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

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

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)

無線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)研究的熱點，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，本文以無線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)常用的2.4 GHz為載波頻率，選擇不同部署環(huán)境以接收信號強度等為無線信道衡量指標(biāo)，進行無線信道傳播特性試驗研究；對試驗數(shù)據(jù)進行了分析與數(shù)據(jù)建模，同時與空曠環(huán)境中的測試數(shù)據(jù)以及數(shù)學(xué)模型進行了對比.試驗結(jié)果表明：隨著距離的增加，無線信號呈對數(shù)衰減；無線信號傳播環(huán)境對信號影響較大，而模型參數(shù)基本不變等結(jié)論.

無線多媒體網(wǎng)絡(luò)；傳感網(wǎng)絡(luò)部署方案；接收信號強度；IEEE 802.11

0　引　言

無線通信、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)，以無需連線、服務(wù)質(zhì)量好、通信碼率高等優(yōu)點，已經(jīng)成為當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)、無人機等新型領(lǐng)域的關(guān)鍵支撐技術(shù)，越來越受到研究者的關(guān)注[3-5].同時WMSNs憑借自身的優(yōu)勢在精細(xì)農(nóng)業(yè)、工業(yè)監(jiān)控、民用消防、國防安全等方面得到了廣泛的應(yīng)用[6-8].為提高無線多媒體網(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.

目前國內(nèi)外對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)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多跳傳輸會在靠近Sink節(jié)點的位置出現(xiàn)能量空洞，證明在異構(gòu)無線多媒體網(wǎng)絡(luò)中，傳感器能量空洞會出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)的任何位置，并提出基于負(fù)載均衡的節(jié)點布局方法來避免能量空洞.Sanjay等人[10]針對無線多媒體網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸過程中網(wǎng)絡(luò)擁堵問題，提出速率自適應(yīng)路由協(xié)議算法(RA-RCAC)，最后通過仿真實驗表明，該算法在網(wǎng)絡(luò)吞吐率、延時有較好的表現(xiàn).其研究對象以自然環(huán)境和特定農(nóng)作物為主，無線多媒體網(wǎng)絡(luò)無線信號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[11]等以群體農(nóng)業(yè)機器人為基礎(chǔ)研究大田 Wi-Fi信號的傳播特性，進而為大田群體農(nóng)業(yè)機器人的無線通信等工作提供技術(shù)依據(jù).文獻[12]在棕櫚樹環(huán)境中測試無線信號傳播特性.從上述文獻討論可知，對無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)信道特性的研究多數(shù)在自然環(huán)境中進行，對于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)境中無線信號的傳播特性，本文以現(xiàn)有無線信道傳播特性研究成果為前提，選擇常見網(wǎng)絡(luò)工作場所為測試環(huán)境；以不同網(wǎng)絡(luò)部署環(huán)境、不同無線通信距離、不同通信模塊天線高度等為試驗因素；進行了相關(guān)試驗.通過相關(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試驗材料與方法

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

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

表1　WMSNs無線信道試驗因素

試驗具體方案：

1) 通過測試軟件與無線多媒體傳感器通信模塊建立無線信道測試平臺.基于上述試驗平臺，以不同通信距離步長和網(wǎng)絡(luò)部署環(huán)境，通過無線信道傳播試驗獲取WMSNs信號強度，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無線信號傳播特性數(shù)學(xué)模型，建立通信距離與信號強度等參數(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)境等因素對無線信道的具體影響，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

為了更好地展開相關(guān)論述，下面重點闡述與本試驗相關(guān)的無線信道數(shù)學(xué)模型.無線信道傳播特性研究中，信號接收強度(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[13-16]中，作者闡述無線數(shù)據(jù)在傳輸過程中信號傳播特性數(shù)學(xué)模型，具體表達式為

PR=A-10nlgd,

即接收信號強度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的對數(shù)值.

2　試驗數(shù)據(jù)及分析

2.12.4 GHz頻率Wi-Fi信道測試試驗結(jié)果分析

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

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

從圖1可知，Wi-Fi無線信號在傳輸過程中，隨著傳輸距離的不斷增加，信號強度呈現(xiàn)對數(shù)衰減趨勢.花園信號衰減較快，開闊地次之，課室的信號較好.由于信號在課室傳播中存在多處信號反射等現(xiàn)象，所以課室信號較強.利用軟件和1.2中的數(shù)學(xué)模型對其進行擬合得出如圖1所示的擬合曲線與表2相關(guān)系數(shù).

從表2可知，開闊地、課室、花園，相關(guān)擬合系數(shù)R2在0.89以上，說明1.2信號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.說明，WMSNs信號在傳播過程中，環(huán)境對信號影響較大.即一旦無線通信中的參數(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)境條件下信號接收強度的變化特性，試驗在相同的傳播距離20 m 處，進行了無線信號傳播的特性與信號強度測試，得到圖2所示的圖形.

從圖2可看出，在相同的無線傳播參數(shù)條件下，在傳播距離20 m處，花園環(huán)境下的無線信號最弱，說明花園中的灌木與花叢對無線信號的影響較大，會降低無線信號的接收強度.另一方面，課室的無線信號最強，原因是課室中存在信號反射等現(xiàn)象，進而增強了無線接收信號.綜上試驗結(jié)果分析，可以得出無線信號傳播過程中受到傳播環(huán)境中障礙物影響較大，進而說明WMSNs在不同部署環(huán)境下具有不同的網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量.

