徐 琨， 劉宏立

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

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室內(nèi)環(huán)境下無線傳感網(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 長沙 410082)

在室內(nèi)環(huán)境中,墻壁的阻礙和反射會嚴(yán)重的影響無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的信號傳輸特性。針對室內(nèi)環(huán)境中傳感節(jié)點的部署和應(yīng)用的環(huán)境的特性，研究了無線信號在遇到墻壁反射時的傳播特性，推導(dǎo)出了其對應(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。為了驗證提出的路徑衰減模型,針對室內(nèi)房間和走廊環(huán)境，基于2.4 GHz載波頻率，對無線傳感節(jié)點的路徑衰減和遮蔽效應(yīng)進(jìn)行了大量的實測實驗。實驗結(jié)果表明:提出的路徑衰減模型可以很好地反映無線信號在室內(nèi)的衰減特性。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)； 接收信號強(qiáng)度； 反射； 路徑衰減

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1](wireless sensor networks，WSNs)由大量隨機(jī)部署的傳感節(jié)點組成，被廣泛應(yīng)用于軍事監(jiān)控[2]、環(huán)境監(jiān)測[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)時間(time of arrival，TOA)、到達(dá)時間差[5](time difference of arrival，TDOA)、到達(dá)角度[6](angle of arrival，AOA)和接收信號強(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由于實現(xiàn)簡單，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)點的接收信號強(qiáng)度和距離之間的關(guān)系來實現(xiàn)各種位置感知服務(wù)。最近十幾年，已有很多文獻(xiàn)針對WSNs中的無線信號在室內(nèi)傳輸過程中的路徑損耗展開研究，文獻(xiàn)[8]通過大量的實測實驗，分析了無線傳感節(jié)點發(fā)射的無線信號在地表和物體表面的路徑損耗，提出了一個新的路徑衰減模型。文獻(xiàn)[10]分析了WSNs中的無線信號的不規(guī)則性，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，提出了一個新的無線信號不規(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)典的對數(shù)—路徑衰減模型，沒有針對室內(nèi)復(fù)雜的環(huán)境，分析無線信號在室內(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)點發(fā)送的無線信號在室內(nèi)傳輸時，會受到墻壁的阻礙而發(fā)生反射。針對這一問題，分析了室內(nèi)環(huán)境中無線信號的傳輸特性和墻壁反射對無線信號的路徑衰減的影響，建立了一種新的路徑衰減模型。基于一個真實的無線傳感網(wǎng)絡(luò)平臺，分別在房間和走廊進(jìn)行了大量的實測實驗。結(jié)果表明，提出的模型可以準(zhǔn)確的估計出室內(nèi)無線信號的路徑衰減。

1 室內(nèi)路徑衰減模型

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

(1)

式中 PL為節(jié)點之間距離d時的路徑衰減大??；PL(d0)為參考節(jié)點和目標(biāo)節(jié)點之間距離為d0時的路徑衰減大??；d為節(jié)點之間的距離；d0為參考節(jié)點和目標(biāo)節(jié)點之間的距離，通常設(shè)置為1m；np為路徑衰減因子，它是一個隨周圍環(huán)境而變化的變量；Xσ為對數(shù)正態(tài)遮蔽效應(yīng)，它是一個均值為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)點的信號衰減和距離之間的關(guān)系。但是它沒有考慮室內(nèi)中各種障礙物所引起的多徑效應(yīng)對信號傳輸?shù)挠绊?。首先考慮室內(nèi)環(huán)境中兩個傳感節(jié)點之間只存在視距信號傳輸?shù)那闆r下，其對應(yīng)的解決方法非常簡單，發(fā)射節(jié)點發(fā)送的無線信號服從無線通信的基本規(guī)律。在信號傳輸?shù)倪^程中，無線電波的場強(qiáng)逐漸減弱，當(dāng)無線電波傳送到接收節(jié)點時，會建立一條直接的傳輸路徑，可以通過費希爾自由空間傳播模型對直接的傳輸路徑建模，對應(yīng)路徑損耗可以表示為

(2)

