№11 / 2015 / статья 2

Максимальная дальность связи по радиоканалу в системе: как этого добиться?

Ричард Уоллес (Texas Instrument)

Для того, чтобы добиться оптимальной дальности связи по радиоканалу при работе с радиомодулями CC1120 и CC1190 производства Texas Instruments, надо, прежде всего, вспомнить теорию, затем просчитать необходимые значения с помощью табличного процессора Excel, а уж потом – проверить расчет в ходе полевых испытаний при разных условиях окружающей среды.

Устойчивая приемо-передача радиосигнала для одинаково настроенных трансиверов существенно зависит от окружающей среды. Энергетический бюджет радиоканала, позиционирование антенн и их расстояния от поверхности Земли — важнейшие параметры для обеспечения максимально возможной дальности связи. В общем случае заданное расстояние никогда не может быть определено или гарантировано для любого типа радиосвязи, пока среда распространения радиоволн не определена. Оценка ожидаемой дальности связи — трудная задача, и вычисления с помощью табличного процессора Excel [1] помогают рассчитать реальное расстояние, которое может быть достигнуто для известной среды.

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 расстояние. Если дальность связи получается слишком большой, имеет смысл уменьшить выходную мощность и, как следствие, потребление тока.

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.

Выбор оптимальной частоты для системы в диапазоне ISM, равном 0,169…2,4 ГГц, не всегда очевиден. Характеристики антенны и ее местоположение, законодательные ограничения по максимальной выходной мощности, нежелательные источники помех, рабочая частота, конфигурация радио и затухание в среде распространения — все это определяет максимальное расстояние между приемником (Rx) и передатчиком (Tx).

Примеры реалистических прогнозов расстояния рассматриваются на базе двухлучевой модели распространения радиоволн и по формуле Фрииса. Данная модель также может учитывать типичные строительные материалы зданий. Ниже будут приведены результаты практических тестов, которые проводились внутри высотного здания, в городской среде с плотной застройкой и на расстоянии более 100 км на открытом пространстве. В последнем случае для обеспечения условий прямой видимости передатчик был поднят на большую высоту относительно земли.

Теория

Распространение

Есть три основных модели распространения радиосигналов: волны частотой всего несколько МГц, которые параллельны Земле и огибают ее поверхность; пространственные волны, отражающиеся от верхних слоев атмосферы и Земли, которые находятся в диапазоне приблизительно 3…30 МГц; 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) (таблица 1):

47836(1)

Поэтому, чтобы протестировать радиоканал с приемником, размещенным на уровне земли и имеющим бюджет, обеспечивающий передачу на дальность большее 112 км, передатчик должен быть размещен на высоте более 1000 метров.

Таблица 1. Расстояние прямой видимости с приемником на уровне земли

Высота антенны H1, м, при H2 = 0 м LOSmax, км
10000 356,8
1000 112,8
100 35, 7
10 11,3
1 3,6
0 0

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 TX (дБм) – Чувствительность RX (-дБм) (2)

Фактический бюджет канала дополнительно учитывает усиление антенны передатчика и приемника, как показано в формуле (3):

Бюджет канала = Выходная мощность TX (дБм) + Коэффициент усиления антенны TX (дБи) – Чувствительность RX (-дБм) + Коэффициент усиления антенны RX (дБи) (3)

Бюджет канала = PТ + GТ + PR + GR, (4)

где PR — мощность, полученная от приемной антенны;
PT — мощность, подаваемая на передающую антенну;
GR — коэффициент усиления приемной антенны;
GT — 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

Разберем теорию, используемую для определения расстояния для радиосистем в открытой среде и свободном пространстве. Расстояние в радиосвязи в общем случае вычисляется по уравнению Фрииса:

49666(5)

где PR — мощность, полученная от приемной антенны;
PT — мощность, подаваемая на передающую антенну;
GR — коэффициент усиления приемной антенны;
GT — коэффициент усиления передающей антенны;
d — расстояние;
c — скорость света в вакууме = 299,972458×106 м/с;
λ — длина волны; λ = c/f;
f — частота.

