Моделирование потерь пути в сети BLE

Спецификации ядра Bluetooth [1], заданные Bluetooth Special Interest Group (SIG), представили BLE для обеспечения маломощной связи малой дальности. Устройства BLE работают в глобально нелицензируемых промышленных, научных и медицинских (ISM) полосах с частотой областью значений от 2,4 ГГц до 2,485 ГГц. BLE задает интервал между каналами 2 МГц, получая 40 радиочастотных каналов. Известные приложения BLE включают услуги по поиску направлений и создание интеллектуальных интернет вещей (IoT) решений для облегчения домашней, коммерческой и промышленной автоматизации. Для получения дополнительной информации об услугах определения направления в BLE, смотрите тему Местоположение Bluetooth и Поиск направления.

В последние несколько лет наблюдалось значительное увеличение разработки сетей BLE для множества сценариев использования. Для достижения высокой эффективности и качества в сети BLE рекомендуется изучение распространения сигнала BLE по ссылка между передатчиком и приемником. Этот пример показывает сквозная симуляция BLE с учетом этих факторов, которые влияют на распространение сигналов BLE вдоль ссылки связи между передатчиком и приемником.

Чувствительность приемника

Чувствительность приемника является мерой минимальной мощности сигнала, при которой приемник может обнаруживать, демодулировать и декодировать форму волны. Уровень чувствительности ссылки, заданный в спецификациях ядра Bluetooth [1], составляет -70 дБм. Однако фактический уровень чувствительности для приемника согласно спецификациям ядра Bluetooth [1] определяется как входной уровень приемника, для которого достигается BER, заданный в этой таблице.

Эта таблица показывает фактический уровень чувствительности приемника для данного режима передачи PHY.

Модель потерь пути

Потеря пути или ослабление пути - это снижение плотности степени данного сигнала, когда он переходит от передатчика к приемнику через пространство. Это уменьшение плотности степени происходит естественным образом на расстоянии и затронуто препятствиями, присутствующими в окружении, в котором передается сигнал. Потери пути обычно выражаются в децибелах (дБ) и вычисляются как:

$${\mathrm{PL}}_{\mathrm{dB}}={\mathit{P}}_{\mathit{t}}-{\mathit{P}}_{\mathit{r}}$$.

В этом уравнении,

Модели потерь пути описывают ослабление сигнала между передатчиком и приемником на основе расстояния распространения и других параметров, таких как частота, длина волны, показатель потерь пути и усиления антенны. В примере рассматриваются эти модели потерь пути:

Модель потерь при распространении в свободном пространстве

Потери при распространении в свободном пространстве - ослабление силы сигнала между передатчиком и приемником вдоль пути линии зрения (LoS) через свободное пространство (обычно воздух), исключающее эффект препятствий в пути. Значение потерь при распространении в свободном пространстве определяется как:

$${\mathrm{PL}}_{\mathrm{dB}}=20\log \left(\frac{4\pi \mathit{d}}{\lambda }\right)$$.

В этом уравнении,

Модель потерь пути логарифмического расстояния

Модель потерь пути логарифмического расстояния отражает потери пути, с которыми сталкивается сигнал в закрытом окружении, таком как создание. Он вычисляется как:

$${\mathrm{PL}}_{\mathrm{dB}}={\mathrm{PL}}_0+10\gamma \log \left(\frac{\mathit{d}}{{\mathit{d}}_0}\right)$$.

В этом уравнении,

Логарифмическая модель потерь теневого пути

Логарифмическая модель затенения является расширением модели потерь пути логарифмического расстояния. В отличие от модели логарифмического расстояния, модель логарифмического нормального затенения рассматривает тот факт, что окружающее окружение загромождение может быть значительно различным в двух других местах, имеющих одно и то же разделение передатчик-приемник. Измерения показывают, что на любом расстоянии передатчика-получателя, $\mathit{d}$Потеря пути в конкретном местоположении является случайной и распределённым журналом обычно (в дБ) относительно значения, зависящего от среднего расстояния. Потери пути вычисляются как:

$${\mathrm{PL}}_{\mathrm{dB}}\left(\mathit{d}\right)={\mathrm{PL}}_{\mathrm{dB}}\left({\mathit{d}}_0\right)+10\gamma \log \left(\frac{\mathit{d}}{{\mathit{d}}_0}\right)+{\mathit{X}}_{\sigma }$$.

В этом уравнении,

Двухлучевая модель наземного отражения

Двухлучевая модель отражения Земли является моделью распространения радио, которая оценивает потери пути между передатчиком и приемником, принимая во внимание эти две компоненты сигнала: LoS и компонент, отраженный от земли. Когда высоты передатчика и приемной антенны примерно одинаковы, и расстояние между антеннами очень велико относительно высоты антенн, тогда потери пути вычисляются как:

$${\mathrm{PL}}_{\mathrm{linear}\mathrm{scale}}=\frac{\mathit{G}{\mathit{h}}_{\mathit{t}}^2{\mathit{h}}_{\mathit{r}}^2}{{\mathit{d}}^4}$$.

