900MHzTimes New Roman"; mso-hansi-font-family:DFKai-SB;mso-fareast-language:ZH-CN">和2.4GHz頻帶的短距無(wú)線裝置設(shè)計(jì)人員須能根據(jù)公式了解那些參數(shù)會(huì)影響及如何影響傳輸距離,并將這些參數(shù)運(yùn)用在公式中,以便透過(guò)統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算室內(nèi)和戶外環(huán)境的路徑損耗及傳輸距離。
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;λ則是波長(zhǎng),單位也是公尺。
(2)
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:
(3)
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),Friis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,是指天線遠(yuǎn)場(chǎng)距離dF以外的區(qū)域。天線的dF等于2D2/λ,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。
(6)
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
常用的射頻功率強(qiáng)度單位是毫瓦分貝或瓦分貝,而不是絕對(duì)功率強(qiáng)度。因此方程式(6)可表示為:
(7)
下例說(shuō)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
(8)
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) |
利用方程式(7)可得到
|
(11) |
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(méi)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
任何實(shí)用的無(wú)線傳感器系統(tǒng)都必須知道其最大可靠傳輸距離。這個(gè)無(wú)線系統(tǒng)傳輸距離直接由鏈路預(yù)算參數(shù)決定:
LB = PT + GT + GR – RS |
(13) |
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(wú)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)無(wú)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(wú)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,它們的實(shí)體和電氣特性也差異很大,很難靠著通用模型來(lái)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:
|
(15) |
其中X是以分貝為單位的零平均值高斯隨機(jī)變量,σ則是標(biāo)準(zhǔn)差。如果為固定裝置,則可將Xσ的影響忽略不計(jì)。利用方程式(4)計(jì)算
PL(d) = 20log10(fMHz) + 10nlog10(d) – 28 + Xσ |
(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(guò)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),FAF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
20log10(fMHz) + 20log10(d) – 28 |
(18) |
從上式可得到915MHz的路徑損耗為:
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) |
傳輸訊號(hào)的頻率越高,路徑損耗就越大,這會(huì)縮短高頻訊號(hào)的無(wú)線傳輸距離。例如在戶外空曠環(huán)境里,2.4GHz無(wú)線裝置就比915MHz裝置多出大約8.4dB的路徑損耗。
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(lái)計(jì)算915MHz和2.4GHz訊號(hào)在
20log10(fMHz) + 10log10(d) – 28 + Xσ |
(21) |
即可得到915MHz的路徑損耗為:
915MHz = 20log10(915) + 10(3)log(100) – 28 + Xσ = 91.2dB |
(22) |
其中σ = 7dB。2400MHz的路徑損耗則為:
2400MHz = 20log10(2400) + 10(3)log (100) – 28 + Xσ = 99.6dB |
(23) |
其中σ=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 + Xσ |
(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σ = 5.6dB。2400MHz的路徑損耗則為:
2400MHz = 20log10(2400) + 10(3)log10(100) – 28 + 24 = 123.6dB, |
(26) |
參考文獻(xiàn)
[1] Rappaport, Theodore S. Wireless Communications Principles and Practice, Prentice Hall, 2001.