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详解无线网络的功率和信号强度

功率和信号强度基本概念

在无线网络中,使用AP设备和天线来实现有线和无线信号互相转换。如图1所示,有线网络侧的数据从AP设备的有线接口进入AP后,经AP处理为射频信号,从AP的发送端(TX)经过线缆发送到天线,从天线处以高频电磁波(2.4GHz/5GHz/6GHz频率)的形式将其发射出去。高频电磁波通过一段距离的传输后,到达无线终端位置,由无线终端的接收天线接收,再输送到无线终端的接收端(RX)处理。反之,从无线终端的发送端(TX)发出去的数据,也是按照上述的流程,逆向处理一遍,输送给AP的接收端(RX)。

详解无线网络的功率和信号强度

图1 有线无线信号转换

如图1,在发送和接收天线之间的信号即是无线信号。信号强度在无线信号传输过程中会逐渐衰减。在了解信号强度时,一并介绍常见的几个有关联的基本概念:射频发射功率、EIRP、RSSI、下行信号强度、上行信号强度。

结合图2所示来描述上述这些概念,图中各数字代表含义如下:

详解无线网络的功率和信号强度

图2 基本概念

①和⑦表示射频发送端处的功率,单位是dBm。

②和⑥表示连接天线的转接头和馈线等线路损耗,单位是dB。

③和⑤表示天线增益,单位dBi或dBd。

④表示路径损耗和障碍物衰减,是发送和接收天线之间的信号能量损耗程度,单位是dB。

射频发射功率:①表示AP端的射频发射功率,⑦表示无线终端的射频发射功率。在网规设计时,注意发射功率与天线增益之和不要超出国家码限制的最大值。

EIRP:有效全向辐射功率EIRP(Effective Isotropic Radiated Power),即天线端发射出去时的信号强度,EIRP = ① – ②+ ③。

RSSI:接收信号强度指示RSSI(Received Signal Strength Indicator),指示无线网络覆盖内某处位置的信号强度,是EIRP经过一段传输路径损耗和障碍物衰减后的值。网规遇到的信号强度弱问题就是指RSSI弱,没有达到指标要求值,导致无线终端接收到很弱的信号甚至接收不到信号。

下行信号强度:是指无线终端接收到AP的信号强度,下行信号功率 = ① – ② + ③ – ④ + ⑤ – ⑥。

上行信号强度:是指AP接收到无线终端的信号强度,上行信号功率 = ⑦ – ⑥ + ⑤ – ④ +③ – ②。

所以在不考虑干扰、线路损耗等因素时,接收信号强度的计算公式为:

接收信号强度 = 射频发射功率 + 发射端天线增益 – 路径损耗 – 障碍物衰减 + 接收端天线增益

当除路径损耗外的其他参数确定后,就可以确定路径损耗,再根据有效传输距离和路径损耗的关系,计算出有效传输距离。具体请参考覆盖计算。

常用单位

日常中通常使用功率来衡量一个电器做功的快慢,如一个10W的电灯泡,10W功率就是电灯泡消耗能量做功的快慢。在天线收发系统里,同样也需要消耗电能来转换为电磁波的能量进行传输。但是电磁波的能量衰减非常快,例如一个100mW的能量源,传输一段距离后很快就能衰减成1mW、0.1mW、0.01mW甚至更小。对于这种呈几何数量级的衰减,使用功率来衡量会给计数带来不便,因此引用新的概念:dB和dBm。

dB

dB是一个纯计数单位,它的计算公式为dB = 10lg(A / B)。

当A和B表示两个功率时,dB就表示两个功率的相对值,例如A的功率为100mW,B的功率为10mW,则10lg(100 / 10) = 10dB,表示A比B大10dB。如果A的功率变为10000mW,则10lg(10000 / 10) = 30dB。

dB主要作为信噪比及损耗的单位。

表1 常见dB和A/B对应关系

dB

A/B

40

10000

30

1000

20

100

17

50

10

10

6

4

3

2

1

1.25

0

1

-1

0.8

-3

0.5

-6

0.25

-10

0.1

-17

0.02

-20

0.01

-30

0.001

-40

0.0001

dBm

dBm即分贝毫瓦,是功率值与1mW的比值,表示功率绝对值的单位。m表示mW,dBm可以与功率单位mW相互转换,计算公式为:dBm = 10lg(功率值 / 1mW)。

表2 常见dBm和功率值对应关系

dBm

功率值(mW)

40

10000

30

1000

20

100

17

50

10

10

6

4

3

2

1

1.25

0

1

-1

0.8

-3

0.5

-6

0.25

-10

0.1

-17

0.02

-20

0.01

-30

0.001

-40

0.0001

从上面可以看出,从10000mW到0.0001mW,如果用dBm表示,只需要40dBm到-40dBm就可以表达,dBm方式更适合在这种场景下使用。所以通常使用dBm作为射频发射、接收功率和射频噪声的单位。

dBi和dBd

dBi和dBd都是表示功率增益的单位,两者都是相对值,但是它们的参考基准不同。

dBi:相对于点源天线的功率增益,在各方向的辐射是均匀的。

dBd:相对于阵子天线的功率增益。

一般认为,表示同一个增益,用dBi表示出来比用dBd表示出来要大2.15。例如,对于一根增益为16dBd的天线,其增益折算成单位为dBi时,则为18.15dBi。

dBi和dBd主要作为天线增益的单位。

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题图来自Unsplash,基于CC0协议

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网络通信

你真的了解无线网络覆盖范围吗?

2022-9-2 15:47:00

网络通信

一文明白什么是无线网络的信号衰减和干扰?

2022-9-4 10:59:43

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