Pohled na výpočet přenosových ztrát modulů využívajících pásmo 2,4 GHz

Frekvenční pásmo 2,4 GHz se stalo vyhledávanou volbou pro celou řadu aplikací krátkého dosahu pro domácí, kancelářské i průmyslové použití. Základní kanály 2,4GHz pásma jsou součástí bezlicenčního frekvenčního pásma ISM (Industrial Scientific Medical). Z toho důvodu se zde usídlila hned celá řada komunikačních protokolů, jako je Zig-Bee (IEEE 802.15.4), Bluetooth (IEEE 802.15.1), Wi-Fi (IEEE 802.11 b/g/n), Wireless Universal Serial Bus (WUSB), vlastněné protokoly (např. MiWi) či například domácí bezšňůrové telefony. Kvůli tomu je však provoz v ISM pásmu 2,4 GHz zatížen interferencemi s ostatními systémy používajícími stejné frekvenční spektrum.

Již při samotném návrhu je tedy důležité zhodnotit požadovaný dosah a výkon bezdrátového systému a vytvořit simulační model pro odhad přenosových ztrát při malém dosahu modulů pro vnitřní nebo venkovní použití. Z toho návrháři získají důležité informace pro prvotní odhad minimálního výkonu bezdrátového komunikačního systému. Mezi základní výkonnostní parametry patří dosah, přenosové ztráty, vstupní citlivost přijímače, bitová chybovost (BER) i chybovost na úrovni paketů (PER), které jsou rozhodující v každém systému.

Chceme-li si získané informace ověřit v praxi, můžeme to provést se třemi moduly s různými specifikacemi – Microchip MRF24J40MA, MRF24J40MB a MRF24J40MC. Moduly MRF24J40MA jsou certifikované pro provoz v pásmu 2,4 GHz IEEE 802.15.4 s integrovanou anténou na DPS a jsou vhodné pro bezdrátové senzorové sítě, domácí automatizaci, automatizaci budov či spotřebitelské aplikace. Moduly MRF24J- 40MB jsou podobné, ovšem jsou určeny pro aplikace s větším dosahem, jako jsou například systémy automatického sběru dat. A konečně moduly MRF24J40MC obsahují externí anténu (viz obr. 1), takže rovněž vyhovují aplikacím s větším dosahem. Společnou vlastností všech tří modulů je jednotné komunikační rozhraní typu SPI pro připojení k mikrokontroléruse čtyřmi signálovými piny. Naopak příslušné regulační a modulární certifikáty jsou však u modulů rozdílné.

Obr. 1 Moduly MRF24J40MC se základní deskou a externí anténou

Modelové řešení přenosových ztrát

Pro předvídání chování modulů v praxi jsou k dispozici rozsáhlé výpočetní modely. Komplexní model je vždy funkcí přenosové vzdálenosti a významných mechanických prvků v blízkosti trasy, které jsou obvykle frekvenčně nezávislé. Samozřejmě přesnost tohoto modelu je poměrně nízká, především s malou vzdáleností, ale i přesto je model velice užitečný pro simulaci dosahu rádiového systému a hrubý odhad požadovaného výkonu. Zjednodušené modely pak popisují variabilitu signálu na stupnici jedna k jedné. Mají dominantní multi-path účinky (fázově rušené). Přenosový útlum je v tom případě považován za konstantní, ale v praxi je většinou závislý na frekvenci a šířce pásma.

