Maksymalny zasięg komunikacji radiowejWielu producentów urządzeń radiowych w notach katalogowych sprzętów podaje parametr zwany „maksymalnym zasięgiem transmisji (w otwartej przestrzeni)”. Zagadnienie „w wolnej przestrzeni” jest teoretycznym, wyidealizowanym przypadkiem, kiedy fala radiowa rozchodzi się w próżni, czyli w warunkach niedostępnych dla typowych użytkowników bezprzewodowych systemów, np. alarmowych.
|
W niniejszym artykule omówiono rzeczywiste warunki propagacyjne fal radiowych w kontekście pasm ISM (ang. Industrial, Scientific, Medical equippment – urządzenia przemysłowe, naukowe, medyczne). Pasma te są wykorzystywane przede wszystkim przez urządzenia klasy I (takie, które mogą być używane bez pozwoleń radiowych) do celów przemysłowych, naukowych, medycznych i domowych. Obecnie pasma ISM dzielą się na kilkanaście grup (tab.1).
|
Tab. 1. Grupy pasm ISM Od | Do | Kategoria urządzeń | 6765 kHz | 6795 kHz | Urządzenia do zastosowań ISM | 13553 kHz | 13567 kHz | Urządzenia do zastosowań ISM i RFID | 26.957 MHz | 27.283 MHz | Urządzenia do zastosowań ISM | 40.660 MHz | 40.700 MHz | Urządzenia do zastosowań ISM i sterowania modelami | 433.050 MHz | 434.790 MHz | Urządzenia bliskiego zasięgu ogólnego stosowania | 868 MHz | 870 MHz | Urządzenia bliskiego zasięgu ogólnego stosowania i RFID | 902 MHz | 928 MHz | Urządzenia do zastosowań ISM | 2400 MHz | 2500 MHz | Urządzenia do zastosowań ISM i RFID | 5725 MHz | 5875 MHz | Urządzenia do zastosowań w RTTT oraz ISM | 24.000 GHz | 24.250 GHz | Urządzenia bliskiego zasięgu ogólnego stosowania | 61.000 GHz | 61.500 GHz | Urządzenia do zastosowań ISM | 122 GHz | 123 GHz | Urządzenia do zastosowań ISM | 244 GHz | 246 GHz | Urządzenia do zastosowań ISM |
|
Należy pamiętać, że powyższa tabela przedstawia zakresy częstotliwości, które są uregulowane prawnie na terenie Unii Europejskiej. W pasmach ISM jest szereg ograniczeń transmisji radiowej, a mianowicie wybrane kanały mają z góry ustalone przeznaczenie, np. monitoring. Innymi ograniczeniami są moc wyjściowa, szerokość kanału lub czas pracy w paśmie. Szczegółowe informacje na ten temat można znaleźć m.in. w Regulaminie Radiokomunikacyjnym ITU, zaleceniach ITU oraz Krajowej Tablicy Przeznaczeń Częstotliwości.
|
Najbardziej intensywnie wykorzystywanym pasmem ISM jest UHF 433 MHz. Pracuje w nim wiele urządzeń radiowych, dlatego trudno jest znaleźć kanał wolny od zakłóceń, szczególnie w większych miastach. Ponadto zakres częstotliwości 433,05–434,79 MHz jest przeznaczony dla służby amatorskiej. Istnieje więc ryzyko, że urządzenia alarmowe pracujące w tym paśmie mogą być zakłócane przez stacje radioamatorskie o znacznie wyższych mocach, rzędu 100 W; dla porównania moc urządzeń alarmowych w tym zakresie wynosi maksymalnie 10 mW. Między innymi dlatego większość obecnie produkowanych urządzeń alarmowych pracuje na wyższych częstotliwościach, np. 868 MHz, 2,4 GHz, 5,8 GHz. W przypadku pasma 868 MHz współczynnik zajętości jest dość mały, zwłaszcza w zakresie 868–869,7 MHz.
|
Maksymalny zasięg transmisji (w skrócie: MZT) w realnych warunkach może być kilkakrotnie mniejszy niż MZT w otwartej przestrzeni. Na tłumienie fali ma wpływ wiele czynników.
|
Wyróżnia się trzy podstawowe rodzaje terenu.
|
Rys. 1. Trzy podstawowe rodzaje terenu: (1) przestrzeń z przeszkodami, (2) przestrzeń półotwarta, (3) przestrzeń otwarta
|
Powyższy rysunek przedstawia trzy rodzaje przestrzeni, w których może być planowana łączność. Gdy anteny nadawcza i odbiorcza są optycznie niewidoczne (dotyczy pasm powyżej 300 MHz), łączność może nie zostać zrealizowana (rys. 1.1). W sytuacji jak na rys. 1.2 (przestrzeń półotwarta) – łączność może być niesatysfakcjonująca, ponieważ sygnał jest niewystarczająco dużej mocy.
