2.4GHz無線信道特性在火龍果園的試驗(yàn)與研究

曹惠茹,楊 智,薄 宏,郭中華

（1.中山大學(xué)南方學(xué)院，廣東 廣州 510970；2.中山大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510275）

2.4GHz無線信道特性在火龍果園的試驗(yàn)與研究

曹惠茹1,楊 智2,薄 宏1,郭中華1

（1.中山大學(xué)南方學(xué)院，廣東 廣州 510970；2.中山大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510275）

為解決火龍果園無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)劃和布置，研究無線網(wǎng)絡(luò)射頻信號(hào)在坡地火龍果園特定環(huán)境下的信道傳播特性和衰減模型。選用2.4GHz為載波頻率，基于ZigBee協(xié)議改變通信距離、發(fā)射功率、數(shù)據(jù)包長度、天線高度等多項(xiàng)參數(shù)，試驗(yàn)和分析無線信道在約35°坡地果園中的接收信號(hào)強(qiáng)度和平均丟包率；建立接收信號(hào)強(qiáng)度和環(huán)境因子、通信距離間的數(shù)學(xué)模型；改變?cè)囼?yàn)環(huán)境，對(duì)比開闊環(huán)境和果園環(huán)境對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：接收信號(hào)強(qiáng)度隨著通信距離的增加而減小；其平均丟包率隨距離增大、作物密度增強(qiáng)、數(shù)據(jù)包長度增大、天線高度降低而增大；相對(duì)于開闊環(huán)境，火龍果園會(huì)加速信號(hào)的衰減、增大平均丟包率。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并建立其與通信距離間對(duì)數(shù)數(shù)學(xué)模型，其r2在0.8889～0.958之間，得出火龍果園信號(hào)衰減系數(shù)平均為-18.29。

火龍果園；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；坡地；信道特性

0 引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、射頻技術(shù)、傳感器等技術(shù)的不斷發(fā)展，將這些技術(shù)融合在一起，誕生了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor networks，WSN），并得到了巨大發(fā)展[1-2]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由普通節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器組成的，用于完成某些參數(shù)檢測的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。WSN作為一種新型的、成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，憑借無需布線、布置靈活、技術(shù)成熟、成本低等特點(diǎn)在很多方面得到了廣泛應(yīng)用[2-4]。

無線信號(hào)的傳播規(guī)律與無線傳感網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性緊密相關(guān)，針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在具體工作環(huán)境下對(duì)通信質(zhì)量的影響還需做深入的研究。無線信號(hào)在傳輸過程中存在信號(hào)的漫射、反射、信號(hào)衰減、環(huán)境吸收等客觀特性，所以研究特定環(huán)境下的無線信道傳播特性是非常必要的。國內(nèi)[5-8]以433MHz和2.4GHz為載波頻率集中研究在溫室、稻田、麥田、橘園等環(huán)境無線傳播特性并建立相關(guān)信號(hào)衰減模型，得出環(huán)境對(duì)信號(hào)強(qiáng)度存在較大的影響。國外[9-10]以接收信號(hào)強(qiáng)度、平均丟包率等為考察參數(shù)通過理論模型和具體試驗(yàn)等方法對(duì)室內(nèi)、近地面、森林等環(huán)境下無線信號(hào)的傳播特性進(jìn)行了研究。

火龍果種植在斜度較大的坡地，在該種環(huán)境中搭建基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)，用于檢測火龍果樹生長、果品、病蟲害等情況是十分必要的。研究火龍果園無線信號(hào)的傳播特性是規(guī)劃和布置無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)和前提條件。選擇35°坡地火龍果園為試驗(yàn)場地，以2.4GHz為載波頻率、ZigBee為通信協(xié)議，通過改變通信距離、發(fā)射功率等參數(shù)研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)射頻信號(hào)在該種環(huán)境下的傳播規(guī)律和數(shù)學(xué)模型，為基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測系統(tǒng)的搭建提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)條件與參數(shù)的確定

1.1 試驗(yàn)條件

此次試驗(yàn)在坡度約為35°左右的山地（如圖1左）進(jìn)行，試驗(yàn)場（113.66°E，23.64°N）有兩種密度的火龍果樹，果樹縱向間距3.2 m，橫向間距為2.2 m，果樹高度為1.3m左右，果樹支撐圓盤直徑為0.7m。選用上海萬硅電子公司制作的無線傳感器模塊為試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)模塊以TI公司的CC2530（如圖1右）為射頻芯片，其工作頻段為2.4 GHz；采用ZigBee為通信協(xié)議，無線傳輸速率達(dá)250kb/s，接收電流＜30mA，發(fā)射電流＜50mA。

圖1 試驗(yàn)環(huán)境與無線節(jié)點(diǎn)

1.2 試驗(yàn)參數(shù)的選取

試驗(yàn)過程中無線網(wǎng)絡(luò)選取2.4GHz的載波頻率，GFSK解碼方式，天線增益3dBi，數(shù)據(jù)傳輸速度即無線傳輸速率達(dá)250kb/s。通過改變天線高度、發(fā)射功率、數(shù)據(jù)包長度、作物密度等參數(shù)獲取對(duì)無線信號(hào)的接收強(qiáng)度（RSSI）、平均丟包率（PER）等特性的影響數(shù)據(jù)。具體試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

