利用2.4GHz頻段計算短距離模組路徑損耗

2.4GHz頻段現已成為家庭、辦公室和工廠在短距離無線應用時的普遍選擇。通常，2.4 GHz通道隸屬於免授權的工業、科學和醫學(ISM)頻段。包括ZigBee(IEEE 802.15.4)、Bluetooth(IEEE 802.15.1)、Wi-Fi(IEEE 802.11 b/g/n)、無線通用序列匯流排(WUSB)和專有協議(如MiWi)等許多協定以及部份無線電話均使用這一頻段。然而，在2.4 GHz ISM頻段的作業可能導致RF與利用相同頻譜的其他協議相互干擾。

因此，重要的是評估無線傳輸的範圍和性能，以便建立相關模型來估算短距離模組在用於室內和室外傳輸時的路徑損耗，從而讓設計人員可初步估算出無線通訊系統的性能。相關的性能參數包括範圍、路徑損耗、接收器靈敏度、誤碼率(BER)和封包錯誤率(PER)，這些參數在任何通訊系統中都非常重要。

以功率和天線類型各不相同的三個模組為例——微芯科技(Microchip)的MRF24J40MA、MRF24J40MB和MRF24J40MC。MRF24J40MA是一款經認證整合PCB天線的2.4 GHz IEEE 802.15.4無線收發器模組，適用於無線感測器網路、家庭自動化、建築物自動化和消費電子應用。MRF24J40MB類似於MRF24J40MA，不過更適合自動讀錶系統等長距離的應用。MRF24J40MC配有外部天線(如圖1所示)，同樣適用於長距離應用。這三個模組透過四線制SPI介面連接至微控制器，而且分別通過各項不同的法規和模組化認證。

圖1：帶子板和外部天線的MRF24J40MC模組

路徑損耗模型

大尺寸模型用來預估長距離傳輸時的平均性能，主要取決於距離以及與頻率關係不大的重要環境特性。隨著距離縮短，該模型會徹底瓦解，但對於建模無線系統的工作範圍以及粗略規劃網路容量十分有幫助。小尺寸(衰減)模型則在一對一的規模上描述訊號變化。這類模型主要涉及多工效應(相位抵銷)。路徑衰減被視為保持?定，但主要取決於頻率和頻寬。

不過，最初的重點通常是訊號在短距離或短時間內快速變化的小尺寸建模。如果估算的接收功率足夠大(通常與接收器靈敏度有關，也可能與使用的通訊協定有關)，則這條鏈路便適用於發送資料。接收功率超出接收器靈敏度的量稱為鏈路餘量。

鏈路餘量或衰減餘量被定義為高於確保發送器與接收器之間存在可靠無線鏈路的接收器靈敏度所需的功率(餘量)。在理想條件下(天線已精確對準、不存在多工徑或反射且無損耗)，必要的鏈路餘量為0dB。需要的實際衰減餘量取決於鏈路所需達到的可靠性，但根據經驗法則，最好始終保持在22dB至28dB的衰減餘量。如果衰減餘量在良好天氣條件下不小於15dB，則可充分保證RF系統在惡劣條件(因天氣、日光和射頻干擾所致)下持續有效執行。

接收天線與發送天線之間的路徑損耗通常透過使距離對波長的關係標準化，實現以無因次的形式記錄。但是，有時分別考慮距離和波長引起的損耗更簡便。在這種情況下，關注所使用的單位特別重要，因為選擇的單位不同，涉及的偏移常數也不同。

舉例來說，評估一個包含RF節點(節點1和節點2)的1km鏈路(範圍)的可行性，其中節點使用20dBm輸出功率的MRF24J40MB模組。節點1連接增益為1dBi的全向PCB天線，節點2也連接至增益為1dBi的類似PCB天線。節點1的發射功率為100mW(或20dBm)，靈敏度為-102dBm。節點2的發射功率為100mW(或20dBm)，靈敏度與節點1相似。電纜長度很短，兩端的損耗各為1dB左右。之後，將所有增益相加並減去節點1到節點2鏈路的所有損耗(僅考慮1 km鏈路路徑的自由空間損耗)。

