无线多媒体传感网络不同部署环境下信号传播特性试验

曹惠茹，李业谦，岳学军，郭中华，曾海婷

(1.中山大学 南方学院，广东 广州 510970；2.华南农业大学 电子工程学院，广东 广州 510642)



无线多媒体传感网络不同部署环境下信号传播特性试验

曹惠茹1，李业谦1，岳学军2，郭中华1，曾海婷1

(1.中山大学 南方学院，广东 广州 510970；2.华南农业大学 电子工程学院，广东 广州 510642)

无线多媒体传感网络是当前无线网络研究的热点，亦是其他新型技术的重要支撑.为了研究该种网络在通常工作环境下信号的传播特性，以及为其广泛部署与应用提供必要的信道理论与试验，本文以无线多媒体传感网络常用的2.4 GHz为载波频率，选择不同部署环境以接收信号强度等为无线信道衡量指标，进行无线信道传播特性试验研究；对试验数据进行了分析与数据建模，同时与空旷环境中的测试数据以及数学模型进行了对比.试验结果表明：随着距离的增加，无线信号呈对数衰减；无线信号传播环境对信号影响较大，而模型参数基本不变等结论.

无线多媒体网络；传感网络部署方案；接收信号强度；IEEE 802.11

0　引　言

无线通信、多媒体、图像网络等技术共同孕育和支持着无线多媒体传感网络(Wireless Multimedia Sensor Networks,WMSNs)的产生和发展[1-3].WMSNs作为一种新型图像、音视频的采集与传输技术，以无需连线、服务质量好、通信码率高等优点，已经成为当今物联网、无人机等新型领域的关键支撑技术，越来越受到研究者的关注[3-5].同时WMSNs凭借自身的优势在精细农业、工业监控、民用消防、国防安全等方面得到了广泛的应用[6-8].为提高无线多媒体网络的服务质量，通常选用ISM频段中2.4 GHz为载波频率.

目前国内外对WMSNs的研究主要集中在网络资源优化、数据编码处理等方面.朱永红等人[9]基于传统无线传感器网络的多跳传输会在靠近Sink节点的位置出现能量空洞，证明在异构无线多媒体网络中，传感器能量空洞会出现在网络的任何位置，并提出基于负载均衡的节点布局方法来避免能量空洞.Sanjay等人[10]针对无线多媒体网络在数据传输过程中网络拥堵问题，提出速率自适应路由协议算法(RA-RCAC)，最后通过仿真实验表明，该算法在网络吞吐率、延时有较好的表现.其研究对象以自然环境和特定农作物为主，无线多媒体网络无线信号传播特性方面的研究主要集中在草地、农业等环境.文献[11]等以群体农业机器人为基础研究大田 Wi-Fi信号的传播特性，进而为大田群体农业机器人的无线通信等工作提供技术依据.文献[12]在棕榈树环境中测试无线信号传播特性.从上述文献讨论可知，对无线多媒体传感器网络信道特性的研究多数在自然环境中进行，对于WMSNs中Wi-Fi频段日常应用环境研究较少.

因此，为了研究WMSNs在日常生活环境中无线信号的传播特性，本文以现有无线信道传播特性研究成果为前提，选择常见网络工作场所为测试环境；以不同网络部署环境、不同无线通信距离、不同通信模块天线高度等为试验因素；进行了相关试验.通过相关数据分析和数学模型拟合，得出相关WMSNs环境2.4 GHz无线信道关键系数.

1　材料方法与数学模型

1.1试验材料与方法

该试验以WMSNs中常用Wi-Fi(IEEE 802.11 g)协议为基础，选用2.4 GHz为无线信道载波频率.试验设备有：无线Wi-Fi发射模块、无线模块安装支架、无线接收试验电脑、卷尺等.

如表1所示，选择不同的环境、天线高度、通信距离为试验因素，测试上述因素下WMSNs的无线信号接收强度、路径损耗等参数，用以研究其信道服务质量.

