ميزانية وصلة راديو MANET: هامش الربح والخسارة والتلاشي

أ قد يبدو رابط راديو MANET قابلاً للتطبيق على الورق ولكنه يصبح غير مستقر بمجرد تحرك العقد أو تغير العوائق أو تدهور ظروف الإشارة. والسؤال الرئيسي ليس ببساطة ما إذا كان جهاز الاستقبال يستطيع اكتشاف الإشارة، ولكن ما إذا كانت هناك طاقة كافية تبقى بعد فقدان المسار، وفقدان الأجهزة، والتلاشي لدعم وضع التشغيل المطلوب بشكل موثوق.

إن ميزانية الارتباط العملية تجعل هذا الإرتفاع مرئيًا. من خلال حساب طاقة الإرسال، وكسب الهوائي، وخسارة الانتشار، وحساسية جهاز الاستقبال، وهامش الخبو، يمكن للمهندسين تقدير ما إذا كانت كل قفزة تتمتع بالمرونة الكافية لظروف MANET الحقيقية - وتحديد أي جزء من الارتباط يحتاج إلى تحسين قبل النشر.

 

ابدأ بالأرقام التي تغلق الرابط بالفعل

من طاقة الإرسال إلى الطاقة المستقبلة

من الأسهل تدقيق ميزانية الارتباط عندما تتبع الإشارة بنفس الترتيب الذي تتبعه الأجهزة. ابدأ بقدرة خرج جهاز الإرسال بوحدة dBm، وأضف كسب هوائي الإرسال بوحدة dBi، واطرح أي خسائر في خط التغذية أو الموصل أو أي خسائر أخرى من جانب جهاز الإرسال. بعد خصم خسارة الانتشار، أضف كسب هوائي الاستقبال واطرح خسائر الأجهزة من جانب جهاز الاستقبال. والنتيجة هي القدرة المستقبلة المتوقعة، والتي يتم التعبير عنها عادةً بالديسيبل.

EIRP هو فحص وسيط مناسب. وهو يمثل قدرة المرسل بعد تطبيق خسائر جانب الإرسال وكسب الهوائي، مما يساعد المهندسين على فصل ما يترك الهوائي عما يحدث عبر مسار الانتشار. في ميزانية التردد اللاسلكي القياسية، يمكن التعبير عن الطاقة المستقبلة كطاقة المرسل بالإضافة إلى كسب الهوائي مطروحًا منه خسائر المرسل والانتشار والمستقبل.

الوحدات مهمة لأنها غير قابلة للتبديل. يعبر dBm عن مستوى الطاقة المطلق، بينما يعبر dBi عن كسب الهوائي بالنسبة إلى مشعاع متناحٍ ويعبر dB عن نسبة الكسب أو الخسارة. بمجرد تحويل الطاقة إلى dBm، تصبح ميزانية الارتباط بمثابة تمرين إضافة وطرح. يؤدي فقدان 2 ديسيبل في الكبل أو اتجاه الهوائي أو أي مكون آخر إلى إزالة نفس الـ 2 ديسيبل من الهامش المتاح لدى جهاز الاستقبال.

استخدم حساسية جهاز الاستقبال لوضع التشغيل الذي تحتاجه بالفعل

لا يعني رقم الطاقة المستقبلة الإيجابي بالنسبة للحساسية تلقائيًا أن التطبيق سيعمل على النحو المنشود. حساسية جهاز الاستقبال هي الحد الأدنى من الطاقة المستقبلة المرتبطة بالتشغيل الناجح في ظل ظروف محددة، ويتم حساب هامش الارتباط عادةً على أنه الطاقة المستقبلة مطروحًا منها حساسية جهاز الاستقبال.

التفاصيل المهمة هي قيمة الحساسية التي تدخل الحساب. قد يحافظ راديو MANET على الاتصال باستخدام تعديل قوي منخفض السرعة بينما لم يعد يدعم عرض النطاق الترددي أو الإنتاجية المطلوبة بواسطة الفيديو أو القياس عن بعد أو حركة المرور الأخرى. وبالتالي فإن العتبة ذات الصلة هي متطلبات جهاز الاستقبال لعرض نطاق القناة وأسلوب التشغيل الذي يحتاجه النشر بالفعل، وليس مجرد الرقم الأكثر ملاءمة المتاح في ورقة المواصفات.