Формула (5) описывает уровень сигнала в приемнике (PR) относительно выходной мощности передатчика (PT), расстояния (d), частоты (λ) 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:

49675(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.

Рис. 1. Передача с отражением от Земли

Рис. 1. Передача с отражением от Земли

На рисунке 1 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.

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 (Γ), 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 (εr, μr и σ). Предполагаем, что оба вещества имеют равные проводимости μr = 1 и что один диэлектрик — это свободное пространство, тогда формулы (7) и (8) будут задавать коэффициенты отражения Френеля для вертикально и горизонтально поляризованных сигналов:

47925(7)

47936(8)

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

В системах, где H1 и H2 малы по сравнению с расстоянием (d), формулы (7) и (8) могут быть упрощены и Γv = Γh = -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. 2. Оценка расстояния при вертикальной поляризации

Рис. 2. Оценка расстояния при вертикальной поляризации

Рис. 3. Оценка расстояния для горизонтальной поляризации

Рис. 3. 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 2 показана оценка значений для вертикально поляризованного сигнала частотой 2440 МГц, а на рисунке 3 — для горизонтально поляризованного сигнала. Оценки расстояний для микросхемы CC2541 при работе в свободном пространстве на скорости передачи 2 Mбит/с и с уровнем чувствительности -86 дБм, показаны на рисунках 2 и 3. 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 3 показано, что связь может быть плохой уже приблизительно на расстоянии 22 м, но, очевидно, потенциальное расстояние намного больше ожидаемого и должно быть приблизительно равно 100 м.

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.

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 4).

Рис. 4. Селективность и блокировка

Рис. 4. 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.

Сначала рассмотрим ситуацию, представленную на рисунке 5. 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. 5. Слабый источник RF-помехи с уровнем –90 дБм

Рис. 5. Слабый источник RF-помехи с уровнем –90 дБм

Теперь рассмотрим случай, когда источник помех излучает более сильный сигнал, как представлено на рисунке 6. 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. 6. Сильный источник RF-помехи с уровнем –50 дБм

Рис. 6. 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.

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

Чтобы облегчить оценку расстояния, была составлена специальная Excel-таблица, в которую можно ввести различные параметры для определения расстояния; этот файл можно загрузить с сайта сообщества E2E [1] (http://e2e.ti.com/support/wireless_connectivity/f/156/t/375556).

Поля для ввода данных показаны серым цветом (рисунок 7). Высоты антенн передатчика Tx (H1) и приемника Rx (H2) вводятся в верхней части листа; для портативных устройств высоты обычно задаются примерно равными 1,2 м. Обратите внимание, что 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. 7. Скриншот листа Excel для ожидаемого расстояния

Рис. 7. 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 (GT) и Rx (GR); для идеального согласованного диполя они равны 2,1 дБ, если тип антенны неизвестен – ориентируйтесь на значения 0…2,1 дБм. В таблице приведено несколько реально существующих антенн вместе с их коэффициентами усиления; в списке коэффициенты меняются в диапазоне -6…2,1 дБ. Может быть установлен тип поверхности (εr): земля (εr = 18), вода (εr = 88) или песок (εr = 2.5); если тип поверхности неизвестен – то оставьте типичное значение 18.

Доступен также список различных микросхем радио с указанием их чувствительности, предусмотрена настройка скорости передачи. 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.

В таблице 2 приведен список устройств с радиоканалом вместе со скоростями передачи данных, предусмотренный на листе Excel. Если нужное вам радио и скорость передачи не найдены – выберите строку, которая дает примерно тот же уровень чувствительности, как и у вашей микросхемы.

