توان سیگنال و واحدهای اندازه‌گیری

توان سیگنال رادیویی، که میزان مسافت قابل انتشار موج را تعیین می‌کند، معمولاً با واحد وات (W) یا میلی‌وات (mW) اندازه‌گیری می‌شود. با این حال، برای مقایسه آسان‌تر، از واحد دسی‌بل میلی‌وات (dBm) استفاده می‌شود که بر اساس فرمول زیر محاسبه می‌گردد:

P(dBm) = 10 × log₁₀(P(mW))

توان سیگنال فرستنده (Pt) و توان دریافتی (Pr) کلیدی هستند. توان دریافتی (که با RSSI - Received Signal Strength Indicator - نشان داده می‌شود) نشان‌دهنده کیفیت لینک است و باید بالاتر از حساسیت گیرنده باشد تا ارتباط برقرار شود. برای مثال، RSSI مناسب معمولاً بین -40 dBm تا -60 dBm است؛ مقادیر پایین‌تر لینک را نامطمئن می‌کند. همچنین، EIRP (Effective Isotropic Radiated Power) توان مؤثر تابشی را نشان می‌دهد که از جمع توان خروجی فرستنده، بهره آنتن، و کسر افت کابل محاسبه می‌شود. EIRP نقطه شروع تعیین کیفیت لینک است و توسط قوانین رگولاتوری محدود می‌شود.

تأثیر فاصله بر توان سیگنال

فاصله (d) بین فرستنده و گیرنده مستقیماً باعث تضعیف (Attenuation) سیگنال می‌شود. در فضای آزاد، توان دریافتی با مجذور فاصله رابطه معکوس دارد. این پدیده از طریق معادله Friis توصیف می‌شود:

Pr = Pt × Gt × Gr × (λ / 4πd)²

که در آن:

• Pt: توان فرستنده
• Gt, Gr: بهره آنتن‌های فرستنده و گیرنده
• λ: طول موج (λ = c / f و c سرعت نور است)
• d: فاصله

با افزایش فاصله، توان دریافتی به شدت کاهش می‌یابد. برای مثال، در لینک‌های وایرلس، با دو برابر شدن فاصله، توان دریافتی به یک‌چهارم می‌رسد (افت 6 dB). علاوه بر این، Free Space Path Loss (FSPL) افت سیگنال در فضای آزاد را محاسبه می‌کند:

FSPL(dB) = 20 × log₁₀(d) + 20 × log₁₀(f) + 20 × log₁₀(4π / c)

این فرمول نشان می‌دهد که FSPL با افزایش فاصله و فرکانس افزایش می‌یابد، که منجر به کاهش توان دریافتی می‌شود.

تأثیر فرکانس بر توان سیگنال و فاصله

فرکانس (f) نقش دوگانه‌ای دارد: فرکانس‌های بالاتر (مانند 5 GHz) امکان پهنای باند بیشتر و سرعت بالاتر را فراهم می‌کنند، اما دامنه سیگنال کوتاه‌تر و نفوذپذیری کمتری دارند. بر اساس معادله Friis، با افزایش فرکانس، طول موج کاهش می‌یابد، که باعث افت بیشتر توان دریافتی می‌شود. برای مثال:

• در فرکانس 2.4 GHz (استانداردهای 802.11b/g/n)، دامنه تئوری در فضای باز تا 140 متر است و نفوذ از موانع (مانند دیوارها) بهتر است، زیرا طول موج بلندتر اجازه عبور آسان‌تر را می‌دهد.
• در فرکانس 5 GHz (استانداردهای 802.11a/n/ac)، دامنه به 45 متر کاهش می‌یابد و نفوذ ضعیف‌تر است، اما برای فواصل کوتاه و سرعت بالا (تا 1.7 Gbps) مناسب است.

علاوه بر این، تضعیف با فرکانس افزایش می‌یابد؛ در کابل‌های RF، افت در فرکانس‌های بالاتر بیشتر است (برای مثال، در کابل LMR-400، افت در 5 GHz بیش از 2.4 GHz است). نویز نیز در فرکانس‌های پایین‌تر (مانند 2.4 GHz) بیشتر است، که نسبت سیگنال به نویز (SNR) را کاهش می‌دهد.

SNR = RSSI - Noise Floor

برای لینک مطمئن، SNR باید بالای 25 dB باشد.

عوامل جانبی مؤثر بر رابطه

علاوه بر فرکانس و فاصله، عوامل دیگری مانند بهره آنتن‌ها، موانع فیزیکی، و ناحیه Fresnel (که نشان‌دهنده فضای لازم اطراف مسیر خط دید است) بر توان سیگنال تأثیر می‌گذارند. ناحیه Fresnel بر اساس فرکانس و فاصله محاسبه می‌شود و برای جلوگیری از تداخل، باید حداقل 60٪ آن آزاد باشد. قوانین رگولاتوری (مانند FCC یا ETSI) نیز EIRP را محدود می‌کنند؛ برای مثال، در باند 2.4 GHz، حداکثر EIRP حدود 20 dBm است تا از تداخل جلوگیری شود.

رابطه بین فرکانس، فاصله و توان سیگنال در لینک‌های وایرلس یک تعادل پیچیده است: فرکانس بالاتر سرعت را افزایش می‌دهد اما دامنه و نفوذ را کاهش می‌دهد، در حالی که فاصله همیشه باعث افت توان می‌شود. معادلاتی مانند Friis و FSPL ابزارهای کلیدی برای پیش‌بینی عملکرد لینک هستند و پارامترهایی مانند EIRP، RSSI و SNR برای ارزیابی کیفیت ضروری‌اند. در طراحی عملی، انتخاب فرکانس مناسب (مانند 2.4 GHz برای پوشش گسترده و 5 GHz برای سرعت بالا) و رعایت قوانین رگولاتوری می‌تواند لینک‌های پایدار ایجاد کند. درک این روابط نه تنها از مشکلات مانند قطع ارتباط جلوگیری می‌کند، بلکه در توسعه فناوری‌های آینده مانند 5G و Wi-Fi 6 نقش اساسی دارد. پیشنهاد می‌شود برای پروژه‌های واقعی، از ابزارهای شبیه‌سازی مانند LinkCalc استفاده شود تا قابلیت لینک بررسی گردد.