麦田无线信道中的wifi性能实验

樊莉莉（安徽电子信息职业技术学院，安徽　蚌埠　233000）



麦田无线信道中的wifi性能实验

樊莉莉
（安徽电子信息职业技术学院，安徽蚌埠233000）

摘要：本文基于麦田试验地中的实践成果，实地检测了麦田每一米半间距间隔处产生的信号强度百分比及其传频.对保留的数据进行了归纳总结，并进行了建模回馈.通过对比，将间隔处的信号强度结合到平广空地所测数据中，并与信号强度损耗的模型数据相综合，进行了详尽的研究分析和对比.研究表明无线信号传输符合多项衰减模型.其对数传输频率也符合多项模型.结果表明无线信号强度受干扰转低，超出平广区域衰减作用，表现为速率快，高稳定.

关键词：wifi；麦田；信号强度百分比；传输信号频率

1　前言

随着wifi在各个领域被广泛的认知和使用，也因其有着强大的实用性飞速的深入到农业生产之中，对于农业环境的检测和丈量，对于农业工具的创造、控制和提升都起到了巨大的作用.因此，wifi的大面积、大范围应用能够提升麦田信道传输数据的质量，能够有效的协调麦田中机械化设施相互交流、通信等.同时，近地面的无线信道的传播机制具有多样性的特性，其传播的路径具有复杂性的特性，从信道入手是当前对其最为有效的研究方法.因此对近地面信道传播特性的研究更加紧迫，也更具有实际性的意义.

1.1关于wifi的简单论述

1.1.1追根溯源，回顾无线网络的发展历史.

第一代wifi最早出现于1997年.随后的1999年产生了标准意义上的wifi，即以IEEE802.11位为标准的无线网络.第三代诞生于2002年，而真正稳定并一直沿用至今的是2007年所推出的第四代wifi技术，其飞速发展也彻底取代了最初的2兆[1].而今，无线网络的功能及其大量普及，包括智能机，游戏机，数码产品甚至是汽车都已经和wifi技术相融，并大量应用其功能.相关数据也证明，截止到去年，已经有超过五十亿部消费类的电子设备具备了无线网络的功能.

由于wifi的广泛应用，社会上其他的诸多领域也开始应用wifi.农田水利等相关的产业，也开始应用无线信道，并在探索中不断试验wifi的性能，以期能够对麦田等相关产业的发展产生良性的作用.

1.1.2放眼当下无线网络境况，对无线网络现状进行分析

随着无线网络技术的不断发展，大众对于无线通讯的需求也与日俱增.越来越多的无线通讯设备的出现，从网络到手机，到其他各个领域，推动了一场全球性的无线网络设备的发展和增长大潮，作为一种短距离内的无线传输的互联网时代的技术，wifi已经获得了全世界的关注和认知[2].

1.1.3无线网络发展向农业延伸，新趋势——无线信道应用

在无限的环境下，信道特性的不理想会造成数据的严重丢失，如阴影衰落，多径衰落等都是常见的问题.平台的切换和移动也极易产生相关的影响.信道中wifi的最初应用，至今仍经历着漫长的探索过程.在应用的过程中，丢失数据的起因被界定为拥塞，也采取了诸多不必要的，多余的控制措施，浪费了诸多资源和时间.从而，始终影响着在各种信道中wifi的数据传输.当前相关领域在研究方面，都集中在平台的应用上，实验的过程和比对相对较为缺乏.

随着科学技术的进步，多年来的麦田生产和实验中，无线传感器网络体系成为了农业科技的最为核心的物联网技术之一[3].其应用无线网络技术，交流信息的方式转变为了短程近地的无线信道进行信息互换，可以有效的获取和处理大规模麦田区域中密集的、实时的、动态的信息.但无线信道中的网络信号极容易受到传输路径周边的地理环境、气象条件等因素的制约和影响，因此无线网络在麦田中的应用尚待更多的实地研究和实验进行优化，其路径中的损耗与强度的变化规律成为了其中最重要的研究对象和目标.

