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操作指南

基于SCALANCE W的无线功率计算

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5.0 分
  • 硬件组态与安装
  • 网络组件
文档编号:A0259| 文档类型:操作指南| 发布时间:2024年03月01日
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全球自动化技术发展的趋势之一就是无线技术WLAN的应用。西门子的SCALANCE W工业无线产品满足工业现场可靠、耐用、安全的控制要求,目前在中国市场应用越来越广泛,比如,地铁,AGV等等。不过,用户在选择SCALANCE W的时候,往往关心SCALANCE W的最大发射功率,无线通信的传输距离以及选择合适的天线等问题。本文就这个的问题展开简单的讨论,描述如何计算SCALANCE W的功率,无线传输距离以及天线的选择。

注意:本文档仅仅给计算无线功率损耗的计算方法,并未考虑在实际应用中由于空间环境复杂会导致无线通讯的结果不同,所以该方法仅用于参考,在实际应用中还需要实际现场测量!

对比局域网LAN的电气电缆和光纤连接相比较,无线局域网WLAN使用自由的空间作为传输介质。无线传输的信息并不像有线局域网那样使用变化的电压信号或者光脉冲,而是使用电磁波。自由空间作为传输介质,完全与有线的传输介质不同,因为有线的传输介质已经具有清晰的,确定的传输特性。受物理条件的制约,无线电的频谱范围是受限的。依靠输出功率,在AP的有效半径内,任何给定的频率只能使用一次。
由于ISM频段,属于公共范畴,所以由本国政府进行管理和分配。每个国家的政府相关部门会对批准某些频段用于某些用途进行负责,并遵守国际规范。并非所有的无线模式在所有国家都被许可。其中,国家间对已批准配置的不同限制可能涉及
• 允许的频段和频道,
• 最大传输功率,
• 室内/室外操作,
• 802.11 标准 (“a”、“b”、“g”、“h”、“Turbo”)
• 用于提供传输质量的特定方法,例如DFS 和TPC。
在每个SCALANCE W 设备的固件中包含国家对当前无线标准的批准许可。选择并使用其中一种无线模式需要遵守该国的法律!可通过接入点AP的Web接口或者由客户端Client通过连接到对应无线网络的Web 浏览器调用该页面http://<IP address>/countrylist.log读取这些标准。<IP address>代表对应设备的IP地址,本例的IP地址为192.168.0.80。

调出来的页面通过一个表格概括列出许可的配置。请注意该表仅供参考;它不涉及各个设备的功能限制:以各个国家未许可的无线模式操作一个接入点或者客户并不需要附加的措施。不允许在表中未列出的国家中操作SCALANCE W 设备。下面摘录的部分为中国允许的无线模式。

从中可以看出中国允许无线的模式为IEEE802.11b, 11g, 11g-Turbo, 11a模式。允许的通道及无线频段,最大输出功率,使用地点等等。这些表示用户在使用SCALANCE W在中国国内应用时,必须要遵守的规范。
这里有一个参数EIRP,表示Effective Isotropic Radiated Power,等效全向辐射功率。这个参数用于表征在天线上的一点的最大输出功率。该输出功率与无线模块的输出功率Tx,天线的馈线Ac和天线的增益Ga决定的。当在中国使用SCALANCE W时,需要遵守中国的法律,不能超过所规定的功率大小。例如:在我国使用IEEE802.11g时,EIRP不能超过100mw。
在无线技术中,经常使用dB来计算功率的大小。dB是功率比值的对数,即P [dBm] = 10 * log (P [mW] / 1 mW),下表1给出了功率的dBm计算结果。通过使用该表,可以简单的计算增益和衰减。要计算一个完整的系统,必须加减每一个设备的增益或衰减,例如天线增益和馈线衰减。

典型功率
0.1 pW-100 dBmWLAN 网卡
1 µW-30 dBm
1 mW0 dBm
2 mw3 dBm
4 mw6 dBm
10 mw10 dBm
31 mW15 dBmWLAN模块典型传输功率
100 mW20 dBm最大允许的WLAN功率
200 mw23 dBm
2 W33 dBm最大允许的D网功率
63 W48 dBm人造卫星

