張先毅_基于室內(nèi)辦公環(huán)境的WSN信道衰落模型的分析

1、基于室內(nèi)辦公環(huán)境的WSN信道衰落模型的分析張先毅1,2,王英龍2,1,3,趙洪磊3,郭強2(1,山東師范大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,濟南 250014;2,山東省計算中心,濟南 250014;3,山東輕工業(yè)學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,濟南 250353)摘要：針對室內(nèi)環(huán)境下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道衰落的不確定性，提出一個室內(nèi)環(huán)境下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道衰落模型。本文根據(jù)對無線信道衰落模型的理論研究和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道衰落測試系統(tǒng)室、內(nèi)外實驗數(shù)據(jù)的分析，得到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道衰落模型的各個參數(shù)，確定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)信道衰落模型。實驗證明此衰落模型在實際網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點部署和節(jié)點定位中的作用優(yōu)于其他無線信道衰落

2、模型。關(guān)鍵字：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；信道衰落模型；接收信號強度中圖分類號:TP393 文獻標識碼: AThe analysis of the indoor channel fading model in wireless sensor networksZHANG Xian-yi1,2,WANG Ying-long 2,1,3,ZHAO Hong-lei3,GUO Qiang2(1 Dept of Information Science and Engineering, Shandong Normal University, Jinan Shandong 250014,China;2 Shandong

3、 Computing Science Center, Jinan Shandong 250014,China;3 Dept of Information Science and Technology, Shandong Institute of Light Industry, Jinan Shandong 250353,China)Abstract: Aiming at the uncertainty of wireless sensor networks in the indoor physical environment, a model about channel fading in w

4、ireless sensor networks is proposed. According to the theoretical approach in wireless channel fading model and the analysis of the indoors and outdoors experimental datum in channel fading model which comes from the testing system in wireless sensor networks, the various parameters of channel fadin

5、g model for the WSN are got, then the indoor channel fading model in wireless sensor networks is confirmed. The practical experiment shows that this model is better than the rest of the wireless channel fading model in the node location and deployment.Key word: Wireless sensor networks; channel fadi

6、ng model; the received signal strength indication (RSSI)0 引言無線傳感器網(wǎng)絡(luò)123是一種具有廣泛應(yīng)用前景的全新的技術(shù),現(xiàn)在大部分研究集中在傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由層和MAC層,忽略了其物理信道特征。因此關(guān)注其物理信道特性，特別是信道衰落模型對增強網(wǎng)絡(luò)的連通性、節(jié)省收發(fā)節(jié)點的能量消耗、增加網(wǎng)絡(luò)生存周期有指導(dǎo)意義。通常理論上對各種無線網(wǎng)絡(luò)(GPS、UWB和藍牙)物理信道的研究都是利用無線信道模型4來進行的，因此研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理信道模型也是由此開始的。目前較為典型的無線網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)信號衰落模型主要有: Devasirvatham模型5、馬特內(nèi)-馬

7、恩納(Keenan-Motley)模型6等，但一方面這些模型不適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點覆蓋范圍小、數(shù)據(jù)隨周圍環(huán)境變化明顯和電量不充足的物理特性，另一方面這些模型在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實際環(huán)境的節(jié)點部署和節(jié)點定位中偏差明顯，網(wǎng)絡(luò)覆蓋率低，達不到工程應(yīng)用的實際需要。因此本文采用自己研發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在室內(nèi)、外環(huán)境下物理信道的特性，選擇適當(dāng)?shù)膱鼍皩λヂ鋮?shù)進行實際測算，最終確定室內(nèi)辦公環(huán)境下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的衰落模型。1 無線網(wǎng)絡(luò)信道模型及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)信道模型的分析通過無線信道傳輸?shù)男盘柌ㄐ螘艿蕉喾N物理信號的影響，從而使無線接收端接收的信號出現(xiàn)失真, 最終導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)出

8、錯，影響通信。因此分析無線網(wǎng)絡(luò)信道模型，特別是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道模型對于提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量，保證網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸暢通具有重要的意義.8自由空間方程給出了接收節(jié)點距發(fā)射節(jié)點距離處天線的接收功率的表達式表示為：8，其中、為收發(fā)功率，是收發(fā)節(jié)點之間的函數(shù)；、為收發(fā)天線的增益；為收發(fā)節(jié)點之間的距離；稱為遠場距離；系統(tǒng)損耗為與傳播無關(guān)的系統(tǒng)損耗因子,表示系統(tǒng)硬件中無損耗；為波長。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)環(huán)境信道模型與傳統(tǒng)的無線通信信道模型是不同的，在建筑物內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信傳播受到一些特定因素（如：建筑物的布局、建筑材料、建筑類型等）的嚴重影響，因此不能將自由空間信道模型簡單的應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)

