某大功率无线产品近距离随机丢包分析和解决方案

一、问题现象描述

• 硬件配置： LK2400B、skyworks FEM（最大放大功率24dBm），2dBi天线

• 现象：通过时分复用的方式使用半双工芯片模拟全双工工作方式，在近距离（一二十米以内）通话时会有随机性丢包，距离变远时该情况会改善。尝试在近距离降低发射功率（降低到多少？），感觉没有改善。

二、问题分析

由于千米电子并没有上述硬件配置的设备，因此使用了一款现成的增强型模组（使用了skyworks的另一款12.5dBm发射增益的FEM）以及另一款采用Richwave 22.5dBm的FEM（无LNA）的电路板分别模拟富德康的数据发送机制，确实发现近距离通信丢包率提高的现象。经过分析和调整、以及一些实验性尝试，现在基本能够确定该问题现象的出现是由于两个因素的叠加：大功率下的多径效应和接收端过载。

1. 信号反射引起的多径效应

多径效应影响大小取决于无线信号的调制方式，其影响从大到小分别为调幅、调频和调相，LaKi采用的是蜂窝通讯里主要的调制方式GMSK（最小频移键控）的调制方式，也是调频的一种，因此，会受多径效应的影响，但由于该调制方式能量比较集中，其抗干扰性以及多径效应对其的影响要比一些采用GFSK的无线技术如蓝牙等要好一些。为便于分析和找出应对方法，我们可以参考下面的示意图：

无线电波在空气中传输速度可以认为相当于光速c，到达接收器天线时，直达信号的强度是最高的，如果把直达信号的传输距离记为D1的话，那么该信号在空中传输时间是：

t1 = c/D1

反射信号的强度则要看反射物在反射电波时对电波的衰减，不同反射物有不同的衰减系数；反射次数每多一次都会对信号强度有一定的衰减。如果把反射信号的传输距离记为Dn（至少是两段传输距离的和），Dn肯定是大于D1的，那么，反射信号在空中的传输时间是：

tn = c/Dn

由于数据传输需要一定的持续时间，记为T，如果

tn <= t1+T

那么意味着反射信号在直达信号进行数据传输的持续时间内也陆续到达接收器天线，这个反射信号实际上就成了直达信号的干扰信号。考虑到无线电波是以光速在空气中传播的，一般反射信号与直达信号的时间差在纳秒级，而数据传输的时间在微秒级，也就是tn远小于数据传输持续时间，所以，短距离无线通讯的发射信号一般都会对直达信号造成干扰，干扰程度取决于反射信号的信号强度。

如果造成干扰的反射信号的强度足够小，甚至低于接收灵敏度，该反射信号就不会对直达信号产生什么影响；但如果反射信号的强度高于接收灵敏度，该反射信号就有可能会对直达信号形成有效的干扰，干扰程度取决于反射信号的强度。

所以，针对这个问题，一般有几个解决方案，如采用MIMO天线或智能天线、rake接收机等，但这类方案成本比较高，不适用本产品；还可以采用扩频或分时隙传输，但前者已经在LK2400B芯片中应用，后者却对频点或发送时间的切换要求非常快速，在带宽不高的本应用中无法使用；所以，可行的解决方法就剩下了两种：

• 降低发射端的发射功率：虽然让直达信号的强度也降低了，但由于距离比较近，并不会对直达信号的解析出现明显的问题；也让反射信号的强度变低了，如果发射功率合适，使得反射信号的强度低到难以被解析，就会让反射信号的影响降低。但在本应用中，由于发射端需要多点通信，多个通讯方的距离位置是动态变化的，如果降低发射端的发射功率，就会影响远距离用户的通讯效果，所以一般来说不能采用这种方式，可以排除这个方法。

• 接收端主动衰减信号强度：信号衰减降低了直达信号和反射信号的强度，如果衰减值适当，可以让直达信号在近距离时接通率不受多少影响，而让反射信号的信号强度降到难以解析的程度，从而可以提高接通率。例如采用低增益天线、在接收电路上增加衰减器电路。考虑到通讯终端需要在远距离和近距离都要良好的通话质量，因此需要远距离时能够尽可能地提高链路增益，保证距离；而在近距离时适当降低链路增益，保证接通率。

2. 无线信号功率过高

对于微功率无线系统来说，无线信号功率过高，导致在接收端造成饱和现象，也会影响接通率。这是因为当接收器接收到的信号强度超过其设计能够处理的最大输入电平时，会导致接收器内部的放大器进入非线性区域，发生过载，表现为信号失真、噪声增加以及误码率上升等问题，这都会降低接通率和通信质量。

对于该问题的解决方法也有一些，列举和分析如下：

• 发射端功率控制：通过功率控制算法，确保发射器根据实际需要发送适当功率的信号，避免过度强的信号导致接收端饱和。例如，在蜂窝通信系统中，基站和终端之间会通过上行和下行功率控制机制动态调整发射功率。但上文中已经分析这种方式由于需要兼顾远、近距离的不同终端的通讯质量，不适合使用。

• 接收端主动衰减信号强度：这也是一个从根本上解决强信号问题的方法，就是在接收电路上增加衰减器电路，但这种方法的缺陷是通过衰减器电路的信号强度都会降低，从而降低通讯距离，而本应用也需要在远距离时保持良好的通讯，所以，需要想办法保证远距离时不能有衰减或少衰减，近距离时衰减，所以硬件设计时就需要有不衰减的电路和有衰减的电路供系统选择切换。

• 降低强信号的数量：延长数据包之间的发送间隔，使得接收端射频前端电路能够有自我调整的充分时间。

三、可行的建议方案

充分分析问题现象，结合现有的硬件设计、器件选型以及系统实现目标，我们认为有如下的方案有助于解决大功率发射在近距离丢包的问题：

1. 接收端电路优化

a.  由于系统采用的skyworks的FEM有天线切换开关，因此有条件在电路设计时加入另一路衰减电路，使得在近距离（可通过RSSI判断）时接收时，切换过来，从而使得接收信号衰减

b. 可以把skyworks的FEM更换成放大率小一些的FEM，例如我们曾经用过的richwave的一款芯片，其放大功率增益22.5dBm，由于该FEM芯片没有LNA， 线路损耗比较大，有5dBm，但根据我们的应用实践，其通讯距离是足够的。

2.  降低强信号数量

针对接收端在强信号下信号过载的问题，在不改变其他条件的情况下，可以通过延长数据帧发送间隔的方式，使得电路能够在强信号下获得足够的恢复时间，从而提高接通率，但这种方式会影响时间窗口内重发次数，也会影响接通率，因此，具体帧间隔需要设置什么样的值，还需要进行实际试验和调整。但在近距离的情况下，可能牺牲重发次数对接通率的影响是不大的。这种方法也需要根据信号强度指标RSSI来软件自动调整帧发送间隔（甚至是重发次数，当然如果增加的时间间隔依然能够在给定的时间窗口内完成原来的重发次数，那就不需要调整）。