无线信号在马尾松林中传播特性分析

2021-03-16李东虎

计算机应用与软件 2021年3期

陈明李东虎王霄杨靖

(贵州大学电气工程学院贵州贵阳 550025)

0 引言

随着无线通信技术的发展，无线传感器网络因低成本、低功耗、自组织能力强等优点，在农业[1-4]、环境监测[5-6]、林业等领域得到广泛的应用。无线传感器网络能将传感器采集的林业环境信息传给服务器，方便实现林业信息资源的共享，为林业发展提供有力支持[7-9]。无线传感器网络中节点通信容易受到环境影响[10]，因此有必要研究无线信号在特定环境中的传播特性。

研究人员对无线信号的传播特性做了大量研究。李锶钰等[11]测量了2.4 GHz无线信号在小麦不同生育期的功率衰减和丢包率，在不同的天线高度上功率衰减可以用对数模型进行预测，信号衰减速度随天线高度增加而减少，传输距离随天线高度增加而增加，得出天线高度应略高于成熟植株高度。周建军等[12]研究了番茄连栋温室内不同方向的2.4 GHz无线信号传播特性,得出在同一高度上，行方向上的路径损耗小。李萍萍等[13]研究了温室青椒中不同天线高度和不同接收方向上2.4 GHz无线信号的传播特性，结果表明青椒中2.4 GHz无线信号的传播性能与高度有关，与传播方向无关。但是温室属于人工种植环境，且植株高度相对较低。文韬等[14]研究了橘园中433 MHz无线传感网络节点不同的部署方式，无线信号受植被深度、通信距离、天线高度等因素共同作用下信号的衰减情况，但实验环境是盆栽的橘树，植株高度相对较低，植株的分布是按照实验需求进行等距离排列，实验环境较为单一和理想化，不能很好地适用于野外复杂多变的环境。郭秀明等[15]研究了苹果园中2.4 GHz无线信号在不同高度下信号衰减情况，果树为人工种植，树木排列较为整齐，树高相对较矮，与自然生长状态下的马尾松林差距较大。冯鹏飞等[16]研究了白皮松林中不同通信频率和不同天线高度在水平方向上的传播特性，以及不同高度针对某一水平测试点的传播特性，得出433 MHz通信频段信号强、衰减小，但是白皮松林为人工种植林，树木排列较为整齐，不能很好地体现野外自然生长的排列不规则马尾松林的复杂特征。因此，研究无线信号在野外自然生长状态下马尾松林中的传播特性是有必要的。

为解决无线传感器网络在马尾松林中部署、定位和功率控制等问题，本文实地测量了自然生长状态下马尾松林中433 MHz无线信号在同一发射天线高度不同接收高度、同一收发天线高度不同接收距离的路径损耗情况，对8个高度40个水平测试点的接收功率进行测量，对测试结果进行统计分析和曲线拟合，结果表明路径损耗符合对数损耗模型，为进一步研究无线传感器网络在松林中的节点部署提供理论基础。

1 测试环境及方法

1.1 松林传播环境

在野外自然生长的松林中，由于松树的树高不规律、排列不整齐，无线信号在传播过程中会同时存在折射、绕射、反射等多种传播方式。在开阔的野外松林中，无线信号在向周围空间传播时就会以折射波、绕射波、反射及其合成波等多种方式传播。在野外松林中，松树树干、周围灌木丛树干、树叶、杂草等都会影响无线信号的传播，使无线信号发生折射、绕射、反射。杂草、灌木、树木的排列不规则导致折射、绕射、反射也不规则。

1.2 路径损耗模型

当收发天线间为一条畅通无阻的传播路径时，可以将无线信号视为在自由空间下传播，并用自由空间模型对接收功率大小进行预测，收发天线间的功率方程定义如下：

(1)

式中：PR(d)为接收功率；PT为发送器功率；GT为发送器天线增益；GR为接收天线增益；λ为波长；d为收发天线间的距离；T为与传播无关的损耗因子。但在实际中，符合没有衰减，传播过程中没有阻挡，没有波的叠加、折射、反射及其空间波的环境很难满足。在无线信号传输过程中传播损耗是一个重要的指标，其计算公式如下：

LPG=PT-PR

(2)

式中：LPG为传播损耗，单位为dB。无线信号在向四周传播的过程中，随着发射机和接收机之间的距离增大，无线信号的能量也发生变化。要了解无线信号的变化情况，需研究无线信号所在的传播环境、收发天线间的距离、发射天线高度和接收天线高度对无线信号传播的影响，就需要对不同的天线高度、同一天线高度不同接收距离的接收功率进行测量和分析。

