あ MANET 無線 リンクは紙の上では実行可能に見えますが、ノードが移動したり、障害物が変化したり、信号状態が悪化したりすると不安定になります。重要な問題は、単に受信機が信号を検出できるかどうかではなく、パス損失、ハードウェア損失、フェージング後に必要な動作モードを確実にサポートするのに十分な電力が残っているかどうかです。
実際的なリンク バジェットにより、そのヘッドルームが目に見えるようになります。送信電力、アンテナ ゲイン、伝播損失、受信感度、フェード マージンを考慮することで、エンジニアは各ホップが実際の MANET 条件に対して十分な回復力を備えているかどうかを推定し、展開前にリンクのどの部分を改善する必要があるかを特定できます。
リンク バジェットは、ハードウェアと同じ順序で信号に従う場合に監査が最も簡単です。 dBm 単位の送信機出力電力から開始し、dBi 単位で送信アンテナ ゲインを追加し、フィードライン、コネクタ、またはその他の送信機側の損失を差し引きます。伝播損失を差し引いた後、受信アンテナのゲインを加算し、受信機側のハードウェア損失を差し引きます。結果は予測受信電力であり、通常は dBm で表されます。
EIRP は便利な中間チェックです。これは、送信側損失とアンテナ ゲインが適用された後の送信電力を表し、エンジニアがアンテナから出たものと伝播経路全体で起こったものを区別するのに役立ちます。標準的な RF バジェットでは、受信電力は、送信機電力とアンテナ利得を足したものから、送信機、伝播、および受信機の損失を引いたものとして表すことができます。
単位は互換性がないため重要です。 dBm は 絶対電力レベルを表し、 dBi は 等方性放射体に対するアンテナ利得を表し、 dB は 利得または損失比を表します。電力が dBm に変換されると、リンク バジェットは加算と減算の計算になります。ケーブル、アンテナの方向、または別のコンポーネントで 2 dB 損失すると、受信機で利用可能なマージンから同じ 2 dB が削除されます。
パラメータ |
代表的なユニット |
予算の役割 |
代表的なソース |
送信電力 |
dBm |
得 |
無線仕様 |
アンテナ利得 |
dBi |
得 |
アンテナデータ |
ケーブル/コネクタの損失 |
dB |
損失 |
ケーブルデータまたは測定値 |
伝搬損失 |
dB |
損失 |
計算・モデル |
受信電力 |
dBm |
結果 |
計算または測定 |
受信感度 |
dBm |
しきい値 |
無線仕様 |
感度に対して受信電力が正の値であっても、アプリケーションが意図したとおりに動作することを自動的に意味するわけではありません。受信機感度は、指定された条件下で正常に動作した場合の最小受信電力であり、リンク マージンは通常、 受信電力から受信機感度を引いたものとして計算されます。.
重要な詳細は、 どの 感度値が計算に含まれるかということです。 MANET 無線は、ビデオ、テレメトリ、またはその他のトラフィックに必要な帯域幅やスループットをサポートしなくても、堅牢な低レート変調を使用して接続を維持できます。したがって、関連するしきい値は、単に仕様書に記載されている最も好ましい数値ではなく、実際に展開に必要なチャネル帯域幅と動作モードに対する受信機の要件になります。
自由空間パスの損失は、伝播の最もクリーンな開始点を提供します。
FSPL (dB) = 32.44 + 20 log₁₀(km 単位の距離) + 20 log₁₀(MHz 単位の周波数)
この関係により、2 つの有益な設計事実がすぐに明らかになります。距離が増加すると損失が増加し、周波数が増加すると、距離が変わらない場合の自由空間損失も増加します。異なる距離または周波数単位が使用されると定数が変化するため、計算全体を通じて単位を一貫したままにする必要があります。
FSPL は、幾何学的拡散を現場展開の厄介な部分から分離するため、実現可能性のチェックに役立ちます。ただし、実際の受信信号を保証するものとして扱うべきではありません。自由空間モデルは、遮るもののない伝播環境を想定しています。地形、車体、植生、偏波誤差、干渉、アンテナの向きの変化は考慮されていません。
フレネル クリアランスは、可視視線が誤解を招く可能性があるもう 1 つの理由です。地形、構造物、または植生がダイレクト パスの周囲の RF 伝播領域に侵入している場合でも、オペレータは他のノードを見ることができる場合があります。その結果、回折、反射、および基本的な FSPL 図には決して現れない追加の減衰が発生する可能性があります。
一部の損失は比較的安定しています。給電線の減衰、コネクタ、アダプタ、固定設置の損失は通常、一度見積もってスプレッドシートに直接入力できます。その他は、ネットワークの移動に応じて変化します。交差点を通過する車両はアンテナの方向を変える可能性があり、UAV バンキングは別のノードに対する放射パターンを変更する可能性があり、移動する障害物がそれまできれいだった経路に突然影を落とす可能性があります。
