劉 鋒， 裴紅星， 王青三, 黎 敏， 陽建宏

(1.北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 北京 100083； 2.鄭州大學(xué) 物理工程學(xué)院 河南 鄭州 450001;3.南陽熱電有限責(zé)任公司 河南 南陽 473000)

工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道特征研究

劉 鋒1， 裴紅星2， 王青三3, 黎 敏1， 陽建宏1

(1.北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 北京 100083； 2.鄭州大學(xué) 物理工程學(xué)院 河南 鄭州 450001;3.南陽熱電有限責(zé)任公司 河南 南陽 473000)

以某機(jī)械加工車間為背景，對(duì)電波傳播的路徑損耗及小尺度衰落進(jìn)行了測(cè)量和分析，通過有限時(shí)域差分法對(duì)電波極化偏轉(zhuǎn)進(jìn)行仿真，并設(shè)計(jì)了測(cè)量平臺(tái)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證.結(jié)果表明，工業(yè)環(huán)境設(shè)備密集區(qū)域無線信號(hào)路徑幅度衰減因子約為1.33，低于自由空間的傳播情況，信號(hào)幅度在具有復(fù)雜形狀的設(shè)備附近符合萊斯分布，在遠(yuǎn)離設(shè)備區(qū)域趨向方差極小的正態(tài)分布；金屬設(shè)備引起電波極化方向的隨機(jī)偏轉(zhuǎn)，帶來平均5.4 dB、最高13 dB的幅度衰減，同時(shí)降低了信道的交叉極化分辨率.可應(yīng)用極化分集技術(shù)對(duì)抗信號(hào)隨機(jī)衰落，提高工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能魯棒性.

工業(yè)環(huán)境； 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 路徑損耗； 多徑效應(yīng)； 極化偏轉(zhuǎn)

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于無需敷設(shè)電纜，易于維護(hù)和擴(kuò)展，在大型工業(yè)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用.目前對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究多集中于數(shù)據(jù)處理[1-2]，而對(duì)其信道模型研究較少.研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道，對(duì)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)整體壽命和提高數(shù)據(jù)通信質(zhì)量具有重要意義.目前，對(duì)工業(yè)環(huán)境無線信道的研究中，Tanghe等[3-4]對(duì)工業(yè)環(huán)境無線信號(hào)的路徑衰落進(jìn)行了測(cè)量，Assous等[5]對(duì)工業(yè)環(huán)境電磁波傳播進(jìn)行了仿真研究，Zhang等[6]在工業(yè)環(huán)境中，利用無線傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)不同發(fā)射功率和不同天線傾斜角度的信道容量進(jìn)行了測(cè)量，Karedal等[7]對(duì)工業(yè)環(huán)境超寬帶通信系統(tǒng)的信道統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行了研究.上述研究大多針對(duì)開闊工業(yè)環(huán)境展開，對(duì)設(shè)備密集區(qū)域研究較少.電磁波在設(shè)備密集的工業(yè)環(huán)境中傳播時(shí)，除受到一般環(huán)境共有的陰影效應(yīng)和多徑效應(yīng)影響外，還因金屬設(shè)備影響而改變極化方向.作者針對(duì)433 MHz無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，選擇設(shè)備密集的機(jī)械加工車間作為實(shí)際工業(yè)環(huán)境，通過仿真和實(shí)際測(cè)量，對(duì)無線信號(hào)的路徑幅度衰減及小尺度衰落進(jìn)行研究，并分析了反射及繞射引起的電波極化偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，及其對(duì)信道質(zhì)量的影響，最后給出了提高網(wǎng)絡(luò)性能魯棒性的設(shè)計(jì)思路.

