Моделирование потерь тракта в сети BLE

Спецификации ядра Bluetooth [1], определенные группой Bluetooth Special Interest Group (SIG), представили BLE для обеспечения маломощной связи на короткие расстояния. Устройства BLE работают в глобальном нелицензионном промышленном, научном и медицинском (ISM) диапазоне частот от 2,4 ГГц до 2,485 ГГц. BLE задает интервал между каналами 2 МГц, что приводит к 40 радиочастотным каналам. К известным приложениям BLE относятся услуги пеленгации и создание интеллектуальных решений Интернета вещей (IoT) для упрощения домашней, коммерческой и промышленной автоматизации. Дополнительные сведения о службах пеленгации в BLE см. в разделе Расположение Bluetooth и пеленгация.

За последние несколько лет значительно увеличился объем проектирования сетей BLE для множества сценариев использования. Для достижения высокой производительности и качества в сети BLE рекомендуется изучать распространение сигнала BLE по линии связи между передатчиком и приемником. В этом примере показано сквозное моделирование BLE с учетом этих факторов, которые влияют на распространение сигналов BLE по линии связи между передатчиком и приемником.

Чувствительность приемника

Чувствительность приемника является мерой минимальной интенсивности сигнала, при которой приемник может обнаруживать, демодулировать и декодировать сигнал. Эталонный уровень чувствительности, указанный в спецификациях ядра Bluetooth [1], составляет -70 д Бм. Однако фактический уровень чувствительности для приемника согласно спецификациям ядра Bluetooth [1] определяется как входной уровень приемника, для которого достигается BER, указанный в этой таблице.

В этой таблице показан фактический уровень чувствительности приемника для данного режима передачи PHY.

Модель потери тракта

Потеря или затухание тракта - это снижение плотности мощности данного сигнала при его распространении от передатчика к приемнику через пространство. Это снижение плотности мощности происходит естественным образом на расстоянии и подвергается воздействию препятствий, присутствующих в окружающей среде, в которой передается сигнал. Потери в тракте обычно выражаются в децибелах (дБ) и вычисляются как:

$${\mathrm{}}_{\mathrm{PLdB}}{\mathit{=}}_{\mathit{}}{\mathit{}}_{\mathit{}}$$Pt-Pr.

В этом уравнении

Модели потерь в тракте описывают ослабление сигнала между передатчиком и приемником на основе расстояния распространения и других параметров, таких как частота, длина волны, степень потерь в тракте и коэффициент усиления антенны. В примере рассматриваются следующие модели потерь тракта:

Модель потери пути свободного пространства

Потеря пути в свободном пространстве - ослабление силы сигнала между передатчиком и приемником вдоль пути линии визирования (LoS) через свободное пространство (обычно воздушное), исключающее влияние препятствий на пути. Потеря пути свободного пространства рассчитывается как:

$${\mathrm{}}_{\mathrm{PLdB}}\mathrm{=}\mathrm{}\frac{\mathrm{20log}\mathit{(}}{}$$4.ddλ).

В этом уравнении

Модель потери пути регистрации расстояний

Модель потерь в тракте log-distance отражает потери в тракте, с которыми сигнал сталкивается в помещении, таком как здание. Вычисляется как:

$${\mathrm{}}_{\mathrm{PLdB}}{\mathrm{=}}_{\mathrm{}}\mathrm{PL0}+\mathrm{}\frac{\mathit{}}{{\mathit{}}_{\mathrm{10\gamma \; log}}}$$(dd0).