1.3 测试场地与方法

路径损耗是无线信号传播特性的重要衡量指标之一，要对无线信号的传播特性进行分析，就需要对传播过程中的各参数进行测量，获取在同一发射天线高度不同接收距离下的接收功率。对所测量的结果进行分析，得到松林无线信号路径损耗模型以及信号的覆盖范围，确定在松林中影响无线信号的传播因子，为无线传感器网络在松林中的节点部署、定位和功率控制等提供理论依据。

测试地点位于贵州省贵阳市花溪区郊区野外松树林，底层为低矮灌木丛，高度为h(0

图1 马尾松林实验环境

为获得实验数据，相关设备及参数如表1所示。

表1 实验设备性能参数表

为获得WSN的路径损耗模型，实验测试了同一发射天线高度时不同接收高度对接收功率(RSSI)的影响，发射端天线以0.25 m为起始测量高度，以0.25 m为步长逐次增加到2 m；以发射端为参照，测量与发射天线等高以及±0.25 m的上下两个高度的接收功率。为测试收发机天线水平距离改变对RSSI的影响，将发射端和接收端分别放在高度可调节的三角架上，保持发射端位置不变，改变接收端水平距离。以1 m为步长，逐次测量不同距离的接收功率直到40 m。当测试不同接收角度对接收功率影响时，发射端位置不变，接收端分别以5 m、15 m为半径，以30°为步长，测试不同相对角度上的接收功率。测试的发射节点和接收节点的部署方式如图2、图3所示。

图2 433 MHz在松林中的测试示意图

图3 松林中不同接收角度示意图

测试步骤如下：

(1) 将发射机天线高度调到0.25 m；

(2) 将接收机天线高度调至0 m；

(3) 调整接收天线的位置，使接收机与发射机间的水平距离为1 m；

(4) 利用频谱仪测量该位置无线信号接收功率；

(5) 以1 m为步长，按步骤(4)完成样本数据测量；

(6) 调整接收机高度为0.25 m，保持接收机天线与发射机天线距地高度相同，重复步骤(3)-步骤(5)对样本点数据进行测量；

(7) 调节接收机天线高度为0.5 m，重复步骤(3)-步骤(5)，完成发射端天线高度为0.25 m时样本点接收功率的测量；

(8) 以0.25 m为步进调节发射机高度，重复步骤(1)-步骤(7)，完成不同发射机天线高度和不同接收机天线高度下的RSSI的测量数据点采集；

(9) 将接收机天线与发射机天线间的相对角度按照30°为步长，沿逆时针方向从0°到330°，将接收天线高度调到0.25 m,接收距离为5 m，沿逆时针方向以30°为步长测量，然后将接收距离调到15 m，重复前一步骤操作。然后将天线高度分别增加到0.75 m、1.25 m、2.0 m，重复上述操作，完成不同的相对天线角度下RSSI的测量。用式(3)对所测数据进行处理，对每一个样本点进行40次测量，取其平均值作为该样本点的真实值：

(3)

2 测试结果与分析

2.1 发射天线高度对路径损耗的影响

通过改变收发节点的相对距离和相对高度所得到的路径损耗情况如图4所示。可见，无论发射节点天线距地高度为多少，接收天线的距地高度一定时，随着接收天线的水平距离的增加，路径损耗基本符合对数衰减，路径损耗曲线上存在的一些波动是因为在该采样点附近有灌木丛覆盖，从而导致接收功率的变化。当h1=0.25 m时，随着天线高度的增加，路径损耗增大，因为大部分灌木丛的叶层分布在0.5 m附近。因此相对于接收高度为0时损耗较为严重。在0.5 m1.5 m时，这一高度超出了灌木丛的高度，路径损耗明显降低。当1.75 m

图4 同一发射高度不同接收高度路径损耗值

2.2 收发天线高度相同时不同的距地高度路径损耗

同一收发高度不同距地高度的路径损耗如图5所示。可以看出，天线高度越高，路径损耗越低。当天线高度h<0.75 m时，无线信号水平传播距离较短，路径损耗较为严重，大约在20 m附近时无线信号的接收功率衰减到-90 dBm，因为大部分灌木丛高度都低于0.75 m。在灌木丛比较密集的采样点附近，路径损耗较大，曲线波动较大，当天线高度0.75m1.5 m后，随着天线高度的增加，传输距离较远，在40 m时路径损耗值都还未衰减到-90 dBm，水平传播距离大于40 m。总之，在树高不规律、排列不整齐的野外马尾松林中，收发天线高度h=2.0 m时，无线信号的传播损耗最小，传播距离最远。