由於-60dB大於節點2的最小接收靈敏度(-102dBm)，因此訊號等級剛好足以使節點2與節點1通訊。此時的餘量為42dB(102dB - 60dB)，這可在良好的天氣條件下實現有效傳輸，但在惡劣的天氣條件下可能不足以實現可靠通訊。

由於往返路徑上的路徑損耗相同，因此，節點1處接收到的訊號等級為-60dB。而節點1的接收靈敏度為-102dBm，故衰減餘量為42dB(102dB - 60dB)。此外，還存在因視距(LoS)等環境因素導致的損耗(衰減)，從而使訊號等級進一步降低20dB，此時雖符合通訊要求但無任何附加增益。

現在，我們將節點2更換為增益(輸出功率)為0dB的MRF24J40MA模組。由於節點1的接收靈敏度為-95dBm，故衰減餘量為35dBm(95dB - 60dB)。此外，還存在因視距(LoS)等環境因素導致的損耗(衰減)，使得訊號等級進一步降低20 dB，此時的通訊僅有15 dB到20 dB的附加增益。

菲涅耳區

菲涅耳區(Fresnel Zone)是指無線電波離開天線後在可視距離周圍傳播的區域，如圖2所示。擁有視距對於保持強度有利，對於2.4 GHz無線系統更是如此，原因在於2.4 GH波段易被水吸收。根據經驗，必須有60%的菲涅耳區不存在障礙物。通常，20%的菲涅耳區被阻擋時僅引起些微鏈路訊號損耗，而這一比例在超過40%時的訊號損耗將非常明顯。

圖2：菲涅耳區

計算出可被阻擋的菲涅耳區比例非常重要。通常，20%到40%的菲涅耳區被阻擋時幾乎不會對通訊鏈路造成干擾。因此，被阻擋的菲涅耳區最好不要超過20%。

由於存在牆壁和天花板等障礙物，建築物中室內的傳播損耗明顯更高。這種損耗是牆壁和天花板引起的衰減，以及設備、傢俱和人為干預造成的阻擋共同作用的結果。

筆直的道路上每棵樹木造成的衰減損耗約為8dB到18dB。這種衰減取決於樹木的大小、形狀和種類。兩面均乾燥的木質牆壁會導致約6dB的衰減。由於材料和視距等原因，相對較老的建築物內部損耗可能比新建築物更大。混凝土牆導致的損耗為10dB到15dB，具體取決於牆面的大小和形狀。建築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於木質地板。鏡面牆造成的損耗非常高，因為它採用了導電的反射塗層。

有時，菲涅耳區有時可作為理想的指標，有效地指示室內環境範圍的測量結果。通常，視距傳播的有效範圍僅為前3m左右。超過3m後，在密集的辦公室環境下，室內傳播損耗將升至30dB/30m。保守地說，大多數情況下對於路徑損耗的估算有所誇大。實際傳播損耗與估算結果的偏差可能非常大，具體取決於建築物的構造、結構和佈局。

此外，還有一些可能導致菲涅爾區內發生傳播損耗的其他原因，例如與其他發射器間的衝突、發射器的誤差向量振幅(EVM)較弱(通常在20%到24% RMS範圍內)以及物體或人員移動引起的反射等。

圖3顯示視距環境下的接收訊號強度指示(RSSI)。

圖3：視距環境中的位置和距離

結語

選擇路徑損耗模型來預測RF系統性能時必須格外謹慎。除了極少數受限情況外，大多數情況下選擇自由空間路徑損耗(FSPL)模型會發生嚴重錯誤。對於城市環境，使用ITU室內傳播模型更能反映真實場景。

在城市環境中，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中最重要的變數，必須謹慎對待並相應地實現最佳化以延長傳輸距離。此外，任意無線系統中的其他變數也會影響傳輸距離，但僅在大幅變化時所造成的影響才相當於接收器靈敏度變化所產生的影響。

多徑效應引起的衰減可能導致超過30dB到40dB的訊號衰減，因此在設計無線系統時，強烈建議在鏈路預算中保留足夠的鏈路餘量來解決這一損耗問題。

(參考原文：The right path — A look at path loss calculations for modules using the 2.4 GHz band，by Pradeep Shamanna)