桉樹人工林中433 MHz信道LoRa信號的傳播特性

譚星，于新文*，張旭，李凡，劉燕，歐陽萱，文永志

(1. 中國林業(yè)科學研究院資源信息研究所，北京100091; 2. 陜西省漢中市留壩縣林業(yè)局，陜西 漢中724100)

根據第8次全國森林清查報告結果，我國人工林面積約占全國森林面積的1/3，承擔著重要的生態(tài)環(huán)境支撐和景觀文化服務功能。但是截至目前，我國人工林面臨著質量下降、生態(tài)功能退化、天然更新差等問題[1]。為了解決這些問題有學者提出了人工林多功能經營技術[2]，然而經營方法中模型的建立與驗證及經營方案的調整、經營效果的分析及動態(tài)監(jiān)測等都需要高時效性的林業(yè)數據作為支撐。為了滿足這些高時效性的林業(yè)數據的需求，無線傳感器網絡(wireless sensor network，WSN)技術被用于林業(yè)中[3-5]。

WSN由微型控制系統(tǒng)、無線通信和數字電子融合而成的無線傳感器節(jié)點所構成，這些節(jié)點能夠通過傳感器感知周圍環(huán)境，并進行計算和通信[6]。常用的4G、Wi-Fi等無線通信技術由于高功耗原因不適宜在林業(yè)WSN中應用[7]。因此目前在林業(yè)WSN中應用較多的通信技術為低功耗的ZigBee技術。然而ZigBee通訊距離比較短，難以滿足大范圍覆蓋場景的需要[8-11]。

為了滿足低功耗、遠距離的物聯網需求，低功耗廣域網(low power wide area network，LPWAN)應運而生，LoRa(long range)為其代表協(xié)議之一，具有工作在非授權波段上、通信覆蓋范圍大、功耗低等特點，在農林行業(yè)WSN的應用中展現出巨大的潛力[12-17]。目前已有許多關于LoRa信號傳輸的研究。一些研究關注于LoRa自身的物理參數如載波頻率、發(fā)射功率、信號帶寬、天線高度、方向等對LoRa信號傳輸的影響[18]；另一些研究則關注于環(huán)境因素如溫濕度[19]、坡度[20]等對LoRa信號的影響。

由于上述因素的影響，在城市環(huán)境中LoRa信號的傳輸范圍為5～10 km[21-22]，在海洋環(huán)境中則為15～30 km[23]。而在一些植被覆蓋豐富的環(huán)境中，LoRa的通訊距離顯著下降，如在東南亞熱帶雨林中為200 m[24]，在美國西部農場為300 m[18]。LoRa信號的傳輸能力在不同環(huán)境中表現出巨大的差異。

為了給基于LoRa的WSN在人工林中的合理部署打下基礎，有必要研究LoRa信號在人工林中的傳輸特性。桉樹(Eucalyptusrobusta)作為我國南方主要的人工林樹種，在廣西得到了大面積的種植[25]，為此，在廣西選取桉樹人工林作為南方人工林的代表，測試LoRa信號在桉樹人工林中的傳播特性，探討天線高度、樹齡等因素對LoRa信號傳輸的影響，為基于LoRa的WSN在桉樹人工林中合理、高效部署提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本次試驗選擇的區(qū)域為廣西東門林場(107°15′E～108°00′E，22°17′N～22°30′N)，東門林場是廣西壯族自治區(qū)直屬的大型國有林場，場部位于崇左市扶綏縣東門鎮(zhèn)，地形以丘陵臺地為主，地勢東南向西北傾斜，平均海拔400 m，屬亞熱帶大陸性季風氣候，全年光熱充足，年均氣溫20～25 ℃，年降雨量1 000～1 200 mm，全場森林蓄積量251.6 萬m3，場內經營面積2萬hm2，場外造林面積超過22 000 hm2，是亞洲最大的桉樹基因庫、全國最大的桉樹苗木科研和生產基地。為了減小地形對試驗的影響，本次實驗選取的試驗點均為地形變化起伏較小、地勢較平坦的地區(qū)。

1.2 試驗材料

本次試驗使用的設備為成都惠利特自動化科技有限公司生產的WIFI_LoRa_32產品，主要由ESP32控制芯片、SX1276 LoRa芯片、SSD1306 LED顯示屏、433MHz彈簧天線、鋰電池等部件構成。其中：ESP32為主控芯片，主要負責控制LoRa芯片；SX1276為LoRa芯片，主要負責LoRa信號的發(fā)送與接收；SSD1306為顯示設備；433 MHz彈簧天線的駐波比≤1.5，天線增益為3 dBi；電池容量為1 000 mAh，負責為整套設備供電。

