如何通過簡單的鏈路預(yù)算分析對在室內(nèi)和室外環(huán)境中使用sub-GHz模塊的無線傳輸進(jìn)行評估

     在家庭、樓宇和工業(yè)應(yīng)用市場，短距離無線尤其是Sub-GHz（低于1 GHz）頻帶的無線應(yīng)用日益普及。這意味著系 統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要了解所涉及的方法、估算、成本和權(quán)衡。除 了距離估算公式，最好還要了解與sub-GHz相關(guān)的無線信道 和傳播環(huán)境。
通常，射頻（RF）和無線工程師會(huì)在開始RF設(shè)計(jì)之前 進(jìn)行鏈路預(yù)算。鏈路預(yù)算要考慮距離、發(fā)射功率、接收器靈 敏度、天線增益、頻率、可靠性、傳播介質(zhì)（其中包括與電 磁波反射、衍射、散射相關(guān)的物理學(xué)原理）和環(huán)境等因素， 以便計(jì)算sub-GHz RF射頻鏈路的性能。
在從簡單的點(diǎn)對點(diǎn)連接到更大的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)等任何低數(shù) 據(jù)速率系統(tǒng)中，Sub-GHz無線網(wǎng)絡(luò)都可以實(shí)現(xiàn)高成本效益， 其中長距離、可靠的射頻鏈路和延長的電池壽命是其顯著優(yōu) 勢。更高其合規(guī)的輸出功率、降低的能量吸收、較少的頻譜 污染和窄帶運(yùn)行都能提高傳輸距離。而改進(jìn)的信號傳播、優(yōu)

圖1  單片機(jī)與MRF89XA模塊之間的接口；無線和RF節(jié)點(diǎn)圖    

圖2  單片機(jī)與MRF49XA收發(fā)器和PICtail卡之間的接口；無線和RF節(jié)點(diǎn)圖
秀的電路設(shè)計(jì)以及更低的內(nèi)存使用均可以減少電量消耗，從而延長電池壽命。一般來說，sub-GHz信道屬于免許可證ISM（工業(yè)、科 學(xué)和醫(yī)療）頻帶的一部分。sub-GHz節(jié)點(diǎn)通常針對低成本系 統(tǒng)，與高級無線系統(tǒng)相比，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可減少成本約30％～40％，同時(shí)它們的協(xié)議棧所需要的存儲(chǔ)空間也更少。許多協(xié) 議都占用這一個(gè)頻帶，例如基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee（目前在868和900 MHz頻帶提供2.4 GHz和sub-GHz版本的 唯一協(xié)議）、自動(dòng)化協(xié)議、無繩電話、無線Modbus、遙控 門禁（RKE）、輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)和大量專有協(xié)議（包括 MiWi）。然而，在sub-GHz ISM頻帶運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致與使用同一 頻譜的其它協(xié)議之間的射頻干擾，包括來自移動(dòng)電話、授權(quán) 無繩電話等的威脅。

圖3  PICtailTM板的垂直安裝

圖4  距離測量方法
1 鏈路預(yù)算
鏈路預(yù)算是對從發(fā)射器（TX）通過介質(zhì)（自由空間） 到接收器（RX）的整個(gè)無線通信系統(tǒng)中所有增益和損耗的核 算。鏈路預(yù)算考慮的是決定到達(dá)接收器信號強(qiáng)度的各個(gè)參數(shù)。 為了進(jìn)行鏈路預(yù)算的分析和估算，還必須測定包括天線增益水 平、射頻發(fā)射功率水平和接收器靈敏度數(shù)據(jù)等在內(nèi)的因素。
同時(shí)還應(yīng)考慮天線類型和尺寸以及其它包括要求的距 離、可用的帶寬、數(shù)據(jù)速率、協(xié)議、干擾和互操作性在內(nèi) 的次要因素。雖然接收器靈敏度不在鏈路預(yù)算的考慮范圍之 內(nèi)，但是還需要閾值來決定接收信號能力。
簡單鏈路預(yù)算公式為：接收功率（dBm）等于發(fā)射功率
（dBm）與增益（dB）和損耗（dB）差之和。借助鏈路預(yù) 算評估，就有可能在預(yù)期成本范圍內(nèi)設(shè)計(jì)出一個(gè)即滿足要求 又實(shí)現(xiàn)功能性的系統(tǒng)。某些損耗可能會(huì)隨著時(shí)間而變化。例 如，數(shù)字系統(tǒng)的誤碼率（BER）會(huì)隨時(shí)間增加；而模擬系統(tǒng) 的信噪比（SNR）會(huì)隨時(shí)間降低。