Таблица 2. Уровни чувствительности для различных устройств и скоростей передачи

Устройства с частотой менее 1 ГГц Уровень чувствительности, дБм Устройства с частотой 2,4 ГГц Уровень чувствительности, дБм
CC11L — 0,6 кбит/с -116 CC2520 — 250 кбит/с -98
CC11L — 1,2 кбит/с -112 CC2530 — 250 кбит/с -97
CC11L — 38,2 кбит/с -104 CC2538 — 250 кбит/с -97
CC11L — 250 кбит/с -95 CC2540 — 1 Мбит/с (HG) -93
CC11L — 500 кбит/с (MSK) -90 CC2540 — 1 Мбит/с (Std) -87
CC11L — 500 кбит/с (4-FSK) -96 CC2541 — 250 кбит/с (160 кГц fdev) -98
CC110x — 0,6 кбит/с -116 CC2541 — 500 кбит/с (MSK) -99
CC110x — 1,2 кбит/с -112 CC2541 — 1 Мбит/с (160 кГц fdev) -91
CC110x — 38,2 кбит/с -104 CC2541 — 1 Мбит/с (250 кГц fdev) -94
CC110x — 250 кбит/с -95 CC2541 — 2 Мбит/с (320 кГц fdev) -86
CC110x — 500 кбит/с (MSK) -90 CC2541 — 2 Мбит/с (500 кГц fdev) -90
CC110x — 500 кбит/с (4-FSK) -96 CC2543 — 250 кбит/с (160 кГц fdev) -98
CC111x — 1,2 кбит/с -110 CC2543 — 500 кбит/с (MSK) -98
CC111x — 38,2 кбит/с -102 CC2543 — 1 Мбит/с (160 кГц fdev) -91
CC111x — 250 кбит/с -94 CC2543 — 1 Мбит/с (250 кГц fdev) -94
CC111x — 500 кбит/с (MSK) -86 CC2543 — 2 Мбит/с (320 кГц fdev) -86
CC1125 CC1190 — 0,6 кбит/с (LRM) -129 CC2543 — 2 Мбит/с (500 кГц fdev) -90
CC1120 CC1190 — 0,6 кбит/с (LRM) -126,5 CC2544 — 250 кбит/с (160 кГц fdev) -95
CC112x — 0,3 кбит/с (CG — 4 кГц fdev) -127 CC2544 — 500 кбит/с (MSK) -96
CC112x — 1,2 кбит/с (4 кГц fdev) -123 CC2544 — 1 Мбит/с (160 кГц fdev) -87
CC112x — 1,2 кбит/с (10 кГц fdev) -120 CC2544 — 1 Мбит/с (250 кГц fdev) -91
CC112x — 1,2 кбит/с (20 кГц fdev) -117 CC2544 — 2 Мбит/с (320 кГц fdev) -84
CC112x — 4,8 кбит/с (OOK) -114 CC2544 — 2 Мбит/с (500 кГц fdev) -88
CC112x — 38,4 кбит/с (20 кГц fdev) -110 CC2545 — 250 кбит/с (160 кГц fdev) -98
CC112x — 50 кбит/с (25 кГц fdev) -110 CC2545 — 500 кбит/с (MSK) -98
CC112x — 200 кбит/с (83 кГц fdev) -103 CC2545 — 1 Мбит/с (160 кГц fdev) -91
CC120x — 1,2 кбит/с (4 кГц fdev) -122 CC2545 — 1 Мбит/с (250 кГц fdev) -94
CC120x — 4,8 кбит/с (OOK) -113 CC2545 — 2 Мбит/с (320 кГц fdev) -86
CC120x — 32,768 кбит/с (50 кГц fdev) -108 CC2545 — 2 Мбит/с (500 кГц fdev) -90
CC120x — 38,4 кбит/с (20 кГц fdev) -110 CC2500 — 2,4 кбит/с -104
CC120x — 50 кбит/с (25 кГц fdev) -109 CC2500 — 10 кбит/с -99
CC120x — 100 кбит/с (50 кГц fdev) -107 CC2500 — 250 кбит/с -89
CC120x — 500 кбит/с (MSK) -97 CC2500 — 500 кбит/с -83
CC120x — 1000 кбит/с (4-GFSK) -97 CC251x — 2,4 кбит/с -103
CC13xx — 2,4 кбит/с -121 CC251x — 10 кбит/с -98
CC13xx — 4,8 кбит/с -118 CC251x — 250 кбит/с -90
CC13xx — 38,4 кбит/с -112 CC251x — 500 кбит/с -82
CC13xx — 50 кбит/с -111 CC26xx — 250 кбит/с -99
CC13xx — 100 кбит/с -107 CC26xx — 1 Мбит/с -97
CC13xx — 1 Мбит/с -97
CC13xx — 4 Мбит/с -84
Примечание: fdev — девиация частоты

Поле ”Select Effective Attenuation between Rx and Tx” (рисунок 7) 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. Для дальнейшей информации относительно преимуществ разнесения антенн смотрите [4].

