600m通信試験

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6号館-1号館で実施予定 帯域幅を広げた時の通信感度への影響を調べる

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6/5の週で一年生が集まった時にやる

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6/7実施予定

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ツールで簡単に計算してみました。

2波モデル

周波数: 920 MHz 送信電力: 18.5 dBm

アンテナ高さ: 受信: 1 m

アンテナ利得 送信: 1 dBi 受信: 1 dBi

打ち上げ前	頂点	着地
通信距離	120 m	300 m	200 m
送信側のアンテナ高さ	1 m	250 m	0 m
受信電力	-62.7 dBm	-67.5 dBm	-55.4 dBm

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落ち込む点は反射波が干渉して打消しあう地点。 モデル化したものなので距離はあてにならないが、落ち込む点の存在は認識しておくべき。

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600m伝送試験
通信距離	600 m
送信側のアンテナ高さ	30 m
受信のアンテナ高さ	10 m
受信電力	-75 dBm

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CMWX1ZZABZの受信感度は-135.5dBmなので、問題なく受信できると思われる。

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上記は帯域幅の影響を考慮していないので考える。

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帯域幅と送信データ長を変更しながら送信を行い、受信感度と1秒間に送信できる回数の変化を確認する。

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結果と考察

状況

日時: 6/7 18:14-18:31 天候: 晴れ (雲量6-8)

送信地点: 1号館屋上 (35.3657, 139.2732) 受信地点: 6号館屋上 (35.3608, 139.2729) 通信距離: 540 m

無線機概要

周波数: 921.8 MHz (LoRa 30ch) 送信電力: 20 mW 拡散率: 7 アンテナ高さ: 屋上から 1 m アンテナ利得: 1 dBi

帯域幅: 125kHz, 250kHz, 500kHz (条件により変更) データ長: 32Bytes, 64Bytes, 128Bytes (条件により変更)

条件

以下の7つの条件を設定する。

条件	帯域幅	データ長
1	125 kHz	32 Bytes
2	125 kHz	64 Bytes
3	125 kHz	128 Bytes
4	250 kHz	32 Bytes
5	500 kHz	32 Bytes
6	500 kHz	64 Bytes
7	500 kHz	128 Bytes

結果

各条件での計測結果を最頻値で示す。

条件	受信強度 RSSI	送信回数	受信回数	N
1	-121 dBm	13.0 Hz	6.5 Hz	1545
2	-121 dBm	7.9 Hz	4 Hz	669
3	-100 dBm	4.5 Hz	2.2 Hz	191
4	-103 dBm	14.9 Hz	7.5 Hz	850
5	-104 dBm	43.5 Hz	21.7 Hz	3340
6	-105 dBm	26.3 Hz	13.3 Hz	1399
7	-103 dBm	15.2 Hz	7.5 Hz	1116

なお、アンテナ高さを途中で変更しており、設定1,2は屋上から0m、設定3からは屋上から1mとなっている。

考察

受信強度

条件1,2での受信強度RSSIは-121dBm、条件3からは-100から-105dBmであり、結果から帯域幅は受信強度に影響しないと思われる。

実際、環境による擾乱を考慮しない自由空間での電波の伝搬損失量 $Loss$ (dB) は以下の式で表されるように、単に通信距離と周波数の関数となる。

$Loss$: 伝搬損失量 (dB), $d$: 通信距離 (m), $c$: 光速 ($2.998 \times 10^8$ m/s), $f$: 周波数 (MHz)

$$ Loss = 20 log (\frac{4 \pi d}{\lambda})$$

$$ \lambda = \frac{c}{f} $$

したがって、ロケット打ち上げにおけるダウンリンク及びアップリンクでは、通信速度改善のため帯域幅を広げることは受信強度の観点からは問題ないと考える。

送受信回数

送受信回数とは、規定のデータ長が含まれるパケットを1秒間に送信または受信できる回数を表している。これにはマイコン内での処理による遅延も影響する。

結果より帯域幅と送信回数及び、データ長と送信回数の関係がわかる。比較的狭い帯域幅では比例関係に近い関係があるといえる。一方、比較的広い帯域幅では、データ長が短い方が若干伝達効率が上がる結果となった。

また、受信回数が送信回数のほぼ半分の値になる現象が見られた。これについては今後検証を進める。

まとめ

H-58搭載計器においては、帯域幅500kHzで64Bytes程度のデータをダウンリンクする場合10Hz程度の受信が可能であり、データを選定して32Bytes程度に抑えた場合は20Hz程度の受信が可能になる。GNSS情報を10Hzで更新することが可能になったことと合わせ、通信系の大幅な性能向上が見込める。

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3系統同時ダウンリンクでSNRも計測して再試験

[YasueKodai]

システムコミュニケーションモジュール RSSI : -102 dBm SNR : 5.25 dBm 周波数　: 20 Hz

[ryuseiyokokura]

エアコミュニケーションモジュール RSSI　-100dbm SNR　4.5dBm 周波数　20Hz

[TsutsumiHiroki]

MMは後でコミットして同期します

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RSSIとSNRの解説 【初心者向け/wifi】電波強度 RSSI とノイズ比 SNR の見方と基準,目安 | SEの道標

[waiwai2525]

RSSIは解説だと-90以下は「使えない」らしいけど、受信側の最低受信強度が-135.5なので問題ない。

[waiwai2525]

SNRは10以下だと「使えない」らしいけど、データは問題なく受信できている。

[waiwai2525]

N=500

[waiwai2525]

安全審査ではRSSI:-135.5以上かつ問題なくパケットを受信できることを成功条件としたので、今回の試験は成功判定。

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環境 日時: 7/5 15:10 – 15:11 天候: 曇り (雲量 10)