2.4GHz頻段現(xiàn)已成為家庭、辦公室和工廠短距離無線應用的普遍選擇。通常，2.4GHz信道隸屬于免許可的工業(yè)、科學和醫(yī)學(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頻段運行的不同協(xié)議會相互干擾。

 

因此，評估無線傳輸?shù)姆秶托阅芤詣?chuàng)建相關模型來估算模塊用于室內(nèi)外短距離傳輸時的路徑損耗就顯得極為重要。借助創(chuàng)建的模型，設計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模塊為例——Microchip的MRF24J40MA、MRF24J40MB和MRF24J40MC。MRF24J40MA是一款經(jīng)認證的集成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、家庭自動化、樓宇自動化和消費類電子應用。

 

MRF24J40MB與MRF24J40MA類似，不過更適合自動讀表系統(tǒng)等長距離應用。MRF24J40MC配有外部天線(如圖1所示)，同樣適用于長距離應用。這三個模塊已通過各項法規(guī)和模塊化認證，它們通過四線制SPI接口與單片機相連。

 

 

大尺寸模型用來預估長距離傳輸時的平均性能。大尺寸模型取決于距離以及與頻率關系不大的重要環(huán)境特性。隨著距離縮短，該模型會徹底瓦解，但其對于確定無線系統(tǒng)的工作范圍并粗略規(guī)劃網(wǎng)絡容量很有用。小尺寸(衰落)模型描述了一對一的信號變化。這類模型主要涉及多路徑效應(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，最初的重點通常是信號在短距離或短時間內(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，也可能與使用的通信協(xié)議有關)，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、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到的可靠性，但根據(jù)經(jīng)驗，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系歸一化，以無量綱形式記錄。但是，有時分別考慮距離和波長引起的損耗更方便。這種情況下，關注使用的單位特別重要，因為選擇的單位不同，涉及的偏移常數(shù)也不同。

 

舉例來說，評估一個包含兩個RF節(jié)點(節(jié)點1和節(jié)點2)的1km鏈路(范圍)的可行性，其中節(jié)點使用MRF24J40MB模塊，輸出功率為20dBm。節(jié)點1與增益為1dBi的全向PCB天線相連，節(jié)點2也與增益為1dBi的類似PCB天線相連。節(jié)點1的發(fā)射功率為100mW(或20dBm)，靈敏度為-102dBm。節(jié)點2的發(fā)射功率為100mW(或20dBm)，靈敏度與節(jié)點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1到節(jié)點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2的最小接收靈敏度(-102dBm)，因此信號級別剛好足以使節(jié)點2與節(jié)點1通信。此時的余量為42dB(102dB～60dB)，這可在良好的天氣條件下實現(xiàn)有效傳輸，但在惡劣的天氣條件下可能不足以實現(xiàn)可靠通信。

 

由于往返路徑上的路徑損耗相同，因此，節(jié)點1處接收到的信號級別為-60dB。而節(jié)點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)]導致的損耗(衰落)，這會使信號級別進一步降低20dB，此時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2替換為增益(輸出功率)為0dB的MRF24J40MA模塊。由于節(jié)點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)]導致的損耗(衰落)，這會使信號級別進一步降低20dB，此時的通信僅有15dB到20dB的附加增益。

 

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，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)被阻擋時幾乎不會引起鏈路信號損耗，而這一比例超過40%時信號損耗將非常明顯。

圖2：菲涅爾區(qū)

 

計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)被阻擋時幾乎不會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，以及設備、家具和人為干預造成的阻擋共同作用的結果。

 

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)墻壁會導致約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。混凝土墻導致的損耗為10dB到15dB，具體取決于墻面的大小和形狀。建筑物地板導致的損耗為12dB到27dB。鋼筋混凝土地板導致的損耗大于木質(zhì)地板。鏡面墻造成的損耗非常高，因為它采用了導電的反射涂層。

 

有時，菲涅爾區(qū)能夠很好地指示室內(nèi)環(huán)境范圍的測量結果。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。實際傳播損耗與估算結果的偏差可能非常大，具體取決于建筑物的構造、結構和布局。

 

此外，還有一些可能導致菲涅爾區(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引起的反射等。

 

圖3顯示了視距環(huán)境下的接收信號強度指示(RSSI)。

圖3：視距環(huán)境中的位置和距離

 

 

選擇路徑損耗模型來預測RF系統(tǒng)性能時應十分謹慎。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)模型會發(fā)生嚴重錯誤。對于城市環(huán)境，使用ITU室內(nèi)傳播模型更能反映真實場景。

 

在城市環(huán)境中，最好使用10dB到12dB來預測傳輸距離加倍時所需增加的鏈路預算。接收器靈敏度是系統(tǒng)中最重要的變量，必須謹慎對待并相應優(yōu)化以延長傳輸距離。另外，任意無線系統(tǒng)中的其他變量也會影響傳輸距離，但僅在大幅變化時，其造成的影響才與接收器靈敏度變化產(chǎn)生的影響相當。

 

多路徑效應引起的衰落可導致大于30dB到40dB的信號衰減，因此在設計無線系統(tǒng)時，強烈建議在鏈路預算中留出足夠的鏈路余量來解決這一損耗問題。