным RF-сигналам (блокировка/селективность)

Необходимо проверить, что используемое испытательное пространство свободно от других RF-источников в том же диапазоне частот или на близких частотах (±10 МГц). Это можно сделать с помощью анализатора спектра (в режиме обзора широкой полосы частот), чтобы обнаружить RF-источники до проведения теста. Такую проверку во время тестирования желательно повторять регулярно. В общем случае рекомендуется выбрать испытательное пространство с низкой вероятностью помех.

В случае нежелательных RF-сигналов расстояние может существенно зависеть от уровня этих сигналов и от того, насколько они близки к рабочей частоте радио. Становится все труднее найти испытательные RF-пространства без источников помех, так как число беспроводных устройств увеличивается. По прогнозам из различных источников, в 2020 году ожидается приблизительно 24…50 миллиардов беспроводных устройств. Таким образом, вероятность обнаружения испытательного пространства, которое не охвачено другими RF-сигналами, становится очень малой. Проектирование радиоканала с учетом влияния нежелательных RF-сигналов становится более важным из-за роста количества беспроводных устройств [26].

Всегда нужно планировать работу проектируемого устройства в среде с внешними RF-воздействиями, при этом характеристики системы не должны ухудшаться при появлении нежелательных RF-сигналов. Радиосистемы с плохими характеристиками селективности и блокировки в среде c внешними RF-воздействиями в будущем, очевидно, не будут конкурентоспособными.

Селективность и блокировка -- характеристики, позволяющие приемнику работать в условиях RF-помех. Селективность -- способность подавить помехи от нежелательных RF-сигналов, работающих в том же самом диапазоне частот. Блокировка -- способность отследить нежелательные RF-сигналы, которые работают на другой частоте, как правило, со сдвигом в несколько МГц (рисунок 16).

Рис. 16. Селективность и блокировка

Уровни селективности или блокировки на рисунках приведены в дБ, и не всегда очевидно, как их на практике учитывать при определении расстояния. Чтобы продемонстрировать влияние помех на устойчивость RF-канала, рассмотрим пример с двумя радио («A» и «B») с одним и тем же уровнем чувствительности, но с различными параметрами по селективности и блокировке [27].

Сначала рассмотрим ситуацию, представленную на рисунке 16. Мощность, полученная от источника помехи, равна -90 дБм. Уровень чувствительности равен -123 дБм как для радио «A», так и для радио «B». Разность между уровнем источника помехи и уровнем желаемого сигнала составляет 33 дБ. Это ниже, чем предел селективности и радио «A» (54 дБ), и радио «B» (42 дБ). На предел чувствительности -123 дБм источник помех никак не повлияет, таким образом «фактический предел чувствительности» и принят за уровень чувствительности, определенный в спецификации на радио, поэтому характеристики обоих радио не будут деградировать во время действия этого слабого источника помех.

Рис. 17. Слабый источник RF-помехи с уровнем -90 дБм

Теперь рассмотрим случай, когда источник помех излучает более сильный сигнал, как представлено на рисунке 18. Мощность, полученная от сильного источника помех, составляет теперь -50 дБм. Фактический предел чувствительности радио теперь зависит от способности блокировать сильный источник помех; как указано в спецификации, по селективности радио «A» будет иметь ограничение -104 дБм, а радио «B» -- ограничение -92 дБм, таким образом, уровень чувствительности никогда не будет достигаться.

Рис. 18. Сильный источник RF-помехи с уровнем -50 дБм



Если расстояние передачи для радио «A» и «B» ранее было оценено в 2600 м при наличии слабого источника помех или в отсутствии RF-помех, то сильный источник помех с уровнем -50 дБм может уменьшить это расстояние для радио «A» до 620 м, а для радио «B» -- до 250 м. Если бы система была спроектирована для работы на дальность 500 м - устройство с радио «B» прекратило бы работу во время сильных помех с уровнем -50 дБм [28].

Важно понимать возможные уровни помех в среде передачи, чтобы гарантировать заданную дальность. Приемники с отличными характеристиками селективности и блокировки станут более востребованы в будущем, когда число источников нежелательных RF-помех увеличится.

