Алтайский государственный университет
Опубликован: 05.06.2014 | Доступ: свободный | Студентов: 865 / 257 | Длительность: 08:16:00
Лекция 2:

Прикладные аспекты практической реализации беспроводных узлов

< Лекция 1 || Лекция 2: 12345 || Лекция 3 >
Аннотация: Дальность связи. Энергопотребление Выбор частотного диапазона. Особенности аппаратной часты беспроводных систем. Антенны. Рекомендации по топологии печатной платы Оценка времени и ресурсов на разработку. Жизненный цикл разработки беспроводных систем.

Дальность связи

Одним из факторов, тесно связанных, а в некоторых задачах и влияющих на топологию сети и выбор протокола передачи данных - это предельное расстояние, на которые можно разнести узлы в сети при сохранении устойчивой связи и требуемой скорости обмена данными (хотя бы на минимальных значениях, устраивающих приложение).

Расстояние между узлами можно оценить исходя из сведений о выходной мощности передатчика, чувствительности приемника и характеристик антенн с учетом эмпирических сведений.

Для теоретических оценок используется формула Фриза для свободного пространства:

P_r=P_t+G_t+G_r+20\log\left( \frac{\lambda}{4\pi } \right)-20\log d ( 2.1)

или

\begin{matrix}
\\ P_r=\frac{P_t G_t G_r {\lambda}^{2}}{(4\pi d)^2};
\\ d=\frac{\lambda}{4\pi}\sqrt{\frac{P_t G_t G_r}{P_r}};
\end{matrix} ( 2.2)

где

  • P_t - мощность передатчика;
  • P_r - чувствительность приемника;
  • G_t, G_r - коэффициенты усиления передающей или приемной антенн соответственно;
  • d - расстояние между узлами;
  • \lambda - длина волны.

Формула (2.1) носит еще название энергетического бюджета канала связи (или просто бюджет канала).

В реальной ситуации рассчитанная дальность передачи будет несколько ниже из-за различных эффектов распространения сигнала (рассеяние, дисперсия, многолучевое распространение и др.). Поскольку учесть все или хотя бы часть эффектов практически не реально, пользуются эмпирическими правилами (правила приближенного счета), позволяющими сделать необходимые оценки [4, 5].

Наиболее важными факторами для узлов сети являются характеристики антенны - коэффициент усиления, диаграмма направленности, чувствительность к предметам в ближней зоне и др. Сильно также влияет реализация передачи данных в различных сетевых технологиях (Рис. 1.1, Рис. 1.2).

Энергопотребление

Энергопотребление узлов сети является важным для систем с автономным питанием, а также в рамках общей тенденции к переходу на энергосберегающие технологии.

Кроме технических характеристик микросхем приемопередатчиков, микроконтроллеров и других узлов беспроводных модулей на энергопотребление существенно влияет режим работы сетевого приложения, интенсивность обмена данными (Рис. 2.1).

Выделяют режимы работы с интенсивным рабочим циклом и с малой интенсивностью обмена. В приложениях с интенсивным рабочим циклом основная доля энергопотребления приходится на радиоинтерфейс - прием/передача пакетов, синхронизация и автоподстройка частоты. При этом, в случае преобладания в трафике длинных пакетов, доминирует потребление приемопередатчика, в случае преимущественной передачи коротких пакетов на первый план выходит потребление схем инициализации радиочасти и автокалибровки частоты [5].

Дальность связи, обеспечиваемая различными беспроводными технологиями

Рис. 2.1. Дальность связи, обеспечиваемая различными беспроводными технологиями

В приложениях с малой интенсивностью обмена начинают играть роль такие показатели, как наличие и эффективность режимов пониженного энергопотребления микросхем датчиков, микроконтроллеров и приемопередатчиков (Рис. 2.2).

Диапазон скоростей передачи данных в беспроводных технологиях

Рис. 2.2. Диапазон скоростей передачи данных в беспроводных технологиях

Типичный профиль энергопотребления беспроводного узла представлен на Рис. 2.3 (абсолютные величины приведены для устройства диапазона менее 1 ГГц, для устройств диапазона 2,4 ГГц токи потребления будут примерно в два раза выше). При этом относительный уровень потребления устройств, отличающихся по технологиям реализации можно оценить по Рис. 2.4.

Пример профиля энергопотребления беспроводного узла

увеличить изображение
Рис. 2.3. Пример профиля энергопотребления беспроводного узла

Чаще всего производителями предлагаются несколько линеек продуктов с низким энергопотреблением для беспроводных систем со всем необходимым программным и аппаратным обеспечением. Фактически это избавляет разработчиков от необходимости применения специализированных протоколов для снижения энергопотребления - эта часть проблемы решается на уровне компонентов.

Минимальные требования к источникам питания беспроводных узлов различных технологий

увеличить изображение
Рис. 2.4. Минимальные требования к источникам питания беспроводных узлов различных технологий
< Лекция 1 || Лекция 2: 12345 || Лекция 3 >
Семен Дядькин
Семен Дядькин
Беларусь, Минск, БГУ, 2003
Виталий Ватис
Виталий Ватис
Украина