野外復(fù)雜環(huán)境中WSN信道傳播特性的實驗與分析

盧國秀

摘 要：為了解決野外復(fù)雜環(huán)境中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN） 規(guī)劃與快速部署問題，選擇典型的野外環(huán)境進行實地測試，復(fù)雜環(huán)境因素包含平坦地面、起伏山地、重植被、草木、雨天、晴天、高溫環(huán)境等多種混合情況。基于無線信道傳播特性與連續(xù)無線電波在通信碼率、天線增益、調(diào)制擴頻方式、數(shù)據(jù)包長度和通信距離等多參數(shù)固定的前提下，研究野外復(fù)雜環(huán)境中WSN 2.4G射頻信號的傳播模型和衰減規(guī)律，指導(dǎo)WSN 部署。在實驗過程中對發(fā)送、接收端間的不同距離與不同收發(fā)天線高度的無線信道路徑損耗的大尺度傳播特性進行實地測試，從而進一步探究2.4 G無線信號通信傳播與環(huán)境因子、通信距離間的模型。對實驗測量數(shù)據(jù)使用最小二乘數(shù)法擬合并做線性回歸分析，實驗結(jié)果對比表明，野外復(fù)雜環(huán)境中無線信號在不同高度、不同氣候傳播空間中的信道模型相差較大，不能套用單一的傳播對其定義。實驗結(jié)果對于深入研究野外復(fù)雜環(huán)境中快速部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的問題有一定的幫助與現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：WSN；野外復(fù)雜環(huán)境；信道傳播；大尺度衰落模型；路徑損耗

中圖分類號：TN911.6；TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）02-00-04

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wirless Sensor Network，WSN）作為一種新型的應(yīng)用廣泛、內(nèi)聚多種先進技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)，憑借其無需布線、網(wǎng)絡(luò)自組織、功耗低、智能性強、可擴展性強等顯著優(yōu)點，為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事和自然環(huán)境監(jiān)測、動物研究、智能家居等的分布式監(jiān)控系統(tǒng)提供了強有力支持的解決方案。

隨著WSN的逐步應(yīng)用，基于各類WSN應(yīng)用環(huán)境中無線信道傳播特性的試驗開始得到關(guān)注。2012年，將草原地表環(huán)境中的無線信道路徑損耗作為試驗對象，測定了2.4 GHz無線信號的傳播特性[1]；2013年，岳學(xué)軍等研究橘園WSN信號衰減模型，選433 MHz與2.4 GHz載波頻率，基于連續(xù)無線電波在通信碼率、天線增益、調(diào)制擴頻方式、數(shù)據(jù)包長度和通信距離等多因素作用下分析WSN射頻信號在橘園的衰減[2]。

可以看出，雖然對野外無線信道的傳播特性進行了一部分研究工作，但針對不同混合復(fù)雜因素的野外環(huán)境中無線信道傳播特性的研究工作很少，尤其對2.4 GHz無線信道的傳播特性在野外復(fù)雜環(huán)境中缺乏足夠的認(rèn)識，暫時沒有給出傳播特性的明確描述和具體模型。

在野外部署環(huán)境中，地形環(huán)境較為復(fù)雜，不同坡度的山地高低起伏，不同高低的障礙物稀疏分布，如土堆、雜草、樹木，不同深度、寬度的植被高低錯落分布，還包括惡劣環(huán)境氣候因素等。這些不確定因素都會對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信號的傳播造成一定影響，而將大量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署在地表，必然會造成較差的網(wǎng)路連通和鏈路質(zhì)量，因為這種情況不能采用已有理想環(huán)境中的無線信道傳播模型來預(yù)測和估計節(jié)點之間的連通度和網(wǎng)絡(luò)工作情況。所以要實現(xiàn)在野外復(fù)雜環(huán)境中部署低冗余、高效能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，必須對應(yīng)用環(huán)境中的信道模型有較為真實的了解[3-5]。

目前野外復(fù)雜環(huán)境下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)距離成熟應(yīng)用還存在很大差距。其中，無線網(wǎng)絡(luò)、無線節(jié)點、無線信號都易受環(huán)境、氣候、地形地貌等諸多不確定因素的影響，同時也存在時間變異性大、空間變異性大等不穩(wěn)定因素，導(dǎo)致無線信號的高效傳輸、數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集等重要性能倍受挑戰(zhàn)。