表1功率的dBm计算结果

这样根据组态图1,计算EIRP。在实际应用时,需要注意应用该设备的EIRP要符合所在国家的法律法规,具体参考Countrylist.log。


图1 SCALANCE W设备构成

根据图1中无线模块的输出功率Tx,天线的馈线Ac和天线的增益Ga,那么EIRP=Tx+Ac+Ga。从Countrylist.log日志文件中,可知在我国如果使用IEEE802.11g标准时,最大的输出功率为100mw,按照表1,100mw换算为20dBm,即在中国使用时,EIRP的值应不超过20dBm。
通过接入点AP的Web接口再次访问无线网络的Web 浏览器。在菜单“Interfaces”“WLAN”“Advanced”下面有“Transmit power”“Antenna Type”“ Antenna gain (in dBi)”“Antenna cable length (in meters)”等几个参数。

正常状态下,使用不带馈线的标准天线ANT795-4MR,根据样本手册,该天线在2.4GHz的增益为3dBi。那么根据公式EIRP=Tx+Ac+Ga,计算无线模块SCALANCE W的输出功率Tx=20-3=17dBm。
在实际应用中,如果选择了ANT792-8DN的天线以及5m长的馈线。

根据样本手册,ANT792-8DN的天线增益为14dBi,西门子天线馈线的衰减率为0.55dBi/m,这样5m长的天线馈线的衰减约为3dBi。根据公式EIRP=Tx+Ac+Ga=17-3+14=28dBm,这个数值已经大于我国无线规范中规定使用IEEE802.11g的最大输出功率20dBm。于是在选择该天线和馈线时,SCALANCE W会禁止错误设置,并恢复到初始设置,如标准天线ANT795-4MR和发射功率为full(-0dB)。这时会在Web页面的下方出现“ERROR: the transmit power is not allowed with the current antenna gain

在这种情况下,需要修改“Transmit power”为-9dBm,这样才能通过SCALANCE W的设置。这是因为EIRP=Tx+Ac+Ga=(17-9)-3+14=17dBm<20dBm。

在这种情况下,如果一个AP和一个Client都使用ANT792-8DN的天线,且距离为1000m进行通讯,参考图2。两者之间通讯,需要考虑传输功率,空间衰减和接收灵敏度。


图2 SCALANCE W AP和Client通讯

与导线中的信号不同,无线电信号以电磁波形式在空间中进行三维传播。当无线电波遇到物体时,如果物体为导电性物体,则无线电波全部被反射,如果物体为非导电性物体,则一部分波被反射,另一部分被物体吸收,剩下的一部分最后穿过物体。无线电波碰到物体边沿时被散射到各个方向。
这样电磁波会在空间传输过程中出现信号衰减现象,表2给出了电磁波在经过某些材料或者物质时所产生的衰减。

材料或物质衰减dB 2.4 GHz 频带
50 l/m²/h 雨或雪0.02 dB/km
0.02 dB/km
薄墙02. Mai
厚墙06. Dez
混凝土墙Okt 20
混凝土天花板20 - 40
双层玻璃窗25 - 35
树丛 2 to 4 mOkt 15
森林 30 to 50 m30 - 50

表2 特定材料的衰减值


电磁波在开放、自由的空间传输的衰减值参考表3。

距离1 m10 m100 m500 m1 km5 km10 km
空间衰减 [dB]
2.4 GHz40608094100114120
5 GHz476787101107121127

表3 开放自由空间的衰减值


接收灵敏度是指接收端能够产生通讯所接收到的最小功率。设备的灵敏度具有设备相关性,由传输技术和博德率来决定。表4 例举了IEEE802.11g在2.4GHz下的博德率和灵敏度大小的对应关系。

802.11g
数据传输速率 [Mbit/s]Pe [dBm]
6-93
9-92
12-91
18-88
24-85
36-82
48-77
54-76

表4 IEEE802.11g的接收端的灵敏度

这样图2的接收端例如Client的接收灵敏度 。其中 是传输空间的衰减; 是接收端天线的增益和馈线衰减和的值。这里假设是自由空间,那么1000m距离的损耗为100dB。 =14-3=11dBi。那么 ,根据表4可以判断在这种情况下,数据的传输速率依然可以达到54Mbps。
以上方法仅是供用户在选择WLAN的无线产品时,如何计算得到工程项目中所要求的距离和博德率,根据结果来选择相应的产品。不过在实际应用中,需要在现场实际测量,因为理论计算只是给出指导意见,并没有结合实际的现场状态,所以根据实际的现场测量结果来验证是否满足工程项目的要求。

关键词
无线,功率,距离,天线,SCALANCE W

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