4.1　通信理论

物联网是许多不同设备的集合，这些设备在网络和协议层的最远端自动产生和/或消费数据。重要的是要了解为物联网或任何形式的网络构建通信系统的限制。物联网将把体域网、个人区域网、局域网和远程广域网结合到一个通信信道网络中。

使物联网成为可能的大多数技术都是围绕通信结构构建的，因此，本章专门介绍网络和通信系统的基础知识。我们现在将重点讨论通信和信号系统。我们将探讨通信系统的范围、能量和局限性，以及架构师将如何使用这些工具设计成功的物联网解决方案。

4.1.1　射频能量和理论范围

在讨论无线个人区域网或任何射频无线协议时，考虑传输范围是很重要的。通过范围、速率和功率区分使用何种协议。作为架构师，在实现一个完整的解决方案时，我们需要考虑不同的协议和设计选择。传输范围取决于发射机和接收机天线之间的距离、传输频率和发射功率。

射频传输的最佳形式是在无线电信号区域内保持视线畅通。在大多数情况下，这种理想的模式是不存在的。在现实世界中，存在障碍物、信号反射、多个无线射频信号和噪声。

当考虑一个特定的广域网和低速信号（如900 MHz与2.4 GHz载波信号）时，可以推导出每个频率的波长衰减函数，这将为计算任何范围内的信号强度提供指导。弗里斯传输方程的一般形式在这里为我们提供了帮助：

弗里斯方程的分贝（dB）变体为：

其中GTx和GRx是发射机和接收机的天线增益，R是发射机和接收机之间的距离，PR和PT分别是接收机和发射机的功率。

图4-2说明了该公式。900 MHz信号在10米处的损耗为51.5 dB，2.4 GHz信号在10米处的损耗为60.0 dB。

我们可以通过使用一个称为链路预算的比率来证明功率和距离是如何影响信号质量的。这是发射功率与灵敏度水平的对比，以对数（dB）为单位进行测量。人们可能只是想提高功率以满足范围要求，但在许多情况下，这会违反法规或影响电池寿命。另一个选择是提高接收机的灵敏度水平，这正是蓝牙5在最新规范中所做的。链路预算是发射机功率与接收机灵敏度之比，如下所示：

链路预算以dB对数尺度为单位，因此，增加分贝相当于将数字比率相乘，从而得出以下等式：

接收机功率（dB）=发射功率（dB）+增益（dB）-损耗（dB）

假设没有影响任何信号增益（例如，天线增益）的因素，增强接收只有两种方法：增加发射功率或降低损耗。

当架构师必须为特定协议的最大范围建模时，他们将使用自由空间路径损耗（FSPL）公式。这是电磁波在自由空间（无障碍物）直线传播的信号损失量。FSPL公式的影响因素是信号的频率（f）、发射机和接收机之间的距离（R）和光速（c）。用分贝表示FSPL公式为：

FSPL公式是简单的一阶计算。另一个更好的近似方法考虑了来自地面的反射和波干扰，例如平面地球损耗公式。此处，ht是发射天线的高度，hr是接收天线的高度。k表示自由空间波数，如下式所示进行了简化。我们将等式转换为使用dB表示法：

值得注意的是，平面地球损耗为每增加10倍距离损耗40 dB。增加天线高度会有所帮助。天然干扰类型包括：

• 反射：当一个传播的电磁波击中一个物体并产生多个波时。
• 衍射：当发射机和接收机之间的无线电波路径被边缘锋利的物体阻挡时。
• 散射：当波传播通过的介质由小于波长的物体组成且障碍物数量较大时。

这是一个重要的概念，因为架构师必须选择一个广域网解决方案，其频率影响数据带宽、信号的最终范围和信号穿透对象的能力。频率增加自然会增加自由空间损耗（例如，2.4 GHz信号的覆盖范围比900 MHz信号少8.5 dB）。

一般而言，900 MHz信号的可靠性是2.4 GHz信号距离的两倍。900 MHz信号的波长为333 mm，而2.4 GHz信号的波长为125 mm。因此，900 MHz信号具有更好的穿透能力，而不会受到散射的影响。

散射是广域网系统的一个重要问题，因为在部署时，许多天线之间没有自由的直线传播，信号必须穿透墙壁和地板。不同材料对信号的衰减有不同的影响。如图4-3所示。

6 dB[1]的损耗相当于信号强度降低了50%，而12 dB的损耗相当于降低了75%。

在表4-1中我们发现900 MHz信号在材料渗透方面比2.4 GHz信号更有优势。

如表4-2所示，2.4 GHz频谱的许多协议都是商用的，并在全球范围内使用。2.4 GHz提供的数据带宽是900 MHz信号的5倍，并且天线的体积更小。此外，在不经许可的情况下，2.4 GHz频谱可在多个国家使用。

这些方程提供了理论模型。对于某些实际情况，例如多径损耗，没有任何分析方程可以给出准确的预测。

4.1.2　射频干扰

在本章中，我们将看到减少信号干扰的几种新颖方案。对于许多形式的无线技术来说，这是一个问题，因为频谱是未经许可和共享的（我们将在下一节对此进行更多讨论）。因为可能有多个设备在一个共享空间中散发射频能量，所以会发生干扰。

以蓝牙和802.11 Wi-Fi为例，它们都在共享的2.4 GHz频谱中工作，但即使在拥挤的环境中也能正常工作。我们将看到，低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy，BLE）将随机选择40-2 MHz信道中的一个作为跳频的形式。

在图4-4中，我们可以看到BLE上的11个空闲信道（其中3个是广播信道），它们有15%的冲突概率（尤其是因为802.11没有在信道之间跳跃）。新的蓝牙5规范提供了诸如时隙可用性掩码等技术，以将Wi-Fi区域从频率跳列表中锁定。我们稍后将探讨其他技术。这里我们展示了Zigbee和BLE的ILM频段。同时显示的是2.4 GHz频谱中可能与三个Wi-Fi信道发生的竞争。

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[1]应为3 dB。——译者注