无线连接基础要点

简介

本文主要讨论Marvelmind精确室内“GPS”的无线连接，但其中大部分要点和建议同样适用于各类使用无线连接的系统：从遥控玩具到复杂的工业自主机器人系统。

背景

Marvelmind室内定位系统（又称Marvelmind室内“GPS”）依托 两大关键技术支柱:

在ISM/SRD频段，通过无线电在所有网络设备之间实现精确时钟同步和数据/遥测传输
基于超声波脉冲飞行时间精确测距的多边定位

精确测距 离不开信标和调制解调器上精确且同步的时钟。因此在某种程度上，第一大支柱（精确时钟同步）甚至比第二大支柱（基于超声波脉冲和多边定位的精确测距）更重要，因为后者依赖于前者。

真正的 GPS 或其他 GNSS系统使用原子钟，分别装在卫星（在我们的系统中相当于固定信标）和地面站（相当于调制解调器）上。但对典型的Marvelmind室内“GPS”应用来说，原子钟过于昂贵和笨重。因此，Marvelmind室内“GPS”系统不使用原子钟，而是由调制解调器 通过无线电发送时钟同步信号，使用免许可的 ISM 或 SRD 频段 ，典型更新率为每秒数次（不过时钟同步的频率也可以低得多，例如每分钟一次）。通过这种方式，调制解调器使所有网络设备的时钟保持微秒级同步。例如，30微秒的时间偏差会带来约1厘米的测距误差。

对 时钟同步 的要求并不算特别苛刻。但蓝牙、WiFi、LoRa、ZigBee等无线协议并不提供现成的 微秒级 时钟同步，只能达到毫秒级。因此，Marvelmind室内“GPS”采用Marvelmind 自有的无线协议 ，其设计首先就是为了满足精确时钟同步的要求。

由于时钟同步通过无线电完成，与控制信标的调制解调器之间稳定可靠的无线连接对Marvelmind室内“GPS”至关重要。此外，位置数据、网络和设备设置以及遥测数据也通过无线连接在调制解调器与移动信标之间收发。

总结：没有良好的无线连接，就不会有Marvelmind室内“GPS”。因此，下面我们讨论如何以尽可能少的精力和投入，正确、可靠地建立无线连接的关键因素。

无线连接究竟在哪些设备之间？

首先，请观看架构对比文档。请注意，调制解调器通过无线电以星形架构控制信标。信标之间可以互相“听到”，例如移动信标（hedgehog）可以借此获知其他移动信标的位置；但目前所有信标都只与调制解调器（系统的主控制器）通信，信标之间并不通过无线电互相通信。

因此答案是：必须保证调制解调器与其控制的信标之间的无线连接。

目前，Marvelmind室内“GPS”系统通常只使用一个调制解调器，一个调制解调器通常可支持多达250个信标（固定信标和移动信标合计）。如果有不止一个调制解调器，就相当于部署了两套Marvelmind系统。

对于更大的网络，可以部署多调制解调器架构，参见专门介绍多调制解调器架构的演示文稿中的“Tunnel safety and performance”（隧道安全与性能）一页。在多调制解调器架构中，每个调制解调器控制各自的固定信标地图，移动信标（hedgehog）通过切换（handover）在各地图之间自由漫游。各调制解调器通常基于Super-Modem硬件，将各自地图的位置数据发送给Super-Super-Modem，并受Super-Super-Modem控制。Super-Super-Modem与各调制解调器之间通过普通IP网络（3G/4G/5G或WiFi）连接，因为与调制解调器和其所控制信标之间的连接不同，这一连接不要求微秒级的延迟/抖动。

什么是RSSI？

RSSI即接收信号强度指示（Received Signal Strength Indicator），表示接收到的来自发射端的无线信号电平。实际应用中需要记住：

RSSI分为调制解调器到信标、信标到调制解调器两个方向。如果两台设备相同（通常如此），两个方向的RSSI应基本一致，即相差约±5dB。如果相差更大，例如±10-15dB，则强烈提示可能存在问题。例如，信标的接收部分可能“半损坏”，比如被静电放电击伤，这种情况是可能发生的。此时信标到调制解调器的RSSI会很好，因为信标的发射部分正常，调制解调器的接收部分也正常。但由于信标的接收部分有问题，信标的接收机几乎“失聪”，但又没有完全失效。这时两个方向的RSSI读数可能相差很大
RSSI的单位是dBm，即dB（分贝），以1毫瓦（mW）为基准。+20dB的差值意味着信号电压强10倍、功率强100倍；-30dB的差值意味着信号电压弱31倍、功率弱1000倍
dBm是功率或RSSI的度量单位，而dB是差值的度量单位，可以表示任何量的差值：功率、电压、亮度等。dBm其实也是差值，只不过是相对于固定值的差值，即相对于1mW
RSSI常被用来代指信号强度，而不仅仅是“指示”。所以当我们说“检查RSSI”时，实际的意思是：“检查信号强度是否过强或过弱”。推荐的RSSI范围，上限受接收机饱和及由此造成的信号失真限制，下限受接收机噪声及由此决定的信噪比限制。信噪比过低会导致误码，进而丢包，最终导致整个系统完全无法工作

