工業(yè)無線技術(shù)理論與應(yīng)用（一）

菲尼克斯電氣（南京）研發(fā)工程中心有限公司 張 龍，吳勇志

無線通信的發(fā)展歷史可以追溯到19世紀(jì)80年代德國(guó)物理學(xué)家赫茲所做的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，以及意大利科學(xué)家馬可尼所做的研究工作。1876年赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在。移動(dòng)通信的始祖馬可尼首先實(shí)現(xiàn)了在英格蘭海峽海上輪船之間進(jìn)行遠(yuǎn)距離無線電通信的可行性。自從1897年馬可尼實(shí)驗(yàn)室證明了運(yùn)動(dòng)中無線通信的可應(yīng)用性以來，移動(dòng)通信技術(shù)開始得到了不斷的發(fā)展。20世紀(jì)20年代末，奈奎斯特提出了著名的采樣定理，成為我們邁向數(shù)字化時(shí)代的金鑰匙。在過去的十幾年，無線移動(dòng)通信的數(shù)字和射頻電路制造技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，數(shù)字交換技術(shù)推動(dòng)了移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模發(fā)展。移動(dòng)電話系統(tǒng)的發(fā)明，為生活的各個(gè)方面都帶來了極其重大的改變和影響。如今，無線通信在人們的生活中已經(jīng)無處不在。從收音機(jī)、電視廣播站、無線電、衛(wèi)星傳輸，到無線局域網(wǎng)應(yīng)用中的手機(jī)，甚至在家庭中，無線應(yīng)用都得到了越來越廣泛地使用。

進(jìn)入到21世紀(jì)以來，隨著各種短距離無線技術(shù)的快速發(fā)展，無線技術(shù)開始應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域。特別是2005年以后，工業(yè)無線技術(shù)開始成為工控領(lǐng)域的熱點(diǎn)，新產(chǎn)品新技術(shù)層出不窮，WLAN、ZigBee、藍(lán)牙、RFID、無線傳感器等各種無線技術(shù)和概念逐漸在工控界升溫，工程師們與廠家探討無線的優(yōu)缺點(diǎn)和各種應(yīng)用的可能性。工業(yè)無線技術(shù)逐漸成為繼現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)之后，工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的又一次技術(shù)革新。

工業(yè)無線技術(shù)是面向工廠自動(dòng)化和過程自動(dòng)化設(shè)備間信息交互的無線通信技術(shù)。相對(duì)于有線系統(tǒng)，工業(yè)無線傳輸系統(tǒng)節(jié)省了電纜，簡(jiǎn)化了安裝，大大降低了維護(hù)時(shí)間和停工時(shí)間，增加了系統(tǒng)的可用性，并因此提高了生產(chǎn)力。

根據(jù)IMS 2009年的預(yù)測(cè)，工業(yè)無線市場(chǎng)潛力巨大，未來五年工業(yè)無線應(yīng)用將保持高速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2010年工業(yè)無線設(shè)備的安裝數(shù)將突破一百萬(wàn)臺(tái)，到2013年可達(dá)到四百萬(wàn)臺(tái)，年平均增長(zhǎng)率超過50%。

本連載將對(duì)應(yīng)用在工廠自動(dòng)化領(lǐng)域的無線技術(shù)作較深入的介紹和探討。內(nèi)容主要包括：工業(yè)無線技術(shù)的應(yīng)用要求；無線技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)；工業(yè)無線技術(shù)協(xié)議介紹；天線的設(shè)計(jì)和選擇；無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃；無線技術(shù)的安全性；工業(yè)無線應(yīng)用實(shí)例等。

1 工業(yè)無線技術(shù)的應(yīng)用要求

1.1 工業(yè)無線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

在工業(yè)環(huán)境中，用戶經(jīng)常遇到在某些惡劣條件下設(shè)備只能通過銅纜連接或者根本無法進(jìn)行連接的情況。這種情況多發(fā)生在需要向運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)或者移動(dòng)著的設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用中。使用機(jī)械的方法難以滿足數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的高要求，這是因?yàn)榇嬖诔掷m(xù)的機(jī)械損耗和相應(yīng)的電纜磨損。

