可视距无线传输距离的影响因素分析

1.引言

无线通信是近些年发展最快，应用最广的通信技术，无线网络技术包括蓝牙、超宽带、ZigBee和Wi-Fi等。ZigBee是一种新兴的无线网络技术，它是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议，其特点是距离较远、低复杂度、自组织、低功耗、低速率、低成本。因此比较适合研究无线通信距离短的问题，可以更好地分析影响传输距离的因素，所以本文就以ZigBee技术为例，根据一些理论公式进行计算分析影响无线传输距离的因素，希望为以后无线模块的选用提供参考。

2.ZigBee应用电路设计

为了测试ZigBee在应用中的传输距离，设计了基于ZigBee的无线传输模块装置，用于测试ZigBee实际的传输距离。如图1所示，左边为无线终端模块整个电路组成框图，用于接收从中心模块发送过来的数据，右边为中心模块，与ZigBee基板相连，通过上位机给终端模块发送数据。ZigBee模块具有自动组网的功能，当中心节点工作之后，它会自动寻找终端节点进行组网。如果终端节点能够接收到组网信号，则终端节点的ZigBee模块就会产生组网端口上的压降，这个压降信号就传递到触发器，触发器打开模拟开关，这样指示灯的压降产生，指示灯开始工作，这就表明ZigBee模块组网成功，既可以开始通信。

3.因素分析

3.1 实际传输距离估算方法

IEEE组织根据802.15.4a信道的特点，在实际环境中进行了实际测量，构建了基于802.15.4a心道、适于UWB(2～10GHz)，100～1000MHz的信道传输损耗模型，其基本模型信道损耗计算公式为离等于1m，fc为参考中心频率等于5G修正系数，kHz(UWB2～10GHz频段)，PL0为参考距离下的损耗大小。与自由空间传输方程相比考虑天线收发耦合损耗、反射折射引起的传输损耗与距离频率的变化系数。

对式(1)进行推导得出最大距离方程为：

由上述公式我们可以得知，影响因素包括为天线衰减因子，损耗计算的标准方差，距离损耗为考虑频率影响修正系数，参考距离下的损耗大小等，下面就通过实际测试具体分析各个因素对无线传输的影响。

3.2 具体因素分析

下面通过实际测试得到实验数据对ZigBee传输距离进行比对分析，用上述介绍的实验装置测试ZigBee实际的传输距离。表2中列出了实验中模块的收发功率，收发天线架设高度，天线衰减因子，收发天线增益，参考距离下的损耗大小，损耗计算的标准方差，行为距离损耗修正系数，频率影响修正系数，天线的馈线长度，天线的架设高度等各种影响因素。

表2中第一组和第二组数据对比，收发天线的架设高度对无线传输的距离有着重要影响，天线架设高度不同，损耗计算的标准方差和距离损耗修正系数不同，收发天线的架设高度增加了两米，则传输距离提高了122米，增幅为88.4%。

第二组和第三组数据对比中可以看出，天线的架设高度相同，无线的工作环境的不同，传输距离也不尽相同，工作环境的不同，损耗计算的标准方差、距离损耗修正系数不同和频率影响修正系数都不相同，这导致在复杂环境中，无线传输的距离大大缩短，仅为户外广阔环境中的53.1%。

第二组和第四组数据得出，天线的增益是影响传输距离的最重要因素，发送天线增益增加八倍之后，传输距离提高了4倍，同时也说明天线增益和传输距离之间不是简单的线性关系。

第一组和第五组数据显示，在天线

其中Pt为发射机发射功率，发射机和接收机的距离为d，接收机的功率为Pr，收发天线的增益为Gr，Gr，Aant为天线衰减因子，S为损耗计算的标准方差，n为距离损耗为考虑频率影响修正系数，d0为参数距的外配馈线增加时，传输距离也会相应缩短，在天线增益、工作环境和天线架设高度都相同的情况下，发送天线加长6米馈线，天线衰减因子变大，导致传输距离缩短了48.6%。

表2 实测数据分析

图1 ZigBee模块配套电路

第四组和第六组数据显示，其他影响因素相同的条件下，馈线延长6米，传输距离缩短了22.7%。同时和第一组、第五祖对比得出，馈线在影响传输距离中远没有天线增益对传输距离的影响大。

在实际测试中所得到的数据，都经过了实际传输距离估算方法的计算，表2中给出了理论计算和实测值之间的误差，误差都在5%以内，说明测试得出的数据真实可靠。

4.结束语

本文通过自行设计的ZigBee装置实际测试了此装置的传输距离，并根据估算公式对其影响因素作了具体分析，最后分析我们可以得知，收发天线的增益是影响无线传输距离最重要的因素，其次为天线的架设高度，然后为工作环境，最后是天线的馈线长度。因此为了提高通信距离：第一，最好使用增益大的天线；第二，尽可能的提高天线的有效架设高度；第三，远离干扰较大的工作环境；第四，尽量缩短发射端的馈线长度等这些措施。这样可以提高无线通信的稳定性和可靠性。

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