Моделирование расстояния в Excel

Высоты антенн передатчика Tx (H1) и приемника Rx (H2) вводятся в верхней части листа; для портативных устройств высоты обычно задаются примерно равными 1,5 м. Есть большое различие между расстоянием, полученным по уравнению Фрииса для передачи в условиях прямой видимости, и ожидаемым расстоянием, вычисленным по модели с отражением от земли. Это различие уменьшается, когда высота антенн увеличивается (H1 = H2 ?1 м). Реалистическая оценка расстояния базируется на модели, которая дополнительно учитывает отражение от земли.



Рис. 19. Скриншот листа Excel для ожидаемого расстояния.

График полученных данных показан справа, он выделяется красным цветом, если значения меньше, чем расчетное расстояние по формуле Фрииса и модели с отражением от земли (с двумя лучами). Поле «frequency» -- рабочая частота радио. Для указания полярности сигнала выбирается символ “V” для вертикальной поляризации и “H” - для горизонтальной. Должна быть также задана выходная мощность передатчика, обычно она находится в диапазоне -20-30 дБм в зависимости от типа используемой микросхемы. Должны быть также введены коэффициенты усиления для антенн Tx (GТ) и Rx (GR); для идеального согласованного диполя они равны 2,1 дБ. Может быть установлен тип поверхности (еr): земля (еr = 18), вода (еr = 88) или песок (еr = 2.5).

Установка скорости передачи обязательна, так как она определяет фактический уровень чувствительности радио на конкретной скорости. При большой скорости передачи всегда будет более низкий уровень чувствительности. Значения в данном расчете берутся из по стандартным спецификациям из открытых источник, но могут быть использованы любые другие.

Поле «Select Effective Attenuation between Rx and Tx» (рисунок 19) содержит некоторые опции, которые учитывают размер защитной полосы (энергетический запас канала); есть также несколько полей, чтобы выбрать различные строительные материалы, обычно используемые для расчета расстояния внутри здания. Уровень защитной полосы зависит от требуемого уровня запаса. Теоретически он может быть равен 0 дБ, то есть радиоканал при этом будет работать на пределе чувствительности. Для более устойчивого приема должно быть обязательно выбрано значение защитной полосы, обычно оно находится в диапазоне 10…20 дБм. Для системы, которая требует надежного и отказоустойчивого RF-канала, запас может быть дополнительно увеличен, тогда как для системы, которая может допускать повторные передачи и временные потери связи, запас может быть уменьшен. С эффектами многолучевого распространения уровень сигнала может меняться до 15 дБ, что следует учитывать и задавать защитную полосу >15 дБ. Если не использовать пространственное разнесение антенн, то рекомендуемая защитная полоса составляет 20 дБ, а в случае разнесения антенн ее можно уменьшить до 10 дБ [14].

При расчете расстояния в условиях LOS вне здания можно выбрать три поля для ввода, как показано на рисунке 19. Для более точной оценки расстояния внутри здания могут быть выбраны различные строительные материалы, соответствующие трем полям для ввода. Выбор материала представлен в таблице 3.

Таблица 3. Типичное ослабление для различных строительных материалов

Строительный материал	Ослабление, дБ, на частоте 500 МГц	Ослабление, дБ, на частоте 1 ГГц	Ослабление, дБ, на частоте 2,4 ГГц
Прямая видимость	0	0	0
Кирпич, 7?	3,5	5,5	7,5
Бетон, 8?	21	25	32
Гипсокартон (1/2?)	0,1	0,3	0,6
Стекло, 1/2?	1,2	2,2	3,4
Железобетон, 4?	23	27	31
Дерево, 3?	1,5	3	4,7

Но в данном расчете были применены только параметры рекомендуемой защитной полосы в 20 дБ.

Как видно из этой таблицы, прохождение сигнала через материал существенно зависит от частоты, и преимущество работы на более низкой частоте четко сказывается на бюджете канала и ожидаемом расстоянии. Эмпирическое правило -- каждое увеличение бюджета канала на 6 дБ удваивает расстояние. При передаче сигнала через восьмидюймовую (~20 см) бетонную стену на частоте 1 ГГц расстояние увеличится приблизительно вдвое по сравнению с подобной же системой, работающей на частоте 2,4 ГГц.