在過程工程系統(tǒng)中，由于距離太遠(yuǎn)或范圍難以達(dá)到，從傳感器中采集數(shù)據(jù)相當(dāng)費(fèi)力。而且為了在擴(kuò)展系統(tǒng)中包含其他設(shè)備，水泥、供水系統(tǒng)和電力等行業(yè)運(yùn)營(yíng)時(shí)通常缺少通信基礎(chǔ)設(shè)施。由于這些系統(tǒng)在最近幾十年中的不斷發(fā)展，問題通常來自老舊的電纜。使用無線I/O和無線串口可以免除高昂的電纜安裝和故障維護(hù)費(fèi)用。

在許多工業(yè)應(yīng)用中，由于臨時(shí)性或移動(dòng)性等因素，通常只在一段時(shí)間內(nèi)需要電氣安裝。因此每種特別應(yīng)用下的電氣設(shè)備都不得不拆卸后再重新安裝。如果通過電纜傳輸來自傳感器和自動(dòng)化設(shè)備的數(shù)據(jù)，將會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間和金錢。電氣連接部分的頻繁連接和斷開會(huì)導(dǎo)致更高的磨損率，從而引起故障。使用無線I/O和無線串口進(jìn)行無線傳輸極大削減了這方面費(fèi)用。

如果用戶要運(yùn)行一臺(tái)大型機(jī)器或裝置，或者需要對(duì)其進(jìn)行維護(hù)，用戶通常都希望能夠自由移動(dòng)功能單元而不受煩人的電纜影響。在這種應(yīng)用中，無線串口和無線以太網(wǎng)是利用無線技術(shù)將筆記本、WebPAD或PDA等移動(dòng)終端連接到系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的理想選擇。無論何時(shí)何地，用戶始終能夠獲得所有相關(guān)數(shù)據(jù)，從而提升工廠的可用性和生產(chǎn)力。

無線技術(shù)為臨時(shí)安裝提供了額外的優(yōu)越性，例如那些需要頻繁變動(dòng)和改進(jìn)的應(yīng)用中。在對(duì)距離非常遠(yuǎn)或者難以訪問的單獨(dú)設(shè)備的應(yīng)用中，無線技術(shù)也具有一定的優(yōu)勢(shì)。

無線技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)如下：

? 傳輸介質(zhì)不受機(jī)械磨損的影響；

? 設(shè)備的可移動(dòng)性或者自由運(yùn)動(dòng)；

? 大型的無線電場(chǎng)可以靈活地集成不同位置的設(shè)備；

? 遠(yuǎn)距離或者困難區(qū)域的橋接，例如街道或者地鐵；

? 新設(shè)備或者臨時(shí)設(shè)備可以自由接入。

1.2 使用無線技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)

在2.4GHZ或者5GHZ ISM波段范圍內(nèi)的無線技術(shù)可以被全球免費(fèi)使用而不需要認(rèn)可。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)同樣也是一個(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)槿我舛嗟脑O(shè)備，不論是本地的還是第三方的設(shè)備，都可以在同一時(shí)間使用這個(gè)傳輸介質(zhì)（空氣）。所有的設(shè)備都必須去分享有效的帶寬。在使用公共介質(zhì)時(shí)建議進(jìn)行仔細(xì)地資源計(jì)劃。僅僅是IEEE802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)信道就占用了80MHz ISM波段中的22MHz。采用藍(lán)牙等技術(shù)能更為有效地使用頻段。

當(dāng)多個(gè)無線技術(shù)同時(shí)進(jìn)行操作時(shí)，無線系統(tǒng)之間可能會(huì)產(chǎn)生干擾和沖突。下面的方法可以用來實(shí)現(xiàn)不同的無線技術(shù)的共存。