1 工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道特征分析

生產(chǎn)設(shè)備的故障診斷與監(jiān)測(cè)需要對(duì)振動(dòng)、溫度、濕度、壓力等物理量進(jìn)行采集，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換及特征值提取，采集數(shù)據(jù)由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)至控制中心.由于數(shù)據(jù)量小，通信速率一般設(shè)置為10 kbps，信道帶寬窄，遠(yuǎn)小于相干帶寬，可視為平坦衰落信道.無線通信系統(tǒng)一般具有三個(gè)獨(dú)立的特征現(xiàn)象：隨距離而變的路徑損耗，對(duì)數(shù)正態(tài)陰影效應(yīng)及多徑效應(yīng).其中，多徑效應(yīng)引起信號(hào)幅度隨機(jī)變化，可能產(chǎn)生30～40 dB的深度衰落，成為影響通信的主要因素.工業(yè)環(huán)境中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般采用分簇結(jié)構(gòu)，每簇的覆蓋范圍在十幾米到幾十米之間，屬于近距離通信，因而需在三維空間分析電波傳播，此時(shí)還需考慮多徑效應(yīng)引起的電波極化偏轉(zhuǎn).

2 工業(yè)環(huán)境433 MHz窄帶信道幅度衰落

2.1路徑幅度衰落

電磁波的傳播符合對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型，即

(1)

其中，Pr(d)和Pr(d0)分別為距離發(fā)射天線d和d0時(shí)的接收功率，γ為衰減因子，Xσ是由陰影效應(yīng)造成的方差為σ的高斯隨機(jī)變量.γ在自由空間中的取值為2，一般由于實(shí)際傳播損耗加大，γ的取值為2.0～5.0.由于工業(yè)環(huán)境存在大量反射波，總體上減弱了信號(hào)的衰減速度，γ會(huì)小于2，Karedal等[7]與Chehri等[8]分別在工廠環(huán)境和地下礦井對(duì)超寬帶信號(hào)的γ進(jìn)行測(cè)量，得到1.1和1.47的結(jié)果.作者選擇某機(jī)械車間對(duì)433 MHz信號(hào)進(jìn)行了測(cè)量，得到γ是1.33.因此，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)幾十米的覆蓋范圍內(nèi)，路徑幅度衰減并不嚴(yán)重，對(duì)通信的影響相對(duì)較弱.

2.2小尺度衰落

電磁波波長(zhǎng)在遠(yuǎn)小于金屬設(shè)備表面尺寸時(shí)，會(huì)發(fā)生反射，而當(dāng)波長(zhǎng)與金屬設(shè)備的尺寸相當(dāng)時(shí)，則產(chǎn)生散射，散射波的幅值在最初的1 m范圍內(nèi)急劇下降，由散射波造成的多徑效應(yīng)也因此迅速減弱.

在實(shí)際工業(yè)環(huán)境，分別在電波直達(dá)區(qū)域(LOS)和設(shè)備陰影區(qū)域(NLOS)對(duì)433 MHz無線信號(hào)小尺度衰落進(jìn)行測(cè)量，并統(tǒng)計(jì)其幅度的概率分布，如圖1所示.

(a) 非視距傳播情況 (b) 視距傳播情況

由圖1(a)看出，信號(hào)的幅度并不符合萊斯分布或瑞利分布，而是在期望值所在位置出現(xiàn)一個(gè)高峰.在K值為5，平均包絡(luò)功率為1.36E-8的萊斯分布隨機(jī)變量中加入部分均值為1.17E-4，方差為1.4E-11的高斯隨機(jī)變量后，概率分布與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)能夠很好吻和.這是由于部分測(cè)量點(diǎn)與金屬設(shè)備的距離相對(duì)較遠(yuǎn)，散射波的衰減引起多徑效應(yīng)的減弱，萊斯分布的K值變大，趨向于方差很小的高斯分布.由圖1(a)還可看出，在設(shè)備的陰影區(qū)，仍然由于繞射而存在一條主入射徑，并在設(shè)備附近受多徑效應(yīng)影響，使得信號(hào)幅度符合K因子為5的萊斯分布.圖1(b)所示LOS情況，與NLOS類似，也存在多徑效應(yīng)減弱現(xiàn)象，并在概率分布的期望值處出現(xiàn)一個(gè)尖峰.

