MicroStrain від HBK Посібник з оптимізації радіочастотних характеристик

I. Діапазон ISM 2,4 ГГц (IEEE 802.15.4)

Бездротові продукти MicroStrain передають сигнал у діапазоні ISM 2,4 ГГц. Робота в цьому діапазоні доступна в усьому світі, проте в багатьох країнах необхідні спеціальні сертифікати. Бездротові продукти MicroStrain сертифіковані для використання в США, Канаді, ЄС, Китаї та багатьох інших країнах.

Робота наших радіоприймачів у діапазоні ISM 2,4 ГГц визначається стандартом IEEE 802.15.4. В цьому діапазоні також працюють інші стандарти, включаючи WiFi та Bluetooth.

Як показано на графіку вище, стандарт IEEE 802.15.4 розділяє діапазон 2,4 ГГц на 16 каналів, від 11 до 26. Центральні частоти кожного каналу розташовані на відстані 5 МГц одна від одної. Кожен канал має 2 МГц у точці -3 дБ, але, як показує графік, повна смуга пропускання каналу може переходити на сусідні канали, але з дуже низькою потужністю.

Інші стандарти, такі як WiFi та Bluetooth, інакше поділяють діапазон 2,4 ГГц. Робота сусідніх сигналів Bluetooth та WiFi може спричиняти перешкоди для бездротових продуктів MicroStrain; однак за умови певного планування та тестування ці пристрої можуть працювати разом із пристроями MicroStrain.

dBm (децибел-мілівати)

dBm — це потужність радіочастотного сигналу відносно 1 мілівата. Використовується логарифмічна шкала децибелів (dB).

Формула для перетворення mW в dBm:

dBm = 10 * log₁₀mW

При виборі потужності передачі в SensorConnect або моніторингу RSSI сила сигналу часто виражається в dBm. У наступній таблиці наведено корисні перерахунки дБм в мілівати.

Як показано в таблиці вище, приймач 2,4 ГГц може приймати сигнали з рівнем -70 дБм або 0,0000001 мВт, а то й нижче. Ці приймачі є чутливими, і це дуже добре, оскільки навіть в ідеальних умовах – у відкритому просторі без перешкод – сигнал потужністю 100 мВт значно ослаблюється під час проходження від передавача до приймача. Перешкоди між сигналами передавача і приймача спричиняють ще більше ослаблення.

Оскільки dBm використовує логарифмічну шкалу, застосовуються такі співвідношення:

Для досягнення оптимальної продуктивності важливо зменшити кількість перешкод між передавачем і приймачем. У найсприятливіших умовах між передавачем і приймачем не повинно бути жодних перешкод.

2,4 ГГц і пластмаси

Пластмасові корпуси популярні для захисту сенсорних вузлів від несприятливих факторів, таких як дощ і пил. Багато пластмас створюють мінімальне ослаблення сигналу 2,4 ГГц. Але обов’язково використовуйте пластмаси, що не містять вуглецю. Вуглець сильно ослаблює сигнал 2,4 ГГц.

LOS

LOS, або лінія прямої видимості, означає, що між передавачем і приймачем немає перешкод. Якщо можливо, всі бездротові DAQ (G-Link-200, V-Link-200 тощо) повинні мати LOS (без перешкод) вид на шлюз (WSDA-2000, WSDA-200).

RSSI

RSSI – це індикатор сили прийнятого сигналу. RSSI — це сила радіочастотного сигналу в момент його прийому, а не передачі. Тому вимірювання RSSI фіксують ослаблення сигналу через дальність, перешкоди та багатопроменеве згасання.

RSSI технічно є безрозмірним відносним показником сили сигналу, однак, як і WiFi, бездротові рішення MicroStrain виражають RSSI в дБм. Чим ближче значення RSSI до 0 дБм, тим сильніший прийнятий сигнал.

RSSI можна легко зчитати з вузла та шлюзу за допомогою діагностичного пакета в SensorConnect.

Що RSSI повідомляє Вам (а що ні)

RSSI вказує на силу прийнятого сигналу. Сила сигналу вказує на те, чи знаходяться передавач і приймач в межах досяжності один одного. Якщо RSSI занадто низький, наприклад близько -90 дБм, передавач і приймач знаходяться поза зоною досяжності один одного. В основному сигнали не можна відрізнити від внутрішніх джерел шуму в електроніці та навколишньому середовищі. При -80 дБм вони знаходяться в зоні дії, але ледь-ледь, і можна очікувати великої втрати пакетів через внутрішній шум. При -60 дБм передавач і приймач знаходяться в зоні дії один одного.