? 自適應(yīng)跳頻：檢測(cè)出被其它無線技術(shù)使用的信道而不將其用于本地傳輸；

? 降低傳輸功率：傳輸功率下調(diào)到可以維持通信的水平；

? 無線電場(chǎng)規(guī)劃：仔細(xì)選擇天線，例如，平頂天線或者定向天線，可以將無線電場(chǎng)限制在所需區(qū)域內(nèi)；

? 使用專門的信道：通過精心的無線電場(chǎng)規(guī)劃來選擇所使用的信道，使得在操作中不會(huì)有區(qū)域或信道間的重疊。

1.3 工業(yè)無線技術(shù)的應(yīng)用要求

工業(yè)無線技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合和辦公環(huán)境相比，存在很大的不同，如表1所示。

表1 工業(yè)／辦公環(huán)境中的不同要求

工業(yè)無線系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合可簡(jiǎn)單地分為室內(nèi)和戶外兩大類。室內(nèi)應(yīng)用包括樓宇、工廠自動(dòng)化、機(jī)械自動(dòng)化、倉(cāng)儲(chǔ)和物流等，信號(hào)傳輸在建筑物內(nèi)，傳輸距離較短，尤其適合于移動(dòng)設(shè)備之間或者移動(dòng)設(shè)備與固定設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。戶外則主要是基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)等，視野較開闊，傳輸距離較遠(yuǎn)。不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)控制系統(tǒng)的要求對(duì)比如表2所示。

表2 不同應(yīng)用場(chǎng)合的要求

1.4 工業(yè)無線技術(shù)的設(shè)計(jì)因素

對(duì)于用戶和系統(tǒng)集成商來說，在設(shè)計(jì)無線系統(tǒng)時(shí)，需要考慮各種應(yīng)用的控制要求和影響因素，合理規(guī)劃無線網(wǎng)絡(luò)，選擇合適的無線技術(shù)和產(chǎn)品。主要包括以下方面：

? 能否滿足對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的過程和自動(dòng)化設(shè)備的要求？

? 數(shù)據(jù)量和傳輸鏈路帶寬？

? 數(shù)據(jù)格式和任何必要的轉(zhuǎn)換組件的透明度？

? 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和無線接入方式？

? 安全性和隱私性，未經(jīng)授權(quán)的訪問和加密解密？

? 傳輸?shù)木嚯x范圍是多少？

? 環(huán)境條件的影響？

? EMC干擾？

? 與其它射頻系統(tǒng)的共存規(guī)劃？

? 集成到現(xiàn)有傳輸系統(tǒng)的兼容性？

? 診斷能力，相對(duì)可預(yù)測(cè)性的系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理？

? 建設(shè)成本和維護(hù)成本？

單一的無線技術(shù)很難滿足各種不同應(yīng)用場(chǎng)合的要求。因此在自動(dòng)化金字塔架構(gòu)的不同層次上，所采用的無線技術(shù)協(xié)議會(huì)有所不同。例如，菲尼克斯電氣推出的工業(yè)無線解決方案，包含了三種主流的無線技術(shù)協(xié)議（Trusted Wireless，藍(lán) 牙 和 WLAN），來實(shí)現(xiàn)從傳感器一直到工廠網(wǎng)絡(luò)的無線通信，涵蓋了工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的各個(gè)層級(jí)。

1.5 工業(yè)無線技術(shù)協(xié)議

工業(yè)領(lǐng)域無線技術(shù)應(yīng)用的最重要的先決條件是無線應(yīng)該具有與有線方式在惡劣條件下相同的可靠性和更高的靈活性。對(duì)于無線通信，數(shù)據(jù)通過電磁波在開放的立體空間內(nèi)傳輸。這也正是無線容易受到屏蔽和干擾的原因。無線除了會(huì)受到屏蔽和干擾以外，還會(huì)在傳播路徑上發(fā)生反射、散射、衰減等現(xiàn)象。Trusted Wireless、藍(lán)牙和WLAN采用跳頻擴(kuò)頻或直序擴(kuò)頻工作方式，保證它們有效地避免上述干擾的影響。

在工業(yè)應(yīng)用中，傳輸系統(tǒng)的可靠性是第一位的。包括Trusted Wireless、藍(lán)牙、WLAN和ZigBee等無線技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域證明了它們的優(yōu)勢(shì)。