В этом уравнении

Log-Normal Shadowing Path Loss Model (Log-Normal

Модель затенения log-normal является расширением модели потери пути log-distance. В отличие от модели log-distance, модель log-normal затенения учитывает тот факт, что окружающее окружение может сильно отличаться в двух разных местоположениях, имеющих одно и то же разделение между передатчиком и приемником. Измерения показывают, что на любом расстоянии передатчика-приемника $\mathit{d}$потери в тракте в конкретном местоположении являются случайными и обычно распределенными логарифмами (в дБ) относительно среднего значения, зависящего от расстояния. Потери в тракте вычисляются следующим образом:

$${\mathrm{}}_{\mathrm{PLdB}}\mathit{(}d\left){\mathrm{=}}_{\mathrm{}}{\mathit{}}_{\mathrm{PLdB}}\right(\mathrm{d0})\mathrm{+}\frac{\mathit{}}{{\mathit{}}_{\mathrm{}}}10\gamma \; log{\mathit{}}_{(}$$dd0) + X

В этом уравнении

Двухлучевая модель отражения грунта

Двухлучевая модель отражения земли - это модель распространения радиосвязи, которая оценивает потери на пути между передатчиком и приемником, рассматривая эти две компоненты сигнала: LoS и компонент, отраженный от земли. Когда высоты антенн передатчика и приемника приблизительно одинаковы и расстояние между антеннами очень велико относительно высоты антенн, то потери на пути вычисляются как:

$${\mathrm{}}_{\mathrm{}\mathrm{Линейная\; шкала\; PL=}}\frac{\mathit{}{\mathit{G}}_{\mathit{}}^{\mathrm{}}{\mathit{}}_{\mathit{}}^{\mathrm{}}}{{\mathit{}}^{\mathrm{}}}$$ht2hr2d4.

Потери на пути в логарифмической шкале вычисляются как:

$${\mathrm{}}_{\mathrm{PLdB}}\text{=}\mathrm{}\mathrm{}40log10\mathit{}(d\mathrm{)}\mathrm{-}\mathit{}\text{10log10}{\mathit{}}_{\mathit{(}}^{\mathrm{G}}{\mathit{}}_{\mathit{}}^{\mathrm{}}$$ht2hr2).

В этом уравнении

Модель NIST PAP02-Task 6

Национальный институт стандартов и технологий (NIST) провел исследования для внутренних и внешних путей распространения, а также внешних и внутренних путей распространения и вывел эти уравнения для расчета потерь на пути:

В этих уравнениях

В примере рассматриваются эти значения для различных сред.

Большинство этих измерений для модели канала NIST PAP02 Task 6 были проведены с передатчиками и приемниками, расположенными в коридорах с расстояниями от 5 м до 45 м.

Мощность передачи

Мощность передачи - это мощность радиочастотного сигнала, генерируемого передатчиком. Увеличение мощности передачи увеличивает вероятность того, что сигнал может передаваться на большие расстояния. Bluetooth поддерживает мощность передачи от -20 дБм (0,01 мВт) до 20 дБм (100 мВт).

Коэффициент усиления антенны

Коэффициент усиления антенны - это коэффициент, с помощью которого антенна улучшает общую излучаемую мощность. Конструкторы Bluetooth могут реализовать различные варианты антенн. Устройства Bluetooth обычно получают коэффициент усиления антенны в диапазоне от -10 дБи до 10 дБи.

Сквозная процедура моделирования BLE

Сквозное моделирование BLE PHY оценивает BER и расстояние между передатчиком и приемником, рассматривая конкретную модель потерь в тракте с радиочастотными нарушениями и AWGN, добавленными к пакетам передачи.

Для данного набора параметров моделирования получают отношение сигнал/шум (SNR) в приемнике, предполагая фиксированный показатель шума. Для полученного значения SNR, включающего потери в тракте, генерируйте форму сигнала BLE с использованием bleWaveformGenerator функция. Искажение генерируемой формы сигнала с нарушениями ВЧ и AWGN. Каждый пакет искажается этими нарушениями RF:

Шумные пакеты обрабатываются через практический приемник BLE, который выполняет следующие операции:

Сквозная цепочка примеров представлена на этих блок-схемах.

BER получают путем сравнения переданных и восстановленных битов данных.

