無線設備的連接穩定度已成為備受關注的議題，尤其在無線傳輸系統的重要性日益增加的情況下，移動與靜態接收的穩定性更是性能判斷的重要指標。為改善無線信道的多重路徑衰弱影響，在項目設計中采用靈活的回避技巧，將可有效克服此缺陷。

本文主要介紹如何在標準環境或稱為無線頻道中，擴大低功率射頻(RF)系統的涵蓋范圍，其中使用室內及室外無線頻道的實際測量，并探討能夠與低功率無線設備持續保持穩定通信的技術。

分集使用須考慮移動傳輸與靜態位置

了解現有的全球移動通信系統(GSM)、歐規數字無線電話機技術(DECT)、無線局域網絡(Wi-Fi)及藍牙(Bluetooth)等無線標準后，便可得知現今的無線傳輸系統，或多或少均于產品中使用分集技術(Diversity Techniques)(圖1)。任何技術都會因為機型和使用做法的不同而出現缺點。選擇分集做法時，有兩點必須考慮。首先是傳輸的數據屬于何種類型，其一是嚴格實時的數據，例如傳輸音頻與視頻傳輸，另外是非嚴格實時的數據，例如溫度測量；再者須考慮使用的無線通道屬于何種類型，其一為移動的傳輸或接收位置，另一為靜態或固定位置。

圖1 多重接收器組成的分集系統

分集做法很多種類，以下將羅列最常見的做法，以顯示其中優缺點。每一做法均會造成系統成本增加，此是因為需要額外硬件或因軟件復雜度增加，另外，信息的重復性也會降低系統容量。

在空間與極化分集中，優點為可維持完整的系統數據速率，因為發送器不會有任何變化。而缺點為需要天線、開關與整體接收鏈而造成硬件成本增加；在頻率分集中，優點為不須要增加硬件成本，但軟件復雜度會隨之增加。缺點為由于重復的數據數量而降低整體系統數據速率；在時間分集中，優點為不須要增加硬件成本，沒有顯著的軟件復雜度。缺點為由于重復的數據數量而降低整體系統數據速率(圖1)。

本文中的結果是以兩個分集板的分集套件取得，此兩個分集板分別有兩個插槽可供插入收發板。收發板安裝于微控制器(MCU)，以MSP430F2616為例，此微控制器具92KB閃存，及4KB隨機存取內存(RAM)，并且以8MHz運作。

長距離低功耗無線連接衰落大

由于通過收發器(TX)路徑的外部功率放大器，及接收器(RX)路徑的外部低噪聲放大器，可增加無線系統的理論范圍，因此系統呈現視線范圍(Line-of-sight)的可能性便降低。因此，系統性能提升時，多重路徑衰落的效應更顯重要，因此應在設計過程中詳加考慮。

此范例使用兩個相距6英寸的接收器同時接收信號。發送器每10毫秒傳輸64字節數據的已知準隨機序列，每次突波大約持續2.5毫秒。對于各個接收器會記錄接收的接收信號強度指示(RSSI)，以及接收數據封包的機載環重復檢查碼(Cyclic Redundancy Check, CRC)位狀態，并指示有效CRC值。

如此的配置是CRC空間分集接收器的基礎，因此此處呈現的結果均以空間分集為準。對于頻率分集也可進行類似的分析，不過不在本文討論范圍。

在以2.45GHz運作的CC2500無線射頻下進行的空間分集測量中，以下三組數據數據是使用CC2500EM開發工具包取得，總共傳輸五百個封包，各個封包都包含64字節的承載數據，而且有結尾檢查CRC總和字節。所有的測量都是以 2450MHz取得，數據速率為250kbit/s，固定輸出功率為0dBm。

室內RSSI及封包錯誤測量中，圖2顯示每5秒采集一次的資料，同時維持TX及RX穩態(Stationary)。此測試用例對于無線監控系統相當常見，其中一個或多個無線遙控會將測量的數據以無線回傳給中央位置。這些數據是在住家中采集，各個接收器的RSSI及CRC狀態也會予以記錄和呈現。

圖2 靜態室內非直視線范圍RSSI性能的最不理想條件狀況性能。三條底線(1、2、3)分別表示傳回的CRC狀態。高=CRC有效，低= CRC錯誤。

圖2顯示最不理想條件的狀況。Radio-1接收信號毫無問題，但是位于6英寸外的Radio-2則出現大幅衰落的情況，收到的封包數不到總封包數的3%。此范例顯示使用分集的重要性，即使是穩態安裝的情況也必須使用。

而每秒1英尺速率移動的室內RSSI及封包錯誤測量中，圖3顯示每5秒采集一次的數據，速率為每秒1英尺。上述數據是在住家中采集，過程中有一具CC2500無線電以2450MHz/0dBm的功率傳輸，另兩具CC2500無線電負責接收。各個接收器在各次突波的RSSI及CRC狀態也會予以記錄和呈現。

圖3 一般室內非直視線范圍RSSI性能，速率為每秒1英尺。三條底線(1、2、3)分別表示傳回的CRC狀態。高=CRC有效，低=CRC錯誤。

圖3顯示超過25dB的大幅衰落相當常見，且Radio-1與Radio-2之間記錄的RSSI值并無關聯。例如在2.5秒時，兩具無線電回傳RSSI中超過20dB的差異。同時，記錄的CRC錯誤旗標指示一具無線電的數據封包錯誤，而非另一具無線電的數據封包錯誤。

此項實驗的整體結果顯示Radio-1有十五個CRC錯誤，Radio-2有七個CRC錯誤。不過，由于MCU有兩個無線射頻能夠選擇，因此合并后的無線射頻并無任何CRC錯誤。