Trusted Wireless 是專為工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)的無線技術(shù)，特別適用于實(shí)時(shí)信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸。采用跳頻擴(kuò)頻技術(shù)，具有很高的抗干擾能力。Trusted Wireless 具有的特點(diǎn)包括：典型傳輸距離3km，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)最遠(yuǎn)可傳輸10km；小數(shù)據(jù)信號(hào)包循環(huán)傳輸；高密度網(wǎng)絡(luò)使用；能與WLAN和藍(lán)牙系統(tǒng)并行工作，且不相互干擾；無線路徑易于建立；良好的診斷功能等。

WLAN 是基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線技術(shù)，它可以輕松地集成到IT和工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，特別適合多臺(tái)設(shè)備或者PC的高數(shù)據(jù)速率傳輸。WLAN已經(jīng)證明了其在工業(yè)領(lǐng)域中作為無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施以及在移動(dòng)傳輸系統(tǒng)控制方面的價(jià)值。WLAN的特點(diǎn)包括：最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)54 Mbps；網(wǎng)絡(luò)范圍廣；通過自動(dòng)漫游實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的移動(dòng)性；本地可同時(shí)覆蓋三個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)等。

藍(lán)牙（IEEE 802.15.1）是能夠在金屬環(huán)境和高干擾等級(jí)環(huán)境下進(jìn)行非?？煽繑?shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)化無線技術(shù)。藍(lán)牙已經(jīng)成為自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中控制數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，特別適合于在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線或者以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中集成自動(dòng)化部件。藍(lán)牙的特點(diǎn)包括：小量數(shù)據(jù)包的周期性快速傳輸；允許多個(gè)藍(lán)牙系統(tǒng)并行工作；與WLAN 網(wǎng)絡(luò)可以無干擾地并行工作；接入保護(hù)和操作保護(hù)；工業(yè)廠房中覆蓋范圍廣等。

ZigBee（IEEE802.15.4）是一種較新的無線標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)定了ISM頻段中全球開放的無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的上層協(xié)議層，用于中等距離采用低傳輸功率的無授權(quán)的無線電網(wǎng)絡(luò)，具有傳輸速率低、成本低、電流消耗最小等特征。

另外，還經(jīng)常用到GSM和GPRS通信技術(shù)，用于遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸。GSM（全球移動(dòng)通信系統(tǒng)）是開放式的移動(dòng)通信系統(tǒng)。該項(xiàng)技術(shù)最大的特點(diǎn)之一在于：可接入200多個(gè)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)。在全球范圍內(nèi)使用的 GSM 頻率包括850MHz、900MHz、1800MHz和1900MHz。GSM的特點(diǎn)包括：無范圍限制；按時(shí)計(jì)費(fèi)；數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)14.4Kbps等。GPRS（通用分組無線業(yè)務(wù)）使用GSM電話網(wǎng)絡(luò)交換小數(shù)據(jù)包。基于TCP/IP的GPRS連接具有以下優(yōu)勢(shì)：永久性連接，即避免了撥號(hào)操作；按數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)；數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)85.6Kbps等。

2 無線技術(shù)基礎(chǔ)

無線技術(shù)是一種基于電磁波的傳播和接收的技術(shù)。這些電磁波不受任何磨損的影響，但是在傳播、散射和反射方面具有不同方式的響應(yīng)，這取決于它們的頻率。電磁波的傳播是三維的，并且具有不同的強(qiáng)度。盡管有很多因素影響電磁波的傳播，但是，還沒有一個(gè)因素能足以使信號(hào)不能安全地被接收器檢測(cè)到。

無線技術(shù)所使用的頻率受物理性質(zhì)或國(guó)家法規(guī)的限制。根據(jù)傳輸功率，所使用的每個(gè)頻率只能在發(fā)送器周圍指定半徑內(nèi)使用一次。

表3 波長(zhǎng)和頻帶

2.1 波的散射

每種電磁波根據(jù)自身的頻率具有不同的散射性質(zhì)。在無線局域網(wǎng)的波散射和可見光的波散射之間可以作一個(gè)簡(jiǎn)單的比較。

每種材料都有與頻率相關(guān)的衰減，每種材料表面都可以彎曲、反射、折射、吸收或散射任何一種電磁波。這意味著在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)要考慮發(fā)送器和接收器之間的任何一種障礙。

