Vensi威士丹利智能Zigbee无线通信指南
1天线辐射知识
1.1信号衰减曲线
2.4GHz信号的自由空间衰减是指数型的（如图1-1所示），离信号源处一米衰减接近40dBm，但是到了远传，衰减就小了；距离8dBm功率输出节点150米的位置，信号强度为-90dBm（中间无明显遮挡物）；到达500米，信号强度为-97dBm，2dBm信号在远处可以延长通讯距离将近100米的距离。
1.2全向天线辐射图
棒状天线全向天线并不是球型辐射，只在辐射平面上360度信号都一样强，全向天线的辐射面这样确定：当天线垂直地面，最佳辐射面是水平的，且正切于棒状天线的中心。
图1-2全向天线辐射图
天线的角度会严重影响测试效果，在最佳辐射面范围里，信号会比非辐射面范围大很多，近处更为明显。
1.3板载天线的方向图
用来表述天线在空间各个方向上所具有的发射和接收电磁波的能力。
1.4定向天线辐射图
定向天线指信号辐射面仅在某个区域，常见的定向天线包括平板天线和八目天线，其中八目天使的指向性最好，其方向图如图1-3所示。定向天线主要用于主干网的点对点定向传播。
图1-3八目天线主要信号辐射图
2天线方向匹配
为实现最大距离通讯，测试时需要注意以下几点：
2.1收发两者尽量水平
发送机和接收机尽量水平放置，这样两者都在对方的最佳辐射面上，如所示。
图2-1收发水平
2.2有落差时的天线调整原则
假如现场收发设备不在水平面上，有一定的落差，如果天线还是垂直地面放置，就不在最佳发射接收区域（如图2-2所示），通讯距离会达不到预期效果。
图2-2落差时错误天线摆放
在这种情况下，应该将两个天线倾斜放置，如图2-3所示。
图2-3天线倾斜角度图示
2.3天线安装不要紧贴金属
在某些应用中，无线设备可能会安装在避雷针等金属管的附近，如果直接将天线贴住金属管，金属管会破坏天线本身的辐射场，造成信号辐射图变形，产生不规则的是辐射场，对传输很不利，与天线平行的金属平面也会造成类似的结果建议遇到此种情况，用夹具安装设备时，要使天线距离金属管或者金属平面至少10cm。
图2-4天线安装图示
在无线工程中，经常需要根据现场障碍物的材质，对信号衰减做大致的评估，表格1列举了常见的一些材质的衰减值，可以作为施工和故障排查的参考。
表格1常见材质的信号衰减（2.4Ghz）
在计算模块能穿几堵墙的时候，记得要先减去离信号源1米左右，由于信号衰减特性，已经衰减掉40dBm左右，因此如果节点位于房间中央，那么信号源8dBm计算，只能穿越两堵墙，这种方法是2.4Ghz频段特性。
图3-4信号穿墙简单计算方法
4 Zigbee网络结构
Zigbee支持星型、树型和网状网，通过路由节点，可实现六跳网路；可以实现通信距离六倍的扩展。
5吞吐量和延迟
5.1 概述
在受控网络（有线配置）中测试了吞吐量和延迟，以测试各种数据包有效荷载下的跳频。
正常配置是测试6个跳频。测试是使用一个源节点和一系列路由节点完成的，以便更改跳频数量。
测试使用以下配置：
2. 延迟测试使用的数据包有效荷载为50字节到300字节，50字节为增量
3. 测试时开启安全
4. 从1到6跳
5. 飞行模式下使用2个数据包（第3个在收到第1个确认时发送…）
6. 在给定确认时间的情况下尽可能快地发送
7. 测量往返延迟（源到目的地到源），以毫秒为单位；
对于各个网状网络，当我们如上所述增加有效荷载大小时，数据包分段行为不同。使用较大的数据包大小取决于应用层，但我们在此提供比较数据，以说明发生分段时的相对性能。
5.2单跳露天往返时间
5.3 Zigbee 多跳延迟
按数据包大小排序 Zigbee 往返延迟
在这个多跳延迟测试中有多个值得注意的地方：
• 对于高达250字节的1跳有效荷载，我们看到延迟非常低 (60毫秒)。
• 对于50字节的有效荷载（包含在1个数据包内），Zigbee 在6跳内保持了140毫秒以下的延迟。
• 在载荷超过150字节且跳数超过5之前，延迟保持在200毫秒以下。
5.4 Zigbee 大型网络(192个设备)延迟
Figure 4.3. 25 字节有效荷载的 Zigbee 网络测试
50 字节有效荷载的 Zigbee 网络测试
测试时有以下值得注意的地方：
• 随着数据包有效荷载的增加，设备的延迟也增加。这是预料中的正常的行为，因为传输较大的数据包需要更多时间。
• 我们看到所有测试的可靠性都是100%。注意这些是100个广播测试。对于低于100广播的测试，可以使用较大的测试以更好地测量可靠性。
• 随着网络规模的增长，我们看到延迟也会增加和扩散，这是因为它需要多跳才能发送完所有消息。在较大的网络中，因为所有设备都在尝试重复消息，所以广播中竞争也更多。
• 该测试使用3秒的广播间隔，即在发送下一条消息之前，给网络一些恢复时间。下面分别显示了各个测试中当广播间隔减少时发生的情况。
6天线关键参数
6.1天线增益
在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。
1）天线一般为无源器件，不能产生能量，天线增益体现为将能量有效集中向某特定方向辐射或接受电磁波的能力。
2）天线的增益由振子叠加而产生，增益越高，天线长度越长。
3）天线增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。
6.2阻抗匹配
馈线终端所接负载阻抗等于馈线特性阻抗时，称为馈线终端是匹配连接的。匹配时，馈线上只存在传向终端负载的入射波，而没有由终端负载产生的反射波，因此，当天线作为终端负载时，匹配能保证天线取得全部信号功率。如下图所示，当天线阻抗为50欧时，与50欧的电缆是匹配的，而当天线阻抗为80欧时，与50欧的电缆是不匹配的。如果天线振子直径较粗，天线输入阻抗随频率的变化较小，容易和馈线保持匹配，这时天线的工作频率范围就较宽。反之，则较窄。
在实际工作中，天线的输入阻抗还会受到周围物体的影响。为了使馈线与天线良好匹配，在架设天线时还需要通过测量，适当地调整天线的局部结构，或加装匹配装置。
下图为LoRa 模块及为特殊应用预留的π型匹配电路：
6.3反射损耗
当馈线和天线匹配时，馈线上没有反射波，只有入射波，即馈线上传输的只是向天线方向行进的波。这时，馈线上各处的电压幅度与电流幅度都相等，馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载就只能吸收馈线上传输的部分高频能量，而不能全部吸收，未被吸收的那部分能量将反射回去形成反射波。
6.4电压驻波比（VSWR）
为传输线上的电压最大值与电压最小值之比。当天线端口没有反射时，就是理想匹配，驻波比为1；当天线端口全反射时，驻波比为无穷大。
电压驻波比是天线高效率辐射的基本指标要求。在全频段内VSWR，取最大值为指标。
以上就是Vensi威士丹利智能Zigbee无线通信指南，Vensi威士丹利作为智能家居行业的一员，Vensi威士丹利依托领先行业的智能边缘计算网关和全系列ZigBee3.0智能芯片模组，通过多年坚持不懈的升级迭代、技术创新，受到众多大型房地产企业、智能家电企业、智能集成商及异业跨界厂商的欢迎，也为智能家居行业的新发展提供源动力。