近年来，无线信道中网络信号的路径损耗性征愈发成为国内外研究人员关注的热点.诸多学者都针对温室、农田和果园等多方面、多层次、多种类的农业生产环境中对信道的路径损耗进行了大量的研究测试和建模的分析，其研究方法大多采用了单折线对数距离的建模进行路径的损耗分析.因此，无线网络在麦田中的应用还需要更深层的被发掘和开发，其实验模型的适用性应该波及更广的范围、更多种的农业地域类型，在各农业环境中无线信道的无线网络传输的路径耗损的建模尚需更加精确的建立，以在不断的实验中寻求其更好的应用于农业生产和发展.

2　用技于农，wifi在麦田信道中的性能发挥

2.1实验背景及意义

农业的机械化耕作等一系列农业生产活动都在科学技术的推动下不断的发展，在麦田信道中对于无线网络性能的研究能够更好的推进对小麦生长状况的监测、发育过程的监控、麦田整体状况的了解和研究[4].

无线网络技术的性能决定了其可以也必然会被运用于农田的机械化耕作活动中，结合近距离的网络设备，通过信道，使其进行对异常状况的沟通和交流，及时解决问题，对工作成果的收集和数据的整编，及时传送到数据库中，以便于分析人员进行处理、分析、研究和相关的研发.

2.2实验过程及分析

实验实验的基础设施是小麦试验田，麦田中的小麦均已完全成熟，长势高矮、大小相对均匀，无任何的倒伏的现象.麦田周围无常年居住的住户造成破坏，也没有会对信号造成干扰影响的大功率电器和相关设备，高压电路设施和通信发射塔的距离也非常远，因此干扰极小，麦田周围地势平坦，这也营造出了一种非常好的实验环境.

基于此麦田环境，加之以无线网卡进行实验，充当信号的发送装置和接收设备.无线网卡的选用必须具备轻便易携的特性，抗干扰能力极强，拥有自动检测的功能，较大的发射功率最大值限度，支持多种的工作模式.从而按照实验所需要的模式进行建模和测试.这其中考虑到无线网络信号的不稳定性，因此要对即将发生的困难和给实验建模带来的阻碍进行预判，对数据进行预判和处理.在实验结束后，要迅速归纳总结所得到的实验数据[5].并依靠实验之初所建立的模型，收集麦田中信号强度的百分比和信号的传输频率等相关数据，并结合已有实验成果，对数据进行检验，以验证其准确性.下图为麦田无线信道测试的示意图片，其中小麦的平均高度为70厘米，无线网卡设置上对地面的高度设定在190厘米：

图1　麦田无线信道测试示意图

另外，建立多种多项信号强度的百分比的模型，模型要全部针对室外的信道信号强度进行构建，在实验完成后将所有的模型进行对比，综合所有信号强度的检测结果进行比较和验证，尽量减少信号耗损的频率，并结合经典模式的建模进行测算，以期得到最好的效果.但是，无线信号的稳定性并不稳固，每个接收点都必须实时的进行变化处理分析，对建模方面进行预处理[6].下图是在稳定的信号强度下单个试点所产生的信号跳变规律，测试时间的单位为每秒钟，其具有反复性：

图2　WI-FI信号强度随时间变化规律

上图中信号强度的获得为稳定状态一分钟之内的测试信号，百分比强度平均值作为最强信号点的衡量标准，其计算公式为：

P=60/1p(t)dt

同时，要充分考虑麦田作物对于无线网络信号强度的重大影响.由于无线网络信号具有极弱的穿透性，因此哪怕一颗小麦都可能会导致信号的不稳定.基于此考虑，以便于更加容易的去探查麦田中信号的强度与传输，可以通过各收发点上的信号强度的增减以及间隔的距离点的信号强度相中和，以寻求其中探索的规律性和关联系.通过强度差的计算，结合良好的实验环境，麦田作物对无线网络信号的影响作用也就会凸现出来[7].因此，必须对各类传输的无线网络信号强度数据进行整合和回归，进行线性建模，对数建模，二次多项式的模型构建，三次多项式的模型构建[8].以此四种不同强度的信号数据进行模型间距离关系的测试，综合所有决定系数值：0.8782、0.9452、0.9256、0.9486，得出的最高系数决定值为㎡=0.9486.下图将对多项式模型的三次构件进行曲线解读：