V praxi se obvykle zaměřujeme právě na zjednodušené modely s rychlou změnou signálu vůči malé změně vzdálenosti v čase. Je-li výstupní výkon dostatečně velký (typicky ve vztahu k citlivosti přijímače), který může navíc v závislosti na zvoleném komunikačním protokolu vyžadovat rozdílný vstupní výkon, bude přenos dat probíhat bez problému. Hodnota výstupního výkonu oproti vstupní citlivosti přijímače označuje požadovanou výkonnostní rezervu, obvykle označovanou jako LM (Link Margin). Ten, nebo také Fade Margin, je definován jako síla (Margin) výše požadovaných úrovní signálu a citlivosti přijímače k zajištění spolehlivého rádiového spojení mezi vysílačem a přijímačem. V ideálních podmínkách (antény jsou dokonale sladěny, v cestě nevznikají žádné odrazy ani zde nejsou žádné výraznější ztráty) postačí úroveň rozpětí na hodnotě 0 dB. Ve skutečnosti hodnota Fade Margin závisí na požadované spolehlivosti přenosu, ale dobrým pravidlem je zachovat hodnotu mezi 22 až 28 dB v jakémkoliv prostředí. Již hodnota více než 15 dB v dobrých provozních podmínkách poskytuje vysokou míru jistoty, že systém bude efektivně pracovat i v náročnějších podmínkách, například za zhoršeného počasí, slunečního a RF rušení.

Přenosové ztráty vzhledem k šíření signálu mezi přijímací a vysílací anténou jsou obvykle definovány v tzv. bezrozměrné formě normalizace vzdálenosti na vlnové délce. Přesto je vhodné zohlednit také ztráty způsobené vzdáleností a vlnovou délkou. V tom případě nesmíme zapomenout hlídat použité jednotky, protože každé jednotlivé řešení představuje specifický posun konstant.

Jako příklad si můžeme uvést spojení na vzdálenost 1 km se dvěma moduly MRF24J40MB s výstupním výkonem 20 dBm. Oba RF uzly jsou připojeny k PCB všesměrové antény s 1dBi ziskem. Shodné jsou i ostatní parametry, jako je vysílací výkon v hodnotě 100 mW (nebo 20 dBm) a vstupní citlivost přijímače –102 dBm. RF kabely jsou pouze krátké a na každé straně vkládají útlum maximálně 1 dB. Nyní stačí jednoduše sečíst zisky a odečíst všechny ztráty na uvedené rádiové lince, přitom budeme uvažovat přenos pouze na volném prostranství na vzdálenost přibližně 1km.

Vzhledem k tomu, že je získaný celkový výkon –60 dB stále mnohem větší než minimální citlivost přijímače (–102 dBm), je zamýšlený výkon dostatečný pro realizaci uvedeného spoje. K dispozici máme výkonovou rezervu až 42 dB (102−60 dB), která je dostatečná pro přenos za dobrých povětrnostních podmínek, ovšem nemusela by stačit jako ochrana před nepříznivými povětrnostními vlivy.

Uvedené ztráty platí samozřejmě i pro přenos na téže trase v opačném směru. Vždy na vstupu přijímače získáme úroveň signálu –60 dB. Vzhledem k tomu, že vstupní citlivost přijímače je –102 dBm máme k dispozici ještě rezervu 42 dB (102−60 dB). V praxi však musíme zohlednit také ztráty způsobené okolním prostředím (fading), často označované jako LoS (Line of Sight), které mohou signál utlumit o dalších 20 dB v případě, kdy použijeme pouze zmíněnou přenosovou cestu bez dalších zesilovačů.

Nyní pojďme druhý uzel nahradit modulem MRF24J40MA s výstupním výkonem (ziskem) 0 dB. Rovněž vstupní citlivost přijímače druhého uzlu je nižší, a to –95 dBm. To nám v daném směru přenosové cesty nechává rezervu 35 dBm (95−60 dB). Kromě toho zde opět dochází ke ztrátám v důsledku okolního prostředí, kde LoS může být opět nějakých 20 dB, takže výsledná celková výkonová rezerva je pouhých 15−20 dB.

Fresnelova zóna

Fresnelova zóna je oblast kolem vizuální LoS představující elipsoidní kanál šíření rádiových vln poté, co opustí anténu. Typické znázornění je uvedeno na obr. 2. Jedná se o oblast mezi přijímací a vysílací anténou, ve které by se neměla vyskytovat žádná překážka. Zejména je to platné pro mikrovlnné spoje od 2,4 GHz výše, neboť tyto vlny jsou mnohem více absorbovány vodou a vodními parami. Pravidlem je, že minimálně 60 % Fresnelovy zóny musí být zcela volných, bez jakýchkoliv překážek, které by do ní byť jen okrajově zasahovaly. Typicky ještě hodnota 20 % Fresnelovy zóny představuje poměrně malé ztráty přenášeného signálu, ale hodnoty nad 40 % tvoří již poměrně velký útlum.

