正確的路徑 計(jì)算2.4 GHz頻段模塊的路徑損耗

　　2.4 GHz頻段現(xiàn)已成為家庭、辦公室和工廠短距離無(wú)線應(yīng)用的普遍選擇。通常，2.4 GHz信道隸屬于免許可的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)（Industrial Scientific Medical，ISM）頻段。ZigBee?（IEEE 802.15.4）、Bluetooth?（IEEE 802.15.1）、Wi-Fi?（IEEE 802.11 b/g/n）、無(wú)線通用串行總線（Wireless Universal Serial Bus，WUSB）和私有協(xié)議（如MiWiTM）等許多協(xié)議以及部分無(wú)繩電話均采用此頻段。然而，在2.4 GHz ISM頻段運(yùn)行的不同協(xié)議會(huì)相互干擾。

　　因此，評(píng)估無(wú)線傳輸?shù)姆秶托阅芤詣?chuàng)建相關(guān)模型來(lái)估算模塊用于室內(nèi)外短距離傳輸時(shí)的路徑損耗就顯得極為重要。借助創(chuàng)建的模型，設(shè)計(jì)人員可初步估算出無(wú)線通信系統(tǒng)的性能。性能參數(shù)包括范圍、路徑損耗、接收器靈敏度、誤碼率（Bit Error Rate，BER）和誤包率（Packet Error Rate，PER），這些參數(shù)在任何通信系統(tǒng)中都非常重要。

　　以功率和天線類型各不相同的三個(gè)模塊為例——Microchip的MRF24J40MA、MRF24J40MB和MRF24J40MC。MRF24J40MA是一款經(jīng)認(rèn)證的集成PCB天線的2.4 GHz IEEE 802.15.4無(wú)線收發(fā)器模塊，適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化和消費(fèi)類電子應(yīng)用。MRF24J40MB與MRF24J40MA類似，不過(guò)更適合自動(dòng)讀表系統(tǒng)等長(zhǎng)距離應(yīng)用。MRF24J40MC配有外部天線（如圖1所示），同樣適用于長(zhǎng)距離應(yīng)用。這三個(gè)模塊已通過(guò)各項(xiàng)法規(guī)和模塊化認(rèn)證，它們通過(guò)四線制SPI接口與單片機(jī)相連。

　　圖1：帶子板和外部天線的MRF24J40MC模塊

　　路徑損耗模型

　　大尺度模型用來(lái)預(yù)估長(zhǎng)距離傳輸時(shí)的平均性能。大尺度模型取決于距離以及與頻率關(guān)系不大的重要環(huán)境特性。隨著距離縮短，該模型會(huì)徹底瓦解，但其對(duì)于確定無(wú)線系統(tǒng)的工作范圍并粗略規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)容量很有用。小尺度（衰落）模型描述了一對(duì)一的信號(hào)變化。這類模型主要涉及多路徑效應(yīng)（相位抵消）。路徑衰減被視為保持恒定，但主要取決于頻率和帶寬。

　　不過(guò)，最初的重點(diǎn)通常是信號(hào)在短距離或短時(shí)間內(nèi)快速變化的小尺度模型。如果估算的接收功率足夠大（通常與接收器靈敏度有關(guān)，也可能與使用的通信協(xié)議有關(guān)），則這條鏈路便可用于發(fā)送數(shù)據(jù)。接收功率超出接收器靈敏度的量稱為鏈路余量。

　　鏈路余量或衰落余量被定義為確保發(fā)送器與接收器間可靠無(wú)線鏈路所需的超出接收器靈敏度水平的功率（余量）。在理想條件下（天線已精確對(duì)準(zhǔn)、不存在多路徑或反射并且沒(méi)有損耗），必需的鏈路余量為0 dB。需要的確切衰落余量取決于鏈路所需達(dá)到的可靠性，但根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，最好始終保持22 dB至28 dB的衰落余量。如果衰落余量在良好天氣條件下不小于15 dB，則可充分保證RF系統(tǒng)在惡劣條件（因天氣、日光和射頻干擾所致）下繼續(xù)有效運(yùn)行。

