MANET rádiókapcsolat költségvetése: nyereség, veszteség és elhalványulás

A A MANET rádiókapcsolat papíron életképesnek tűnhet, de instabillá válhat, ha a csomópontok elmozdulnak, az akadályok megváltoznak vagy a jelviszonyok romlanak. A kulcskérdés nem egyszerűen az, hogy a vevő képes-e érzékelni a jelet, hanem az, hogy az útvesztés, a hardvervesztés és a fading után elegendő teljesítmény marad-e ahhoz, hogy megbízhatóan támogassa a kívánt üzemmódot.

A praktikus link-költségvetés láthatóvá teszi ezt a mozgásteret. Az adási teljesítmény, az antennaerősítés, a terjedési veszteség, a vevő érzékenysége és a fade margin figyelembevételével a mérnökök meg tudják becsülni, hogy az egyes ugrások elég rugalmasak-e a valós MANET feltételekhez – és meghatározhatják, hogy a kapcsolat mely részén van szükség fejlesztésre a telepítés előtt.

 

Kezdje azokkal a számokkal, amelyek ténylegesen bezárják a hivatkozást

Az adási teljesítménytől a vételi teljesítményig

A link-költségvetést akkor lehet a legkönnyebben ellenőrizni, ha az ugyanabban a sorrendben követi a jelet, mint a hardver. Kezdje az adó kimeneti teljesítményével dBm-ben, adja hozzá az adóantenna erősítését dBi-ben, és vonja le a tápvezetéket, a csatlakozót vagy az egyéb adóoldali veszteségeket. A terjedési veszteség levonása után adja hozzá a vevőantenna erősítését, és vonja ki a vevőoldali hardverveszteségeket. Az eredmény becsült vett teljesítmény, általában dBm-ben kifejezve.

Az EIRP egy kényelmes köztes ellenőrzés. Az adóoldali veszteségek és az antennaerősítés alkalmazása utáni adóteljesítményt jelzi, segítve a mérnököket abban, hogy elkülönítsék azt, ami az antennát elhagyja a terjedési útvonalon keresztül. Egy szabványos RF költségvetésben a vett teljesítmény az adóteljesítmény plusz antennaerősítés mínusz adó-, terjedési és vevőveszteségként fejezhető ki.

Az egységek fontosak, mert nem cserélhetők fel. A dBm az abszolút teljesítményszintet, míg a dBi az antenna erősítését egy izotróp sugárzóhoz viszonyítva, a dB pedig az erősítési vagy veszteségi arányt fejezi ki. Miután a teljesítményt dBm-re konvertáltuk, a kapcsolat költségvetése összeadás-kivonás gyakorlattá válik. 2 dB elvesztése a kábelben, az antenna tájolásában vagy más alkatrészben ugyanazt a 2 dB-t eltávolítja a vevőnél elérhető margóból.

Használja a vevő érzékenységét a ténylegesen szükséges üzemmódhoz

Az érzékenységhez viszonyított pozitív vett teljesítményadat nem jelenti automatikusan azt, hogy az alkalmazás rendeltetésszerűen fog működni. A vevő érzékenysége az a minimális vett teljesítmény, amely meghatározott feltételek melletti sikeres működéshez kapcsolódik, és a kapcsolati határt általában úgy számítják ki, hogy a vett teljesítmény mínusz a vevő érzékenysége.

A fontos részlet az, hogy melyik érzékenységi érték kerül be a számításba. A MANET rádió fenntarthatja a kapcsolatot robusztus, alacsony frekvenciájú modulációval, miközben már nem támogatja a videó, telemetria vagy egyéb forgalom által igényelt sávszélességet vagy átviteli sebességet. A vonatkozó küszöb tehát a telepítéshez ténylegesen szükséges csatorna sávszélességre és működési módra vonatkozó vevőkövetelmény, nem pedig egyszerűen a specifikációs lapon elérhető legkedvezőbb szám.

 

Ahol a dB eltűnik egy igazi MANET útvonalon

Az FSPL az alapvonalat adja meg, nem a végső választ

A szabad tér útvesztése a legtisztább kiindulópont a terjedéshez:

FSPL (dB) = 32,44 + 20 log₁0 (távolság km-ben) + 20 log₁0 (frekvencia MHz-ben)

A kapcsolat azonnal feltár két hasznos tervezési tényt. A távolság növelése növeli a veszteséget, a növekvő frekvencia pedig a szabad tér elvesztését is növeli, ha a távolság változatlan marad. Az állandó változik, ha különböző távolság- vagy frekvenciaegységeket használnak, ezért a mértékegységeknek konzisztensnek kell maradniuk a számítás során.