1.3 試驗方法

由于433 MHz是我國常用的ISM(industrial scientific medical)免費頻段，而且相較于868 MHz，433 MHz載波頻率在林區(qū)環(huán)境具有更大的通訊范圍[26]。因此本研究采用的載波頻率是433 MHz。為了減小LoRa物理參數對試驗結果的影響，本試驗在參考他人研究結果下固定了LoRa物理參數[18]，試驗所采用的LoRa物理參數如表1所示。本研究選擇小尺寸彈簧天線，以減小天線方向對試驗結果的影響，選擇了在溫濕度日變化較小的5月進行試驗，以減小溫濕度對信號傳輸的影響。在本試驗中選擇1.5 m天線高度和2.0 m天線高度兩種天線高度評估天線高度對信號傳輸的影響。

根據設備功能的不同，將設備分為發(fā)射端和接收端，并各自編寫了不同的處理程序：發(fā)射端設備每2 s發(fā)送一次數據，數據內容為1個從0開始的數值，每次發(fā)射成功后該數值加1;接收端設備則負責接收數據包并從數據包中提取信號強度指示值(received signal strength indication，RSSI)，然后將接收到的數值以及RSSI在OLED屏幕上顯示出來。

圖1 試驗環(huán)境 Fig. 1 Experiment environments

試驗選取了3種不同的環(huán)境：開闊環(huán)境、3 a林齡桉樹人工林、5 a林齡桉樹人工林(圖1)。在3林齡桉樹人工林中，桉樹的種植密度約為1 667株/hm2，平均胸徑為10 cm，平均樹高為15 m；5 a林齡桉樹人工林中桉樹的種植密度與3 a林齡一致，平均胸徑為12 cm，平均樹高為18 m。

在開闊環(huán)境中，將發(fā)射端固定，記錄天線高度和GPS坐標，然后移動接收端遠離發(fā)射端，并且固定接收端的天線高度為1.5 m，記錄移動端與發(fā)射端的水平距離以及RSSI。由于RSSI在前200 m內衰減很快，所以每隔20 m記錄1次，超過200 m后每50 m記錄1次，直到信號消失。每1個點測量10次，然后選擇平均值作為這個點的RSSI值。在開闊環(huán)境中選擇兩條方向相反的路徑進行了試驗，得到兩組實驗結果，分別用于模型的建立和驗證。

在桉樹人工林環(huán)境中，兩條路徑的方向相同，路徑之間的間隔約為20 m，同時與桉樹林人工林行向有約為45°的夾角，其他操作則與在開闊環(huán)境下一致，試驗示意圖如圖2所示。不同環(huán)境中的試驗路線圖如圖3所示。

圖2 桉樹人工林環(huán)境中試驗示意圖Fig. 2 Experimental schematic diagram in eucalyptus plantation

注：第1行為1.5 m天線高度時的路線圖，第2行為2 m天線高度時的路線圖；圖中點代表試驗中間隔一定距離選取的點，不同顏色代表兩組測試。圖3 不同試驗環(huán)境中的試驗路線圖Fig. 3 The test route in different environments

2 結果與分析

2.1 試驗結果

根據試驗得到的不同距離下RSSI變化數據，繪制在不同環(huán)境下RSSI隨距離變化的散點圖，如圖4所示。

圖4 不同環(huán)境中的實測RSSI Fig. 4 RSSI measured in different environments

2.2 路徑損耗模型

無線信號強度從發(fā)射源開始隨著距離的增大而逐漸減弱，這一衰減過程是非線性的，損耗模型是反映信號衰減過程的分析方法，常用的理論模型為Shadowing模型[27]，如式(1)所示：

(1)

式中：d為發(fā)射端到接收端的距離，m；d0為參考點與發(fā)射端的距離，m；P(d)為接收端接收到的信號強度，dBm；P(d0)為參考點處接收到的信號強度，dBm；n為路徑損耗指數，也稱衰減系數，是一個由環(huán)境定的值；ε為高斯隨機變量，其平均值為零，常予以忽略。

