家庭、建設、および産業用アプリケーションがワイヤレスに移行するにつれて、短距離ワイヤレスデバイスが注目を集めています。これらのアプリケーションは通常、900MHzおよび2.4GHz ISM（産業、科学、および医療）周波数帯域のZigBeeなど、独自仕様または標準ベースの手法を使用します。短距離無線デバイスの人気が高まっているため、端末システムの設計者は、無線通信の伝送距離についても深く理解する必要があります。この記事では、ワイヤレス信号の伝搬について説明し、屋内環境での短距離ワイヤレスデバイスのパス損失と伝送距離を推定するためのモデルを確立します。設計者はこれらのモデルを使用して、ワイヤレス通信システムのパフォーマンスを事前に見積もることができます。

距離推定式について説明する前に、設計者はワイヤレスチャネルと信号伝搬環境を理解する必要があります。無線チャネルは、送信機とターゲット受信機の間の伝送パスです。ランダムで時間変化する特性があるため、モデルを構築することは困難です。これは、固定された予測可能な有線チャネルとは大きく異なります。したがって、設計者は統計モデルを使用してこれらのランダムチャネルを分析する必要があります。

電波伝搬モデルの従来の焦点は、送信機から特定の距離での平均受信信号強度と、特定の場所の近くでの信号強度の変化を予測することです。送信機と受信機の間の距離に関係なく、大規模伝搬モデルは平均信号強度を予測できます。これは、送信機の伝送距離を推定するのに役立ちます。対照的に、小規模モデルまたはフェージングモデルでは、複数の波長にわたる受信信号強度の急激な変化を分析できます。この記事では主に、無線伝送距離の推定に使用できる大規模伝搬モデルについて説明します。

送信機と受信機の間に障害物がなく、相手が直接見える場合は、自由空間伝搬モデルを使用して、受信信号の強度を予測できます。自由空間伝搬モデルは、受信信号強度が送信機と受信機の間の距離のn乗で減衰することを予測します。この関数関係は、べき法則関数とも呼ばれます。受信アンテナと送信アンテナの間に距離がある場合、受信する自由空間電力は、次のフリース自由空間方程式によって決定されます。

大規模伝搬モデルによる短距離無線機器の経路損失と伝送距離の推定

ここで、PTは送信電力です。 PR（d）は受信電力であり、送信機と受信機の間の距離dの関数でもあります。 GTは送信機のアンテナゲインです。 GRは受信機のアンテナゲインです。 dは送信機と受信機の間の距離で、単位はメーターです。 λは波長であり、単位はメートルでもあります。

Friisの自由空間方程式は、受信電力が送信機と受信機の間の距離の20乗で減少することを示しています。つまり、距離が長くなると、受信電力はXNUMXdB / decadeの割合で減少します。

経路損失は、無線伝送距離を推定するために非常に重要です。これは、送信電力と受信電力の差（デシベル単位）に等しく、信号の減衰を表します。式（1）から、パス損失は送信電力を受信電力で割った値に等しいことがわかります。式（2）は、パス損失を次のように定義します。

大規模伝搬モデルによる短距離無線機器の経路損失と伝送距離の推定

ここで、PLはパス損失です。送信アンテナと受信アンテナの両方がユニティゲインであると仮定すると、式（2）は次のように簡略化できます。

大規模伝搬モデルによる短距離無線機器の経路損失と伝送距離の推定

この方程式は、次の便利な形式で表すこともできます。

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

ここで、dはメートル単位の距離です。
dの値が送信アンテナの遠方界にある場合にのみ、Friis自由空間の式で受信電力強度を推定できます。送信アンテナの遠方界はフラウンホーファー領域とも呼ばれ、アンテナの遠方界距離dFを超える領域を指します。アンテナのdFは2D2 /λに等しくなります。ここで、Dはアンテナの最大物理線形サイズです。さらに、dFはDより大きく、遠方界領域にある必要があります。この経路損失の式は、送信機と受信機が相手の視界内にある理想的なシステムにのみ適用でき、予備的な見積もりにのみ適用されます。

伝搬モデルは、近接距離d0を受信電力基準点と見なし、設計者はこの基準点の受信電力PR（d0）を使用して、距離がd0より大きい場合の受信電力を計算する必要があります。設計者は、式1および4を使用してPR（d0）を予測するか、送信機の近くの多くのポイントで受信電力を測定し、それらの平均値をPR（d0）として使用できます。設計者が短距離基準点を選択するときは、遠方界領域が短距離距離の外側にあることを確認する必要があります。