|
Fala radiowa o częstotliwościach ISM może być tłumiona przez różne obiekty, np.:
– ściana wewnętrzna budynku – tłumi sygnał o 10–15 dB,
– ściana zewnętrzna budynku – tłumi sygnał o 2–38 dB,
– strop – w zależności od materiału, z którego został wykonany, tłumi sygnał o 12–27 dB,
– okno – tłumi sygnał o 2–30 dB w zależności od materiału, z którego jest zbudowana szyba oraz czym jest wypełniona przestrzeń między taflami szkła. Okna starszej konstrukcji, wypełnione jedynie powietrzem, słabo tłumią sygnał. Natomiast te, w których przestrzeń międzyszybowa wypełniona jest gazem szlachetnym, tłumią go znacznie bardziej. Dla zobrazowania – sygnał stłumiony o 30 dB jest tysiąc razy mniejszej mocy niż sygnał pierwotny (przed tłumieniem).
|
Najlepszym rozwiązaniem jest zamontowanie anten nadawczej i odbiorczej w ten sposób, aby na ich drodze optycznej nie znajdowały się przeszkody (rys. 1.3), a jeśli urządzenie nadawcze znajduje się na zewnątrz, antena odbiorcza także powinna być zewnętrzna.
|
Wbudowane anteny z powodu swojej konstrukcji mogą zmniejszać moc sygnału.
|
Jest to strefa w kształcie elipsoidy, której osią jest prosta nadajnik-odbiornik (rys. 2). W praktyce pierwsza strefa Fresnela wpływa bezpośrednio na zasięg transmisji.
|
Rys. 2. Pierwsza strefa Fresnela
|
Projektując system łączności, należy pamiętać, aby w pierwszej strefie Fresnela nie znajdowały się żadne przeszkody terenowe – zarówno naturalne, jak i sztuczne (fala ulegnie tłumieniu, a do łączności może nie dojść). Strefa ta jest obszarem, w którym transmitowana jest większość energii sygnału.
|
Zjawisko opisujące jak rozchodzi się fala (m.in. radiowa) w ośrodku. W przypadku czujek bezprzewodowych, alarmów, systemów monitoringu propagacja opisuje rozchodzenie się fali radiowej w powietrzu.
|
Przeszkody o łagodnych krawędziach powodują znacznie większe rozproszenie się fali (tłumienie) niż te ostro zakończone. Na propagację ma wpływ także pogoda: podczas deszczu, wiatru lub burzy na antenie gromadzą się ładunki elektrostatyczne, które powodują zakłócenia. Im bardziej intensywne opady deszczu, tym gorsze warunki propagacji fali, szczególnie w przypadku wyższych częstotliwości.
|
Maksymalny zasięg transmisji oraz sposób rozchodzenia się fali jest bezpośrednio zależny od częstotliwości. Należy pamiętać, że im wyższa częstotliwość, tym mniejsza podatność sygnału na zakłócenia oraz mniejszy zasięg.
|
Czynnik sprzętowy nadajnika i anteny nadawczej
|
Zasadniczy wpływ na maksymalny zasięg transmisji ma moc promieniowania (ERP lub EIRP). Na ERP składają się: moc nadajnika, zysk anteny nadawczej, tłumienie toru nadajnik-antena nadawcza (przeważnie zależy od zastosowanych przewodów, złączy i jakości ich wykonania). ERP jest sumą trzech ww. parametrów. Moc promieniowania jest to rzeczywista moc na wyjściu anteny nadawczej. Ponadto na MZT ma wpływ także wysokość zawieszenia środka elektrycznego anteny [m n.p.t.] i wysokość terenu u podstawy masztu [m n.p.m].
|
Czynnik sprzętowy odbiornika
|
Odbiornik cechuje się takimi parametrami, jak zysk anteny odbiorczej, czułość odbiornika oraz selektywność odbiornika.
|
Zysk anteny odbiorczej wpływa na jakość odebranego sygnału oraz zwiększa MZT. Czułość odbiornika jest miarą jego zdolności do odbioru słabych sygnałów. Selektywność z kolei – miarą zdolności do wydzielenia sygnału użytecznego spośród wielu innych sygnałów (m.in. zakłóceń i szumów).
|
Tak jak w przypadku czynnika sprzętowego nadajnika na MZT mają wpływ także: wysokość środka elektrycznego anteny [m n.p.t.], wysokość terenu u podstawy masztu [m n.p.m] oraz tłumienie toru odbiornik-antena odbiorcza w kontekście odbiornika.
|
|