P(d0)主要受發(fā)射功率的影響，即在發(fā)射功率一定的條件下，P(d0)為一個定值。在ZigBee等信號測試中，d0一般選取為1 m，然而由于LoRa信號傳輸較遠，本研究選取的參考點距離為20 m，在開闊環(huán)境、3 a林齡桉樹人工林環(huán)境下、5 a林齡桉樹人工林環(huán)境下測得的P(d0)分別為-70，-71和-68 dBm，與理論一致。

當發(fā)射功率固定時，P(d0)可以看作一個固定值，由公式(1)可知：n值越大，信號在傳播過程中的衰減越大，傳播距離越近；n越小，信號傳播的衰減速率越小，傳輸距離越遠。

根據公式(1)，將試驗數據代入到公式中利用SPSS軟件對路徑損耗模型進行擬合，結果如表2所示。在3種環(huán)境中， LoRa信號的RSSI隨著距離的增大而不斷減小，信號的衰減都符合Shadowing模型，模型的R2介于0.886～0.982。在開闊環(huán)境，1.5 m天線高度時模型的R2值最大為0.982，在5林齡桉樹人工林環(huán)境，1.5 m天線高度模型的R2值最小為0.886。環(huán)境越復雜，傳播路徑上受到更多因素的影響，致使RSSI產生波動。這與2.4 GHz無線信號的傳輸情況一致[28]。

表2 不同環(huán)境下模型n值以及模型精度Table 2 The value of n and the precise of the model in different environments

2.3 模型驗證

為了驗證上述模型，利用試驗中獲取的另一組數據對模型精度進行評估。計算反映實測數據波動大小的均方根誤差(root mean square error，RMSE)和決定系數R2，結果如表3所示。

表3 不同環(huán)境下實測數據與預測模型計算結果比較Table 3 Result comparison between measured and computed data for different environments

驗證數據表明，模型的RMSE值為3.522～6.872，R2為0.780～0.961，在開闊環(huán)境中，2 m天線高度時的R2最小，為0.780。出現這一結果的可能原因是距離太長導致距離的測量誤差較大，從而造成了模型精度較低。

2.4 模型分析

根據表3和公式(1)繪制了1.5和2.0 m兩種天線高度下，開闊環(huán)境、3 a林齡桉樹人工林、5 a林齡桉樹人工林3種不同環(huán)境中LoRa信號的路徑損耗模型，如圖5所示。從圖5可以看出，在兩種不同天線高度下，3種環(huán)境中LoRa信號的RSSI均隨距離的增大不斷減小。當天線高度為1.5 m時，LoRa信號在開闊環(huán)境下、3 a林齡桉樹人工林和5 a林齡桉樹人工林中的傳輸距離分別為1 300，950和800 m；而當天線高度為2.0 m時，傳輸距離分別為1 600，950和800 m。

開闊環(huán)境中LoRa信號的傳輸距離最遠，即路徑損耗模型中的n值最小，信號衰減得最慢。開闊環(huán)境中的路徑損耗指數n可以作為當地氣候條件當前LoRa PHY參數所對應的理論傳輸n值。而在3 a林齡桉樹人工林與5 a林齡桉樹人工林的傳輸距離要明顯低于開闊環(huán)境中的傳輸距離，即路徑損耗模型中n值要明顯大于開闊環(huán)境中的n值，信號衰減更快。

比較圖5中開闊環(huán)境1.5 m天線高度和2.0 m天線高度的路徑損耗模型曲線可以看出，在開闊環(huán)境中，當天線高度為1.5 m時，傳輸距離為1 300 m；而當天線高度為2.0 m時，傳輸距離增大到1 600 m。這說明當天線高度增大時，路徑損耗模型中的n值減小，信號衰減速率減慢，傳輸距離更遠。

圖5 兩種天線高度下不同環(huán)境中的路徑損耗模型 Fig. 5 Path loss model at two antenna heights in different environments

比較桉樹人工林環(huán)境中，兩種不同高度的路徑損耗模型曲線，發(fā)現它們幾乎重合，所求的模型n值也相差不大，信號衰減速率較一致；在相同距離上，1.5 m天線高度與2.0 m天線高度上的RSSI相差不大，且最終傳輸距離也相同。