設計者は、この情報と次の式を使用して、任意の距離での受信電力を計算できます。

大規模伝搬モデルによる短距離無線機器の経路損失と伝送距離の推定

1〜2 GHzの範囲で動作する実際のシステムの場合、屋内環境の基準距離は1メートル、屋外環境の基準距離は100メートルです。

一般的に使用されるRF電力強度の単位は、絶対電力強度ではなく、ミリワットデシベルまたはワットデシベルです。したがって、式（6）は次のように表すことができます。

大規模伝搬モデルによる短距離無線機器の経路損失と伝送距離の推定

次の例は、これらの概念を示しています。送信周波数が900MHz、送信電力が6.3mW（8dBm）、ユニティゲイン送信アンテナと受信アンテナを使用すると、屋外の見通し内1200メートルでの受信電力は次のように計算できます。屋外環境の周波数は100メートル、900MHzです。信号の波長は0.33メートルであるため、式（1）の値を使用して、100メートルでの受信電力を次のように計算できます。

大規模伝搬モデルによる短距離無線機器の経路損失と伝送距離の推定

デシベル電力値をミリワットで計算するには、電力を次のミリワット値で表す必要があります。

PR（100）= 0.44×10-6mW。（9）

これは取得できます：

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

式（7）を使用すると、1200メートルでの受信電力は次のように取得できます。

大規模伝搬モデルによる短距離無線機器の経路損失と伝送距離の推定

と同様

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

式（5）を使用して、受信電力がこの値であることを確認することもできます。

したがって、障害物がなく、視界内にある理想的な環境では、送信電力が8 dBmの場合、1200メートルの距離での受信電力は約-85dBmになります。もちろん、実際の環境での受信電力は、ターゲットポイントと送信機の間に障害物があるか、まったく見えない可能性があるため、理想値よりも低くなります。前の例から、パス損失はPT-PRであることがわかっているため、8dBm-（-85dBm）= 93dBに等しくなります。

実際の経路損失の式

実際のワイヤレスセンサーシステムは、信頼できる最大伝送距離を知っている必要があります。このワイヤレスシステムの伝送距離は、リンクバジェットパラメータによって直接決定されます。

LB = PT + GT + GR-RS（13）

ここで、LBはデシベルで表されるリンクバジェット、PTはミリワットまたはワットデシベルで表される送信電力、GTはデシベルで表される送信機アンテナゲイン、GRはデシベルで表される受信機アンテナゲイン、RSは受信機感度を意味します。システムは、適切な信号対雑音比で最小のRF信号を検出して提供できます。受信機の感度を式14に示します。

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

その中で、-174dBm / Hzは熱雑音指数、NFはデシベルで表された受信機の総雑音指数、Bは受信機の総帯域幅、SNRMINは最小の信号対雑音比です。送信機とターゲット受信機の間の合計パス損失がリンクバジェットよりも大きい場合、データが失われ、通信ができなくなります。したがって、設計者は、最終システムを開発するときにパス損失特性を正確に分析し、それをリンクバジェットと比較して、予備的な距離推定値を取得する必要があります。

屋内チャネルパス損失屋内無線チャネルは、屋内チャネルの伝送距離が短く、チャネル損失が大きく変動するため、受信信号強度が大きく変動するため、屋外チャネルとは異なります。ただし、固定無線デバイスの場合、この部分はごくわずかです。建物の平面構成、タイプ、建設資材は、屋内の信号伝搬に大きな影響を与えます。研究者は屋内チャネルを1つのタイプに分けます。XNUMXつは見ることができるチャネルであり、もうXNUMXつはさまざまな程度でブロックされるチャネルです（参考文献XNUMX）。建物の内部および外部の構造には、さまざまな区画や障害物が含まれている場合があります。コンパートメントの方法は、建物が家庭環境にあるかオフィス環境にあるかによって異なります。建物構造のコンパートメントは固定コンパートメントであり、可動コンパートメントは動き回ることができ、コンパートメントの上部は天井に触れません。家族は通常木製の仕切りを使用しますが、オフィスビルは床の間に鉄筋コンクリートを使用し、可動の仕切りを使用します。

建物にはさまざまな区画があり、それらの物理的および電気的特性も大きく異なります。一般的なモデルで屋内チャネルを分析することは困難です。ただし、広範な調査の結果、業界では一般的に使用される材料の信号損失を表にまとめました（表1）。