图5 同一收发天线高度不同距地高度的路径损耗值

2.3 路径损耗模型分析

在自然生长状态下的松林中，无线信号传播除了受到空气中能量扩散的功率影响外还受到了周围树干和低矮灌木丛的影响。无线信号传播容易受到反射和折射的影响，随着传播距离的增加，在距离发射端较远的采样点时，无线信号会经过多次的反射或折射。不同的天线高度也会影响无线信号的路径损耗值。随着天线高度的增加，在同一水平位置上，较高的节点位置有较强的接收功率，但当天线增加到一定高度时，接收功率变化不大，所以天线高度增加对接收功率的影响不一定呈正相关。对于这种特定场景下的无线信号的传播，对数损耗模型如下：

PR=A-10nlgd

(4)

式中：PR为接收天线接收功率，单位为dBm;d为传播距离，单位为m；A为模型参数；n为环境因子。研究表明，在农业、林业环境中，信号衰减都能用该模型预测[11，17-19]。

利用最小二乘法对曲线进行拟合，实测值和拟合曲线如图6所示，相关参数值如表2所示。

图6 同一收发高度不同距地高度路径损耗拟合曲线关系图

表2 收发天线距地高度相同时实验数据路径损耗模型参数对照表

由表2可知，相关系数最小为0.859 9，最大为0.953 1。在不同的高度下路径损耗基本符合对数衰减模型，所以可用该模型预测松林中无线信号的衰减，衰减系数如图7所示。

图7 天线高度与衰减系数

由图7可知，随着高度增加，环境因子呈减小趋势。在高度为0.5 m、1.25 m时，衰减系数较大，这是因为大部分灌木丛集中在h=0.5 m这一高度，h=1.25 m时模型参数较大。对n和h进行三次多项式拟合，相关系数R2为0.747 7，得到下式：

n=1.285h3-2.729h2+1.89h-12.28

(5)

对模型参数A与收发天线高度进行三次曲线拟合，相关系数R2为0.833 3，得到式(6)，天线高度与模型参数模型如图8所示。

A=2.272h3-11.94h2+18.7h-50.52

(6)

图8 天线高度与模型参数

综合式(4)-式(6)，可得松林中无线信号衰减模型如下：

(7)

式中：PR为接收功率；h为收发天线高度；d为水平传播距离。

2.4 不规则松林环境对无线信号造成不规则传播的影响

在自然生长状态下的马尾松林中，由于树木的生长不规则，排列也不规则，植被深度在同一高度不同方向有深有浅，同一方向不同高度深浅不一，底层灌木丛在每个角度的排列状况都不规则，所以会对无线信号路径损耗造成不规则的衰减。在无线传感器网络的仿真实验中常常采用概率感知模型，认为节点的感知半径和通信半径都是一个规则的圆形，但是本文研究通过以发射节点为圆心，分别以水平距离5 m、15 m为半径，收发天线高度距地相同时，以30°度为步长，在360°圆周内对无限信号进行检测，结果如图9所示。可见，由于马尾松和灌木丛的分布不规则，导致无线信号的路径损耗并不是一个规则的圆形，在同一高度下不同的接收角度路径损耗不同。考虑到节点的部署环境，通常部署高度为近地、适当超过动物高度、高于大部分灌木、高于灌木和人体高度。因此分别选取0.25 m、0.75 m、1.25 m、2.0 m这4个高度进行研究。当高度为0.25 m时近地高度稍高于地面，防止雨水和泥土淹没或覆盖节点，其路径损耗较为严重，因为此时无线信号主要受到地面的折射和反射等多种因素的影响，图形存在一定畸变。当高度为0.75 m时，为了避免野外动物触碰对节点的影响，此时路径损耗较大，图形畸变最为严重，主要因为大部分灌木丛叶层分布在这一高度，导致路径损耗较为严重。高度范围在5 m到15 m之间衰减较为严重，主要因为大部分灌木丛集中在这一高度，对无线信号传播影响较为严重。当h=1.25 m时，此高度超过了大部分灌木丛的高度同时便于节点的安装，此时路径损耗相对于前面两个高度明显降低，但图形依然存在着畸变。当天线高度h=2.0 m时，节点高度高于所有灌木及人体高度，此时路径损耗最小，但图形依然存在一定的畸变。随着天线高度的增加，在不同高度、不同接收角度依然存在畸变，但畸变程度相对减少。主要是因为自然生长的马尾松树排列秩序不规则，导致对无线信号的折射、反射也不规则。在同一接收距离，不同的接收高度、不同的接收角度路径损耗并不是一个规则的圆形，从而导致对无线信号的传播损耗在不同的接收方向上存在差异。随着天线高度增加，路径损耗值减少，同一接收半径的接收功率所形成封闭图形畸变程度也相对较小。