CN102611510A - 2.4gb信道链接质量及通信距离的测量方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种2.4GB信道链接质量及通信距离的测量方法与系统，其方法为：检测接收节点接收到的发送节点发送的第一发射信号强度；依据第一发射信号强度进行计算，获取当前接收节点处的第一发射信号能量值；依据已知的发送节点处的原发射信号能量值和第一发射信号能量值进行差值计算，获取能量损耗；依据空间中电波传播损耗与工作频率和通信距离的关系，以及能量损耗和当前的工作频率进行计算，获取发送节点与接收节点之间的通信距离。本发明根据发送节点的发射信号强度和能量检测，计算得到2.4G信道内两节点之间的连接质量和通信距离，基于软件完成，对于多通信通道测量、硬件要求较低、成本低，而且算法相对简单，可以降低系统的损耗。

Description

2.4GB信道链接质量及通信距离的测量方法与系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更具体的说，是涉及一种2.4GB信道链接质量及通信距离的测量方法与系统。

背景技术

随着通信技术的不断发展，各类无线技术如27MHz无线技术、蓝牙技术和2.4G无线技术等也得到了广泛的发展。其中，2.4G无线技术的频段处于2.405GHz-2.485GHz，其工作方式是全双工模式传输，最大的传输距离可达10米左右。此外，2.4G无线技术还拥有2M的理论数据传输速率，因此，在2.4G无线技术的频段内，利用2.4G无线技术中的2.4G信道传输无线信号的各类芯片、系统也非常多，所以针对2.4G信道的链接质量以及通信距离的测量也尤为重要。

在现有技术中，存在着各种各样的方式对2.4G信道的链接质量进行测量。其中，基于LQI(Link Quality Indication，链接质量指示)的测量值反映无线信号传输过程中的链接质量，是最常见的一种方式。在现有技术中主要是通过高斯正态分布的链路评估的方法获取LQI值，利用获取到的LQI值判断通道的链接质量，即2.4G信道的链接质量。其中，高斯正态分布的链路评估方法采用依据发送节点周期发送的探测包，获得该探测包的接收率，并利用该接收率进行判断和计算最终完成针对2.4G信道的链接质量以及通信距离的测量。

但是，采用现有技术的高斯正态分布的链路评估方法完成LQI的功能，由于对硬件的要求较高，因此也提高了测量的成本，同时基于高斯正态分布的链路评估方法完成LQI的功能，针对2.4G信道的链接质量以及通信距离的测量的计算过程也较复杂，增加了测量过程中系统的功耗。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种2.4GB信道链接质量及通信距离的测量方法与系统，以克服现有技术完成LQI的功能时，对硬件要求较高，增加测量成本，以及测量过程中的计算较复杂，增加系统功耗的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种2.4GB信道链接质量的测量方法，包括：

检测接收节点接收到的发送节点发送的第一发射信号强度；

依据所述第一发射信号强度进行计算，获取当前接收节点处接收到的发送节点的第一发射信号能量值；

依据已知的发送节点处的原发射信号能量值和所述第一发射信号能量值进行差值计算，获取能量损耗；

依据空间中电波传播损耗与工作频率和通信距离的关系，以及所述能量损耗和当前的工作频率进行计算，获取所述发送节点与接收节点之间的通信距离。

优选的，所述获取当前接收节点处接收到的发送节点的第一发射信号能量值之后，所述获取能量损耗之前还包括：

当所述第一发射信号能量值大于预设阈值时，执行获取能量损耗这一步骤。

优选的，所述获取当前接收节点处接收到的发送节点的第一发射信号能量值之后，所述获取能量损耗之前还包括：

当所述第一发射信号能量值小于等于预设阈值时，则调整发送节点的位置之后，返回执行检测接收节点接收到的发送节点发送的第一发射信号强度这一步骤。

优选的，所述获取所述发送节点与接收节点之间的通信距离之后，还包括：

判断所述通信距离是否为预设值，如果否，则结束；如果是，则依据检测到的当前接收节点处的第二发射信号能量值和所述第一发射信号能量值，以及预设值进行计算，获取最大通信距离。