大規模伝搬モデルによる短距離無線機器の経路損失と伝送距離の推定

フロア減衰係数は、フロア間のアイソレーション損失を表します（表2）。

大規模伝搬モデルによる短距離無線機器の経路損失と伝送距離の推定

式（15）は、対数距離経路損失モデルを使用して得られた実際の屋内チャネル経路損失モデルです。

大規模伝搬モデルによる短距離無線機器の経路損失と伝送距離の推定

ここで、Xはデシベル単位のゼロ平均ガウス確率変数であり、σは標準偏差です。固定装置の場合、Xσの影響は無視できます。式（4）を使用して1メートルの距離の経路損失値を計算し、その結果を式15に代入して次の式を取得します。

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

nの値は周波数によってあまり変化しませんが、周囲の環境や建物のタイプの影響を受けます（表3）。

大規模伝搬モデルによる短距離無線機器の経路損失と伝送距離の推定

建物内の伝播モデルには、建物のタイプと障害物の影響が含まれています。このモデルは柔軟性があるだけでなく、測定されたパス損失と予測されたパス損失の間の標準偏差を約4dBに減らします。これは、対数距離モデルのみを使用した場合の13dBよりも優れています。式17は、減衰係数モデルを表しています。

PL（d）= 20log10（fMHz）+ 10nSFlog10（d）– 28 + FAF（17）

その中で、nSFは同じフロアで測定されたパス損失指数を表し、FAFはフロア減衰係数です（表3）。設計者は、表2に従ってフロア減衰係数を決定できます。次の例は、前述の表と式を使用して、915メートルの距離にある屋外のオープン環境で2.4MHzおよび1200GHz信号のパス損失を計算する方法を示しています。

20log10（fMHz）+ 20log10（d）– 28（18）

上記の式から、915MHzのパス損失は次のように得られます。

915MHz = 20log10（915）+ 20log10（1200）– 28 = 92.8 dB（19）

2400MHzのパス損失は次のとおりです。

915MHz = 20log10（915）+ 20log10（1200）– 28 = 92.8 dB（19）

送信信号の周波数が高いほど、パス損失が大きくなり、高周波信号の無線伝送距離が短くなります。たとえば、屋外のオープン環境では、2.4GHzワイヤレスデバイスのパス損失は8.4MHzデバイスよりも約915dB多くなります。

別の例は、同じフロアと2つのフロアに固定コンパートメントがあるオフィス環境です。表915のデータは、2.4メートルの距離での100MHzおよび3GHz信号のパス損失を計算するために使用されます。表3から、同じフロアの平均パス損失は3dBmであることがわかります。このn = XNUMXの値を次の式に代入します。

20log10（fMHz）+ 10log10（d）– 28 +Xσ（21）

915MHzのパス損失は、次のように取得できます。

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

ここで、σ= 7dBです。 2400MHzのパス損失は次のとおりです。

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

ここで、σ= 14dBです。

表2から、24階建ての建物の床減衰係数は約5.6dB、標準偏差はXNUMXdBであると計算できます。この情報を次の式に代入します。

20log10（fMHz）+ 10log10（d）– 28 +Xσ

915MHzのパス損失は、次のように取得できます。

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

ここで、σ= 5.6dBです。 2400MHzのパス損失は次のとおりです。

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

ここで、σ= 5.9dBです。

8番目の例では、システムがユニティゲインの送信アンテナと受信アンテナを使用し、送信電力が100dBm、受信感度が-915dBmであると想定し、最初の8つの例で100MHz信号の伝送距離を推定します。この時点でのシステムリンクバジェットは108 –（-XNUMX）= XNUMXdBであることに注意してください。

パス損失の式の標準偏差を説明するために、リンクバジェットに約10dBのマージンを予約することをお勧めします。これは、使用可能なリンクバジェットが98dBであることを意味し、最初の例の92.8dBのパス損失を超えています。したがって、設計者はシステムの屋外伝送距離を1200メートルと見なすことができます。屋内環境では、パス損失は91.2dBであり、10dBマージンが予約されている場合の使用可能なリンクバジェットは約98dBであり、これもパス損失を上回っています。したがって、設計者はシステムの屋内伝送距離を100メートルと見なすことができます。

前のページ：使い捨て送信機無線設計の関連技術の紹介

次の投稿：BH1417FMステレオ送信機

伝言を残す

メッセージ一覧

コメント読み込んでいます...