ZigBee ISM頻帶傳輸距離估算

1、ZigBee ISM頻帶傳輸距離估算900MHz和2.4GHZ頻帶的短距 由于短距無線裝置日益流行，終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員也須深入了解無線 在探討距離估算公式前，設(shè)計(jì)人員必須了解無線信道和訊號(hào)傳播環(huán)境。無線電信道是發(fā)射機(jī)與目標(biāo)接收機(jī)之間的傳輸路徑，它具有隨機(jī)和時(shí)變特性，故很難建立模型，這與固定和可預(yù)測(cè)的 無線電波傳播模型傳統(tǒng)的重點(diǎn)是預(yù)測(cè)發(fā)射機(jī)外特定距離的平均接收訊號(hào)強(qiáng)度，以及某個(gè)位置附近的訊號(hào)強(qiáng)度變化。無論發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的距離為何，大尺度傳播模型都能預(yù)測(cè)其平均訊號(hào)強(qiáng)度，這對(duì)估算發(fā)射機(jī)的傳送距離很有用。相形之下，小尺度或衰落模型則能分析接收訊號(hào)強(qiáng)度在數(shù)個(gè)波長(zhǎng)距離內(nèi)的快速變化。本文主要討論大尺度傳播模型

2、，它能用來估算無線傳輸距離。當(dāng)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間沒有任何阻礙，并能直接看到對(duì)方時(shí)，就能利用自由空間傳播模型來預(yù)測(cè)接收訊號(hào)強(qiáng)度。自由空間傳播模型預(yù)測(cè)接收訊號(hào)強(qiáng)度會(huì)隨著發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間距離的n次方而衰減，這個(gè)函數(shù)關(guān)系又稱為冪次法則函數(shù)。當(dāng)接收機(jī)天線與發(fā)射機(jī)天線之間有段距離時(shí)，它所接收的自由空間功率是由下列Friis自由空間方程式?jīng)Q定：其中PT是發(fā)射功率；PR(d) 是接收功率，也是發(fā)射機(jī)與接收機(jī)距離d的函數(shù)；GT是發(fā)射機(jī)天線增益；GR是接收機(jī)天線增益；d是發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的距離，單位為公尺；則是波長(zhǎng)，單位也是公尺。Friis自由空間方程式顯示接收功率隨著發(fā)射機(jī)與接收機(jī)距離的平方而減少；換言之，接收

3、功率將隨著距離增加而以20dB/decade的速率下降。路徑損耗對(duì)估算無線傳輸距離很重要，它等于發(fā)射功率與接收功率的相差值（以分貝為單位），代表訊號(hào)的衰減程度。從方程式(1)可導(dǎo)出路徑損耗等于發(fā)射功率除以接收功率，方程式(2)將路徑損耗定義為：其中PL是路徑損耗。假設(shè)發(fā)射與接收天線都是單位增益，則方程式(2)可簡(jiǎn)化為：此方程式還能表示為以下有用形式：PL = 20log10(fMHz) + 20log10(d) 28 (4)或是PR = PT PL (5)其中d是距離，單位公尺。只有當(dāng)d值在發(fā)射天線遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)，F(xiàn)riis自由空間公式才能估算接收功率強(qiáng)度。發(fā)射天線的遠(yuǎn)場(chǎng)又稱為Fraunhofer區(qū)域

4、，是指天線遠(yuǎn)場(chǎng)距離dF以外的區(qū)域。天線的dF等于2D2/，其中D是天線的最大實(shí)體線性尺寸；另外dF還必須大于D，而且要在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)內(nèi)。這個(gè)路徑損耗公式僅適用于發(fā)射機(jī)與接收機(jī)在對(duì)方視線內(nèi)的理想系統(tǒng)，而且只應(yīng)用于初步估算。傳播模型把近程距離(close-in distance) d0當(dāng)成接收功率參考點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員必須利用該參考點(diǎn)的接收功率PR(d0) 計(jì)算距離大于d0時(shí)的接收功率。設(shè)計(jì)人員可以利用方程式1和4預(yù)測(cè)PR(d0)，或是測(cè)量發(fā)射機(jī)附近許多點(diǎn)的接收功率，再把它們的平均值當(dāng)成PR(d0)。設(shè)計(jì)人員選擇近程參考點(diǎn)時(shí)，必須確定遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)在近程距離之外。設(shè)計(jì)人員可利用這項(xiàng)信息和下列公式計(jì)算任何距離的接收功率