Если задать все параметры: высоту антенн, частоту, поляризацию, выходную мощность, коэффициент усиления антенны, земную поверхность, уровень чувствительности, защитную полосу и материал между Rx и Тx, тогда может быть вычислено более реалистичное расстояние по сравнению со стандартной формулой Фрииса [17].

Результаты

За основу для проведения расчетов были взяты следующие изменяемые параметры:

1. Частота: 50 МГц, 220 МГц, 500 МГц, 920 МГц, 2440 МГц [25].

2. Высота: 1,5 м, 25 м, 50 м, 75 м, 100 м, 1500 м, 3000 м.

3. Поляризация: вертикальная, горизонтальная.

4. Мощность передатчика: 15 дБм ( 0,03 Ватта), 30 дБм (1 Ватт).

Все остальные параметры оставались неизменны:

1. Коэффициент усиления приемной и передающей антенны: Kit Antenna - 3-920/900-5500 МГц (2,1 дБ).

2. Среда распространения: земля (18).

3. Чипсет: СС112х (уровень чувствительности - -110 дБм, фактический - -90 дБм)

4. Параметры рекомендуемой защитной полосы (20 дБ).

5. Другие материалы отсутствовали (LOS).

Последовательно были применены изменяемые параметры и произведено 112 расчетов, в результате чего были получены следующие блоки данных:

Реальное расстояние

Таблица 4. Блок данных при мощности в 15 дБм и вертикальной поляризации.

		Height
	15 дБм - V	1,5 м	25 м	50 м	75 м	100 м	1500 м	3000 м
Frequency	50 МГц	7900	16300	20400	23200	25500	61000	75500
	220 МГц	2950	6150	7700	8850	9750	24600	30050
	500 МГц	1725	3850	5000	5875	6575	16350	13350
	920 МГц	1180	3120	4190	4990	5650	7140	5370
	2440 МГц	800	2700	3500	3800	2200	2500	700

Таблица 5. Блок данных при мощности в 15 дБм и горизонтальной поляризации

		Height
	15 дБм - H	1,5 м	25 м	50 м	75 м	100 м	1500 м	3000 м
Frequency	50 МГц	3000	6300	8000	9100	10100	27700	36700
	220 МГц	1175	3175	4300	5200	5600	21300	29200
	500 МГц	820	2860	4000	4875	5600	18500	6700
	920 МГц	730	2790	3920	4760	5460	9870	6870
	2440 МГц	700	600	1400	4000	1300	3600	1700

Таблица 6. Блок данных при мощности в 30 дБм и вертикальной поляризации

		Height
	30 дБм - V	1,5 м	25 м	50 м	75 м	100 м	1500 м	3000 м
Frequency	50 МГц	25000	51700	64500	73600	80900	196900	246750
	220 МГц	9400	19300	24200	27600	30400	76600	97500
	500 МГц	5420	11540	14680	16990	18890	54600	71200
	920 МГц	3650	8550	11275	13350	15075	46750	53050
	2440 МГц	2100	6800	9400	11400	13000	16300	16500

Таблица 7. Блок данных при мощности в 30дБм и горизонтальной поляризации

		Height
	30 дБм - H	1,5 м	25 м	50 м	75 м	100 м	1500 м	3000 м
Frequency	50 МГц	9500	19800	24800	28400	31200	80400	104100
	220 МГц	3600	8500	11300	13400	15200	53000	73700
	500 МГц	2280	7040	9770	11860	13620	50500	69700
	920 МГц	1850	6725	9450	11550	13300	47500	58900
	2440 МГц	1700	6600	9200	11200	12800	16400	20400

Дальность по формуле Фрииса:

Таблица 8. Блок данных по дальности исходя из формулы Фрииса с мощностью в 15 дБм.

Частота (МГц)	Дальность(м)
50	137700
220	31300
500	13770
920	7480
2440	2800

Таблица 9. Блок данных по дальности исходя из формулы Фрииса с мощностью в 30 дБм.

Частота (МГц)	Дальность(м)
50	774500
220	176000
500	77500
920	42075
2440	15900



Таблица 10. Значения параметра LOS

Высота (м)	Дальность (м)
1,5	8700
25	22200
50	29600
75	35300
100	40000
1500	142600
3000	199800

А также отдельно для широкополосной сети:

Таблица 11. Дальность распространения для частоты 2440 МГц.