 

حيث يختفي الديسيبل في مسار MANET الحقيقي

FSPL يعطي خط الأساس، وليس الجواب النهائي

توفر خسارة المسار في الفضاء الحر نقطة البداية الأنظف للانتشار:

FSPL (ديسيبل) = 32.44 + 20 log₁₀(المسافة بالكيلومتر) + 20 log₁₀(التردد بالميجاهرتز)

تكشف العلاقة على الفور عن حقيقتين مفيدتين في التصميم. تؤدي زيادة المسافة إلى زيادة الخسارة، كما تؤدي زيادة التردد أيضًا إلى زيادة فقدان المساحة الحرة عندما تظل المسافة دون تغيير. يتغير الثابت عند استخدام وحدات مسافة أو تردد مختلفة، لذلك يجب أن تظل الوحدات ثابتة طوال العملية الحسابية.

يعد FSPL ذا قيمة في اختبارات الجدوى لأنه يعزل الانتشار الهندسي عن الأجزاء الأكثر فوضوية في النشر الميداني. ومع ذلك، لا ينبغي التعامل معه على أنه وعد بإشارة مستقبلة فعلية. ويفترض نموذج الفضاء الحر بيئة انتشار خالية من العوائق؛ ولا يأخذ في الاعتبار التضاريس أو أجسام المركبات أو الغطاء النباتي أو أخطاء الاستقطاب أو التداخل أو تغيير اتجاه الهوائي.

يعد خلوص فريسنل سببًا آخر يجعل خط الرؤية المرئي مضللاً. قد يتمكن المشغل من رؤية العقدة الأخرى بينما لا تزال التضاريس أو الهياكل أو النباتات تتطفل على منطقة انتشار التردد الراديوي حول المسار المباشر. يمكن أن تكون النتيجة حيودًا وانعكاسًا وتوهينًا إضافيًا لا يظهر أبدًا في شكل FSPL الأساسي.

إضافة الخسائر التي تتحرك مع الشبكة

بعض الخسائر مستقرة نسبيا. يمكن عادة تقدير توهين خط التغذية والموصلات والمحولات وخسائر التثبيت الثابتة مرة واحدة وإدخالها مباشرة في جدول البيانات. والبعض الآخر يتغير مع تحرك الشبكة. قد تؤدي المركبة التي تمر عبر تقاطع إلى تغيير اتجاه الهوائي، ويمكن أن تغير وحدة الطائرات بدون طيار نمط الإشعاع الخاص بها بالنسبة إلى عقدة أخرى، ويمكن للعائق المتحرك أن يحجب فجأة مسارًا نظيفًا سابقًا.

يستحق تعدد المسارات اهتمامًا خاصًا لأن الإصدارات المنعكسة والحيدة والمتناثرة من نفس الإرسال يمكن أن تتحد بشكل بناء أو هدام عند جهاز الاستقبال. يمكن أن يؤدي الخبو متعدد المسارات إلى تقلبات كبيرة في قوة الإشارة، في حين يؤدي فقدان المسار والتظليل على المدى الطويل إلى تغيير جودة الارتباط عبر مسافات ونطاقات زمنية أكبر. يضيف التداخل وأرضية الضوضاء المحلية بُعدًا آخر: لا يعني مؤشر RSSI القوي بالضرورة وجود رابط قوي قابل للاستخدام في حالة تدهور نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR).

بالنسبة لمعظم تخطيطات MANET، يتم تمثيل هذه التأثيرات بشكل أفضل كبدلات انتشار واقعية بدلاً من تجاهلها لأنه من الصعب التنبؤ بها بدقة. يمكن إضافة الخسائر المتخصصة مثل المطر أو امتصاص الغلاف الجوي عندما يجعلها التردد والمسافة وبيئة التشغيل ذات صلة. وبخلاف ذلك، يجب أن تركز الميزانية على الخسائر التي من المرجح أن تستهلك هامشًا كبيرًا في النشر المقصود.

