【導(dǎo)讀】評估無線傳輸?shù)姆秶托阅芤詣?chuàng)建相關(guān)模型來估算模塊用于室內(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（BER）和誤包率（PER）。
2.4GHz頻段現(xiàn)已成為家庭、辦公室和工廠短距離無線應(yīng)用的普遍選擇。通常，2.4GHz信道隸屬于免許可的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)（ISM）頻 段。ZigBee（IEEE 802.15.4）、Bluetooth（IEEE 802.15.1）、Wi-Fi（IEEE 802.11 b/g/n）、無線通用串行總線（WUSB）和私有協(xié)議（如MiWi）等許多協(xié)議以及部分無繩電話均采用此頻段。然而，在2.4GHz ISM頻段運(yùn)行的不同協(xié)議會(huì)相互干擾。
因此，評估無線傳輸?shù)姆秶托阅芤詣?chuàng)建相關(guān)模型來估算模塊用于室內(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（BER）和誤包率（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2.4GHz IEEE 802.15.4無線收發(fā)器模塊，適用于無線傳感器網(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，不過更適合自動(dòng)讀表系統(tǒng)等長距離應(yīng)用。MRF24J40MC配有外部天線（如圖1所示），同樣適用于長距離應(yīng)用。這三個(gè)模塊已通過各項(xiàng)法規(guī)和模塊化認(rèn)證，它們通過四線制SPI接口與單片機(jī)相連。
路徑損耗模型
大尺寸模型用來預(yù)估長距離傳輸時(shí)的平均性能。大尺寸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 于確定無線系統(tǒng)的工作范圍并粗略規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)容量很有用。小尺寸（衰落）模型描述了一對一的信號(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，最初的重點(diǎn)通常是信號(hào)在短距離或短時(shí)間內(nèi)快速變化的小尺寸模型。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（天線已精確對準(zhǔn)、不存 在多路徑或反射并且沒有損耗），必需的鏈路余量為0dB。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22dB至28dB的 衰落余量。如果衰落余量在良好天氣條件下不小于15dB，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使距離對波長的關(guān)系歸一化，以無量綱形式記錄。但是，有時(shí)分別考慮距離和波長引起的損耗更方便。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。
舉例來說，評估一個(gè)包含兩個(gè)RF節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2）的1km鏈路（范圍）的可行性，其中節(jié)點(diǎn)使用MRF24J40MB模塊，輸出功率為 20dBm。節(jié)點(diǎn)1與增益為1dBi的全向PCB天線相連，節(jié)點(diǎn)2也與增益為1dBi的類似PCB天線相連。節(jié)點(diǎn)1的發(fā)射功率為100mW（或 20dBm），靈敏度為-102dBm。節(jié)點(diǎn)2的發(fā)射功率為100mW（或20dBm），靈敏度與節(jié)點(diǎn)1相似。電纜長度很短，兩端的損耗各為1dB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1km鏈路路徑的自由空間損耗）。
由于-60dB大于節(jié)點(diǎn)2的最小接收靈敏度（-102dBm），因此信號(hào)級別剛好足以使節(jié)點(diǎn)2與節(jié)點(diǎn)1通信。此時(shí)的余量為42dB（102dB～60dB），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)級別為-60dB。而節(jié)點(diǎn)1的接收靈敏度為-102dBm，故衰落余量為 42dB（102 dB～60dB）。此外，還存在因環(huán)境［在視距（LoS）內(nèi)］導(dǎo)致的損耗（衰落），這會(huì)使信號(hào)級別進(jìn)一步降低20dB，此時(shí)符合通信要求但沒有任何附加增 益。
圖1：帶子板和外部天線的MRF24J40MC模塊
現(xiàn)在，我們將節(jié)點(diǎn)2替換為增益（輸出功率）為0dB的MRF24J40MA模塊。由于節(jié)點(diǎn)1的接收靈敏度為-95dBm，故衰落余量為 35dBm（95dB~60dB）。此外，還存在因環(huán)境［在視距（LoS）內(nèi)］導(dǎo)致的損耗（衰落），這會(huì)使信號(hào)級別進(jìn)一步降低20dB，此時(shí)的通信僅有 15dB到20dB的附加增益。
菲涅爾區(qū)
菲涅爾區(qū)是指無線電波離開天線后在可視距離周圍傳播的區(qū)域，如圖2所示。擁有視距對于保持強(qiáng)度有利，對于2.4GHz無線系統(tǒng)更是如此，原因在 于2.4GHz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 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)對通信鏈路造成干擾。被阻擋的菲涅爾區(qū)最好不要超過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。
徑直道路上每棵樹木造成的衰減損耗約為8dB到18dB。這種衰減取決于樹木的大小、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，相對較老的建筑物的內(nèi)部損耗可能比新建筑物大?；炷翂?dǎo)致的損耗為10dB到15dB，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12dB到27dB。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)境范圍的測量結(jié)果。通常，視距傳播的有效范圍僅為前3m左右。超過3m后，在密集的辦公室環(huán)境下，室內(nèi)傳播 損耗將升至30dB/30m。保守地說，大多數(shù)情況下對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)射器間的沖突、發(fā)射器的誤差向量幅度（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（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預(yù)測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。對于城市環(huán)境，使用ITU室內(nèi)傳播模型更能反映真實(shí)場景。
在城市環(huán)境中，最好使用10dB到12dB來預(yù)測傳輸距離加倍時(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)慎對待并相應(yīng)優(yōu) 化以延長傳輸距離。另外，任意無線系統(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30dB到40dB的信號(hào)衰減，因此在設(shè)計(jì)無線系統(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解決這一損耗問題。