Az FSPL értékes a megvalósíthatósági ellenőrzésekhez, mert elszigeteli a geometriai terjedést a terepi telepítés zavarosabb részeitől. Nem szabad azonban a tényleges vett jel ígéreteként kezelni. A szabad tér modell akadálytalan terjedési környezetet feltételez; nem veszi figyelembe a terepet, a jármű karosszériáját, a növényzetet, a polarizációs hibákat, az interferenciát vagy az antenna tájolásának változását.

A Fresnel távolság egy másik oka annak, hogy a látható rálátás félrevezető lehet. Előfordulhat, hogy az operátor láthatja a másik csomópontot, miközben a terep, szerkezetek vagy növényzet még behatol a közvetlen út körüli RF terjedési tartományba. Az eredmény diffrakció, visszaverődés és további csillapítás lehet, amely soha nem jelenik meg az alap FSPL ábrán.

Adja hozzá a hálózattal együtt mozgó veszteségeket

Néhány veszteség viszonylag stabil. A betáplálási csillapítás, a csatlakozók, az adapterek és a rögzített telepítési veszteségek általában egyszer megbecsülhetők, és közvetlenül bevihetők a táblázatba. Mások a hálózat mozgásával változnak. A kereszteződésen át kanyarodó jármű megváltoztathatja az antenna irányát, az UAV-bankok megváltoztathatják a sugárzási mintázatát egy másik csomóponthoz képest, és egy mozgó akadály hirtelen beárnyékolhatja a korábban tiszta utat.

A többutas külön figyelmet érdemel, mert ugyanannak az átvitelnek a visszavert, szórt és szórt változatai konstruktívan vagy destruktívan kombinálhatók a vevőnél. A többutas fading jelentős jelerősség-ingadozásokat idézhet elő, míg a hosszabb távú útvesztés és árnyékolás megváltoztatja a kapcsolat minőségét nagyobb távolságokon és időskálákon. Az interferencia és a helyi zajszint további dimenziót ad: az erős RSSI nem feltétlenül jelent erős használható kapcsolatot, ha az SNR romlott.

A legtöbb MANET tervezésnél ezek a hatások jobban ábrázolhatók reális terjedési ráhagyásként, mint figyelmen kívül hagyva, mert nehéz pontosan megjósolni őket. Speciális veszteségek, például eső vagy légköri elnyelés hozzáadhatók, ha a gyakoriság, a távolság és a működési környezet relevánssá teszi őket. Ellenkező esetben a költségvetésnek azokra a veszteségekre kell összpontosítania, amelyek a legnagyobb valószínűséggel jelentős tartalékot emésztenek fel a tervezett telepítés során.

 

Mennyi fade margin kell egy mozgó MANET-nek?

A link margója és az elhalványuló margó különböző kérdésekre válaszol

A kapcsolati margó megmutatja, hogy az előre jelzett vett jel milyen messze van a vevő küszöbértéke felett. Ha egy számítás –80 dBm-t jósol a vevőn, és a szükséges működési szint –100 dBm, akkor a névleges határ 20 dB. Ez a szám arra ad választ, hogy papíron bezárul-e a tervezett kapcsolat, de nem árulja el, hogy a rendszer mekkora romlást fog tapasztalni a mozgás során.

A fade margin a jelmagasság azon része, amely a szükséges működési küszöb átlépése előtt elnyeli az átmeneti romlást. Gyakorlati szempontból:

Fade Margin = előre jelzett vételi szint − szükséges működési szint

Nincs egyetlen fade-margin cél, amely minden MANET Radio telepítéshez illeszkedik. Az akadálymentes geometriájú és szerény rendelkezésre állási követelményekkel rendelkező helyhez kötött kapcsolat nem szembesül azzal a változékonysággal, mint a mozgó járművekhez, repülőgépekhez, robotokhoz vagy személyzethez csatlakoztatott rádiók. A terep, a működési frekvencia, az interferencia, az antennamintázatok, az akadályozás valószínűsége és a moduláció, amelyet fenn kell tartani, mind befolyásolják, hogy mekkora a szabad mozgástér.

A tervezési cél tehát nem 'semmilyen pozitív árrés'. A 2 dB-es többlet sikeresnek tűnhet egy táblázatban, de eltűnik egy kis tájolási változás vagy egy rövid árnyékoló esemény után. A jobb kérdés az, hogy a fennmaradó árrés tükrözi-e a hálózat várható eltéréseinek súlyosságát és gyakoriságát.

