陳向飛，王鴻建
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摘要：基于無線射頻(Radio Frequency,RF)信號傳輸模型，結合實際應用，分析了接收信號強度指示(Received Signal Strength Indicator,RSSI)與通信距離的關系，為無線信號的測距與定位提供了基本依據。使用低成本、低能耗的RF收發芯片CC1101，設計無線傳輸電路，測得了大量的RSSI值，分析了CC1101的傳輸距離對環境的要求，為無線傳感網絡中RF收發芯片的測距、定位和數據傳輸應用提供參考。
關鍵詞：損耗；RSSI；傳輸距離
0引言
隨著無線傳感網絡的應用，特別是無線聯網監控產品的應用，以低成本、低能耗、低復雜性、高靈敏度為顯著優點的短距離無線通信技術，滿足了用戶對當前無線通信產品的強烈追求，尤其是能實現信息共享和多業務數據傳輸的便攜式產品［1］。
應用了短距離無線通信技術的RF收發芯片CC1101，提供RSSI值，通過實驗測量數據來估計其傳輸距離范圍，并且分析RSSI值與環境之間的關系，為RF收發芯片在無線聯網監控產品的無線測距、定位信號和數據傳輸應用提供參考［2］。
1信號傳輸特性
1.1RSSI
接收信號的強度指示（Received Signal Strength Indicator，RSSI）是真實的接收信號強度與最優接收功率等級間的差值，可在芯片CC1101的特殊寄存器中讀取，但需將其進行轉換［3］。
1.2無線電傳播損耗模型
無線電在自由空間的傳輸損耗可由式(1)給出。
Lbf=32.44+10nlgf+10nlgd(1)
其中，Lbf為自由空間損耗(dB)；f為無線電傳播中心頻率(MHz)；d為無線電傳輸距離(km)，n為路徑衰減因子，一般取2~5。
RSSI(dbm)值的計算方式如式(2)：
RSSI=Pt+Gr+Gt-Lc-Lbf(2)
其中，Pt為發射功率，Gr為接收天線增益，Gt為發射天線增益，Lc為電纜和纜頭的損耗，Lbf為自由空間損耗。
在相同的Pt、Gr、Gt、Lc、f條件下由式(1)和式(2)可得式(3)：
RSSI=A-10nlgd(3)
其中，A代表距離為1 m時接收信號的強度。
2RSSI的測距與定位原理
由于在測量過程中Pt、Gr、Gt、Lc、f一定，傳播因子可以根據環境選擇取值，根據理論結合經驗的傳播損耗模型與接收器測得的RSSI值，由(3)式計算，就可以估算兩點間距離。
采用此技術的無線網絡定位系統包括參考節點和移動節點，最基本的二維定位系統由1個定位節點和3個參考節點組成，如圖1所示，A、B、C為參考節點，其位置確定；D為定位節點，可在參考節點覆蓋的范圍內任意移動，根據D信號到A、B、C所測得的RSSI值計算出D到A、B、C的距離，再經過三邊測量法可得定位節點的坐標。三邊測量法為：給定一組參考點Xi、Yi和一組測量距離di，通過式(4)線性方程組來解出未知的Ux、Uy：
圖1基本定位分布由上面的聯立方程式中解出的U即為移動節點的定位坐標。這個方法在理論上能確定唯一的點，如圖1所示的D點，但是在實際測量過程中，由于測量誤差等原因導致3個距離d不能擬合出唯一點坐標，即出現了d1、d2、d3為半徑的A、B、C 3個圓有D、E、F 3個交點，如圖2所示。那么實際的定位點就在由D、E、F 3點圍成的三角形內，一般來說應該為三角形的重心，但是由于測量距離遠近、信號強弱等原因，這個重心有所圖2信號強度示意圖偏移，因此要根據各信號給3點加權處理，即重心要偏向信號靈敏度弱的一邊?；蛘咴谡`差范圍內給各信號距離d加權讓3個圓交于一點。
也可采用更多的參考節點可以提高定位的精度。相對其他定位技術而言，無線傳感器網絡定位技術分辨率可達到0.25 m，定位精度為3~5 m，在這兩項關鍵指數上面表現優異。
3實驗
3.1實驗過程
實驗設備分為接收器、發射器和顯示器。接收器和發射器均是通過單片機控制RF收發芯片CC1101收發數據，接收器還與顯示器通過通信方式連接。每當發射器發送一次數據，接收器接收到數據之后，通過處理取得RSSI、LQI值，并發送給顯示器顯示。若接收不到則發送數據為零。發射器每隔一定時間發送一次數據。
實驗是在空曠的道路上進行的，接收器固定在距地面20 m高的窗戶上，它與墻體的距離為1 m。發射器為移動便攜式設備，離地面2.5 m，通過移動發射器，保持發射器和接收器正對，讓其與接收器的距離每隔5 m或者10 m測量一次，每次記錄多組數據。整個測量過程在晴天的環境下進行，并分為白天和晚上測量，測量傳輸距離到400 m。
3.2實驗數據
表1為所測的RSSI(dbm)值，X為傳輸距離；RSSI為每個點測得數據去掉兩個最大值和最小值，求平均所得；RSSIMin為最小的5個數據求平均；RSSIMax為最大的5個數據求平均。圖3為實驗記錄數據所繪制的曲線圖。
3.3實驗分析
發射器的發射功率Pt由CC1101的初始設置決定，本實驗中Pt選擇為10 dBm；天線增益也是影響本實驗的一項重要因素，但在本實驗中接收器天線采用34 cm的天線，發射器天線采用17 cm的天線，經過粗略計算Gr+Gt-Lc的值取11 dBm；設置CC1101的電磁波中心頻率為433 MHz。因此由式(2)、式(3)可得RSSI值的實際值，如式(5)：
RSSI= -11.44-10nlg433d(5)
其中，路徑衰減因子n由于多徑、繞射、太陽光照、濕度、溫度等因素其取值也不相同，一般取值范圍為2~5，在本實驗中n取3.3。
3.4實驗結論
由實驗的數據分析，所測數據RSSI平均值曲線基本上符合了式(5)的關系，但是隨著發射器到接收器距離越來越遠，RSSI最小值與最大值曲線反映其離散性越來越大，并且根據記錄數據來看其可靠性也越來越差。其原因與環境影響有關，如空氣濕度、障礙物等。
實驗過程中發現，由于發射器的晃動，會導致接收設備接收信號RSSI離散性變大。此外，在白天和晚上同一點上的RSSI值會不一樣，這與太陽光照有關，分析了白天與晚上的數據，一般白天晴天環境下衰減因子取3.3適宜，晚上衰減因子取3比較合適。在有障礙物的情況下，會導致接收信號變差，如果在沒有障礙物的情況下，400 m以內的信號均可信，但超過400 m，數據會有隨機性丟失，如果在有障礙物的環境下，如樹木的遮擋，信號在250 m以外就會有所丟失；如有建筑物的遮擋，即使在較近的距離，接收器也可能收不到數據。因此在使用過程中要選擇合適的環境，或者考慮是否加中繼來避開障礙物和延長距離。
4結論
在本實驗中，主要通過TI公司的RF收發芯片CC1101所提供的RSSI值，對其傳輸距離做了實驗測量，分析了影響它傳輸的主要因素，給出了一些重要的數據，為CC1101的使用提供一種環境距離參考，并總結了傳輸距離與RSSI值的關系。
參考文獻
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