而以每秒1英尺的速率移動的室外RSSI及封包錯誤測量中，此項實驗的資料是在住家附近地區采集，發送器位于房屋后院，接收器在房屋前的道路上以每秒1英尺的速率移動。由于發送器與接收器之間并非直視線范圍，因此通信連接須要借助鄰近房屋加以反射。

室外實驗也顯示多重路徑衰落的現象。超過25dB時也出現空值(Null)錯誤，但次數較少，此是由于室外距離大于室內所致，因此，長距離會導致大幅衰落的情況，從Radio-2的數據也可看出此點。介于1～1.25秒的大幅衰落造成Radio-2遺失十個封包(圖4)。

圖4 一般室外非直視線范圍RSSI性能，速率為每秒2英尺。三條底線(1、2、3)分別表示傳回的CRC狀態。高=CRC有效，低=CRC錯誤。

此項實驗的整體結果顯示Radio-1有十七個CRC錯誤，Radio-2有二十七個CRC錯誤。由于MCU有兩個無線射頻能夠選擇，因此合并后的無線射頻沒有任何CRC錯誤。

而在以915MHz運作的CC1101無線射頻進行的以下的空間分集測量中，兩組數據數據均是使用CC1101EVM開發工具包取得，總共傳輸五百個封包，各個封包都包含64字節的承載數據，而且結尾有檢查CRC總和字節。所有的測量都是以915MHz取得，數據速率為250kbit/s，固定輸出功率為0dBm。

以每秒1英尺速率移動的室內RSSI及封包錯誤測量中，圖5顯示類似于上一段的移動速率下取得的數據。這些資料是以915MHz的CC1101無線電采集，而非2.45GHz。同樣地，各個接收器在各次突波的RSSI及CRC狀態也會予以記錄和呈現。

圖5 一般室外非直視線范圍RSSI性能，速率為每秒2英尺。三條底線(1、2、3)分別表示傳回的CRC狀態。高=CRC有效，低=CRC錯誤。

以915MHz進行的室內實驗顯示大幅衰落，不過，Radio-1與Radio-2由于低頻率運作的緣故而相距更遠。Radio-2在2.25～2.75秒出現大幅衰落，然而，由于整體信號強度相當強，無線射頻得以運作，因此未出現因如此大幅衰落所導致的任何CRC錯誤，此一特殊情況是由于連接容限足以運作，而未由于大幅衰落導致錯誤發生。平均RSSI值為-55dBm，回傳的衰落底端為-85dBm。

這項實驗的整體結果顯示Radio-1沒有任何CRC錯誤，Radio-2有一個CRC錯誤。由于MCU有兩個無線射頻能夠選擇，因此合并后的無線射頻沒有任何CRC錯誤。

靜/動態多重路徑回避巧妙不同

本節說明兩種無線通道常見的多重路徑回避技巧。首先說明靜態環境的多重路徑回避技巧，對于靜態多重路徑環境，沒有基本方法可以作為根據確認及重新傳輸，來確保毫無錯誤的無線通信，因為通道不會隨著時間變化。因此，無線連接可能在特定位置及運作頻率永久中斷。

對于靜態無線通道，回避多重路徑衰落的最好方法是整合頻率分集或靈活度與空間分集。結果顯示，只將接收天線移動6英寸，便可能使連接容限提升30dB。采用此種做法，將無線資料回傳給中央基站的靜態感測器便能夠以更好的性能運作。

再者說明動態無線通道的多重路徑回避技巧，如前文所述，多重路徑衰落會使得無線傳輸通道隨著時間和空間而產生大幅變化。如果將無線系統分成嚴格即時及非嚴格即時此兩類，便能夠解釋大多數常見的多重通路回避方法在運作上如何進行。

首要注意的為重新傳輸型系統的確認，發送器須要接收各個傳輸封包的確認。如果由于多重路徑衰落導致產生封包遺失，則不會收到任何確認，并且將重新進行傳輸封包。由于時間推演，無線通道已經有所變化，因此第二次或許能夠正常地運作。這種方法以空間分集為基礎，相當易于實作，不過，對于需要音頻或視頻傳輸之類嚴格即時的資料的情況下，則顯示效果不明顯。

另外于多重接收器分集系統中，傳輸信號由兩具以上的接收器所接收，而且將選擇最佳連接的接收器。這種方法由于空間分集而得以運作，并且適用于嚴格即時的系統。

再者于頻率分集系統中，傳輸信號以兩種不同的頻率傳輸，并且以兩種不同的頻率接收。整體的系統容量減少二分之一，且如果使用兩個以上的頻率，則減少的程度則會更多。

最后于額外連接容限中，如上一個范例所示，當獲得充足的額外連接容限之后，其無線連接即能夠保持正確無誤的狀態，即使出現大幅度的衰落也是如此。不過，此需要另外的25～30dB連接容限及較低的范圍。

另外，視整體系統需求而定，可各自選用偏好的多重路徑回避方法。例如，對于無線音頻連接類的許多即時系統而言，由于音頻信號的整體延遲需求，而無法進行重新傳輸，使得這些類型的系統必須使用多重接收器架構。不過，對于非即時感測器網絡而言，則可進行重新傳輸，并無障礙。

表1顯示本文所列全部結果的摘要，從中可看出，對于靜態室內連接，空間分集能夠使原本可能完全中斷的無線連接達到絕佳的運作效果，另一方面，對于移動環境，空間分集可顯著降低錯誤率。

本文顯示出多重路徑衰落是無線連接的一大缺陷，不過，只要于每次專案的設計初期即予以考慮，并且采取適當的回避技巧，即可有效克服此缺陷，進而達成無線通信結果，并提升無線連接的穩定度。

作者：Thomas Almholt，德州儀器