Применение моделей распространения радиоволн при передаче радиосигнала для диапазонов 2.4 и 5ГГц

Для планирования беспроводных сетей внутри помещений необходимо оценить количество и местоположение передатчиков. Прежде всего, это требование обусловлено необходимостью обеспечения наилучшего радиопокрытия в зоне планирования и оценки всех потенциальных помех. Для этого используют модели распространения радиоволн внутри помещений.

Модели распространения радиоволн – это математические инструменты, используемые инженерами и учеными для проектирования и оптимизации беспроводных сетей. Они традиционно сфокусированы на прогнозировании средней мощности сигнала на заданном расстоянии от передатчика, а также на изменчивости мощности сигнала в непосредственной пространственной близости к конкретному местоположению.

Простейшим случаем распространения радиоволн является распространение в свободном пространстве, которое означает, что между передатчиком и приемником нет никаких препятствий. Согласно закону Фрииса полученная антенной приемника мощность, которая отделена от передатчика расстоянием d, имеет вид (1):

,                                                                                         (1)

где P_r(d) – принятая мощность на расстоянии d между передатчиком и приемником;

P_t – мощность передатчика;

G_t и G_r – коэффициент усиления передатчика и приемника соответственно;

λ – длина волны.

Когда коэффициенты усиления антенны исключаются, модель потерь в свободном пространстве можно представить в виде (2):

.                                                                             (2)

На основании полученных с использованием оборудования предприятия Eltex и программного обеспечения Мathcad [1] экспериментальных данных  найдены следующие зависимости, отображенные на рисунках 1-4.

Рисунок 1. Зависимость уровня мощности приема от расстояния на частотах 2.4 и 5 ГГц

Для Рисунка 1 необходимо пояснить принятые обозначения: P_2G(d) – уровень мощности приема на рабочей частоте 2.4ГГц, P_5G(d) – уровень мощности приема  на рабочей частоте 5ГГц.

Как мы видим, мощность приема на частоте 2.4ГГц выше, чем на 5ГГц, что обусловлено меньшими затуханиями и большим значением коэффициента усиления антенн (для 2.4ГГц— 3.5дБи, для 5ГГц 2.9дБи [2])

На основе уравнения Фрииса построим зависимости затуханий радиосигналов от расстояния для частот 2.4ГГц и 5ГГц (L_free_2 и L_free_5 соответственно).

Рисунок 2. Зависимость значения затухания радиосигналов от расстояния для частот 2.4 и 5 ГГц

Данные зависимости, отображенные на Рисунке 2, подтверждают тот факт, что с увеличением частоты затухание сигнала увеличивается.

Далее рассмотрим основные эмпирические выражения, описывающие зависимость затухания от расстояния.

Модель линейного ослабления (Linear attenuation model) используется, когда передатчик и приемник находятся на одном уровне или на одном этаже. Данная модель ослабления предполагает, что потери на трассе в дБм линейно зависят от расстояния между передатчиком и приемником, что отражено в формуле 3:

,                                                                                                    (3)

где α_n – коэффициент ослабления, дБ/м;

d – расстояние между передатчиком и приемником, м;

L_FS – потери в свободном пространстве, дБ.

Например, в офисной среде коэффициент ослабления составляет α_n=0,47 дБ/м[3].

На Рисунке 3 представлена зависимость значения потерь в дБм от расстояния для офисной среды на частотах L2(d) — 2.4ГГц и L5(d) — 5ГГц.

Рисунок 3. Зависимость значения потерь в дБм от расстояния для офисной среды на частотах 2.4 и 5ГГц

Модель с одним наклоном (One-slope model) представляет собой быстрый и простой способ вычислить среднюю мощность сигнала внутри здания, когда нет информации о планировки здания. Эта модель предполагает линейную зависимость между потерями на трассе в дБ и логарифмического расстояния между передатчиком и приемником. Зависимость отображена в формуле 4 [4].

,                                                                                             (4)

где L₀ – потери на трассе на расстоянии 1 метр между передатчиком и приемником, дБ;

n – показатель потерь на трассе; d – расстояние между передатчиком и приемником, м;

d₀ = 1 м.

Рисунок 4 отражает зависимость значений потерь от расстояния для данной модели, причем L_One_2 — зависимость для частоты 2.4ГГц,  L_One_5 — для частоты 5ГГц.

Рисунок 4. Зависимость значений потерь от расстояния для модели с одним наклоном

Как мы видим, затухания для диапазона 2,4Ггц выше. Это связано с тем, что значение потерь на расстоянии 1м у данного диапазона выше, так как на данном диапазоне располагалось множество сторонних точек доступа. Из-за малой “засоренности” диапазона 5ГГц потери на расстояние 1м меньше.

В заключении хотелось бы отметить, что модели распространения радиосигналов Wi-Fi не ограничиваются только рассмотренными в статье. При планировании помещений необходимо опираться не только на расчеты по какой-либо выбранной модели, но и провести необходимые замеры, т. к. модель может не учитывать всех особенностей распространения сигнала внутри помещения, предоставляя только примерные данные.