Langstrecken (~ 15 km) drahtlose Kommunikation mit niedriger Baudrate in einer Bergumgebung (kein LOS)

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Ich versuche, ein Punkt-zu-Punkt-Kommunikationssystem in einer bergigen Umgebung zu implementieren, in der die Basisstation und der Client mindestens 15 km voneinander entfernt sind, ohne Sichtverbindung (LOS). Die Basisstation könnte mehr Sende- und Empfangsleistung haben als der Client, der tragbar sein sollte (idealerweise sollte sie leicht und batteriebetrieben sein). Die Datenrate ist sehr niedrig, da alle 10 Minuten eine Zeichenfolge mit 30 Zeichen übertragen wird.

Ich habe gesehen, dass XBee-PRO® 868-Module in LOS eine Reichweite von 80 km erreichen, aber wie gut würde es in einer rauen Umgebung wie einem wilden Bergort funktionieren? Was sind die Alternativen?

Phingage
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Sprechen wir über kahle Felsenberge oder vegetationsbedeckte Berge?
Dave Tweed
Haben Sie darüber nachgedacht, Satellitentelefontechnologie zu verwenden? Dies sollte das Geländeproblem überwinden und kann mit geringer Leistung und physisch kleinen Antennen betrieben werden.
JIm Dearden
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@ DaveTweed wir sprechen über Rock Mountains ab 2500m Höhe, so gibt es keine Art von Vegetation
Phingage
@JImDearden Satellite ist eine Lösung, aber Sie müssen unter einem Netzbetreiber sein und in der Regel sind die Gebühren sehr hoch. Ich möchte eine billigere und betreiberfreie Lösung untersuchen
Phingage
Ich denke, in dieser Art von Gelände werden Sie feststellen, dass es kein kostenloses Mittagessen gibt. LEO-Satellitensysteme sind ideal für diese Umgebung, aber wenn Sie sie nicht verwenden können, ist es meiner Meinung nach das nächstbeste, ein Mesh-Netzwerk aus solarbetriebenen VHF / UHF-Repeater-Knoten zu erstellen, das Ihnen die Abdeckung bietet, die Sie benötigen.
Dave Tweed

Antworten:

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Wie bei jedem Funksystem ist das Endergebnis das, was ohne Behinderung von Hindernissen erreicht werden kann. Im freien Raum hängt die Basislinie davon ab, mit welcher Frequenz Sie senden und wie empfindlich Ihr Empfänger sein kann. Die Leistungspfadverlustgleichung lautet wie folgt:

Verlust (dB) = 32,45 + 20lÖG10(f) + 20lÖG10(d)

Wobei f in MHz und d in Kilometern ist. Diese Gleichung gibt an, wie viele dB Leistungsverlust Sie bei einer bestimmten Entfernung mit einer bestimmten Trägerfrequenz erwarten können.

Es ist aus der Arbeit von Harald T. Friis formuliert und eine anständige Referenz ist hier . Es wird kein Gewinn in den Antennen angenommen, daher ist es eine echte Basislinie. Die Antennenverstärkung bringt einen geringeren Pfadverlust, aber eine größere Richtwirkung mit sich, und für einen Dipol beträgt die Verstärkung etwa 1,76 dB.

Wenn Sie 10 dBm (10 mW) bei 100 MHz über eine Entfernung von 10 km senden, können Sie mit einer Leistung von Folgendem rechnen:

10 dBm - (32,45 + 40 + 20) dBm = -82,45 dBm (5,7 nW)

Wie viel Strom benötigt Ihr Receiver? Eine nützliche Gleichung lautet:

Die von einem Empfänger benötigte Leistung (dBm) beträgt -154 dBm + 10lÖG10(Datenrate) und da Sie eine ziemlich niedrige Datenrate haben, können Sie eine bessere Leistung als Wi-Fi erwarten !

Die Frage enthält 30 Zeichen alle zehn Minuten. Ich gehe davon aus, dass dies als Burst von 30 x 10 Bit in 10 Sekunden plus einer Präambel von 100 Bit übertragen wird, um den Empfänger einzuschließen - das sind 400 Bit in 10 Sekunden oder 40 Bit pro Sekunde.

Die erforderliche Empfängerleistung beträgt daher -154 dBm + 10lÖG10(40) dBm = -138 dBm

Dies setzt voraus, dass der Sender und der Empfänger maßgeschneiderte Elemente sind, die für diese niedrige Datenrate ausgelegt sind. Es ist nicht einfach, eine Empfängerempfindlichkeit unter -120 dBm zu erreichen. Unabhängig davon, welches Funksystem Sie verwenden, lesen Sie das Kleingedruckte und untersuchen Sie es. Standardartikel können wahrscheinlich nicht mit sehr geringen Datenraten übertragen werden, daher sollten sie vermieden werden.

Auf jeden Fall müssen Sie -138 dBm empfangen und über 10 km mit einem 100-MHz-Träger können Sie mit -82,45 dBm rechnen. Dies klingt gut genug, wenn man bedenkt, dass der Antennengewinn möglicherweise einige dB mehr ergibt.