5、：對(duì)于在1-2GHz范圍操作的實(shí)際系統(tǒng)，室內(nèi)環(huán)境的參考距離是1公尺，戶外環(huán)境則為100公尺。常用的 下例說明這些觀念。假設(shè)發(fā)射頻率900MHz，發(fā)射功率6.3mW (8dBm)，并且使用單位增益的發(fā)射和接收天線，則在戶外視線范圍1200公尺處的接收功率可計(jì)算如下：戶外環(huán)境的參考距離為100公尺，900MHz訊號(hào)的波長(zhǎng)為0.33公尺，因此可先利用方程式(1)的值計(jì)算100公尺處的接收功率如下：要計(jì)算毫瓦分貝功率值，就必須將功率表示為如下的毫瓦值：PR(100) = 0.44 10-6mW. （9）這可得到：PR(100) = 10log(0.44 10-6mW) = -63.6dBm. （10）

6、利用方程式(7)可得到1200公尺處的接收功率為：以及PR(1200) = -63.6dBm 21.58dB = -85dBm. (12)您還可利用方程式(5)驗(yàn)證接收功率就是這個(gè)值。故在沒有障礙物且視線可及的理想環(huán)境里，當(dāng)發(fā)射功率為8dBm時(shí)，距離1200公尺位置的接收功率約為-85dBm。當(dāng)然，實(shí)際環(huán)境下的接收功率會(huì)低于該理想值，因?yàn)槟繕?biāo)點(diǎn)與發(fā)射機(jī)之間可能有障礙物，或根本就在視線外。從前述例子得知路徑損耗為PT PR，因此它等于8dBm (-85dBm) = 93dB。實(shí)際路徑損耗公式任何實(shí)用的無線 LB = PT + GT + GR RS （13）其中LB是以分貝表示的鏈路預(yù)算，PT是以

7、毫瓦或瓦分貝表示的發(fā)射功率，GT是以分貝表示的發(fā)射機(jī)天線增益，GR是以分貝表示的接收機(jī)天線增益，RS是接收機(jī)靈敏度，代表系統(tǒng)能夠偵測(cè)并提供適當(dāng)訊號(hào)雜波比的最小射頻訊號(hào)。接收機(jī)靈敏度如方程式14所示：S = -174dBm/Hz + NF + 10logB + SNRMIN （14）其中-174dBm/Hz是熱噪聲基準(zhǔn)，NF是以分貝表示的接收機(jī)總噪聲指數(shù)，B是接收機(jī)總頻寬，SNRMIN則是最小訊號(hào)雜波比。如果發(fā)射機(jī)與目標(biāo)接收機(jī)之間的總路徑損耗大于鏈路預(yù)算，數(shù)據(jù)就會(huì)遺失，通訊也無法進(jìn)行。因此，設(shè)計(jì)人員在發(fā)展最終系統(tǒng)時(shí)必須精確分析路徑損耗特性，并與鏈路預(yù)算比較以獲得初步的距離估算值。室內(nèi)信道路徑損耗

8、室內(nèi)無線電信道不同于戶外信道，這是因?yàn)槭覂?nèi)通道的傳輸距離較短，通道損耗的變動(dòng)也較大，所以接收訊號(hào)強(qiáng)度的變化較大。但對(duì)固定無線裝置而言，這個(gè)部分卻可忽略不計(jì)。建筑物的平面配置、類型和建筑材料都會(huì)對(duì)室內(nèi)訊號(hào)傳播產(chǎn)生很大影響。研究人員將室內(nèi)通道分為兩種，一種視線可及的信道，另一種是受到不同程度阻隔的通道（參考文獻(xiàn)1）。建筑物的內(nèi)部與外部結(jié)構(gòu)可能含有許多不同的隔間和障礙物，隔間方式取決于該建筑是在家庭或辦公室環(huán)境。建筑結(jié)構(gòu)的隔間是固定隔間，活動(dòng)隔間則能到處移動(dòng)，而且隔間頂端不會(huì)碰到天花板。家庭通常采用木板隔間，辦公室建筑則會(huì)在樓層之間使用鋼筋混凝土，并且采用活動(dòng)隔間方式。建筑物有許多不同的隔間方式，它

