工业无线传感器网络信道特征研究

刘 锋， 裴红星， 王青三, 黎 敏， 阳建宏

(1.北京科技大学 机械工程学院 北京 100083； 2.郑州大学 物理工程学院 河南 郑州 450001;3.南阳热电有限责任公司 河南 南阳 473000)

工业无线传感器网络信道特征研究

刘 锋1， 裴红星2， 王青三3, 黎 敏1， 阳建宏1

(1.北京科技大学 机械工程学院 北京 100083； 2.郑州大学 物理工程学院 河南 郑州 450001;3.南阳热电有限责任公司 河南 南阳 473000)

以某机械加工车间为背景，对电波传播的路径损耗及小尺度衰落进行了测量和分析，通过有限时域差分法对电波极化偏转进行仿真，并设计了测量平台对仿真结果进行验证.结果表明，工业环境设备密集区域无线信号路径幅度衰减因子约为1.33，低于自由空间的传播情况，信号幅度在具有复杂形状的设备附近符合莱斯分布，在远离设备区域趋向方差极小的正态分布；金属设备引起电波极化方向的随机偏转，带来平均5.4 dB、最高13 dB的幅度衰减，同时降低了信道的交叉极化分辨率.可应用极化分集技术对抗信号随机衰落，提高工业无线传感器网络的性能鲁棒性.

工业环境； 无线传感器网络； 路径损耗； 多径效应； 极化偏转

0 引言

无线传感器网络由于无需敷设电缆，易于维护和扩展，在大型工业设备的状态监测与故障诊断系统中广泛应用.目前对无线传感器网络的研究多集中于数据处理[1-2]，而对其信道模型研究较少.研究无线传感器网络信道，对优化网络设计、延长网络整体寿命和提高数据通信质量具有重要意义.目前，对工业环境无线信道的研究中，Tanghe等[3-4]对工业环境无线信号的路径衰落进行了测量，Assous等[5]对工业环境电磁波传播进行了仿真研究，Zhang等[6]在工业环境中，利用无线传感器节点对不同发射功率和不同天线倾斜角度的信道容量进行了测量，Karedal等[7]对工业环境超宽带通信系统的信道统计模型进行了研究.上述研究大多针对开阔工业环境展开，对设备密集区域研究较少.电磁波在设备密集的工业环境中传播时，除受到一般环境共有的阴影效应和多径效应影响外，还因金属设备影响而改变极化方向.作者针对433 MHz无线传感器网络，选择设备密集的机械加工车间作为实际工业环境，通过仿真和实际测量，对无线信号的路径幅度衰减及小尺度衰落进行研究，并分析了反射及绕射引起的电波极化偏转现象，及其对信道质量的影响，最后给出了提高网络性能鲁棒性的设计思路.

1 工业无线传感器网络信道特征分析

生产设备的故障诊断与监测需要对振动、温度、湿度、压力等物理量进行采集，经AD转换及特征值提取，采集数据由无线传感器网络转发至控制中心.由于数据量小，通信速率一般设置为10 kbps，信道带宽窄，远小于相干带宽，可视为平坦衰落信道.无线通信系统一般具有三个独立的特征现象：随距离而变的路径损耗，对数正态阴影效应及多径效应.其中，多径效应引起信号幅度随机变化，可能产生30～40 dB的深度衰落，成为影响通信的主要因素.工业环境中无线传感器网络一般采用分簇结构，每簇的覆盖范围在十几米到几十米之间，属于近距离通信，因而需在三维空间分析电波传播，此时还需考虑多径效应引起的电波极化偏转.

2 工业环境433 MHz窄带信道幅度衰落

2.1路径幅度衰落

电磁波的传播符合对数距离路径损耗模型，即

(1)

其中，Pr(d)和Pr(d0)分别为距离发射天线d和d0时的接收功率，γ为衰减因子，Xσ是由阴影效应造成的方差为σ的高斯随机变量.γ在自由空间中的取值为2，一般由于实际传播损耗加大，γ的取值为2.0～5.0.由于工业环境存在大量反射波，总体上减弱了信号的衰减速度，γ会小于2，Karedal等[7]与Chehri等[8]分别在工厂环境和地下矿井对超宽带信号的γ进行测量，得到1.1和1.47的结果.作者选择某机械车间对433 MHz信号进行了测量，得到γ是1.33.因此，在无线传感器网络几十米的覆盖范围内，路径幅度衰减并不严重，对通信的影响相对较弱.