При расчете расстояния в условиях LOS вне здания можно выбрать три поля для ввода, как показано на рисунке 7. 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

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 Tx, тогда может быть вычислено более реалистичное расстояние по сравнению со стандартной формулой Фрииса.

Примеры Excel

Передача сигнала в помещении и в условиях прямой видимости: сравнение 868 МГц и 2,4 ГГц.

Характеристики радио на рисунках 8 и 9 очень похожи; единственное различие — рабочая частота. Как можно заметить, для указанных характеристик ожидаемое расстояние увеличивается с 233 м на частоте 2440 МГц до 292 м на частоте 868 МГц.

Рис. 8. Микросхема CC1200 на частоте 868 МГц вне здания и условия LOS, 500 кбит/с; ожидаемое расстояние – 292 м

Рис. 8. Микросхема CC1200 на частоте 868 МГц вне здания и условия LOS, 500 кбит/с; ожидаемое расстояние – 292 м

Рис. 9. Микросхема CC2541 на частоте 2440 МГц вне здания и условия LOS, 500 кбит/с; ожидаемое расстояние – 233 м

Рис. 9. Микросхема CC2541 на частоте 2440 МГц вне здания и условия LOS, 500 кбит/с; ожидаемое расстояние – 233 м

Характеристики радио на рисунках 10 и 11 очень похожи; единственное различие — рабочая частота и меньшее ослабление в строительном материале на частоте 1 ГГц по сравнению с частотой 2 ГГц. Как можно заметить, для указанных характеристик ожидаемое расстояние увеличивается с 5 м на частоте 2440МГц до 31 м на частоте 868 МГц.

Рис. 10. Устройство CC1200 на частоте 868 МГц внутри здания, 500 кбит/с; ожидаемое расстояние – 31 м

Рис. 10. Устройство CC1200 на частоте 868 МГц внутри здания, 500 кбит/с; ожидаемое расстояние – 31 м

Рис. 11. Устройство CC2541 на частоте 2440 МГц внутри здания, 500 кбит/с; ожидаемое расстояние – 5 м

Рис. 11. Устройство CC2541 на частоте 2440 МГц внутри здания, 500 кбит/с; ожидаемое расстояние – 5 м

Сравнение скоростей передачи в случае LOS на частоте 868 МГц

Скорость передачи для CC1200 была установлена равной 500 кбит/с на частоте 868 МГц, ожидаемое расстояние составляет 292 м. При уменьшении скорости передачи предел чувствительности улучшается благодаря меньшему шуму на входе приемника за счет соответствующего сужения полосы приема. Данное утверждение для скорости передачи верно до тех пор, пока полоса приемника не станет минимально возможной для конкретной модели микросхемы, поэтому может быть достигнуто большее расстояние. В таблице 4 представлено ожидаемое расстояние при изменении в предыдущем примере только скорости передачи; все другие параметры те же самые, что и на рисунке 8.

Таблица 4. Увеличение расстояния за счет уменьшения скорости передачи для микросхемы CC1200 на частоте 868 МГц

Скорость передачи CC1200 (0 дБм, H1 = H2 = 1,2 м) Предполагаемое расстояние, м
CC120x — 1,2 кбит/с (4 кГц fdev) 1902
CC120x — 4,8 кбит/с (OOK) 962
CC120x — 38,4 кбит/с (20 кГц fdev) 768
CC120x — 50 кбит/с (25 кГц fdev) 712
CC120x — 100 кбит/с (50 кГц fdev) 613
CC120x — 500 кбит/с (MSK) 292 (рис. 8)