Потери пути в логарифмической шкале вычисляются как:

$${\mathrm{PL}}_{\mathrm{dB}}=40\mathrm{log10}\left(\mathit{d}\right)-10\mathrm{log10}\left(\mathit{G}{\mathit{h}}_{\mathit{t}}^2{\mathit{h}}_{\mathit{r}}^2\right)$$.

В этом уравнении,

Модель NIST PAP02-Task 6

Национальный институт стандартов и технологий (NIST) провел исследования для внутреннего к внутреннему, наружного к наружному, и наружный к внутренним путям распространения и получил эти уравнения для вычисления потери пути:

В этих уравнениях,

Пример рассматривает эти значения для различных окружений.

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.

Передайте Степень

Мощность передачи является степенью радиочастотного сигнала, генерируемого передатчиком. Увеличение степени передачи увеличивает вероятность того, что сигнал может быть передан на больших расстояниях. Bluetooth поддерживает степень передачи от -20 дБм (0,01 мВт) до 20 дБм (100 мВт).

Усиление антенны

Коэффициент усиления антенны - это коэффициент, с помощью которого антенна улучшает общую излучаемую степень. Дизайнеры Bluetooth могут принять решение реализовать различные опции антенны. Устройства Bluetooth обычно достигают коэффициента усиления антенны в области значений от -10 дБи до 10 дБи.

Сквозная процедура симуляции BLE

Сквозные симуляции BLE PHY оценивают BER и расстояние между передатчиком и приемником путем рассмотрения конкретной модели потерь пути с искажениями RF и добавлением AWGN к пакетам передачи.

Для заданного набора параметров симуляции получите отношение сигнал/шум (ОСШ) в приемник путем принятия фиксированного рисунка шума. Для полученного значения ОСШ, включая потери пути, сгенерируйте сигнал BLE, используя bleWaveformGenerator функция. Искажает сгенерированную форму волны с RF-нарушениями и AWGN. Каждый пакет искажается этими искажениями RF:

Шумные пакеты обрабатываются через практичный приемник BLE, который выполняет эти операции:

Сквозная примерная цепь суммирована в этих блоках

BER получают путем сравнения переданных и восстановленных бит данных.

Проверьте наличие установки пакета поддержки

Проверьте, установлен ли пакет поддержки 'Communications Toolbox Library for the Bluetooth Protocol'.

commSupportPackageCheck('BLUETOOTH');

Сконфигурируйте параметры симуляции

В этом примере расстояние между передатчиком и приемником оценивается на основе окружения и уровней степени сигнала в передатчике и приемнике.

Сконфигурируйте параметры, относящиеся к ссылке 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

Сконфигурируйте параметры для генерации сигналов

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);

Сконфигурируйте шум и степень сигнала в приемнике

Шумовой пол приемника моделируется тепловым шумом. Высота уровня шума определяет ОСШ в приемнике. Шумовой рисунок приемника определяет уровень шумового пола.

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 волны BLE

Искажает сгенерированную форму волны BLE, используя искажения RF, потери пути и AWGN.

Добавление ослаблений RF

Искажения RF генерируются случайным образом и добавляются к форме волны 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
tx Impaired Wfm = helper BLEI mpairments Addind (tx Waveform, init Imp);

Ослабление ухудшенной формы волны BLE

Получите значение потерь пути и ослабьте ослабленный сигнал 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;

Добавление AWGN

Добавьте AWGN к ослабленной форме волны BLE.

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

Результаты симуляции

Оцените и отобразите BER и расстояние между передатчиком и получателем путем обработки искаженной формы волны BLE через практический приемник.

Обработка приемника

Чтобы извлечь биты данных, передайте 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

Оценочное значение BER на основе извлеченных и передаваемые данные бит.

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

Оценка расстояния

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

Отображение результатов

Отобразите оцененные результаты и постройте график спектра переданного и принятого 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);

Этот пример демонстрирует сквозную симуляцию BLE для различных режимов передачи PHY с учетом модели потерь пути, искажений RF и AWGN. Полученные результаты симуляции отображают потери пути, оцененное расстояние между передатчиком и приемником и BER. Спектр передаваемого и принимаемого сигнала BLE визуализируют с помощью спектрального анализатора.

Приложение

В примере используются следующие вспомогательные функции:

Избранная библиография

[1] Группа специальных интересов Bluetooth (SIG). Bluetooth Core Спецификации. Версия 5.2. https://www.bluetooth.com.

[2] Модели потерь пути, используемые в оценке области значений Bluetooth. Bluetooth Special Interest Group (SIG). https://www.bluetooth.com.

[3] Раппапорт, Теодор. Беспроводная связь - принципы и практика. Prentice Hall, 1996.

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