低空信道對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的影響分析*

孔祥善,趙德光,王代華,張志杰

(中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051)

近年來,傳感器技術(shù)與無線射頻技術(shù)的融合,以及同互聯(lián)網(wǎng)的連接,使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為新型的綜合信息系統(tǒng)在測試測量中得到了廣泛的應(yīng)用。為了實現(xiàn)對布設(shè)環(huán)境中物理信號的監(jiān)測,很多時候都需將無線傳感器節(jié)點置于地表或低空環(huán)境中。然而,對于特殊的測試環(huán)境,即使沒有復(fù)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(nèi)外對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道傳播特性與建模的研究已越來越關(guān)注,但現(xiàn)階段的工作主要集中在水下和地下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等方面,對于地表無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的信道特性還能否利用傳統(tǒng)微蜂窩無線信道模型進(jìn)行建模呢?本文基于此,對地表低空收發(fā)天線的路徑損耗進(jìn)行了現(xiàn)場實測,并對測試結(jié)果進(jìn)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(wǎng)絡(luò)中信號的傳播特性和規(guī)律。

1 無線傳播分析和對數(shù)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?zé)o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(chǎn)生服從對數(shù)正態(tài)分布的陰影衰落(慢衰落);信號在傳播的過程中還會產(chǎn)生服從瑞利分布的多徑衰落(快衰落)[4-5]。

1.2 對數(shù)距離路徑損耗模型介紹

大量的實測數(shù)據(jù)分析表明,平均路徑損耗是距離的對數(shù)函數(shù),也即可以用對數(shù)距離路徑損耗模型來描述信號的變化[5-6]。通常,對數(shù)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(shù);db表示突變點距離[6],雙射線模型中認(rèn)為 db為第一菲涅耳區(qū)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(qū)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(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù),在路徑損耗測試中采用可以穩(wěn)定輸出 RF信號的無線網(wǎng)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(wǎng)卡[9]。測試中將其配置為 IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)(DSSS),額定輸出功率 19 dBm,11信道輸出,中心頻率 2 462 MHz。無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測軟件選用WirelessMon3.1 Professional。

測試時將發(fā)射端固定,無線網(wǎng)卡設(shè)置成軟 AP,建立起點對點的無線局域網(wǎng)。接收端用配有無線網(wǎng)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(jù)衰落變化規(guī)律,信號隨機(jī)變化的統(tǒng)計服從對數(shù)正態(tài)分布。因此在測試中假設(shè)收發(fā)節(jié)點均處于靜止?fàn)顟B(tài),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(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)在室外的典型應(yīng)用,發(fā)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(wěn)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(huán)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(jìn)行實測,開闊地長寬約為 80m。測試時將發(fā)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(huán)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(fā)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(shù)距離路徑損耗模型的基礎(chǔ)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(guān)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(shù)距離同路徑損耗的關(guān)系,從圖中可以直接獲得擬合后的對數(shù)距離路徑損耗參數(shù)。曲線的波動主要是由測試環(huán)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(guān)系

圖2 不同天線高度下對數(shù)距離路徑損耗曲線

通過對實測數(shù)據(jù)擬合得到該環(huán)境下不同天線高度時的參數(shù)如表 4所示。

表4 曲線擬合結(jié)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(dǎo)致了突變點以及前后路徑損耗指數(shù)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(jié)果擬合得到如下的模型。

根據(jù)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(shù) n不斷增加,這表明傳輸環(huán)境逐漸惡劣。通過分析相關(guān)系數(shù)可以看出,對數(shù)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(yù)測距發(fā)射端不同距離處的接收功率值[12]。

2.3 擬合模型與現(xiàn)有模型的對比分析

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

圖3 不同天線高度下擬合模型與現(xiàn)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(yù)測 Loss為26.97 dB,Hata模型為 65.98 dB,擬合所得對數(shù)模型為89.29 dB,而實測得到的為 89.79 dB。)對數(shù)擬合模型預(yù)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(huán)境下直接套用現(xiàn)有模型是無法準(zhǔn)確預(yù)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的。

3 結(jié)論

本文在 MATLAB中利用最小二乘法對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合處理,得出了低空架設(shè)天線時的路徑損耗模型。測試和擬合結(jié)果表明,地表無線信道與傳統(tǒng)蜂窩無線信道存在較大差別,因此不能直接套用現(xiàn)有模型對低空信道環(huán)境進(jìn)行電波預(yù)測,但其傳播特性仍可采用對數(shù)距離損耗模型進(jìn)行表征。

根據(jù)實測得到的路徑損耗模型,可以預(yù)測特定環(huán)境下任意點處的接收功率,從而得到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍,為無線傳感器節(jié)點的部署提供依據(jù)。

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