Прикладные аспекты практической реализации беспроводных узлов
Выбор частотного диапазона
Для обмена данными во всем мире предоставляются не лицензируемые радиочастотные диапазоны. В РФ на основании Решения Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) № 08-24-01-001 от 28.04.2008 и № 07-20-03-001 от 07.05 2007 для этих целей выделены частотные диапазоны 433.075 - 434.750 МГц и 868,7-869,2 МГц, 915 МГц, 2,45 ГГц, 5,8ГГц. Эти частоты могут использоваться без оформления специального разрешения ГКРЧ и совершенно бесплатно при условии соблюдения требований по ширине полосы, излучаемой мощности (до 10 мВт в районе частоты 434 МГц и до 25 мВт в районе частоты 868 МГц, до 100 мВт в диапазоне 2,4 ГГц) и назначению радиопередающего изделия.
Помимо законодательных критериев, при выборе частотного диапазона следует учитывать и технические факторы.
Для диапазона 2,400-2,4835 ГГц доступно больше частотных каналов, доступны более высокие скорости передачи, возможен непрерывный режим работы (для радиочасти), более компактные антенны. С другой стороны, устойчивая работа реализуется на более коротких расстояниях, возрастает влияние различных помех (интерференционные, многолучевое распространение, препятствия).
Для частот менее 1 ГГц разрешенные частотные диапазоны в различных странах могут отличаться и не всегда возможно использовать одну и ту же элементную базу. Также не везде разрешена непрерывная радио активность устройства.
Преимущества касаются лучшей дальности устойчивой работы по сравнению с частотами 2,4 ГГц диапазона, при одинаковой выходной мощности передатчика, уменьшению влияния препятствий на прохождение сигнала (особенно актуально для работы внутри зданий и офисных помещений).
На сегодняшний день просматривается явная тенденция к росту популярности и повсеместному внедрению устройств, использующих в своей работе радиоканал. Число применяемых беспроводных устройств неуклонно возрастает [1]. С другой стороны из-за целого ряда ограничений, касающихся особенностей формирования и приема радиоволн, особенностей распространения радиоволн, а также законодательных ограничений на диапазоны доступных для частного и коммерческого использования частот, выбор частотного диапазона для того или иного приложения весьма ограничен. Следовательно, плотность беспроводных устройств и степень использования любого из диапазонов частот будут возрастать.
Из-за характера роста числа беспроводных устройств, близкому к экспоненциальному, разработчики вынуждены уже сейчас заботится о стабильной работе своих устройств и устойчивости связей между ними, так как вполне вероятен рост собственной беспроводной сети, добавление все новых сервисов. Вероятно также появление в пределах действия сети других беспроводных узлов или систем.
Производительность беспроводной сети в таких условиях будет определяться вероятностью успешного приема пакетов сети и её управляющих сигналов.
Основные факторы, влияющие на производительность беспроводной сети:
- выходная мощность передатчика
- чувствительность приемника;
- избирательность;
- подавление сигналов соседних частотных полос.
Выходная мощность передатчиков для нелицензируемых диапазонов частот ограничивается регулирующими документами. При необходимости, путем применения внешнего усилителя, мощность выходного сигнала можно установить равной предельно допустимой. В ряде случаев дополнительно, или вместо усилителя возможно применение направленной антенны. Чувствительность приемника ограничивают технологические ограничения, собственные шумы электронных элементов, взаимное влияние узлов. Кроме этого реальная чувствительность приемника может быть снижена из-за ошибок в исполнении антенно-фидерного тракта. Опять же внешний антенный усилитель или направленная антенна могут несколько спасти положение, правда, скорее всего, в бюджет канала добавится не более +20 дБм, чаще всего не более 10.
В условиях плотного использования частотного диапазона и плотного размещения устройств, все более решающую роль будут играть способность приемника фильтровать (подавлять) сигнал соседних частот, и избирательность - способность подавить сигнальную помеху соседнего (или близкого) частотного канала.
Оценка времени и ресурсов на разработку
На текущий момент времени существует два пути реализации аппаратных решений для беспроводных приложений.
Первый путь заключается в разработке собственной платы устройства с учетом рекомендаций и схем включения элементов.
Типичный перечень элементов включает в себя:
- микросхему беспроводного приемопередатчика и микроконтроллер или однокристальное устройство;
- компоненты радиотракта - антенна (печатная/чип/внешняя), разъемы для подключения внешней антенны, развязывающие конденсаторы, антенный фильтр, в некоторых случаях антенный усилитель;
- стабилизатор питания или батареи питания.
Второй путь заключается в использовании готовых модулей и микросборок, интегрирующих на платах для поверхностного или мезонинного монтажа все элементы радиотракта, включая приемопередающие элементы.
В случае использования фирменных беспроводных модулей разработчик получает возможность сократить время выхода конечного продукта на рынок, избавлен от разработки топологии печатной платы для высокочастотной части, все компоненты радиотракта согласованы между собой, и весь модуль в целом имеет согласованные параметры по температурному диапазону, мощности радиосигнала и др.
При небольших партиях изделий использование готовых модулей приводит к сокращению затрат на единицу продукции (Рис. 2.5) [5].
Разработка беспроводного решения включает в себя изучение документации на выбранные электронные компоненты, разработку антенны, печатной платы и программного обеспечения с применением средств разработки для выбранного аппаратного решения.