ワイヤレス範囲の計算を理解します

任意の無線設計における重要な計算の一つは、通常動作のための送信機と受信機の間の最大距離の範囲です。 この記事では、範囲の計算に関与する因子を特定し、信頼性の高い通信リンクを確​​保するために、範囲を推定する方法を示しています。

実際の範囲は、均等の範囲に記載されていないことがあるのはなぜ

あなたが埋め込まれたプロジェクトのための無線を購入し、無線周波数（RF）データシートに記載された範囲を達成しなかったことを発見したことがありますか？ 何故ですか？ これはおそらく、サプライヤー範囲を測定し、どのように無線機を使用している方法との違いが原因です。

サプライヤーは通常、実世界の試験から経験的にそれを導出することにより、または計算を使用して範囲を決定します。 どちらのアプローチは、限り、あなたはすべての変数を考慮するようで結構です。 経験的な解決策は、しかし、計算は対処していない実世界の状況を明らかにすることができます。

我々はアプローチを比較する前に、製造元の番号または範囲に関連する変数を理解するためにいくつかの用語を定義してみましょう。

パワーとdBmの計算

RF電力は、最も一般的に発現し、ミリワットの参照、またはdBm単位でデシベルで測定されます。 デシベルは、何らかの基準に対するシステムのパワーの比である対数単位です。 0のデシベル値は1の比に相当します。 デシベルミリワットは1ミリワットを基準にデシベル単位で出力電力です。

dBm単位の対数目盛に基づいているので、絶対的な力の測定値です。 3 dBmに増やすごとにそこに約2倍の出力電力で、10 dBmでのすべての増加は、電力の10倍の増加を表します。 10 dBmの（10 Mw）は10 dBmの（0 MW）、および1 dBmの（20 MW）よりも強力100時間は10 dBmのより10時間がより強力です。

あなたは、以下の式を使用して、MwおよびdBmの間で変換することができます：

P（dBm単位）= 10•log10（P（MW））

P（MW）= 10（P（dBm単位）/ 10）

例えば、dBm単位2.5ミリワットの電力は次のとおりです。

dBmの= 10log2.5 = 3.979

または4 dBmの程度。 電力の単位mW 7 dBmののdBmの値は次のとおりです。

P = 107 / 10 100.7 = = 5ミリワット

パス損失

経路損失は、電波が距離にわたって伝播として生じるパワー密度の減少です。 経路損失の主な要因は電波そのものの距離で信号強度の減少です。 電波は電力密度のための逆二乗則に従います。電力密度は距離の逆二乗に比例しています。 あなたは距離を倍にするたびに、あなただけの四分の一の電力を受けます。 これは、出力電力のすべての6-dBmの増加が達成可能である可能距離を倍になることを意味します。

送信電力に加えて、範囲に影響を与えるもう一つの要因は、受信感度です。 これは通常、-dBmで表されます。 出力電力と受信感度の両方をdBm単位で記載されているので、あなたは、システムが被ることのできる最大経路損失を計算するために、単純な足し算と引き算を使用することができます。

最大経路損失=送信電力 - 受信感度+利益 - 損失

利益は、指向性送信に起因するいかなる利得を含み、および/または受信アンテナ。 アンテナ利得は、通常、等方性アンテナを基準dBiの中で発現されます。 損失は​​、任意のフィルタやケーブル減衰または既知の環境条件があります。 この関係はまた、受信機での信号強度を測定するためのシステムのすべての損益の会計である、リンクバジェットとして記述することができます：

受信電力=送信電力+利益 - 損失

目標は、受信感度より受信電力が大きいようにすることです

空き領域（理想的な状態）で、逆二乗則は、範囲に影響を与える唯一の要因です。 現実の世界では、しかし、範囲は、他の要因によって劣化することができます。

•壁、樹木、丘などの障害物がかなりの信号損失を引き起こす可能性があります。

•空気（湿度）における水は、RFエネルギーを吸収することができます。

•金属オブジェクトは、信号の新しいバージョンを作成し、電波を反射させることができます。 これらの複数の波が自分自身に干渉する（建設時々と）異なる時間に受信機に到達し、破壊的。 これはマルチパスと呼ばれています。

フェードマージン

これらの障害を定量化するための多くの式があります。 範囲番号を公開する場合は、しかし、メーカーは多くの場合、障害物だけ視線（LOS）または理想的なパス範囲番号の状態を無視します。 メーカーに公正では、無線機を使用することができるすべての環境を知ることは不可能ですので、それは1つが達成可能性がある特定の範囲を計算することは不可能です。 メーカーは時々、このような環境条件を提供するために彼らの計算にフェードマージンが含まれます。 このように、距離計算のための式は次のようになります。

最大経路損失=動力を伝達 - 受信感度+利益 - 損失 - フェードマージン

フェードマージンは、システム設計者は、未知の変数を考慮するために含まれて許容されます。 フェードマージンが高い、より全体的なリンク品質になります。 フェードマージンをゼロに設定すると、リンクバジェットは、ほとんどの設計のために非常に実用的ではない、LOS条件で、まだ有効です。 計算に含めるフェードマージンの量は、システムが展開されると予想される環境に依存します。 12 dBmでのフェードマージンは良いですが、よりよい数は20 dBmのに30ことになります。

一例として、20 dBmの、-100 dBmでの受信感度の送信電力を仮定6のdBiのアンテナ利得を受け取る、6 dBiのアンテナの利得、及び12デシベルのフェードマージンを送信します。 ケーブル損失は無視できるものです：

