2.4GHz頻段現已成為家庭、辦公室和工廠短距離無線應用的普遍選擇。通常，2.4GHz通道隸屬於免許可的工業、科學與醫學(Industrial Scientific Medical, ISM)頻段；ZigBee(IEEE 802.15.4)、藍牙(Bluetooth)(IEEE 802.15.1)、Wi-Fi(IEEE 802.11b/g/n)、無線通用序列匯流排(Wireless Universal Serial Bus, WUSB)和私有協議(如MiWi)等許多協定以及部分無線電話均採用此頻段。
然而，在2.4GHz ISM頻段運行的不同協議會相互干擾。因此，評估無線傳輸的範圍和性能以創建相關模型，並用來估算模組用於室內外短距離傳輸時的路徑損耗就顯得極為重要。借助創建的模型，設計人員可初步估算出無線通訊系統的性能；性能參數包括範圍、路徑損耗、接收器靈敏度、位元錯誤率(Bit Error Rate, BER)和封包錯誤率(Packet Error Rate, PER)，這些參數在任何通訊系統中都非常重要。
MRF24J40MB與MRF24J40MA類似，不過更適合自動抄表系統等長距離應用；MRF24J40MC配有外部天線，同樣適用於長距離應用。這三個模組已通過各項法規和模組化認證，並透過四線式串列周邊介面(SPI)與單晶片微控制器相連。
路徑損耗模型
大尺度模型能預估長距離傳輸時的平均性能。大尺度模型取決於距離，以及與頻率關係不大的重要環境特性，隨著距離縮短，該模型會徹底瓦解，但其對於確認無線系統的工作範圍並粗略規劃網路容量仍很有用；小尺度(衰減)模型描繪了一比一的訊號變化，這類模型主要涉及多路徑效應(相位抵消)。路徑衰減被視為保持恆定，但主要取決於頻率和頻寬。
不過，最初的重點通常是訊號在短距離或短時間內快速變化的小尺度模型。如果估算的接收功率夠大(通常與接收器靈敏度有關，也可能與使用的通訊協議有關)，則這條鏈路便可用於發送資料。接收功率超出接收器靈敏度的量稱為鏈路餘量。
鏈路餘量或衰減餘量的定義是，為確保發送器與接收器間可靠的無線鏈路，其所需的超出接收器靈敏度水準的功率(餘量)。在理想條件下(天線已精確對準、不存在多路徑或反射並且沒有損耗)，必需的鏈路餘量為0dB。
確切衰減餘量取決於鏈路所需達到的可靠性，但根據經驗，最好始終保持22～28dB的衰減餘量。如果在良好天氣條件下衰減餘量不小於15dB，則可充分保證射頻(RF)系統在惡劣條件(因天氣、日光和射頻干擾所致)下也能繼續有效地運行。
接收天線與發送天線之間的路徑損耗通常通過使距離對波長的關係歸一化，並以無量綱形式記錄，但是，有時分別考慮距離和波長引起的損耗更方便。這種情況下，使用的單位就特別重要，因為選擇的單位不同，涉及的偏移常數也不同。
舉例來說，評估一個包含兩個RF節點(節點1和節點2)的1公里鏈路(範圍)的可行性，其中節點使用MRF24J40MB模組，輸出功率為20dBm。節點1與增益為1dBi的全向PCB天線相連，節點2也與增益為1dBi的類似PCB天線相連。節點1的發射功率為100毫瓦(mW)或20dBm，靈敏度為-102dBm；節點2的發射功率為100毫瓦(或20dBm)，靈敏度與節點1相似，電纜長度很短，兩端的損耗各為1dB左右。之後，將所有增益相加並減去節點1到節點2鏈路的所有損耗(僅考慮1公里鏈路路徑的自由空間損耗)。
由於-60dB大於節點2的最小接收靈敏度(-102dBm)，因此訊號級別剛好足以使節點2與節點1通訊，此時的餘量為42dB(102dB-60dB)，可在良好的天氣條件下實現有效傳輸，但在惡劣的天氣條件下可能不足以實現可靠通訊。
