Link budget

In fase di sviluppo Stesura preliminare In fase di sviluppo

La potenza di un segnale ricevuto da un apparato radio dipende:

La formula che esprime questi concetti, scritta in unità logaritmiche, prende il nome di link budget (o anche bilancio di potenza o bilancio di collegamento):

Link budget

Si noti che tale formula è concettualmente simile a quella utilizzata per la trasmissione su linea oppure su fibra ottica; cambiano invece (e di molto...) i valori numerici coinvolti.

Esaminiamo il significato dei quattro termini dell'equazione:

Potenza ricevuta (Pr)

Un ricevitore necessita di una certa potenza in ingresso per poter elaborare correttamente un segnale. In genere viene fornito dal costruttore il valore minimo di potenza adatta al funzionamento di un determinato apparato (sensibilità oppure sensitivity).

Valori comuni per apparati radio per la trasmissione di dati sono compresi da -60 dBm e -100 dBm (nota 1).

In alternativa, ma con lo stesso significato, può essere fornito in SNR minimo per il corretto funzionamento del ricevitore.

Potenza trasmessa (Pt)

La potenza trasmessa dipende dalla tecnologia utilizzata, da limiti di legge, dalla disponibilità effettiva di un'adeguata fonte di energia.

Valori comuni negli apparati radio per la trasmissione di dati sono compresi da -20 dBm e +40 dBm (nota 1).

Spesso viene fornito il valore EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power), pari alla somma della potenza effettiva e del guadagno dell'antenna trasmittente.

Guadagno (G)

Tra trasmettitore e ricevitore sono interposti apparati che hanno lo scopo di aumentare la potenza trasmessa o ricevuta. Tipicamente abbiamo due tipi di tali apparati:

Attenuazione (α)

Non tutto il segnale trasmesso arriva al ricevitore (anzi...). l'attenuazione dipende da una serie di fattori che si sommano tra di loro:

L'attenuazione dello spazio libero espresso in unità logaritmiche è dato dalla seguente formula:

Attenuazione dello spazio libero

Esaminiamo i tre termini:

Esempio 1

La distanza tra due stazioni radio è 10 km, non vi sono ostacoli intermedi (nota 3) e la frequenza della portante radio è 100 MHz. Il trasmettitore ha una potenza di 20 dBm; il guadagno sia dell'antenna trasmittente che ricevente è 3 dBi. Quale è la potenza del segnale ricevuto? Quanto vale l'EIRP?

ASL = 32,5 + 40 + 20 = 92.5 dB

Pr = 20 - 92.5 + 3 + 3 = -66,5 dBm

EIRP = 20 + 3 = 23 dBm

Esercizio 2

La distanza tra un trasmettitore ed un ricevitore è 100 m, non vi sono ostacoli intermedi (nota 3) e la frequenza della portante radio è 2.4 GHz. Il trasmettitore ha una potenza di 0 dBm; il guadagno sia dell'antenna trasmittente che ricevente è 3 dBi. Quale è la potenza del segnale ricevuto? Come cambia usando un'antenna ricevente con guadagno 15 dBi?

[ -74.1 dBm; -62.1 dBm ]

Esercizio 3

La distanza tra un trasmettitore ed un ricevitore è 500 m; a causa delle avverse condizioni atmosferiche è presente un'attenuazione supplementare di 4 dB; inoltre sono presenti due sottili pareti in muratura che presentano ciascuna un'attenuazione di 3 dB. La frequenza della portante radio è 850 MHz. Il trasmettitore ha una potenza di 10 dBm. Il guadagno sia dell'antenna trasmittente che ricevente è 5 dBi.

Quale è la potenza del segnale ricevuto? Come cambia se la distanza dimezza?

[ -75.1 dBm; -69 dBm ]

Esempio 4

Il ricevitore dell'esempio 1 ha una sensibilità di -80 dBm. La trasmissione avviene correttamente?

