室内走廊无线信号传播性能分析
2022-07-29左志涛
陈 明,杨 另,徐 冉,王 霞,黎 翱,左志涛
(毕节高新技术产业开发区 国家能源大规模物理储能技术研发中心,贵州 毕节 551712)
0 引言
无线传感器网络因其自组织能力强、功耗低等特点,在交通控制、智能家居等领域应用广泛。当无线传感器网络应用于室内场景时,可实现楼道监控、无线定位等。因无线传感器网络中网络节点的通信容易受到环境的影响,因此在特定环境下研究无线传感器网络的传播特性是无线传感器网络设计的基础。
当前,研究人员对室内无线信号的传播特性开展了很多有意义的研究。如:文献[5-8]中主要依赖于接收信号强度指数()来计算节点的距离,从而达到定位的目的。文献[9]针对办公室中长6 m、宽3 m 范围内的无线信号的衰落模型进行了研究。文献[10]研究了室内走廊中固定的收发天线高度为1.2 m 时的无线信号的衰减情况。文献[11]对收发天线高度为1.5 m 时,且长为10.76 m、宽为6.72 m 的办公室内的6 种频率下无线信号进行分析,并得出了在不同频率下无线信号相应的路径损耗因子。文献[12]研究了室内走廊不同的发射天线角度以及不同的天线接收高度下的路径损耗模型,并得出当天线角度与水平空间的夹角为90°时路径损耗最低,在天线高度1.5 m 时路径损耗最小。文献[13]研究了室内环境中ZigBee 无线网络在不同的收发天线高度、天线的接收方向、接收端是否被人体遮挡、接收端的移动方向等4 个不同的因素变动条件下,对信号的影响情况。提出了在典型情况下,没有遮挡时无线信号的传输模型,求得了更加准确的传输距离和信号强度间的关系,也提高了室内ZigBee 无线网络的测距和定位精度。
文献[14]通过实验室与走廊之间的链路测试,分别对走廊到实验室之间的非视距链路传输、走廊到实验室之间的视距链路传输、走廊到走廊之间的链路传输进行测试。研究了墙体对无线信号链路造成的衰减特性,同时在多墙体环境下,对多墙体进行穿透测试,并在基于Lee 模型中添加了墙体损耗因子,而且也还分析了楼梯场景中视距和非视距两种情况下的传播特点。实验结果表明,在拐角处路径损耗会发生明显变化,同时路径损耗并不是简单的线性变化。
综上所述,当前都是基于路径损耗进行的研究,并没有考虑节点的有效传输距离。由此可见,在传输一定距离以后,虽然能通过频谱仪接收信号,但是这些信号会存在一定程度的失真,从而导致测试结果不可靠等情况。此外,在测试过程中并没有考虑在不同的接收位置上对无线信号的影响。因此,本文针对室内走廊中无线信号在不同高度、不同接收位置、不同收发距离情况下的数据传输进行研究,并对测试结果进行分析,为无线传感器网络在室内走廊中的部署提供了理论依据。
1 方案描述
1.1 测试环境
由于环境原因,如室内走廊中的墙壁、天花板、地板、以及走廊中的盆栽植物等因素,使得无线信号在传播过程中存在直射、绕射、反射等多种方式的传播路径,对无线信号的传输造成一定影响。无线信号的传播特性与频率和波长有关,无线信号的波长和频率将影响其穿透能力和绕射能力。当无线信号的频率越低时,信号的穿透能力就越弱,但无线信号的波长就会越长,其相应的反射能力以及绕射能力就会越强。反之,当无线信号的频率越高时,信号的穿透能力就越强,但无线信号的波长就会越短,其相应的反射能力以及绕射能力就会越弱。综前分析可知,当无线信号在室内走廊中传播时,环境因素会影响到无线信号的传播能力。因此,在特定场景下研究无线信号的传播特性是必要的。
1.2 测试方法
随着无线信号的不断应用和普及,为了能使无线信号实现有效覆盖,而在楼道中合理部署节点,确保通过无线信号传输的信息完整、可靠、不失真,同时为了使实验场地更加接近于实际使用环境,实验地点选取位于贵州大学新校区(西校区)教学楼5楼楼道内。教学楼走廊长为50 m、宽为2.78 m、高度为2.6 m。考虑到应用时节点可能会位于不同位置,为了使实验环境能更加地接近于实际应用场景,在视距(收发端均位于楼道中)和非视距(发送端位于楼道的拐角附近,接收端位于楼道内)两种情况下进行实验。实验场景如图1 所示。
图1 视距和非视距的实测场景Fig.1 Field measurement of line-of-sight and non-line-of-sight scenes
为了完成测试,选用CC2530F256 作为核心板,2 根3 dB 的全向天线,2 个可升降三脚架(最高可升至1.6 m)以及笔记本电脑等辅助设备。
为了测试不同的收发天线高度对无线信号传输性能的影响,发射端天线与接收端天线均以0 m 为起始高度,分别以0.4 m 为步长逐渐升高到1.6 m。收发天线分别固定在高度可调节的三脚架上,以发射的一端作为参考,接收端分别位于发射端正前方左、中、右三个不同位置,用以测试无线信号的传输性能。当测试不同距离下无线信号的传输性能时,将发射端固定在楼道一端的中间位置,接收端以1 m为步长,逐次测量距离发射端不同距离时相对于发射端左、中、右三个不同位置下的数据失真情况。测试时,收发节点的部署位置如图2(a)所示;当测试非视距情况下的无线信号数据失真情况时,测试节点的部署如图2(b)所示。