2 測試要求
我們可以使用基于Microchip MRF89XA模塊和MRF49XA sub-GHz收發(fā)器的PICtailTM板來進(jìn)行性能測量。MRF89XA模 塊已獲FCC、ETSI和IC認(rèn)證。不同于其它嵌入式Sub-GHz模 塊，它們提供各種合規(guī)和經(jīng)過模塊化認(rèn)證的PCB天線（蛇 形）。PICtail板基于導(dǎo)線型天線，用于不同的頻率，這些天 線通常安裝在開發(fā)板或子板上。
PIC?單片機(jī)與收發(fā)器模塊之間的硬件接口通常被稱為無線節(jié)點(diǎn)， 如圖1和圖2所示。 無線節(jié)點(diǎn)可以通過組合PIC MCU開發(fā)板和PICtail子板來實(shí)現(xiàn)。距 離 和 性 能 實(shí) 驗(yàn) 需 要 至 少 兩 個(gè) 無 線 節(jié) 點(diǎn) 以 便 用 于 測 試。測量裝置使用兩塊開發(fā)板中的任意一塊，為了簡單起 見，它們都帶有相同的Sub-GHz模塊?；蛘?，可以基于應(yīng)用 將這些模塊組合起來用于測量和分析。

3  測量環(huán)境
工作環(huán)境對波的傳播影響很大。距離測試應(yīng)在各種室 內(nèi)和室外環(huán)境中進(jìn)行，以獲取對模塊性能的基本了解。選擇 測試環(huán)境時(shí)要考慮平坦和不平坦地形中的無障礙路徑和有障 礙路徑。
測量還基于PCB天線方向（垂直或水平）、sub-GHz模
塊的輸出功率（最大或默認(rèn)）、功率放大器或低噪聲放大 器（啟用或禁用值）、天線（PCB、導(dǎo)線或標(biāo)準(zhǔn)）偶極子類 型，以及天線（蛇形、導(dǎo)線、鞭狀或偶極子）。
影響室內(nèi)測量的因素包括辦公設(shè)備和附近是否有Wi-Fi?、藍(lán)牙或微波信號?；炷两Y(jié)構(gòu)、墻壁、附近的玻璃、木材和金屬都可以產(chǎn)生影響。對于距離測試而言，主要的區(qū)別因素是模塊安裝、天 線方向和恒定電池電源。圖3展示的是天線在基板上的垂直安裝。垂直安裝為仰
角波瓣和平面；水平安裝為方位角波瓣和平面。天線采用垂直安裝還是水平安裝方式取決于達(dá)到的有 效輸出功率、應(yīng)用空間需求和限制，比如具有一個(gè)基于中 心基波頻率的強(qiáng)大主瓣和基于其第三次諧波頻率的副瓣。若 要降低射頻頻率，天線尺寸應(yīng)相應(yīng)按比例增加。導(dǎo)線天線的 長度可以通過7500除以頻率來換算得出（單位為厘米）。因 此，433 MHz的頻率就對應(yīng)17.3 cm長的導(dǎo)線，而915 MHz的 頻率則對應(yīng)8.2 cm長的導(dǎo)線。在天線導(dǎo)線尺寸不超過波長的 四分之一時(shí)，這個(gè)公式都是成立的。

4 距離測量步驟
為了實(shí)施距離測量，首先將MiWi P2P演示代碼編程至 兩個(gè)基于sub-GHz頻帶的RF和無線收發(fā)器節(jié)點(diǎn)。然后，在配 置好特定工作信道后將一個(gè)RF節(jié)點(diǎn)放置在一根1.5m到2m長 的桿子上的支架上。這個(gè)無線節(jié)點(diǎn)默認(rèn)處于接收模式。
將一個(gè)類似的RF節(jié)點(diǎn)放在另一個(gè)架子上，并設(shè)為相同 的工作信道。其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)保持靜止不動(dòng)，而另一個(gè)節(jié)點(diǎn)作 為活動(dòng)節(jié)點(diǎn)。對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，以確保它們彼此連接。移動(dòng)

