如何計算2.4GHz頻段模塊的路徑損耗

　　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)外短距離傳輸時的路徑損耗就顯得極為重要。借助創(chuàng)建的模型，設(shè)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(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)、家庭自動化、樓宇自動化和消費(fèi)類電子應(yīng)用。

　　MRF24J40MB與MRF24J40MA類似，不過更適合自動讀表系統(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。這三個模塊已通過各項法規(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(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，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(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)，因此信號級別剛好足以使節(jié)點(diǎn)2與節(jié)點(diǎn)1通信。此時的余量為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)，這會使信號級別進(jìn)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(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)，這會使信號級別進(jìn)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)

　　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，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(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，因為它采用了導(dǎo)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(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引起的反射等。

　　圖3顯示了視距環(huán)境下的接收信號強(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(FreeSpace Path Loss， FSPL)模型會發(fā)生嚴(yán)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(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(dāng)。

　　多路徑效應(yīng)引起的衰落可導(dǎo)致大于30dB到40dB的信號衰減，因此在設(shè)計無線系統(tǒng)時，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。