工業無線傳感器網絡信道特征研究

劉 鋒， 裴紅星， 王青三, 黎 敏， 陽建宏

(1.北京科技大學 機械工程學院 北京 100083； 2.鄭州大學 物理工程學院 河南 鄭州 450001;3.南陽熱電有限責任公司 河南 南陽 473000)

工業無線傳感器網絡信道特征研究

劉 鋒1， 裴紅星2， 王青三3, 黎 敏1， 陽建宏1

(1.北京科技大學 機械工程學院 北京 100083； 2.鄭州大學 物理工程學院 河南 鄭州 450001;3.南陽熱電有限責任公司 河南 南陽 473000)

以某機械加工車間為背景，對電波傳播的路徑損耗及小尺度衰落進行了測量和分析，通過有限時域差分法對電波極化偏轉進行仿真，并設計了測量平臺對仿真結果進行驗證.結果表明，工業環境設備密集區域無線信號路徑幅度衰減因子約為1.33，低于自由空間的傳播情況，信號幅度在具有復雜形狀的設備附近符合萊斯分布，在遠離設備區域趨向方差極小的正態分布；金屬設備引起電波極化方向的隨機偏轉，帶來平均5.4 dB、最高13 dB的幅度衰減，同時降低了信道的交叉極化分辨率.可應用極化分集技術對抗信號隨機衰落，提高工業無線傳感器網絡的性能魯棒性.

工業環境； 無線傳感器網絡； 路徑損耗； 多徑效應； 極化偏轉

0 引言

無線傳感器網絡由于無需敷設電纜，易于維護和擴展，在大型工業設備的狀態監測與故障診斷系統中廣泛應用.目前對無線傳感器網絡的研究多集中于數據處理[1-2]，而對其信道模型研究較少.研究無線傳感器網絡信道，對優化網絡設計、延長網絡整體壽命和提高數據通信質量具有重要意義.目前，對工業環境無線信道的研究中，Tanghe等[3-4]對工業環境無線信號的路徑衰落進行了測量，Assous等[5]對工業環境電磁波傳播進行了仿真研究，Zhang等[6]在工業環境中，利用無線傳感器節點對不同發射功率和不同天線傾斜角度的信道容量進行了測量，Karedal等[7]對工業環境超寬帶通信系統的信道統計模型進行了研究.上述研究大多針對開闊工業環境展開，對設備密集區域研究較少.電磁波在設備密集的工業環境中傳播時，除受到一般環境共有的陰影效應和多徑效應影響外，還因金屬設備影響而改變極化方向.作者針對433 MHz無線傳感器網絡，選擇設備密集的機械加工車間作為實際工業環境，通過仿真和實際測量，對無線信號的路徑幅度衰減及小尺度衰落進行研究，并分析了反射及繞射引起的電波極化偏轉現象，及其對信道質量的影響，最后給出了提高網絡性能魯棒性的設計思路.

1 工業無線傳感器網絡信道特征分析

生產設備的故障診斷與監測需要對振動、溫度、濕度、壓力等物理量進行采集，經AD轉換及特征值提取，采集數據由無線傳感器網絡轉發至控制中心.由于數據量小，通信速率一般設置為10 kbps，信道帶寬窄，遠小于相干帶寬，可視為平坦衰落信道.無線通信系統一般具有三個獨立的特征現象：隨距離而變的路徑損耗，對數正態陰影效應及多徑效應.其中，多徑效應引起信號幅度隨機變化，可能產生30～40 dB的深度衰落，成為影響通信的主要因素.工業環境中無線傳感器網絡一般采用分簇結構，每簇的覆蓋范圍在十幾米到幾十米之間，屬于近距離通信，因而需在三維空間分析電波傳播，此時還需考慮多徑效應引起的電波極化偏轉.