Однак при оцінці якості бездротової мережі хороший RSSI (-67 дБм і краще) не означає, що всі передані пакети дійдуть до приймача. Багато втрат пакетів може відбуватися навіть при дуже сильному RSSI, тому що є інші фактори, які визначають якість бездротової мережі: перешкоди та багатопроменевість. Ці два джерела помилок будуть розглянуті в наступних розділах.

Перешкоди

Джерела перешкод — це будь-які джерела небажаних сигналів або шуму в діапазоні 2,4 ГГц ISM. Джерелами перешкод є мікрохвильові печі, пристрої Bluetooth, WiFi та електромагнітні перешкоди (EMI).

Джерела перешкод спричиняють шум на радіочастотному каналі та призводять до втрати пакетів навіть при сильному RSSI. Якщо користувач отримує хороші показники RSSI під час тесту діапазону в SensorConnect, але все одно спостерігає значну втрату пакетів, можливо, є джерело перешкод. Аналізатор радіочастотного трафіку, доступний в SensorConnect, можна використовувати для вибору тихих радіочастотних каналів.

Багатопроменевість

Багатопроменевість описує явище, при якому радіочастотний сигнал відбивається від поверхонь і, отже, проходить кілька шляхів до приймача. Відбиття сигналу можуть надходити до приймача з різною фазою (з невеликою різницею в часі) між собою, що може спричинити деструктивну інтерференцію. Сигнали в основному послаблюють один одного або навіть повністю гасять один одного. Це називається багатопроменевим затуханням.

Іноді переміщення антени на кілька сантиметрів або навіть зміна її кута нахилу в середовищі, де є багато багатопроменевого поширення, може значно поліпшити силу сигналу.
Якщо передавач і приймач мають безперешкодний огляд один одного, але навколо траєкторії є багато металевих поверхонь, як це може бути на заводі, може відбуватися багатопроменеве затухання.
Проте сигнал може відбиватись від перешкод і може бути «побачений» приймачем.

II. Діаграми спрямованості радіочастотного випромінювання для продуктів MicroStrain

Як інтерпретувати діаграми

Антени не випромінюють сигнал рівномірно (однаково в усіх напрямках). На графіках у цьому розділі детально показано напрямки, в яких антени випромінюють сигнал найсильніше та найслабше. Діаграми також враховують будь-яке ослаблення сили випромінювання, спричинене самим бездротовим вузлом. Наприклад, метал або батареї на вузлі ослаблюють силу сигналу вздовж цього шляху.

Інтерпретація діаграм проста: чим довша стрілка, тим сильніше бездротовий вузол випромінює в цьому напрямку. Кольори допомагають користувачам швидко розпізнати короткі та довгі стрілки.

Діаграма для G-Link-200

III. Інструменти для оптимізації продуктивності

Потужність передачі

Потужність радіочастотної передачі бездротових вузлів MicroStrain може бути налаштована користувачем. Метод використання SensorConnect показаний на зображенні нижче.

Потужність передачі виражається в дБм. Чим вище число, тим вище потужність передачі. Збільшення потужності передачі може розширити діапазон, в якому вузол може комунікувати з базовою станцією. Базова станція також повинна надсилати команди та часові мітки до вузла, тому обов’язково відрегулюйте її потужність передачі.

Радіочастотні передачі складають найбільшу частину енергоспоживання бездротового вузла. Пошук правильної потужності передачі може бути балансом між терміном служби батареї та діапазоном зв’язку.

LXRS, LXRS+

LXRS і LXRS+ — це протоколи бездротового зв’язку, розроблені MicroStrain для забезпечення надійної, синхронізованої та безвтратної передачі даних від декількох бездротових датчиків.

LXRS є більш стійким до перешкод, тому зазвичай забезпечує кращий діапазон, ніж LXRS+. LXRS+ пропонує більшу пропускну здатність, що дозволяє використовувати більше каналів передачі даних і вищі частоти дискретизації.

У випадках, коли важливим є діапазон, слід використовувати LXRS. LXRS вмикається за замовчуванням для всіх бездротових вузлів, що постачаються з заводу. Однак перехід між LXRS і LXRS+ є простим. Це можна зробити під час запуску вузла, як показано нижче.

Індикатор RSSI

RSSI, або індикатор сили прийнятого сигналу, повідомляє користувачам про силу сигналу, який приймається вузлом або приймачем шлюзу. RSSI надається як частина діагностичного пакета, який періодично надсилається як під час активного збору даних вузлами, так і під час простою. Цей індикатор є чудовим способом визначити, чи проблеми зі зв’язком пов’язані з недостатньою силою сигналу. SensorConnect може відображати RSSI у динаміці.

У SensorConnect користувач повинен вибрати RSSI (вузол) і RSSI (база) у діагностичному пакеті, як показано на зображенні нижче. Діагностичний пакет увімкнено за замовчуванням на всіх пристроях, що постачаються з заводу.