3 電波極化方向的偏轉(zhuǎn)

電磁波會(huì)在金屬設(shè)備表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，其輻射波與入射波極化方向不同，而且會(huì)在不同位置存在不同相位差.當(dāng)入射波為線極化波時(shí)，迭加波的極化方向只在兩波相位差為π的整數(shù)倍時(shí)保持線極化，一般情況，會(huì)因相位差及極化角度差而形成橢圓極化.電磁波的繞射也會(huì)引起極化的偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)程度與障礙物邊緣形狀有關(guān).電波的極化偏轉(zhuǎn)具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，接收天線與電波極化方向不匹配時(shí)，會(huì)引起信號(hào)的隨機(jī)衰落，影響網(wǎng)絡(luò)連通性.

利用基于有限時(shí)域差分法的AMDS軟件對(duì)工業(yè)環(huán)境433 MHz電磁波的傳播過程進(jìn)行仿真，并設(shè)計(jì)了一種測(cè)量平臺(tái)進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證.

3.1測(cè)量裝置及測(cè)量方法

在測(cè)量裝置中，將配備433 MHz偶極天線的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)固定在測(cè)量平臺(tái)上，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下改變俯仰角和方位角，利用節(jié)點(diǎn)電路中射頻芯片CC1100的接收電平指示功能對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，并通過無線方式將測(cè)量結(jié)果送出.為減弱裝置本身對(duì)電磁波的散射影響，平臺(tái)的支撐結(jié)構(gòu)均為竹木材質(zhì)，電機(jī)位于結(jié)構(gòu)的最底端，距離測(cè)量平臺(tái)1 m左右.

圖2 電矢量末端軌跡與接收?qǐng)鰪?qiáng)曲線Fig.2 Tip trajectory of E-field with received power

時(shí)諧場(chǎng)中電場(chǎng)矢量的末端軌跡為一空間橢圓，這種軌跡無法直接測(cè)得.天線接收到的信號(hào)，是電場(chǎng)矢量在天線上的投影.改變天線方向，當(dāng)接收幅值最大時(shí)，天線所處方向即為電矢量末端軌跡橢圓的長(zhǎng)軸方向，而接收幅值最小時(shí)，天線方向?yàn)闄E圓的短軸方向，通過長(zhǎng)短軸的方向及接收幅度，即可再現(xiàn)電場(chǎng)矢量的末端軌跡(圖2).圖2(a)中，坐標(biāo)原點(diǎn)存在橢圓極化的電磁波，A為電場(chǎng)矢量末端軌跡，B為接收?qǐng)鰪?qiáng)隨天線角度變化的曲線.圖2(b)則為坐標(biāo)原點(diǎn)存在線極化波的情況.

3.2實(shí)際工業(yè)環(huán)境極化方向仿真與測(cè)量

為研究工業(yè)環(huán)境電波極化方向的偏轉(zhuǎn)，選擇某機(jī)械加工車間作為實(shí)際工業(yè)環(huán)境，進(jìn)行仿真和測(cè)量，所使用發(fā)射天線均為垂直極化.圖3為3個(gè)典型位置的仿真和測(cè)量結(jié)果，其中測(cè)點(diǎn)1位于電波直射區(qū)，測(cè)點(diǎn)2位于設(shè)備陰影邊緣，測(cè)點(diǎn)3位于設(shè)備陰影中心.為方便分析，圖3給出仿真和測(cè)量結(jié)果在直角坐標(biāo)各平面中的投影，并且由于只關(guān)心偏轉(zhuǎn)角度，將幅值進(jìn)行了歸一化處理.

圖3中，細(xì)實(shí)線是未受任何干擾時(shí)天線接收信號(hào)的幅度曲線，稱為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào).由于垂直極化波在水平面內(nèi)的投影是一個(gè)點(diǎn)，因此在YX平面中，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)為原點(diǎn)處的一個(gè)點(diǎn).

圖3 天線接收信號(hào)強(qiáng)度仿真及測(cè)量結(jié)果Fig.3 Simulation and measurements of received power

圖4 極化方向分布圖Fig.4 Distribution of polarization direction

仿真結(jié)果表明，電磁波經(jīng)過金屬設(shè)備時(shí)，會(huì)受其影響而發(fā)生極化角度偏轉(zhuǎn)，并且極化模式也可由線極化轉(zhuǎn)為橢圓極化.由圖3看出，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果能夠較好地吻和，因此測(cè)量裝置及方法是有效可行的.

