Целью статьи является сравнение результатов измерений дальности действия различных радиосистем в конкретном здании с бетонными стенами и проверка соответствия полученных дальностей с заранее рассчитанными теоретическими величинами.

В настоящее время на рынке систем безопасности наиболее распространены внутриобъектовые радиоканальные системы сигнализации, работающие в следующих диапазонах частот: 433 и 868 МГц, 2,4 ГГц. Это нелицензируемые диапазоны с разрешенной максимальной мощностью передатчика 10 мВт (для 433 и 868 МГц), а также 100 мВт (для 2,4 ГГц). Однако при использовании диапазона 2,4 ГГц необходимо зарегистрировать установленное на объекте оборудование в территориальных органах Роскомнадзора.

Диапазон 433 МГц в России ужеболее 10 лет широко применяется для систем сигнализации. Несколько лет назад у нас и в Европе «открыли» новый диапазон — 868 МГц. Необходимо отметить, что в России невозможно применение радиосистем для этого диапазона, произведенных в Европе, так как ни один из европейских поддиапазонов не отвечает российским требованиям.

Диапазон 2,4 ГГц используется в основном для скоростной передачи данных в сетях WiFi, WiMAX и т.д. Производство радиоканальных систем охранно-пожарной сигнализации в этом диапазоне стало возможным с появлением маломощных передатчиков, работающих в протоколе ZigBee.

Расчет дальности радиосвязи в здании

Проведем оценку дальности радиосвязи между извещателем и приемно-контрольным прибором (ПКП) в здании. Напомним, что каждая пара радиоустройств характеризуется энергетическим запасом (потенциалом), который необходим для компенсации ослаблений радиосигнала. Для устойчивой работы на этом радиоинтервале должен быть предусмотрен энергетический запас в 20–25 дБ. Дальность радиосвязи определяется четырьмя параметрами:

• мощность передатчика;
• чувствительность приемника;
• ослабление сигнала в свободном пространстве;
• ослабление сигнала при прохождении через стены помещений.

Определим начальные условия.

Мощность передатчика
Максимальная разрешенная мощность передатчиков в диапазонах 433 и 868 МГц равняется 10 мВт. В диапазоне 2,4 ГГц разрешенная мощность составляет 100 мВт. Но, для того чтобы обеспечить несколько лет работы устройств от батарей, необходимо снизить мощность излучения до тех же 10 мВт. Таким образом, мощность передатчиков одинакова для всех радиосистем — 10 мВт.

Чувствительность приемника
Будем рассматривать радиосистемы с двухсторонним протоколом обмена, то есть в каждом устройстве используется приемопередатчик. Для радиоустройств, работающих на частотах 433 и 868 МГц, используются трансиверы, максимальная чувствительность которых равна 107 дБм. Для трансиверов диапазона 2,4 ГГц чувствительность не превышает 100 дБм. С учетом мощности излучения передатчиков получаем энергетический запас 117 дБ для диапазонов 433/868 МГц и 110 дБ для 2,4 ГГц.

Ослабление сигнала в свободном пространстве
Оно определяется рабочей частотой системы. График зависимости ослабления сигнала в свободном пространстве от расстояния представлен на рис. 1.

Ослабление сигнала при прохождении через стены помещений
Значения ослабления сигнала при прохождении через стены помещений представлены в табл. 1.

Таблица 1. Ослабление радиосигнала при прохождении через стену под углом 90°

Материал стены	Ослабление радиосигнала, дБ
Дерево и пенобетон	3-4
Кирпич	6
Бетон	10
Железобетон	18-20 (при объемном армировании - до 30 дБ)

Если толщина стены превышает некоторую предельную величину, то радиосигнал не будет проходить через нее. Предельная толщина стены для разных диапазонов частот представлена в табл. 2.

Таблица 2. Предельная толщина стены, через которую может пройти радиосигнал

Материал стены	Частотный диапазон, Мгц	Предельная толщина, м
Кирпич	433	4,3
	868	2,18
	2,4	0,78
Бетон	433	0,47
	868	0,24
	2,4	0,09

Рис. 1. Зависимость ослабления сигнала в свободном пространстве от расстояния

В качестве примера возьмем здание с бетонными стенами. Будем считать, что толщина стен не превышает предельную величину, и дополнительных препятствий не существует. Проведем расчет дальности устойчивой радиосвязи между приемно-контрольным прибором и извещателем.

Рассмотрим три случая.

1. Расстояние 15 м, 2 стены.

