不同頻率無(wú)線信道在針葉林中的傳播特性

馮鵬飛，于新文，張 旭，楊彥臣，王紀(jì)紅

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所，北京100091；2.洛陽(yáng)市洛龍綠化管理所，河南洛陽(yáng)471022)

不同頻率無(wú)線信道在針葉林中的傳播特性

馮鵬飛1，于新文1，張 旭1，楊彥臣1，王紀(jì)紅2

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所，北京100091；2.洛陽(yáng)市洛龍綠化管理所，河南洛陽(yáng)471022)

為了了解針葉林中不同頻率無(wú)線信道在不同位置的傳播性質(zhì)，以中國(guó)林科院院內(nèi)的白皮松林為例，通過(guò)信號(hào)發(fā)生器和頻譜儀分別測(cè)試了不同高度水平方向、不同頻率的信號(hào)傳播特性以及不同高度針對(duì)某一水平測(cè)試點(diǎn)的傳播特性.結(jié)果表明:在針葉林環(huán)境中，無(wú)線通信距離在在10～20 m時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度與距離呈反比；通信距離在20～60 m時(shí)信號(hào)強(qiáng)度無(wú)明顯規(guī)律，也無(wú)明顯的衰減；通信距離超過(guò)60 m時(shí)，各頻段信號(hào)強(qiáng)度衰減嚴(yán)重.433 MHz頻段的無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度顯著高于其他頻段，最適合用于針葉林環(huán)境中的無(wú)線通信.無(wú)線信號(hào)頻率越高，信號(hào)波動(dòng)越小，信號(hào)衰減越明顯.本研究得出的針葉林中不同頻率無(wú)線信道的傳播特性為傳感器網(wǎng)絡(luò)在林中的部署提供了重要參考，對(duì)林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)研究與應(yīng)用有重要意義.

無(wú)線信號(hào)；針葉林；信號(hào)傳播特性；通信質(zhì)量

無(wú)線通信是利用電波信號(hào)可以在自由空間中傳播的特性進(jìn)行信息交換的一種通信方式，即僅利用電磁波而不通過(guò)線纜進(jìn)行的通信方式.無(wú)線通信是依靠無(wú)線信道來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，無(wú)線信道環(huán)境的好壞將直接影響到通信質(zhì)量的好壞.但在實(shí)際應(yīng)用中，由于森林環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性，無(wú)線通信質(zhì)量仍然是制約林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重要因素.森林對(duì)電波傳播的影響很大，電波在森林中傳播時(shí)損耗要比在大氣中傳播時(shí)大得多[1].無(wú)線信號(hào)在傳播過(guò)程中受地形、植被等因素的影響，會(huì)發(fā)生反射、散射、吸收等導(dǎo)致信號(hào)的衰減[2].在森林環(huán)境中，不同信道的無(wú)線信號(hào)傳播特性具有較大差異.

Miyazaki et al[3]利用幾種材料和結(jié)構(gòu)，利用FDTD方法研究森林中WiMAX無(wú)線信號(hào)連接的衰減程度，其結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)高性能高可靠的WiMAX通信系統(tǒng)提供了重要的參考.Turkka等測(cè)量了900 MHz頻率在窄帶路徑中損耗的結(jié)果，為分析路徑損耗指數(shù)和視距無(wú)線電環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)偏差提供了參考[4].陳一天等針對(duì)IEEE 802.11 b標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線局域網(wǎng)，提出了一種2.4 GHz無(wú)線局域網(wǎng)在室內(nèi)外傳播的路徑損耗計(jì)算公式[5].文韜等[6]選取433 MHz載波頻率研究了橘園中WSN射頻信號(hào)與影響因素間的關(guān)系，為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在橘園中的節(jié)點(diǎn)部署提供指導(dǎo).徐興元等[7]基于Shadowing信號(hào)衰減模型，分析了不同環(huán)境中RSSI與傳輸距離間的變化特征.郭秀明等[8]研究了蘋(píng)果成熟時(shí)蘋(píng)果園中2.4 GHz無(wú)線信道在不同高度的信號(hào)衰減和丟包率情況.郭秀明等[9]從研究方法、傳播環(huán)境、傳播尺度、傳播方式和極化方式等多個(gè)角度對(duì)無(wú)線信號(hào)在植被中的傳播特性進(jìn)行分析討論.這些研究都具有一定的借鑒性和現(xiàn)實(shí)意義，但均是基于單一頻率的無(wú)線信號(hào)進(jìn)行的研究，對(duì)于不同頻率無(wú)線信號(hào)在森林環(huán)境的傳播性質(zhì)還缺乏研究.本文以中國(guó)林科院院內(nèi)的白皮松林為例，基于四種常用的無(wú)線信號(hào)頻段，分別測(cè)試不同高度水平方向的信號(hào)傳播特性以及不同高度針對(duì)某一水平測(cè)試點(diǎn)的傳播特性.