為統(tǒng)計(jì)電波極化方向的偏轉(zhuǎn)角度，利用測(cè)量裝置，對(duì)實(shí)際工業(yè)環(huán)境中11個(gè)隨機(jī)位置進(jìn)行了測(cè)量，并統(tǒng)計(jì)各位置接收信號(hào)強(qiáng)度最大時(shí)天線所處角度，作為該位置電波的極化方向.由于極化方向沒有極性，因此極化方向的仰角可全部取為小于等于90°的值.圖4將11個(gè)測(cè)量位置的極化方向單位矢量在坐標(biāo)平面中標(biāo)出，三角號(hào)、圓圈和星號(hào)分別表示發(fā)射天線X向、Y向和Z向放置時(shí)的測(cè)量結(jié)果.由圖4可知，由于工業(yè)環(huán)境設(shè)備形狀的多樣性，電磁波極化偏轉(zhuǎn)隨機(jī)性很強(qiáng)，可認(rèn)為具有各態(tài)歷經(jīng)性.

3.3極化偏轉(zhuǎn)引起的信號(hào)衰減

圖5 工業(yè)環(huán)境極化衰減測(cè)量Fig.5 Measurements of polarization in industrial environment

為定量分析接收天線與電磁波極化方向不匹配時(shí)產(chǎn)生的極化衰減，在實(shí)際工業(yè)環(huán)境中隨機(jī)選擇32個(gè)位置，進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量.測(cè)量時(shí)，發(fā)射天線保持豎直放置，使用測(cè)量裝置在各測(cè)點(diǎn)測(cè)量天線在各個(gè)朝向的接收電平，并統(tǒng)計(jì)最大值，與接收天線豎直放置時(shí)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，兩者差值即為天線方向失配引起的極化衰減.測(cè)量結(jié)果如圖5所示.

圖5表明，接收天線與電波極化方向匹配時(shí)，信號(hào)衰落在10 dB之內(nèi)，主要由路徑衰減、陰影效應(yīng)和多徑效應(yīng)引起，當(dāng)使用豎直天線接收時(shí)，還受到電波極化偏轉(zhuǎn)所帶來的隨機(jī)衰減，兩曲線差值即為極化衰減.由測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)得到極化衰減均值為5.4 dB，并在某些位置達(dá)到13 dB.因此，極化偏轉(zhuǎn)引起的信號(hào)衰落，是工業(yè)環(huán)境設(shè)備密集區(qū)域無線通信面臨的重要問題.

4 信道交叉極化分辨率

極化分集是無線通信經(jīng)常使用的一種天線分集方式，由于對(duì)天線的間距要求低，在體積受限的應(yīng)用中具有很大優(yōu)勢(shì).極化分集的增益來自于極化偏轉(zhuǎn)帶來的能量耦合.能量耦合可由交叉極化分辨率XPD描述.XPD是指發(fā)射單一極化電磁波時(shí)，接收點(diǎn)電場(chǎng)的同極化分量與交叉極化分量的功率比，以分貝表示.XPD值越低，帶來的分集增益就會(huì)越高.Eggers等[9]研究了GSM系統(tǒng)XPD與極化分集增益的關(guān)系，并給出在交叉相關(guān)系數(shù)為0，接收分集為選擇式合并時(shí)，分集增益隨XPD變化的曲線，表明XPD每下降1 dB，分集增益將獲得約0.5 dB的提高.Helhel等[10]分別在一般城鎮(zhèn)、建筑物密集城鎮(zhèn)及森林地區(qū)三種典型室外環(huán)境對(duì)GSM系統(tǒng)的XPD值進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果分別為4.16，2.70，6.36 dB.

在工業(yè)環(huán)境中，由于極化方向發(fā)生隨機(jī)偏轉(zhuǎn)，兩個(gè)交叉極化方向的信號(hào)互相轉(zhuǎn)化，幅度相當(dāng)，因此XPD值很低，并有可能出現(xiàn)負(fù)值(主極化能量低于其交叉極化能量).在工業(yè)環(huán)境中測(cè)量收發(fā)天線多種方向組合的接收功率，并計(jì)算XPD值，結(jié)果如表1所示.