9、絡(luò)室內(nèi)的信道模型，根據(jù)自由空間無線信道模型公式（1），對于非自由空間這一模型具有一般性：8式中，是信道衰落參數(shù)，其取值范圍為之間。對應(yīng)自由空間信道損失，對應(yīng)建筑物阻擋的傳播陰影區(qū)8。經(jīng)研究表明，室內(nèi)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道模型服從距離功率定理，即：9，表示零均值，標準方差為的高斯正態(tài)隨機變量，單位是。將收發(fā)天線增益、發(fā)射功率、遠場距離、系統(tǒng)損耗因子等條件代入公式(5)中可得。自無線傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)后許多研究人員都致力于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室、內(nèi)環(huán)境信道模型的分析研究，、兩個參數(shù)的研究一直是科研人員研究的重點，它們也是本文研究的重點。2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)環(huán)境的信道模型和參數(shù)的分析2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)室

10、內(nèi)信道衰落模型的測試步驟基于國內(nèi)外研究人員的工作成果，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在室內(nèi)外環(huán)境下的特性，我們采用如下步驟對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道模型的參數(shù)進行測試：(1)采集室外環(huán)境下信道衰落數(shù)據(jù)，參考無線網(wǎng)絡(luò)自由空間信道衰落方程，對得到的數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，確定信道衰落參數(shù)值；(2)采集特定的室內(nèi)環(huán)境下信道衰落數(shù)據(jù)，參考無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非自由空間信道衰落方程，對數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，得到零均值；(3)確定室內(nèi)環(huán)境下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道模型并通過實際環(huán)境驗證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)信道模型的可信度。2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)信道模型的測試實驗試驗使用的是自行研發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的測試系統(tǒng)具有監(jiān)視源節(jié)點和目標節(jié)點運行狀況、測試節(jié)

11、點接收信號強度、抓取數(shù)據(jù)包信息、數(shù)字智能信息化處理等功能。測試工具包括上位機、通信連接設(shè)備及與上位機之間進行通信的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（在此使用的是CC2430收發(fā)芯片）等。在測試過程中通過上位機運行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)，收集接收節(jié)點與發(fā)射節(jié)點之間的接收信號強度(RSSI)101112。測試過程中采集的數(shù)據(jù)包信息如圖1所示：圖1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)在某處接收的數(shù)據(jù)包信息Figure 1.The information of data packet in the wireless sensor networks testing system2.2.1信道衰落參數(shù)的確定選擇適當(dāng)?shù)氖彝猸h(huán)境，調(diào)試無

12、線傳感器網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)，按照系統(tǒng)要求設(shè)置參數(shù)，同時將傳感器芯片CC2430的發(fā)射功率調(diào)整為2450MHz，利用100個節(jié)點做連續(xù)的測試，從數(shù)據(jù)包中提取數(shù)據(jù)(RSSI)，再將得到的數(shù)據(jù)利用公式進行優(yōu)化。這里我們給出整理后的部分數(shù)據(jù)：如表1所示。表1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)室外信道衰落數(shù)據(jù)（注：數(shù)據(jù)均是在常溫、干燥、微風(fēng)條件下得到）Table 1.The datum of the outdoor channel fading in wireless sensor network 所得信道衰落數(shù)據(jù)經(jīng)Matlab處理后得到圖像如圖2所示。圖2室外無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的衰落圖像Figure 2.The outdoor

13、channel fading image of the wireless sensor networks由圖2分析可知：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道衰落數(shù)據(jù)是從的區(qū)間開始的；在米的區(qū)域內(nèi)，數(shù)據(jù)集中在范圍內(nèi)；在米的范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)在的區(qū)域內(nèi)上下波動；自米的范圍里，數(shù)據(jù)基本集中在的范圍內(nèi)變化。根據(jù)公式(4)進行參數(shù)的設(shè)置：頻率、室外環(huán)境的零均值,在取不同情況下的值，處理得到其圖像如圖3所示。圖3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道模型的衰落圖像Figure 3.The channel fading model image of the wireless sensor networks由圖3分析可得在從米范圍內(nèi)信道衰落數(shù)據(jù)變化明