2.2小尺度衰落

电磁波波长在远小于金属设备表面尺寸时，会发生反射，而当波长与金属设备的尺寸相当时，则产生散射，散射波的幅值在最初的1 m范围内急剧下降，由散射波造成的多径效应也因此迅速减弱.

在实际工业环境，分别在电波直达区域(LOS)和设备阴影区域(NLOS)对433 MHz无线信号小尺度衰落进行测量，并统计其幅度的概率分布，如图1所示.

(a) 非视距传播情况 (b) 视距传播情况

由图1(a)看出，信号的幅度并不符合莱斯分布或瑞利分布，而是在期望值所在位置出现一个高峰.在K值为5，平均包络功率为1.36E-8的莱斯分布随机变量中加入部分均值为1.17E-4，方差为1.4E-11的高斯随机变量后，概率分布与实测数据能够很好吻和.这是由于部分测量点与金属设备的距离相对较远，散射波的衰减引起多径效应的减弱，莱斯分布的K值变大，趋向于方差很小的高斯分布.由图1(a)还可看出，在设备的阴影区，仍然由于绕射而存在一条主入射径，并在设备附近受多径效应影响，使得信号幅度符合K因子为5的莱斯分布.图1(b)所示LOS情况，与NLOS类似，也存在多径效应减弱现象，并在概率分布的期望值处出现一个尖峰.

3 电波极化方向的偏转

电磁波会在金属设备表面产生感应电流，其辐射波与入射波极化方向不同，而且会在不同位置存在不同相位差.当入射波为线极化波时，迭加波的极化方向只在两波相位差为π的整数倍时保持线极化，一般情况，会因相位差及极化角度差而形成椭圆极化.电磁波的绕射也会引起极化的偏转，偏转程度与障碍物边缘形状有关.电波的极化偏转具有很强的随机性，接收天线与电波极化方向不匹配时，会引起信号的随机衰落，影响网络连通性.

利用基于有限时域差分法的AMDS软件对工业环境433 MHz电磁波的传播过程进行仿真，并设计了一种测量平台进行实测验证.

3.1测量装置及测量方法

在测量装置中，将配备433 MHz偶极天线的无线传感器网络节点固定在测量平台上，在电机驱动下改变俯仰角和方位角，利用节点电路中射频芯片CC1100的接收电平指示功能对电场强度进行测量，并通过无线方式将测量结果送出.为减弱装置本身对电磁波的散射影响，平台的支撑结构均为竹木材质，电机位于结构的最底端，距离测量平台1 m左右.

图2 电矢量末端轨迹与接收场强曲线Fig.2 Tip trajectory of E-field with received power

时谐场中电场矢量的末端轨迹为一空间椭圆，这种轨迹无法直接测得.天线接收到的信号，是电场矢量在天线上的投影.改变天线方向，当接收幅值最大时，天线所处方向即为电矢量末端轨迹椭圆的长轴方向，而接收幅值最小时，天线方向为椭圆的短轴方向，通过长短轴的方向及接收幅度，即可再现电场矢量的末端轨迹(图2).图2(a)中，坐标原点存在椭圆极化的电磁波，A为电场矢量末端轨迹，B为接收场强随天线角度变化的曲线.图2(b)则为坐标原点存在线极化波的情况.

3.2实际工业环境极化方向仿真与测量

为研究工业环境电波极化方向的偏转，选择某机械加工车间作为实际工业环境，进行仿真和测量，所使用发射天线均为垂直极化.图3为3个典型位置的仿真和测量结果，其中测点1位于电波直射区，测点2位于设备阴影边缘，测点3位于设备阴影中心.为方便分析，图3给出仿真和测量结果在直角坐标各平面中的投影，并且由于只关心偏转角度，将幅值进行了归一化处理.

图3中，细实线是未受任何干扰时天线接收信号的幅度曲线，称为标准信号.由于垂直极化波在水平面内的投影是一个点，因此在YX平面中，标准信号为原点处的一个点.

图3 天线接收信号强度仿真及测量结果Fig.3 Simulation and measurements of received power

图4 极化方向分布图Fig.4 Distribution of polarization direction

仿真结果表明，电磁波经过金属设备时，会受其影响而发生极化角度偏转，并且极化模式也可由线极化转为椭圆极化.由图3看出，实测数据与仿真结果能够较好地吻和，因此测量装置及方法是有效可行的.

为统计电波极化方向的偏转角度，利用测量装置，对实际工业环境中11个随机位置进行了测量，并统计各位置接收信号强度最大时天线所处角度，作为该位置电波的极化方向.由于极化方向没有极性，因此极化方向的仰角可全部取为小于等于90°的值.图4将11个测量位置的极化方向单位矢量在坐标平面中标出，三角号、圆圈和星号分别表示发射天线X向、Y向和Z向放置时的测量结果.由图4可知，由于工业环境设备形状的多样性，电磁波极化偏转随机性很强，可认为具有各态历经性.