2440 МГц	1,5 м	25 м	50 м	75 м	100 м	1500 м	3000 м
15 дБм - V	800	2700	3500	3800	2200	2500	700
15 дБм - H	700	600	1400	4000	1300	3600	1700
30 дБм - V	2100	6800	9400	11400	13000	16300	16500
30 дБм - H	1700	6600	9200	11200	12800	16400	20400

Где:

• V - вертикальная поляризация

• H - горизонтальная поляризация

• 15 дБм - мощность передатчика в 0.03 Ватта

• 30 дБм - мощность передатчика в 1 Ватт

Так же можно вывести общие изменения по всем таблицам:



Таблица 12. График дальности сигнала при мощности 15 dBm с вертикальной поляризацией

Здесь мы наблюдаем визуальные изменение дальности при мощности 15 dBm, на определенных частотах, при смене высоты размещения источника с вертикальной поляризацией сигнала.

Таблица 13. График дальности сигнала при мощности 15 dBm с горизонтальной поляризацией

Здесь мы наблюдаем визуальные изменение дальности при мощности 15 dBm, на определенных частотах, при смене высоты размещения источника с горизонтальной поляризацией сигнала.

Таблица 14. График дальности сигнала при мощности 30 dBm с вертикальной поляризацией

Здесь мы наблюдаем визуальные изменение дальности при мощности 30 dBm, на определенных частотах, при смене высоты размещения источника с вертикальной поляризацией сигнала.

Таблица 15. График дальности сигнала при мощности 30 dBmс горизонтальной поляризацией



Здесь мы наблюдаем визуальные изменение дальности при мощности 30 dBm, на определенных частотах, при смене высоты размещения источника с горизонтальной поляризацией сигнала.

Таблица 16. Параметр LOS

Изменения параметра LOS происходили только при изменении высоты, так как он зависит только от радиуса кривизны Земли и высот антенн передатчика (H1) и приемника (H2).

Таблица 17. Изменения по формуле Фрииса при мощности в 15 дБм



Изменения происходили только при смене частот при постоянной мощности в 15 дБм. Здесь теоретическая дальность связи равна расстоянию, на котором канал работает и уровню мощности сигнала.

Таблица 18. Изменения по формуле Фриис при мощности в 30 дБм

В этой диаграмме все происходили по аналогии с предыдущей, только при постоянной мощности в 30 дБм.

Таблица 19. График изменения дальности сигнала при частоте 2440 МГц.

Так же интересует и создание широкополосной системы связи. Был проведен расчет для частоты 2440 МГц по стандарту IEEE 802 [23]. Здесь имеем возможность визуально наблюдать за изменением дальность сигнала, при неизменной частоте.



Заключение

При вычислениях для получения реалистичной оценки дальности связи использованы формула Фрииса и двухлучевая модель распространения. Двухлучевая модель принимает во внимание земную поверхность, влияние которой всегда будет уменьшать достижимое расстояние. Демонстрируют важность учета высоты антенны и ограничений прямой видимости, показано преимущество работы на более низкой частоте, чтобы достигнуть большего расстояния. для перекрытия максимальной территории необходимо учитывать следующие факторы:

• Мощность передатчика

• Поляризацию сигнала

• Высота размещения передатчика

Так, на частоте в 50 МГц дальности распространения при 15 дБм, вертикальной поляризации и размещении передатчика на высоте 100 м, достигает 25,5 км, а при 3 км - 75,5 км. При увеличении значения мощности передатчика до 30 дБм, показатели вырастают до 80,9 км и 246,75 км соответственно.

При 500 МГц, 15 дБм, вертикальной поляризации и размещении на высоте 100 м - дальность 6,6 км и 30 дБм - 19 км.

Фактически, для организации радиосвязи можно использовать передатчики с УКВ диапазоном, что, в конечном счете, более выгодно, так как используется меньшее количество оборудования, за счет особенностей данного диапазона. Вертикально поляризованный сигнал показывает более лучшие характеристики по дальности распространения, за счет меньшей восприимчивости к замиранию от многолучевого распространения.

