野外复杂环境中WSN信道传播特性的实验与分析

方案。

随着WSN的逐步应用，基于各类WSN应用环境中无线信道传播特性的试验开始得到关注。2012年，将草原地表环境中的无线信道路径损耗作为试验对象，测定了2.4 GHz无线信号的传播特性[1]；2013年，岳学军等研究橘园WSN信号衰减模型，选433 MHz与2.4 GHz载波频率，基于连续无线电波在通信码率、天线增益、调制扩频方式、数据包长度和通信距离等多因素作用下分析WSN射频信号在橘园的衰减[2]。

可以看出，虽然对野外无线信道的传播特性进行了一部分研究工作，但针对不同混合复杂因素的野外环境中无线信道传播特性的研究工作很少，尤其对2.4 GHz无线信道的传播特性在野外复杂环境中缺乏足够的认识，暂时没有给出传播特性的明确描述和具体模型。

在野外部署环境中，地形环境较为复杂，不同坡度的山地高低起伏，不同高低的障碍物稀疏分布，如土堆、杂草、树木，不同深度、宽度的植被高低错落分布，还包括恶劣环境气候因素等。这些不确定因素都会对无线传感器网络信号的传播造成一定影响，而将大量无线传感器网络节点部署在地表，必然会造成较差的网路连通和链路质量，因为这种情况不能采用已有理想环境中的无线信道传播模型来预测和估计节点之间的连通度和网络工作情况。所以要实现在野外复杂环境中部署低冗余、高效能的无线传感器网络，必须对应用环境中的信道模型有较为真实的了解[3-5]。

目前野外复杂环境下的无线传感器网络系统距离成熟应用还存在很大差距。其中，无线网络、无线节点、无线信号都易受环境、气候、地形地貌等诸多不确定因素的影响，同时也存在时间变异性大、空间变异性大等不稳定因素，导致无线信号的高效传输、数据的准确采集等重要性能倍受挑战。

从目前问题的研究现状看，在无线传感器网络的设计、实现、性能优化等多个阶段，节点覆盖范围、邻居节点度等重要网络参数的准确评估取决于对信道传播模型的分析与仿真，同时，一般无线传感器网络系统都需要提供定位信息，定位技术中基于接收信号强度指示的定位方法也通过信号衰落与距离之间的关系来实现测距。因此，一个合适的信道传播模型会对整个无线传感器网络的设计产生重要影响。

1 2.4 GHz射频信号野外传播特性

电磁波在实际空间中传播时易受大气及周围地面环境（树林、山地和障碍物）等因素的影响。电磁波传播路径方式按照传播过程中障碍物的分类可分为视距 （LOS）和非视距（NLOS）被阻挡两种情况，当传播路径为视距时，没有障碍物对能量产生吸收、反射和折射，主要为直射波传播。

当环境中存在高低起伏的山坡、树林和障碍物等复杂环境因素时，不仅无线电波的传播方式变得复杂，同时导致信号衰减的因素也增多。由于地形遮挡、障碍物遮挡、树林遮挡等因素，电磁波会出现直射、反射、折射、衍射的多形式传播，而在传播过程中造成信号衰减的因素主要包括大气吸收衰减、雨雾衰减、植被树林衰减、地形造成的衰减。由于野外环境的复杂性，山坡高度、坡度特征、植被种类、植被高度、植被密度、环境温度、大气相对湿度以及发射和接受天线的架设高度、增益等因素也会对信号的传播产生一定的影响。根据信号传播过程中的传播衰减特性，可以将该环境中信号的传播方式分为两种，即大尺度信号衰落和小尺度信号衰落，所谓大尺度信号衰落是指当发射信号移动通过的距离相对较长时产生的衰落现象，大尺度信号衰落产生的原因包括无线信号传播的远距离路径损耗和传播途径的稀疏障碍物对信号传播造成的阴影效应。障碍物的存在导致信号在传播过程中形成阴影而无法覆盖全部传输范围的衰落情况称为阴影衰落，它与路径损耗同为慢衰落。