從目前問題的研究現(xiàn)狀看，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計、實現(xiàn)、性能優(yōu)化等多個階段，節(jié)點覆蓋范圍、鄰居節(jié)點度等重要網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的準(zhǔn)確評估取決于對信道傳播模型的分析與仿真，同時，一般無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)都需要提供定位信息，定位技術(shù)中基于接收信號強度指示的定位方法也通過信號衰落與距離之間的關(guān)系來實現(xiàn)測距。因此，一個合適的信道傳播模型會對整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計產(chǎn)生重要影響。

1 2.4 GHz射頻信號野外傳播特性

電磁波在實際空間中傳播時易受大氣及周圍地面環(huán)境（樹林、山地和障礙物）等因素的影響。電磁波傳播路徑方式按照傳播過程中障礙物的分類可分為視距 （LOS）和非視距（NLOS）被阻擋兩種情況，當(dāng)傳播路徑為視距時，沒有障礙物對能量產(chǎn)生吸收、反射和折射，主要為直射波傳播。

當(dāng)環(huán)境中存在高低起伏的山坡、樹林和障礙物等復(fù)雜環(huán)境因素時，不僅無線電波的傳播方式變得復(fù)雜，同時導(dǎo)致信號衰減的因素也增多。由于地形遮擋、障礙物遮擋、樹林遮擋等因素，電磁波會出現(xiàn)直射、反射、折射、衍射的多形式傳播，而在傳播過程中造成信號衰減的因素主要包括大氣吸收衰減、雨霧衰減、植被樹林衰減、地形造成的衰減。由于野外環(huán)境的復(fù)雜性，山坡高度、坡度特征、植被種類、植被高度、植被密度、環(huán)境溫度、大氣相對濕度以及發(fā)射和接受天線的架設(shè)高度、增益等因素也會對信號的傳播產(chǎn)生一定的影響。根據(jù)信號傳播過程中的傳播衰減特性，可以將該環(huán)境中信號的傳播方式分為兩種，即大尺度信號衰落和小尺度信號衰落，所謂大尺度信號衰落是指當(dāng)發(fā)射信號移動通過的距離相對較長時產(chǎn)生的衰落現(xiàn)象，大尺度信號衰落產(chǎn)生的原因包括無線信號傳播的遠(yuǎn)距離路徑損耗和傳播途徑的稀疏障礙物對信號傳播造成的陰影效應(yīng)。障礙物的存在導(dǎo)致信號在傳播過程中形成陰影而無法覆蓋全部傳輸范圍的衰落情況稱為陰影衰落，它與路徑損耗同為慢衰落。

1.1 路徑損耗理論模型

1.1.1 基于自由空間的路徑損耗模型

自由空間信號傳播是指天線周圍為無障礙的空間，無線通信信號所攜帶的能量不會被障礙物吸收，在傳播過程中不產(chǎn)生反射或散射。當(dāng)無線信號經(jīng)過一段路徑傳播之后，由于輻射能量的擴散將導(dǎo)致信號衰減，其路徑損耗因子n=2，在實際環(huán)境的具體應(yīng)用中，只要信號傳播途徑的空間大氣層是各向同性的均勻媒質(zhì)，這樣的信號傳播就可以被認(rèn)為是自由空間傳播。自由空間中距發(fā)射端d處的接收信號功率計算公式為：

1.1.2 雙折線對數(shù)距離損耗模型

對數(shù)距離路徑損耗模型是經(jīng)過反復(fù)驗證的一種經(jīng)驗?zāi)Ｐ停鶕?jù)原理可分為單折線和雙折線兩種類型。雙折線模型考慮直射波和地面反射波對信號傳播的影響，無線信號分別經(jīng)過直射和地面反射到達(dá)接收點。由于兩者存在路徑差，從而產(chǎn)生附加位移，造成合成波的衰減。當(dāng)傳播距離d>，且反射系數(shù)為-1時，雙射線模型接受功率計算公式為：