A mobilitás egy előre jelzett jelszintet tartománygá változtat

A statikus költségvetés egy előre jelzett fogadott szintet állít elő, mivel a bemenetei rögzítettek. A mozgó MANET egy sor lehetséges szintet állít elő, mivel ezek közül több bemenet hatékonyan változik az idő múlásával. Növekedhet a távolság, kedvezőtlenebbé válhat az antennabeállítás, romolhat a Fresnel távolság, és az akadályok árnyékot okozhatnak. A többutas rendszer ezután kisebb léptékű ingadozásokat hozhat létre a változásokon felül.

Az átlagos SNR hosszabb távú kapcsolatminőségi mérőszámként szolgálhat hasznos next-hop kapcsolat kiválasztásakor, míg a rövidebb távú csatornaváltások gyorsabban mennek végbe. Ez az oka annak, hogy a MANET Radio link költségvetését nem szabad csak hatótávolság számításnak tekinteni: a rendelkezésre álló árrés befolyásolja azt is, hogy egy adott szomszéd milyen következetesen marad hasznos továbbítási lehetőség.

A küszöbéhez nagyon közel kialakított kapcsolat ismételten átválthat egy robusztusabb üzemmódba, újraküldést szenvedhet el, vagy eltűnhet az elérhető topológiából. A fenntartottabb mozgástér lehetővé teszi a rádió számára, hogy elviselje ezeket a változásokat, mielőtt a hálózati viselkedést kompenzálnia kellene.

A sávszélesség, a moduláció és a MIMO befolyásolja a használható margót

A vevő teljesítménye a működési konfigurációtól függ. A szűkebb csatorna sávszélesség csökkentheti az integrált vevő zaját, és jobb érzékenységet tesz lehetővé, míg a magasabb rendű moduláció több adatot hordoz, de általában jobb jelminőséget igényel. Az adaptív moduláció ezt a kompromisszumot dinamikusan használja fel, robusztusabb sémák felé haladva, ha a csatorna minősége romlik, és nagyobb kapacitású sémák felé, ha a körülmények lehetővé teszik.

A MIMO-kompatibilis MANET rádió javíthatja a kapcsolat viselkedését olyan technikák révén, mint a vételi diverzitás, a tér-idő kódolás, a sugárformálás vagy a térbeli multiplexelés. Ezeket az előnyöket nem szabad feltételezett rögzített 'MIMO nyereség'-vé alakítani, és véletlenül hozzáadni a költségvetéshez. A diverzitás javítása, a sugárformálás erősítése és a multiplexelési kapacitás különböző hatások; csak az antenna tényleges geometriájára és működési módjára vonatkozó dokumentált vagy mért kapcsolatszintű erősítést kell numerikus költségvetési bemenetként kezelni.

 

Futtasson egy MANET Link költségvetést valódi rádióparaméterekkel

Egy ugrással dolgozzon a bemenetektől a maradék margóig

Vegyünk egy egyszerűsített 10 km-es MANET ugrást, amely 2,4 GHz-en működik. Tételezzünk fel egy 2 W-os adási ágat a példában, egyenlő 8 dBi-es antennákat mindkét végén, 1 dB hardveres veszteséget mindkét oldalon, és további 8 dB ráhagyást a nem ideális terjedéshez. A 2 W-os RF kimenet körülbelül 33 dBm-nek felel meg. A példa szándékosan egy egyláncú számítás, nem pedig egy kísérlet két MIMO adási lánc egy tetszőleges teljesítményadattá kombinálására.

Az FSPL egyenletet használva:

FSPL = 32,44 + 20 log₀₀(10) + 20 log₀₀(2400) ≈ 120,0 dB

A kapott szint ekkor körülbelül:

33 + 8 - 1 - 120 - 8 + 8 - 1 = -81 dBm

Ha a kiválasztott üzemmód –103 dBm vevőküszöböt használ, a névleges fennmaradó sáv körülbelül 22 dB . Az eredmény nem jósol pontos terepi teljesítményt; megmutatja, hogy minden mérnöki feltételezés hogyan valósul meg, és milyen gyorsan változik a válasz, ha a távolság, az antennaerősítés, a veszteségi ráhagyás vagy a vevőigény változik.

Használja a MIMOmesh specifikációit bemenetként, ne hirdetési állításként

A WDS A könnyű, levegőben szállított MANET Radio –103 dBm vételi érzékenységet támogat 5 MHz-es sávszélesség mellett. Az elérhető konfigurációk 1,25, 2,5, 5, 10 és 20 MHz-es csatornasávszélességet tartalmaznak, valamint 40 vagy 80 MHz-es opciókat a kiválasztott változatoknál. Az adaptív TD-COFDM moduláció a BPSK-tól és QPSK-tól a 16QAM-ig, 64QAM-ig, 256QAM-ig és 1024QAM-ig terjed. Az átviteli teljesítmény szabályozása és a többszörös RF kimeneti konfigurációk további rugalmasságot biztosítanak a rádióbeállítás és a kapcsolati igények összehangolása során.