Но, для организации широкополосной системы связи действуют другие приоритеты. Для маломощных передатчиков практичнее использовать БПЛА ближнего радиуса действия (привязного типа или нет, следует выбирать по количеству времени, необходимого на работу на местности и конечной полезной нагрузки), так как в результате расчетов при частоте 2,44 ГГц, при мощности в 15 дБм и горизонтальной поляризации сигнал покрывает местность радиусом в 4 км на высоте 75 м. Но при увеличении мощности передатчика до 30 дБм, смене поляризации и высоты до 100 м, то радиус возрастает до 13 км.

Для мощных передатчиков практичнее использовать БПЛА дальнего радиуса действия или аэростатного типа, так как при размещении на высоте 1500 м при обоих типах поляризации можно перекрыть сигналом местность до 16,5 км. При увеличении высоты размещения аппарата рациональнее использовать вертикально поляризованный сигнал, так как радиус покрытия возрастает на 19,12 %.

Данные расчеты, показывают возможность и рациональность в создании такой системы, так как она будет иметь ряд преимуществ, по сравнению с существующими, а именно:

· Многофункциональность;

· Дешевизна;

· Возможность размещения в любой точке на любом типе местности и в любую погоду.



Список используемых источников

1. «Системы широкополосного доступа» // http://studopedia.net/12_1171_tema-sistemi-shirokopolosnogo-besprovodnogo-dostupa.html. Дата обращения 25 апреля 2017 года.

2. «Беспилотный комплекс: квадрокоптер на борту наземного беспилотника» SMP Robotics. http://www.smprobotics.ru/applications/bespilotnyy-kompleks/. Дата обращения 25 апреля 2017 года.

3. «Взлёт», 2011 № 06 http://flibusta.net/b/293703. 01.06.2011. Дата обращения 15 апреля 2017 года.

4. «Взлёт», 2014 № 11 http://coollib.com/b/318056/read#3. 01.11.2014. Дата обращения 15 апреля 2017 года.

5. «Комплекс обеспечения радиосвязи с использованием беспилотного летательного аппарата (БПЛА) на территории с разрушенной инфраструктурой связи в зонах стихийного бедствия и чрезвычайных ситуаций» http://www.findpatent.ru/zayavka/2015-02-10/2013136335.html. Дата обращения 29 апреля 2017 года.

6. Балицкий В.С., Каверный А.В., Корвяков П.В., Лазутин В.А. // «Система видеомониторинга и связи» http://www.findpatent.ru/patent/238/2387080.html#1. 2015. Дата обращения 1 мая 2017 года.

7. Балицкий В.С., Каверный А.В., Корвяков П.В., Лазутин В.А. // «Мобильная станция видеомониторинга и связи» http://www.findpatent.ru/patent/239/2398353.html#1. 2015. Дата обращения 1 мая 2017 года.

8. «Привязной БПЛА Air-Q8» http://roboair.ru/air-400x---carrier. Дата обращения 10 мая 2017 года.

9. «Специальный ретранслятор» http://zonatex.ru/blog/bot/234.html#cut. Дата обращения 10 мая 2017 года.

10. «Широкополосный беспроводной доступ - ШБД (BWA - Broadband Wireless Access)» varpLINK, http://varplink.com/article/bwa. Дата обращения 1 апреля 2017 года.

11. Excel Sheet for Range Calculation. https://msdn.microsoft.com/en-us/library/office/ff834613.aspx. Microsoft corporation. 2017. Дата обращения 20 апреля 2017 года.

12. CC-Antenna-DK Documentation and Antenna Measurements Summary (SWRA328). Texas Technology. 2013.

13. CC-Antenna-DK Reference Design. http://www.ti.com/lit/zip/swrr070. Дата обращения 14 мая 2017 года.

14. Antenna Selection Quick Guide (SWRA351).Texas Technology. 2013.

15. Antenna Diversity (SWRA469). Texas Technology. 2013.

16. Friis - Shaw, J.A. «Radiometry and the Friis transmission equation». Am. J. Physics. 81 (33): стр. 33-37. 2013.

17. «Теория радиоволн. Стандарты связи, Беспроводные технологии» https://habrahabr.ru/post/158161/. Дата обращения 25 апреля 2017 года.

18. Международные стандарты связи. http://citforum.ru/nets/semenov/4/41/802_16.shtml. Дата обращения 10 мая 2017 года.