1.1 路径损耗理论模型

1.1.1 基于自由空间的路径损耗模型

自由空间信号传播是指天线周围为无障碍的空间，无线通信信号所携带的能量不会被障碍物吸收，在传播过程中不产生反射或散射。当无线信号经过一段路径传播之后，由于辐射能量的扩散将导致信号衰减，其路径损耗因子n=2，在实际环境的具体应用中，只要信号传播途径的空间大气层是各向同性的均匀媒质，这样的信号传播就可以被认为是自由空间传播。自由空间中距发射端d处的接收信号功率计算公式为：

1.1.2 双折线对数距离损耗模型

对数距离路径损耗模型是经过反复验证的一种经验模型，根据原理可分为单折线和双折线两种类型。双折线模型考虑直射波和地面反射波对信号传播的影响，无线信号分别经过直射和地面反射到达接收点。由于两者存在路径差，从而产生附加位移，造成合成波的衰减。当传播距离d>，且反射系数为-1时，双射线模型接受功率计算公式为：

由正态分布性质和式（6）可知，在阴影衰落环境下，信号传播距离为d时，总的能量损耗PL（d）服从以为均值，以σ为偏差的正态分布。

1.3 小尺度传播模型

无线信号在小范围、近距离内传播发生信号的幅度变化、相位快速波动等现象称为小尺度衰落。对小尺度衰落有决定性影响的作用因素包含周围物体的运动速度、信号传输带宽、多径传播等。这种衰落的不确定性大且随机性大，较为复杂，只能在特定网络环境中使用统计的方式来描述。在野外复杂环境中布设的无线传感器节点一般不具有移动能力，而且2.4GHz频段的网路采用直接序列扩频（DSSS）技术实现，其具有良好的保密性、灵活的信道分配能力以及较强的抗多径、多址干扰能力，所以实验只需要测定信号传播过程中移动物体对信号衰减的影响即可。

2 实验环境及测试方案

野外复杂环境的无线信号传播稳定性和可靠性严重受到多变环境因素的影响，主要表现为无线信号在传输过程中遇到各种各样的干扰和损耗，如无线信号在传输过程中会受到地形地貌、植被高低密度、发射和接受节点的高低、环境气候等多方面的影响。无线信号的传播机制复杂多变，由于信号发生了反射、折射、衍射、被吸收等导致了信号的严重衰落，而目前的各类已有研究中并没有完整的对野外环境中多种复杂情况信道的传播特性进行具体测定。因此，为了实现野外复杂环境中无线传感器网络的部署设计，首先需要清楚测定2.4 GHz的无线信号传播、衰减的具体特性，以方便为接下来的研究工作提供指导。

2.1 测试场地与设备示意图

选择北京工业大学东南角一块范围较为广阔的绿化区作为试验场地。地形为起伏山坡，种植的树木主要为叶型丰富的杨树与松树，树木高度可达15 m左右，接近山坡表面也有高度为1.5 m的茂盛灌木，植被密度分布不均，随机性较大，这样的环境对于实验来说更为接近真实的野外环境。测试场地示意图如图1所示。

实验硬件包含PC机、ZigBee2530收发节点两个，仿真器一个，手持频谱分析仪（H600）一台。发射机为自制的ZigBee无线发送接收节点，采用TI公司的CC2530模块，除了具备ZigBee协议通信功能，还集成了增强型8051单片机较强的处理能力；工作功率为2.4 GHz，发射功率为4.5 dBm；接收机同为自制类型的ZigBee节点，连接PC机，同时接收端的频谱分析仪负责接收和采集信号强度数据，PC机负责数据存储，也可同时显示当前的误包率、RSSI值和接收的数据包个数；采用一对全向天线作为收发天线，通过低损耗同轴电缆与发射机、接受机连接，增益为2 dBi；使用软件包括IAR 8.10集成开发环境、TI的SMartRF Studio 7通信测试软件、串口调试助手、Matlab数据拟合。测试设计的ZigBee发送接收节点设备如图2所示。

2.2 信号传输特征测试方案

（1）在测量实验中，将发射端节点的天线高度分别设置为0.3 m、1 m，接收天线高度分别为0.3 m、1 m、2 m，可以进行收发高度对等、不对等情况下的信号强度测量；