2 試驗(yàn)步驟

依照上述試驗(yàn)參數(shù)，設(shè)計(jì)2.4GHz傳播特性試驗(yàn)步驟如下：

（1）固定發(fā)射端，在接收端通過設(shè)置與節(jié)點(diǎn)相連的PC信道測試軟件，對(duì)接收信號(hào)強(qiáng)度RSSI和丟包率進(jìn)行試驗(yàn)觀測。

（2）改變發(fā)射端發(fā)射功率、數(shù)據(jù)包長度、天線高度等參數(shù)，改變接收端位置（在11 m內(nèi)以2 m為步長，超過11m以5m為步長），測試不同通信距離處的信道特性。

（3）在開闊平地、坡地果園、作物密度不同環(huán)境下重復(fù)上述試驗(yàn)步驟，對(duì)比不同試驗(yàn)場地?zé)o線信號(hào)傳播特性之間的差異。

（4）分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及曲線擬合，得出經(jīng)驗(yàn)公式和火龍果園坡地特點(diǎn)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)信道參數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 信號(hào)強(qiáng)度（RSSI)

首先以發(fā)射功率為-14dBm，測試不同通信距離下作物密度較大的試驗(yàn)場地和開闊平地兩種環(huán)境下的RSSI。通過Matlab軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和曲線擬合，得到如圖2所示的結(jié)果，并分析出接收強(qiáng)度S與通信距離d之間的擬合公式。

圖2 坡地與開闊平地下RSSI的對(duì)比

從圖2中明顯地看出平地上的擬合曲線位于坡地?cái)M合曲線的上方，其中開闊平地上的擬合公式為

果園坡地的擬合公式為

通過對(duì)比以上兩個(gè)公式，可以得到無線信號(hào)在傳播過程中按照對(duì)數(shù)衰減，坡地衰減系數(shù)的絕對(duì)值明顯大于開闊平地，也就是說開闊平地上的信號(hào)強(qiáng)度明顯要比坡地火龍果園的強(qiáng)；種植有火龍果樹的坡地信號(hào)更易受到環(huán)境影響而衰減地更快。

同樣的方法，改變發(fā)射功率研究作物密度較小的果園中，RSSI與距離d之間的關(guān)系得到如圖3所示的曲線。

圖3 坡地不同發(fā)射功率下的RSSI

分析圖3，在坡地中發(fā)射功率較高的接收信號(hào)強(qiáng)度曲線位于發(fā)射功率低的上方。同時(shí)，不同發(fā)射功率條件下的RSSI與通信距離之間呈對(duì)數(shù)關(guān)系。不同的發(fā)射功率條件下的RSSI進(jìn)行曲線擬合可以得到：

式中：A——衰減系數(shù)；

d——通信距離；

C——常數(shù)項(xiàng)。

表2為不同發(fā)射功率下的相關(guān)參數(shù)。

表2 試驗(yàn)參數(shù)

表2得出在改變發(fā)射功率的情況下，衰減系數(shù)A變化較小，最大為-18.024，最小為-18.865，平均值為-18.29，也就是說在該試驗(yàn)環(huán)境下衰減系數(shù)可以取-18.29；而常數(shù)項(xiàng)C則隨發(fā)射功率的減小而增大。

針對(duì)上述情況，總結(jié)了不同發(fā)射功率、不同試驗(yàn)場地和天線高度，在發(fā)射端與接收端相距21m處的RSSI與功率之間的關(guān)系，得到圖4。

圖4 不同發(fā)射功率、天線高度、場地下的RSSI

由圖4知就接受信號(hào)強(qiáng)度RSSI而言，開闊平地最好、天線高度為2.2 m的次之、天線高度為1.4 m最弱；信號(hào)強(qiáng)度與發(fā)射功率之間呈線性模型改變；試驗(yàn)環(huán)境對(duì)RSSI有顯著地影響。顯然坡地環(huán)境中天線高度2.2m的RSSI較好，今后在火龍果園布置無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)可選擇高度值較大的天線高度。

3.2 平均丟包率

平均丟包率的大小直觀地反映了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。在無線信號(hào)傳播過程中，平均丟包率是衡量無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的重要參考指標(biāo)。在試驗(yàn)中通過改變發(fā)射功率、試驗(yàn)環(huán)境、數(shù)據(jù)包長度等參數(shù)獲取平均丟包率，可為選取適合火龍果園的信道參數(shù)提供依據(jù)。圖5為以1.4m天線高度測試不同發(fā)射功率條件下的平均丟包率。

