无线设备的连接稳定度已成为备受关注的议题，尤其在无线传输系统的重要性日益增加的情况下，移动与静态接收的稳定性更是性能判断的重要指标。为改善无线信道的多重路径衰弱影响，在项目设计中采用灵活的回避技巧，将可有效克服此缺陷。
本文主要介绍如何在标准环境或称为无线频道中，扩大低功率射频(RF)系统的涵盖范围，其中使用室内及室外无线频道的实际测量，并探讨能够与低功率无线设备持续保持稳定通信的技术。
分集使用须考虑移动传输与静态位置
了解现有的全球移动通信系统(GSM)、欧规数字无线电话机技术(DECT)、无线局域网络(Wi-Fi)及蓝牙(Bluetooth)等无线标准后，便可得知现今的无线传输系统，或多或少均于产品中使用分集技术(Diversity Techniques)(图1)。任何技术都会因为机型和使用做法的不同而出现缺点。选择分集做法时，有两点必须考虑。首先是传输的数据属于何种类型，其一是严格实时的数据，例如传输音频与视频传输，另外是非严格实时的数据，例如温度测量；再者须考虑使用的无线通道属于何种类型，其一为移动的传输或接收位置，另一为静态或固定位置。
图1 多重接收器组成的分集系统
分集做法很多种类，以下将罗列最常见的做法，以显示其中优缺点。每一做法均会造成系统成本增加，此是因为需要额外硬件或因软件复杂度增加，另外，信息的重复性也会降低系统容量。
在空间与极化分集中，优点为可维持完整的系统数据速率，因为发送器不会有任何变化。而缺点为需要天线、开关与整体接收链而造成硬件成本增加；在频率分集中，优点为不须要增加硬件成本，但软件复杂度会随之增加。缺点为由于重复的数据数量而降低整体系统数据速率；在时间分集中，优点为不须要增加硬件成本，没有显著的软件复杂度。缺点为由于重复的数据数量而降低整体系统数据速率(图1)。
本文中的结果是以两个分集板的分集套件取得，此两个分集板分别有两个插槽可供插入收发板。收发板安装于微控制器(MCU)，以MSP430F2616为例，此微控制器具92KB闪存，及4KB随机存取内存(RAM)，并且以8MHz运作。
长距离低功耗无线连接衰落大
由于通过收发器(TX)路径的外部功率放大器，及接收器(RX)路径的外部低噪声放大器，可增加无线系统的理论范围，因此系统呈现视线范围(Line-of-sight)的可能性便降低。因此，系统性能提升时，多重路径衰落的效应更显重要，因此应在设计过程中详加考虑。
此范例使用两个相距6英寸的接收器同时接收信号。发送器每10毫秒传输64字节数据的已知准随机序列，每次突波大约持续2.5毫秒。对于各个接收器会记录接收的接收信号强度指示(RSSI)，以及接收数据封包的机载环重复检查码(Cyclic Redundancy Check, CRC)位状态，并指示有效CRC值。
如此的配置是CRC空间分集接收器的基础，因此此处呈现的结果均以空间分集为准。对于频率分集也可进行类似的分析，不过不在本文讨论范围。
在以2.45GHz运作的CC2500无线射频下进行的空间分集测量中，以下三组数据数据是使用CC2500EM开发工具包取得，总共传输五百个封包，各个封包都包含64字节的承载数据，而且有结尾检查CRC总和字节。所有的测量都是以 2450MHz取得，数据速率为250kbit/s，固定输出功率为0dBm。
室内RSSI及封包错误测量中，图2显示每5秒采集一次的资料，同时维持TX及RX稳态(Stationary)。此测试用例对于无线监控系统相当常见，其中一个或多个无线遥控会将测量的数据以无线回传给中央位置。这些数据是在住家中采集，各个接收器的RSSI及CRC状态也会予以记录和呈现。
图2 静态室内非直视线范围RSSI性能的最不理想条件状况性能。三条底线(1、2、3)分别表示传回的CRC状态。高=CRC有效，低= CRC错误。
图2显示最不理想条件的状况。Radio-1接收信号毫无问题，但是位于6英寸外的Radio-2则出现大幅衰落的情况，收到的封包数不到总封包数的3%。此范例显示使用分集的重要性，即使是稳态安装的情况也必须使用。
而每秒1英尺速率移动的室内RSSI及封包错误测量中，图3显示每5秒采集一次的数据，速率为每秒1英尺。上述数据是在住家中采集，过程中有一具CC2500无线电以2450MHz/0dBm的功率传输，另两具CC2500无线电负责接收。各个接收器在各次突波的RSSI及CRC状态也会予以记录和呈现。
图3 一般室内非直视线范围RSSI性能，速率为每秒1英尺。三条底线(1、2、3)分别表示传回的CRC状态。高=CRC有效，低=CRC错误。
图3显示超过25dB的大幅衰落相当常见，且Radio-1与Radio-2之间记录的RSSI值并无关联。例如在2.5秒时，两具无线电回传RSSI中超过20dB的差异。同时，记录的CRC错误旗标指示一具无线电的数据封包错误，而非另一具无线电的数据封包错误。
此项实验的整体结果显示Radio-1有十五个CRC错误，Radio-2有七个CRC错误。不过，由于MCU有两个无线射频能够选择，因此合并后的无线射频并无任何CRC错误。
而以每秒1英尺的速率移动的室外RSSI及封包错误测量中，此项实验的资料是在住家附近地区采集，发送器位于房屋后院，接收器在房屋前的道路上以每秒1英尺的速率移动。由于发送器与接收器之间并非直视线范围，因此通信连接须要借助邻近房屋加以反射。
室外实验也显示多重路径衰落的现象。超过25dB时也出现空值(Null)错误，但次数较少，此是由于室外距离大于室内所致，因此，长距离会导致大幅衰落的情况，从Radio-2的数据也可看出此点。介于1～1.25秒的大幅衰落造成Radio-2遗失十个封包(图4)。
图4 一般室外非直视线范围RSSI性能，速率为每秒2英尺。三条底线(1、2、3)分别表示传回的CRC状态。高=CRC有效，低=CRC错误。
此项实验的整体结果显示Radio-1有十七个CRC错误，Radio-2有二十七个CRC错误。由于MCU有两个无线射频能够选择，因此合并后的无线射频没有任何CRC错误。
而在以915MHz运作的CC1101无线射频进行的以下的空间分集测量中，两组数据数据均是使用CC1101EVM开发工具包取得，总共传输五百个封包，各个封包都包含64字节的承载数据，而且结尾有检查CRC总和字节。所有的测量都是以915MHz取得，数据速率为250kbit/s，固定输出功率为0dBm。
以每秒1英尺速率移动的室内RSSI及封包错误测量中，图5显示类似于上一段的移动速率下取得的数据。这些资料是以915MHz的CC1101无线电采集，而非2.45GHz。同样地，各个接收器在各次突波的RSSI及CRC状态也会予以记录和呈现。
图5 一般室外非直视线范围RSSI性能，速率为每秒2英尺。三条底线(1、2、3)分别表示传回的CRC状态。高=CRC有效，低=CRC错误。
以915MHz进行的室内实验显示大幅衰落，不过，Radio-1与Radio-2由于低频率运作的缘故而相距更远。Radio-2在2.25～2.75秒出现大幅衰落，然而，由于整体信号强度相当强，无线射频得以运作，因此未出现因如此大幅衰落所导致的任何CRC错误，此一特殊情况是由于连接容限足以运作，而未由于大幅衰落导致错误发生。平均RSSI值为-55dBm，回传的衰落底端为-85dBm。
这项实验的整体结果显示Radio-1没有任何CRC错误，Radio-2有一个CRC错误。由于MCU有两个无线射频能够选择，因此合并后的无线射频没有任何CRC错误。
静/动态多重路径回避巧妙不同
本节说明两种无线通道常见的多重路径回避技巧。首先说明静态环境的多重路径回避技巧，对于静态多重路径环境，没有基本方法可以作为根据确认及重新传输，来确保毫无错误的无线通信，因为通道不会随着时间变化。因此，无线连接可能在特定位置及运作频率永久中断。
对于静态无线通道，回避多重路径衰落的最好方法是整合频率分集或灵活度与空间分集。结果显示，只将接收天线移动6英寸，便可能使连接容限提升30dB。采用此种做法，将无线资料回传给中央基站的静态感测器便能够以更好的性能运作。
再者说明动态无线通道的多重路径回避技巧，如前文所述，多重路径衰落会使得无线传输通道随着时间和空间而产生大幅变化。如果将无线系统分成严格即时及非严格即时此两类，便能够解释大多数常见的多重通路回避方法在运作上如何进行。
首要注意的为重新传输型系统的确认，发送器须要接收各个传输封包的确认。如果由于多重路径衰落导致产生封包遗失，则不会收到任何确认，并且将重新进行传输封包。由于时间推演，无线通道已经有所变化，因此第二次或许能够正常地运作。这种方法以空间分集为基础，相当易于实作，不过，对于需要音频或视频传输之类严格即时的资料的情况下，则显示效果不明显。
另外于多重接收器分集系统中，传输信号由两具以上的接收器所接收，而且将选择最佳连接的接收器。这种方法由于空间分集而得以运作，并且适用于严格即时的系统。
再者于频率分集系统中，传输信号以两种不同的频率传输，并且以两种不同的频率接收。整体的系统容量减少二分之一，且如果使用两个以上的频率，则减少的程度则会更多。
最后于额外连接容限中，如上一个范例所示，当获得充足的额外连接容限之后，其无线连接即能够保持正确无误的状态，即使出现大幅度的衰落也是如此。不过，此需要另外的25～30dB连接容限及较低的范围。
另外，视整体系统需求而定，可各自选用偏好的多重路径回避方法。例如，对于无线音频连接类的许多即时系统而言，由于音频信号的整体延迟需求，而无法进行重新传输，使得这些类型的系统必须使用多重接收器架构。不过，对于非即时感测器网络而言，则可进行重新传输，并无障碍。
表1显示本文所列全部结果的摘要，从中可看出，对于静态室内连接，空间分集能够使原本可能完全中断的无线连接达到绝佳的运作效果，另一方面，对于移动环境，空间分集可显着降低错误率。
本文显示出多重路径衰落是无线连接的一大缺陷，不过，只要于每次专案的设计初期即予以考虑，并且采取适当的回避技巧，即可有效克服此缺陷，进而达成无线通信结果，并提升无线连接的稳定度。
作者：Thomas Almholt，德州仪器
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