优选的，所述发送节点与接收节点之间的距离每增加1倍时，信号在空中传播的损耗能量值增加0x12。

优选的，所述预设值为6.5米。

一种2.4GB信道链接质量的测量系统，包括：

检测模块，用于检测接收节点接收到的发送节点的第一发射信号强度；

第一计算模块，用于依据所述第一发射信号强度进行计算，获取当前接收节点处接收到的发送节点的第一发射信号能量值；

第二计算模块，用于依据已知的发送节点处的原发射信号能量值P_T和所述第一发射信号能量值进行计算，获取能量损耗；

第三计算模块，用于依据空间中电波传播损耗与工作频率和通信距离的关系，以及所述能量损耗和当前的工作频率进行计算，获取所述发送节点与接收节点之间的通信距离。

优选的，还包括：

第一判断模块，用于判断所述第一发射信号能量值是否大于预设阈值，如果是，则返回第二计算模块；如果否，则调整发送节点的位置之后，再返回检测模块。

优选的，还包括：

第二判断模块，用于判断所述通信距离是否为预设值，如果是，则返回第四计算模块；如果否，则结束；

第四计算模块，用于依据检测到的当前接收节点处的第二发射信号能量值和所述第一发射信号能量值，以及预设值进行计算获取最大通信距离。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开了一种2.4GB信道链接质量及通信距离的测量方法与系统，使用能量检测算法来完成获取LQI的功能，并根据发送节点的发射信号强度，能量检测获得的接收能量值经过计算得到2.4G信道内两节点之间的连接质量和通信距离，不仅可以将能量检测获得的发射信号能量值作为链接质量，又可以在已知发射节点的发射信号能量值的情况下，利用理论和经验模型将传输损耗转化为通信距离。同时，该方法基于软件完成，对于多通信通道测量、硬件要求较低、成本低，而且算法相对简单，可以降低系统的损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种2.4GB信道链接质量及通信距离的测量方法流程图；

图2为本发明实施例公开的另一种2.4GB信道链接质量及通信距离的测量方法流程图；

图3为本发明实施例公开的一种2.4GB信道链接质量及通信距离的测量系统结构示意图；

图4为本发明实施例公开的另一种2.4GB信道链接质量及通信距离的测量系统结构示意图。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，下文中使用的技术名词的说明、简写或缩写总结如下：

LQI：Link Quality Indication，链接质量指示；

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由于现有技术中在获取LQI值的时候，是基于高斯正态分布的链路估的方法，利用该方法不仅对硬件的要求过高，而且在基于获取到的LQI值进行计算时的过程也相当复杂，影响整个针对2.4G信道的链接质量以及通信距离的测量的计算过程。因此，本发明公开了一种2.4GB信道链接质量及通信距离的测量方法与系统，使用能量检测算法来完成获取LQI的功能，并根据发送节点的发射信号强度，能量检测获得的接收能量值经过计算得到2.4G信道内两节点之间的连接质量和通信距离。具体过程通过以下实施例进行详细说明。

请参阅附图1，为本发明实施例公开的一种2.4GB信道链接质量及通信距离的测量方法流程图，主要包括以下步骤：

步骤S101，检测接收节点接收到的发送节点发送的第一发射信号强度。

步骤S102，依据所述第一发射信号强度进行计算，获取当前接收节点处接收到的发送节点的第一发射信号能量值P_R。

在执行步骤S102时，由硬件系统对接收到的发送节点的第一发射信号强度进行转换计算，并将经过转换计算获取的第一发射信号能量值P_R存储于寄存器中。例如将经过转换计算获取的第一发射信号能量值P_R存储于寄存器内cca_final[7:0]，那么该第一发射信号强度依据公式(1)进行转换计算，并将转换获取的第一发射信号能量值P_R存储于寄存器内cca_final[7:0]中。公式(1)如下所示：

P_R＝-(dec(cca_final[7:0]/2))              (1)

