室內(nèi)環(huán)境下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)路徑衰減特性*

徐 琨， 劉宏立

(湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

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室內(nèi)環(huán)境下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)路徑衰減特性*

徐 琨， 劉宏立

(湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

在室內(nèi)環(huán)境中,墻壁的阻礙和反射會(huì)嚴(yán)重的影響無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的信號(hào)傳輸特性。針對(duì)室內(nèi)環(huán)境中傳感節(jié)點(diǎn)的部署和應(yīng)用的環(huán)境的特性，研究了無(wú)線信號(hào)在遇到墻壁反射時(shí)的傳播特性，推導(dǎo)出了其對(duì)應(yīng)的路徑衰減。并基于視距傳輸和墻壁反射，提出了一種新的室內(nèi)路徑衰減模型。為了驗(yàn)證提出的路徑衰減模型,針對(duì)室內(nèi)房間和走廊環(huán)境，基于2.4 GHz載波頻率，對(duì)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的路徑衰減和遮蔽效應(yīng)進(jìn)行了大量的實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:提出的路徑衰減模型可以很好地反映無(wú)線信號(hào)在室內(nèi)的衰減特性。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)； 接收信號(hào)強(qiáng)度； 反射； 路徑衰減

0 引 言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1](wireless sensor networks，WSNs)由大量隨機(jī)部署的傳感節(jié)點(diǎn)組成，被廣泛應(yīng)用于軍事監(jiān)控[2]、環(huán)境監(jiān)測(cè)[3]、家庭醫(yī)療保健[4]等領(lǐng)域?；谑覂?nèi)環(huán)境的位置感知服務(wù)作為WSNs的基礎(chǔ)應(yīng)用之一，得到了很多研究者的關(guān)注，到達(dá)時(shí)間(time of arrival，TOA)、到達(dá)時(shí)間差[5](time difference of arrival，TDOA)、到達(dá)角度[6](angle of arrival，AOA)和接收信號(hào)強(qiáng)度指示[7](received signal strength indication，RSSI)是最常用的幾種位置感知技術(shù)。和前三種位置感知技術(shù)相比，RSSI由于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不需要增加額外的硬件設(shè)施，被廣泛應(yīng)用于各種應(yīng)用中。

RSSI主要根據(jù)傳感節(jié)點(diǎn)的接收信號(hào)強(qiáng)度和距離之間的關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)各種位置感知服務(wù)。最近十幾年，已有很多文獻(xiàn)針對(duì)WSNs中的無(wú)線信號(hào)在室內(nèi)傳輸過(guò)程中的路徑損耗展開研究，文獻(xiàn)[8]通過(guò)大量的實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)，分析了無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)射的無(wú)線信號(hào)在地表和物體表面的路徑損耗，提出了一個(gè)新的路徑衰減模型。文獻(xiàn)[10]分析了WSNs中的無(wú)線信號(hào)的不規(guī)則性，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了一個(gè)新的無(wú)線信號(hào)不規(guī)則度模型。文獻(xiàn)[11～13]提出了一些基于室內(nèi)的定位算法，但是它們都是基于經(jīng)典的對(duì)數(shù)—路徑衰減模型，沒(méi)有針對(duì)室內(nèi)復(fù)雜的環(huán)境，分析無(wú)線信號(hào)在室內(nèi)的路徑損耗特性。

在室內(nèi)房間和走廊中，存在大量的墻壁，傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)送的無(wú)線信號(hào)在室內(nèi)傳輸時(shí)，會(huì)受到墻壁的阻礙而發(fā)生反射。針對(duì)這一問(wèn)題，分析了室內(nèi)環(huán)境中無(wú)線信號(hào)的傳輸特性和墻壁反射對(duì)無(wú)線信號(hào)的路徑衰減的影響，建立了一種新的路徑衰減模型?；谝粋€(gè)真實(shí)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，分別在房間和走廊進(jìn)行了大量的實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，提出的模型可以準(zhǔn)確的估計(jì)出室內(nèi)無(wú)線信號(hào)的路徑衰減。