2 工業環境433 MHz窄帶信道幅度衰落

2.1路徑幅度衰落

電磁波的傳播符合對數距離路徑損耗模型，即

(1)

其中，Pr(d)和Pr(d0)分別為距離發射天線d和d0時的接收功率，γ為衰減因子，Xσ是由陰影效應造成的方差為σ的高斯隨機變量.γ在自由空間中的取值為2，一般由于實際傳播損耗加大，γ的取值為2.0～5.0.由于工業環境存在大量反射波，總體上減弱了信號的衰減速度，γ會小于2，Karedal等[7]與Chehri等[8]分別在工廠環境和地下礦井對超寬帶信號的γ進行測量，得到1.1和1.47的結果.作者選擇某機械車間對433 MHz信號進行了測量，得到γ是1.33.因此，在無線傳感器網絡幾十米的覆蓋范圍內，路徑幅度衰減并不嚴重，對通信的影響相對較弱.

2.2小尺度衰落

電磁波波長在遠小于金屬設備表面尺寸時，會發生反射，而當波長與金屬設備的尺寸相當時，則產生散射，散射波的幅值在最初的1 m范圍內急劇下降，由散射波造成的多徑效應也因此迅速減弱.

在實際工業環境，分別在電波直達區域(LOS)和設備陰影區域(NLOS)對433 MHz無線信號小尺度衰落進行測量，并統計其幅度的概率分布，如圖1所示.

(a) 非視距傳播情況 (b) 視距傳播情況

由圖1(a)看出，信號的幅度并不符合萊斯分布或瑞利分布，而是在期望值所在位置出現一個高峰.在K值為5，平均包絡功率為1.36E-8的萊斯分布隨機變量中加入部分均值為1.17E-4，方差為1.4E-11的高斯隨機變量后，概率分布與實測數據能夠很好吻和.這是由于部分測量點與金屬設備的距離相對較遠，散射波的衰減引起多徑效應的減弱，萊斯分布的K值變大，趨向于方差很小的高斯分布.由圖1(a)還可看出，在設備的陰影區，仍然由于繞射而存在一條主入射徑，并在設備附近受多徑效應影響，使得信號幅度符合K因子為5的萊斯分布.圖1(b)所示LOS情況，與NLOS類似，也存在多徑效應減弱現象，并在概率分布的期望值處出現一個尖峰.

3 電波極化方向的偏轉

電磁波會在金屬設備表面產生感應電流，其輻射波與入射波極化方向不同，而且會在不同位置存在不同相位差.當入射波為線極化波時，迭加波的極化方向只在兩波相位差為π的整數倍時保持線極化，一般情況，會因相位差及極化角度差而形成橢圓極化.電磁波的繞射也會引起極化的偏轉，偏轉程度與障礙物邊緣形狀有關.電波的極化偏轉具有很強的隨機性，接收天線與電波極化方向不匹配時，會引起信號的隨機衰落，影響網絡連通性.

利用基于有限時域差分法的AMDS軟件對工業環境433 MHz電磁波的傳播過程進行仿真，并設計了一種測量平臺進行實測驗證.

3.1測量裝置及測量方法

在測量裝置中，將配備433 MHz偶極天線的無線傳感器網絡節點固定在測量平臺上，在電機驅動下改變俯仰角和方位角，利用節點電路中射頻芯片CC1100的接收電平指示功能對電場強度進行測量，并通過無線方式將測量結果送出.為減弱裝置本身對電磁波的散射影響，平臺的支撐結構均為竹木材質，電機位于結構的最底端，距離測量平臺1 m左右.

圖2 電矢量末端軌跡與接收場強曲線Fig.2 Tip trajectory of E-field with received power

時諧場中電場矢量的末端軌跡為一空間橢圓，這種軌跡無法直接測得.天線接收到的信號，是電場矢量在天線上的投影.改變天線方向，當接收幅值最大時，天線所處方向即為電矢量末端軌跡橢圓的長軸方向，而接收幅值最小時，天線方向為橢圓的短軸方向，通過長短軸的方向及接收幅度，即可再現電場矢量的末端軌跡(圖2).圖2(a)中，坐標原點存在橢圓極化的電磁波，A為電場矢量末端軌跡，B為接收場強隨天線角度變化的曲線.圖2(b)則為坐標原點存在線極化波的情況.