其中，P_R的单位为dBm。至此完成链接质量的测量。

步骤S103，依据已知的发送节点处的原发射信号能量值P_T和所述第一发射信号能量值P_R进行计算，获取两者之间的差值P_L，所述差值P_L为能量损耗。

在执行步骤S103时，通过已知的发送节点处的原发射信号能量值P_T，以及读取储存于寄存器中经过转化计算的第一发射信号能量值P_R，通过计算两者之间的差错，可以获取到从发送节点至接收节点之间进行信号传输过程中的能量损耗P_L，计算过程如公式(2)所示：

P_L＝P_T-P_R                              (2)

步骤S104，依据空间中电波传播损耗与工作频率和通信距离的关系，以及所述能量损耗P_L和当前的工作频率f进行计算，获取所述发送节点与接收节点之间的通信距离d。

在执行步骤S104时，已知的自由空间中电波传播损耗LFS(亦称衰减)与工作频率f和传播距离(通信距离)d之间的关系如公式(3)所示，而经过分析可知步骤S103获取到的能量损耗P_L即为损耗LFS，即P_L＝LFS。

P_L＝LFS＝32.44+20*log(d)km+20*log(f)MHz    (3)

因此，在执行步骤S104时，依据获取到的能量损耗P_L和当前的工作频率利用公式(3)进行计算，可以得到当前所传播的信号接收节点与发送节点之间的通信距离d。

此外，依据公式(3)可以得出，当发送节点与接收节点之间的距离每增加1倍时，信号在空中传播的损耗能量值将增加0x12。

在上述本发明实施例公开的一种2.4GB信道链接质量及通信距离的测量方法的基础上，在实际应用过程中，该方法可以通过MC1321x芯片执行，这里以基于MC1321x芯片时为例进行详细说明。

由于，所使用的MC1321x芯片中的ZigBee模块具有检测能量的硬件实现，因此，ZigBee无线信号的能量检测，可以通过硬件实现。

硬件会执行步骤S101和步骤S102，依据公式(1)将接收节点接收到的第一发射信号强度进行一定的计算转换，获得此时接收节点处接收到的第一发射信号能量值P_R，然后再将其存入到微控制器的一个寄存器内cca_final[7:0]，从而完成链接质量的测量。进而执行步骤S103至步骤S104对接收节点与发送节点之间的通信距离进行测量。

通过读取ZigBee模块的芯片寄存器cca_final[7:0]的值(第一发射信号能量值P_R)，由于已知发送方，即发送节点在发送信号时的能量值为P_T(本实施例中使用的MC1321x芯片中的MC13211芯片的P_T值为3.4(dBm))，因此通过公式(2)可以得出信号从发送节点传输至接收节点处的能量损耗P_L。

同时，在已知当前的工作频率f(此时的工作频率f为固定值2400MHz(2.4GHz))和能量损耗P_L的情况下，依据能量在空中的损耗公式(3)中LFS与能量损耗P_L之间的关系(P_L＝LFS)，可知得出发送节点和接收节点之间的通信距离d的具体值。

需要说明的是，以上是计算2.4GHz信道两个节点之间距离的理论基础并且是在理想条件下。但是在实际测试时，由于受到其他电磁波、障碍物、湿度、温度等因素的影响，导致测试的结果与理论结果有偏差。因此在上述本发明实施例公开的方法的基础上还包括其他步骤，请参阅附图2，具体包括以下步骤：