9、們的實(shí)體和電氣特性也差異很大，很難靠著通用模型來分析室內(nèi)信道。但經(jīng)由廣泛的研究，業(yè)界已將常用材料的訊號(hào)損耗制成表格（表1）。樓層衰減因子代表樓層之間的隔離損耗 （表2）。方程式(15)是利用對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型所得到的室內(nèi)信道實(shí)際路徑損耗模型：其中X是以分貝為單位的零平均值高斯隨機(jī)變量，則是標(biāo)準(zhǔn)差。如果為固定裝置，則可將X的影響忽略不計(jì)。利用方程式(4)計(jì)算1公尺距離的路徑損耗值，再將結(jié)果代入方程式15即可得到：PL(d) = 20log10(fMHz) + 10nlog10(d) 28 + X (16)n的值不會(huì)隨頻率改變太多，但會(huì)受周圍環(huán)境和建筑物類型影響（表3）。建筑物內(nèi)的傳播模型包含建

10、筑物類型和障礙物的影響。此模型不但有彈性，還能將路徑損耗測(cè)量值與預(yù)測(cè)值間的標(biāo)準(zhǔn)差減到4dB左右，勝過僅使用對(duì)數(shù)距離模型時(shí)的13dB。方程式17代表衰減因子模型：PL(d) = 20log10(fMHz) + 10nSFlog10(d) 28 + FAF (17)其中nSF代表同樓層測(cè)量時(shí)的路徑損耗指數(shù)，F(xiàn)AF則是樓層衰減因子 （表3），設(shè)計(jì)人員可根據(jù)表2決定樓層衰減因子。下面的例子示范如何使用前述表格及方程式，它利用下式計(jì)算915MHz和2.4GHZ訊號(hào)在戶外空曠環(huán)境中1200公尺距離的路徑損耗：20log10(fMHz) + 20log10(d) 28 (18)從上式可得到915MHz的路徑

11、損耗為：915MHz = 20log10(915) + 20log10(1200) 28 = 92.8 dB (19)2400MHz的路徑損耗則為：2400MHz = 20log10(2400) + 20log10(1200) 28 = 101.2 dB (20)另一個(gè)例子則是以同一層樓和三個(gè)樓層的固定隔間辦公室環(huán)境為對(duì)象，利用表2的數(shù)據(jù)來計(jì)算915MHz和2.4GHZ訊號(hào)在100公尺距離的路徑損耗。從表3可知同樓層的平均路徑損耗為3dBm，把這個(gè)n = 3的值代入下式：20log10(fMHz) + 10log10(d) 28 + X (21)即可得到915MHz的路徑損耗為：915MHz

12、= 20log10(915) + 10(3)log(100) 28 + X = 91.2dB (22)其中 = 7dB。2400MHz的路徑損耗則為：2400MHz = 20log10(2400) + 10(3)log (100) 28 + X = 99.6dB (23)其中=14dB。從表2可算出三層樓傳播的樓層衰減因子約24dB，標(biāo)準(zhǔn)差則為5.6dB。把這項(xiàng)信息代入下式：20log10(fMHz) + 10log10(d) 28 + X (24)即可得到915MHz的路徑損耗為：915MHz = 20log10(915) + 10(3)log10(100) 28 + 24 = 115.2dB (25)其中 = 5.6dB。2400MHz的路徑損耗則為：2400MHz = 20log10(2400) + 10(3)log10(100) 28 + 24 = 123.6dB, (26)其中 = 5.9dB。第三個(gè)例子則假設(shè)系統(tǒng)使用單位增益發(fā)射與接收天線、發(fā)射功率為8dBm、以及接收機(jī)靈敏度為-100dBm，然后估算915MHz訊號(hào)在前兩個(gè)例子里的傳輸距離。注意此時(shí)的系