 

ما هو مقدار هامش التلاشي الذي تحتاجه MANET المتحركة؟

هامش الارتباط وهامش التلاشي يجيبان على أسئلة مختلفة

يخبرك هامش الارتباط بمدى تواجد الإشارة المستقبلة المتوقعة فوق عتبة جهاز الاستقبال. إذا تنبأت عملية حسابية بوجود dBm 80– عند المستقبِل وكان مستوى التشغيل المطلوب هو dBm 100–، فإن الهامش الاسمي يبلغ dB 20. يجيب هذا الرقم على ما إذا كان الارتباط المخطط سيتم إغلاقه على الورق، لكنه لا يخبرك بمدى التدهور الذي سيواجهه النظام أثناء الحركة.

هامش الخبو هو جزء من مساحة الإشارة المتاحة لاستيعاب التدهور المؤقت قبل تجاوز عتبة التشغيل المطلوبة. من الناحية العملية:

هامش التلاشي = المستوى المستلم المتوقع − مستوى التشغيل المطلوب

لا يوجد هدف واحد لهامش التلاشي يناسب كل عملية نشر لراديو MANET. لا تواجه الوصلة الثابتة ذات الهندسة الخالية من العوائق ومتطلبات التوفر المتواضعة نفس التباين الذي تواجهه أجهزة الراديو المتصلة بالمركبات المتحركة أو الطائرات أو الروبوتات أو الأفراد. إن التضاريس، وتردد التشغيل، والتداخل، وأنماط الهوائي، واحتمالية العرقلة، والتشكيل الذي يجب الحفاظ عليه، كلها تؤثر على مدى الإرتفاع المفيد.

وبالتالي فإن هدف التصميم ليس 'أي هامش إيجابي'. قد يبدو الفائض بمقدار 2 ديسيبل ناجحًا في جدول البيانات ولكنه يختفي بعد تغيير بسيط في الاتجاه أو حدث تظليل قصير. والسؤال الأفضل هو ما إذا كان الهامش المتبقي يعكس شدة وتكرار الاختلافات التي من المتوقع أن تواجهها الشبكة.

تعمل إمكانية التنقل على تحويل مستوى إشارة متوقع إلى نطاق

تنتج الميزانية الثابتة مستوى مستلمًا واحدًا متوقعًا لأن مدخلاتها ثابتة. تنتج MANET المتحركة مجموعة من المستويات المحتملة لأن العديد من تلك المدخلات تتغير بشكل فعال مع مرور الوقت. قد تزيد المسافة، وقد تصبح محاذاة الهوائي أقل ملائمة، وقد تتدهور خلوص فريسنل، وقد تؤدي العوائق إلى التظليل. يمكن للمسارات المتعددة بعد ذلك إنشاء تقلبات أصغر حجمًا فوق تلك التغييرات.

يمكن أن يعمل متوسط ​​نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) كمقياس لجودة الارتباط على المدى الطويل عند اختيار اتصال الخطوة التالية المفيد، بينما تحدث تغييرات القناة على المدى القصير على نطاق زمني أسرع. ولهذا السبب لا ينبغي النظر إلى ميزانية وصلة راديو MANET كحساب للنطاق فقط: يؤثر الهامش المتاح أيضًا على مدى بقاء جار معين خيارًا مفيدًا لإعادة التوجيه.

قد يتحول الارتباط المصمم قريبًا جدًا من عتبته بشكل متكرر إلى وضع أكثر قوة، أو يعاني من عمليات إعادة الإرسال، أو يختفي من الهيكل المتاح. يمنح المزيد من الإرتفاع المحجوز مساحة الراديو لتحمل هذه التغييرات قبل أن يعوض سلوك الشبكة.

يؤثر عرض النطاق الترددي والتعديل وMIMO على الهامش القابل للاستخدام

يرتبط أداء جهاز الاستقبال بتكوين التشغيل. يمكن أن يؤدي عرض النطاق الترددي الأضيق للقناة إلى تقليل ضوضاء جهاز الاستقبال المدمج وقد يسمح بحساسية أفضل، في حين أن التعديل ذو الترتيب الأعلى يحمل المزيد من البيانات ولكنه يتطلب بشكل عام جودة إشارة أفضل. يستخدم التعديل التكيفي تلك المقايضة ديناميكيًا، حيث يتحرك نحو مخططات أكثر قوة عندما تتدهور جودة القناة ونحو مخططات ذات سعة أعلى عندما تسمح الظروف بذلك.

