不规则针叶林中不同方向无线信号传播特性

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　　摘要：为解决针叶林中无线传感器网络节点部署、网络规划、定位等问题，以不规则马尾松为研究对象，研究433MHz无线信号在不同方向的传播特性。实地测量了12个方向、8个高度、9个通信半径的接收功率。对实验采样数据进行回归分析，建立环境因素的路径损耗模型。结果表明，在不同接收角度上、不同接收高度上，路径损耗符合对数衰减模型，当h=2.0m时，路径损耗最小，等通信半径上接收功率封闭曲线畸变程度最小。为野外不规则针叶林环境中无线传感网络的部署、网络规划、定位提供理论依据。
　　关键词：无线传感网络：433MHz无线信号：针叶林
　　0 引言
　　随着通信技术不断发展，无线通信技术在环境监测领域、智能家居、林业领域均有应用。无线电波在自由空间传播，通过无线信道实现信息交换。因其功耗低，无线信号在传播过程容易受天气、地形、温度、环境等因素的影响。为了能将无线传感器网络更好地应用于林业领域，研究人员对无线传感器网络在林业方面的应用做了研究。冯鹏飞等研究了人工白皮松林中不同频率无线信道在针叶林中的传播特性，得出433MHz频段无线信号优于其它频段的结论。刘海洋等研究了433MHz无线信号在人工中龄樟子松林中的传播特性，得出不同密度中龄樟子松中最佳天线高度、传播距离分布特征。但樟子松林为人工林，排列较为整齐，不能很好地适用于野外不规则松林环境。郭秀明等研究了2.4GHz无线信号在苹果园中不同高度的传播特性，得出在每一个水平高度层上，路径损耗符合对数衰减模型。由于苹果树属于人工种植经济果木，树木间的排列较为整齐，树冠较低，树木生长条件较为理想，和野外的林地环境相差较大。文韬等研究了按需要排布的盆栽柑橘在不同植被深度、天线高度、通信距离下433MHz无线信号衰减情况，建立环境因素、传播距离间线性模型，得出不同天线高度、植被深度、通信距离共同作用下的最佳天线高度参照表，为无线传感器网络的部署提供理论依据。但盆栽体积较小，树高较低，实验属于理想实验，并不能很好地表征野外自然生长的环境。周建军等研究了2.4GHz无线信号在番茄连栋温室中不同生长阶段（花期、初果期）、方向、高度上的衰减情况，得出在不同时期2.4GHz无线信号路径损耗均符合对数衰减，在同一高度行方向路径损耗最小，同一方向上节点高于冠层以上损耗小。李萍萍等研究2.4GHz无线信号在青椒不同方向、不同角度下的传播特性，得出在不同方向和角度下路径损耗均符合对数衰减模型。
　　综上所述，现有的研究都是在较为理想的人工环境下得出。没有考虑到不规则针叶林环境中。不同传播方向对路径损耗影响情况。因此研究无线传感器网络在不规则针叶林中不同方向的路径损耗情况很有必要。为解决无线传感器网络在不规则松林环境下部署问题，研究了433MHz无线信号在松林中不同方向的路径损耗情况。测试了12个方向、8个高度、9个通信半径的接收功率，对测试结果进行分析和处理。结果表明在同一高度和通信半径不同接收角度上，接收功率形成的封闭曲线并不是一个标准的圆，不同方向上存在不同程度的畸变;同一方向不同高度上路径损耗符合对数衰减，为进一步研究无线传感网络在野外不规则松林中节点部署提供理论依据。
　　1材料与方法
　　1.1 实验环境
　　测试地点位于贵州省贵阳市花溪区郊区地势较为平坦的马尾松林。由于其生长状态无人工干预，因此树木的排列不规则。马尾松树的树高均大于10m，在树的底层为低矮灌木丛及杂草，灌木在1.6m及以下均有分布，但大部分灌木主要集中在0.75m附近，灌木叶层主要集中在这一高度。因为其排列是无规律的分布在不同方向上，在不同的传播方向上对无线信号的影响均存在差异，这导致无线信号在马尾松林中会同时存在着直射、反射、折射、绕射等多种传播。因此，在传播过程中就会存在反射波、折射波、繞射波、直波以及这些波的合成波。