由於往返路徑上的路徑損耗相同，因此，節點1處接收到的訊號級別為-60dB。而節點1的接收靈敏度為-102dBm，故衰減餘量為42dB(102dB-60dB)。此外，即便是在視距(Line of Sight, LoS)內，也還存在著因環境導致的損耗(衰減)，這會使訊號級別進一步降低20dB，此時符合通訊要求，但沒有任何附加增益。
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| 圖1 MRF24J40MA模組 |
現在，我們將節點2替換為增益(輸出功率)為0dB的MRF24J40MA模組(圖1)，由於節點1的接收靈敏度為-95dBm，故衰減餘量為35dBm(95dB-60dB)。此外，還存在因環境(即便在視距內)導致的損耗(衰減)，這會使訊號級別進一步降低20dB，此時的通訊僅有15～20dB的附加增益。
菲涅爾區
菲涅爾區(Fresnel Zone)是指無線電波離開天線後在可視距離周圍傳播的區域，如圖2所示。擁有視距對於保持強度有利，對於2.4GHz無線系統更是如此，原因在於2.4GHz波易被水吸收。根據經驗，必須有60%的菲涅爾區不存在障礙物。通常，20%的菲涅爾區被阻擋時幾乎不會引起鏈路訊號損耗，而這一比例超過40%時訊號損耗將非常明顯。
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| 圖2 菲涅爾區 |
計算出可被阻擋的菲涅爾區的比例非常重要。通常，20～40%的菲涅爾區被阻擋時幾乎不會對通訊鏈路造成干擾，被阻擋的菲涅爾區最好不要超過20%。因為有牆壁和天花板等障礙物，室內的傳播損耗明顯更高，這種損耗是牆壁和天花板引起的衰減，以及設備、傢俱和人為干預造成的阻擋共同作用的結果。
直線道路上每棵樹木造成的衰減損耗約為8～18dB，這種衰減取決於樹木的大小、形狀和種類，兩面均乾燥的木質牆壁會導致約6dB的衰減。由於材料和視距等原因，相對老舊建築物的內部損耗可能比新建築物大。
混凝土牆導致的損耗為10～15dB，具體取決於牆面的大小和形狀；建築物地板導致的損耗為12～27dB；鋼筋混凝土地板導致的損耗大於木質地板；鏡面牆造成的損耗非常高，因為它採用導電的反射塗層。
有時，菲涅爾區能夠很好地指示室內環境範圍的測量結果。通常，視距傳播的有效範圍僅為前3公尺左右。超過3公尺後，在密集的辦公室環境下，室內傳播損耗將升至30dB/30公尺。保守地說，大多數情況下對路徑損耗的估算有所誇大。實際傳播損耗與估算結果的偏差可能非常大，具體取決於建築物的構造、結構和布局。
此外，還有一些可能導致菲涅爾區內發生傳播損耗的其他原因，例如與其他發送器間的衝突、發送器的誤差向量幅度(Error Vector Magnitude, EVM)較弱(通常在20～24% RMS範圍內)，以及物體或人員移動引起的反射等。
圖3顯示了視距環境下的接收訊號強度指示(Received Signal Strength Information, RSSI)。
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| 圖3 視距環境中的位置和距離 |
選擇路徑損耗模型來預測RF系統性能時應要十分謹慎。除極少數受限情況外，大多數情況下選擇自由空間路徑損耗(Free Space Path Loss, FSPL)模型會發生嚴重錯誤。對於城市環境，使用ITU室內傳播模型更能反映真實場景。
在城市環境中，最好使用10～12dB來預測傳輸距離加倍時所需增加的鏈路預算。接收器靈敏度是系統中最重要的變數，必須謹慎對待並相應優化以延長傳輸距離。另外，任意無線系統中的其他變數也會影響傳輸距離，但僅在大幅變化時，其造成的影響才與接收器靈敏度變化產生的影響相當。
多路徑效應引起的衰減可導致大於30?40dB的訊號衰減，因此在設計無線系統時，強烈建議在鏈路預算中留出足夠的鏈路餘量來解決此損耗問題。
(本文作者任職於Microchip)