يمكن لراديو MANET المزود بتقنية MIMO تحسين سلوك الارتباط من خلال تقنيات مثل تنوع الاستقبال أو تشفير الزمكان أو تكوين الشعاع أو تعدد الإرسال المكاني. لا ينبغي تحويل هذه الفوائد إلى 'كسب MIMO' ثابت مفترض وإضافتها بشكل عرضي إلى الميزانية. يُعد تحسين التنوع وكسب تكوين الشعاع وقدرة تعدد الإرسال تأثيرات مختلفة؛ ينبغي فقط التعامل مع كسب مستوى الوصلة الموثق أو المقاس للهندسة الفعلية للهوائي وأسلوب التشغيل كمدخل رقمي للميزانية.

 

قم بتشغيل ميزانية ارتباط MANET باستخدام معلمات الراديو الحقيقية

اعمل من خلال قفزة واحدة من المدخلات إلى الهامش المتبقي

خذ بعين الاعتبار قفزة MANET مبسطة بطول 10 كم تعمل بتردد 2.4 جيجا هرتز. لنفترض على سبيل المثال فرع إرسال بقدرة 2 وات، يساوي 8 ديسيبل من الهوائيات في كلا الطرفين، و1 ديسيبل من فقدان الأجهزة على كل جانب، وبدل إضافي قدره 8 ديسيبل للانتشار غير المثالي. يتوافق خرج التردد اللاسلكي بقدرة 2 وات مع حوالي 33 ديسيبل مللي واط. المثال عبارة عن عملية حسابية أحادية الارتباط عن قصد بدلاً من محاولة دمج سلسلتي إرسال MIMO في رقم طاقة واحد عشوائي.

باستخدام معادلة FSPL:

FSPL = 32.44 + 20 سجل₁₀(10) + 20 سجل₁₀(2400) ≈ 120.0 ديسيبل

يصبح المستوى المستلم بعد ذلك تقريبًا:

33 + 8 − 1 − 120 − 8 + 8 − 1 = −81 ديسيبل ميلي واط

إذا كان وضع التشغيل المحدد يستخدم عتبة المستقبل dBm 103-، فإن الهامش الاسمي المتبقي يبلغ حوالي 22 dB . لا تتنبأ النتيجة بالأداء الميداني الدقيق؛ فهو يوضح كيفية كشف كل افتراض هندسي ومدى سرعة تغير الإجابة عندما تتغير المسافة أو كسب الهوائي أو بدل الخسارة أو متطلبات جهاز الاستقبال.

استخدم مواصفات MIMOmesh كمدخلات، وليس كمطالبات إعلانية

نظام WDS يدعم راديو MANET خفيف الوزن المحمول جواً حساسية استقبال تبلغ -103 ديسيبل ميلي واط عند عرض نطاق 5 ميجاهرتز. تتضمن التكوينات المتوفرة عروض نطاق قناة تبلغ 1.25 و2.5 و5 و10 و20 ميجاهرتز، مع خيارات 40 أو 80 ميجاهرتز في المتغيرات المحددة. يتراوح تعديل TD-COFDM التكيفي من BPSK وQPSK إلى 16QAM و64QAM و256QAM و1024QAM. يوفر التحكم في طاقة الإرسال وتكوينات إخراج التردد اللاسلكي المتعددة مرونة إضافية عند مطابقة إعداد الراديو مع متطلبات الارتباط.

بالنسبة لتشغيل MIMO، تدعم السلسلة تشفير الزمكان، وتنوع الاستقبال، وتشكيل الحزم للإرسال والاستقبال، وتعدد الإرسال المكاني. تمتد تكوينات التردد إلى نطاقات VHF/UHF وL-band وS-band وC، بما في ذلك خيارات 2.3-2.5 جيجا هرتز التي تجعل 2.4 جيجا هرتز ترددًا توضيحيًا معقولًا للمثال أعلاه.