圖1 波的散射——到達(dá)接收器的多條路徑

發(fā)射波會(huì)受到各種障礙的影響，例如地面、天花板、機(jī)器、人員或者車輛，然后以多種不同的路徑到達(dá)接收器。接收到的波就強(qiáng)度，相位關(guān)系和信號(hào)運(yùn)行時(shí)間來區(qū)分。重疊是指接收到的信號(hào)被放大或者減弱。接收器必須選擇最佳信號(hào)，同時(shí)從不同路徑到達(dá)的信號(hào)必須不能引起任何問題。波的重疊及其對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的影響就是眾所周知的干擾。由于干擾的原因很難被確定并且經(jīng)常是不能預(yù)防的，因此開發(fā)出帶有天線分集的接收器，用以幫助解決這個(gè)問題。在這種解決方案中，接收器含有兩個(gè)接收天線，它們之間的距離約四分之一波長(zhǎng)。這樣，其中的一個(gè)天線幾乎總能接收到高質(zhì)量的信號(hào)。在圖2中，盡管天線2不能接收到有用的信號(hào)，但是天線1可以接收到強(qiáng)信號(hào)。

圖2 天線分集

圖3 描繪了在一個(gè)關(guān)閉房間中信號(hào)強(qiáng)度真實(shí)的分布情況。該圖像顯示了從上方的視圖，其中，信號(hào)強(qiáng)的區(qū)域是深色，信號(hào)弱或者無信號(hào)的區(qū)域是淺色。如果設(shè)備的接收天線在淺色區(qū)域，將不可能進(jìn)行通信。

圖3 一個(gè)關(guān)閉房間中的信號(hào)強(qiáng)度的真實(shí)分布

右上方具有強(qiáng)信號(hào)的條帶形是由一扇打開的門引起的，左下方的衰減程度大的區(qū)域是由金屬控制柜引起的。

2.2 自由空間傳播模型

自由空間傳播模型的重點(diǎn)一般是在給定發(fā)射機(jī)距離的路徑下預(yù)測(cè)出接收信號(hào)的平均強(qiáng)度，以及接近一個(gè)方位點(diǎn)上的信號(hào)強(qiáng)度的變化。對(duì)任意發(fā)射機(jī)-接收機(jī)間的平均信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)的傳播模型，其在估算發(fā)射機(jī)距離方面極為有用，該模型可對(duì)無線傳輸?shù)木嚯x進(jìn)行估算。

當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間具有一條暢通無阻的可視路徑時(shí)，自由空間（自由空間傳播系指天線周圍為無限大真空時(shí)的電波傳播，它是理想傳播條件。電波在自由空間傳播時(shí)，其能量既不會(huì)被障礙物所吸收，也不會(huì)產(chǎn)生反射或散射）。傳播模型可對(duì)接收信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)。自由空間傳播模型會(huì)做出這樣的預(yù)測(cè)：接收信號(hào)強(qiáng)度“衰減”為發(fā)射機(jī)-接收機(jī)間隔距離的函數(shù)（冪函數(shù)），接收機(jī)天線所接收到的自由空間功率與發(fā)射天線隔開一段距離，自由空間中，距發(fā)射機(jī)d處天線的接收功率由Friis公式給出：

其中，Pt為發(fā)射機(jī)功率，Pr(d)為接收功率，為T-R距離的函數(shù)，Gt為發(fā)射天線增益，Gr為接收天線增益，d為T-R間距離，單位為m，L是與傳播無關(guān)的系統(tǒng)損耗因子（L≥1），λ為波長(zhǎng)，單位為m。

由自由空間方程式（1）可知，發(fā)射機(jī)功率隨T-R距離的平方而衰減，接收功率不斷下降。這一結(jié)果表明接收功率隨著距離的增加將以 20 dB/十倍程的速率衰減。

