基于可視距無線傳輸距離的影響因素分析

1.引言

無線通信是近些年發(fā)展最快，應(yīng)用最廣的通信技術(shù)，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包括藍(lán)牙、超寬帶、ZigBee和Wi-Fi等。ZigBee是一種新興的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議，其特點(diǎn)是距離較遠(yuǎn)、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低速率、低成本。因此比較適合研究無線通信距離短的問題，可以更好地分析影響傳輸距離的因素，所以本文就以ZigBee技術(shù)為例，根據(jù)一些理論公式進(jìn)行計(jì)算分析影響無線傳輸距離的因素，希望為以后無線模塊的選用提供參考。

2.ZigBee應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

為了測試ZigBee在應(yīng)用中的傳輸距離，設(shè)計(jì)了基于ZigBee的無線傳輸模塊裝置，用于測試ZigBee實(shí)際的傳輸距離。如圖1所示，左邊為無線終端模塊整個(gè)電路組成框圖，用于接收從中心模塊發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，右邊為中心模塊，與ZigBee基板相連，通過上位機(jī)給終端模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。ZigBee模塊具有自動(dòng)組網(wǎng)的功能，當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)工作之后，它會(huì)自動(dòng)尋找終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)。如果終端節(jié)點(diǎn)能夠接收到組網(wǎng)信號(hào)，則終端節(jié)點(diǎn)的ZigBee模塊就會(huì)產(chǎn)生組網(wǎng)端口上的壓降，這個(gè)壓降信號(hào)就傳遞到觸發(fā)器，觸發(fā)器打開模擬開關(guān)，這樣指示燈的壓降產(chǎn)生，指示燈開始工作，這就表明ZigBee模塊組網(wǎng)成功，既可以開始通信。

3.因素分析

3.1 實(shí)際傳輸距離估算方法

IEEE組織根據(jù)802.15.4a信道的特點(diǎn)，在實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行了實(shí)際測量，構(gòu)建了基于802.15.4a心道、適于UWB(2~10GHz)，100~1000MHz的信道傳輸損耗模型，其基本模型信道損耗計(jì)算公式為

其中Pt為發(fā)射機(jī)發(fā)射功率，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的距離為d,接收機(jī)的功率為Pr,收發(fā)天線的增益為Gr,Gr,Aant為天線衰減因子，S為損耗計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)方差，n為距離損耗為考慮頻率影響修正系數(shù)，d0為參數(shù)距離等于1m,fc為參考中心頻率等于5G修正系數(shù)，kHz(UWB2~10GHz頻段)，PL0為參考距離下的損耗大小。與自由空間傳輸方程相比考慮天線收發(fā)耦合損耗、反射折射引起的傳輸損耗與距離頻率的變化系數(shù)。

對式(1)進(jìn)行推導(dǎo)得出最大距離方程為：

由上述公式我們可以得知，影響因素包括為天線衰減因子，損耗計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)方差，距離損耗為考慮頻率影響修正系數(shù)，參考距離下的損耗大小等，下面就通過實(shí)際測試具體分析各個(gè)因素對無線傳輸的影響。

3.2 具體因素分析

下面通過實(shí)際測試得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對Z i g B e e傳輸距離進(jìn)行比對分析，用上述介紹的實(shí)驗(yàn)裝置測試Z i g B e e實(shí)際的傳輸距離。表2中列出了實(shí)驗(yàn)中模塊的收發(fā)功率，收發(fā)天線架設(shè)高度，天線衰減因子，收發(fā)天線增益，參考距離下的損耗大小，損耗計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)方差，行為距離損耗修正系數(shù)，頻率影響修正系數(shù)，天線的饋線長度，天線的架設(shè)高度等各種影響因素。

表2中第一組和第二組數(shù)據(jù)對比，收發(fā)天線的架設(shè)高度對無線傳輸?shù)木嚯x有著重要影響，天線架設(shè)高度不同，損耗計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)方差和距離損耗修正系數(shù)不同，收發(fā)天線的架設(shè)高度增加了兩米，則傳輸距離提高了122米，增幅為88.4%.

第二組和第三組數(shù)據(jù)對比中可以看出，天線的架設(shè)高度相同，無線的工作環(huán)境的不同，傳輸距離也不盡相同，工作環(huán)境的不同，損耗計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)方差、距離損耗修正系數(shù)不同和頻率影響修正系數(shù)都不相同，這導(dǎo)致在復(fù)雜環(huán)境中，無線傳輸?shù)木嚯x大大縮短，僅為戶外廣闊環(huán)境中的53.1%.

第二組和第四組數(shù)據(jù)得出，天線的增益是影響傳輸距離的最重要因素，發(fā)送天線增益增加八倍之后，傳輸距離提高了4倍，同時(shí)也說明天線增益和傳輸距離之間不是簡單的線性關(guān)系。

第一組和第五組數(shù)據(jù)顯示，在天線的外配饋線增加時(shí)，傳輸距離也會(huì)相應(yīng)縮短，在天線增益、工作環(huán)境和天線架設(shè)高度都相同的情況下，發(fā)送天線加長6米饋線，天線衰減因子變大，導(dǎo)致傳輸距離縮短了48.6%.

第四組和第六組數(shù)據(jù)顯示，其他影響因素相同的條件下，饋線延長6米，傳輸距離縮短了22.7%.同時(shí)和第一組、第五祖對比得出，饋線在影響傳輸距離中遠(yuǎn)沒有天線增益對傳輸距離的影響大。

在實(shí)際測試中所得到的數(shù)據(jù)，都經(jīng)過了實(shí)際傳輸距離估算方法的計(jì)算，表2中給出了理論計(jì)算和實(shí)測值之間的誤差，誤差都在5%以內(nèi)，說明測試得出的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

4.結(jié)束語

本文通過自行設(shè)計(jì)的ZigBee裝置實(shí)際測試了此裝置的傳輸距離，并根據(jù)估算公式對其影響因素作了具體分析，最后分析我們可以得知，收發(fā)天線的增益是影響無線傳輸距離最重要的因素，其次為天線的架設(shè)高度，然后為工作環(huán)境，最后是天線的饋線長度。

因此為了提高通信距離：第一，最好使用增益大的天線;第二，盡可能的提高天線的有效架設(shè)高度;第三，遠(yuǎn)離干擾較大的工作環(huán)境;第四，盡量縮短發(fā)射端的饋線長度等這些措施。這樣可以提高無線通信的穩(wěn)定性和可靠性。