RSSI (Node) — це сила сигналу пакетів, що приймаються вузлом (відправлені з WSDA). RSSI (Base) — це сила сигналу пакетів, що приймаються WSDA (відправлені з вузла).

Тест діапазону

Функція тестування діапазону в SensorConnect дозволяє користувачам визначати RSSI та рівень успішності передачі пакетів між вузлом та шлюзом (WSDA). Ця функція може використовуватися для визначення оптимального положення антени та/або вузла, а також для виявлення перешкод та багатопроменевого затухання.

Під час тесту діапазону шлюз надсилає запит ping до вузла, а вузол надсилає відповідь на запит ping та інформацію RSSI. Тест діапазону надає дві важливі частини даних:

• RSSI: сила сигналу отриманого пінгу
• Коефіцієнт успішності пінгу: кількість успішно отриманих пінгів

До функції тестування діапазону можна отримати доступ через кнопку Range Test наведеної нижче.

Як тільки користувач запускає тест діапазону, SensorConnects оновлює RSSI (вказано стрілками) та рівень успішності пінгу. Поточне, мінімальне, максимальне та середнє значення деталізують RSSI вузла (верхня стрілка) та RSSI шлюзу (нижня стрілка).

Інтерпретація результатів тесту діапазону

Хороший RSSI — це значення близько -70 дБм і вище. RSSI, що вимірюється -80 дБм і нижче, вважається поганим.

Проблеми з діапазоном зазвичай призводять до постійного слабкого RSSI. Перешкоди та ефекти багатопроменевого згасання можуть змінюватися з часом, що призводить до великих коливань RSSI. У цій таблиці наведено деякі можливі сценарії, з якими може зіткнутися користувач під час проведення тесту діапазону.

Аналізатор радіочастотного трафіку

Аналізатор радіочастотного трафіку — це інструмент у складі SensorConnect, який дозволяє користувачеві вибрати найкращий канал для роботи бездротової мережі. Аналізатор трафіку використовує підключену базову станцію (WSDA) для сканування доступних радіочастотних каналів на наявність трафіку. Світло-зелена смуга відображає максимальну радіочастотну енергію, що передається на цьому конкретному каналі. Фіолетова смуга вказує середню радіочастотну енергію на цьому каналі. А темно-синя смуга відображає поточну активність на кожному каналі.

Цей інструмент може допомогти визначити завантажені канали. Він є цінним елементом оцінки місця розташування. Правило просте: вибирайте канал з найменшою активністю (найнижчі смуги).

Щоб отримати доступ до аналізатора радіочастотного трафіку, користувач повинен просто натиснути на свою базову станцію та вибрати плитку «Аналізатор радіочастотного трафіку».

Потім натисніть кнопку «Пуск» у нижньому лівому куті. Вісь X розділена на 802,15,4 канали. Графік з більш високою роздільною здатністю доступний, якщо зняти прапорець у нижньому правому куті.

IV. Поради для успішного впровадження

Для успішного розгортання бездротової мережі MicroStrain рекомендації не завжди можуть бути реалізовані. Багато клієнтів успішно розгорнули бездротові мережі, порушуючи багато з цих найкращих практик. Однак ми надаємо їх, щоб допомогти клієнтам зрозуміти спосіб ідеального розгортання.

Бездротові продукти MicroStrain можуть досягти дальності понад 1 км, але це можливо лише в ідеальних умовах: на відкритому повітрі з прямою видимістю і без навколишніх відбивних поверхонь при використанні максимальної потужності передачі 20 дБм. Більшість мереж розгортаються в регіонах і середовищах, де ці умови відсутні. Наприклад, на заводському цеху дальність може бути обмежена 50 метрами або менше.

• Використовуйте максимальну потужність передачі, дозволену у вашому регіоні. (Потужність передачі впливає на термін служби батареї, тому іноді встановлюють її нижче максимально дозволеної.)
• Підніміть антени над землею. Ми рекомендуємо підняти їх на висоту голови або вище.
• Тримайте антени подалі від перешкод, особливо металевих.
• Орієнтуйте антени вузлів так, щоб їх найактивніші області «вказували» на шлюзи. Детальніше про активні області антен для кожного типу вузлів див. у розділі II.
• Зберігайте пряму видимість. Розміщуйте антени вузлів так, щоб між ними і шлюзом не було перешкод.Використовуйте аналізатор радіочастотного трафіку, щоб вибрати тихий канал.
• Проведіть тест дальності для кожного вузла в мережі. У ситуаціях, коли спостерігається значне багатопроменеве затухання, невеликі коригування положення антени можуть призвести до значного поліпшення RSSI та успішності передачі пакетів.