同じ伝送の反射、回折、散乱バージョンが受信機で建設的または破壊的に結合する可能性があるため、マルチパスは特に注意する必要があります。マルチパス フェージングは信号強度の大幅な変動を引き起こす可能性があり、長期的なパス損失とシャドウイングにより、より長い距離と時間スケールでリンクの品質が変化します。干渉とローカル ノイズ フロアにより、別の側面が追加されます。SNR が劣化している場合、強い RSSI は必ずしも強力な使用可能なリンクを意味するわけではありません。
ほとんどの MANET 計画では、これらの影響は正確に予測することが難しいため、無視するよりも現実的な伝播許容量として表す方が適切です。頻度、距離、動作環境が関連する場合、雨や大気吸収などの特殊な損失を追加できます。それ以外の場合、予算は、意図した展開で有意なマージンを消費する可能性が最も高い損失に集中する必要があります。
リンク マージンは、予測された受信信号が受信機のしきい値をどれだけ超えているかを示します。計算により受信機で -80 dBm が予測され、必要な動作レベルが -100 dBm である場合、公称マージンは 20 dB です。この数値は、計画されたリンクが机上で閉じられるかどうかを示しますが、移動中にシステムがどの程度劣化するかはわかりません。
フェードマージンは、必要な動作しきい値を超える前に一時的な劣化を吸収するために利用できる信号ヘッドルームの部分です。実際的な観点では:
フェードマージン = 予測受信レベル − 必要な動作レベル
すべての MANET Radio 展開に適合する単一のフェード マージン ターゲットはありません。障害物のない形状と適度な可用性要件を備えた固定リンクは、移動する車両、航空機、ロボット、または人員に取り付けられた無線のような変動に直面しません。地形、動作周波数、干渉、アンテナ パターン、障害物の確率、および維持する必要がある変調はすべて、有効なヘッドルームの量に影響します。
したがって、設計目標は「プラスのマージン」ではありません。 2 dB の余剰は、スプレッドシートでは成功しているように見えますが、方向を少し変更したり、短時間のシャドウ イベントの後に消えることがあります。より良い疑問は、残りのマージンが、ネットワークが遭遇すると予想される変動の重大度と頻度を反映しているかどうかです。
静的バジェットでは、入力が固定されているため、1 つの予測受信レベルが生成されます。これらの入力のいくつかは時間とともに事実上変化するため、移動する MANET は可能なレベルの範囲を生成します。距離が長くなり、アンテナの調整が悪くなり、フレネル クリアランスが悪化したり、障害物によって影が生じたりする可能性があります。マルチパスは、それらの変化に加えてより小規模な変動を引き起こす可能性があります。
平均 SNR は、有用なネクストホップ接続を選択する際の長期的なリンク品質の尺度として機能しますが、短期的なチャネル変更はより速いタイムスケールで発生します。これが、MANET 無線リンク バジェットを範囲計算としてのみ見るべきではない理由です。利用可能なマージンは、特定の近隣ノードがどれだけ一貫して有用な転送オプションであり続けるかにも影響します。
しきい値に非常に近いように設計されたリンクは、より堅牢なモードに繰り返し移行したり、再送信が発生したり、利用可能なトポロジから消えたりする可能性があります。より多くのヘッドルームが予約されているため、ネットワーク動作が補償する必要がある前に、無線にこれらの変化を許容する余地が与えられます。
受信機のパフォーマンスは動作構成に依存します。チャネル帯域幅が狭いと、統合受信機のノイズが減少し、感度が向上する可能性があります。一方、高次の変調はより多くのデータを伝送しますが、一般的により高い信号品質が要求されます。適応変調はこのトレードオフを動的に利用し、チャネル品質が悪化した場合はより堅牢な方式に移行し、条件が許せばより大容量の方式に移行します。
MIMO 対応の MANET 無線は、 受信ダイバーシティ、時空間符号化、ビームフォーミング、空間多重化などの技術を通じてリンク動作を改善できます。これらのメリットは、想定される固定の「MIMO ゲイン」に変換され、何気なく予算に追加されるべきではありません。ダイバーシティの改善、ビームフォーミングゲイン、多重化能力は異なる効果です。実際のアンテナ形状と動作モードについて文書化または測定されたリンク レベル ゲインのみを数値バジェット入力として扱う必要があります。
2.4 GHz で動作する単純化された 10 km MANET ホップを考えてみましょう。この例では、1 つの 2 W 送信ブランチ、両端に等しい 8 dBi アンテナ、各側で 1 dB のハードウェア損失、および非理想的な伝播に対する追加の 8 dB の許容値があると仮定します。 2 W RF 出力は約 33 dBm に相当します。この例は、2 つの MIMO 送信チェーンを 1 つの任意の電力数値に結合する試みではなく、意図的に単一リンクの計算です。
FSPL 方程式を使用すると、次のようになります。
FSPL = 32.44 + 20 log₁₀(10) + 20 log₁₀(2400) ≈ 120.0 dB
