ISM频段ZigBee传输距离的估算

实际路径损耗公式  

对于任何一个实用的无线传感器系统而言，了解最大的实际数据传输距离都是非常重要的。该无线系统距离直接取决于链路预算参数。  

LB=PT+GT+GR–RS, (13)  

在这一方程式中，LB 为链路预算，单位为分贝；PT　为发射功率，单位为分贝毫瓦或分贝瓦；GT　为发射天线增益，单位为分贝；GR　为接收机天线增益，单位为分贝；RS 为接收机灵敏度。灵敏度是指在可接受的 SNR（信噪比）情况下，系统能探测到的最小的 RF 信号。方程式 14 显示了接收机的灵敏度：  

S=–174 dBm/Hz+NF+10logB+SNRMIN, (14)  

在这一方程式中，–174 dBm/Hz 为热噪声底限，NF 为全部接收机噪声，单位为分贝，B 为接收机整体带宽，而 SNRMIN 则为最小信噪比。如果发送器与目标接收机之间的总路径损耗大于链路预算，那么接着就会发生数据丢失，然后无法实现通信。因此，对于研发终端系统的设计人员来说，精确地描述路径损耗并将路径损耗与链路预算相比较以得出对距离的初步估算，这一点是非常重要的。  

室内信道的路径损耗  

室内无线通信信道不同于室外信道，这是由于室内信道具有覆盖距离较短、更高的路径损耗变化，以及由此导致的接收信号功率更大的变化特性。但是，对于固定的无线设备来说，接收信号功率的变化性可以忽略不计。建筑物布局、类型及建筑材料都会严重影响室内传播。研究人员将室内信道分类为可视信道，或带有动态杂波 (clutter) 的受阻信道（见参考书目1）。建筑物的内部及外部结构都有大量的隔离物和障碍物。隔离物的判断取决于该结构为家居环境还是办公环境。建筑结构内的隔离物为硬隔离，而可移动且不超过天花板的隔离物为软隔离。住宅一般使用木制框架隔离物，而办公建筑通常使用的是软隔离物，在楼层之间为钢筋混凝土。  

隔离物的物理及电气特性大相径庭，这就使得在室内信道使用一般模型变得非常困难。不过，通过大量的研究，已将通用材料类型的信号损失制定成了表格（见表 1）。楼层衰减因素表示楼层之间的隔离物损耗（见表 2）。方程式 15 表示的是在使用对数距离路径损耗模型下室内信道的实际路径损耗模型：  

(15)  

在这一方程式中，X 为一个零平均值正态分布随机变量，单位为分贝，σ 为标准偏差。如果设备为固定的，您可以忽略 Xσ　影响。使用方程式 4 计算出 1 米距离处路径损耗的值，并将这个值代入方程式 15，将得出：  

PL(d)=20log10(fMHz)+10nlog10(d)–28+Xσ. (16)  

N 的值不会随着频率发生太大变化，这个值取决于周围环境和建筑物类型（见表 3）。  

建筑物内的传播模型包括建筑物类型影响和阻碍。当您仅仅使用一个对数距离模型时，该模型不但提供了灵活性，而且还能够将测量和预计路径损耗之间的标准偏差减少至大约 4 dB（与 13 dB 相比）。方程式 17 说明了衰减因数模型：  

PL(d)=20log10(fMHz)+10nSFlog10(d)–28+FAF, (17)  

方程式中，nSF 表示相同楼层测量的路径损耗指数值，FAF 则 是楼层衰减因数（见表 3）。您可以从表 2 中确定 FAF 的值。下列的例子演示了怎样使用前面所述的表以及方程式。例如，如欲计算出户外空旷环境中距离为 1200 米，频率为 915 MHz 和 2.4 GHz 时的路径损耗，则可以使用如下方程式：  
  
20log10(fMHz)+20log10(d)–28, (18)  

您在如下情况可以推导出 PL：  

915 MHz="20log10"(915)+20log10(1200) –28=92.8 dB, (19)  

以及 PL：  

2400 MHz="20log10"(2400)+20log10(1200) –28=101.2 dB. (20)  

高频传播会导致更高的路径损耗，而高路径损耗又会导致高频率条件下的无线传输距离缩短。例如，同工作在 915 MHz 频率范围并且在户外空旷环境中的设备相比较，工作在 2.4-GHz 频率范围的无线设备路径损耗大约降低了 8.4-dB。  

另一个例子中，在同一个楼层及三个楼层里，距离为 100 米、频率为 915 MHz和 2.4 GHz 的硬分区室内办公环境下，使用表 2 中的信息来计算出路径损耗。同一楼层中，通过表 3 可得到该平均路径损耗为 3 dBm。在以下公式中取 n="3的值"：  

20log10(fMHz)+10log10(d)–28+Xσ, (21)  

从而得出 PL 的值：

915 MHz="20log10"(915)+10(3)log(100) –28+Xσ=91.2 dB, (22)  

其中σ=7dB，及 PL：  

2400 MHz="20log10"(2400)+10(3)log (100)–28+Xσ=99.6 dB, (23)  

其中σ=14dB  

由表 2，您可以计算出三层楼传播的 FAF 值，大约为24 dB，标准偏差为 5.6 dB。使用以下信息：  

20log10(fMHz)+10log10(d)–28+Xσ, (24)  

您可以推导出 PL：  

915 MHz="20log10"(915)+10(3)log10(100) –28+24=115.2 dB, (25)  

其中 σ=5.6 dB，及 PL　  

2400 MHz="20log10"(2400)+ 10(3)log10(100)–28+ 24=123.6 dB, (26)  

其中 σ=5.9 dB  

在第三个例子中，估算上面两个例子在频率为 915 MHz 时的发射距离。在上面两个例子中假设有一个带有单位增益传输和接收天线的系统，其发射功率为 8 dBm，接收器敏感度为 –100 dBm。系统链路预算为 8–(–100)=108 dB。  

使用一个值大约为 10dB 的链路预算范围来说明路径损耗方程式中的标准偏差是一个不错的主意。从而，得到的链路预算为98dB，这一链路预算超出了从第一个示例计算得出的值为 92.8dB 的路径损耗。所以，您可以将 1200 米视为该系统的室外距离。在室内环境下，假设为 10-dB 的范围（该值超出路径损耗），那么路径损耗为 91.2dB，而得到的链路预算大约为 98 dB。因此，您可以将 100 米视为该系统的室内距离。