Si. infatti il segnale ricevuto è più grande di quello minimo (-66,5 dBm > -80 dBm)

Esercizio 5

Quale è la massima distanza possibile tra trasmettitore e ricevitore (dati dell'esempio 4 e dell'esempio 1)?

[ circa 47 km, se senza ostacoli e con le antenne poste ad adeguata altezza per evitare gi effetti della curvatura terrestre ]

Esercizio 6

Un trasmettitore con potenza 0 dBm trasmette un segnale con frequenza 2.4 GHz usando un'antenna con guadagno 3 dBi. Il ricevitore posto a 300 m di distanza ha banda 20 MHz e un'antenna ricevente con guadagno 3 dBi. La temperatura è 17°C.

Determinare la potenza del segnale ricevuto ed il SNR, considerando il solo rumore di origine termica.

Determinare la potenza del segnale ricevuto ed il SNR utilizzando due antenne con G = 10 dBi e considerando il solo rumore di origine termica.

[ -83.6 dBm; 17.4 dB. -69.6 dBm; 31.4 dB ]

Esempio 7

Un (vecchio) dispositivo NanoStation locoM5 è utilizzato nel collegamento con un generico access point (AP) WiFi posto all'interno di un appartamento a circa 50 metri di distanza. Le caratteristiche fondamentali sono raccolte nella seguente tabella, tratta dai fogli tecnici:

Estratto delle caratteristiche della Nanostation Loco M5

L'AP ha una potenza di trasmissione di 18 dBm ed un'antenna con guadagno 2 dBi. La sensibilità in ricezione è di -76 dBm (nota 4).

Si decide di utilizzare una frequenza di 5.2 GHz, ammessa in tutta Europa per le comunicazioni WiFi all'aperto senza richiedere licenze.

Determinare se il collegamento è possibile e, se si, le prestazioni. attese.

Calcoliamo l'attenuazione, uguale in entrambi i versi della comunicazione (da Nanostation ad AP e viceversa). L'attenuazione dello spazio libero è:

ASL = 32,5 + 74 - 26 = 80,8 dB

Dobbiamo aggiungere inoltre l'attenuazione del muro perimetrale dell'appartamento, in pietra di elevato spessore. Una ricerca su internet fornisce un intervallo di valori tra 10 dB e 20 dB. Scegliamo il caso peggiore, ottenendo un'attenuazione complessiva di circa 101 dB.

Nei fogli tecnici della NanoStation leggiamo che:

La potenza del segnale trasmesso dall'access point e ricevuto dalla NanoStation è:

Pr = 18 - 101 + 13 + 2 = -68 dBm

Tale valore è superiore alla sensibilità della NanoStation, anche nel caso peggiore, e quindi il canale sarà operavo alla massima velocità, corrispondente a MCS15 (nota 5).

Nel verso opposto, la potenza del segnale trasmesso dalla NanoStation e ricevuto all'access point è:

Pr = 17 - 101 + 13 + 2 = -69 dBm

Tale valore è superiore alla sensibilità dell'access point e quindi il canale sarà operavo alla massima velocità.

Tale collegamento è effettivamente stato realizzato; la velocità reale è limitata dal fatto che la connessione cablata della NanoStation è Fast Ethernet (100 Mbit/s lordo, circa 94 Mbit/s di traffico TCP).

Esercizio 8

Una coppia di dispositivi NanoStation 5 AC collega due edifici: la fotografia di apertura mostra uno di tali apparati, l'altro è in questa fotografia. Calcolare la potenza del segnale ricevuto.

[ -51 dBm. Nella realtà il segnale ricevuto è di soli -58 dBm principalmente a causa della presenza di un paio di conifere piuttosto rigogliose lungo la tratta RF ]

Esercizio 9

Si vuole utilizzare una coppia di (vecchi) airGrid M5 HP per un ponte radio tra l'ospedale Niguarda di Milano e Casatenovo. Valutare la fattibilità del progetto e le prestazioni attese.

La fotografia di apertura mostra, in basso a destra, l'apparato usato per la sperimentazione sul campo.