图2 样本测试分布图Fig.2 Samples test distribution
具体测试步骤如下:
(1)将发射端高度调整为0 m,并将其部署在楼道一端中间位置。
(2)将接收端高度调整为0 m,与发射端位于距地同一高度。
(3)调整接收天线和发射天线之间的水平距离,并以中间作为基准,使收发天线间的水平距离为1 m。
(4)从发射端发射50 帧数据,测试接收端接收到的数据。
(5)以中间位置作为基准,依次分别向左、右两边平移,并测试左、右两边接收到的数据。
(6)以1 m 为步长,按照步骤(4)~(5)完成样本数据的测量。
(7)以0.4 m 为步长,调整收发天线三脚架高度,重复步骤(3)~(6),完成所有样本点数据采集。
2 测试结果分析
2.1 收发天线高度对传输性能的影响
当收发全向天线对地角度为90°时,测试收发天线间的水平距离、以及收发天线间的相对位置对无线信号传输的影响。结果如图3、图4 所示。
图4 非视距条件下不同天线高度和接收位置数据接收情况Fig.4 Data receiving at different antenna heights and receiving positions under non-line-of-sight conditions
由图3 可知,随着收发天线间的距离增加,无线信号的传输大致可以分为3 部分:一部分是可靠传输距离。在这个距离以内,无线信号不出现失真,能够进行可靠传输;第二部分是不可靠传输距离。在这一段距离内,无线信号能进行传输,但传输的信号会存在不同程度的失真;第三部分是不能传输距离。在这段距离中,接收端天线基本无法接收到发射端天线发出的信号。无论接收天线位于哪个位置上,随着天线高度的增加,收发天线间的可靠传输距离随之增加。当天线高度0 m 时,由于无线信号主要受到地面的影响,数据失真较为严重,可靠传输距离较短;当天线高度0 m<1.2 m 时,随着天线高度的增加,受地面的影响逐渐减小,无线信号的可靠传输距离增加;当天线高度1.2 m<1.6 m 时,有效传输距离较长;当1.6 m 时,信号失真最少,传输距离最远,在整个楼道内都能进行有效传输。
图3 视距条件下不同天线高度和接收位置数据接收情况Fig.3 Data receiving at different antenna heights and receiving positions under line-of-sight conditions
由图4 可知,当无线信号在非视距条件下传播时,由于受到楼道墙体影响较为严重,在楼道内只能接收到少部分信号。当天线高度1.6 m 时,可靠传输距离只在20 m 左右,相对于在视距条件下,非视距情况下的有效传输距离较短。
2.2 接收位置对传输性能的影响
为了测试接收天线相对于发射天线间相对位置对无线信号传输的影响,对不同高度下无线信号收发天线间传输性能进行测试,结果如图5、图6 所示。
图5 视距情况下不同接收位置无线信号传输情况Fig.5 Wireless signal transmission at different receiving positions under line-of-sight conditions
图6 非视距情况下不同接收位置无线信号传输情况Fig.6 Wireless signal transmission at different receiving positions under non-line-of-sight conditions
由图5 可知,在视距条件下,无论收发天线位于左、中、右三种相对位置,均呈现出随着天线高度增加、数据的失帧减少趋势。当收发天线高度0 m时,主要受到地面的影响,无论接收天线位于何种位置,其有效传输距离都会较短。在中间位置的传输距离大于左、右两边传输距离,主要是因为此时中间位置受到两边墙壁的影响小,而左、右两边由于受到墙体的影响严重,数据失真严重,使得有效传输距离也会较短。当收发天线高度0.4 m<0.8 m 时,随着天线高度的增加,受地面影响逐渐减小,有效传输距离逐渐增加。当天线高度1.2 m<1.6 m时,左边和中间位置较右边接收位置的有效传输距离较远,在整个楼道内都能实现有效传输。在右边楼道主要是墙体有多扇门,墙体上有多处凸出的竖直墙体部分,导致无线信号在传输过程中出现失真,故而有效传输距离较中间位置和左边位置都要短。
由图6 可知,右边的有效传输距离均较左边及中间位置的传输距离短,主要是因为非视距情况下,右边受墙体阻挡严重,导致右边相对于中间和左边有效传输距离较短。当天线高度0 m 时,有效传输距离较最短。当天线高度1.6 m 时,有效传输距离较长,在23 m 附近。
3 结束语
本文研究了2.4 GHz 无线信号在室内楼道的传输性能,分析了接收角度和接收高度对无线信号传输性能的影响,并对视距和非视距情况下无线信号的传输性能进行了讨论,其结论如下:
(1)在视距情况下,随着天线高度的增加,无线信号的传输性能逐渐变好,当天线高度1.6 m时,在整个50 m 楼道内均能进行有效传输。
(2)在非视距情况下,由于受到墙体的影响,有效传输距离较短,当天线高度1.6 m 时,有效传输距离较长,有效传输距离在20 m 附近。