室內環境下無線傳感網絡路徑衰減特性*

徐 琨， 劉宏立

(湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082)

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室內環境下無線傳感網絡路徑衰減特性*

徐 琨， 劉宏立

(湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082)

在室內環境中,墻壁的阻礙和反射會嚴重的影響無線傳感網絡中的信號傳輸特性。針對室內環境中傳感節點的部署和應用的環境的特性，研究了無線信號在遇到墻壁反射時的傳播特性，推導出了其對應的路徑衰減。并基于視距傳輸和墻壁反射，提出了一種新的室內路徑衰減模型。為了驗證提出的路徑衰減模型,針對室內房間和走廊環境，基于2.4 GHz載波頻率，對無線傳感節點的路徑衰減和遮蔽效應進行了大量的實測實驗。實驗結果表明:提出的路徑衰減模型可以很好地反映無線信號在室內的衰減特性。

無線傳感網絡； 接收信號強度； 反射； 路徑衰減

0 引 言

無線傳感器網絡[1](wireless sensor networks，WSNs)由大量隨機部署的傳感節點組成，被廣泛應用于軍事監控[2]、環境監測[3]、家庭醫療保健[4]等領域。基于室內環境的位置感知服務作為WSNs的基礎應用之一，得到了很多研究者的關注，到達時間(time of arrival，TOA)、到達時間差[5](time difference of arrival，TDOA)、到達角度[6](angle of arrival，AOA)和接收信號強度指示[7](received signal strength indication，RSSI)是最常用的幾種位置感知技術。和前三種位置感知技術相比，RSSI由于實現簡單，不需要增加額外的硬件設施，被廣泛應用于各種應用中。

RSSI主要根據傳感節點的接收信號強度和距離之間的關系來實現各種位置感知服務。最近十幾年，已有很多文獻針對WSNs中的無線信號在室內傳輸過程中的路徑損耗展開研究，文獻[8]通過大量的實測實驗，分析了無線傳感節點發射的無線信號在地表和物體表面的路徑損耗，提出了一個新的路徑衰減模型。文獻[10]分析了WSNs中的無線信號的不規則性，并根據實驗數據，提出了一個新的無線信號不規則度模型。文獻[11～13]提出了一些基于室內的定位算法，但是它們都是基于經典的對數—路徑衰減模型，沒有針對室內復雜的環境，分析無線信號在室內的路徑損耗特性。

在室內房間和走廊中，存在大量的墻壁，傳感節點發送的無線信號在室內傳輸時，會受到墻壁的阻礙而發生反射。針對這一問題，分析了室內環境中無線信號的傳輸特性和墻壁反射對無線信號的路徑衰減的影響，建立了一種新的路徑衰減模型?；谝粋€真實的無線傳感網絡平臺，分別在房間和走廊進行了大量的實測實驗。結果表明，提出的模型可以準確的估計出室內無線信號的路徑衰減。

1 室內路徑衰減模型

目前，自由空間模型、雙線反射模型和對數—正態模型是最常用的用于表示WSNs信號傳輸過程中所發生的路徑衰減的幾種模型。其中，常采用對數—正態模型來表示室內環境中無線信號的路徑衰減，其表示形式為

(1)

式中 PL為節點之間距離d時的路徑衰減大??；PL(d0)為參考節點和目標節點之間距離為d0時的路徑衰減大??；d為節點之間的距離；d0為參考節點和目標節點之間的距離，通常設置為1m；np為路徑衰減因子，它是一個隨周圍環境而變化的變量；Xσ為對數正態遮蔽效應，它是一個均值為0，方差為σ2的高斯隨機變量，Xσ∝N(0，σ2)。

式(1)能夠反映室內視距環境中傳感節點的信號衰減和距離之間的關系。但是它沒有考慮室內中各種障礙物所引起的多徑效應對信號傳輸的影響。首先考慮室內環境中兩個傳感節點之間只存在視距信號傳輸的情況下，其對應的解決方法非常簡單，發射節點發送的無線信號服從無線通信的基本規律。在信號傳輸的過程中，無線電波的場強逐漸減弱，當無線電波傳送到接收節點時，會建立一條直接的傳輸路徑，可以通過費希爾自由空間傳播模型對直接的傳輸路徑建模，對應路徑損耗可以表示為

(2)

式中 PLlos為視距傳輸時無線信號的路徑損耗；d為節點之間的距離；λ為無線信號的波長。根據式(2)，可以很容易得出路徑損耗和節點之間距離d之間的關系。

在實際的室內環境中，室內空間一般比較小，且四周都會存在墻壁，節點之間的無線信號傳輸，除了存在視距的直線傳輸之外，當無線信號傳輸到四周的墻壁時，視距的傳輸方向會發生改變，將會導致無線電波在墻壁的表面發生反射現象。對于每一個反射，有部分能量將滲透進去，有部分能量將被反射，剩下的部分能量將會被吸收。可以將由于墻壁的反射引起的單位距離場強表示為

(3)

(4)

式中 PLrefl為由于墻壁反射引起的路徑損耗，它是無線信號在室內傳輸過程中由于墻壁所引起的額外衰減。

當存在多條反射路徑，節點之間的距離為d時;由于墻壁反射所引起的傳輸損耗可以表示為

(5)

式中 m為反射信號的數目。

為了能夠準確描述無線信號在室內傳輸過程中的傳輸特性，結合節點之間視距傳輸和墻壁反射的特點，將式(2)和式(5)聯合起來表示無線信號在室內環境中的信號衰減，可以將無線信號在室內的路徑損耗表示為

(6)

