野外复杂环境中wsn信道传播特性的实验与分析

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 野外复杂环境中 WSN 信道传播特性 的实验与分析 摘 要：为了解决野外复杂环境 中无线传感器网络（WSN） 规划与快 速部署问题，选择典型的野外环境进行 实地测试，复杂环境因素包含平坦地面、 起伏山地、重植被、草木、雨天、晴天、 高温环境等多种混合情况。基于无线信 道传播特性与连续无线电波在通信码率、 天线增益、调制扩频方式、数据包长度 和通信距离等多参数固定的前提下，研 究野外复杂环境中 WSN 2.4G 射频信号 的传播模型和衰减规律，指导 WSN 部 署。在实验过程中对发送、接收端间的 不同距离与不同收发天线高度的无线信 道路径损耗的大尺度传播特性进行实地 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 测试，从而进一步探究 2.4 G 无线信号 通信传播与环境因子、通信距离间的模 型。对实验测量数据使用最小二乘数法 拟合并做线性回归分析，实验结果对比 表明，野外复杂环境中无线信号在不同 高度、不同气候传播空间中的信道模型 相差较大，不能套用单一的传播对其定 义。实验结果对于深入研究野外复杂环 境中快速部署无线传感器网络的问题有 一定的帮助与现实意义。 中国论文网 /8/view-12869588.htm 关键词：WSN；野外复杂环境； 信道传播；大尺度衰落模型；路径损耗 中图分类号：TN911.6；TP393 文献标识码：A 文章编号： 2095- 1302（2017）02-00-04 0 引 言 无线传感器网络（Wirless Sensor Network，WSN ）作为一种新型的应用 广泛、内聚多种先进技术的无线网络信 息系统，凭借其无需布线、网络自组织、 功耗低、智能性强、可扩展性强等显著 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 优点，为工业、农业、军事和自然环境 监测、动物研究、智能家居等的分布式 监控系统提供了强有力支持的解Q 方 案。 随着 WSN 的逐步应用，基于各 类 WSN 应用环境中无线信道传播特性 的试验开始得到关注。2012 年，将草原 地表环境中的无线信道路径损耗作为试 验对象，测定了 2.4 GHz 无线信号的传 播特性1；2013 年，岳学军等研究橘 园 WSN 信号衰减模型，选 433 MHz 与 2.4 GHz 载波频率，基于连续无线电波 在通信码率、天线增益、调制扩频方式、 数据包长度和通信距离等多因素作用下 分析 WSN 射频信号在橘园的衰减2。 可以看出，虽然对野外无线信道 的传播特性进行了一部分研究工作，但 针对不同混合复杂因素的野外环境中无 线信道传播特性的研究工作很少，尤其 对 2.4 GHz 无线信道的传播特性在野外 复杂环境中缺乏足够的认识，暂时没有 给出传播特性的明确描述和具体模型。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 在野外部署环境中，地形环境较 为复杂，不同坡度的山地高低起伏，不 同高低的障碍物稀疏分布，如土堆、杂 草、树木，不同深度、宽度的植被高低 错落分布，还包括恶劣环境气候因素等。 这些不确定因素都会对无线传感器网络 信号的传播造成一定影响，而将大量无 线传感器网络节点部署在地表，必然会 造成较差的网路连通和链路质量，因为 这种情况不能采用已有理想环境中的无 线信道传播模型来预测和估计节点之间 的连通度和网络工作情况。所以要实现 在野外复杂环境中部署低冗余、高效能 的无线传感器网络，必须对应用环境中 的信道模型有较为真实的了解3-5。 目前野外复杂环境下的无线传感 器网络系统距离成熟应用还存在很大差 距。其中，无线网络、无线节点、无线 信号都易受环境、气候、地形地貌等诸 多不确定因素的影响，同时也存在时间 变异性大、空间变异性大等不稳定因素， 导致无线信号的高效传输、数据的准确 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 采集等重要性能倍受挑战。 从目前问题的研究现状看，在无 线传感器网络的设计、实现、性能优化 等多个阶段，节点覆盖范围、邻居节点 度等重要网络参数的准确评估取决于对 信道传播模型的分析与仿真，同时，一 般无线传感器网络系统都需要提供定位 信息，定位技术中基于接收信号强度指 示的定位方法也通过信号衰落与距离之 间的关系来实现测距。因此，一个合适 的信道传播模型会对整个无线传感器网 络的设计产生重要影响。 