• Диапазон 433 МГц.
• Ослабление сигнала в свободном пространстве: V_o= 49 дБ.
• Ослабление сигнала за счет препятствий: V_пр.= 2 x 10 дБ = 20 дБ.
• Суммарное ослабление сигнала: V_∑ = 49 + 20 = 69 дБ.
• Энергетический запас на замирание равен: 117 - 69 = 48 дБ.

• Диапазон 868 МГц.
• Ослабление сигнала в свободном пространстве: V_o= 55 дБ.
• Ослабление сигнала за счет препятствий: V_пр.= 2 x 10 дБ = 20 дБ.
• Суммарное ослабление сигнала: V_∑ = 55 + 20 = 75 дБ.
• Энергетический запас на замирание равен: 117 - 75 = 42 дБ.

• Диапазон 2,4 ГГц.
• Ослабление сигнала в свободном пространстве: V_o = 64 дБ.
• Ослабление сигнала за счет препятствий: V_пр.= 2 x 10 дБ = 20 дБ.
• Суммарное ослабление сигнала: V_∑ = 64 + 20 = 84 дБ.
• Энергетический запас на замирание равен: 110 - 84 = 26 дБ.

Энергетический запас для всех диапазонов больше 20 дБ, что достаточно для стабильной радиосвязи.

2. Расстояние 20 м, 3 стены.

Для диапазона 433 МГц энергетический запас равен 36 дБ, для диапазона 868 МГц — 30 дБ, для диапазона 2,4 ГГц — 14 дБ.

Энергетический запас больше 20 дБ только для диапазонов 433 и 868 МГц.

3. Расстояние 25 м, 4 стены.

У диапазона 433 МГц энергетический запас равен 24 дБ, у диапазона 868 МГц — 18 дБ, у диапазона 2,4 ГГц отсутствует связь.

Энергетический запас больше 20 дБ только для диапазона 433 МГц (устойчивая радиосвязь). Для диапазона 868 МГц — неустойчивая радиосвязь.

Таким образом, мы определили, что расчетные значения максимальной дальности устойчивой радиосвязи для разных диапазонов отличаются и составляют:

• диапазон 2,4 ГГц: дальность 15 м, 2 стены;
• диапазон 868 МГц: дальность 20 м, 3 стены;
• диапазон 433 МГц: дальность 25 м, 4 стены.

Теперь давайте сравним полученные величины с результатами практических измерений в здании.

Результаты практических измерений

Специалистами были произведены замеры дальности устойчивой радиосвязи и максимальной дальности между приемно-контрольным прибором и извещателем для каждого из рассматриваемых диапазонов. Результаты показаны на рис. 2–4.

Дальность устойчивой радиосвязи — расстояние, при котором энергетический запас на быстрые и медленные замирания между приемно-контрольным прибором и извещателем не меньше 20 дБ (на рисунках отмечено зеленой заливкой).

Рис. 2. Дальность радиосвязи на частоте 433 МГц

Рис. 3. Дальность радиосвязи на частоте 868 МГц

Рис. 4. Дальность радиосвязи на частоте 2,4 ГГц

Максимальная дальность — расстояние, при котором за период контроля приемно-контрольный прибор принимает хотя бы один тестовый сигнал от извещателя (отмечено коричневой заливкой).

Итоги сравнения

1. Теоретическая оценка радиосвязи подтверждается реальными измерениями. Для частоты 2,4 ГГц измеренная дальность получилась меньше расчетной. Это объясняется тем, что толщина бетонных стен в здании равна 10 см, что является предельной толщиной проникновения для указанного диапазона.
2. Наибольшая дальность радиосвязи в здании — у диапазона 433 МГц. Частота 2,4 ГГц подходит лишь для небольших объектов.

Рис.5. Размещение на плане объекта приемно-контрольных приборов и радиорасширителей в соответствии с выполненными расчетами по дальности действия радиоустройств

3 шага до проекта

Напомним порядок действий при работе с радиоканальным оборудованием:

• размещение извещателей на планах объекта с учетом надежного обнаружения признаков пожара или проникновения в охраняемое пространство (рис.5);
• расчет дальности действия (R) радиоустройств (с использованием указанных ранее графиков и формул, а также специальных программ-калькуляторов, представленных на сайтах производителей);
• размещение радиорасширителей на планах объекта в соответствии с выполненными расчетами.

М.С.Елькин, специалист отдела технической поддержки компании «Аргус-Спектр»