圖5 不同發(fā)射功率的平均丟包率

圖5得到，發(fā)射功率為-22 dBm的PLR最大，2.5dBm的最小。通信距離在20m范圍內(nèi)，PLR小于20%；隨著發(fā)射功率的降低，平均丟包率也會(huì)增大，而當(dāng)無線節(jié)點(diǎn)位于果苗附近時(shí)，平均丟包率會(huì)突然升高。考慮到無線傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗、生命周期和通信質(zhì)量，在布置節(jié)點(diǎn)時(shí)可以選擇-1.5，-10，-14 dBm為發(fā)射功率的初始值。

為對(duì)比坡地果園、開闊平地兩種環(huán)境下對(duì)丟包率的影響，選擇-14dBm發(fā)射功率，選取天線高度為1.4m、2.2m，在兩種試驗(yàn)場地進(jìn)行試驗(yàn)得到如圖6所

示的曲線。可以得到，平均丟包率在天線高度較低、有作物遮擋時(shí)丟包率會(huì)很快升高。

圖6 不同天線高度、試驗(yàn)場地的平均丟包率

3.3 數(shù)據(jù)包長度對(duì)信道特性的影響

選擇數(shù)據(jù)包長度30，100，120 B在發(fā)射功率為-22dBm，傳輸速率250kb/s，天線高度1.4m的條件下，研究數(shù)據(jù)包長度對(duì)信道特性的影響，如圖7所示，3條曲線之間的差異很小，數(shù)據(jù)包長度在無線信號(hào)傳播過程中對(duì)接收信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）幾乎沒有影響。

圖7 坡地?cái)?shù)據(jù)包長度對(duì)RSSI的影響

在其他條件不變，將天線高度升高為2.2m，研究數(shù)據(jù)包長度是否對(duì)平均丟包率有影響。通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到圖8，可以看出隨著數(shù)據(jù)包長度的增加，數(shù)據(jù)在傳輸過程中丟包的可能性會(huì)增大。在今后設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)時(shí)，考慮通信效率可以選擇數(shù)據(jù)包為100B進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖8 坡地?cái)?shù)據(jù)包長度對(duì)丟包率的影響

4 結(jié)束語

文章為解決在坡地火龍果園布置和搭建基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的檢測系統(tǒng)，在果園坡地中選擇2.4GHz為載波頻率，進(jìn)行無線信號(hào)性能的相關(guān)試驗(yàn)。在試驗(yàn)中，通過改變發(fā)射功率、天線高度、數(shù)據(jù)包長度等參數(shù)，研究無線信道的接收信號(hào)強(qiáng)度和平均丟包率。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和擬合，建立火龍果園坡地情況下信號(hào)的衰減數(shù)學(xué)模型，得出坡地火龍果園無線信道的衰減系數(shù)為-18.29；試驗(yàn)環(huán)境因素決定衰減系數(shù)，而無線節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率大小決定衰減常數(shù)。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)還可以得出，在發(fā)射功率、數(shù)據(jù)傳輸速率、解碼方式不變時(shí)，作物的生長密度、信號(hào)的傳播距離、天線高度等因素對(duì)平均丟包率有顯著影響。

通過在開闊平地與坡地果園的對(duì)比試驗(yàn)表明，在考慮到無線節(jié)點(diǎn)功耗、使用壽命、節(jié)點(diǎn)搭建成本和檢測系統(tǒng)的具體要求下，在今后的組網(wǎng)、搭建監(jiān)控系統(tǒng)選擇ZigBee為標(biāo)準(zhǔn)的射頻模塊，功耗應(yīng)小于-1.5dBm，天線高度約2.2m最佳。

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Propagation characteristics of 2.4GHz wireless channel in pitaya orchard

CAO Hui-ru1，YANG Zhi2，BO Hong1，GUO Zhong-hua1
（1.Nanfang College of Sun Yat-sen University，Guangzhou 510970，China；2.School of Information Science and Technology，Sun Yat-sen University，Guangzhou 510275，China）

For configuring wireless sensor network （WSN）monitoring system in pitaya orchard，the propagation characteristics and attenuation model of RF signals in sloping pitaya orchard were analyzed based on WSN.The received signal strength index（RSSI）and the average packet loss rate（PLR）of about 35°in slope orchard were tested and studied with the carrier frequency of 2.4 GHz and ZigBee protocol in different communication distance，transmit power，packet length，antenna height and other parameters.The mathematical model of RSSI，communication distance and environmental factors was set up.The communication quality of WSN was compared in an open environment and orchard environment.The test results demonstrated that with the increasing of the communication distance the RSSI was reduced，and the PLR would get bigger with increasing distance，packet length and antenna height，the density of the crop enhancement.By fitting the experimental data the logarithm mathematical model with R2from 0.8889 to 0.958 was established between RSSI and communication distance.The signal attenuation coefficient in the pitaya orchard was about-18.05 from the fitting model.

pitaya orchard；wireless sensor network（WSN）；hillside field；propagation characteristics

S628；S667.9；TP391.45；TP274

：A

：1674-5124（2014)03-0109-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.03.029

2013-12-05；

：2014-02-16

曹惠茹（1981-），女，陜西渭南市人，講師，碩士，研究方向?yàn)闊o線傳感器、計(jì)算機(jī)應(yīng)用與控制、計(jì)算機(jī)信息處理等。