Obr. 2 Fresnelova zóna

Obr. 3 Umístění a vzdálenost v prostředí LoS

Na přenášené trase je důležité ověřit, s jak velkým zásahem do Fresnelovy zóny musíme počítat. Obvykle se setkáváme právě s hodnotou mezi 20 až 40 %, což má jen nepatrný vliv na přenášený signál. Přesto je lepší navrhnout trasu tak, aby v celé její délce nedocházelo k průniku do více než 20 % Fresnelovy zóny.

Uvnitř zástavby je situace komplikovanější, protože zde musíme počítat s celou řadou překážek, jako jsou zdi a stropy. Celkově je zde přenos ovlivněn kombinací útlumu od stěn a stropů, stejně jako v důsledku ostatního vybavení, nábytku a samozřejmě také osob, které se zde pohybují.

Kdybychom měli být konkrétní, tak například stromy nacházející se přímo v oblasti přenosu tvoří útlum v rozmezí 8−18 dB. Přesná hodnota je samozřejmě závislá na velikosti, tvaru i druhu stromu. Nejmenší útlum je přitom vlivem suchých stromů, kde se hodnota pohybuje v blízkosti uvedených 6 dB. Podobně je na tom rozdíl v útlumu LoS mezi starší a novou stavbou kvůli použitým materiálům a vlhkosti. Obvykle však betonové stěny představují útlum v rozmezí 10−15 dB v závislosti na velikosti a tvaru konstrukce. Naproti tomu stropy uvnitř budov tvoří ztráty 12 až 27 dB a je jasné, že betonové a ocelové stropy mají větší ztrátu než staré dřevěné stropy. Výrazným zdrojem přenosových ztrát jsou rovněž zrcadlové stěny, protože jejich reflexní vrstva bývá vodivá.

Fresnelova zóna bývá dobrým ukazatelem i v případě použití uvnitř budov. Zde však obecně platí, že hodnota LoS je platná pouze asi první 3 metry. Dále se uvnitř budov uplatňuje celá řada přenosových ztrát, takže v hodně zastavěném kancelářském prostředí se můžeme dostat až na 30 dB na 30 metrech. V praxi však situace nebývá tak kritická a přenosové ztráty bývají ve většině případů mnohem nižší. Na přenosové ztráty zde má vliv celá řada faktorů a naměřené hodnoty se mohou značně lišit i v závislosti na typu stavby, její struktuře a uspořádání.

Mezi další z možných důvodů pro nárůst přenosových ztrát přes Fresnelovy zóny patří kolize s jinými vysílači, malá změna vektoru (EVM) šíření signálu od vysílače, která se obecně pohybuje v rozmezí 20 až 24 % rms a odrazy od pohybujících se předmětů nebo osob. Obr. 3 zobrazuje informace o síle signálu (RSSI) v prostředí LoS.

Závěr

Při výběru metody prognózy přenosových ztrát výkonu RF systému je třeba velké obezřetnosti. Závažné chyby se mohou projevit prostřednictvím útlumu přenosu na modelu volného prostranství (FSPL) v celé řadě případů. Realističtější model, vhodný pro městské prostředí, je model vnitřního šíření signálu ITU. Pro městské prostředí přitom platí pravidlo, kdy 10−12 dB je dostatečná úroveň navýšení signálu při požadavku na zdvojnásobení přenosové vzdálenosti. První proměnnou v systému, o kterou musí být postaráno při optimalizovaném zvýšení dosahu systému, je však citlivost samotného přijímače. Samozřejmě na dosah bezdrátového systému mají vliv i jiné proměnné, ale zde obecně platí nutnost větší procentní změny pro shodné účinky jako v případě změny citlivosti přijímače.

Naopak útlum vlivem odrazů a více cest může mít hodnotu až více než 30 nebo 40 dB. Je doporučeno promítnout tuto hodnotu a počítat s uvedenou ztrátou již při samotném návrhu bezdrátového systému.

www.microchip.com