　　考虑到实际应用环境是不规则分布的树林和灌木丛，采用绕射能力较强的长波，由于空气分子原子密度不够，容易产生绕射，但穿透能力较弱。松林中的树木、灌木、杂草等都能影响无线信号的反射以及折射。
　　1.2 路径损耗模型
　　在无线信号传播过程中由于环境影响，会随着传播距离的增加接收功率会存在不同程度的损耗。在传播过程中路径损耗是衡量传播性能的重要指标之一，可以通过路径损耗（Path loss）来进行表征，计算公式（1）所示：
　　PLS=PT-PR，（1）
　　其中，PLS为传播过程中的路径损耗值（单位dB）;PT，为发射端的发射功率值（单位为dBm）;PR为接收端的接收功率值（单位为dBm）。接收机在自由空间中的接收功率如计算公式（2）所示：
　　其中，K为环境损耗因子;PR为接收功率（单位为dBm）;PT为发射端的发射功率（单位为dBm）;CT为发射天线增益;GR为接收天线增益（单位为dB）;λ为波长（单位为m）;d为收发天线间的距离（单位为m）;该模型为理想模型，要求在传输过程中为视距、无空间、折射、叠加、反射波，这样的传播环境在实际中很难满足。因此，要研究无线信号在不规则松林环境下对无线信号传播的影响，就需要对不同天线高度、不同接收角度以及不同的水平接收距离变化后无线信号接收功率进行测试和分析。得出无线信号在不规则松林环境下不同方向的传播特性。
　　1.3 试验场及实验方法
　　由于马尾松在各个方向的排列不同，为了能更好地体现自然生长的针叶林环境对无线信号传播特性的影响。选取马尾松林较为中间的位置为发射节点位置，以发射节点为圆心，在水平面内选取12个不同的方向、8个不同的高度、9个通信半径。分别将收发天线放在高度可调节的三脚架上，发射端放在圆心位置固定不动，接收端放在三脚架上，分别以1m、5m、10m、15m、20m、25m、30m、35m、40m为半径，以30°为步进，沿逆时针方向在360°范围内，测试不同高度、方向和通信半径上的接收功率。收发天线位置示意图如图1所示，图中只画出接收半径为5m的示意图。 　　本次测试设备及相关参数见表1.
　　测试步骤如下：
　　（1）将收发天线高度调至0.25m。
　　（2）移动接收天线，使收发天线水平距离为1m，接收角度为0°的位置上。
　　（3）利用手持式频谱仪测试该位置无线信号的接收功率。
　　（4）沿逆时针方向，以30°为步长，重复步骤（3）进行测试，完成该接收半径下接收功率的采集。
　　（5）以5m为步长，重复骤（2）-（4）操作，完成这一高度下样本点接收功率的采集。
　　（6）收发天线高度以0.25m为步长，重复步骤（2）-（4）操作，完成所有样本点接收功率的采集。
　　2 结果分析
　　2.1 同一天线高度不同接收角度对无线信号传播特性的影响
　　在自然生长状态下的不规则针叶林中。会对无线信号的路径损耗造成不确定的影响。在无线传感网络的仿真实验中常采用概率感知模型，认为节点的感知半径和通信半径都是一个规则的圆形。但本次研究是以发射节点为圆心，收发天线高度距地相同时，以30°为步进，在360°圆周内对无限信号进行测试，结果如图2所示。
　　由图2可知，由于树木和灌木丛的分布不规则，导致无线信号的等通信半径的接收功率封闭曲线并不是一个规则的圆形，在同一高度下，不同的接收角度，路径损耗不同。接收高度为0.25m时，在210°-300°之间。路径损耗最为严重。接收距离在10m时已经衰减到-90dBm。当高度为0.5m时，路径损耗在1m-5m之间较为严重，因为在这一范围内，大部分灌木丛叶层主要集中在这一高度。在240°-330°间。损耗较为严重。接收距离在10m-15m间已经衰减到最低。当高度为0.75m时，虽然存在不同程度的畸变，但是畸变程度减小，在5m-10m之间衰减较为严重，在270°-300°之间稍大，主要是在这一范围内，部分灌木丛集中在这一高度。当1.0m
