低空信道對無線傳感器網絡的影響分析*

孔祥善,趙德光,王代華,張志杰

(中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051)

近年來,傳感器技術與無線射頻技術的融合,以及同互聯網的連接,使得無線傳感器網絡作為新型的綜合信息系統在測試測量中得到了廣泛的應用。為了實現對布設環境中物理信號的監測,很多時候都需將無線傳感器節點置于地表或低空環境中。然而,對于特殊的測試環境,即使沒有復雜的地形地勢,兩點間的無線電波性能也會受到很大的影響[1]。目前,國內外對無線傳感器網絡信道傳播特性與建模的研究已越來越關注,但現階段的工作主要集中在水下和地下無線傳感器網絡等方面,對于地表無線傳感器網絡電波的傳播特性還未給出明確的定義和具體的分析模型[2]。

那么針對地表無線傳感器網絡的信道特性還能否利用傳統微蜂窩無線信道模型進行建模呢?本文基于此,對地表低空收發天線的路徑損耗進行了現場實測,并對測試結果進行了線性擬合分析。最終得出了一些有助于研究低空無線傳感網絡中信號的傳播特性和規律。

1 無線傳播分析和對數損耗模型介紹

1.1 無線傳播特性分析

無線電波主要通過直射波,反射波,繞射波,散射波和地表面波等的方式傳播。在分析空曠地無線傳播時主要考慮直射波和反射波的影響[3]。通常我們將無線信號的衰減分為路徑損耗、陰影衰落和多徑衰落三類。路徑損耗與傳播距離成正比;在傳播的過程中無線電波遇到障礙物阻擋時,會產生服從對數正態分布的陰影衰落(慢衰落);信號在傳播的過程中還會產生服從瑞利分布的多徑衰落(快衰落)[4-5]。

1.2 對數距離路徑損耗模型介紹

大量的實測數據分析表明,平均路徑損耗是距離的對數函數,也即可以用對數距離路徑損耗模型來描述信號的變化[5-6]。通常,對數距離路徑損耗模型可分為單折線和雙折線兩種情況。

模型中L(d)表示傳播路徑損耗;L(d0)表示參考點處的傳播路徑損耗,一般取 d0為 1m;n1、n2、n表示路徑損耗指數;db表示突變點距離[6],雙射線模型中認為 db為第一菲涅耳區被阻擋的距離[7]。在雙折線模型中,突變點將傳播路徑分成兩個截然不同的區域。突變點前的近場,由于地面反射波的影響,接收信號電平斜率衰減較緩慢但變化劇烈;突變點后的遠場,無線電信號電平變化緩慢但斜率衰減增大[6]。

由于陰影衰落的影響,還需在模型后加 Xσ修正。Xσ表示由陰影衰落引起的樣本標準差,它符合零均值的高斯分布[8]。

2 低空無線信道的建模與仿真

2.1 測試方法的建立

為了提高測試的精度和方便記錄數據,在路徑損耗測試中采用可以穩定輸出 RF信號的無線網卡和自動接收并記錄信號電平的專用測試軟件來完成。測試硬件選用 Dell wireless 1390 WLAN Mini-Card無線網卡[9]。測試中將其配置為 IEEE802.11b標準(DSSS),額定輸出功率 19 dBm,11信道輸出,中心頻率 2 462 MHz。無線網絡監測軟件選用WirelessMon3.1 Professional。

測試時將發射端固定,無線網卡設置成軟 AP,建立起點對點的無線局域網。接收端用配有無線網卡和無線接收軟件的筆記本電腦對某處的平均接收功率值測試。根據衰落變化規律,信號隨機變化的統計服從對數正態分布。因此在測試中假設收發節點均處于靜止狀態,并且周圍沒有大量運動物體,從而使測量更能在平均意義上反映路徑損耗的特征[10]。實驗中,根據傳感器網絡在室外的典型應用,發射端天線分別選取了 3 cm、50 cm和 1m三種不同的高度。為了保證信號的穩定性,采樣時,每個樣點的容量約 50～100個。測試時,盡可能地保持了測試環境和測試手段的一致。

2.2 地表無線信道的實測、建模與仿真

本文選取具有代表性的室外平坦開闊地進行實測,開闊地長寬約為 80m。測試時將發射端分別固定在不同高度處,接收端保持 50 cm的恒定高度。下表所示為同一環境下不同天線高度時測得的接收電平值隨距離的變化情況,表中 ht為發射端天線高度,D(m)為接收端距離,LSL為該點處接收功率的平均值。