19. Ричард Уоллес «Максимальная дальность связи по радиоканалу в системе: как этого добиться?», Журнал «Новости Электроники». №11. 2015. Статья 2.

20. С.И. Макаренко, М.С. Иванов, С.А. Попов «Помехозащищенность систем связи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты» Санкт-Петербург. 2013

21. Kevin John Wang «An Ultrasonic Compass for Context-Aware Mobile Applications». Cambridge: Massachusetts institute of technology. 07.06.2004.

22. IEEE 802 LAN/MAN Standards Committee. Дата введения 1 января 2013.

23. Kahan, Willian. «On the Cost of Floating-Point Computation Without Extra-Precise Arithmetic» // 25.12.2012.

24. Волкова Ю.В «Автоматика, связь, информатика», «Российское бесполосье» стр. 20-22 2007

25. Standard «Selcall» of CCIR. Дата введения 10 октября 2011.

26. ГОСТ CISPR 24-2013 Совместимость технических средств электромагнитная. Оборудование информационных технологий. Устойчивость к электромагнитным помехам. Требования и методы испытаний. Дата введения 15 октября 2013.

27. ГОСТ Р 50627-93. Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к динамическим изменениям напряжения сети электропитания. Технические требования и методы испытаний. Дата введения январь 1995 года.

28. ГЭТ 75-2011 Государственный эталон единицы волнового сопротивления в коаксиальных волноводах. Дата введения обращения 30 марта 2017 года.

29. А.В. Абилов «Распространение радиоволн в сетях подвижной связи» Изд-во ИжГТУ, 2005. - 24 с

30. Р-187П1 «Азарт, радиостанция» http://www.arms-expo.ru/armament/samples/1497/73164/. Дата обращения 5 мая 2017 года.

31. 

Приложение 1

Алгоритм расчета уравнения Фрииса с учетом отражения радиосигнала от Земли

% **********************************************************

% function retvar - эта функция вычисляет потери в радиоканале с учетом отражения от земли

% h1 - высота передающей антенны над землей.

% h2 - высота приемной антенны над землей.

% d - расстояние между этими двумя антеннами (в проекции на плоскость земли)

% er - относительная диэлектрическая постоянная земли.

% pol - поляризация сигнала `H' = горизонтальная, `V' = вертикальная

% freq - частота сигнала в Гц

% Передающая и приемная антенны предполагаются идеальными изотропными с G = 0 дБ

% function retvar=friis_equation_with_ground_presence(h1,h2,d,freq,er,pol)

c=299.972458e6; % Скорость света в вакууме [м/с]

Gr=1; % Усиление приемной антенны.

Gt=1; % Усиление передающей антенны.

Pt=1e-3; % Энергия к передающей антенне [Вт]

lambda=c/freq; % м

phi=atan((h1+h2)./d); % phi -- угол падения на землю.

direct_wave=sqrt(abs(h1-h2)^2+d.^2); % Расстояние, пройденное прямой волной

refl_wave=sqrt(d.^2+(h1+h2)^2); % Расстояние, пройденное отраженной волной

if (pol==`H') % Коэффициент отражения при горизонтальной поляризации

gamma=(sin(phi)-sqrt(er-cos(phi).^2))./(sin(phi)+sqrt(er-cos(phi).^2));

else

if (pol==`V') % Коэффициент отражения при вертикальной поляризации

gamma=(er.*sin(phi)-sqrt(er-cos(phi).^2))./(er.*sin(phi)+sqrt(er-cos(phi).^2));

else

error ([pol,'неверная поляризация']);

end %if

end %if

length_diff=refl_wave-direct_wave;

cos_phase_diff=cos(length_diff.*2*pi/lambda).*sign(gamma);

Direct_energy=Pt*Gt*Gr*lambda^2./((4*pi*direct_wave).^2);

reflected_energy=Pt*Gt*Gr*lambda^2./((4*pi*refl_wave).^2).*abs(гамма);

Total_received_energy=Direct_energy+cos_phase_diff.*reflected_energy;

Total_received_energy_дБм=10*log10(Total_received_energy*1e3);

retvar=Total_received_energy_дБм;

%end function.

Размещено на Allbest.ru