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)域選擇

試驗(yàn)區(qū)域?yàn)槲挥谥袊?guó)林科院內(nèi)的白皮松人工林，該林分于1928年春用3年生苗木造林，林地面積0.57 hm2，株行距1.67 m×1.67 m，整片林地為規(guī)則四邊形，現(xiàn)存活立木800多株.根據(jù)2011年11月的每木檢尺數(shù)據(jù)計(jì)算，該林分的平均胸徑為18.13 cm，平均樹(shù)高為14.41 m，林分郁閉度在0.8以上.地被主要是雜草及構(gòu)樹(shù)等小灌木.

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

信號(hào)源采用安捷倫E4421B信號(hào)發(fā)生器，輸出信號(hào)頻率:443、900、1 800、2 400 MHz.輸出信號(hào)幅度:10 dBm.接收信號(hào)采用頻譜儀(E8564EC)，接收設(shè)置中心頻率對(duì)應(yīng)信號(hào)源發(fā)射頻率，span設(shè)為10 Hz.信號(hào)發(fā)生器和頻譜儀針對(duì)不同發(fā)射頻率配置兩種天線，分別為中心頻率433 MHz，標(biāo)稱(chēng)增益為6 dB和頻率范圍支持800～2 500 MHz，標(biāo)稱(chēng)增益為4 dB的天線.為測(cè)量不同高度的信號(hào)傳播情況，為信號(hào)發(fā)生器和頻譜儀分別配置了12 m的天線連接線.

1.3 測(cè)量方法

本研究具體觀測(cè)時(shí)間為2015年5月至7月，首先使用米尺、測(cè)量繩、自噴漆等工具制作試驗(yàn)場(chǎng)地，在該白皮松林遠(yuǎn)離林分邊緣的位置選擇一處作為起始點(diǎn)，利用測(cè)量繩在水平方向上沿對(duì)角線方向每隔10 m設(shè)置一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，并用自噴漆做好標(biāo)記，共設(shè)置8個(gè)，將信號(hào)發(fā)生器固定在測(cè)試路徑的起點(diǎn)位置，信號(hào)源天線分別放在起點(diǎn)一棵樹(shù)的0.1、5和10 m高度，頻譜儀則隨著測(cè)試點(diǎn)的變化移動(dòng)，并對(duì)應(yīng)將頻譜儀天線放置在測(cè)試點(diǎn)樹(shù)的正對(duì)信號(hào)源天線(樹(shù)前)和背對(duì)信號(hào)源天線(樹(shù)后)0.1、5和10 m高度，分別測(cè)量不同高度水平方向信號(hào)強(qiáng)度在不同距離的變化以及不同高度針對(duì)某一水平測(cè)試點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度的變化，試驗(yàn)場(chǎng)地的設(shè)置如圖1所示.