3.3极化偏转引起的信号衰减

图5 工业环境极化衰减测量Fig.5 Measurements of polarization in industrial environment

为定量分析接收天线与电磁波极化方向不匹配时产生的极化衰减，在实际工业环境中随机选择32个位置，进行场强测量.测量时，发射天线保持竖直放置，使用测量装置在各测点测量天线在各个朝向的接收电平，并统计最大值，与接收天线竖直放置时的结果进行对比，两者差值即为天线方向失配引起的极化衰减.测量结果如图5所示.

图5表明，接收天线与电波极化方向匹配时，信号衰落在10 dB之内，主要由路径衰减、阴影效应和多径效应引起，当使用竖直天线接收时，还受到电波极化偏转所带来的随机衰减，两曲线差值即为极化衰减.由测量结果统计得到极化衰减均值为5.4 dB，并在某些位置达到13 dB.因此，极化偏转引起的信号衰落，是工业环境设备密集区域无线通信面临的重要问题.

4 信道交叉极化分辨率

极化分集是无线通信经常使用的一种天线分集方式，由于对天线的间距要求低，在体积受限的应用中具有很大优势.极化分集的增益来自于极化偏转带来的能量耦合.能量耦合可由交叉极化分辨率XPD描述.XPD是指发射单一极化电磁波时，接收点电场的同极化分量与交叉极化分量的功率比，以分贝表示.XPD值越低，带来的分集增益就会越高.Eggers等[9]研究了GSM系统XPD与极化分集增益的关系，并给出在交叉相关系数为0，接收分集为选择式合并时，分集增益随XPD变化的曲线，表明XPD每下降1 dB，分集增益将获得约0.5 dB的提高.Helhel等[10]分别在一般城镇、建筑物密集城镇及森林地区三种典型室外环境对GSM系统的XPD值进行了测量，结果分别为4.16，2.70，6.36 dB.

在工业环境中，由于极化方向发生随机偏转，两个交叉极化方向的信号互相转化，幅度相当，因此XPD值很低，并有可能出现负值(主极化能量低于其交叉极化能量).在工业环境中测量收发天线多种方向组合的接收功率，并计算XPD值，结果如表1所示.

表1工业环境设备密集区域XPD值

Tab.1XPDof industrial environments with dense equipments dB

XPDxyXPDyxXPDxzXPDzxXPDyzXPDzy-2.500.930.021.112.501.86

注： 下标表示XPD所考虑的两个方向.

由表1看出，在设备密集的工业环境，XPD值低于Helhel等[10]所测量的各种室外环境，而且出现了负值，表明极化分集具有很大的增益提升空间.因此，采用极化分集技术，可以有效抵抗工业环境信号的随机衰落.

5 结论

对工业环境设备密集区域进行的路径幅度衰减测量表明，由于工业环境存在大量反射波，电波的路径幅度衰减低于自由空间传播情况，γ为1.33，由于无线传感器网络的覆盖范围一般在十几米到几十米之间，距离带来的幅度衰减对通信的影响较弱.同时，由于433 MHz电磁波绕射能力较强，在工业环境的设备阴影区，仍然会存在一条主入射径，因此不会形成瑞利衰落.金属设备表面的尺寸与电波波长相当时，不规则的设备形状对电磁波形成大量散射，在靠近设备的区域相互迭加形成莱斯衰落，而在远离设备的区域，由于散射波的衰减，信号幅度由莱斯分布转向方差极小的正态分布.电波极化方向受设备影响发生随机偏转，平均产生5.4 dB的信号衰落，并在某些区域达到13 dB，导致通信受阻，成为工业环境信号衰落的重要组成部分.电磁波极化偏转带来信号衰落的同时，也大幅降低了交叉极化分辨率，这对提高极化分集增益是有利的，可通过设计适用于工业环境无线传感器网络的极化分集方案，提高信道增益，保证网络通信畅通,加强网络的性能鲁棒性.

[1] 朱文婷，陈明．温室无线传感网络多Agent信息融合体系构建[J]．郑州大学学报：理学版，2008，40(3)：35-39.

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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

国家自然科学基金资助项目，编号50674010； 国家高技术研究发展计划(863计划)项目，编号2007AA04Z169.

刘锋(1976-)，男，博士研究生，主要从事工业无线传感器网络研究，E-mail:feng007liu@163.com.