曹惠茹，李業(yè)謙，岳學(xué)軍，郭中華，曾海婷

(1.中山大學(xué) 南方學(xué)院，廣東 廣州 510970；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 電子工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

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無(wú)線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)不同部署環(huán)境下信號(hào)傳播特性試驗(yàn)

曹惠茹1，李業(yè)謙1，岳學(xué)軍2，郭中華1，曾海婷1

(1.中山大學(xué) 南方學(xué)院，廣東 廣州 510970；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 電子工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

無(wú)線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前無(wú)線網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)，亦是其他新型技術(shù)的重要支撐.為了研究該種網(wǎng)絡(luò)在通常工作環(huán)境下信號(hào)的傳播特性，以及為其廣泛部署與應(yīng)用提供必要的信道理論與試驗(yàn)，本文以無(wú)線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)常用的2.4 GHz為載波頻率，選擇不同部署環(huán)境以接收信號(hào)強(qiáng)度等為無(wú)線信道衡量指標(biāo)，進(jìn)行無(wú)線信道傳播特性試驗(yàn)研究；對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析與數(shù)據(jù)建模，同時(shí)與空曠環(huán)境中的測(cè)試數(shù)據(jù)以及數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了對(duì)比.試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著距離的增加，無(wú)線信號(hào)呈對(duì)數(shù)衰減；無(wú)線信號(hào)傳播環(huán)境對(duì)信號(hào)影響較大，而模型參數(shù)基本不變等結(jié)論.

無(wú)線多媒體網(wǎng)絡(luò)；傳感網(wǎng)絡(luò)部署方案；接收信號(hào)強(qiáng)度；IEEE 802.11

0　引　言

無(wú)線通信、多媒體、圖像網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)共同孕育和支持著無(wú)線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)(Wireless Multimedia Sensor Networks,WMSNs)的產(chǎn)生和發(fā)展[1-3].WMSNs作為一種新型圖像、音視頻的采集與傳輸技術(shù)，以無(wú)需連線、服務(wù)質(zhì)量好、通信碼率高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)人機(jī)等新型領(lǐng)域的關(guān)鍵支撐技術(shù)，越來(lái)越受到研究者的關(guān)注[3-5].同時(shí)WMSNs憑借自身的優(yōu)勢(shì)在精細(xì)農(nóng)業(yè)、工業(yè)監(jiān)控、民用消防、國(guó)防安全等方面得到了廣泛的應(yīng)用[6-8].為提高無(wú)線多媒體網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，通常選用ISM頻段中2.4 GHz為載波頻率.

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)WMSNs的研究主要集中在網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化、數(shù)據(jù)編碼處理等方面.朱永紅等人[9]基于傳統(tǒng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多跳傳輸會(huì)在靠近Sink節(jié)點(diǎn)的位置出現(xiàn)能量空洞，證明在異構(gòu)無(wú)線多媒體網(wǎng)絡(luò)中，傳感器能量空洞會(huì)出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)的任何位置，并提出基于負(fù)載均衡的節(jié)點(diǎn)布局方法來(lái)避免能量空洞.Sanjay等人[10]針對(duì)無(wú)線多媒體網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)擁堵問(wèn)題，提出速率自適應(yīng)路由協(xié)議算法(RA-RCAC)，最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)表明，該算法在網(wǎng)絡(luò)吞吐率、延時(shí)有較好的表現(xiàn).其研究對(duì)象以自然環(huán)境和特定農(nóng)作物為主，無(wú)線多媒體網(wǎng)絡(luò)無(wú)線信號(hào)傳播特性方面的研究主要集中在草地、農(nóng)業(yè)等環(huán)境.文獻(xiàn)[11]等以群體農(nóng)業(yè)機(jī)器人為基礎(chǔ)研究大田 Wi-Fi信號(hào)的傳播特性，進(jìn)而為大田群體農(nóng)業(yè)機(jī)器人的無(wú)線通信等工作提供技術(shù)依據(jù).文獻(xiàn)[12]在棕櫚樹(shù)環(huán)境中測(cè)試無(wú)線信號(hào)傳播特性.從上述文獻(xiàn)討論可知，對(duì)無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)信道特性的研究多數(shù)在自然環(huán)境中進(jìn)行，對(duì)于WMSNs中Wi-Fi頻段日常應(yīng)用環(huán)境研究較少.

因此，為了研究WMSNs在日常生活環(huán)境中無(wú)線信號(hào)的傳播特性，本文以現(xiàn)有無(wú)線信道傳播特性研究成果為前提，選擇常見(jiàn)網(wǎng)絡(luò)工作場(chǎng)所為測(cè)試環(huán)境；以不同網(wǎng)絡(luò)部署環(huán)境、不同無(wú)線通信距離、不同通信模塊天線高度等為試驗(yàn)因素；進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn).通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)分析和數(shù)學(xué)模型擬合，得出相關(guān)WMSNs環(huán)境2.4 GHz無(wú)線信道關(guān)鍵系數(shù).