Таблица 5. Предполагаемое расстояние CC1200 на частоте 868 МГц

Скорость передачи данных CC1200 Расстояние, м, при 0 дБм,
H1 = H2 = 1,2 м
Расстояние, м, при 14 дБм,
H1 = H2 = 1,2 м
Расстояние, м, при 27 дБм,
H1 = H2 = 1,2 м
CC120x — 1,2 кбит/с (4 кГц fdev) 1902 5535 14978 (7817)*
CC120x — 4,8 кбит/с (OOK) 962 2784 7515
CC120x — 38,4 кбит/с (20 кГц fdev) 768 2214 5978
CC120x — 50 кбит/с (25 кГц fdev) 712 2051 5535
CC120x — 100 кбит/с (50 кГц fdev) 613 1764 4748
CC120x — 500 кбит/с (MSK) 292 (рис. 8) 828 2213
* – 14978 метров не могут быть достигнуты, так как расстояние прямой видимости ограничено искривлением земли, таким образом, максимальное расстояние составляет лишь 7817 м, когда обе антенны размещены на 1,2 м выше земной поверхности.

Конфигурации радио для больших расстояний

Чтобы достигнуть больших расстояний, выходная мощность может быть увеличена до максимального предела, разрешенного законодательством, а скорость передачи уменьшена, насколько позволяет приложение. Кроме этих двух параметров, есть дополнительные параметры, которые могут быть использованы, чтобы добиться большего расстояния, например обратная связь с функцией фазовой автоподстройки частоты (PLL), которая, помимо прочего, эффективно уменьшает полосу пропускания.

Обратная связь с функцией PLL для CC112x/CC12xx

Функция обратной связи с PLL (FB2PLL) расширяет полосу пропускания (BW) фильтра Rx (RX_BW), не увеличивая полосу пропускания для шума. Установка значения FREQOFF_CFG.FOC_LIMIT = 0 расширяет программируемую BW фильтра Rx на ±RX_BW/4. Например, если BW фильтра Rx запрограммирована на 50 кГц и значение FREQOFF_CFG.FOC_LIMIT = 0, то полоса пропускания шума все еще остается 50 кГц (полоса пропускания, которая устанавливает шумовой порог), но эффективная BW фильтра Rx будет равна 75 кГц.

Установка значения FREQOFF_CFG.FOC_LIMIT = 1 расширяет программируемую BW фильтра Rx на ±RX_BW/8. Например, если BW фильтра Rx запрограммирована на 50 кГц и значение FREQOFF_CFG.FOC_LIMIT = 1, то полоса пропускания шума все еще остается 50 кГц (полоса пропускания, которая устанавливает шумовой порог), но эффективная BW фильтра Rx будет равна 62,5 кГц.

Измерения в таблицах 6 и 7 показывают, что для одной и той же эффективной BW фильтра Rx применение функционала FB2PLL улучшает чувствительность и селективность в ближней зоне. Результаты измерения усреднены по пяти устройствам CC1200.

Таблица 6. Измерения при 1,2 кбит/с, ± 3 кГц, 2-GFSK. OBW (99%) = 6,9 кГц

BW, кГц 14,37 10,96 9,69
FREQOFF_CFG.FOC_LIMIT FB2PLL нет 1 0
Эффективная BW, кГц 14,37 13,7 14,54
Чувствительность при BER = ~1%, дБм -121,4 -121,9 -122,1
Cмещение источника помех, кГц Селективность, дБ Селективность, дБ Селективность, дБ
-37,5 54,8 56,2 55,6
-25 55,4 55,6 55,8
-12,5 53,8 55,2 55,2
12,5 54,6 55 55,2
25 55,2 56 56
37,5 55,2 56 56

Таблица 7. Измерения при 4,8 кбит/с, ±2,4 кГц, 2-GFSK. OBW (99%) = 8 кГц

Запрограммированная RX_BW, кГц 12,63 9,69
FREQOFF_CFG.FOC_LIMIT FB2PLL нет 0
Эффективная BW, кГц 12,63 12,11
Чувствительность при BER = 1%, дБм -118,8 -119,5
Смещение источника помех, кГц Селективность, дБ Селективность, дБ
-37,5 52,6 53,4
-25 52,6 54
-12,5 52 53
12,5 51,6 53
25 52,6 53,8
37,5 52,4 53,4

Тесты на дальность

Табличный процессор Excel [1] — хороший инструмент, чтобы предсказать реалистичное расстояние для конкретной среды передачи при заданных параметрах радио. Чтобы подтвердить правильность расчетов, были проведены реальные тесты на дальность. Так как расстояние связи существенно зависит от среды распространения радиоволн, были проведены три различных теста дальности.