　　接收天線與發(fā)送天線之間的路徑損耗通常通過(guò)使距離對(duì)波長(zhǎng)的關(guān)系歸一化，以無(wú)量綱形式記錄。但是，有時(shí)分別考慮距離和波長(zhǎng)引起的損耗更方便。這種情況下，關(guān)注使用的單位特別重要，因?yàn)檫x擇的單位不同，涉及的偏移常數(shù)也不同。

　　舉例來(lái)說(shuō)，評(píng)估一個(gè)包含兩個(gè)RF節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2）的1 km鏈路（范圍）的可行性，其中節(jié)點(diǎn)使用MRF24J40MB模塊，輸出功率為20 dBm。節(jié)點(diǎn)1與增益為1 dBi的全向PCB天線相連，節(jié)點(diǎn)2也與增益為1 dBi的類似PCB天線相連。節(jié)點(diǎn)1的發(fā)射功率為100 mW（或20 dBm），靈敏度為-102 dBm。節(jié)點(diǎn)2的發(fā)射功率為100 mW（或20 dBm），靈敏度與節(jié)點(diǎn)1相似。電纜長(zhǎng)度很短，兩端的損耗各為1 dB左右。之后，將所有增益相加并減去節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)2鏈路的所有損耗（僅考慮1 km鏈路路徑的自由空間損耗）。

　　由于-60 dB大于節(jié)點(diǎn)2的最小接收靈敏度（-102 dBm），因此信號(hào)級(jí)別剛好足以使節(jié)點(diǎn)2與節(jié)點(diǎn)1通信。此時(shí)的余量為42 dB（102 dB - 60 dB），這可在良好的天氣條件下實(shí)現(xiàn)有效傳輸，但在惡劣的天氣條件下可能不足以實(shí)現(xiàn)可靠通信。

　　由于往返路徑上的路徑損耗相同，因此，節(jié)點(diǎn)1處接收到的信號(hào)級(jí)別為-60 dB。而節(jié)點(diǎn)1的接收靈敏度為-102 dBm，故衰落余量為42 dB（102 dB - 60 dB）。此外，還存在因環(huán)境（即便在視距（LoS）內(nèi)）導(dǎo)致的損耗（衰落），這會(huì)使信號(hào)級(jí)別進(jìn)一步降低20 dB，此時(shí)符合通信要求但沒(méi)有任何附加增益。

　　現(xiàn)在，我們將節(jié)點(diǎn)2替換為增益（輸出功率）為0 dB的MRF24J40MA模塊。由于節(jié)點(diǎn)1的接收靈敏度為-95 dBm，故衰落余量為35 dBm（95 dB - 60 dB）。此外，還存在因環(huán)境（即便在視距（LoS）內(nèi)）導(dǎo)致的損耗（衰落），這會(huì)使信號(hào)級(jí)別進(jìn)一步降低20 dB，此時(shí)的通信僅有15 dB到20 dB的附加增益。

　　菲涅爾區(qū)

　　菲涅爾區(qū)是指無(wú)線電波離開(kāi)天線后在可視距離周圍傳播的區(qū)域，如圖2所示。擁有視距對(duì)于保持強(qiáng)度有利，對(duì)于2.4 GHz無(wú)線系統(tǒng)更是如此，原因在于2.4 GHz波易被水吸收。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，必須有60%的菲涅爾區(qū)不存在障礙物。通常，20%的菲涅爾區(qū)被阻擋時(shí)幾乎不會(huì)引起鏈路信號(hào)損耗，而這一比例超過(guò)40%時(shí)信號(hào)損耗將非常明顯。

　　圖2：菲涅爾區(qū)