受信レベルはおよそ次のようになります。
33 + 8 − 1 − 120 − 8 + 8 − 1 = −81dBm
選択した動作モードで -103 dBm の受信機しきい値を使用する場合、公称残りマージンは約 22 dBです。この結果は、フィールドの正確なパフォーマンスを予測するものではありません。これは、すべての工学的仮定がどのように明らかになり、距離、アンテナ利得、損失許容値、または受信機の要件が変化したときに答えがどれほど早く変化するかを示しています。
リンクバジェット項目 |
価値 |
ランニング効果 |
送信電力 |
+33dBm |
+33 |
送信アンテナ利得 |
+8dBi |
+41 |
送信ハードウェアの損失 |
−1dB |
+40 |
FSPL（2.4 GHz / 10 km） |
−120dB |
−80 |
追加の伝播許容量 |
−8dB |
−88 |
Rxアンテナゲイン |
+8dBi |
−80 |
Rx ハードウェアの損失 |
−1dB |
−81dBm受信 |
必要な受信レベル |
−103dBm |
≈22 dB マージン |
WDS 軽量の空中 MANET 無線は、 5 MHz 帯域幅で -103 dBm の受信感度をサポートします。利用可能な構成には、1.25、2.5、5、10、および 20 MHz のチャネル帯域幅が含まれ、選択したバリアントでは 40 または 80 MHz のオプションがあります。適応 TD-COFDM 変調の範囲は、BPSK および QPSK から 16QAM、64QAM、256QAM、および 1024QAM までです。送信電力制御と複数の RF 出力構成により、無線セットアップをリンク要件に適合させる際の柔軟性がさらに高まります。
MIMO 動作の場合、このシリーズは時空間符号化、受信ダイバーシティ、送信/受信ビームフォーミング、空間多重化をサポートしています。周波数構成は、複数の VHF/UHF、L バンド、S バンド、および C バンド範囲にまたがっており、2.3 ～ 2.5 GHz のオプションも含まれており、上記の例では 2.4 GHz が適切な例示的な周波数になります。
これらの値は有用な入力ですが、最大範囲がリンク バジェット自体を置き換えることはできません。範囲は、選択した周波数、実際の RF 電力構成、アンテナのゲインとパターン、帯域幅、受信機のしきい値、パス環境、干渉、および動作用に予約されたフェード マージンによって異なります。長距離リンク用に設計された無線であっても、これらの変数をなくすことはできません。
同様の注意が感度にも当てはまります。ここで使用される -103 dBm 値は 5 MHz 帯域幅に関連付けられています。すべてのチャネル構成に自動的に割り当てられるべきではありません。実際の MANET 無線リンクを設計する場合は、導入されている構成に対応する受信機要件を使用し、予算を最終決定する前にモード固有の値を検証します。
信頼性の高い MANET 無線リンク バジェットは、受信機の感度を超える信号を達成すること以上のものに依存します。エンジニアは、アンテナのゲイン、パスとハードウェアの損失、動作帯域幅、変調要件、および移動、障害物、マルチパス、変化する干渉に対処するための十分なフェード マージンを考慮する必要があります。
Shenzhen Sinosun Technology Co., Ltd. は、構成可能な RF パラメータとメッシュ ネットワーキング機能を備えたこの計画アプローチをサポートできる MIMOmesh 無線ソリューションを提供しています。これらの設定を現実的なリンク バジェットの計算に一致させることで、チームは、より信頼性の高いカバレッジ、使用可能なスループット、および変化する展開条件に対する復元力を備えたリンクを構築することができます。
A: MANET 無線リンク バジェットは、各ワイヤレス ホップの送信電力、アンテナ ゲイン、伝播損失、ハードウェア損失、受信感度を組み合わせて、予想される受信信号電力を計算します。
A: 送信機の電力とアンテナのゲインを加算し、ケーブル、コネクタ、伝播、およびその他の関連損失を差し引きます。その結果、受信機での予測信号レベルが得られます。
A: フェードマージンは、予測される受信レベルと必要な受信機しきい値の間の信号ヘッドルームです。フェージング、障害物、モビリティ、その他の一時的な信号劣化に対処するのに役立ちます。
A: アンテナ ゲインを高くすると、RF エネルギーが集中するため、受信信号強度とリンク マージンが向上しますが、アンテナの指向性、向き、および必要なカバレッジ パターンも考慮する必要があります。
A: 受信感度は、指定された動作モードに必要な最小信号レベルを定義します。正しい感度値を使用すると、リンクが必要なパフォーマンスを維持できるかどうかを判断できます。
A: モビリティにより、距離、アンテナの向き、見通し線の状態、影、マルチパスが変化します。これらの変動により、元の静的計算で実行可能な接続が予測された場合でも、利用可能なマージンが減少する可能性があります。