為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確度和客觀性，所有數(shù)據(jù)均采用多次測(cè)量求平均值的方法得來(lái)，每次測(cè)量時(shí)連續(xù)讀取3個(gè)有效觀測(cè)值，將其平均值作為最終結(jié)果.對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)采用列表、作曲線圖等方式來(lái)分析其變化規(guī)律、變化范圍以及波動(dòng)性.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同頻率無(wú)線信號(hào)的傳播情況

測(cè)試結(jié)果如圖所示，從圖2～圖5可以看出，4種頻率的無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度總體維持在－120～－50 db，基本均在10和60 m處出現(xiàn)高峰，在約20和70 m出現(xiàn)低谷，具體原因需要在進(jìn)一步的研究中探索.通信距離為20 m時(shí)信號(hào)強(qiáng)度明顯比10 m時(shí)下降，通信距離在20～80 m時(shí)信號(hào)強(qiáng)度交錯(cuò)變化，似乎無(wú)明顯的規(guī)律，也無(wú)明顯的衰減.此外，從圖2～圖5也可看出，隨著頻率升高，無(wú)線信號(hào)的變化曲線變得越平緩，無(wú)線信號(hào)的波動(dòng)范圍也越來(lái)越小，即說(shuō)明在無(wú)線信號(hào)傳播過(guò)程中隨著距離的增加，頻率越高的頻段，信號(hào)強(qiáng)度損耗越小.即頻率越高，無(wú)線信號(hào)在傳播過(guò)程中的波動(dòng)越小.

2.2 不同頻率無(wú)線信號(hào)在樹(shù)冠到樹(shù)冠正面和背面的傳播情況

從圖6可看出，信號(hào)接收器頻譜儀的天線放置在樹(shù)木的正面和背面時(shí)，接收信號(hào)強(qiáng)度并無(wú)明顯差別，說(shuō)明信號(hào)在樹(shù)木的前方和后方對(duì)部署不會(huì)有明顯的影響.同時(shí)可以看出，信號(hào)強(qiáng)度波動(dòng)范圍均在－120～－50 db，在約10和60 m達(dá)到高峰，在約20和80 m出現(xiàn)低谷.不同頻段無(wú)線信號(hào)從10～20 m距離信號(hào)強(qiáng)度急劇下降，說(shuō)明造成信號(hào)衰減的主要因素是10～20 m范圍內(nèi)林分狀況.20～60 m距離可能是因?yàn)榉瓷洹⒀苌涞刃?yīng)，因此信號(hào)衰減并不明顯，60 m以上距離時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度再次明顯衰減.

2.3 不同頻率無(wú)線信號(hào)在不同距離樹(shù)干到樹(shù)干的傳播情況

圖7為不同頻段無(wú)線信號(hào)在不同距離樹(shù)干到樹(shù)干的傳播情況.圖中4個(gè)頻段的無(wú)線信號(hào)波動(dòng)范圍在－110～－50 db，均在約10和60 m出現(xiàn)高峰，在約20和70 m出現(xiàn)低谷.另外，可以明顯看出，433 MHz頻段無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度顯著高于其他頻段.說(shuō)明頻率越高，繞射能力越弱，信號(hào)衰減越明顯.這是因?yàn)闊o(wú)線電波傳播是無(wú)線電波通過(guò)介質(zhì)或在介質(zhì)分界面的連續(xù)折射或反射，由發(fā)射點(diǎn)傳播到接收點(diǎn)的過(guò)程.無(wú)線電波在空間或介質(zhì)中傳播具有折射、反射、散射、繞射以及吸收等特性.這些特性使無(wú)線電波隨著傳播距離的增加而逐漸衰減，如無(wú)線電波傳播到越來(lái)越大的距離和空間區(qū)域，電波能量便越來(lái)越分散，造成擴(kuò)散衰減；而在介質(zhì)中傳播，電波能量被介質(zhì)消耗，造成吸收衰減和折射衰減等.林中環(huán)境復(fù)雜，無(wú)線信號(hào)在傳播過(guò)程中受樹(shù)干、樹(shù)葉等障礙物影響較為嚴(yán)重，信號(hào)衰減也較為明顯.