為了說明不同天線高度對WMSNs無線信號傳播特性和網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的影響，在開闊地環(huán)境中測試天線高度為0 m，0.5 m，1 m參數(shù)下的信號強度傳播特性，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線信號強度總體上呈現(xiàn)衰減的趨勢，與通信距離呈對數(shù)曲線關(guān)系.天線高度為0 m時無線信號強度最弱，1 m時無線信號強度最強；同時可以得到，隨著天線高度的不斷增加，無線信號會逐漸增強.在今后WMSNs部署中，為獲取更好的通信質(zhì)量可根據(jù)實際情況增加天線高度.

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

圖3　不同天線高度的無線信號強度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、開闊場地3種不同環(huán)境下無線信號的傳播特性，對試驗數(shù)據(jù)進行數(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，無線信號會不斷衰減；

2) 信號強度與信號傳播距離呈現(xiàn)對數(shù)曲線關(guān)系，其擬合系數(shù)R2大于0.89；

3) 無線信號傳播環(huán)境對信號影響較大，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.

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

[1]Yick J,Mukherjee B,Ghosal D.Wireless sensor network survey[J].Computer Networks,2008,52(12)：2292-2330.

[2]Mostefaoui A,Noura H,Fawaz Z.An integrated multimedia data reduction and content confidentiality approach for limited networked devices[J].AD HOC Networks,2015,32(S1)：81-97.

[3]Dimokas N,Katsaros D,Manolopoulos Y.Cooperative caching in wireless multimedia sensor networks[J].Mobile Networks & Applications,2008,13(3-4)：337-356.

[4]Honggang W.Communication-resource-aware adaptive wate- rmarking for multimedia authentication in wireless multimedia sensor networks[J].Journal of Supercomputing,2013,64(3)：883-897.

[5]王曉梅，范亮，陳彥，等.一種基于子集約束的協(xié)議首部糾錯算法[J].電子與信息學(xué)報,2015(8)：2014-2020.

Wang Xiaomei,Fan Liang,Chen Yan,et al.Header recovery algorithm based on subset constraint[J].Journal of Electronics & Information Technology,2015(8)：2014-2020.(in Chinese)

[6]王艷嬌，畢曉君，滕志軍，等.三維無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)全目標(biāo)覆蓋算法[J].吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2015(5)：1671-1679.

Wang Yanjiao,Bi Xiaojun,Teng Zhijun,et al.Coverage-all targets algorithm of directional sensor network for three-dimensional perception[J].Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition),2015(5)：1671-1679.(in Chinese)

[7]張云洲，蔣培，高亮，等.基于DSP和雙目視覺的多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計與實現(xiàn)[J].通信學(xué)報,2014(12)：210-216.

Zhang Yunzhou,Jiang Pei,Gao Liang,et al.Design and implementation of wireless multimedia sensor network node based on DSP and binocular vision[J].Journal on Communications,2014(12)：210-216.(in Chinese)

[8]張軍強，王汝傳，黃海平.基于分簇的無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)聚合方案研究[J].電子與信息學(xué)報,2014(1)：8-14.

Zhang Junqiang,Wang Ruchuan,Huang Haiping.Research on cluster-based data aggregation for wireless multimedia sensor networks[J].Journal of Electronics & Information Technology,2014(1)：8-14.(in Chinese)

[9]朱永紅，丁恩杰.負(fù)載均衡的異構(gòu)WMSN節(jié)點布局方法[J].通信學(xué)報,2015(10)：157-164.

Zhu Yonghong,Ding Enjie.Method of node distribution for heterogeneous WMSN based on load balancing[J].Journal on Communications,2015(10)：157-164.(in Chinese)

[10]Sanjay K D,Isaac W,Mamta J,et al.A distributed adaptive admission control scheme for multimedia wireless mesh networks[J].IEEE Systems Journal,2015,9(2)：595-604.

[11]周渝，楊福增，朱海，等.基于WI-FI的麥田無線信道傳播性能試驗[J].農(nóng)機化研究,2015(2)：155-160.

Zhou Yu,Yang Fuzeng,Zhu Hai,et al.WI-FI wireless channel transmission performance tests in wheat fields[J].Journal of Agricultural Mechanization Research,2015(2)：155-160.(in Chinese).

[12]Rizman Z I,Jusoff K,Rais S S,et al.Microwave signal propagation on oil palm trees：measurements and analysis[J].International Journal on Smart Sensing and Intelligent Systems,2011,4(3)：388-401.

[13]Yu S M,Yee-Hui L,Boon C N.Investigation of rainfall effect on forested radio wave propagation[J].Antennas and Wireless Propagation Letters,IEEE,2008(7)：159-162.

[14]文韜，洪添勝，李震，等.橘園無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不同節(jié)點部署方式下的射頻信號傳播試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2010,26(6)：211-215.

Wen Tao,Hong Tiansheng,Li Zhen,et al.Test of wireless sensor network radio frequency signal propagation based on different node deployments in citrus orchards[J].Transactions of the CSAE,2010,26(6)：211-215.(in Chinese)

[15]Parsons J D.The Mobile Radio Propagation Channel[M].Wiley，2000.

[16]Meng Ys L Y N B.Empirical near ground path loss moldeling in a forest at VHF and UHF bands[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2009,5(57)：1461-146.

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

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

曹惠茹(1981-)，講師，碩士，主要從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、計算機應(yīng)用與控制、計算機信息處理等研究.

TP393

Adoi：10.3969/j.issn.1671-7449.2016.05.004