图3　百分比的强度测试及其数据回归示意图

通过对实验麦田的一系列测试、建模和数据的计算以及处理，对无线网络信号的强度的测试精确度也得到了进一步的提升,最终结合相关数据进行对数传输和数据的回归，更加精确了实验的结果[9].在麦田中的无线网络数据的对数传输率呈现三次多项递减，其传输数据的速率递减规律为三次幂负指数.针对于农作物的反射作用、散射作用和无线网络信号本身的不稳定性，使得数据在传输中其速率波动性极其明显[10].下图是对数数据传输速率和数据回归的示意图：

图4　对数的数据传输率测试结果以及数据回归曲线

通过构建多次多项式的模型证明了测试距离对无线网络信号、传输频率的重要影响，同时也通过对实验麦田作业的控制与监测，验证了麦田具有的反射作用和散射作用对于无线网络信号强度的衰减作用极其明显，并且远高其在平坦、广阔的地面上的衰减[11].

综上所述，麦田的无线信道研究中，以无线传感器网络为主要的研究对象，信号的强度和丢包率是最主要的研究内容，构建模型则是最主要的研究方式.但这些并不能对麦田对无线信号影响的特殊的规律的性征进行充分的揭示，也不能够很好的适用于群体农业机器人.因此，利用对wifi性能的研究开发并将之应用到麦田的信号强度、传播频度的研究之中，相辅助、相结合，能够有效的优化麦田的信道中的机械化作业.

3　结束语

本文所结合的研究实践虽然是基于大田作业的方向，但最主要还是根据麦田的信道特性进行研究的，其应用无线网络信号所做的测试结果也对各类短距离的wifi通讯方式具有一定的指导性意义.但在本文的研究中，仍存在着很多问题亟待解决.如，无线传输的速率变化频繁，缺乏平均值的应用，误差是不可避免的.信号模型并不全面，没有在高度、作物、信号频度以及发射的功率方面进行建模的对比.所以的数据都是基于静态的测试跳进所进行的，因此还有待继续研究和改进.

参考文献：

〔1〕周渝,杨福增,朱海,王冰博,秦华伟,王峥.基于WI-FI的麦田无线信道传播性能试验[J].农机化研究,2015(02):155-160.

〔2〕张海辉,张家明.麦田环境2.4GHz无线信道路径损耗建模方法分析[J].农业机械学报，2014 (09):291-296.

〔3〕李偲钰,高红菊,姜建钊.小麦田中天线高度对2.4GHz无线信道传播特性的影响[J].农业工程学报,2009（S2）:184-189.

〔4〕王浩波,黄伟,刘存才.无线信道干扰概率对网络性能影响分析[J].无线电通信技术,2012（01）: 10-11:45.

〔5〕刘耀中,余旭涛.基于遗传算法的多信道无线网络信道分配方案[J].计算机工程,2013（06）:115-118-123.

〔6〕夏娜,陈秀珍,徐朝农,郑榕.多信道无线网络中优化QoM吉布斯采样信道选择算法[J].计算机学报,2011（07）:1214-1223.

〔7〕房曙光,董育宁,张晖,王再见.多速率调制无线信道服务过程及信道建模[J].电子与信息学报, 2013（03）:696-702.

〔8〕陈强,杨霄鹏,杨栋,倪娟.低空无线信道建模及其均衡技术研究进展[J].电讯技术,2012（01）:117-124.

〔9〕JoseM.Alonso,ManuelOca?a,NoeliaHernandez, FernandoHerranz,AngelLlamazares,MiguelA.Sotelo,LuisM.Bergasa,LuisMagdalena.EnhancedWiFilocalizationsystembasedonSoftComputingtechniques todealwithsmall-scalevariationsinwirelesssensors[J]. AppliedSoftComputingJournal,2011,118.

〔10〕E.PrinceEdward,V.Sumathy.Performanceanalysisofacontextawarecrosslayerschemeforfasthando ffinIMSbasedintegratedWiFi–WiMaxnetworks [J].PervasiveandMobileComputing,2014.

〔11〕AaronStriegel,ShuLiu,XuehengHu,LeiMeng.LTE andWiFi:ExperienceswithQualityandConsumption [J]. ProcediaComputerScience,2014,34.

收稿日期：2015-11-30

中图分类号：TP242；TN92

文献标识码：A

文章编号：1673-260X（2016）01-0049-03