2.4 不同頻率無(wú)線信號(hào)在地被到地被和樹(shù)冠到地被的傳播情況

圖8和圖9顯示了不同頻段無(wú)線信號(hào)在地被到地被和樹(shù)冠到地被的傳播情況.從圖中可以看出，無(wú)線信號(hào)的波動(dòng)范圍在－120～－50 db，均在約10和60 m達(dá)到高峰，在約20、50和70 m出現(xiàn)低谷.433 MHz頻段在地被到地被和樹(shù)干到地被的傳播中信號(hào)最強(qiáng)、衰減最少；而1.8 GHz頻段的信號(hào)最弱.再一次驗(yàn)證了頻率與信號(hào)衰減的關(guān)系，說(shuō)明433 MHz無(wú)線信號(hào)最適合森林環(huán)境無(wú)線通信.

3 討論

本研究通過(guò)試驗(yàn)得出:森林環(huán)境對(duì)無(wú)線通信的影響較大，在針葉林環(huán)境中，無(wú)線通信距離在10～20 m時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度與距離呈反比；通信距離在20～60 m時(shí)信號(hào)強(qiáng)度無(wú)明顯規(guī)律，也無(wú)明顯的衰減，可能與林分中枝條茂密程度有關(guān)，茂密的地方信號(hào)強(qiáng)度低，稀疏的地方信號(hào)強(qiáng)度稍強(qiáng)，也可能受到了反射、衍射等效應(yīng)的影響；通信距離超過(guò)60 m時(shí)，各頻段信號(hào)強(qiáng)度衰減嚴(yán)重，可能是由于距離的不斷增加，導(dǎo)致其繞射能力急劇下降造成的.這個(gè)結(jié)論對(duì)傳感器在林中的組網(wǎng)以及通信距離的設(shè)計(jì)提供了參考.另外，從本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，各頻段無(wú)線信號(hào)在針葉林環(huán)境的傳播過(guò)程中均在60 m處出現(xiàn)不同程度的反跳現(xiàn)象，可能與實(shí)驗(yàn)區(qū)域的特殊性有關(guān)，也可能受到了周?chē)h(huán)境的影響，具體原因需在后續(xù)的研究中進(jìn)一步論證.

此外，在樹(shù)冠正面和背面的無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度沒(méi)有明顯差別；不同距離樹(shù)干到樹(shù)干的傳播過(guò)程中四個(gè)頻段無(wú)線信號(hào)的波動(dòng)范圍基本穩(wěn)定在－110～－50 db以?xún)?nèi)，信號(hào)強(qiáng)度隨著距離的增加而衰減，且頻率越高，無(wú)線信號(hào)在傳播過(guò)程中的波動(dòng)越小；4種無(wú)線信號(hào)在地被到地被和樹(shù)冠到地被的傳播過(guò)程中433 MHz頻段的信號(hào)強(qiáng)度顯著高于其他頻段，且衰減最少，最適合在針葉林環(huán)境中的無(wú)線通信，而1.8 GHz頻段的無(wú)線信號(hào)最弱.通過(guò)對(duì)不同頻段無(wú)線信號(hào)在樹(shù)冠到樹(shù)冠、樹(shù)干到樹(shù)干和地被到地被的傳播情況進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)設(shè)備高度的設(shè)置對(duì)無(wú)線信號(hào)的傳播情況有重要影響，可能是由于林中不同高度的植被茂密程度有所不同，因此對(duì)無(wú)線信號(hào)的遮擋也不同.在針葉林環(huán)境中，無(wú)線信號(hào)的頻段越高，繞射能力越弱，信號(hào)衰減越明顯.這個(gè)結(jié)論對(duì)林中無(wú)線通信時(shí)設(shè)備位置的設(shè)置和信號(hào)頻段的選擇提供了參考，復(fù)雜環(huán)境下的無(wú)線通信宜選擇頻段較低的無(wú)線信號(hào).