圖5  靈敏度測試裝置
活動(dòng)節(jié)點(diǎn)，并測試發(fā)射和接收。每隔1.5m至3米的距離進(jìn)行 一次測量。一旦獲得臨界點(diǎn)后，測量從發(fā)射器到接收器的實(shí)際和
徑向距離。在臨界點(diǎn)位置，發(fā)射器和接收器通信時(shí)斷時(shí)續(xù)。 從臨界點(diǎn)處返回約1.5米，再次檢查通信是否穩(wěn)定。距離測 量方法如圖4所示，距離值的增加隨著各種變量的變化而變 化，其中發(fā)射器模塊的高度是最敏感的一個(gè)變量。
數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤率（PER）測試分析兩個(gè)無線節(jié)點(diǎn)之間的室 內(nèi)與室外的有效數(shù)據(jù)覆蓋。PER測試裝置類似于開放式現(xiàn)場 測試裝置。
兩個(gè)設(shè)備之間的PER測試以單次迭代方式進(jìn)行，數(shù)據(jù)包 數(shù)量預(yù)先設(shè)定。根據(jù)ISM（IEEE 802.15.4）規(guī)范定義，每收 發(fā)1000個(gè)數(shù)據(jù)包，PER值低于或等于1%的即視作可靠鏈路。
PER測量的是一個(gè)設(shè)備接收信號時(shí)不會(huì)被其它頻率的干擾信號所影響的能力。所需信號的PER必須低于1%，或者BER必 須低于0.1%。如需要，PER測試可以通過增加數(shù)據(jù)包之間的 延遲來進(jìn)行。
BER的測量是通過無線節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，然后對輸出和輸 入進(jìn)行比較進(jìn)行的。在極長的一段時(shí)間里，數(shù)據(jù)傳輸通常都 被假設(shè)成為一個(gè)隨機(jī)的過程。因此，BER測試使用了偽隨機(jī) 數(shù)據(jù)序列。稱它為“偽”隨機(jī)是因?yàn)檎嬲S機(jī)的信號是無法 使用確定性的（運(yùn)算的）方法來產(chǎn)生的，但是存在少量近似 隨機(jī)的行為可以進(jìn)行精確的BER測量。調(diào)制模式提供了低信 噪比時(shí)良好的BER性能。然而，還沒有一種簡單的測試方法 可以實(shí)現(xiàn)BER的直接測量。公認(rèn)的一種簡單方法就是基于PER 來計(jì)算BER。測量PER和BER的裝置類似于距離測量裝置。
靈敏度測試裝置用于獲取靈敏度極限的指征。接收器 的輸入功率水平借助衰減器不斷降低，直到PER低于1%， 此時(shí)就無需繼續(xù)測量接收器的PER了。該測試裝置包含兩個(gè) Sub-GHz模塊，見圖5。
Sub-GHz發(fā)射模塊通過一個(gè)電子衰減器與接收模塊連 接。 兩個(gè)模塊使用USB線纜或通過R S232串行端口連接到PC。PC使用驅(qū)動(dòng)程序?qū)嵱密浖韴?zhí)行帶有PER測試腳本的
測試工具。所有的PER測試都是在沒有重發(fā)的情況下進(jìn)行 的。PER靈敏度測試使得用戶可以自由增加兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的 距離，查明在跨信道補(bǔ)償存在的情況下能將PER保持在低于
1%的水平的最大通信距離。

5 結(jié)論
Sub-GHz射頻可以創(chuàng)建相對簡單的無線產(chǎn)品，這些產(chǎn)品單 憑電池電源可以不間斷運(yùn)行長達(dá)20年。在任何低數(shù)據(jù)速率系統(tǒng) 中，Sub-GHz無線網(wǎng)絡(luò)都可以實(shí)現(xiàn)高成本效益，其中長距離、 可靠的射頻鏈路和延長的電池壽命是其顯著優(yōu)勢。更高且合規(guī) 的輸出功率、降低的能量吸收、較少的頻譜污染和窄帶運(yùn)行都 能提高傳輸距離。更佳的電路效率、改進(jìn)的信號傳播以及占用 更少的存儲(chǔ)空間可以使電池供電運(yùn)行時(shí)間達(dá)數(shù)年之久。
Sub-GHz射頻的窄帶運(yùn)行可以確保傳輸距離達(dá)到一公
里甚至更遠(yuǎn)。這使得sub-GHz節(jié)點(diǎn)可以和遠(yuǎn)距離的集線器進(jìn) 行直接通信而無需從一個(gè)節(jié)點(diǎn)跳轉(zhuǎn)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。成就Sub- GHz長距離性能的主要原因?yàn)檩^低的衰減率和較少的信號減 弱，以及幫助sub-GHz信號繞過障礙物從而減輕阻塞效應(yīng)的 衍射等影響。
建議專有低占空比鏈路使用sub-GHz ISM頻帶，這樣它 們不會(huì)互相干擾。低噪聲頻譜意味著傳輸更容易，重試次數(shù) 也更少，這不僅提高了效率，還節(jié)省了電池電量。
電源效率和系統(tǒng)距離二者隨著接收器靈敏度和發(fā)射頻率 的變化而變化。靈敏度和信道帶寬是成反比的，帶寬更窄時(shí) 接收器靈敏度就更高，這就在傳輸速率較低時(shí)保障了運(yùn)行的 高效。例如在433 MHz時(shí)，如果發(fā)射器和接收器晶振誤差均 為10 ppm，那么它們各自的誤差即為4.33 kHz。對于需要確 保收發(fā)高效性的應(yīng)用而言，信道帶寬至少要達(dá)到誤差率的兩 倍，或8 kHz，哪一個(gè)對窄帶應(yīng)用更為理想就選擇哪一個(gè)。
對于城市環(huán)境，使用12分貝是一個(gè)很好的經(jīng)驗(yàn)法則，可以滿足在加倍延長傳輸距離時(shí)所需增加的鏈路預(yù)算。為了 增加傳輸距離，接收器靈敏度是整個(gè)系統(tǒng)中必須第一個(gè)進(jìn)行 優(yōu)化的變量。系統(tǒng)中的其它變量也會(huì)被傳輸距離產(chǎn)生影響， 但它們必須做出數(shù)倍的改變才能達(dá)到和改變接收器靈敏度一 樣的效果。由于多路造成的信號衰減可使得信號強(qiáng)度減小超過30到40 dB，因此我們強(qiáng)烈建議在設(shè)計(jì)無線系統(tǒng)時(shí)，鏈路預(yù)算 應(yīng)將足夠的鏈路余量考慮進(jìn)去以補(bǔ)償這種損耗。