多强算过强，多弱算过弱？

过强：RSSI高于-20dBm。很可能是调制解调器和信标离得太近。我们建议调制解调器与信标保持1-2米的距离，具体取决于两者的相对位置和天线类型

过弱：通常指低于-90dBm，但这取决于无线配置。38kbps无线配置的灵敏度比500kbps无线配置高好几倍

ISM与SRD频段，433MHz与915MHz频段

ISM无线频段和SRD无线频段这两个术语几乎可以互换使用。在许多国家，两者都是免许可使用的频段。这里的免许可是针对最终用户，而不是针对制造商：

ISM代表：工业、科学和医疗（industrial, scientific and medical）
SRD代表“短距离设备”（short-range devices）

典型特点:

低功率（10-100mW，即10-20dBm）：有意限制通信距离，使许多系统能在同一地理区域内共存
与同一频段/信道内的其他系统共存。因此，干扰并不罕见，而是必然存在的

多种方法可实现共存，同时尽量 减少干扰:

跳频

先听后发（LBT）

433MHz与915MHz对比

433MHz

优点:

衰减更低，无线通信距离更远
外部干扰源较少（通常情况下）

缺点:

天线较大，较难安装
几乎无法使用板载天线或陶瓷天线
频带窄：433MHz频段仅有1.7MHz，而915MHz频段有26MHz

915MHz

优点:

频带宽：信道更多，容量更大
可以使用板载天线。虽不完美、效率不高，但聊胜于无

缺点:

虽不如2.4GHz拥挤，但设备也相当多。干扰可能比433MHz多

915MHz与868MHz对比

915MHz

使用广泛：美国、日本、韩国及许多其他国家
ISM频段

868MHz

主要用于欧盟、中国、俄罗斯及少数其他国家
SRD频段
频带比915MHz窄
中国大陆：868–868.6MHz，发射功率≤5mW e.r.p.，占空比≤1%（工信部2019年第52号公告），Marvelmind 为此提供专用无线配置

915MHz和868MHz的共同点：

通常两个频段使用同一套硬件（射频电路和天线），因为两个频段相距较近，匹配电路和天线的带宽足以同时覆盖两个频段。这一点使其更受制造商欢迎，因为两个频段只需一种硬件
由于频率接近，无线通信距离几乎相同

为什么不用2.4GHz？

2.4GHz应用非常普遍，优点很多：

几乎所有国家都可以使用，即同一套硬件可在这些国家通用
频带宽：信道多 => 容量大；波特率高 => 位置更新率高
小型板载天线或陶瓷天线效果很好

但正是这些主要优点让2.4GHz在制造商中过于流行，也由此带来了它的主要缺点：

频段过于拥挤：WiFi设备太多，蓝牙设备太多，遥测、摄像头、遥控器也太多。结果在很多情况下，由于不同无线系统之间不断发生碰撞和干扰，误包率高得离谱

对于非实时传输（数据、视频），拥挤问题不大
对于真正的实时视频，例如FPV（第一人称视角）无人机，影响就比较严重
而对于Marvelmind室内“GPS”这样的实时定位系统，影响则是致命的。如果数据包此刻丢失，之后再收到通常也没有意义了，因为已经太迟，数据不再实时，新的数据包已经到来。并非总是如此，但在许多应用场景中如此。因此，只有真正实时、丢包极少的无线连接才适用于实时定位系统；也就是说，2.4GHz可以使用，但有局限，需要权衡取舍

2.4GHz频段的另一个局限是无线信号损耗更高

915MHz的频率约为433MHz频段的2倍：

因此，在相同距离上，路径损耗约高4倍，即12dB

2.4GHz的频率约为915MHz频段的2.5倍、433MHz频段的5.5倍。因此：

2.4GHz的损耗比915MHz频段高6.25倍，即16dB

比433MHz频段高30倍，即30dB

16dB或30dB的差异确实很大。例如，高增益定向八木天线的典型增益为12-18dB，但这是以减小波束宽度为代价换来的。

如何选择无线配置

我们预设了几种无线配置，目的是简化选择。实际上无线参数非常多，没有专门的工具几乎无法正确选择。但如果出于某种原因，您需要预设配置之外的特殊设置，请通过 info@marvelmind.com 告诉我们，我们会为您创建专用的无线配置。

