不規(guī)則針葉林中不同方向無線信號傳播特性

陳明 李東虎 楊靖

摘要：為解決針葉林中無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點部署、網(wǎng)絡規(guī)劃、定位等問題，以不規(guī)則馬尾松為研究對象，研究433MHz無線信號在不同方向的傳播特性。實地測量了12個方向、8個高度、9個通信半徑的接收功率。對實驗采樣數(shù)據(jù)進行回歸分析，建立環(huán)境因素的路徑損耗模型。結(jié)果表明，在不同接收角度上、不同接收高度上，路徑損耗符合對數(shù)衰減模型，當h=2.0m時，路徑損耗最小，等通信半徑上接收功率封閉曲線畸變程度最小。為野外不規(guī)則針葉林環(huán)境中無線傳感網(wǎng)絡的部署、網(wǎng)絡規(guī)劃、定位提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡：433MHz無線信號：針葉林

0 引言

隨著通信技術(shù)不斷發(fā)展，無線通信技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域、智能家居、林業(yè)領(lǐng)域均有應用。無線電波在自由空間傳播，通過無線信道實現(xiàn)信息交換。因其功耗低，無線信號在傳播過程容易受天氣、地形、溫度、環(huán)境等因素的影響。為了能將無線傳感器網(wǎng)絡更好地應用于林業(yè)領(lǐng)域，研究人員對無線傳感器網(wǎng)絡在林業(yè)方面的應用做了研究。馮鵬飛等研究了人工白皮松林中不同頻率無線信道在針葉林中的傳播特性，得出433MHz頻段無線信號優(yōu)于其它頻段的結(jié)論。劉海洋等研究了433MHz無線信號在人工中齡樟子松林中的傳播特性，得出不同密度中齡樟子松中最佳天線高度、傳播距離分布特征。但樟子松林為人工林，排列較為整齊，不能很好地適用于野外不規(guī)則松林環(huán)境。郭秀明等研究了2.4GHz無線信號在蘋果園中不同高度的傳播特性，得出在每一個水平高度層上，路徑損耗符合對數(shù)衰減模型。由于蘋果樹屬于人工種植經(jīng)濟果木，樹木間的排列較為整齊，樹冠較低，樹木生長條件較為理想，和野外的林地環(huán)境相差較大。文韜等研究了按需要排布的盆栽柑橘在不同植被深度、天線高度、通信距離下433MHz無線信號衰減情況，建立環(huán)境因素、傳播距離間線性模型，得出不同天線高度、植被深度、通信距離共同作用下的最佳天線高度參照表，為無線傳感器網(wǎng)絡的部署提供理論依據(jù)。但盆栽體積較小，樹高較低，實驗屬于理想實驗，并不能很好地表征野外自然生長的環(huán)境。周建軍等研究了2.4GHz無線信號在番茄連棟溫室中不同生長階段（花期、初果期）、方向、高度上的衰減情況，得出在不同時期2.4GHz無線信號路徑損耗均符合對數(shù)衰減，在同一高度行方向路徑損耗最小，同一方向上節(jié)點高于冠層以上損耗小。李萍萍等研究2.4GHz無線信號在青椒不同方向、不同角度下的傳播特性，得出在不同方向和角度下路徑損耗均符合對數(shù)衰減模型。

綜上所述，現(xiàn)有的研究都是在較為理想的人工環(huán)境下得出。沒有考慮到不規(guī)則針葉林環(huán)境中。不同傳播方向?qū)β窂綋p耗影響情況。因此研究無線傳感器網(wǎng)絡在不規(guī)則針葉林中不同方向的路徑損耗情況很有必要。為解決無線傳感器網(wǎng)絡在不規(guī)則松林環(huán)境下部署問題，研究了433MHz無線信號在松林中不同方向的路徑損耗情況。測試了12個方向、8個高度、9個通信半徑的接收功率，對測試結(jié)果進行分析和處理。結(jié)果表明在同一高度和通信半徑不同接收角度上，接收功率形成的封閉曲線并不是一個標準的圓，不同方向上存在不同程度的畸變;同一方向不同高度上路徑損耗符合對數(shù)衰減，為進一步研究無線傳感網(wǎng)絡在野外不規(guī)則松林中節(jié)點部署提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1 實驗環(huán)境

測試地點位于貴州省貴陽市花溪區(qū)郊區(qū)地勢較為平坦的馬尾松林。由于其生長狀態(tài)無人工干預，因此樹木的排列不規(guī)則。馬尾松樹的樹高均大于10m，在樹的底層為低矮灌木叢及雜草，灌木在1.6m及以下均有分布，但大部分灌木主要集中在0.75m附近，灌木葉層主要集中在這一高度。因為其排列是無規(guī)律的分布在不同方向上，在不同的傳播方向上對無線信號的影響均存在差異，這導致無線信號在馬尾松林中會同時存在著直射、反射、折射、繞射等多種傳播。因此，在傳播過程中就會存在反射波、折射波、繞射波、直波以及這些波的合成波。