Esercizio 10

Un trasmettitore collega più ricevitori, posti a qualche chilometro intorno ad esso. L'antenna ha guadagno 3 dBi, la frequenza di trasmissione è 5.4 GHz e la potenza 1 W.

  1. Determinare il segnale ricevuto da un ricevitore posto a 2 km di distanza che utilizza un'antenna con guadagno 25 dBi
  2. La banda del segnale trasmesso è pari a 80 MHz. Determinare il SNR in ricezione considerando il solo rumore di origine termica
  3. Per il funzionamento ottimale del ricevitore è necessario un SNR > 30 dB. Determinare la massima distanza del collegamento
  4. Si vuole migliorare la ricezione alla distanza calcolata al punto 3; calcolare il nuovo SNR e valutare pro e contro delle seguenti soluzioni proposte:
    • Uso di una portante a 2.4 GHz
    • Uso di un'antenna trasmittente con guadagno 10 dBi
    • Uso di un'antenna ricevente con guadagno 32 dBi
    • Amplificatore in trasmissione con G = 7 dB
    • Riduzione della banda a 15 MHz
    • (soluzione non corretta) Amplificatore in ricezione con guadagno 7 dB
    • (soluzione non corretta) Riduzione della temperatura a 60 K

[ -55 dBm; 40 dB; 6.2 km; 37 dB per tutte le soluzioni ]

Esercizio 11a

Un sistema di comunicazione a 2.4 GHz collega il tetto di due edifici posti a 500 metri di distanza. Gli apparati radio sono collegati alle antenne con un cavo coassiale lungo 10 metri e attenuazione 0,45 dB/m. La potenza del trasmettitore è 20 dBm, il guadagno delle antenne 8 dBi.

Determinare la potenza del segnale ricevuto ed il SNR se la banda è 40 MHz. Si confrontino i risultati con gli altri esercizi 11x.

[ -67.1 dBm; 30.9 dB ]

Esercizio 11b

Un sistema di comunicazione a 5.4 GHz collega il tetto di due edifici posti a 500 metri di distanza. Gli apparati radio sono collegati alle antenne con un cavo coassiale lungo 10 metri e attenuazione 0,65 dB/m. La potenza del trasmettitore è 20 dBm, il guadagno delle antenne 8 dBi.

Determinare la potenza del segnale ricevuto ed il SNR se la banda è 40 MHz. Si confrontino i risultati con gli altri esercizi 11x.

[ -78 dBm; 19.8 dB ]

Esercizio 11c

Un sistema di comunicazione a 2.4 GHz collega il tetto di due edifici. Gli apparati radio sono collegati alle antenne con un cavo coassiale lungo 10 metri e attenuazione 0,45 dB/m. La potenza del trasmettitore è 20 dBm, il guadagno delle antenne 8 dBi. Per il corretto funzionamento degli apparati di ricezione è richiesto un SNR di almeno 30 dB.

Determinare:

Si confrontino i risultati con gli altri esercizi 11x.

[ 550 m; 1.48 km ]

Note

  1. Questo intervallo è enorme, svariati ordini di grandezza, e dipende dalla tecnologia impiegata e dalla velocità di comunicazione
  2. Segnali a frequenza molto bassa, poco usati nei moderni sistemi di trasmissione dati ordinari, possono aggirare gli ostacoli grazie alla difrazione
  3. Spesso l'assenza di ostacoli fisici tra trasmettitore e ricevitore è indicata come trasmissione LOS (Line of sight)
  4. Non abbiamo i dati reali sulla sensibilità dell'access point e sulla potenza di trasmissione. Quelli indicati sono comunque realistici.
  5. MSC15  (Modulation and Coding Scheme di tipo 15) corrisponde ad una velocità fino a 144 Mbit/s su canale da 20 MHz e 300 Mbit/s su canale a 40 MHz


Pagina creata nel febbraio 2021
Ultima modifica: 1 marzo 2022


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