當節點之間只有視距傳輸時，m的值等于0；當節點之間存在一條反射路徑時，m的值等于1；當節點之間由于墻壁的反射，存在多條反射路徑時，m的值大于1。

2 不同室內環境實驗

2.1 測試設置

對于測試實驗，采用TI公司的CC2430射頻模塊作為無線收發設備，以2.4GHz頻段作為WSNs的載波頻率。發送節點向周圍連續的廣播一個報文數據，接收節點接收到發送信號后，將測量到的信息和信號強度通過串口模塊傳輸到PC機上。所有的節點都配備同樣類型的1/4波長的全向天線，發送節點和接收節點都固定在一個高度為1.2m的三角架上。

2.2 測試環境

分別基于兩種不同的室內環境進行大量的實驗，對提出的路徑衰減模型進行驗證，其對應的測試環境如下：

測試環境1：位于湖南省長沙市湖南大學電氣院的兩個不同大小的實驗室，其大小分別為5.4m×3.9m和6.6m×3.9m。兩個實驗室是一個較為規則的矩形環境，四周都有粉刷了墻漆的白色墻壁，其中一個房間比較空曠，而另一個房間內有實驗桌、椅子和電腦等，且墻壁上有很多的柜子。

測試環境2：位于兩棟不同樓房的走廊，其大小分別為57.2m×1.9m和51.3m×2.4m。兩個走廊都是狹長的，兩邊除了白色的墻壁，還有很多房門，有的房門有時會打開，走廊中有來回走動的人，只考慮沒有人走動的情況。

3 驗證結果

為了驗證提出的室內路徑衰減模型的有效性，將提出的路徑衰減模型和對數—正態模型、實測數據進行對比。在實驗過程中，將發射功率設置為0dBm,每次測試500個信標報文，對每一次實驗,同時仿真500次。

從圖1中可以看出,提出的路徑衰減模型和對數—正態模型都能夠很好擬合真實的RSSI測量值。這是因為在空曠的房間內，節點之間都是沿著房間中線進行排列，墻壁的對信號的反射比較弱，視距傳輸路線占據了主要的位置。所以，兩種模型都能很好反映室內信號的路徑衰減特性。

圖1 空曠室內環境下，不同模型的路徑衰減Fig 1 Path loss of different models in open indoor environment

從圖2中可以看出，提出的路徑衰減模型能夠比傳統的對數—正態模型更好反映測量值的分布情況。這是因為當室內存在墻壁等障礙物，且沿著墻壁擺放時，墻壁對無線信號的反射會增強，當接收節點接收到發送節點的傳輸信號時，需要考慮反射信號對其帶來的影響。而傳統的對數—正態模型只考慮視距情況，沒有考慮墻壁反射帶來的信號衰減，因此并不能很好反映無線信號在室內的傳輸特性。

圖2 密集室內環境下，不同模型的路徑衰減Fig 2 Path loss of different models in dense indoor environment

從圖3中可以看出，提出的路徑衰減模型要明顯優于傳統的對數—正態模型，具有更好的擬合效果。雖然是沿中線擺放，但是由于走廊一般比較狹窄，部署在其中的節點發送的無線信號會受到墻壁的反射，且由于經常會出現房門開合的情況，無線信號傳輸時，墻壁和房門會對信號產生影響，而傳統的對數—正態模型只考慮視距傳輸帶來的衰減。

圖3 走廊環境下，不同模型的路徑衰減Fig 3 Path loss of different models in corridor

在室內房間中，基于不同的距離和位置對提出的路徑衰減模型進行了驗證，得出了每個點的預測路徑衰減值大小的平均值。從圖4中可以看出，在室內環境中，提出的路徑衰減模型和測量值的最大RSSI差異值為8.7 dBm，提出的路徑衰減模型能夠很好預測室內環境中的路徑衰減情況。

圖4 房間環境下，提出模型的預測值和測量值之間的差異Fig 4 Difference between measured value and predictedvalue in indoor terrain

4 結 論

在室內房間和走廊中，存在大量的墻壁，無線信號在房間傳輸時，信號的反射會在兩個射頻節點之間的通信中占據重要的位置。本文分析了室內環境中的墻壁對無線信號的反射，對其進行了理論推導，建立了一個新的路徑衰減模型?；?.4 GHz頻段，分別在房間和走廊中進行了大量的實測實驗對提出的模型進行驗證。結果表明:利用提出的模型可以準確估算出室內無線信號的路徑衰減。

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徐 琨(1979-)，湖南津市人，博士研究生，高級工程師，研究方向為無線傳感網絡。

劉宏立，通訊作者，E—mail：hongliliu@hnu.edu.cn。

Characteristics of path loss for wireless sensor networks in indoor environments*

XU Kun, LIU Hong-li

(College of Electrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China)

Reflection and obstruction of wall severely influence transmission characteristic of signal in wireless sensor networks(WSNs)in indoor environments.To circumvent this problem,analyze propagation characteristic of wireless signals suffering reflection of wall and derive path loss causing by wall.Then propose a novel indoor path loss modeling based on LOS and reflection.A number of experiments are executed based on 2.4 GHz carrier frequency in indoor and corridor environments for verifying proposed path loss modeling.Experimental results demonstrate that the proposed path loss modeling can reflect loss characteristics of wireless signal in indoor.

wireless sensor networks(WSNs); received signal strength; reflection; path loss

10.13873/J.1000—9787(2016)12—0011—03

2016—01—12

國家自然科學基金面上資助項目(61172089)；中央國有資本經營預算支出項目(財企[2013]470號)；博士后基金面上資助項目(2014M562100)；湖南省科技廳資助項目(2015JC3053，2014WK3001)

TP 212.9

A

1000—9787(2016)12—0011—03