1 室內(nèi)路徑衰減模型

目前，自由空間模型、雙線反射模型和對(duì)數(shù)—正態(tài)模型是最常用的用于表示W(wǎng)SNs信號(hào)傳輸過(guò)程中所發(fā)生的路徑衰減的幾種模型。其中，常采用對(duì)數(shù)—正態(tài)模型來(lái)表示室內(nèi)環(huán)境中無(wú)線信號(hào)的路徑衰減，其表示形式為

(1)

式中 PL為節(jié)點(diǎn)之間距離d時(shí)的路徑衰減大??；PL(d0)為參考節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間距離為d0時(shí)的路徑衰減大?。籨為節(jié)點(diǎn)之間的距離；d0為參考節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離，通常設(shè)置為1m；np為路徑衰減因子，它是一個(gè)隨周圍環(huán)境而變化的變量；Xσ為對(duì)數(shù)正態(tài)遮蔽效應(yīng)，它是一個(gè)均值為0，方差為σ2的高斯隨機(jī)變量，Xσ∝N(0，σ2)。

式(1)能夠反映室內(nèi)視距環(huán)境中傳感節(jié)點(diǎn)的信號(hào)衰減和距離之間的關(guān)系。但是它沒(méi)有考慮室內(nèi)中各種障礙物所引起的多徑效應(yīng)對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽Ｊ紫瓤紤]室內(nèi)環(huán)境中兩個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)之間只存在視距信號(hào)傳輸?shù)那闆r下，其對(duì)應(yīng)的解決方法非常簡(jiǎn)單，發(fā)射節(jié)點(diǎn)發(fā)送的無(wú)線信號(hào)服從無(wú)線通信的基本規(guī)律。在信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程中，無(wú)線電波的場(chǎng)強(qiáng)逐漸減弱，當(dāng)無(wú)線電波傳送到接收節(jié)點(diǎn)時(shí)，會(huì)建立一條直接的傳輸路徑，可以通過(guò)費(fèi)希爾自由空間傳播模型對(duì)直接的傳輸路徑建模，對(duì)應(yīng)路徑損耗可以表示為

(2)

式中 PLlos為視距傳輸時(shí)無(wú)線信號(hào)的路徑損耗；d為節(jié)點(diǎn)之間的距離；λ為無(wú)線信號(hào)的波長(zhǎng)。根據(jù)式(2)，可以很容易得出路徑損耗和節(jié)點(diǎn)之間距離d之間的關(guān)系。

在實(shí)際的室內(nèi)環(huán)境中，室內(nèi)空間一般比較小，且四周都會(huì)存在墻壁，節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線信號(hào)傳輸，除了存在視距的直線傳輸之外，當(dāng)無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)剿闹艿膲Ρ跁r(shí)，視距的傳輸方向會(huì)發(fā)生改變，將會(huì)導(dǎo)致無(wú)線電波在墻壁的表面發(fā)生反射現(xiàn)象。對(duì)于每一個(gè)反射，有部分能量將滲透進(jìn)去，有部分能量將被反射，剩下的部分能量將會(huì)被吸收?？梢詫⒂捎趬Ρ诘姆瓷湟鸬膯挝痪嚯x場(chǎng)強(qiáng)表示為

(3)

(4)

式中 PLrefl為由于墻壁反射引起的路徑損耗，它是無(wú)線信號(hào)在室內(nèi)傳輸過(guò)程中由于墻壁所引起的額外衰減。

當(dāng)存在多條反射路徑，節(jié)點(diǎn)之間的距離為d時(shí);由于墻壁反射所引起的傳輸損耗可以表示為

(5)

式中 m為反射信號(hào)的數(shù)目。

為了能夠準(zhǔn)確描述無(wú)線信號(hào)在室內(nèi)傳輸過(guò)程中的傳輸特性，結(jié)合節(jié)點(diǎn)之間視距傳輸和墻壁反射的特點(diǎn)，將式(2)和式(5)聯(lián)合起來(lái)表示無(wú)線信號(hào)在室內(nèi)環(huán)境中的信號(hào)衰減，可以將無(wú)線信號(hào)在室內(nèi)的路徑損耗表示為