1　材料方法與數(shù)學(xué)模型

1.1試驗(yàn)材料與方法

該試驗(yàn)以WMSNs中常用Wi-Fi(IEEE 802.11 g)協(xié)議為基礎(chǔ)，選用2.4 GHz為無(wú)線信道載波頻率.試驗(yàn)設(shè)備有：無(wú)線Wi-Fi發(fā)射模塊、無(wú)線模塊安裝支架、無(wú)線接收試驗(yàn)電腦、卷尺等.

如表1所示，選擇不同的環(huán)境、天線高度、通信距離為試驗(yàn)因素，測(cè)試上述因素下WMSNs的無(wú)線信號(hào)接收強(qiáng)度、路徑損耗等參數(shù)，用以研究其信道服務(wù)質(zhì)量.

表1　WMSNs無(wú)線信道試驗(yàn)因素

試驗(yàn)具體方案：

1) 通過(guò)測(cè)試軟件與無(wú)線多媒體傳感器通信模塊建立無(wú)線信道測(cè)試平臺(tái).基于上述試驗(yàn)平臺(tái)，以不同通信距離步長(zhǎng)和網(wǎng)絡(luò)部署環(huán)境，通過(guò)無(wú)線信道傳播試驗(yàn)獲取WMSNs信號(hào)強(qiáng)度，丟包率等相關(guān)數(shù)據(jù).

2) 以現(xiàn)有研究為基礎(chǔ)研究不同環(huán)境Wi-Fi無(wú)線信號(hào)傳播特性數(shù)學(xué)模型，建立通信距離與信號(hào)強(qiáng)度等參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系.分析不同環(huán)境下，有效通信距離、天線高度、環(huán)境等因素對(duì)無(wú)線信道的具體影響，為今后WMSNs不同環(huán)境的大范圍部署提供必要的基礎(chǔ).

1.2相關(guān)概念與數(shù)學(xué)模型

為了更好地展開(kāi)相關(guān)論述，下面重點(diǎn)闡述與本試驗(yàn)相關(guān)的無(wú)線信道數(shù)學(xué)模型.無(wú)線信道傳播特性研究中，信號(hào)接收強(qiáng)度(Receiving Signal Strength Index,RSSI)是衡量其特性的重要參數(shù)指標(biāo)之一.在文獻(xiàn)[13-16]中，作者闡述無(wú)線數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中信號(hào)傳播特性數(shù)學(xué)模型，具體表達(dá)式為

PR=A-10nlgd,

即接收信號(hào)強(qiáng)度PR(單位，dBm)等于模型參數(shù)A減去10倍傳播環(huán)境因子n與底數(shù)為10距離d的對(duì)數(shù)值.

2　試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

2.12.4 GHz頻率Wi-Fi信道測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果分析

圖1　不同傳播環(huán)境對(duì)WMSNs的影響Fig.1　The impact of deployment environment on WMSNs

試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下：天線高度0 m，溫度28 ℃，濕度79 %時(shí)，3 dBi全向天線發(fā)射功率為15 dBm，取天線高度為0.5 m，通過(guò)多次測(cè)試獲取信號(hào)強(qiáng)度等相關(guān)數(shù)據(jù).利用相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件得出如圖1所示無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度曲線.

從圖1可知，Wi-Fi無(wú)線信號(hào)在傳輸過(guò)程中，隨著傳輸距離的不斷增加，信號(hào)強(qiáng)度呈現(xiàn)對(duì)數(shù)衰減趨勢(shì).花園信號(hào)衰減較快，開(kāi)闊地次之，課室的信號(hào)較好.由于信號(hào)在課室傳播中存在多處信號(hào)反射等現(xiàn)象，所以課室信號(hào)較強(qiáng).利用軟件和1.2中的數(shù)學(xué)模型對(duì)其進(jìn)行擬合得出如圖1所示的擬合曲線與表2相關(guān)系數(shù).

從表2可知，開(kāi)闊地、課室、花園，相關(guān)擬合系數(shù)R2在0.89以上，說(shuō)明1.2信號(hào)傳輸模型具有較好的通用性.隨著環(huán)境的變化，A變化較小，其變化幅度小于10 %；而環(huán)境系數(shù)n變化較大.說(shuō)明，WMSNs信號(hào)在傳播過(guò)程中，環(huán)境對(duì)信號(hào)影響較大.即一旦無(wú)線通信中的參數(shù)設(shè)定后，其通信質(zhì)量與環(huán)境相關(guān).

表2　WMNs無(wú)線傳播影響擬合系數(shù)

2.2特定距離與不同天線高度試驗(yàn)結(jié)果分析

為了研究相同距離，不同網(wǎng)絡(luò)部署環(huán)境條件下信號(hào)接收強(qiáng)度的變化特性，試驗(yàn)在相同的傳播距離20 m 處，進(jìn)行了無(wú)線信號(hào)傳播的特性與信號(hào)強(qiáng)度測(cè)試，得到圖2所示的圖形.