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

在實際的室內(nèi)環(huán)境中，室內(nèi)空間一般比較小，且四周都會存在墻壁，節(jié)點之間的無線信號傳輸，除了存在視距的直線傳輸之外，當(dāng)無線信號傳輸?shù)剿闹艿膲Ρ跁r，視距的傳輸方向會發(fā)生改變，將會導(dǎo)致無線電波在墻壁的表面發(fā)生反射現(xiàn)象。對于每一個反射，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被吸收?？梢詫⒂捎趬Ρ诘姆瓷湟鸬膯挝痪嚯x場強(qiáng)表示為

(3)

(4)

式中 PLrefl為由于墻壁反射引起的路徑損耗，它是無線信號在室內(nèi)傳輸過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)點之間的距離為d時;由于墻壁反射所引起的傳輸損耗可以表示為

(5)

式中 m為反射信號的數(shù)目。

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

(6)

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

2 不同室內(nèi)環(huán)境實驗

2.1 測試設(shè)置

對于測試實驗，采用TI公司的CC2430射頻模塊作為無線收發(fā)設(shè)備，以2.4GHz頻段作為WSNs的載波頻率。發(fā)送節(jié)點向周圍連續(xù)的廣播一個報文數(shù)據(jù)，接收節(jié)點接收到發(fā)送信號后，將測量到的信息和信號強(qiáng)度通過串口模塊傳輸?shù)絇C機(jī)上。所有的節(jié)點都配備同樣類型的1/4波長的全向天線，發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點都固定在一個高度為1.2m的三角架上。

2.2 測試環(huán)境

分別基于兩種不同的室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行大量的實驗，對提出的路徑衰減模型進(jìn)行驗證，其對應(yīng)的測試環(huán)境如下：

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

測試環(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。兩個走廊都是狹長的，兩邊除了白色的墻壁，還有很多房門，有的房門有時會打開，走廊中有來回走動的人，只考慮沒有人走動的情況。

3 驗證結(jié)果

為了驗證提出的室內(nèi)路徑衰減模型的有效性，將提出的路徑衰減模型和對數(shù)—正態(tài)模型、實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。在實驗過程中，將發(fā)射功率設(shè)置為0dBm,每次測試500個信標(biāo)報文，對每一次實驗,同時仿真500次。

從圖1中可以看出,提出的路徑衰減模型和對數(shù)—正態(tài)模型都能夠很好擬合真實的RSSI測量值。這是因為在空曠的房間內(nèi)，節(jié)點之間都是沿著房間中線進(jìn)行排列，墻壁的對信號的反射比較弱，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)的對數(shù)—正態(tài)模型更好反映測量值的分布情況。這是因為當(dāng)室內(nèi)存在墻壁等障礙物，且沿著墻壁擺放時，墻壁對無線信號的反射會增強(qiáng)，當(dāng)接收節(jié)點接收到發(fā)送節(jié)點的傳輸信號時，需要考慮反射信號對其帶來的影響。而傳統(tǒng)的對數(shù)—正態(tài)模型只考慮視距情況，沒有考慮墻壁反射帶來的信號衰減，因此并不能很好反映無線信號在室內(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)點發(fā)送的無線信號會受到墻壁的反射，且由于經(jīng)常會出現(xiàn)房門開合的情況，無線信號傳輸時，墻壁和房門會對信號產(chǎn)生影響，而傳統(tǒng)的對數(shù)—正態(tài)模型只考慮視距傳輸帶來的衰減。

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提出的路徑衰減模型進(jìn)行了驗證，得出了每個點的預(yù)測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)測值和測量值之間的差異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，無線信號在房間傳輸時，信號的反射會在兩個射頻節(jié)點之間的通信中占據(jù)重要的位置。本文分析了室內(nèi)環(huán)境中的墻壁對無線信號的反射，對其進(jìn)行了理論推導(dǎo)，建立了一個新的路徑衰減模型。基于2.4 GHz頻段，分別在房間和走廊中進(jìn)行了大量的實測實驗對提出的模型進(jìn)行驗證。結(jié)果表明:利用提出的模型可以準(zhǔn)確估算出室內(nèi)無線信號的路徑衰減。

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徐 琨(1979-)，湖南津市人，博士研究生，高級工程師，研究方向為無線傳感網(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

國家自然科學(xué)基金面上資助項目(61172089)；中央國有資本經(jīng)營預(yù)算支出項目(財企[2013]470號)；博士后基金面上資助項目(2014M562100)；湖南省科技廳資助項目(2015JC3053，2014WK3001)

TP 212.9

A

1000—9787(2016)12—0011—03