تعتبر هذه القيم مدخلات مفيدة، ولكن النطاق الأقصى يجب ألا يحل محل ميزانية الارتباط نفسها. يعتمد النطاق على التردد المحدد، والتكوين الفعلي لطاقة التردد اللاسلكي، وكسب الهوائي ونمطه، وعرض النطاق الترددي، وعتبة جهاز الاستقبال، وبيئة المسار، والتداخل، وهامش الخبو المخصص للتشغيل. وحتى الراديو المصمم للارتباطات بعيدة المدى لا يمكنه إخفاء هذه المتغيرات.

وينطبق نفس الحذر على الحساسية. وترتبط القيمة −103 dBm المستخدمة هنا بعرض نطاق قدره MHz 5؛ ولا ينبغي تعيينه تلقائيًا لكل تكوين قناة. عند هندسة رابط راديو MANET حقيقي، استخدم متطلبات جهاز الاستقبال المطابق للتكوين الذي يتم نشره وتحقق من القيم الخاصة بالوضع قبل الانتهاء من الميزانية.

 

خاتمة

تعتمد ميزانية وصلة راديو MANET الموثوقة على أكثر من مجرد تحقيق إشارة أعلى من حساسية جهاز الاستقبال. يحتاج المهندسون إلى مراعاة كسب الهوائي، وفقدان المسار والأجهزة، وعرض النطاق الترددي للتشغيل، ومتطلبات التعديل، وهامش التلاشي الكافي للتعامل مع الحركة، والعوائق، والمسارات المتعددة، والتداخل المتغير.

تقدم شركة Shenzhen Sinosun Technology Co., Ltd. حلول راديو MIMOmesh التي يمكنها دعم نهج التخطيط هذا من خلال معلمات التردد اللاسلكي القابلة للتكوين وقدرات الشبكات المتداخلة. تساعد مطابقة هذه الإعدادات مع حسابات ميزانية الارتباط الواقعية الفرق على بناء روابط ذات تغطية أكثر موثوقية وإنتاجية قابلة للاستخدام ومرونة عبر ظروف النشر المتغيرة.

 

التعليمات

س: ما هي ميزانية وصلة راديو MANET؟

ج: تقوم ميزانية وصلة راديو MANET بحساب قوة الإشارة المستقبلة المتوقعة من خلال الجمع بين طاقة الإرسال وكسب الهوائي وخسائر الانتشار وخسائر الأجهزة وحساسية جهاز الاستقبال لكل قفزة لاسلكية.

س: كيف يتم حساب الطاقة المستقبلة في ميزانية الوصلة الراديوية؟

ج: أضف طاقة جهاز الإرسال ومكاسب الهوائي، ثم اطرح خسائر الكابل والموصل والانتشار والخسائر الأخرى ذات الصلة. والنتيجة هي مستوى الإشارة المتوقع عند جهاز الاستقبال.

س: ما هو هامش التلاشي في رابط الراديو؟

ج: هامش الخبو هو هامش الإشارة بين المستوى المستقبل المتوقع وعتبة المستقبل المطلوبة. فهو يساعد على استيعاب التلاشي والعرقلة والتنقل وغيرها من التدهور المؤقت للإشارة.

س: كيف يؤثر كسب الهوائي على نطاق وصلة الراديو؟

ج: يمكن لكسب الهوائي الأعلى أن يحسن قوة الإشارة المستقبلة وهامش الارتباط من خلال تركيز طاقة التردد اللاسلكي، على الرغم من أنه يجب أيضًا أخذ اتجاه الهوائي واتجاهه ونمط التغطية المطلوب في الاعتبار.

س: لماذا تعتبر حساسية جهاز الاستقبال مهمة في حسابات موازنة الارتباط؟

ج: تحدد حساسية جهاز الاستقبال الحد الأدنى لمستوى الإشارة المطلوب لوضع تشغيل محدد. يساعد استخدام قيمة الحساسية الصحيحة في تحديد ما إذا كان الارتباط يمكنه الحفاظ على الأداء المطلوب.

س: لماذا يمكن أن تتغير ميزانية رابط MANET مع تحرك العقد؟

ج: تغير القدرة على الحركة المسافة، واتجاه الهوائي، وظروف خط البصر، والتظليل، والمسارات المتعددة. يمكن أن تؤدي هذه الاختلافات إلى تقليل الهامش المتاح حتى عندما تتنبأ الحسابات الثابتة الأصلية بوجود اتصال قابل للتطبيق.