　　計(jì)算出可被阻擋的菲涅爾區(qū)的比例非常重要。通常，20%到40%的菲涅爾區(qū)被阻擋時(shí)幾乎不會(huì)對(duì)通信鏈路造成干擾。被阻擋的菲涅爾區(qū)最好不要超過(guò)20%。

　　由于存在墻壁和天花板等障礙物，建筑物中室內(nèi)的傳播損耗明顯更高。這種損耗是墻壁和天花板引起的衰減，以及設(shè)備、家具和人為干預(yù)造成的阻擋共同作用的結(jié)果。

　　徑直道路上每棵樹(shù)木造成的衰減損耗約為8 dB到18 dB。這種衰減取決于樹(shù)木的大小、形狀和種類。兩面均干燥的木質(zhì)墻壁會(huì)導(dǎo)致約6 dB的衰減。由于材料和視距等原因，相對(duì)較老的建筑物的內(nèi)部損耗可能比新建筑物大。混凝土墻導(dǎo)致的損耗為10 dB到15 dB，具體取決于墻面的大小和形狀。建筑物地板導(dǎo)致的損耗為12 dB到27 dB。鋼筋混凝土地板導(dǎo)致的損耗大于木質(zhì)地板。鏡面墻造成的損耗非常高，因?yàn)樗捎昧藢?dǎo)電的反射涂層。

　　有時(shí)，菲涅爾區(qū)能夠很好地指示室內(nèi)環(huán)境范圍的測(cè)量結(jié)果。通常，視距傳播的有效范圍僅為前3m左右。超過(guò)3m后，在密集的辦公室環(huán)境下，室內(nèi)傳播損耗將升至30 dB/30m。保守地說(shuō)，大多數(shù)情況下對(duì)路徑損耗的估算有所夸大。實(shí)際傳播損耗與估算結(jié)果的偏差可能非常大，具體取決于建筑物的構(gòu)造、結(jié)構(gòu)和布局。

　　此外，還有一些可能導(dǎo)致菲涅爾區(qū)內(nèi)發(fā)生傳播損耗的其他原因，例如與其他發(fā)送器間的沖突、發(fā)送器的誤差向量幅度（Error Vector Magnitude， EVM）較弱（通常在20%到24% RMS范圍內(nèi)）以及物體或人員移動(dòng)引起的反射等。

　　圖3顯示了視距環(huán)境下的接收信號(hào)強(qiáng)度指示（Received Signal Strength Information，RSSI）。

　　圖3：視距環(huán)境中的位置和距離

　　結(jié)論

　　選擇路徑損耗模型來(lái)預(yù)測(cè)RF系統(tǒng)性能時(shí)應(yīng)十分謹(jǐn)慎。除極少數(shù)受限情況外，大多數(shù)情況下選擇自由空間路徑損耗（Free Space Path Loss， FSPL）模型會(huì)發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤。對(duì)于城市環(huán)境，使用ITU室內(nèi)傳播模型更能反映真實(shí)場(chǎng)景。

　　在城市環(huán)境中，最好使用10 dB到12 dB來(lái)預(yù)測(cè)傳輸距離加倍時(shí)所需增加的鏈路預(yù)算。接收器靈敏度是系統(tǒng)中最重要的變量，必須謹(jǐn)慎對(duì)待并相應(yīng)優(yōu)化以延長(zhǎng)傳輸距離。另外，任意無(wú)線系統(tǒng)中的其他變量也會(huì)影響傳輸距離，但僅在大幅變化時(shí)，其造成的影響才與接收器靈敏度變化產(chǎn)生的影響相當(dāng)。多路徑效應(yīng)引起的衰落可導(dǎo)致大于30 dB到40 dB的信號(hào)衰減，因此在設(shè)計(jì)無(wú)線系統(tǒng)時(shí)，強(qiáng)烈建議在鏈路預(yù)算中留出足夠的鏈路余量來(lái)解決這一損耗問(wèn)題。
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