1 2.4 GHz 射频信号野外传播特 性 电磁波在实际空间中传播时易受 大气及周围地面环境（树林、山地和障 碍物）等因素的影响。电磁波传播路径 方式按照传播过程中障碍物的分类可分 为视距 （LOS）和非视距（NLOS）被 阻挡两种情况，当传播路径为视距时， 没有障碍物对能量产生吸收、反射和折 射，主要为直射波传播。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 当环境中存在高低起伏的山坡、 树林和障碍物等复杂环境因素时，不仅 无线电波的传播方式变得复杂，同时导 致信号衰减的因素也增多。由于地形遮 挡、障碍物遮挡、树林遮挡等因素，电 磁波会出现直射、反射、折射、衍射的 多形式传播，而在传播过程中造成信号 衰减的因素主要包括大气吸收衰减、雨 雾衰减、植被树林衰减、地形造成的衰 减。由于野外环境的复杂性，山坡高度、 坡度特征、植被种类、植被高度、植被 密度、环境温度、大气相对湿度以及发 射和接受天线的架设高度、增益等因素 也会对信号的传播产生一定的影响。根 据信号传播过程中的传播衰减特性，可 以将该环境中信号的传播方式分为两种， 即大尺度信号衰落和小尺度信号衰落， 所谓大尺度信号衰落是指当发射信号移 动通过的距离相对较长时产生的衰落现 象，大尺度信号衰落产生的原因包括无 线信号传播的远距离路径损耗和传播途 径的稀疏障碍物对信号传播造成的阴影 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 效应。障碍物的存在导致信号在传播过 程中形成阴影而无法覆盖全部传输范围 的衰落情况称为阴影衰落，它与路径损 耗同为慢衰落。 1.1 路径损耗理论模型 1.1.1 基于自由空间的路径损耗 模型 自由空间信号传播是指天线周围 为无障碍的空间，无线通信信号所携带 的能量不会被障碍物吸收，在传播过程 中不产生反射或散射。当无线信号经过 一段路径传播之后，由于辐射能量的扩 散将导致信号衰减，其路径损耗因子 n=2，在实际环境的具体应用中，只要 信号传播途径的空间大气层是各向同性 的均匀媒质，这样的信号传播就可以被 认为是自由空间传播。自由空间中距发 射端 d 处的接收信号功率计算公式为： 1.1.2 双折线对数距离损耗模型 对数距离路径损耗模型是经过反 复验证的一种经验模型，根据原理可分 为单折线和双折线两种类型。双折线模 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 型考虑直射波和地面反射波对信号传播 的影响，无线信号分别经过直射和地面 反射到达接收点。由于两者存在路径差， 从而产生附加位移，造成合成波的衰减。 当传播距离 d，且反射系数为-1 时， 双射线模型接受功率计算公式为： 由正态分布性质和式（6）可知，在阴 影衰落环境下，信号传播距离为 d 时， 总的能量损耗 PL（d）服从以为均值， 以 为偏差的正态分布。 1.3 小尺度传播模型 无线信号在小范围、近距离内传 播发生信号的幅度变化、相位快速波动 等现象称为小尺度衰落。对小尺度衰落 有决定性影响的作用因素包含周围物体 的运动速度、信号传输带宽、多径传播 等。这种衰落的不确定性大且随机性大， 较为复杂，只能在特定网络环境中使用 统计的方式来描述。在野外复杂环境中 布设的无线传感器节点一般不具有移动 能力，而且 2.4GHz 频段的网路采用直 接序列扩频（DSSS）技术实现，其具 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 有良好的保密性、灵活的信道分配能力 以及较强的抗多径、多址干扰能力，所 以实验只需要测定信号传播过程中移动 物体对信号衰减的影响即可。 2 实验环境及测试方案 野外复杂环境的无线信号传播稳 定性和可靠性严重受到多变环境因素的 影响，主要表现为无线信号在传输过程 中遇到各种各样的干扰和损耗，如无线 信号在传输过程中会受到地形地貌、植 被高低密度、发射和接受节点的高低、 环境气候等多方面的影响。无线信号的 传播机制复杂多变，由于信号发生了反 射、折射、衍射、被吸收等导致了信号 的严重衰落，而目前的各类已有研究中 并没有完整的对野外环境中多种复杂情 况信道的传播特性进行具体测定。因此， 为了实现野外复杂环境中无线传感器网 络的部署设计，首先需要清楚测定 2.4 GHz 的无线信号传播、衰减的具体特性， 以方便为接下来的研究工作提供指导。 2.1 测试场地与设备示意图 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 选择北京工业大学东南角一块范 围较为广阔的绿化区作为试验场地。