(6)

當(dāng)節(jié)點(diǎn)之間只有視距傳輸時(shí)，m的值等于0；當(dāng)節(jié)點(diǎn)之間存在一條反射路徑時(shí)，m的值等于1；當(dāng)節(jié)點(diǎn)之間由于墻壁的反射，存在多條反射路徑時(shí)，m的值大于1。

2 不同室內(nèi)環(huán)境實(shí)驗(yàn)

2.1 測(cè)試設(shè)置

對(duì)于測(cè)試實(shí)驗(yàn)，采用TI公司的CC2430射頻模塊作為無(wú)線收發(fā)設(shè)備，以2.4GHz頻段作為WSNs的載波頻率。發(fā)送節(jié)點(diǎn)向周圍連續(xù)的廣播一個(gè)報(bào)文數(shù)據(jù)，接收節(jié)點(diǎn)接收到發(fā)送信號(hào)后，將測(cè)量到的信息和信號(hào)強(qiáng)度通過(guò)串口模塊傳輸?shù)絇C機(jī)上。所有的節(jié)點(diǎn)都配備同樣類型的1/4波長(zhǎng)的全向天線，發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)都固定在一個(gè)高度為1.2m的三角架上。

2.2 測(cè)試環(huán)境

分別基于兩種不同的室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，對(duì)提出的路徑衰減模型進(jìn)行驗(yàn)證，其對(duì)應(yīng)的測(cè)試環(huán)境如下：

測(cè)試環(huán)境1：位于湖南省長(zhǎng)沙市湖南大學(xué)電氣院的兩個(gè)不同大小的實(shí)驗(yàn)室，其大小分別為5.4m×3.9m和6.6m×3.9m。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)較為規(guī)則的矩形環(huán)境，四周都有粉刷了墻漆的白色墻壁，其中一個(gè)房間比較空曠，而另一個(gè)房間內(nèi)有實(shí)驗(yàn)桌、椅子和電腦等，且墻壁上有很多的柜子。

測(cè)試環(huán)境2：位于兩棟不同樓房的走廊，其大小分別為57.2m×1.9m和51.3m×2.4m。兩個(gè)走廊都是狹長(zhǎng)的，兩邊除了白色的墻壁，還有很多房門，有的房門有時(shí)會(huì)打開，走廊中有來(lái)回走動(dòng)的人，只考慮沒(méi)有人走動(dòng)的情況。

3 驗(yàn)證結(jié)果

為了驗(yàn)證提出的室內(nèi)路徑衰減模型的有效性，將提出的路徑衰減模型和對(duì)數(shù)—正態(tài)模型、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將發(fā)射功率設(shè)置為0dBm,每次測(cè)試500個(gè)信標(biāo)報(bào)文，對(duì)每一次實(shí)驗(yàn),同時(shí)仿真500次。

從圖1中可以看出,提出的路徑衰減模型和對(duì)數(shù)—正態(tài)模型都能夠很好擬合真實(shí)的RSSI測(cè)量值。這是因?yàn)樵诳諘绲姆块g內(nèi)，節(jié)點(diǎn)之間都是沿著房間中線進(jìn)行排列，墻壁的對(duì)信號(hào)的反射比較弱，視距傳輸路線占據(jù)了主要的位置。所以，兩種模型都能很好反映室內(nèi)信號(hào)的路徑衰減特性。

圖1 空曠室內(nèi)環(huán)境下，不同模型的路徑衰減Fig 1 Path loss of different models in open indoor environment

從圖2中可以看出，提出的路徑衰減模型能夠比傳統(tǒng)的對(duì)數(shù)—正態(tài)模型更好反映測(cè)量值的分布情況。這是因?yàn)楫?dāng)室內(nèi)存在墻壁等障礙物，且沿著墻壁擺放時(shí)，墻壁對(duì)無(wú)線信號(hào)的反射會(huì)增強(qiáng)，當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)接收到發(fā)送節(jié)點(diǎn)的傳輸信號(hào)時(shí)，需要考慮反射信號(hào)對(duì)其帶來(lái)的影響。而傳統(tǒng)的對(duì)數(shù)—正態(tài)模型只考慮視距情況，沒(méi)有考慮墻壁反射帶來(lái)的信號(hào)衰減，因此并不能很好反映無(wú)線信號(hào)在室內(nèi)的傳輸特性。