由正態(tài)分布性質(zhì)和式（6）可知，在陰影衰落環(huán)境下，信號傳播距離為d時，總的能量損耗PL（d）服從以為均值，以σ為偏差的正態(tài)分布。

1.3 小尺度傳播模型

無線信號在小范圍、近距離內(nèi)傳播發(fā)生信號的幅度變化、相位快速波動等現(xiàn)象稱為小尺度衰落。對小尺度衰落有決定性影響的作用因素包含周圍物體的運動速度、信號傳輸帶寬、多徑傳播等。這種衰落的不確定性大且隨機性大，較為復(fù)雜，只能在特定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中使用統(tǒng)計的方式來描述。在野外復(fù)雜環(huán)境中布設(shè)的無線傳感器節(jié)點一般不具有移動能力，而且2.4GHz頻段的網(wǎng)路采用直接序列擴頻（DSSS）技術(shù)實現(xiàn)，其具有良好的保密性、靈活的信道分配能力以及較強的抗多徑、多址干擾能力，所以實驗只需要測定信號傳播過程中移動物體對信號衰減的影響即可。

2 實驗環(huán)境及測試方案

野外復(fù)雜環(huán)境的無線信號傳播穩(wěn)定性和可靠性嚴(yán)重受到多變環(huán)境因素的影響，主要表現(xiàn)為無線信號在傳輸過程中遇到各種各樣的干擾和損耗，如無線信號在傳輸過程中會受到地形地貌、植被高低密度、發(fā)射和接受節(jié)點的高低、環(huán)境氣候等多方面的影響。無線信號的傳播機制復(fù)雜多變，由于信號發(fā)生了反射、折射、衍射、被吸收等導(dǎo)致了信號的嚴(yán)重衰落，而目前的各類已有研究中并沒有完整的對野外環(huán)境中多種復(fù)雜情況信道的傳播特性進行具體測定。因此，為了實現(xiàn)野外復(fù)雜環(huán)境中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署設(shè)計，首先需要清楚測定2.4 GHz的無線信號傳播、衰減的具體特性，以方便為接下來的研究工作提供指導(dǎo)。

2.1 測試場地與設(shè)備示意圖

選擇北京工業(yè)大學(xué)東南角一塊范圍較為廣闊的綠化區(qū)作為試驗場地。地形為起伏山坡，種植的樹木主要為葉型豐富的楊樹與松樹，樹木高度可達(dá)15 m左右，接近山坡表面也有高度為1.5 m的茂盛灌木，植被密度分布不均，隨機性較大，這樣的環(huán)境對于實驗來說更為接近真實的野外環(huán)境。測試場地示意圖如圖1所示。

實驗硬件包含PC機、ZigBee2530收發(fā)節(jié)點兩個，仿真器一個，手持頻譜分析儀（H600）一臺。發(fā)射機為自制的ZigBee無線發(fā)送接收節(jié)點，采用TI公司的CC2530模塊，除了具備ZigBee協(xié)議通信功能，還集成了增強型8051單片機較強的處理能力；工作功率為2.4 GHz，發(fā)射功率為4.5 dBm；接收機同為自制類型的ZigBee節(jié)點，連接PC機，同時接收端的頻譜分析儀負(fù)責(zé)接收和采集信號強度數(shù)據(jù)，PC機負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲，也可同時顯示當(dāng)前的誤包率、RSSI值和接收的數(shù)據(jù)包個數(shù)；采用一對全向天線作為收發(fā)天線，通過低損耗同軸電纜與發(fā)射機、接受機連接，增益為2 dBi；使用軟件包括IAR 8.10集成開發(fā)環(huán)境、TI的SMartRF Studio 7通信測試軟件、串口調(diào)試助手、Matlab數(shù)據(jù)擬合。測試設(shè)計的ZigBee發(fā)送接收節(jié)點設(shè)備如圖2所示。

2.2 信號傳輸特征測試方案

（1）在測量實驗中，將發(fā)射端節(jié)點的天線高度分別設(shè)置為0.3 m、1 m，接收天線高度分別為0.3 m、1 m、2 m，可以進行收發(fā)高度對等、不對等情況下的信號強度測量；