400/500kbps

带宽和波特率最高
如果受无线电限制，可达到的位置更新率最高。不过通常限制因素是超声波
灵敏度最低，无线通信距离最短
抗外部干扰能力最弱

100/153/200kbps

各项指标均衡适中：更新率、灵敏度、抗外部干扰能力
典型默认设置

38kbps

灵敏度最高，无线通信距离最远
抗外部干扰能力最强
如果受无线电限制，更新率最低
在某些软件版本中，它曾是默认设置，目的是让不同硬件版本之间、不同类型的信标之间获得尽可能好的兼容性，因为不同射频芯片的无线设置各不相同，很难找到一个适合所有芯片的通用设置

无线连接的关键要素

天线

标准天线 随Super-Beacon等产品提供。它们较短，只有50毫米，而尺寸会影响性能。在典型的开阔环境中，与Modem v5.1上同类的标准天线配合，无线覆盖半径可达约100米。标准天线为全向缩短型四分之一波长天线。

全尺寸天线 更长，根据频段不同为80-160毫米。它们效率更高，可提供3-6dB增益，即无线通信距离增加到1.5-2倍。如果两端（信标端和调制解调器端）都使用全尺寸天线，在开阔空间中典型无线通信距离可达约400米。全尺寸天线为全向四分之一波长天线。

定向天线 可提供更远的通信距离或更强的无线信号，典型增益为6-16dB，即通信距离可增加到2-6倍。由于是定向天线，需要专门考虑如何保证覆盖。例如，可以把定向天线安装在狭长仓库的一端，从这一端覆盖整个仓库。另一种方案是在仓库中部安装一根增益更高的全尺寸全向天线，或两根背靠背、分别朝外的定向天线。两根天线背靠背组合需要功分器和额外的线缆。所有这些器件都会增加无线信号损耗，也会增加成本和复杂度。因此，合理的无线规划会变得颇具挑战性。

板载天线 用于 Mini-RX 和 Mini-TX中。与普通天线相比，它们的无线性能较差，但体积非常小，直接布置在电路板上，尺寸小是它们唯一的优点。约50-100米的通信距离足以满足许多应用和使用场景。当板载天线的通信距离不够时，可以给Mini-RX连接外置天线，例如在胸牌配置中。

通常，改善无线覆盖既简单又省钱的办法是改进天线：

首先改进调制解调器一侧，因为调制解调器的连接会影响所有信标
当改进调制解调器天线已不够时，就该改进距离最远的那些信标上的天线了

当地图过大，或跨越多个楼层甚至多栋建筑，单靠改进天线已无法保证覆盖时，下一步就是采用多调制解调器架构。在多调制解调器架构中，每个调制解调器覆盖各自的区域，例如一个楼层或一栋建筑等。各调制解调器向Super-Super-Modem汇报，对最终用户来说，超级地图看起来仍然是一张完整的大地图，而不是一堆彼此独立的地图或“孤岛”。

天线极化

天线具有极化特性，通常为水平极化或垂直极化。圆极化也可以，但Marvelmind系统中一般不用。

极化在实际应用中很简单：要获得理想的无线连接，发射天线和接收天线必须采用相同的极化方式。就这么简单。

垂直极化的发射天线与垂直极化的接收天线配合效果理想，反之亦然。水平极化同理。

垂直安装的天线（例如标准天线或全尺寸天线）为垂直极化；水平安装时则为水平极化。

我们建议采用垂直极化。在实际应用中，它更容易实现，也更实用：

所有信标的天线均垂直安装

所有调制解调器的天线均垂直安装
定向天线上有极化标识，请据此旋转并安装天线

全尺寸天线比标准天线更好用，因为它们可以弯折：可以先按方便的方式安装信标，再转动、弯折天线，使极化方向对齐。

天线辐射方向图

严格来说，标准天线和全尺寸天线都是全向天线。但实际上，只有垂直放置时，它们才在水平面内全向。在垂直面内，理论上天线指向的方向增益降为零。实际中，天线指向方向的增益并不为零，但可能明显小于垂直于天线方向的增益。

板载天线的辐射方向图很难说清。可以把它们视为全向天线，只是增益和效率较低。

定向天线显然有一个或多个增益更高的方向。

干扰

干扰可能有多种来源：

由于Marvelmind系统工作在ISM/SRD无线频段，其他系统很容易工作在相同的无线信道上，因为ISM和SRD频段并不为特定用户保留，不同系统必须共存。因此，出现干扰完全有可能
不过在实际中，干扰相当少见，除非您在Marvelmind系统旁边还有自己的其他无线系统，例如使用同一915MHz频段或相邻868MHz频段的PixHawk遥测电台。不一定是同一信道：如果天线距离足够近、信号足够强，无线连接就可能受到严重影响，甚至完全中断
Marvelmind使用1GHz以下的ISM/SRD频段，因为2.4GHz和5.6GHz等更高频段被多种信号源严重“污染”：WiFi、蓝牙