表1工業(yè)環(huán)境設(shè)備密集區(qū)域XPD值

Tab.1XPDof industrial environments with dense equipments dB

XPDxyXPDyxXPDxzXPDzxXPDyzXPDzy-2.500.930.021.112.501.86

注： 下標(biāo)表示XPD所考慮的兩個(gè)方向.

由表1看出，在設(shè)備密集的工業(yè)環(huán)境，XPD值低于Helhel等[10]所測(cè)量的各種室外環(huán)境，而且出現(xiàn)了負(fù)值，表明極化分集具有很大的增益提升空間.因此，采用極化分集技術(shù)，可以有效抵抗工業(yè)環(huán)境信號(hào)的隨機(jī)衰落.

5 結(jié)論

對(duì)工業(yè)環(huán)境設(shè)備密集區(qū)域進(jìn)行的路徑幅度衰減測(cè)量表明，由于工業(yè)環(huán)境存在大量反射波，電波的路徑幅度衰減低于自由空間傳播情況，γ為1.33，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍一般在十幾米到幾十米之間，距離帶來的幅度衰減對(duì)通信的影響較弱.同時(shí)，由于433 MHz電磁波繞射能力較強(qiáng)，在工業(yè)環(huán)境的設(shè)備陰影區(qū)，仍然會(huì)存在一條主入射徑，因此不會(huì)形成瑞利衰落.金屬設(shè)備表面的尺寸與電波波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，不規(guī)則的設(shè)備形狀對(duì)電磁波形成大量散射，在靠近設(shè)備的區(qū)域相互迭加形成萊斯衰落，而在遠(yuǎn)離設(shè)備的區(qū)域，由于散射波的衰減，信號(hào)幅度由萊斯分布轉(zhuǎn)向方差極小的正態(tài)分布.電波極化方向受設(shè)備影響發(fā)生隨機(jī)偏轉(zhuǎn)，平均產(chǎn)生5.4 dB的信號(hào)衰落，并在某些區(qū)域達(dá)到13 dB，導(dǎo)致通信受阻，成為工業(yè)環(huán)境信號(hào)衰落的重要組成部分.電磁波極化偏轉(zhuǎn)帶來信號(hào)衰落的同時(shí)，也大幅降低了交叉極化分辨率，這對(duì)提高極化分集增益是有利的，可通過設(shè)計(jì)適用于工業(yè)環(huán)境無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的極化分集方案，提高信道增益，保證網(wǎng)絡(luò)通信暢通,加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的性能魯棒性.

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ResearchontheChannelCharacteristicsofWirelessSensorNetworksinIndustrialEnvironments

LIU Feng1， PEI Hong-xing2， WANG Qing-san3, LI Min1, YANG Jian-hong1

(1.SchoolofMechanicalEngineering,UniversityofScience&TechnologyBeijing,Beijing100083,China;2.SchoolofPhysicsandEngineering，ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China,3.NanyangThermoelectricLimitedLiabilityCompany,Nanyang473000,China)

Measurements of radio propagation path loss and small scale fading were carried out in a machining workshop. Simulation of polarization rotation of electromagnetic waves was performed,which was also verified by a test platform. The results suggested that,in the industrial environment with dense metallic equipments,the propagation path loss factor was about 1.33,which was lower than that in free space. The signal envelopes conformed to the Rice probability distribution near the equipments with complex shapes,however,far from the equipments,they conformed to the normal distribution with very low variance. The huge random polarization rotation of electromagnetic waves,which was induced by the metallic equipments,maked the wireless signal attenuation with the mean level of 5.4 dB and the maximum level of 13 dB,meanwhile,decreased the cross polarization discrimination. Well designed polarization diversity schemes should be applied to fight the random fading and thereby enhanced the robustness of the wireless sensor networks.

industrial environment;wireless sensor network;path loss;multi-path effect;polarization rotation

TN 923

A

1671-6841(2011)04-0039-05

2011-01-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目，編號(hào)50674010； 國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目，編號(hào)2007AA04Z169.

劉鋒(1976-)，男，博士研究生，主要從事工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究，E-mail:feng007liu@163.com.