3 討 論

LoRa信號的傳輸受到LoRa自身物理參數與環(huán)境的多重影響，傳輸情況隨著環(huán)境以及不同的參數設置而異。

在桉樹人工林中，LoRa信號的傳輸距離要明顯低于在開闊環(huán)境中的理論傳輸距離，說明LoRa信號的傳輸受到桉樹人工林環(huán)境的影響，驗證了LoRa信號傳輸受傳播介質影響這一結論[20,24,29]，體現了本研究的必要性；研究發(fā)現LoRa信號在桉樹人工林中的傳輸距離要大于在熱帶雨林環(huán)境中[29]，主要是由于桉樹人工林環(huán)境中林下植被較少，且天線選取的高度均位于樹干部位，受植物冠層的影響要小于在熱帶雨林環(huán)境中，而在熱帶雨林環(huán)境中，林下植被較多，且多為闊葉樹種，樹葉對信號遮擋作用較強，信號衰減得更快。

在開闊環(huán)境中，選取1.5和2.0 m天線高度時，隨著天線高度的增加，傳輸距離增加。這與在海洋等開闊環(huán)境下取得的試驗結果一致[23]。造成這一結果的可能原因是：隨著天線高度的增加，減小了地面因素對信號傳輸的影響，導致n減小，信號衰減減弱，傳輸距離也得到了增加。在開闊環(huán)境中，在500及900 m處出現較大峰值，這表明信號傳輸收到了較強的干擾，具體原因尚不明確，猜測可能與實驗場地中行駛汽車的干擾有關。

在桉樹人工林中，1.5和2.0 m天線高度情況下，隨著樹齡的增加，n值越大，信號衰減更快、傳輸距離也更短，而天線高度的變化對信號傳輸的影響則不明顯。這種現象的可能原因是：在桉樹人工林環(huán)境中，LoRa信號傳輸主要受到樹干的影響。當天線高度相同時，在不同林齡林分中，由于林齡較小的林分樹干平均直徑較小，樹干的遮擋作用也較弱，因此信號衰減速度較慢，傳播距離也更遠。當天線高度不同時，由于1.5和2.0 m處桉樹人工林樹干直徑變化不大，遮擋作用相似，信號傳輸情況也較一致，導致天線高度對LoRa信號傳播影響較小，因而不同天線高度情況下信號的衰減與傳輸距離變化較小。

在實際應用中，當在與本研究環(huán)境類似的廣西桉樹人工林環(huán)境中進行LoRa無線傳感器網絡架設時，可以直接使用本研究得到的環(huán)境因子n，同時測量得到參考點處的RSSI值(與發(fā)射功率有關)，再根據接收端所能接受到的最小RSSI，利用路徑損耗模型來估算出LoRa信號的最大傳輸距離，從而確定出LoRa節(jié)點之間的有效通信距離。

本研究主要針對南方桉樹純林中相同密度不同林齡、不同天線高度的LoRa信號傳播進行研究，而在人工林無線傳感器網絡LoRa節(jié)點的部署中，必然涉及南北方不同優(yōu)勢樹種、不同種植密度、不同林下環(huán)境、不同坡度、不同溫濕度等問題。而且由于疏伐等原因，人工林栽植密度要大于成熟期密度，因此有必要針對南北方差異以及不同樹種、不同密度、不同林下環(huán)境、不同坡度、不同生長期的林分進行無線信號的傳播特性研究，從而為人工林無線傳感器網絡LoRa節(jié)點部署提供更可靠的依據。

4 結 論

為了解LoRa信號在人工林的傳輸情況，為LoRa節(jié)點在人工林中的部署打下基礎，對LoRa信號在桉樹人工林中的傳輸特性進行了初步研究，主要結論如下：

1)LoRa信號在桉樹人工林中傳播時，相較于其在開闊環(huán)境下，路徑損耗模型中的路徑損耗指數n更大、信號衰減更快，最大傳輸距離更短，桉樹人工林對LoRa信號的傳播有明顯的阻礙作用。

2)當天線高度位于1.5與2.0 m天線高度時，LoRa信號在桉樹人工林環(huán)境中進行傳輸時，天線高度對其傳輸影響較小，而受桉樹樹齡的影響較大。

3)桉樹樹齡越大、樹干直徑越大，LoRa信號受到的阻礙越嚴重，信號衰減更快，傳輸距離也更短。

4)在與本研究所類似的環(huán)境中進行LoRa無線傳感器網絡建設時，可以使用本研究所得到的路徑損耗指數n，快速、便捷地搭建林業(yè)物聯網應用。