Aber auf der Erde, egal wie das Gelände zu sein scheint, wird es Dämpfungen geben, die hier wirklich schwer zu erklären und zu beschreiben sind. Es gibt eine Sache, die als Fade-Margin bezeichnet wird, und dies gilt als Faustregel: Stellen Sie sicher, dass Ihre Empfangsleistung mindestens 20 dB über der Grundempfindlichkeit liegt. Wenn Sie also einen Empfänger mit -120 dBm entworfen haben, sollten Sie damit rechnen an einem guten Tag -100 dBm erhalten.

Angesichts des Geländes würde ich eine wilde Vermutung riskieren, dass Sie 20 dB mehr im Ärmel haben müssen, und dies bringt Sie fast dazu, 10 km von einem 10-mW-Getriebe zu erreichen.

Hoffentlich haben Sie jetzt die Formeln, um herauszufinden, welche Leistung Sie benötigen, um 15 km zu erreichen. Eine weitere hilfreiche Tatsache ist, dass sich das Ziel möglicherweise nicht sehr schnell bewegt und von einem Ende aus mit einer Antenne mit hoher Verstärkung wie einer Yagi-Uda- Antenne verfolgt werden kann. Vielleicht haben Sie Wildtierfilme gesehen, in denen ein Bär oder ein Puma einen Funksender hat und ein Mann auf einem Feld die Yagi-Uda-Antenne hin und her richtet, um die Richtung zu bestimmen, in die sich das Tier befindet könnte arbeiten, um Dinge zu verbessern.

Andy aka
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Ich bin gespannt, woher Sie die vom Empfänger benötigte Leistungsgleichung haben. Ich würde vermuten, dass diese Nummer vom Empfänger abhängt und nicht universell ist.
Akohlsmith
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@akohlsmith Die Formel wird aus der Rauschleistung pro Hz abgeleitet, da sich der Empfänger nicht in der Umgebungstemperatur befindet, sondern in der absoluten Nulltemperatur. Die Rauschleistung steigt mit den Bandbreitenanforderungen (größere Datenraten) und geht davon aus, dass die erforderliche Energie pro Bit 100-mal größer ist (ich kann mich derzeit nicht erinnern, welche) als die des Rauschens. Es stammt aus einem Buch von Christopher Haslet mit dem Titel "Das Wesentliche der Funkwellenausbreitung": books.google.co.uk/… versuchen Sie Seite 15 des Links.
Andy aka
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Diese Verbindung erfordert mehr als das Standard-ISM-Band mit 900 MHz. Nach meiner Erfahrung besteht die einzige Möglichkeit, 900 MHz zum Laufen zu bringen, darin, die Xtend-Module zu verwenden und an den Höhepunkten zwischen den beiden Standorten etwa zwei oder mehr Repeater zu verwenden. Andernfalls ist etwas unter 150 MHz erforderlich. Siehe diese AnsichtGeben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Erik Friesen
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"m" = Milli; "M" = Mega. "P" steht für pedantisches LOL
Andy aka
Ich werde schauen, um Module zu erweitern. Danke, leider ist Put Repeater aufgrund von Einschränkungen keine Option. Wir befinden uns in einem Nationalpark
Phingage
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Könnte mit APRS (Übertragung erfordert Ham-Lizenz) im 10m- oder 20m-Band erfolgen. Das 2-m-Band kann für die Kommunikation ohne Sichtverbindung verwendet werden, wenn in der Region Digipeater verfügbar sind.

Quark
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Problem mit 20m Band ist Antennengröße, Basislager kann so viel Leistung und Größe haben wie gewünscht, aber Client sollte tragbar sein, infact, das von Wanderern mitgebracht werden sollte, so dass Größe und Gewicht sehr streng sind
Phingage
Eine passende Antenne wird möglicherweise nicht zum Empfangen benötigt, könnte aber zum Antworten eingesetzt werden (allerdings einfacher bei Bäumen) - Drahtdipole und Schnüre sind ziemlich leicht zu tragen. Endgespeiste / zufällige Drähte können mit einem adaptiven Anpassungsnetzwerk verwendet werden oder möglicherweise nur, indem die Ineffizienz aufgezehrt wird und angenommen wird, dass das Tastverhältnis niedrig genug ist, um die Verstärkererwärmung zu verwalten. Eine echte Unabhängigkeit vom Gelände findet jedoch nur statt, wenn die ionensphärischen Bedingungen so sind, dass sich die interessierende Frequenz auch bei einem nahezu senkrechten Einfall widerspiegelt (je nach Bedarf, um das lokale Gebiet zu erreichen).
Chris Stratton
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Beachten Sie auch, dass Amateurfunkbänder nicht für kommerzielle oder quasi kommerzielle Kommunikationssysteme verwendet werden können. Sie dürfen nur von Amateuren verwendet werden, die sich unterhalten oder auf andere Weise Amateur-TV-Übertragungen oder andere Hobby-Projekte und Builds durchführen. Amateure, die unter dem Kommando eines Handelsunternehmens dienen und ihren Verkehr weiterleiten, verstoßen gegen die Regeln.
Andyz Smith
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Überprüfen Sie, ob Ihr Land über eine HF-Bandzuordnung für ISM verfügt und welche Emissionsleistung zulässig ist. APRS-Protokolle können auf ISM-Bändern für kommerzielle Zwecke mit privaten Repeatern verwendet werden, jedoch ohne Verbindung zum Amateurdienst. Trennen Sie die Technologie vom regulatorischen Bereich.
James Cameron