　　总之，在野外排列不规则的针叶林中，无线信号在不同的传播方向上接收功率存在着差异，在同一接收半径上。接收功率形成的图形并不是一个规则的圆，在不同的接收半径和不同的接收高度上都存在着不同程度的畸变。随着天线高度的增加，畸变程度减小，当天线高度入：2.0m时，图形畸变程度最小。
　　2.2 同一接收角度不同接收天线高度对无线信号传播特性的影响
　　针叶林中同一接收角度不同接收高度的路径损耗曲线如图3所示。
　　由图3可知，当天线高度h=0.25m时，路径损耗主要受地面和杂草的影响。在0°-180°之间路径损耗趋势基本相同，水平距离在10m附近时接收功率已经衰减到-90dBm，曲线波动较小，在这一角度范围内杂草分布较为均匀。在210°-330°度之间，水平传播距离在10-15m之间路径损耗较为严重，曲线波动较大。因为在这个角度范围内，树木、灌木丛比较密集，导致路径损耗较大。当天线高度0.25m
　　2.3 路径损耗模型回归分析
　　路径损耗是衡量无线信号传播特性优劣的关键性指标，在不规则的针叶林中，无线信号传输容易受杂草、灌木和树木的影响发生折射、反射和绕射。随着距离的增加，折射、反射和绕射对无线信号传播影响较大。在距离发射端较远处，信号到达接收端时可能经过多次折射、反射和绕射。随着天线高度的增加路径损耗降低，当天线高度高于灌木丛高度后，路径损耗低于有灌木丛阻挡时的路径损耗。在不规则针叶林中对数路径距离损耗模型如公式（3）所示。
　　PR=A-10n·lg d。（3）
　　其中，PR为接收机的实际测量值（单位为dBm）;A为模型参数;n为与环境有关的路径损耗因子;d为收发天线间的水平传播距离（单位为m）。研究表明，在农业和林业环境中，无线信号的衰减都可以用該模型来预测。
　　用式（3）对无线信号的传播特性进行分析，就需要确定A和n的值。利用最小二乘法对实测值进行曲线拟合，相关参数见表2-表4，其中R2为相关系数，是理论计算值和实际测量值之间的相关性指标，其值越接近1相关性越高。
　　各个方向上拟合相关系数R2见表1，环境影响因子见表2，模型参数见表3.
　　由表2可知，在不同方向和高度上，拟合相关系数都存在一定差异，当h=0.25m时，在240°-300°之间相关系数较小，主要是因为在此范围内，水平距离为10-15m间灌木和杂草较为密集，无线信号的传播受到绕射、折射和反射的影响较大。当天线高度为0.5m
　　由表3可知，在不同的方向和高度上环境影响因子n都存在一定的差异，主要是树木和灌木的排列不规律，树高不整齐。n值越大，路径损耗越大。当h=0.25m时，此时无线信号主要受到地面、杂草和低矮灌木的折射和反射，n值较大，路径损耗较为严重。在h<0.75m时，n值相对于其它高度较大，主要是在这一高度范围内，灌木分布较多，对无线信号的反射和折射较大，导致无线信号衰减较为严重。当h>1.0m后，随着高度的增加，n值减小，路径损耗值减小，但是在同一高度不同方向上依然存在差异。
　　由表4可知，当天线高度为h=0.25m时，模型参数较小，主要是受到地面、杂草和灌木多种因素影响。随着高度增加，模型参数A值增加，但是在同一高度不同方向上依然存在差异。
　　3 结束语
　　本文研究了433MHz无线信号在不规则针叶林中传播特性，分析了传播方向对无线信号的影响，通过实地测试和对数据回归分析，得出如下结论：
　　（1）在排列不规则的针叶林中，同一天线高度，不同的接收角度上，433MHz无线信号路径损耗符合对数衰减模型。
　　（2）天线高度一定时，在同一接收半径上，接收功率形成的封闭曲线并不是一个标准的圆，不同方向上存在差异，图形存在不同程度的畸变。
　　（3）在同一接收角度不同的接收高度，路径损耗均符合对数衰减。在同一接收角度上，随着高度增加路径损耗减小。
　　（4）当天线高度h=2.0m时，路径损耗最小，图形的畸变程度最小。
　　为减少底层复杂环境和接收方向对无线信号传播特性的影响。在排列不规则针叶林中部署无线传感器网络节点时，节点高度应高于灌木高度。
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