常见的可疑干扰源:

其他Marvelmind系统，例如同一信道上的另一个Marvelmind调制解调器。每个无线信道上只能有一个工作中（通电）的Marvelmind调制解调器
Marvelmind信标或调制解调器旁边的其他无线系统，例如PixHawk遥测电台、某些无线控制装置或报警器
对讲机及其他电台。它们可能处于相同的频段或信道，此时即使功率很小也可能产生影响；也可能处于完全不同的信道/频段，但功率很大，直接使Marvelmind射频电路饱和。Marvelmind信标和调制解调器的发射功率低于+10dBm（即10mW），可能比某些大功率手持电台低1000倍
工业干扰：大功率焊接、强烈电火花等，可能性不高，但仍需留意
感应炉及类似设备。它们通常使用2.4GHz频段，但如果功率大且距离足够近，也可能产生影响，尽管可能性不大

常见错误与问题及其避免方法

天线损坏

天线是机械部件，而且从信标/调制解调器上伸出来，很容易损坏。请确保天线不受机械撞击，也不要在不可弯折的部位弯折天线。

连接器不匹配

我们的大多数设备使用反极性SMA（RP-SMA）连接器。由于是反向的，它们被视为非标准连接器。这样做是为了通过诸如FCC（美国）等无线认证，这类认证要求天线不能轻易互换，即天线也要采用非标准的配对连接器。

SMA母头与反极性SMA公头很容易被误接。两者能拧得很紧，但实际上没有电气接触。在用户看来，就像是无线连接很差。

天线离金属或其他导电材料太近

天线与平行于它的金属之间应保持1-2个波长的距离。对Marvelmind系统而言，即50-100厘米。

同时，如果天线垂直于金属，天线/信标完全可以直接安装在金属上。这是因为金属中会形成一个镜像的虚拟天线。如果天线与金属平行且距离很近，无线信号会被严重削弱；如果垂直，影响很小，某些情况下甚至还会有所改善。

靠近金属以外的其他材料也可能产生影响，例如混凝土、木材等。影响程度取决于材料的电导率、介电常数和磁导率。

如有疑问，建议很简单：与金属、电线、墙壁至少保持50-100厘米。如果做不到，就让天线垂直于这些电线、金属或墙壁。记住保持天线垂直，并与Marvelmind网络中其他无线设备的天线平行。

天线安装位置很差的示例：天线离金属只有几厘米。天线的无线性能会被完全破坏，通信距离很可能大幅缩短

较好但不完美的安装位置：天线被弯折，由垂直极化变成了水平极化。但现在它垂直于金属，性能不会被严重削弱。水平极化可能降低性能，但这是不得已而又合理的折中，效果很可能比上例好得多。天线位置也不够理想，因为离灰色的电气分线盒太近。分线盒应距离天线50-100厘米，或位于天线后方，以减少对天线的影响

天线安装位置合格：天线垂直，离金属较远或与金属垂直。还有什么可以改进？——再向右移一些，远离左侧平行的金属部件

无线电无法穿透金属壁

显然，无线电无法穿透金属壁。因此，如果需要在巨大的油罐、水罐中，甚至在厢式货车内跟踪物体，就必须把信标和调制解调器也放在罐体（或车厢）内部。见示例：

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在某些情况下，调制解调器仍可放在外部，但这并不是因为无线电能穿透金属壁，而是因为信号可以通过孔洞或缝隙泄漏进去。虽然有损耗，但信号（RSSI）仍可能足够强，系统也能正常运行。所以您随时可以实际测试检查。

极化与辐射方向图

上文已详细讨论。保持天线极化方向一致，简便的做法是：垂直且相互平行。否则，无线通信距离可能大幅缩短。

多径传播

由于Marvelmind室内“GPS”系统通常在室内使用，无线电总会存在多径传播。其结果是，来自不同方向的无线信号可能随机叠加，在某一点上增强2-3倍；也可能相互抵消，减弱10-100倍。

此外，多径传播并不是静态过程。几十米外移动的某个巨大金属物体，例如叉车或起重机，也会影响您身边天线处的RSSI。

如果RSSI有问题，通常值得尝试把天线/信标/调制解调器在当前位置附近移动10-30厘米，RSSI可能会明显变化。但请记住，一切都会影响性能。您无法调好后就确信它会一直保持，因为您自己的身体和手臂也会影响性能。因此，这往往需要反复尝试，直到获得理想的无线性能（RSSI尽可能强且无丢包）。