在對(duì)無線傳輸距離進(jìn)行估算時(shí)重要的一項(xiàng)是路徑損耗，路徑損耗以 dB 為單位，表示信號(hào)衰減程度。路徑損耗為以 dB 為單位計(jì)量的發(fā)射機(jī)天線功率與接收機(jī)天線功率之間的差分，可以包括也可以不包括天線的增益。當(dāng)包括天線增益時(shí)，自由空間路徑損耗為：

當(dāng)不包括天線增益時(shí)，假設(shè)天線具有單位增益，其路徑損耗為：

Friis自由空間模型僅當(dāng)d為發(fā)射天線遠(yuǎn)場(chǎng)Pr時(shí)適用，天線的遠(yuǎn)場(chǎng)或Fraunhofer區(qū)定義為超過遠(yuǎn)場(chǎng)距離 的地區(qū)，與發(fā)射天線截面的最大線性尺寸和載波波長(zhǎng)有關(guān)，F(xiàn)raunhofer距離為：

其中 D 為天線最大物理線性尺寸，且 ＞ D和 ＞λ，并且必須處于遠(yuǎn)場(chǎng)內(nèi)。這一路徑損耗公式僅適用于可視路徑暢通無阻的理想化系統(tǒng)。

傳播模型將近場(chǎng)距離d0作為接收功率的參考點(diǎn)。在任何大于與Pr(d0)相關(guān)的接收功率參考點(diǎn)的距離的情況下，計(jì)算接收功率Pr(d)，Pr(d0)的值可以通過方程式1得出。也可以通過鄰近發(fā)射機(jī)的許多點(diǎn)上求取平均接收功率，測(cè)算出無線通信環(huán)境下的值，必須選擇一個(gè)近距參考距離，從而使遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)大于近場(chǎng)距離，自由空間的接收功率為：

大部分射頻功率電平以dBm（毫瓦分貝）或dBW(瓦分貝)為單位，而不僅僅是絕對(duì)功率電平。式5可以表示為以dBm或dBW為單位，只要公式兩邊均乘以10，如Pr的單位為dBm，接受功率為：

其中，Pr(d0)的單位為W。

2.3 無線電波的衰減

衰減是介質(zhì)中信號(hào)輸出的損失程度。衰減和頻率有很強(qiáng)的關(guān)系并且只能通過測(cè)量?jī)x器得到。衰減的單位是“dB”（分貝）。分貝值越小，衰減就越小。

分貝值表明了兩個(gè)值之間的對(duì)數(shù)關(guān)系，這樣通過對(duì)單個(gè)的衰減/增益值進(jìn)行簡(jiǎn)單的加法運(yùn)算就可以確定輸鏈中的增益/衰減。

單位dB是一個(gè)因子，不能提供有關(guān)絕對(duì)值的信息。

絕對(duì)值（水平）的規(guī)定與一個(gè)固定的參考變量相關(guān)。為了顯示相關(guān)水平所參考的參考變量，在dB后加一個(gè)字母加以識(shí)別。（除了聲壓數(shù)據(jù)，例如dBa，它還要考慮到人的聽力）。常用的變量有dBm，dBu，dBi。因此水平指標(biāo)通過和參考變量進(jìn)行大小比較從而顯示因子。例如：

同樣，每個(gè)絕對(duì)值都可以轉(zhuǎn)化為水平。例如：

電磁波通過介質(zhì)傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生衰減。甚至在空氣中也可以減弱無線電信號(hào)。通過空氣介質(zhì)而呈指數(shù)增加的衰減被稱之為自由空間衰減。在清晰的菲涅爾區(qū)，自由空間衰減可以用下式計(jì)算：

自由空間衰減=32.4+20×log(頻率MHZ)+20×log(距離km)

在2.4GHZ ISM頻段，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，表達(dá)式“32.4+20×log 2400MHz”可以由常量100來替代。