Проверка установки пакета поддержки

Проверьте, установлена ли библиотека Communications Toolbox Library для пакета поддержки протокола Bluetooth.

commSupportPackageCheck('BLUETOOTH');

Настройка параметров моделирования

В этом примере расстояние между передатчиком и приемником оценивается на основе окружающей среды и уровней мощности сигнала в передатчике и приемнике.

Конфигурирование параметров, связанных с каналом связи между передатчиком и приемником

pathLossModel = 'Free space';          % Path loss model
rxSensitivity = -70 ; % Receiver sensitivity in dBm
txPower = 0;          % Transmit power in dBm
txAntennaGain = 0;    % Transmitter antenna gain in dB
rxAntennaGain = 0;    % Receiver antenna gain in dB
linkMargin = 15;                              % Link margin(dB) assumed in the simulation

Конфигурирование параметров для генерации формы сигнала

samplesPerSymbol = 8;                 % Samples per symbol
dataLen = 254;  % Data length in bytes
phyMode = 'LE1M';       % PHY transmission mode

% Default access address for periodic advertising channels
accessAdd = [0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1]';

% Random data bits generation
txBits = randi([0 1],dataLen*8,1,'int8');

% Random channel index
chanIndex =37;
fc = (2*chanIndex+2402)*1e6; % Center frequency in Hz

% Generate BLE waveform
txWaveform = bleWaveformGenerator(txBits,'Mode',phyMode,...
                    'SamplesPerSymbol',samplesPerSymbol,...
                    'ChannelIndex',chanIndex,...
                    'AccessAddress',accessAdd);

Конфигурирование шума и мощности сигнала в приемнике

Уровень шума приемника моделируется тепловым шумом. Высота уровня шума определяет SNR в приемнике. Показатель шума приемника определяет уровень уровня шума.

NF = 6;            % Noise figure (dB)
T = 290;           % Ambient temperature (K)
dBm2dBFactor = 30; % Factor for converting dBm to dB

% Symbol rate based on the PHY transmission mode
symbolRate = 1e6; 
if strcmp(phyMode,'LE2M')
    symbolRate = 2e6;
end
BW = samplesPerSymbol*symbolRate; % Bandwidth (Hz)
k = 1.3806e-23;                   % Boltzmann constant (J/K)
noiseFloor = 10*log10(k*T*BW)+NF; % Noise floor in dB

% Measure signal power at the receiver based on the receiver sensitivity and
% assumed link margin
measuredPowerVector = rxSensitivity - dBm2dBFactor+linkMargin;
snrdB = measuredPowerVector - noiseFloor; % SNR in dB

Искажение формы сигнала BLE

Искажение генерируемой формы сигнала BLE с использованием RF-нарушений, потерь в тракте и AWGN.

Добавление RF-обесценений

Радиочастотные нарушения генерируются случайным образом и добавляются к форме сигнала BLE.

% Create and configure the System objects for impairments
initImp = helperBLEImpairmentsInit(phyMode,samplesPerSymbol);

% Configure RF impairments
initImp.pfo.FrequencyOffset = 5800; % Frequency offset in Hz
initImp.pfo.PhaseOffset = 5;         % Phase offset in degrees
initoff = 0.15*samplesPerSymbol; % Static timing offset
stepsize = 20*1e-6;              % Timing drift in ppm, Max range is +/- 50 ppm
initImp.vdelay = (initoff:stepsize:initoff+stepsize*(length(txWaveform)-1))';
initImp.dc = 20; % Percentage related to maximum amplitude value

% Pass generated BLE waveform through RF impairments
txImpairedWfm = helperBLEImpairmentsAddition(txWaveform,initImp);

Ослабить ослабленную форму сигнала BLE

Получение значения потерь в тракте и ослабление нарушенной формы сигнала BLE.

% Obtain the path loss value in dB
pldB = txPower-dBm2dBFactor+rxAntennaGain+txAntennaGain-measuredPowerVector;
plLinear = 10^(pldB/20); % Convert from dB to linear scale

% Attenuate BLE waveform
attenWaveform  = txImpairedWfm./plLinear;

Добавить AWGN

Добавьте AWGN к ослабленной форме сигнала BLE.

