近距离无线设备的路径损耗和传输距离的估算

很多朋友对近距离无线设备的路径损耗和传输距离的估算不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

900MHz和2.4GHz频段近距离无线设备的大规模传播模型设计者应该能够根据公式了解哪些参数会影响以及如何影响传输距离，并将这些参数应用到公式中，从而通过统计的方法计算出室内外环境下的路径损耗和传输距离。

随着无线技术在家庭、楼宇和工业中的应用，短距离无线设备正成为人们关注的焦点。这些应用通常采用专有或基于标准的实践，如900MHz和2.4GHz ISM(工业、科学和医疗)频段的ZigBee。由于短距离无线设备的日益普及，终端系统设计人员也必须对无线通信的传输距离有深刻的理解。本文讨论了无线信号的传播，建立了室内环境下近距离无线设备的路径损耗和传输距离的估算模型。

设计者可以使用这些模型来初步估计无线通信系统的效率。

在讨论距离估计公式之前，设计人员必须了解无线信道和信号传播环境。无线信道是发射机和目标接收机之间的传输路径，具有随机和时变的特性，因此很难建立模型，这与固定和可预测的有线信道有很大的不同。因此，设计人员必须使用统计模型来分析这些随机通道。

无线电波传播模型的传统侧重点是预测发射机外特定距离处的平均接收信号强度和某一位置附近的信号强度变化。不考虑发射机和接收机之间的距离，大尺度传播模型可以预测其平均信号强度，这对估计发射机的传输距离非常有用。相比之下，小尺度或衰落模型可以分析几个波长距离内接收信号强度的快速变化。本文主要讨论大尺度传播模型，它可以用来估计无线传输距离。

当发射机和接收机之间没有障碍并且它们可以直接看到彼此时，自由空间传播模型可以用于预测接收信号强度。自由空间传播模型预测接收信号强度会随着发射机和接收机之间的距离衰减到n次方，也就是所谓的幂律函数。当接收机天线和发射机天线之间有一段距离时，它接收的自由空间功率由以下Friis自由空间公式确定：

其中PT是传输功率；PR(d)是接收功率，是发射机和接收机之间距离d的函数；GT是发射机天线增益；GR是接收机天线增益；d是发射机和接收机之间的距离，单位为米；是波长，单位为米。弗里斯自由空间方程表明，接收功率随着发射机和接收机之间距离的平方而减小。换句话说，随着距离的增加，接收功率将以20dB/十倍频程的速度下降。

路径损耗对于估算无线传输距离非常重要，它等于发射功率与接收功率之差(以分贝为单位)，代表信号衰减的程度。从等式(1)可以得出，路径损耗等于发射功率除以接收功率，等式(2)将路径损耗定义为：其中PL是路径损耗。假设发射和接收天线都是单位增益，等式(2)可以简化如下：该等式也可以用以下有用的形式表示：PL=20 log 10(fmhz)20 log 10(d)28(4)或

pr=ptpl(5)其中d是以米为单位的距离。只有当D值在发射天线的远场时，Friis自由空间公式才能估计接收功率强度。发射天线的远场也叫夫琅禾费区，是指天线远场距离dF以外的区域。天线的dF等于2D2/，其中d是天线的最大实线尺寸；另外，dF必须大于d，而且必须在远场区。这个路径损耗公式只适用于发射端和接收端互为视距的理想系统，而且只用于初步估算。

在传播模型中，近距离)d0作为接收功率的参考点，当距离大于d0时，设计者必须使用这个参考点的接收功率PR(d0)来计算接收功率。设计人员可以利用等式1和4来预测PR(d0)，或者测量发射机附近多个点的接收功率，然后取其平均值作为PR(d0)。设计人员在选择短程参考点时，必须确保远场区域在短程距离之外。

设计者可以使用这些信息和以下公式来计算任意距离处的接收功率：对于工作在1-2GHz范围内的实际系统，室内环境的参考距离为1米，室外环境的参考距离为100米。射频功率强度常用的单位是毫瓦分贝或瓦分贝，而不是绝对功率强度。因此，等式(6)可以表示为：

下面的例子说明了这些概念。假设发射频率为900MHz，发射功率为6.3mW (8dBm)，使用单位增益的发射和接收天线，则室外视线内1200米处的接收功率可计算如下：室外环境的参考距离为100米，900MHz信号的波长为0.33米，因此100米处的接收功率可使用等式(1)的值计算如下：要计算毫瓦分贝功率值，需要

这可以通过下式得到：PR(100)=10 log(0.4410-6 MW)=-63.6 DBM。使用等式(7)，可以如下获得1200米处的接收功率：并且PR(1200)=-63.6 DBM21.58 dB=-85 DBM。(2

因此，在无障碍物、视距内的理想环境下，当发射功率为8dBm时，1200米处的接收功率约为-85dBm。当然，实际环境下的接收功率会低于理想值，因为目标点和发射机之间可能有障碍物，或者干脆就在视线之外。从上面的例子中，我们知道路径损耗是PtPR，所以它等于8 DBM-(-85 DBM)=93 dB。实际路径损耗公式

任何实用的无线传感器系统都必须知道其最大可靠传输距离。该无线系统的传输距离直接由链路预算参数决定：lb=pt gt grRS(13)