（2）在實驗過程中，發(fā)射機的位置固定不變，接收機沿直線移動，測量到距離發(fā)射機100 m的位置，采用手持式頻譜分析儀沿直線接收信號，前10 m每隔1 m作為一個測點，之后每隔2 m為一個測點，依次測量過程中的55個測點，每個測點重復(fù)采集100次信號強度數(shù)據(jù)，每個測試點均接收發(fā)射節(jié)點發(fā)送的200個數(shù)據(jù)包，統(tǒng)計其平均信號強度RSSI值、誤包率作為信號衰減數(shù)據(jù)。

（3）由于傳感器節(jié)點在實際應(yīng)用中位置不變，不具有移動性，因此接收機在測量信號強度時也保持靜止?fàn)顟B(tài)，另外實際模擬時變、空變環(huán)境，如果測量環(huán)境周圍出現(xiàn)運動物體則會發(fā)生信號的小尺度衰落情況，若沒有移動物體，則可將測量環(huán)境認(rèn)定為一個緩慢的時變信道。

3 測試結(jié)果與分析

測量結(jié)束后對原始數(shù)據(jù)進行處理，去除奇異點，求取各測試點數(shù)據(jù)的均值，減少快衰落對測定的影響，初步判定無線信道的路徑損耗與對數(shù)距離仍存在線性關(guān)系的分布，對測試數(shù)據(jù)進行回歸處理時，采用基于最小二乘法準(zhǔn)則的線性回歸算法對測量樣本數(shù)據(jù)結(jié)果進行擬合分析，參考已有文獻(xiàn)，將實驗數(shù)據(jù)擬合結(jié)果與路徑損耗中的多種經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦M行對比、驗證。

由圖3的回歸結(jié)果可以看出，天線高度對等且存在LOS視距傳播的情況下，雙折線模型與實驗結(jié)果曲線趨勢相似；但對于天線高度幾乎貼近地表且發(fā)射端與接受端天線存在不對等的情況下，由于植被遮擋、發(fā)射端接近地面，導(dǎo)致存在NLOS非視距傳播，由回歸曲線看出，雙折線模型在此類測定情況下現(xiàn)有模型并不適用。

從圖4可以看出，晴天環(huán)境下隨著通信距離的增加，無線信號強度衰減，接收端節(jié)點接受到數(shù)據(jù)包情況顯示發(fā)送成功率逐漸下降。從10 m到40 m，再到60 m，數(shù)據(jù)包的發(fā)送成功率呈現(xiàn)緩慢下降趨勢但保持平穩(wěn)，在40 m距離下成功率為95%左右，在60 m距離下成功率為93%左右。

在雨天環(huán)境下，曲線驟變較大，通信成功率迅速降低，數(shù)據(jù)丟包率在40 m距離時發(fā)生明顯增加，發(fā)現(xiàn)在40 m距離處數(shù)據(jù)包的發(fā)送成功率僅為22%左右；當(dāng)通信距離為60 m時，信號衰減更厲害，已經(jīng)接受不到任何信號，丟包率為100%，通信成功率為0。這些數(shù)據(jù)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于晴天時數(shù)據(jù)通信的成功率。由此可以看出，雨天的無線數(shù)據(jù)通信質(zhì)量明顯受到影響，因此也應(yīng)該將雨天環(huán)境中的影響因子引入到信號衰減模型中做進一步的定量分析。

4 結(jié) 語

由分析結(jié)果可知，雙折線模型適用于野外環(huán)境中無線節(jié)點間天線高度接近對等且相對離地面較高、存在LOS視距傳播的環(huán)境中，但由于極低的天線高度及完全貼近地表的傳播模型應(yīng)采用單折線損耗模型，本文同時給出了多種典型場景中的模型參數(shù)。野外復(fù)雜環(huán)境中無線傳感網(wǎng)信道傳播模型的測定還有待進一步完善，同時還需測定有關(guān)小尺度衰落特性，為設(shè)計高能效的通信方案打下基礎(chǔ)。為了達(dá)到在野外復(fù)雜環(huán)境中部署穩(wěn)定性高、耐受性高的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，除了對應(yīng)用環(huán)境中的信道傳播特性建立符合實際的模型，并基于該模型建立無線傳感網(wǎng)絡(luò)仿真研究平臺來探究部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各項性能。

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