最大経路損失=動力を伝達 - 受信感度+利益 - 損失 - フェードマージン

V - 最大パス損失= 20 - （-100）+ 12 - 12 120 =デシベル

最大パス損失が発見されたら、式の範囲を見つけることができます：

距離（キロ）= 10（最大パス損失 - 32.44 - 20log（F））/ 20

ここで、f = MHz単位の周波数。 最大経路損失は120 GHz以上2.45メガヘルツの周波数で2450デシベルされている場合、範囲は次のようになります。

距離（キロ）= 10（120 - 32.44 - 67.78）/ 20 = 9.735キロ

図1は2.45 GHzの周波数で最大パス損失と範囲との関係を示しています。

1。 曲線はキロメートルでdBmの推定範囲のリンクバジェットまたは最大経路損失との関係を示しています。

実証結果の解釈

経験的方法は、範囲を決定する上で非常に有用であるが、それは多くの場合、システム内に構築するためにどのくらいのフェードマージンを理解するために、実世界の測定のための理想的なLOSを達成することは困難で困難です。 測定結果は、マルチパス伝搬、干渉、およびRF吸収などのシステムの範囲に影響を与える可能性があるRF伝播を超えた問題を識別することができます。 しかし、すべての実世界のテストが同じであるため、実世界の測定は、上記の計算されたリンクバジェット番号を強化するために主に使用されるべきではありません。

実証試験で達成さ範囲に影響を及ぼすことができる要因は、アンテナ利得、アンテナの高さ、および干渉を含みます。 アンテナ利得は、システム内の利得の重要な源です。 多くの場合、メーカーはより穏やかなゲイン全方向性アンテナに高利得八木とパッチアンテナからアンテナの異なる種類で動作するように彼らのラジオを証明します。 それはあなたが今、無線機を使用しているとアンテナの同じタイプを用いて実施したテストを確保することが重要です。 送信の両方に6-dBmのアンテナに3-dBmのアンテナからの変更と受信側は、リンクバジェットに6-dBmの差が発生し、半分に範囲を縮小します。

アンテナ高とフレネルゾーン

アンテナの高さは、経験的測定のためのもう一つの関心事です。 アンテナの高さを上げると、二つの主要なことを行います。 まず、車、人、ツリー、建物のような障害物の上に可能なあなたを得るのを助けることができます。 第二に、フレネルゾーン内に少なくとも60％クリアランスあなたの本当のRF LOS信号経路を得るのを助けることができます。

フレネルゾーンは、領域信号の波長によって定義され、送信機と受信機との間の楕円体の体積です。 これは、電波の遮断または回折を説明するために努めて計算される領域です。 これは、最適な信号強度を達成するために、信号は、障害物の周りを持つべき適切なクリアランスを計算するのに使われています。 一般的な経験則は、アンテナの高さをこれ以上60％以下である障害物上の明確なLOS経路を持つことです。

地球の曲率も長距離無線リンクのためのLOSに影響を与えることができます。 テーブルには、リンクパスの中間点で、地球の高さは丘や他の地形を考慮していない影響のいくつかの例を提供し、アンテナ高は、フレネルゾーン内に少なくとも60％であるシグナルを実現しています。
多くの実用的な設定で、あなたのトランシーバは低いアンテナの高さと機能することができるが、それはメーカーが適切な高さで自分のアンテナを配置することは良い賭けです。 あなたのアプリケーションでは、あなたは最高の範囲を達成するために、適切なアンテナの高さを持つように努力すべきです。 図2は、パスの距離、障害物の高さ、アンテナの高さがフレネルゾーンに関連している様子を示しています。

2。 所望のアンテナの高さは、フレネルゾーン条件を補償するために60％のマージンの障害物の高さとファクタリングによって決定されます。

最後に、雑音及び干渉は、無線システムの範囲に悪影響を与えることができます。 ノイズを制御することはできませんが、それは問題である場合、範囲に考慮されるべきです。 、工業、科学、およびMHzの（北米）および（全世界）902ギガヘルツ928する2.4で医療（ISM）のバンドでは、干渉は、多くの場合、予想されるが、それを占めることは難しいことができます。 干渉が存在しない場合にのみ、製造業者は、経験的なテストを実行することができます。 それは確かにあなたの環境が、メーカーのテスト中に存在していたよりも大きな干渉を持っている可能性があります。

まとめ

システムで非常に多くの変数を使用すると、どのようにメーカーの主張範囲がシステムに適用されるかどうかを知ることができますか？ 多くの場合、試験は、経験的に行われたか、範囲の数を計算した場合かどうかを知ることは不可能です。 いずれにせよ、最大送信電力および受信感度を解析することにより、次へ1つのラジオを比較するためのベースラインを生成することができます。 セットのフェードマージンによるアンテナまたはRFケーブルによる損失への利益と一緒に、これらの番号を使用して、最大リンクバジェットを計算することができます。 そして、あなた自身の範囲を計算するために、上記の距離の式を使用します。 様々な無線デバイスの場合、これはあなたのニーズを満たす二、三のシステムを比較するための適切なベースラインを提供する必要があります。

ラジオは、あなたのアプリケーションで動作する場合に理解するには、アンテナの高さ、マルチパス干渉、および障害物を考慮することができ、正確な実世界のテストのために努力すべきです。 アプリケーションの実世界のテストを遅らせるだけ逐語的にメーカーの番号を取ることは、尋ねるあなたを残すことができる「私の範囲は何？」

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