考慮到實際應用環(huán)境是不規(guī)則分布的樹林和灌木叢，采用繞射能力較強的長波，由于空氣分子原子密度不夠，容易產(chǎn)生繞射，但穿透能力較弱。松林中的樹木、灌木、雜草等都能影響無線信號的反射以及折射。

1.2 路徑損耗模型

在無線信號傳播過程中由于環(huán)境影響，會隨著傳播距離的增加接收功率會存在不同程度的損耗。在傳播過程中路徑損耗是衡量傳播性能的重要指標之一，可以通過路徑損耗（Path loss）來進行表征，計算公式（1）所示：

PLS=P_T-P_R，（1）

其中，PLS為傳播過程中的路徑損耗值（單位dB）;P_T，為發(fā)射端的發(fā)射功率值（單位為dBm）;P_R為接收端的接收功率值（單位為dBm）。接收機在自由空間中的接收功率如計算公式（2）所示：

其中，K為環(huán)境損耗因子;P_R為接收功率（單位為dBm）;P_T為發(fā)射端的發(fā)射功率（單位為dBm）;C_T為發(fā)射天線增益;G_R為接收天線增益（單位為dB）;λ為波長（單位為m）;d為收發(fā)天線間的距離（單位為m）;該模型為理想模型，要求在傳輸過程中為視距、無空間、折射、疊加、反射波，這樣的傳播環(huán)境在實際中很難滿足。因此，要研究無線信號在不規(guī)則松林環(huán)境下對無線信號傳播的影響，就需要對不同天線高度、不同接收角度以及不同的水平接收距離變化后無線信號接收功率進行測試和分析。得出無線信號在不規(guī)則松林環(huán)境下不同方向的傳播特性。

1.3 試驗場及實驗方法

由于馬尾松在各個方向的排列不同，為了能更好地體現(xiàn)自然生長的針葉林環(huán)境對無線信號傳播特性的影響。選取馬尾松林較為中間的位置為發(fā)射節(jié)點位置，以發(fā)射節(jié)點為圓心，在水平面內(nèi)選取12個不同的方向、8個不同的高度、9個通信半徑。分別將收發(fā)天線放在高度可調(diào)節(jié)的三腳架上，發(fā)射端放在圓心位置固定不動，接收端放在三腳架上，分別以1m、5m、10m、15m、20m、25m、30m、35m、40m為半徑，以30°為步進，沿逆時針方向在360°范圍內(nèi)，測試不同高度、方向和通信半徑上的接收功率。收發(fā)天線位置示意圖如圖1所示，圖中只畫出接收半徑為5m的示意圖。

本次測試設(shè)備及相關(guān)參數(shù)見表1.

測試步驟如下：

（1）將收發(fā)天線高度調(diào)至0.25m。

（2）移動接收天線，使收發(fā)天線水平距離為1m，接收角度為0°的位置上。

（3）利用手持式頻譜儀測試該位置無線信號的接收功率。

（4）沿逆時針方向，以30°為步長，重復步驟（3）進行測試，完成該接收半徑下接收功率的采集。

（5）以5m為步長，重復驟（2）-（4）操作，完成這一高度下樣本點接收功率的采集。

（6）收發(fā)天線高度以0.25m為步長，重復步驟（2）-（4）操作，完成所有樣本點接收功率的采集。

2 結(jié)果分析

2.1 同一天線高度不同接收角度對無線信號傳播特性的影響

在自然生長狀態(tài)下的不規(guī)則針葉林中。會對無線信號的路徑損耗造成不確定的影響。在無線傳感網(wǎng)絡的仿真實驗中常采用概率感知模型，認為節(jié)點的感知半徑和通信半徑都是一個規(guī)則的圓形。但本次研究是以發(fā)射節(jié)點為圓心，收發(fā)天線高度距地相同時，以30°為步進，在360°圓周內(nèi)對無限信號進行測試，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，由于樹木和灌木叢的分布不規(guī)則，導致無線信號的等通信半徑的接收功率封閉曲線并不是一個規(guī)則的圓形，在同一高度下，不同的接收角度，路徑損耗不同。接收高度為0.25m時，在210°-300°之間。路徑損耗最為嚴重。接收距離在10m時已經(jīng)衰減到-90dBm。當高度為0.5m時，路徑損耗在1m-5m之間較為嚴重，因為在這一范圍內(nèi)，大部分灌木叢葉層主要集中在這一高度。在240°-330°間。損耗較為嚴重。接收距離在10m-15m間已經(jīng)衰減到最低。當高度為0.75m時，雖然存在不同程度的畸變，但是畸變程度減小，在5m-10m之間衰減較為嚴重，在270°-300°之間稍大，主要是在這一范圍內(nèi)，部分灌木叢集中在這一高度。當1.0m