（2）在实验过程中，发射机的位置固定不变，接收机沿直线移动，测量到距离发射机100 m的位置，采用手持式频谱分析仪沿直线接收信号，前10 m每隔1 m作为一个测点，之后每隔2 m为一个测点，依次测量过程中的55个测点，每个测点重复采集100次信号强度数据，每个测试点均接收发射节点发送的200个数据包，统计其平均信号强度RSSI值、误包率作为信号衰减数据。

（3）由于传感器节点在实际应用中位置不变，不具有移动性，因此接收机在测量信号强度时也保持静止状态，另外实际模拟时变、空变环境，如果测量环境周围出现运动物体则会发生信号的小尺度衰落情况，若没有移动物体，则可将测量环境认定为一个缓慢的时变信道。

3 测试结果与分析

测量结束后对原始数据进行处理，去除奇异点，求取各测试点数据的均值，减少快衰落对测定的影响，初步判定无线信道的路径损耗与对数距离仍存在线性关系的分布，对测试数据进行回归处理时，采用基于最小二乘法准则的线性回归算法对测量样本数据结果进行拟合分析，参考已有文献，将实验数据拟合结果与路径损耗中的多种经验模型进行对比、验证。

由图3的回归结果可以看出，天线高度对等且存在LOS视距传播的情况下，双折线模型与实验结果曲线趋势相似；但对于天线高度几乎贴近地表且发射端与接受端天线存在不对等的情况下，由于植被遮挡、发射端接近地面，导致存在NLOS非视距传播，由回归曲线看出，双折线模型在此类测定情况下现有模型并不适用。

从图4可以看出，晴天环境下随着通信距离的增加，无线信号强度衰减，接收端节点接受到数据包情况显示发送成功率逐渐下降。从10 m到40 m，再到60 m，数据包的发送成功率呈现缓慢下降趋势但保持平稳，在40 m距离下成功率为95%左右，在60 m距离下成功率为93%左右。

在雨天环境下，曲线骤变较大，通信成功率迅速降低，数据丢包率在40 m距离时发生明显增加，发现在40 m距离处数据包的发送成功率仅为22%左右；当通信距离为60 m时，信号衰减更厉害，已经接受不到任何信号，丢包率为100%，通信成功率为0。这些数据均远远低于晴天时数据通信的成功率。由此可以看出，雨天的无线数据通信质量明显受到影响，因此也应该将雨天环境中的影响因子引入到信号衰减模型中做进一步的定量分析。

4 结 语

由分析结果可知，双折线模型适用于野外环境中无线节点间天线高度接近对等且相对离地面较高、存在LOS视距传播的环境中，但由于极低的天线高度及完全贴近地表的传播模型应采用单折线损耗模型，本文同时给出了多种典型场景中的模型参数。野外复杂环境中无线传感网信道传播模型的测定还有待进一步完善，同时还需测定有关小尺度衰落特性，为设计高能效的通信方案打下基础。为了达到在野外复杂环境中部署稳定性高、耐受性高的无线传感网络，除了对应用环境中的信道传播特性建立符合实际的模型，并基于该模型建立无线传感网络仿真研究平台来探究部署的无线传感器网络的各项性能。

参考文献

[1]王代华，宋林丽，孔祥善，等.草原环境地表无线信道的路径损耗建模[J].光学精密工程，2012，20（6）：1406-1413.

[2]岳学军，王叶夫，洪添胜，等.基于信道测试的橘园WSN网络部署试验[J].农业机械学报，2013，44（5）：219-224.

[3]沈杰，姚道远，黄河清，等.野外地表无线传感网信道传播模型的测定与分析[J].光学精密工程，2008，16（1）：141-149.

[4]陳一天，余爱民.2.4GHz无线局域网在室内外传播的路径损耗分析[J].电讯技术，2005，45（1）：35-39.

[5]刘铧.2.4GHz无线传感器网络信号人工林环境路径损耗研究[D].北京：北京林业大学，2015.

[6]张诚，罗炬锋，田文强，等.城市环境下无线传感器网络信道测量与分析[J].计算机工程，2013，39（5）：28-33，41.

[7]吴清秀.基于WSN的网关节点程序设计与实现[J].物联网技术，2016，6（8）：35-36.

[8]闫海云，吴韶波.基于能量和节点密集度的WSN路由算法[J].物联网技术，2015，5（7）：42-45.

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