% Add WGN to the attenuated BLE waveform
rxWaveform = awgn(attenWaveform,snrdB,'measured');

Результаты моделирования

Оценка и отображение BER и расстояния между передатчиком и приемником путем обработки искаженного сигнала BLE через практический приемник.

Обработка получателя

Для извлечения битов данных пропускают ослабленный искаженный AWGN сигнал BLE через практический приемник.

% Create and configure the receiver System objects 
initRxParams = helperBLEReceiverInit(phyMode,samplesPerSymbol,accessAdd);

% Recover data bits using practical receiver
[rxBits,accessAddress] = helperBLEPracticalReceiver(rxWaveform,initRxParams,chanIndex);

Оценка BER

Оценка значения BER на основе извлеченных и переданных битов данных.

% Obtain BER by comparing the transmitted and recovered bits
ber = [];
if(length(txBits) == length(rxBits))
    ber = (sum(xor(txBits,rxBits))/length(txBits));
end

Оценочное расстояние

Оцените расстояние между передатчиком и приемником.

% Estimate the distance between the transmitter and the receiver based on the path loss value and the environment
if any(strcmp(pathLossModel,{'Free space','Log distance','Log normal shadowing'})) 
    
    % Center frequency is required only for these path loss models
    distance = helperBluetoothEstimateDistance(pathLossModel,pldB,fc);
else
    distance = helperBluetoothEstimateDistance(pathLossModel,pldB);  
end

Показать результаты

Отображение оцененных результатов и график спектра передаваемого и принимаемого сигнала BLE.

% Display estimated BER and distance between the transmitter and the receiver.
disp(['Input configuration: ', newline , '    PHY transmission mode: ', phyMode,....
    newline,'    Path loss model: ', pathLossModel]);

Input configuration: 
    PHY transmission mode: LE1M
    Path loss model: Free space

disp(['Estimated outputs: ', newline , '    Path loss : ', num2str(pldB), ' dB'....
    newline,'    Distance between the transmitter and receiver: ', num2str(distance), ' m', newline, ...
    '    BER: ', num2str(ber)]);

Estimated outputs: 
    Path loss : 55 dB
    Distance between the transmitter and receiver: 5.422 m
    BER: 0

% Plot the spectrum of the transmitted and received BLE waveform
specAnalyzer = dsp.SpectrumAnalyzer('NumInputPorts',2,'SampleRate',symbolRate*samplesPerSymbol,...
    'Title','Spectrum of Transmitted and Received BLE Signals',...
   'ShowLegend',true,'ChannelNames',{'Transmitted BLE signal','Received BLE signal'});
specAnalyzer(txWaveform,rxWaveform);
release(specAnalyzer);

В этом примере демонстрируется сквозное моделирование BLE для различных режимов передачи PHY с учетом модели потерь в тракте, нарушений ВЧ и AWGN. Полученные результаты моделирования отображают потери в тракте, оцененное расстояние между передатчиком и приемником и BER. Спектр передаваемого и принимаемого сигнала BLE визуализируют с помощью анализатора спектра.

Приложение

В примере используются следующие вспомогательные функции:

Избранная библиография

[1] Группа специальных интересов Bluetooth (SIG). «Спецификация ядра Bluetooth». Версия 5.2. https://www.bluetooth.com.

[2] Модели потерь пути, используемые в Bluetooth Range Estimator. Группа специальных интересов Bluetooth (SIG). https://www.bluetooth.com.

[3] Раппапорт, Теодор. Беспроводная связь - принципы и практика. Прентис Холл, 1996.

[4] NIST Smart Grid Interoperability Panel Приоритетный план действий 2: Руководство по оценке беспроводных стандартов для приложений Smart Grid. Национальный институт стандартов и технологий, Министерство торговли США, 2014 год, https://nvlpubs.nist.gov/.