步骤S101，检测接收节点接收到的发送节点的第一发射信号强度，并进行计算。

步骤S102，依据所述接收到的发送节点的第一发射信号强度进行计算，获取当前接收节点处接收到的发送节点的第一发射信号能量值P_R。

步骤S105，判断所述第一发射信号能量值P_R是否大于预设阈值，如果是，则执行步骤S103；如果否，则调整发送节点的位置之后，返回执行步骤S101。

在执行步骤S105中，所述的预设阈值为一具体值，可具体进行设定，但其遵循的原则为，具体值要小于原发送节点能量值，但是小现有技术中的于正常值。

步骤S103，依据已知的发送节点处的原发射信号能量值P_T和所述第一发射信号能量值P_R进行计算，获取两者之间的差值P_L，所述差值P_L为能量损耗。

步骤S104，依据空间中电波传播损耗与工作频率和通信距离的关系，以及所述能量损耗P_L和当前的工作频率f进行计算，获取所述发送节点与接收节点之间的通信距离d。

步骤S106，判断所述通信距离d是否为预设值，如果是，则执行步骤S107；如果否，则结束。

步骤S107，依据检测到的当前接收节点处的第二发射信号能量值和所述第一发射信号能量值P_R，以及预设值进行计算，获取最大通信距离d_max。

在执行步骤S106时，所述预设值为实际检测中的值，依据该预设值执行步骤S107进行计算，可以更近一步的获得测试节点(当前的接收节点和发送节点)之间的最大通信距离d_max。

依据上述所举例，在实际测量中得到，当接收ZigBee模块Rx与发送ZigBee模块Tx相距6.5m时，Rx模块测量到Tx电磁波的能量值为0x60H(该值为直接读取cca_final[7:0])寄存器得到，而非由式(1)得到)，而Tx在发送时该能量值为0xBEH(这个值为已知)，这其中的差值(0xBE-0x60)为电磁波能量在空中的损耗。

当Rx测量到的能量值为0xBE时，表明Rx将收不到Tx所发送的无线信号，因此此时Rx与Tx之间的距离为两者能够通信的最大通信距离d_max。

由式(3)可以得出，当Tx与Rx之间的距离每增加1倍时，电磁波在空中的损耗的能量值在将增加0x12。

因此在实际测量Tx与Rx之间的距离时，是以两者相距6.5m为基准的，即预设值。依据计算公式(4)进行计算。

d_max＝(W-0x60)/12*6.5                    (4)

公式(4)中的W为接收节点在接收到数据包时，测得的电磁波的能量值。例如，此时测得一个能量值为W＝0xB0，代入公式(4)中可以得出发送节点距离接收节点的距离为：

(0xB0-0x60)/12*6.5＝0x50/12*6.5＝43.335m。

通过上述本发明实施例公开的方法，使用能量检测算法来完成获取LQI的功能，并根据发送节点的发射信号强度，能量检测获得的接收能量值经过计算得到2.4G信道内两节点之间的连接质量和通信距离，不仅可以将能量检测获得的发射信号能量值作为链接质量，又可以在已知发射节点的发射信号能量值的情况下，利用理论和经验模型将传输损耗转化为通信距离。同时，该方法基于软件完成，对于多通信通道测量、硬件要求较低、成本低，而且算法相对简单，可以降低系统的损耗。

上述本发明公开的实施例中详细描述了一种2.4GB信道链接质量及通信距离的测量方法，对于本发明的方法可采用多种形式的系统实现，因此本发明还公开了一种2.4GB信道链接质量及通信距离的测量系统，下面给出具体的实施例进行详细说明。

请参阅附图3，该系统中包括：检测模块101、第一计算模块102、第二计算模块103和第三计算模块104。

检测模块101，用于检测接收节点接收到的发送节点的第一发射信号强度。

第一计算模块102，用于依据所述第一发射信号强度进行计算，获取当前接收节点处接收到的发送节点的第一发射信号能量值P_R。

第二计算模块103，用于依据已知的发送节点处的原发射信号能量值P_T和所述第一发射信号能量值P_R进行计算，获取两者之间的差值P_L，所述差值P_L为能量损耗。

第三计算模块104，用于依据空间中电波传播损耗与工作频率和通信距离的关系，以及所述能量损耗P_L和当前的工作频率f进行计算，获取所述发送节点与接收节点之间的通信距离d。

在上述本发明实施例公开的系统的基础上，还进一步包括其他模块，具体请参阅附图4，主要包括：检测模块101、第一计算模块102、第一判断模块105、第二计算模块103、第三计算模块104、第二判断模块106和第四计算模块107。

检测模块101，用于检测接收节点接收到的发送节点的第一发射信号强度。

第一计算模块102，用于依据所述第一发射信号强度进行计算，获取当前接收节点处接收到的发送节点的第一发射信号能量值P_R。

第一判断模块105，用于判断所述第一发射信号能量值P_R是否大于预设阈值，如果是，则返回第二计算模块103；如果否，则调整发送节点的位置之后，再返回检测模块101。