14、顯，在米內(nèi)曲線的數(shù)據(jù)變化相對緩慢，并且值越大，單位距離內(nèi)的信道衰落數(shù)據(jù)變化越劇烈。由圖2和圖3的比較可以得出在這一條件下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道衰落參數(shù)是介于間的一個值。取之間的值分別和測試的數(shù)據(jù)相比較，確定在此環(huán)境下。2.2.2信道衰落零均值的確定在室內(nèi)條件下，按照同樣的要求設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，進行連續(xù)的測試，接收信道衰落數(shù)據(jù)RSSI，利用公式(7) 對RSSI進行優(yōu)化。在這里我們也給出整理后的部分數(shù)據(jù)：如表2所示。表2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)信道衰落數(shù)據(jù)（注：數(shù)據(jù)均是在常溫、干燥、微風(fēng)條件下得到）Table 2.The datum of the indoor channel fading in wir

15、eless sensor network信道衰落數(shù)據(jù)經(jīng)Matlab處理后得到圖像如下圖4所示。圖4室內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的衰落圖像Figure 4.The indoor channel fading image of the wireless sensor networks根據(jù)公式(6)設(shè)置其中的，得將不同收發(fā)距離的信道衰落數(shù)據(jù)和按照室內(nèi)環(huán)境下測試信道衰落數(shù)據(jù)進行比較得：表3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)環(huán)境下信道衰落數(shù)據(jù)和信道模型衰落數(shù)據(jù)比較Table 3.The comparison of the datum on the indoor channel fading model to the datum

16、 of wireless channel fading model in the wireless sensor networks將衰落數(shù)據(jù)利用公式 進行修正得到。到此確定在室內(nèi)辦公環(huán)境下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道模型為：。2.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道衰落模型的試驗驗證選定一個室內(nèi)環(huán)境，進行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道模型的實測，測試室內(nèi)辦公環(huán)境下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道模型的準確性。在保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋率和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下，分別將網(wǎng)絡(luò)實際的測試數(shù)據(jù)和按照Devasirvatham模型5、馬特內(nèi)-馬恩納(Keenan-Motley)模型6及得到的室內(nèi)辦公環(huán)境下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道模型得到的數(shù)據(jù)進行比較，從單位距離內(nèi)數(shù)

17、據(jù)的衰落情況上和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點定位和節(jié)點部署的覆蓋率情況上都表明得到室內(nèi)辦公環(huán)境下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道模型和按照實際環(huán)境測試的信道衰落模型相比是誤差是最小的，因此我們得到的室內(nèi)辦公環(huán)境下的無線傳感器網(wǎng)路信道模型在室內(nèi)環(huán)境是可行的。3 結(jié)束語本文以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道模型為研究重點，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)對室、內(nèi)外環(huán)境下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道模型和參數(shù)進行測試，得到一個以辦公環(huán)境為測試現(xiàn)場的室內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道模型，并通過多模型比較測試實驗對模型進行了驗證。本文的研究過程具有一般性，即可依據(jù)類似的方法得出不同類型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在不同環(huán)境下的信道模型，該模型可為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層應(yīng)

18、用提供一定的理論依據(jù)，并可為上層協(xié)議的分析及設(shè)計提供有價值的參考。參考書目：1Akyildiz IF, Su W. Wireless sensor networks: a survey J.Computer Networks, 2002, 38(4): 3934222任豐原，黃海寧，林闖。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)J。北京：軟件學(xué)報，2003，14(7)：128212913Pottie GJ, Kaiser WJ. Wireless Integrated Network Sensors J. Communications of the ACM,2000,43(5):51584Holger Karl, An

19、dreas Willing. Protocols and Architectures for Wireless Sensor NetworksM 邱天爽，唐洪，李婷，楊華，姜一，等譯.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和體系結(jié)構(gòu).北京：電子工業(yè)出版社，2007.76-83.5侯玉華。PHS和WLAN共用室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)實現(xiàn)室內(nèi)覆蓋J。深圳：中興通訊技術(shù)，2008，7，256125656H.Sampath, S.Talwar. “A fourth-generation MIMO- OFDM broadband wireless system: Design, performance, and field trial

20、 results”,IEEECommun.Mag,pp.143-149, 20027T.S.Rappaport. Wireless Communications-Principles and Practice J. Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ, 2002.40(3):128-1768Theodore S Rappaport. Wireless communications: principles and practice. S: Prentice Hall PTR, 19969Chipcon Inc.CC2430.2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBe