物聯網之信號強度

08-20

物聯網之信號強度

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當我們閱讀無線晶元手冊的時候，經常會關注它射頻方面的性能表現，其中，很多指標都是以『dB』或『dBm』為單位的數據，以某物聯網晶元為例，紅線划出了相關指標：

圖1 – 某無線晶元

對於這些數據你熟悉嗎？

今天我們就做一番解讀。

dB與dBm

首先，dB即分貝，用來衡量兩個相同單位的數值的『比值』，它是一個純數字，沒有任何單位標註。

應用在功率上，dB的數學定義是：

X dB = 10*log10(P1/P2)

對於功率來說，P1/P2的比值經常很大或者很小，試想一下，當有效數字後面有很多0（很大），或者前面有很多0（很小），是不是很難敘述？光數0的個數就要數很久好嘛。

於是，dB的意義就是把一個很大的數或者一個很小的數，用非常簡短的形式給表現出來。舉例來說：

如果P1/P2 = 100000，折算後：10* log10 (10^5) = 50 dB
如果P1/P2 = 0.000000000000001，折算後：10* log10 (10^-15) = -150 dB

對比前後兩個數字，經過dB變換之後，不管是看起來還是念起來，都容易很多了！

那麼，我們再看dBm，稱為『分貝毫瓦』，dBm的數學定義是：

X dBm = 10log10(P/1mW)

就是說，dBm是將一個功率與1mW相比較得出來的數值，舉例來說：

如果功率為1mW，折算後：10 log10 (1mW/1mW) = 0dBm；
如果功率為10mW，折算後：10 log10 (10mW/1mW) = 10dBm；
如果功率為1W，折算後：10 log10 (1W/1mW)=30dBm；
如果功率為10W，折算後：10 log10 (10W/1mW)=40dBm；

總結來說：

dBm用於表示功率的絕對值。
dB用於表示功率的相對值，在兩個功率進行比較時非常方便。
在比較時，當一個dBm減另外一個dBm，得到的結果是dB，如：30dBm - 0dBm = 30dB。

信號強度

信號強度（RSSI，Received Signal Strength Indication）是衡量接收的信號強弱的指標，用來判定無線信號的質量，以及是否需要增大發射端發射功率。

我們手機與基站之間也是用無線信號傳輸的，手機距離基站近，信號強度就好，反之就弱。這些在手機的「手機狀態」或「關於手機」的頁面中可以看到：

圖2 手機信號強度為「-102dBm」

你會發現，信號強度都是一個負數的數值，根據之前dBm的介紹，你有沒有想到原因呢？

（提示：手機的無線信號很小，mW級別就可以通信了）

通訊行業對手機的信號強度有所規定，當手機信號強度>=-90dBm時，則滿足信號覆蓋要求，也就是能夠保障一定質量的通話。

順便提一下平時所說的「信號格數」，手機廠商根據當前信號強度對信號格數進行劃分。通常來說，滿格表示擁有-90dBm以上的信號強度，而如果只有一格兩格信號，說明信號強度在-100dBm開外了，此時通話的質量就不一定能夠保障了。

圖3 信號格數

回想一下dB的概念，-90dBm比-100dBm信號相差10個dB，這個差距已經很大了，那麼它在打電話接通成功率和通話過程中的話音質量都會好的多（當然也包括移動上網的速度）。

鏈路預算與損耗

鏈路預算（Link Budget），是在一個通信系統中對發送端、通信鏈路、傳播環境和接收端中所有增益和衰減的核算，通常用來估算信號能成功從發射端傳送到接收端之間的最遠距離：

圖4 鏈路預算

如果用公式來表達就是：

Rx Power (dB) = Tx Power (dB) + Tx Gains (dB) + Rx Gains (dB) ? Losses (dB)

其中：

Rx Power是接收功率；
Tx Power是發射功率；
Tx Gains是發射天線增益；
Rx Gains是接收天線增益；
Losses是路徑損耗；

可以設想，當Rx Power大於接收端的靈敏度（Rx sensitivity，圖1也有標註）時，可以正常予以接收，大於靈敏度的部分稱為Margin。

電磁波在穿透任何介質的時候都會有損耗。

自由空間損耗（Free Space Loss）描述了，在理想情況下，電磁波在空間中傳播時候的能量損耗（不考慮散射、反射、遮擋、干擾等實際問題）。

自由空間損耗公式：

Lfs = 20log10(F) + 20log10(D) + 32.45(常數)

其中，F為頻率，單位為MHz；D為距離，單位為KM；32.45為常數。

可以看出，在距離一定的情況下，頻率越高，損耗越大。

舉例說明一個工作頻率為433.92MHz，發射功率為10dBm(10mW)，接收靈敏度為-105dBm的系統在自由空間的傳播距離：

由發射功率10dBm，接收靈敏度為-105dBm，最大自由空間損耗為Lfs = 115dB；
代入公式計算，115 = 20log10(433) + 20log10(D) + 32.45
計算得出D =31公里；

假定大氣、遮擋等造成的損耗為25dB，可以計算得出通信距離為：D =1.7公里。

實現信號覆蓋

實際部署的時候，需要考慮很多問題，特別在室內環境下，無線部署難度頗大。因為一個牆就可以讓無線信號產生很大衰減，據實驗數據表明，磚牆阻隔損耗大約在15dB，而鋼筋混凝土牆阻斷損耗大約在20dB。

我們在買家庭無線路由器的時候，可以看到很多標稱「穿牆王」的產品，這些產品通過大幅提高發射功率來獲得鏈路預算。然而，一般對於家庭應用，將發射功率提高到能夠穿越兩面牆或許能解決問題，但是對於企業或樓宇，建築內部牆體本身數量眾多，發射功率也不可能無節制的提高，所以更明智解決方案是應該MESH技術。

圖5 通過MESH技術實現室內覆蓋

高質量的MESH技術，需要在以下幾方面有優秀的性能表現：

1. 基站的角色

基站與基站應該可以互相通信、路由信號、建立拓撲。我看到有些場景下，基站直接充當了網關的角色，即每個基站都是由「物聯網無線+2G/3G/4G移動通信」的功能單元組成，這種方式本質上不是MESH，只是增多基站數量來擴大覆蓋面積。缺點在於：一方面成本較高（每個基站都耗費流量），另一方面在傳統移動網路信號也不好的地方（如某些大樓的內部角落），由於基站本身無法對外建立通信，那麼就算建立了物聯網無線覆蓋也沒有意義了。

2. 基站的數量

基站數量越多，可覆蓋的區域越廣泛，這是毋庸置疑的事情，但是如何在即不多部署（浪費基站資源），又不少部署（遺留覆蓋區域），在兩者之間達到平衡，這是挑戰物聯網團隊現場實施部署的難題。

3. 節點在基站之間的切換

如果節點在MESH網路中需要移動，那麼就對MESH網路提出了漫遊（Roaming）的要求。所謂漫遊，就是節點從一個基站網路中退出（軟鏈接或硬鏈接），並無縫連接到下一個基站網路。如何快速、準確、平滑地切換到下一個基站，也是考驗MESH技術的一個指標。

總之，MESH是一個參雜了技術研發與現場部署兩方面的複雜工程，我們下回再聊。