第二计算模块103，用于依据已知的发送节点处的原发射信号能量值P_T和所述第一发射信号能量值P_R进行计算，获取两者之间的差值P_L，所述差值P_L为能量损耗。

第三计算模块104，用于依据空间中电波传播损耗与工作频率和通信距离的关系，以及所述能量损耗P_L和当前的工作频率f进行计算，获取所述发送节点与接收节点之间的通信距离d。

第二判断模块106，用于判断所述通信距离d是否为预设值，如果是，则返回第四计算模块107；如果否，则结束。

第四计算模块107，用于依据检测到的当前接收节点处的第二发射信号能量值和所述第一发射信号能量值P_R，以及预设值进行计算获取最大通信距离d_max。

需要说明的是上述本发明实施例所公开的系统中的各模块的执行过程，基于上述本发明实施例公开的方法，因此这里不再赘述。

综上所述：

通过本发明实施例公开的方法及系统，使用能量检测算法来完成获取LQI的功能，并根据发送节点的发射信号强度，能量检测获得的接收能量值经过计算得到2.4G信道内两节点之间的连接质量和通信距离，不仅可以将能量检测获得的发射信号能量值作为链接质量，又可以在已知发射节点的发射信号能量值的情况下，利用理论和经验模型将传输损耗转化为通信距离。同时，该方法基于软件完成，对于多通信通道测量、硬件要求较低、成本低，而且算法相对简单，可以降低系统的损耗。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种2.4GB信道链接质量的测量方法，其特征在于，包括：

检测接收节点接收到的发送节点发送的第一发射信号强度；

依据所述第一发射信号强度进行计算，获取当前接收节点处接收到的发送节点的第一发射信号能量值；

依据已知的发送节点处的原发射信号能量值和所述第一发射信号能量值进行差值计算，获取能量损耗；

依据空间中电波传播损耗与工作频率和通信距离的关系，以及所述能量损耗和当前的工作频率进行计算，获取所述发送节点与接收节点之间的通信距离。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取当前接收节点处接收到的发送节点的第一发射信号能量值之后，所述获取能量损耗之前还包括：

当所述第一发射信号能量值大于预设阈值时，执行获取能量损耗这一步骤。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取当前接收节点处接收到的发送节点的第一发射信号能量值之后，所述获取能量损耗之前还包括：

当所述第一发射信号能量值小于等于预设阈值时，则调整发送节点的位置之后，返回执行检测接收节点接收到的发送节点发送的第一发射信号强度这一步骤。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取所述发送节点与接收节点之间的通信距离之后，还包括：

判断所述通信距离是否为预设值，如果否，则结束；如果是，则依据检测到的当前接收节点处的第二发射信号能量值和所述第一发射信号能量值，以及预设值进行计算，获取最大通信距离。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发送节点与接收节点之间的距离每增加1倍时，信号在空中传播的损耗能量值增加0x12。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述预设值为6.5米。

7.一种2.4GB信道链接质量的测量系统，其特征在于，包括：

检测模块，用于检测接收节点接收到的发送节点的第一发射信号强度；

第一计算模块，用于依据所述第一发射信号强度进行计算，获取当前接收节点处接收到的发送节点的第一发射信号能量值；

第二计算模块，用于依据已知的发送节点处的原发射信号能量值PT和所述第一发射信号能量值进行计算，获取能量损耗；

第三计算模块，用于依据空间中电波传播损耗与工作频率和通信距离的关系，以及所述能量损耗和当前的工作频率进行计算，获取所述发送节点与接收节点之间的通信距离。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

第一判断模块，用于判断所述第一发射信号能量值是否大于预设阈值，如果是，则返回第二计算模块；如果否，则调整发送节点的位置之后，再返回检测模块。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

第二判断模块，用于判断所述通信距离是否为预设值，如果是，则返回第四计算模块；如果否，则结束；

第四计算模块，用于依据检测到的当前接收节点处的第二发射信号能量值和所述第一发射信号能量值，以及预设值进行计算获取最大通信距离。

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