其中LB是以分贝表示的链路预算，PT是以毫瓦或瓦分贝表示的发射功率，GT是以分贝表示的发射机天线增益，GR是以分贝表示的接收机天线增益，RS是接收机灵敏度，表示系统可以检测到并提供适当信号杂波比的最小RF信号。接收器灵敏度如公式14所示：S=-174dBm/Hz NF 10logB SNRMIN (14)。

其中-174dBm/Hz是热噪声基准，NF是接收机的总噪声指数，单位为分贝，B是接收机的总带宽，SNRMIN是最小信杂比。如果发射机和目标接收机之间的总路径损耗大于链路预算，数据将会丢失，通信将无法进行。因此，在开发最终系统时，设计人员必须准确分析路径损耗特性，并将其与链路预算进行比较，以获得初步的距离估计。室内信道路径损耗

室内无线信道不同于室外信道，因为室内信道传输距离短，信道损耗变化大，所以接收信号强度变化大。但对于固定无线设备，这部分可以忽略。建筑物的平面布局、类型和建筑材料都会对室内信号传播产生很大的影响。研究人员将室内通道分为两种，一种是在视线范围内，另一种是不同程度的遮挡(参考文献1)。

建筑物的内部和外部结构可能包含许多不同的隔间和障碍物，这取决于建筑物是在家庭环境中还是在办公环境中。建筑结构的隔间是固定隔间，活动隔间可以四处活动，隔间顶部不会碰到天花板。住宅一般采用木质隔断，写字楼楼层间采用钢筋混凝土，采用活动隔断。

建筑物中有许多不同的隔间，它们的物理和电气特性也有很大的差异，很难用通用模型来分析室内信道。然而，经过广泛的研究，常见材料的信号损耗已在行业中制成表格(表1)。楼层衰减系数代表楼层之间的隔离损耗(表2)。等式(15)是通过使用对数距离路径损耗模型获得的室内信道的实际路径损耗模型：

其中x是以分贝为单位的零均值高斯随机变量，是标准差。如果是固定器件，可以忽略X的影响。用等式(4)计算1m距离的路径损耗值，然后将结果代入等式15，可以得到PL(d)=20 log 10(fmhz)10n log 10(d)-28 x(16)n的值不会随频率变化太大，但会受到周围环境和建筑类型的影响(表3)。

建筑物中的传播模型包括建筑物类型和障碍物的影响。该模型不仅具有弹性，而且可以将路径损耗的测量值和预测值之间的标准偏差降低到4dB左右，优于仅使用对数距离模型时的13dB。等式17表示衰减因子模型：PL(d)=20 log 10(fmhz)10 NSF log 10(d)28 faf(17)。

其中，nSF代表在同一楼层测量时的路径损耗指数，FAF是楼层衰减系数(表3)。设计师可以根据表2确定地板衰减系数。下面的例子演示了如何使用上面的表格和等式。它使用下面的公式来计算915MHz和2.4GHz信号在1200m距离的室外开放环境中的路径损耗：20 log 10(fmhz)20 log 10(d)-28(18)。从上式可以得出915MHz的路径损耗为：915mhz=20Log10 (915) 20Log10(。

2400MHz时的路径损耗为：915 MHz=20 log 10(915)20 log 10(1200)-28=92.8 dB(19)。发射信号的频率越高，路径损耗越大，会缩短高频信号的无线传输距离。例如，在室外开放环境中，2.4GHz无线设备的路径损耗比915MHz设备多8.4dB左右。

再比如同层三层的固定小隔间办公环境。表2中的数据用于计算距离为100米的915MHz和2.4GHz信号的路径损耗。从表3可以看出，同一楼层的平均路径损耗为3dBm。如果将n=3的这个值代入下式：20 Log 10(fmhz)10 Log 10(d)-28x(21)，则915MHz的路径损耗为：915 MHz=20 Log 10(915)10(3)Log(100)-21。2400MHz时的路径损耗为：

2400 MHz=20 log 10(2400)10(3)log(100)28 x=99.6 db(23)，其中=14dB。从表2可以计算出三层传播的地板衰减因子约为24dB，标准差为5.6dB，将这些信息代入以下公式：20 log 10(fmhz)10 log 10(d)-28x，可以得到915MHz的路径损耗：915 MHz=20 log 10(915)10(3)log 10(100)-28 24=115.2 db(25)，其中=5.6。2400MHz时的路径损耗为：

2400 MHz=20 log 10(2400)10(3)log 10(100)28 24=123.6 dB，(26)其中=5.9dB .第三个例子假设系统使用单位增益发射和接收天线，发射功率为8dBm，接收灵敏度为-100dBm，然后估算前两个例子中915MHz信号的传输距离。请注意，此时的系统链路预算为8-(-100)=108 dB。

为了解释路径损耗公式中的标准差，最好在链路预算中预留10dB左右的余量。这意味着可用链路预算为98dB，超过了第一个示例中92.8dB的路径损耗。因此，设计者可以将系统的室外传输距离视为1200m。在室内环境下，路径损耗为91.2dB，预留10dB余量时可用链路预算约为98dB，也超过了路径损耗。因此，设计师可以将系统的室内传输距离视为100米。

以上知识分享希望能够帮助到大家！