Таблица 8. Уровни чувствительности LRM868 МГц

Устройство Символьная скорость, тыс. выборок/с Девиация частоты, кГц Запрограммированная RX_BW, кГц FB2PLL, да/нет Чувствительность, дБм
CC1120 0,6 1,5 7,8 да -124
CC1120 CC1190 0,6 1,5 7,8 да -126,5

Таблица 9. Уровни чувствительности LRM 433-510 МГц

Устройство Символьная скорость, тыс. выборок/с Девиация частоты, кГц Запрограммированная RX_BW, кГц FB2PLL, да/нет Чувствительность, дБм
CC1120 0,6 1,5 7,8 да ≈125,0

Тесты на дальность на большой высоте

Как показано в таблице 1 и примерах Excel [1], LOS зависит от высоты антенн. Чтобы достигнуть большого расстояния передачи, высота антенны должна быть увеличена. Хорошее место для проведения теста на большую дальность, к примеру, находится в Кейптауне, Южная Африка. При расположении Tx на Столовой горе на высоте 1000 м может быть достигнуто очень большое расстояние связи.

Оборудование и настройки:

  • CC1120 и CC1190 на частоте 868 МГц, LRM, 27 дБм и стандартный комплект антенн;
    • уровни чувствительности – см. таблицу 8;
  • формат модуляции: GFSK;
  • полоса пропускания фильтра Rx: 12,5 кГц для компенсации частоты и 7,8 кГц для приема пакетов;
  • местоположение: Столовая гора, Кейптаун, Южная Африка;
  • расположение антенны: H1 = 1000 м, H2 = 1 м для 78…98-километрового теста и 91 м для 114-километрового теста;
  • частота: 868 МГц;
  • тестируемые модули: CC1120 и CC1190, содержащие термокомпенсированные кварцевые генераторы (TCXO) на 32 МГц;
  • LNA = 0x03, расширенный фильтр данных включен;
  • бюджет канала = 27 + 2,1 + 2,1 – (-126,5) = 158 дБ;
  • проведено три теста на расстояниях: 71 км, 98 км и 114 км.

Результаты

Результаты измерений показаны на рисунках 12…14. Были переданы свыше 600 пакетов данных, и только два пакета потеряны на расстоянии 71 км; при передаче 1000 пакетов данных только два пакета были потеряны на расстоянии 98 км; при передаче 1000 пакетов данные получены без потерь на расстоянии 114 км. Достигнута очень большая дальность связи. Эти результаты показывают, что среда распространения является важнейшим фактором при дальней связи. Для тех же настроек радио, но при размещении обеих антенн на высоте в 1 метр, расчетное ожидаемое расстояние уменьшается с 136,6 км до 9,2 км.

Рис. 12. Лист Excel с ожидаемым расстоянием при тестировании на 71 км и 98 км; H2

Рис. 12. Лист Excel с ожидаемым расстоянием при тестировании на 71 км и 98 км; H2

Рис. 13. Лист Excel с ожидаемым расстоянием при тестировании на 114 км; H2 = 92 м

Рис. 13. Лист Excel с ожидаемым расстоянием при тестировании на 114 км; H2 = 92 м

Рис. 14. Дорожный знак, показывающий то же расстояние, которое достигнуто при тестировании

Рис. 14. Дорожный знак, показывающий то же
расстояние, которое достигнуто при тестировании

Испытательная установка: Тест на дальность внутри высотного здания

  • аппаратные средства: модуль CC1120EM 420…470 МГц (TCXO на 32 МГц) и отладочная плата TrxEB (SmartRF Transceiver Evaluation board);
  • формат модуляции: GFSK;
  • полоса пропускания фильтра: 12,5 кГц для частотной коррекции и 7,8 кГц для приема пакетов;
  • частота: 470 МГц;
  • антенна: настроена на работу 470…510 МГц;
    • уровни чувствительности – см. таблицу 9;
  • программное обеспечение: PER SWВ на TrxEB MSP430;
  • выходная мощность: 14 дБм;
  • OBW 99%: 4 кГц;
  • полезная нагрузка: 30 байт (исключая преамбулу, синхрослово, CRC);
  • модуль передатчика, размещенный на лестнице 26 этажа;
  • LNA = 0x03, расширенный фильтр данных включен;
  • бюджет канала = 14 + 2,1 + 2,1 – (-125) = 143,2 дБ.