從圖2可看出，在相同的無(wú)線傳播參數(shù)條件下，在傳播距離20 m處，花園環(huán)境下的無(wú)線信號(hào)最弱，說(shuō)明花園中的灌木與花叢對(duì)無(wú)線信號(hào)的影響較大，會(huì)降低無(wú)線信號(hào)的接收強(qiáng)度.另一方面，課室的無(wú)線信號(hào)最強(qiáng)，原因是課室中存在信號(hào)反射等現(xiàn)象，進(jìn)而增強(qiáng)了無(wú)線接收信號(hào).綜上試驗(yàn)結(jié)果分析，可以得出無(wú)線信號(hào)傳播過(guò)程中受到傳播環(huán)境中障礙物影響較大，進(jìn)而說(shuō)明WMSNs在不同部署環(huán)境下具有不同的網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量.

為了說(shuō)明不同天線高度對(duì)WMSNs無(wú)線信號(hào)傳播特性和網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的影響，在開(kāi)闊地環(huán)境中測(cè)試天線高度為0 m，0.5 m，1 m參數(shù)下的信號(hào)強(qiáng)度傳播特性，得到如圖3所示的曲線.

從圖3可看出，3種不同天線高度的無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度總體上呈現(xiàn)衰減的趨勢(shì)，與通信距離呈對(duì)數(shù)曲線關(guān)系.天線高度為0 m時(shí)無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度最弱，1 m時(shí)無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)；同時(shí)可以得到，隨著天線高度的不斷增加，無(wú)線信號(hào)會(huì)逐漸增強(qiáng).在今后WMSNs部署中，為獲取更好的通信質(zhì)量可根據(jù)實(shí)際情況增加天線高度.

圖2　相同距離不同環(huán)境信號(hào)強(qiáng)度變化Fig.2　The RSSI in the same distance with different environment

圖3　不同天線高度的無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度Fig.3　The RSSI with the different antenna height

3　結(jié)論與討論

本文基于WMSNs中Wi-Fi協(xié)議，研究2.4 GHz在花園、課室、開(kāi)闊場(chǎng)地3種不同環(huán)境下無(wú)線信號(hào)的傳播特性，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合與分析得出如下結(jié)論：

1) 隨著通信距離的增加，無(wú)線信號(hào)會(huì)不斷衰減；

2) 信號(hào)強(qiáng)度與信號(hào)傳播距離呈現(xiàn)對(duì)數(shù)曲線關(guān)系，其擬合系數(shù)R2大于0.89；

3) 無(wú)線信號(hào)傳播環(huán)境對(duì)信號(hào)影響較大，而模型參數(shù)基本不變；為獲取通信質(zhì)量可增加天線高度.

由于受到試驗(yàn)條件限制，未進(jìn)行組網(wǎng)和其他環(huán)境試驗(yàn).接下來(lái)的工作可以在其他無(wú)線傳播環(huán)境中搭建WMSNs，研究其他環(huán)境下的無(wú)線信號(hào)傳播特性.

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Experiment of Signal Propagation Characteristic for Wireless Multimedia Sensor Networks in Different Deployment Environment

CAO Huiru1,LI Yeqian1,YUE Xuejun2,GUO Zhonghua1,ZENG Haiting1

(1.Nanfang College of Sun Yat-sen University,Guangzhou 510970,China; 2.College of Electronic Engineering,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)

At present,Wireless Multimedia Sensor Networks (WMSNs) become a hot topic of Wireless Networks study,and important support of others new technologies.For studying the wireless signal propagation characteristic of WMSNs in general work environment and provide essential channel theory and experiment for the extensive deployment and application of WMSNs.Firstly,this article conducted a study of wireless channel propagation characteristic test with 2.4GHz carrier frequency of WMSNs general used and select different deployment environment to receive signal intensity and so on as wireless channel measure standard.Then,the analyze and mathematical modeling to experiment data and meanwhile the contrast of test data of open environment and mathematical model were be done.The experimental results indicated that:as the distance change,the wireless signal manifestation logarithm damp;the propagation environment of wireless signal has a great impact on the signal,but the model parameters has constant value and so on.

wireless multimedia networks；deployment scheme of sensor networks；received signal strength；IEEE 802.11

1671-7449(2016)05-0389-05

2016-03-02

廣東省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015A020224036)；廣東高校2015年重大項(xiàng)目青年創(chuàng)新人才類(lèi)資助項(xiàng)目(2015KQNCX228)；廣東省2015年度大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練資助項(xiàng)目(201512619015)

曹惠茹(1981-)，講師，碩士，主要從事無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用與控制、計(jì)算機(jī)信息處理等研究.

TP393

Adoi：10.3969/j.issn.1671-7449.2016.05.004