總之，在野外排列不規(guī)則的針葉林中，無線信號在不同的傳播方向上接收功率存在著差異，在同一接收半徑上。接收功率形成的圖形并不是一個規(guī)則的圓，在不同的接收半徑和不同的接收高度上都存在著不同程度的畸變。隨著天線高度的增加，畸變程度減小，當天線高度入：2.0m時，圖形畸變程度最小。

2.2 同一接收角度不同接收天線高度對無線信號傳播特性的影響

針葉林中同一接收角度不同接收高度的路徑損耗曲線如圖3所示。

由圖3可知，當天線高度h=0.25m時，路徑損耗主要受地面和雜草的影響。在0°-180°之間路徑損耗趨勢基本相同，水平距離在10m附近時接收功率已經(jīng)衰減到-90dBm，曲線波動較小，在這一角度范圍內(nèi)雜草分布較為均勻。在210°-330°度之間，水平傳播距離在10-15m之間路徑損耗較為嚴重，曲線波動較大。因為在這個角度范圍內(nèi)，樹木、灌木叢比較密集，導致路徑損耗較大。當天線高度0.25m

2.3 路徑損耗模型回歸分析

路徑損耗是衡量無線信號傳播特性優(yōu)劣的關(guān)鍵性指標，在不規(guī)則的針葉林中，無線信號傳輸容易受雜草、灌木和樹木的影響發(fā)生折射、反射和繞射。隨著距離的增加，折射、反射和繞射對無線信號傳播影響較大。在距離發(fā)射端較遠處，信號到達接收端時可能經(jīng)過多次折射、反射和繞射。隨著天線高度的增加路徑損耗降低，當天線高度高于灌木叢高度后，路徑損耗低于有灌木叢阻擋時的路徑損耗。在不規(guī)則針葉林中對數(shù)路徑距離損耗模型如公式（3）所示。

P_R=A-10n·lg d。（3）

其中，P_R為接收機的實際測量值（單位為dBm）;A為模型參數(shù);n為與環(huán)境有關(guān)的路徑損耗因子;d為收發(fā)天線間的水平傳播距離（單位為m）。研究表明，在農(nóng)業(yè)和林業(yè)環(huán)境中，無線信號的衰減都可以用該模型來預測。

用式（3）對無線信號的傳播特性進行分析，就需要確定A和n的值。利用最小二乘法對實測值進行曲線擬合，相關(guān)參數(shù)見表2-表4，其中R²為相關(guān)系數(shù)，是理論計算值和實際測量值之間的相關(guān)性指標，其值越接近1相關(guān)性越高。

各個方向上擬合相關(guān)系數(shù)R²見表1，環(huán)境影響因子見表2，模型參數(shù)見表3.

由表2可知，在不同方向和高度上，擬合相關(guān)系數(shù)都存在一定差異，當h=0.25m時，在240°-300°之間相關(guān)系數(shù)較小，主要是因為在此范圍內(nèi)，水平距離為10-15m間灌木和雜草較為密集，無線信號的傳播受到繞射、折射和反射的影響較大。當天線高度為0.5m

由表3可知，在不同的方向和高度上環(huán)境影響因子n都存在一定的差異，主要是樹木和灌木的排列不規(guī)律，樹高不整齊。n值越大，路徑損耗越大。當h=0.25m時，此時無線信號主要受到地面、雜草和低矮灌木的折射和反射，n值較大，路徑損耗較為嚴重。在h<0.75m時，n值相對于其它高度較大，主要是在這一高度范圍內(nèi)，灌木分布較多，對無線信號的反射和折射較大，導致無線信號衰減較為嚴重。當h>1.0m后，隨著高度的增加，n值減小，路徑損耗值減小，但是在同一高度不同方向上依然存在差異。

由表4可知，當天線高度為h=0.25m時，模型參數(shù)較小，主要是受到地面、雜草和灌木多種因素影響。隨著高度增加，模型參數(shù)A值增加，但是在同一高度不同方向上依然存在差異。

3 結(jié)束語

本文研究了433MHz無線信號在不規(guī)則針葉林中傳播特性，分析了傳播方向?qū)o線信號的影響，通過實地測試和對數(shù)據(jù)回歸分析，得出如下結(jié)論：

（1）在排列不規(guī)則的針葉林中，同一天線高度，不同的接收角度上，433MHz無線信號路徑損耗符合對數(shù)衰減模型。

（2）天線高度一定時，在同一接收半徑上，接收功率形成的封閉曲線并不是一個標準的圓，不同方向上存在差異，圖形存在不同程度的畸變。

（3）在同一接收角度不同的接收高度，路徑損耗均符合對數(shù)衰減。在同一接收角度上，隨著高度增加路徑損耗減小。

（4）當天線高度h=2.0m時，路徑損耗最小，圖形的畸變程度最小。

為減少底層復雜環(huán)境和接收方向?qū)o線信號傳播特性的影響。在排列不規(guī)則針葉林中部署無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點時，節(jié)點高度應高于灌木高度。