圖2 密集室內(nèi)環(huán)境下，不同模型的路徑衰減Fig 2 Path loss of different models in dense indoor environment

從圖3中可以看出，提出的路徑衰減模型要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的對(duì)數(shù)—正態(tài)模型，具有更好的擬合效果。雖然是沿中線擺放，但是由于走廊一般比較狹窄，部署在其中的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的無(wú)線信號(hào)會(huì)受到墻壁的反射，且由于經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)房門開合的情況，無(wú)線信號(hào)傳輸時(shí)，墻壁和房門會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生影響，而傳統(tǒng)的對(duì)數(shù)—正態(tài)模型只考慮視距傳輸帶來(lái)的衰減。

圖3 走廊環(huán)境下，不同模型的路徑衰減Fig 3 Path loss of different models in corridor

在室內(nèi)房間中，基于不同的距離和位置對(duì)提出的路徑衰減模型進(jìn)行了驗(yàn)證，得出了每個(gè)點(diǎn)的預(yù)測(cè)路徑衰減值大小的平均值。從圖4中可以看出，在室內(nèi)環(huán)境中，提出的路徑衰減模型和測(cè)量值的最大RSSI差異值為8.7 dBm，提出的路徑衰減模型能夠很好預(yù)測(cè)室內(nèi)環(huán)境中的路徑衰減情況。

圖4 房間環(huán)境下，提出模型的預(yù)測(cè)值和測(cè)量值之間的差異Fig 4 Difference between measured value and predictedvalue in indoor terrain

4 結(jié) 論

在室內(nèi)房間和走廊中，存在大量的墻壁，無(wú)線信號(hào)在房間傳輸時(shí)，信號(hào)的反射會(huì)在兩個(gè)射頻節(jié)點(diǎn)之間的通信中占據(jù)重要的位置。本文分析了室內(nèi)環(huán)境中的墻壁對(duì)無(wú)線信號(hào)的反射，對(duì)其進(jìn)行了理論推導(dǎo)，建立了一個(gè)新的路徑衰減模型?；?.4 GHz頻段，分別在房間和走廊中進(jìn)行了大量的實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)提出的模型進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明:利用提出的模型可以準(zhǔn)確估算出室內(nèi)無(wú)線信號(hào)的路徑衰減。

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徐 琨(1979-)，湖南津市人，博士研究生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。

劉宏立，通訊作者，E—mail：hongliliu@hnu.edu.cn。

Characteristics of path loss for wireless sensor networks in indoor environments*

XU Kun, LIU Hong-li

(College of Electrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China)

Reflection and obstruction of wall severely influence transmission characteristic of signal in wireless sensor networks(WSNs)in indoor environments.To circumvent this problem,analyze propagation characteristic of wireless signals suffering reflection of wall and derive path loss causing by wall.Then propose a novel indoor path loss modeling based on LOS and reflection.A number of experiments are executed based on 2.4 GHz carrier frequency in indoor and corridor environments for verifying proposed path loss modeling.Experimental results demonstrate that the proposed path loss modeling can reflect loss characteristics of wireless signal in indoor.

wireless sensor networks(WSNs); received signal strength; reflection; path loss

10.13873/J.1000—9787(2016)12—0011—03

2016—01—12

國(guó)家自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(61172089)；中央國(guó)有資本經(jīng)營(yíng)預(yù)算支出項(xiàng)目(財(cái)企[2013]470號(hào))；博士后基金面上資助項(xiàng)目(2014M562100)；湖南省科技廳資助項(xiàng)目(2015JC3053，2014WK3001)

TP 212.9

A

1000—9787(2016)12—0011—03