Результаты

Переданные данные были приняты на 12…16 этажей ниже модуля Tx.

Примечание: максимальное число этажей, через которые может пройти радиосигнал, существенно зависит от строительного материала здания. Уровни ослабления для различных типов строительных материалов приведены в таблице 3.

Результаты теста отображены на рисунках 15, 16.

Рис. 15. Уровень RSSI на различных этажах вы- сотного здания

Рис. 15. Уровень RSSI на различных этажах высотного здания

Рис. 16. Радиоканал в высотном здании

Рис. 16. Радиоканал в высотном здании

Для восьмидюймового бетона на частоте 500 МГц ослабление равно 21 дБ, поэтому с бюджетом канала 143 дБ ожидаемый результат — передача примерно через шесть этажей, если бы RF-сигнал проходил исключительно через бетонные полы. Поскольку модуль передатчика был помещен на лестнице, ослабление между каждым этажом обусловлено свободным пространством и ослаблением через бетон. Чтобы упростить вычисления, ослабление принято равным 10 дБ на один этаж (среднее между 21 и 1 дБ). Это коррелирует с результатами измерений, при которых сигнал был зарегистрирован на нижних 12…16 этажах здания.

Например, при бюджете канала 143/10, приблизительная дистанция связи — 14 этажей.

Радиоканал мог легко быть установлен вне высотного здания, как показано на рисунке 17. Уровень сигнала равен -78 дБм, что добавляет 40 дБ к бюджету канала.

Рис. 17. Тестирование вне здания

Рис. 17. Тестирование вне здания

Тест на дальность в плотной городской застройке

Тест проводился с помощью модуля CC1120EM с установленным термокомпенсированным генератором TCXO. Использовались программные настройки, оптимизированные для передачи данных на большие расстояния (Long Range Demo) – 600 бит/с, девиация ±1,5 кГц, BW фильтра Rx 7,8 кГц. Компенсация смещения частоты выполнялась для каждого пакета:

  • выходная мощность: 14 дБм;
  • частота: 868 МГц и 433 МГц;
  • местоположение: Осло, Норвегия

Результаты

Расстояние, измеренное на частоте 433 МГц, составляло 2 км (рисунок 18), на частоте 868 МГц расстояние составило 1,3 км (рисунок 19). Расстояние было больше на более низкой частоте из-за различия ослабления в строительных материалах, обычно используемых в городской среде.

Рис. 18. CC1120, 470 МГц, расстояние 2 км

Рис. 18. CC1120, 470 МГц, расстояние 2 км

Рис. 19. CC1120, 868 МГц, расстояние 1,3 км

Рис. 19. CC1120, 868 МГц, расстояние 1,3 км

Приложение. 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.

 

Заключение

При вычислениях с помощью Excel [1] 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. В модели учтены различные строительные материалы, которые используются для более точной оценки расстояния внутри зданий.

Рассмотренные примеры полевых испытаний демонстрируют важность учета высоты антенны и ограничений прямой видимости, показано преимущество работы на более низкой частоте, чтобы достигнуть большего расстояния как для сценариев с прямой видимостью, так и для связи внутри зданий.

 

Литература

  1. Excel Sheet for Range Calculation;
  2. CC-Antenna-DK Documentation and Antenna Measurements Summary (SWRA328);
  3. CC-Antenna-DK Reference Design (http://www.ti.com/lit/zip/swrr070);
  4. Antenna Selection Quick Guide (SWRA351);
  5. Antenna Diversity (SWRA469).

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

TI_СС1310_Sub1GHz_NE_1_opt

Наши информационные каналы

Теги: ,
Рубрики:
Группы товаров:

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, технологий и отладочных средств, а также ...читать далее