3.2實際工業環境極化方向仿真與測量

為研究工業環境電波極化方向的偏轉，選擇某機械加工車間作為實際工業環境，進行仿真和測量，所使用發射天線均為垂直極化.圖3為3個典型位置的仿真和測量結果，其中測點1位于電波直射區，測點2位于設備陰影邊緣，測點3位于設備陰影中心.為方便分析，圖3給出仿真和測量結果在直角坐標各平面中的投影，并且由于只關心偏轉角度，將幅值進行了歸一化處理.

圖3中，細實線是未受任何干擾時天線接收信號的幅度曲線，稱為標準信號.由于垂直極化波在水平面內的投影是一個點，因此在YX平面中，標準信號為原點處的一個點.

圖3 天線接收信號強度仿真及測量結果Fig.3 Simulation and measurements of received power

圖4 極化方向分布圖Fig.4 Distribution of polarization direction

仿真結果表明，電磁波經過金屬設備時，會受其影響而發生極化角度偏轉，并且極化模式也可由線極化轉為橢圓極化.由圖3看出，實測數據與仿真結果能夠較好地吻和，因此測量裝置及方法是有效可行的.

為統計電波極化方向的偏轉角度，利用測量裝置，對實際工業環境中11個隨機位置進行了測量，并統計各位置接收信號強度最大時天線所處角度，作為該位置電波的極化方向.由于極化方向沒有極性，因此極化方向的仰角可全部取為小于等于90°的值.圖4將11個測量位置的極化方向單位矢量在坐標平面中標出，三角號、圓圈和星號分別表示發射天線X向、Y向和Z向放置時的測量結果.由圖4可知，由于工業環境設備形狀的多樣性，電磁波極化偏轉隨機性很強，可認為具有各態歷經性.

3.3極化偏轉引起的信號衰減

圖5 工業環境極化衰減測量Fig.5 Measurements of polarization in industrial environment

為定量分析接收天線與電磁波極化方向不匹配時產生的極化衰減，在實際工業環境中隨機選擇32個位置，進行場強測量.測量時，發射天線保持豎直放置，使用測量裝置在各測點測量天線在各個朝向的接收電平，并統計最大值，與接收天線豎直放置時的結果進行對比，兩者差值即為天線方向失配引起的極化衰減.測量結果如圖5所示.

圖5表明，接收天線與電波極化方向匹配時，信號衰落在10 dB之內，主要由路徑衰減、陰影效應和多徑效應引起，當使用豎直天線接收時，還受到電波極化偏轉所帶來的隨機衰減，兩曲線差值即為極化衰減.由測量結果統計得到極化衰減均值為5.4 dB，并在某些位置達到13 dB.因此，極化偏轉引起的信號衰落，是工業環境設備密集區域無線通信面臨的重要問題.

4 信道交叉極化分辨率

極化分集是無線通信經常使用的一種天線分集方式，由于對天線的間距要求低，在體積受限的應用中具有很大優勢.極化分集的增益來自于極化偏轉帶來的能量耦合.能量耦合可由交叉極化分辨率XPD描述.XPD是指發射單一極化電磁波時，接收點電場的同極化分量與交叉極化分量的功率比，以分貝表示.XPD值越低，帶來的分集增益就會越高.Eggers等[9]研究了GSM系統XPD與極化分集增益的關系，并給出在交叉相關系數為0，接收分集為選擇式合并時，分集增益隨XPD變化的曲線，表明XPD每下降1 dB，分集增益將獲得約0.5 dB的提高.Helhel等[10]分別在一般城鎮、建筑物密集城鎮及森林地區三種典型室外環境對GSM系統的XPD值進行了測量，結果分別為4.16，2.70，6.36 dB.