A MIMO működéshez a sorozat támogatja a tér-idő kódolást, a vételi diverzitást, az adás/vétel sugárformálást és a térbeli multiplexelést. A frekvenciakonfigurációk több VHF/UHF, L-sáv, S-sáv és C-sáv tartományt ölelnek fel, beleértve a 2,3–2,5 GHz-es opciókat, amelyek a 2,4 GHz-et ésszerű szemléltető frekvenciává teszik a fenti példában.

Ezek az értékek hasznos bemenetek, de a maximális tartomány soha nem helyettesítheti magát a link költségvetését. A hatótávolság függ a kiválasztott frekvenciától, a tényleges RF teljesítmény konfigurációtól, az antenna erősítésétől és mintázatától, a sávszélességtől, a vevő küszöbértékétől, az útkörnyezettől, az interferenciától és a működéshez fenntartott fade margintól. Még a távolsági kapcsolatokra tervezett rádió sem tudja eltüntetni ezeket a változókat.

Ugyanez az óvatosság vonatkozik az érzékenységre is. Az itt használt –103 dBm érték 5 MHz-es sávszélességhez kapcsolódik; nem szabad automatikusan minden csatornakonfigurációhoz hozzárendelni. Valódi MANET rádiókapcsolat tervezésekor használja a telepített konfigurációnak megfelelő vevőkövetelményt, és ellenőrizze az üzemmód-specifikus értékeket a költségvetés véglegesítése előtt.

 

Következtetés

A megbízható MANET rádiókapcsolat költségvetése többen múlik, mint a vevőérzékenység feletti jel elérésén. A mérnököknek figyelembe kell venniük az antennaerősítést, az útvonal- és hardverveszteséget, a működési sávszélességet, a modulációs követelményeket és a megfelelő elhalványulási határt a mozgás, az akadályozás, a többutas és a változó interferencia kezelésére.

A Shenzhen Sinosun Technology Co., Ltd. olyan MIMOmesh rádiós megoldásokat kínál, amelyek konfigurálható RF paraméterekkel és mesh hálózati képességekkel támogatják ezt a tervezési megközelítést. Ha ezeket a beállításokat a valósághű linkköltségvetés-számításokhoz igazítja, a csapatok megbízhatóbb lefedettséget, használhatóbb átviteli sebességet és rugalmasságot biztosítanak a változó telepítési feltételek mellett.

 

GYIK

K: Mi az a MANET Radio link költségvetése?

V: A MANET rádiókapcsolat költségvetése kiszámítja a vett jel várható teljesítményét az adási teljesítmény, az antenna erősítésének, a terjedési veszteségek, a hardverveszteségek és a vevő érzékenységének kombinálásával minden vezeték nélküli ugráshoz.

K: Hogyan számítja ki a vett teljesítményt a rádiókapcsolat költségvetésében?

V: Adja hozzá az adóteljesítményt és az antenna nyereségét, majd vonja le a kábelt, a csatlakozót, a terjedést és az egyéb releváns veszteségeket. Az eredmény a vevő előre jelzett jelszintje.

K: Mi az a fade margin egy rádiókapcsolatban?

V: A fade margin az előre jelzett vételi szint és a szükséges vételi küszöb közötti jelmagasság. Segít alkalmazkodni az elhalványuláshoz, az elzáródáshoz, a mobilitáshoz és más átmeneti jelromláshoz.

K: Hogyan befolyásolja az antenna erősítését a rádiókapcsolat hatótávolsága?

V: A nagyobb antennaerősítés javíthatja a vett jel erősségét és a kapcsolati határt az RF energia koncentrálásával, bár az antenna irányát, tájolását és a szükséges lefedettségi mintát is figyelembe kell venni.

K: Miért számít a vevő érzékenysége a link-költségvetés számításánál?

V: A vevő érzékenysége határozza meg az adott üzemmódhoz szükséges minimális jelszintet. A megfelelő érzékenységi érték használata segít meghatározni, hogy a kapcsolat képes-e fenntartani a kívánt teljesítményt.

K: Miért változhat a MANET-hivatkozás költségvetése a csomópontok mozgásával?

V: A mobilitás megváltoztatja a távolságot, az antenna tájolását, a látótávolság feltételeit, az árnyékolást és a többutat. Ezek a változtatások még akkor is csökkenthetik a rendelkezésre álló tartalékot, ha az eredeti statikus számítás életképes kapcsolatot jósol.