無(wú)線信號(hào)在傳播過(guò)程中的衰減除距離之外仍受多種因素的影響，比如障礙物、頻道沖突、強(qiáng)信號(hào)干擾、濕度等.因此，為了降低無(wú)線信號(hào)在傳播過(guò)程中的損耗，在挑選實(shí)驗(yàn)環(huán)境時(shí)要盡量選擇遮擋較少、無(wú)信號(hào)干擾、濕度較小的區(qū)域，也可以通過(guò)選擇優(yōu)勢(shì)頻段或者增強(qiáng)初始信號(hào)強(qiáng)度等方式來(lái)減少損耗，在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中我們也將對(duì)此進(jìn)行重點(diǎn)研究.

4 結(jié)論

本文對(duì)4個(gè)無(wú)線頻段(443、900、1 800、2 400 MHz)在針葉林環(huán)境中分別測(cè)試了不同高度水平方向的信號(hào)傳播特性以及不同高度針對(duì)某一水平測(cè)試點(diǎn)的傳播特性，林中環(huán)境復(fù)雜多變，樹(shù)木本身是影響信號(hào)傳播的主要因素，此外無(wú)線信號(hào)傳播還受傳播介質(zhì)、距離等因素的影響，在此影響下各頻段均表現(xiàn)出了不同的傳播特性.文中通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出了針葉林環(huán)境下不同頻率無(wú)線信道的傳播特性，其中433 MHz頻段的無(wú)線信號(hào)最強(qiáng)、衰減最小，尤其適合林中樹(shù)干到樹(shù)干的無(wú)線信號(hào)通信.這些結(jié)論為傳感器網(wǎng)絡(luò)在林中的部署和林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)研究提供了重要參考，也為林業(yè)項(xiàng)目實(shí)施中的無(wú)線設(shè)備架設(shè)以及優(yōu)勢(shì)頻段選擇提供了參考和建議.

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(責(zé)任編輯:吳顯達(dá))

Propagation characteristics of different wireless channels in conifer forest

FENG Pengfei1，YU Xinwen1，ZHANG Xu1，YANG Yanchen1，WANG Jihong2
(1.Institute of Forest Resource Information Techniques，CAF，Beijing 100091；2.Department of Greening Managerment of Luolong，Luoyang，Henan 471022，China)

Wireless channel environment exerts an important influence on the quality of wireless communication，of which propagation characteristics of wireless signal channels in the forest play a decisive role.To understand the propagation properties of radio channels，signal propagation characteristics at different frequencies，heights and distances were tested in coniferous forest environment，white pine forest in Chinese Academy of Forestry.The results showed that signal strength was inversely proportional to distance within 10－20 m.Within the distance between 20 and 60 m，signal intensity did not attenuate much but the disproportional relationship with distance was not obvious.The signal intensity of each band attenuated significantly when it was over 60 m.Signal intensity at 433 MHz band was significantly higher than other bands，which was most suitable for wireless communication in forestry environment.The higher the frequency got，the smaller range the signal fluctuated，however，attenuation became stronger.To summarize，propagation characteristics of wireless channels at different frequencies provided an important reference for development of wireless sensor network，and of important significance for the application of forestry network of things.

wireless signal；coniferous forest；signal propagation characteristic；communication quality

S757.3

:A

:1671-5470(2016)06-0713-06

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2016.06.017

2015－12－12

:2016－04－07

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(IFRIT201504).

馮鵬飛(1990－)，男，碩士研究生.研究方向:分布式地學(xué)信息管理.Email:297904372＠qq.com.通訊作者于新文(1967－)，男，副研究員.研究方向:林業(yè)信息技術(shù).Email:xwyu＠caf.ac.cn.