在工業環境中，由于極化方向發生隨機偏轉，兩個交叉極化方向的信號互相轉化，幅度相當，因此XPD值很低，并有可能出現負值(主極化能量低于其交叉極化能量).在工業環境中測量收發天線多種方向組合的接收功率，并計算XPD值，結果如表1所示.

表1工業環境設備密集區域XPD值

Tab.1XPDof industrial environments with dense equipments dB

XPDxyXPDyxXPDxzXPDzxXPDyzXPDzy-2.500.930.021.112.501.86

注： 下標表示XPD所考慮的兩個方向.

由表1看出，在設備密集的工業環境，XPD值低于Helhel等[10]所測量的各種室外環境，而且出現了負值，表明極化分集具有很大的增益提升空間.因此，采用極化分集技術，可以有效抵抗工業環境信號的隨機衰落.

5 結論

對工業環境設備密集區域進行的路徑幅度衰減測量表明，由于工業環境存在大量反射波，電波的路徑幅度衰減低于自由空間傳播情況，γ為1.33，由于無線傳感器網絡的覆蓋范圍一般在十幾米到幾十米之間，距離帶來的幅度衰減對通信的影響較弱.同時，由于433 MHz電磁波繞射能力較強，在工業環境的設備陰影區，仍然會存在一條主入射徑，因此不會形成瑞利衰落.金屬設備表面的尺寸與電波波長相當時，不規則的設備形狀對電磁波形成大量散射，在靠近設備的區域相互迭加形成萊斯衰落，而在遠離設備的區域，由于散射波的衰減，信號幅度由萊斯分布轉向方差極小的正態分布.電波極化方向受設備影響發生隨機偏轉，平均產生5.4 dB的信號衰落，并在某些區域達到13 dB，導致通信受阻，成為工業環境信號衰落的重要組成部分.電磁波極化偏轉帶來信號衰落的同時，也大幅降低了交叉極化分辨率，這對提高極化分集增益是有利的，可通過設計適用于工業環境無線傳感器網絡的極化分集方案，提高信道增益，保證網絡通信暢通,加強網絡的性能魯棒性.

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ResearchontheChannelCharacteristicsofWirelessSensorNetworksinIndustrialEnvironments

LIU Feng1， PEI Hong-xing2， WANG Qing-san3, LI Min1, YANG Jian-hong1

(1.SchoolofMechanicalEngineering,UniversityofScience&TechnologyBeijing,Beijing100083,China;2.SchoolofPhysicsandEngineering，ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China,3.NanyangThermoelectricLimitedLiabilityCompany,Nanyang473000,China)

Measurements of radio propagation path loss and small scale fading were carried out in a machining workshop. Simulation of polarization rotation of electromagnetic waves was performed,which was also verified by a test platform. The results suggested that,in the industrial environment with dense metallic equipments,the propagation path loss factor was about 1.33,which was lower than that in free space. The signal envelopes conformed to the Rice probability distribution near the equipments with complex shapes,however,far from the equipments,they conformed to the normal distribution with very low variance. The huge random polarization rotation of electromagnetic waves,which was induced by the metallic equipments,maked the wireless signal attenuation with the mean level of 5.4 dB and the maximum level of 13 dB,meanwhile,decreased the cross polarization discrimination. Well designed polarization diversity schemes should be applied to fight the random fading and thereby enhanced the robustness of the wireless sensor networks.

industrial environment;wireless sensor network;path loss;multi-path effect;polarization rotation

TN 923

A

1671-6841(2011)04-0039-05

2011-01-06

國家自然科學基金資助項目，編號50674010； 國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目，編號2007AA04Z169.

劉鋒(1976-)，男，博士研究生，主要從事工業無線傳感器網絡研究，E-mail:feng007liu@163.com.