表1 ht=1m時測得的接收功率

表2 ht=50 cm時測得的接收功率

表3 ht=3 cm時測得的接收功率

在對數距離路徑損耗模型的基礎上,利用最小二乘法擬合得到不同天線高度下的路徑損耗曲線如圖 1所示。

圖1表示接收功率與距離間的關系,曲線為不同天線高度時采樣點的擬合。圖 2中的曲線為對數距離同路徑損耗的關系,從圖中可以直接獲得擬合后的對數距離路徑損耗參數。曲線的波動主要是由測試環境中的陰影衰落引起的[11]。

圖1 不同天線高度下接收功率同距離的關系

圖2 不同天線高度下對數距離路徑損耗曲線

通過對實測數據擬合得到該環境下不同天線高度時的參數如表 4所示。

表4 曲線擬合結果

分析表明,地表低空信道中,由于極低的天線高度及沿地表傳播,導致了突變點以及前后路徑損耗指數極大的變化。完全貼近地表的傳播模型因采用單折線模型;存在 LOS徑,相對較高的低空傳播模型因采用雙折線模型。利用實驗結果擬合得到如下的模型。

根據所擬模型可知,參考點處的路徑損耗隨天線高度下降而增加;突變點的位置隨天線高度下降而減小;隨著天線高度的降低,路徑損耗指數 n不斷增加,這表明傳輸環境逐漸惡劣。通過分析相關系數可以看出,對數高斯陰影分布的分析模型仍適用于地表低空信道中。利用擬合的模型可以預測距發射端不同距離處的接收功率值[12]。

2.3 擬合模型與現有模型的對比分析

最后將擬合后的對數模型帶入到 MATLAB中同現有的 Okumura-Hata模型和 COST231-Hata模型進行對比分析。圖 3表示不同天線高度下擬合模型與現有模型的對比分析圖。圖中縱向坐標表示路徑損耗 Loss,單位 dB。橫向坐標表示接收端距發射端的距離 D,單位 m。

圖3 不同天線高度下擬合模型與現有模型的對比分析圖

通過對比分析得出,在同一位置時(例如 ht=1m,d=40 m處：COST231模型預測 Loss為26.97 dB,Hata模型為 65.98 dB,擬合所得對數模型為89.29 dB,而實測得到的為 89.79 dB。)對數擬合模型預測的路徑損耗同實測得到的路徑損耗最為接近,且越靠近地面,路徑損耗差值和損耗值越大。因此,在近地環境下直接套用現有模型是無法準確預測無線傳感器網絡覆蓋范圍的。

3 結論

本文在 MATLAB中利用最小二乘法對實測數據進行了擬合處理,得出了低空架設天線時的路徑損耗模型。測試和擬合結果表明,地表無線信道與傳統蜂窩無線信道存在較大差別,因此不能直接套用現有模型對低空信道環境進行電波預測,但其傳播特性仍可采用對數距離損耗模型進行表征。

根據實測得到的路徑損耗模型,可以預測特定環境下任意點處的接收功率,從而得到無線傳感器網絡的覆蓋范圍,為無線傳感器節點的部署提供依據。

[1]沈杰,姚道遠,黃河清,等.野外地表無線傳感網信道傳播模型的測定與分析[J].光學精密工程,2008(1)：141-149.

[2]Lucani D,Medard M,Stojanovic M.Underwater Acoustic Networks：Channel Models and Network Coding Based Lower Bound to Transmission Power for Multicast[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2008,26(9)：1708-1719.

[3]李偲鈺,高紅菊,姜建釗.小麥田中天線高度對 2.4GHz無線信道傳播特性的影響[J].農業工程學報,2009(10)：184-189.

[4]Joshi G G,Dietrich C B,Anderson C R,et al.Near-Ground Channel Measurements Over Line-of-Sight and Forested Paths[C]//IEEE Proceedings of Microwave Antennas Propagation,2005,152(6)：589-596.

[5]楊大成.移動傳播環境[M].北京：機械工業出版社,2003：115-120.

[6]Henry L Bertoni.Radio Propagation for Modern Wireless Systems[M].Publishing House of Electronics Industry,2001：328-330.

[7]周莉娟,陳光柱,羅成名.采煤工作面無線傳感器網絡的無線通信信道建模[J].傳感技術學報,2010(5)：722-726.

[8]董齊芬,馮遠靜,俞立.基于移動信標節點的無線傳感器網絡定位算法研究[J].傳感技術學報,2008,21(5)：823-827.

[9]蔣學勤.移動通信電波路徑損耗測試[J].貴州大學學報：自然科學版,2005(2)：96-99.

[10]Fort A,Desset C,De Doncker P,et al.An Ultra-Wideb and Body Area Propagation Channel Model-From Statistics to Implementation[J].IEEE Trans Microwave Theory and Tech,2006,54(4)：1820-1826.

[11]謝益溪.無線電波傳播[M].北京：人民郵電出版社,2008.22-25.

[12]陳一天,余愛民.2.4GHz無線局域網在室內外傳播的路徑損耗分析[J].電訊技術,2005(1)：35-39.