地 形为起伏山坡，种植的树木主要为叶型 丰富的杨树与松树，树木高度可达 15 m 左右，接近山坡表面也有高度为 1.5 m 的茂盛灌木，植被密度分布不均，随 机性较大，这样的环境对于实验来说更 为接近真实的野外环境。测试场地示意 图如图 1 所示。 实验硬件包含 PC 机、 ZigBee2530 收发节点两个，仿真器一个， 手持频谱分析仪（H600）一台。发射机 为自制的 ZigBee 无线发送接收节点， 采用 TI 公司的 CC2530 模块，除了具备 ZigBee 协议通信功能，还集成了增强型 8051 单片机较强的处理能力；工作功率 为 2.4 GHz，发射功率为 4.5 dBm；接 收机同为自制类型的 ZigBee 节点，连 接 PC 机，同时接收端的频谱分析仪负 责接收和采集信号强度数据，PC 机负 责数据存储，也可同时显示当前的误包 率、RSSI 值和接收的数据包个数；采 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 用一对全向天线作为收发天线，通过低 损耗同轴电缆与发射机、接受机连接， 增益为 2 dBi；使用软件包括 IAR 8.10 集成开发环境、TI 的 SMartRF Studio 7 通信测试软件、串口调试助手、Matlab 数据拟合。测试设计的 ZigBee 发送接 收节点设备如图 2 所示。 2.2 信号传输特征测试方案 （1）在测量实验中，将发射端 节点的天线高度分别设置为 0.3 m、1 m，接收天线高度分别为 0.3 m、1 m、2 m，可以进行收发高度对等、不 对等情况下的信号强度测量； （2）在实验过程中，发射机的 位置固定不变，接收机沿直线移动，测 量到距离发射机 100 m 的位置，采用手 持式频谱分析仪沿直线接收信号，前 10 m 每隔 1 m 作为一个测点，之后每隔 2 m 为一个测点，依次测量过程中的 55 个测点，每个测点重复采集 100 次信号 强度数据，每个测试点均接收发射节点 发送的 200 个数据包，统计其平均信号 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 强度 RSSI 值、误包率作为信号衰减数 据。 （3）由于传感器节点在实际应 用中位置不变，不具有移动性，因此接 收机在测量信号强度时也保持静止状态， 另外实际模拟时变、空变环境，如果测 量环境周围出现运动物体则会发生信号 的小尺度衰落情况，若没有移动物体， 则可将测量环境认定为一个缓慢的时变 信道。 3 测试结果与分析 测量结束后对原始数据进行处理， 去除奇异点，求取各测试点数据的均值， 减少快衰落对测定的影响，初步判定无 线信道的路径损耗与对数距离仍存在线 性关系的分布，对测试数据进行回归处 理时，采用基于最小二乘法准则的线性 回归算法对测量样本数据结果进行拟合 分析，参考已有文献，将实验数据拟合 结果与路径损耗中的多种经验模型进行 对比、验证。 由图 3 的回归结果可以看出，天 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 线高度对等且存在 LOS 视距传播的情 况下，双折线模型与实验结果曲线趋势 相似；但对于天线高度几乎贴近地表且 发射端与接受端天线存在不对等的情况 下，由于植被遮挡、发射端接近地面， 导致存在 NLOS 非视距传播，由回归曲 线看出，双折线模型在此类测定情况下 现有模型并不适用。 从图 4 可以看出，晴天环境下随 着通信距离的增加，无线信号强度衰减， 接收端节点接受到数据包情况显示发送 成功率逐渐下降。从 10 m 到 40 m，再 到 60 m，数据包的发送成功率呈现缓慢 下降趋势但保持平稳，在 40 m 距离下 成功率为 95%左右，在 60 m 距离下成 功率为 93%左右。 在雨天环境下，曲线骤变较大， 通信成功率迅速降低，数据丢包率在 40 m 距离时发生明显增加，发现在 40 m 距离处数据包的发送成功率仅为 22%左 右；当通信距离为 60 m 时，信号衰减 更厉害，已经接受不到任何信号，丢包 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14 率为 100%，通信成功率为 0。这些数 据均远远低于晴天时数据通信的成功率。 由此可以看出，雨天的无线数据通信质 量明显受到影响，因此也应该将雨天环 境中的影响因子引入到信号衰减模型中 做进一步的定量分析。 4 结 语 由分析结果可知，双折线模型适 用于野外环境中