陈向飞，王鸿建
（天地（常州）自动化股份有限公司， 江苏 常州 213000）
摘要：基于无线射频(Radio Frequency,RF)信号传输模型，结合实际应用，分析了接收信号强度指示(Received Signal Strength Indicator,RSSI)与通信距离的关系，为无线信号的测距与定位提供了基本依据。使用低成本、低能耗的RF收发芯片CC1101，设计无线传输电路，测得了大量的RSSI值，分析了CC1101的传输距离对环境的要求，为无线传感网络中RF收发芯片的测距、定位和数据传输应用提供参考。
关键词：损耗；RSSI；传输距离
0引言
随着无线传感网络的应用，特别是无线联网监控产品的应用，以低成本、低能耗、低复杂性、高灵敏度为显著优点的短距离无线通信技术，满足了用户对当前无线通信产品的强烈追求，尤其是能实现信息共享和多业务数据传输的便携式产品［1］。
应用了短距离无线通信技术的RF收发芯片CC1101，提供RSSI值，通过实验测量数据来估计其传输距离范围，并且分析RSSI值与环境之间的关系，为RF收发芯片在无线联网监控产品的无线测距、定位信号和数据传输应用提供参考［2］。
1信号传输特性
1.1RSSI
接收信号的强度指示（Received Signal Strength Indicator，RSSI）是真实的接收信号强度与最优接收功率等级间的差值，可在芯片CC1101的特殊寄存器中读取，但需将其进行转换［3］。
1.2无线电传播损耗模型
无线电在自由空间的传输损耗可由式(1)给出。
Lbf=32.44+10nlgf+10nlgd(1)
其中，Lbf为自由空间损耗(dB)；f为无线电传播中心频率(MHz)；d为无线电传输距离(km)，n为路径衰减因子，一般取2~5。
RSSI(dbm)值的计算方式如式(2)：
RSSI=Pt+Gr+Gt-Lc-Lbf(2)
其中，Pt为发射功率，Gr为接收天线增益，Gt为发射天线增益，Lc为电缆和缆头的损耗，Lbf为自由空间损耗。
在相同的Pt、Gr、Gt、Lc、f条件下由式(1)和式(2)可得式(3)：
RSSI=A-10nlgd(3)
其中，A代表距离为1 m时接收信号的强度。
2RSSI的测距与定位原理
由于在测量过程中Pt、Gr、Gt、Lc、f一定，传播因子可以根据环境选择取值，根据理论结合经验的传播损耗模型与接收器测得的RSSI值，由(3)式计算，就可以估算两点间距离。
采用此技术的无线网络定位系统包括参考节点和移动节点，最基本的二维定位系统由1个定位节点和3个参考节点组成，如图1所示，A、B、C为参考节点，其位置确定；D为定位节点，可在参考节点覆盖的范围内任意移动，根据D信号到A、B、C所测得的RSSI值计算出D到A、B、C的距离，再经过三边测量法可得定位节点的坐标。三边测量法为：给定一组参考点Xi、Yi和一组测量距离di，通过式(4)线性方程组来解出未知的Ux、Uy：
图1基本定位分布由上面的联立方程式中解出的U即为移动节点的定位坐标。这个方法在理论上能确定唯一的点，如图1所示的D点，但是在实际测量过程中，由于测量误差等原因导致3个距离d不能拟合出唯一点坐标，即出现了d1、d2、d3为半径的A、B、C 3个圆有D、E、F 3个交点，如图2所示。那么实际的定位点就在由D、E、F 3点围成的三角形内，一般来说应该为三角形的重心，但是由于测量距离远近、信号强弱等原因，这个重心有所图2信号强度示意图偏移，因此要根据各信号给3点加权处理，即重心要偏向信号灵敏度弱的一边。或者在误差范围内给各信号距离d加权让3个圆交于一点。
也可采用更多的参考节点可以提高定位的精度。相对其他定位技术而言，无线传感器网络定位技术分辨率可达到0.25 m，定位精度为3~5 m，在这两项关键指数上面表现优异。
3实验
3.1实验过程
实验设备分为接收器、发射器和显示器。接收器和发射器均是通过单片机控制RF收发芯片CC1101收发数据，接收器还与显示器通过通信方式连接。每当发射器发送一次数据，接收器接收到数据之后，通过处理取得RSSI、LQI值，并发送给显示器显示。若接收不到则发送数据为零。发射器每隔一定时间发送一次数据。
实验是在空旷的道路上进行的，接收器固定在距地面20 m高的窗户上，它与墙体的距离为1 m。发射器为移动便携式设备，离地面2.5 m，通过移动发射器，保持发射器和接收器正对，让其与接收器的距离每隔5 m或者10 m测量一次，每次记录多组数据。整个测量过程在晴天的环境下进行，并分为白天和晚上测量，测量传输距离到400 m。
3.2实验数据
表1为所测的RSSI(dbm)值，X为传输距离；RSSI为每个点测得数据去掉两个最大值和最小值，求平均所得；RSSIMin为最小的5个数据求平均；RSSIMax为最大的5个数据求平均。图3为实验记录数据所绘制的曲线图。
3.3实验分析
发射器的发射功率Pt由CC1101的初始设置决定，本实验中Pt选择为10 dBm；天线增益也是影响本实验的一项重要因素，但在本实验中接收器天线采用34 cm的天线，发射器天线采用17 cm的天线，经过粗略计算Gr+Gt-Lc的值取11 dBm；设置CC1101的电磁波中心频率为433 MHz。因此由式(2)、式(3)可得RSSI值的实际值，如式(5)：
RSSI= -11.44-10nlg433d(5)
其中，路径衰减因子n由于多径、绕射、太阳光照、湿度、温度等因素其取值也不相同，一般取值范围为2~5，在本实验中n取3.3。
3.4实验结论
由实验的数据分析，所测数据RSSI平均值曲线基本上符合了式(5)的关系，但是随着发射器到接收器距离越来越远，RSSI最小值与最大值曲线反映其离散性越来越大，并且根据记录数据来看其可靠性也越来越差。其原因与环境影响有关，如空气湿度、障碍物等。
实验过程中发现，由于发射器的晃动，会导致接收设备接收信号RSSI离散性变大。此外，在白天和晚上同一点上的RSSI值会不一样，这与太阳光照有关，分析了白天与晚上的数据，一般白天晴天环境下衰减因子取3.3适宜，晚上衰减因子取3比较合适。在有障碍物的情况下，会导致接收信号变差，如果在没有障碍物的情况下，400 m以内的信号均可信，但超过400 m，数据会有随机性丢失，如果在有障碍物的环境下，如树木的遮挡，信号在250 m以外就会有所丢失；如有建筑物的遮挡，即使在较近的距离，接收器也可能收不到数据。因此在使用过程中要选择合适的环境，或者考虑是否加中继来避开障碍物和延长距离。
4结论
在本实验中，主要通过TI公司的RF收发芯片CC1101所提供的RSSI值，对其传输距离做了实验测量，分析了影响它传输的主要因素，给出了一些重要的数据，为CC1101的使用提供一种环境距离参考，并总结了传输距离与RSSI值的关系。
参考文献
［1］ 何锡标,陈淑荣.一种基于无线定位技术的LBS应用［J］.微型机与应用,2014,33(9):710.
［2］ 李翔,李璨,仝飞，等.基于STM32与CC1100的采煤机无线遥控系统的研究［J］.微型机与应用,2015,34(6):9598.
［3］ 方震，赵湛，郭鹏，等.基于RSSI测距分析［J］.传感技术学报，2007，20（11）：25262530.