基于可視距無(wú)線(xiàn)傳輸距離的影響因素分析

1.引言

無(wú)線(xiàn)通信是近些年發(fā)展最快，應用最廣的通信技術(shù)，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)包括藍牙、超寬帶、ZigBee和Wi-Fi等。ZigBee是一種新興的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，它是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議，其特點(diǎn)是距離較遠、低復雜度、自組織、低功耗、低速率、低成本。因此比較適合研究無(wú)線(xiàn)通信距離短的問(wèn)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，根據一些理論公式進(jìn)行計算分析影響無(wú)線(xiàn)傳輸距離的因素，希望為以后無(wú)線(xiàn)模塊的選用提供參考。

2.ZigBee應用電路設計

為了測試ZigBee在應用中的傳輸距離，設計了基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(guò)來(lái)的數據，右邊為中心模塊，與ZigBee基板相連，通過(guò)上位機給終端模塊發(fā)送數據。ZigBee模塊具有自動(dòng)組網(wǎng)的功能，當中心節點(diǎn)工作之后，它會(huì )自動(dòng)尋找終端節點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)。如果終端節點(diǎn)能夠接收到組網(wǎng)信號，則終端節點(diǎn)的ZigBee模塊就會(huì )產(chǎn)生組網(wǎng)端口上的壓降，這個(gè)壓降信號就傳遞到觸發(fā)器，觸發(fā)器打開(kāi)模擬開(kāi)關(guān)，這樣指示燈的壓降產(chǎn)生，指示燈開(kāi)始工作，這就表明ZigBee模塊組網(wǎng)成功，既可以開(kāi)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算公式為

其中Pt為發(fā)射機發(fā)射功率，發(fā)射機和接收機的距離為d,接收機的功率為Pr,收發(fā)天線(xiàn)的增益為Gr,Gr,Aant為天線(xiàn)衰減因子，S為損耗計算的標準方差，n為距離損耗為考慮頻率影響修正系數，d0為參數距離等于1m,fc為參考中心頻率等于5G修正系數，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(xiàn)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。

對式(1)進(jìn)行推導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(xiàn)衰減因子，損耗計算的標準方差，距離損耗為考慮頻率影響修正系數，參考距離下的損耗大小等，下面就通過(guò)實(shí)際測試具體分析各個(gè)因素對無(wú)線(xiàn)傳輸的影響。

3.2 具體因素分析

下面通過(guò)實(shí)際測試得到實(shí)驗數據對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)驗中模塊的收發(fā)功率，收發(fā)天線(xiàn)架設高度，天線(xiàn)衰減因子，收發(fā)天線(xiàn)增益，參考距離下的損耗大小，損耗計算的標準方差，行為距離損耗修正系數，頻率影響修正系數，天線(xiàn)的饋線(xiàn)長(cháng)度，天線(xiàn)的架設高度等各種影響因素。

表2中第一組和第二組數據對比，收發(fā)天線(xiàn)的架設高度對無(wú)線(xiàn)傳輸的距離有著(zhù)重要影響，天線(xiàn)架設高度不同，損耗計算的標準方差和距離損耗修正系數不同，收發(fā)天線(xiàn)的架設高度增加了兩米，則傳輸距離提高了122米，增幅為88.4%.

第二組和第三組數據對比中可以看出，天線(xiàn)的架設高度相同，無(wú)線(xiàn)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，損耗計算的標準方差、距離損耗修正系數不同和頻率影響修正系數都不相同，這導致在復雜環(huán)境中，無(wú)線(xiàn)傳輸的距離大大縮短，僅為戶(hù)外廣闊環(huán)境中的53.1%.

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

第一組和第五組數據顯示，在天線(xiàn)的外配饋線(xiàn)增加時(shí)，傳輸距離也會(huì )相應縮短，在天線(xiàn)增益、工作環(huán)境和天線(xiàn)架設高度都相同的情況下，發(fā)送天線(xiàn)加長(cháng)6米饋線(xiàn)，天線(xiàn)衰減因子變大，導致傳輸距離縮短了48.6%.

第四組和第六組數據顯示，其他影響因素相同的條件下，饋線(xiàn)延長(cháng)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(xiàn)在影響傳輸距離中遠沒(méi)有天線(xiàn)增益對傳輸距離的影響大。

在實(shí)際測試中所得到的數據，都經(jīng)過(guò)了實(shí)際傳輸距離估算方法的計算，表2中給出了理論計算和實(shí)測值之間的誤差，誤差都在5%以?xún)?，說(shuō)明測試得出的數據真實(shí)可靠。

4.結束語(yǔ)

本文通過(guò)自行設計的ZigBee裝置實(shí)際測試了此裝置的傳輸距離，并根據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(xiàn)的增益是影響無(wú)線(xiàn)傳輸距離最重要的因素，其次為天線(xiàn)的架設高度，然后為工作環(huán)境，最后是天線(xiàn)的饋線(xiàn)長(cháng)度。

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