表4 在ISM 2.4GHZ頻段中的自由空間衰減

無線電信號(hào)會(huì)受障礙物及其表面的影響。在室外安裝中，雨、雪、表面濕度等這些可變因素也對(duì)無線電信號(hào)起影響作用。

圖4 對(duì)無線電信號(hào)的影響

表5列出了典型障礙物的推薦值。另外，一些因素會(huì)對(duì)無線電波的實(shí)際衰減產(chǎn)生相當(dāng)大的影響，例如，墻壁、樹葉的濕物或者混凝土加強(qiáng)物的類型和實(shí)現(xiàn)方式。除此之外，衰減程度還取決于無線電波與障礙物相遇的角度（入射角）。

圖5 入射的角度和衰減

表5 材料特定的衰減 （推薦值）

2.4 天線增益

天線增益是和全向性天線相比的信號(hào)強(qiáng)度增益的量度。全向性天線是一種理想天線，它在每個(gè)方向上都具有相同的性質(zhì)。全向性天線的增益是0 dBi EIRP（等效全向輻射功率），面板型天線增益是10dBi。

圖6 天線特性

在計(jì)算無線路徑時(shí)必須考慮到在無線電收發(fā)器路徑上的所有衰減和增益。必須清楚知道所有組成部分相關(guān)頻率范圍的傳輸性質(zhì)。

例如，對(duì)于2.4 GHZ ISM 頻帶的通信路徑，對(duì)所有的值進(jìn)行相加（增益是正值，衰減是負(fù)值），如表6所示：

表6 組成部分相關(guān)頻率范圍的傳輸性質(zhì)表

接收器預(yù)留應(yīng)大于10dB，否則將出現(xiàn)傳輸錯(cuò)誤。因?yàn)闊o線連接遵循802.11b標(biāo)準(zhǔn)，所以下面降低數(shù)據(jù)傳輸率是為非最佳的無線路徑規(guī)定的（補(bǔ)償公差應(yīng)大于2dB）。

802.11b標(biāo)準(zhǔn)需要的接收器預(yù)留（SNR）：

傳輸速度11Mbps時(shí)：8 dB

傳輸速度5.5Mbps時(shí)：4 dB

傳輸速度2Mbps時(shí)：2 dB

傳輸速度1Mbps時(shí)：0 dB

根據(jù)接收器預(yù)留在表7中列出了傳輸質(zhì)量的指導(dǎo)值（在最大傳輸速度下）。這個(gè)值取自于經(jīng)驗(yàn)，并沒有把降低數(shù)據(jù)傳輸率考慮進(jìn)去。實(shí)際的無線路徑可能會(huì)有不同。

表7 接收器預(yù)留和傳輸質(zhì)量

表8 取決于頻率和距離的菲涅爾區(qū)

2.5 菲涅爾區(qū)

為了達(dá)到最佳的無線連接，需要一個(gè)飛艇形狀的自由區(qū)域，即菲涅爾區(qū)。如果菲涅爾區(qū)完全清晰，通常的公式只能用于計(jì)算自由空間衰減。通常，菲涅爾區(qū)只在室外應(yīng)用時(shí)考慮，但是它同樣適用于室內(nèi)裝置。然而，菲涅爾區(qū)很少用在室內(nèi)，因?yàn)槭覂?nèi)距離短，且其它因素會(huì)大大影響范圍。

圖7 菲涅爾區(qū)

圖8 菲涅爾區(qū)曲線

為了確定所需天線的高度，必須確定天線間的距離。表7可以用來確定菲涅爾區(qū)的直徑。如果距離很大，就必須考慮到大地的曲率。

天線的高度計(jì)算如下：最高障礙物的高度+菲涅爾區(qū)的直徑/2+大地曲率。例如：

? 天線間的距離：5km

? 使用的頻帶：5 GHz頻帶

? 最高障礙物的高度：8m

下面的值可以從表中得到：

? 菲涅爾區(qū)直徑：16.7m，所以半徑大約是8.4m

? 相應(yīng)的大地曲率：0.5m

下面是天線高度的計(jì)算：

天線高度=8m（障礙物）+8.4m（菲涅爾區(qū)）+0.5m（地球曲率）=16.9m

如果無法達(dá)到確定的天線高度，自由空間衰減的計(jì)算公式將不能使用。傳輸路徑的更高的實(shí)際衰減應(yīng)由測(cè)量?jī)x器來求得。