表1　WMSNs无线信道试验因素

试验具体方案：

1) 通过测试软件与无线多媒体传感器通信模块建立无线信道测试平台.基于上述试验平台，以不同通信距离步长和网络部署环境，通过无线信道传播试验获取WMSNs信号强度，丢包率等相关数据.

2) 以现有研究为基础研究不同环境Wi-Fi无线信号传播特性数学模型，建立通信距离与信号强度等参数之间的函数关系.分析不同环境下，有效通信距离、天线高度、环境等因素对无线信道的具体影响，为今后WMSNs不同环境的大范围部署提供必要的基础.

1.2相关概念与数学模型

为了更好地展开相关论述，下面重点阐述与本试验相关的无线信道数学模型.无线信道传播特性研究中，信号接收强度(Receiving Signal Strength Index,RSSI)是衡量其特性的重要参数指标之一.在文献[13-16]中，作者阐述无线数据在传输过程中信号传播特性数学模型，具体表达式为

PR=A-10nlgd,

即接收信号强度PR(单位，dBm)等于模型参数A减去10倍传播环境因子n与底数为10距离d的对数值.

2　试验数据及分析

2.12.4 GHz频率Wi-Fi信道测试试验结果分析

图1　不同传播环境对WMSNs的影响Fig.1　The impact of deployment environment on WMSNs

试验参数设置如下：天线高度0 m，温度28 ℃，湿度79 %时，3 dBi全向天线发射功率为15 dBm，取天线高度为0.5 m，通过多次测试获取信号强度等相关数据.利用相关数据处理软件得出如图1所示无线信号强度曲线.

从图1可知，Wi-Fi无线信号在传输过程中，随着传输距离的不断增加，信号强度呈现对数衰减趋势.花园信号衰减较快，开阔地次之，课室的信号较好.由于信号在课室传播中存在多处信号反射等现象，所以课室信号较强.利用软件和1.2中的数学模型对其进行拟合得出如图1所示的拟合曲线与表2相关系数.

从表2可知，开阔地、课室、花园，相关拟合系数R2在0.89以上，说明1.2信号传输模型具有较好的通用性.随着环境的变化，A变化较小，其变化幅度小于10 %；而环境系数n变化较大.说明，WMSNs信号在传播过程中，环境对信号影响较大.即一旦无线通信中的参数设定后，其通信质量与环境相关.

表2　WMNs无线传播影响拟合系数

2.2特定距离与不同天线高度试验结果分析

为了研究相同距离，不同网络部署环境条件下信号接收强度的变化特性，试验在相同的传播距离20 m 处，进行了无线信号传播的特性与信号强度测试，得到图2所示的图形.

从图2可看出，在相同的无线传播参数条件下，在传播距离20 m处，花园环境下的无线信号最弱，说明花园中的灌木与花丛对无线信号的影响较大，会降低无线信号的接收强度.另一方面，课室的无线信号最强，原因是课室中存在信号反射等现象，进而增强了无线接收信号.综上试验结果分析，可以得出无线信号传播过程中受到传播环境中障碍物影响较大，进而说明WMSNs在不同部署环境下具有不同的网络通信质量.

为了说明不同天线高度对WMSNs无线信号传播特性和网络通信质量的影响，在开阔地环境中测试天线高度为0 m，0.5 m，1 m参数下的信号强度传播特性，得到如图3所示的曲线.

从图3可看出，3种不同天线高度的无线信号强度总体上呈现衰减的趋势，与通信距离呈对数曲线关系.天线高度为0 m时无线信号强度最弱，1 m时无线信号强度最强；同时可以得到，随着天线高度的不断增加，无线信号会逐渐增强.在今后WMSNs部署中，为获取更好的通信质量可根据实际情况增加天线高度.

图2　相同距离不同环境信号强度变化Fig.2　The RSSI in the same distance with different environment

图3　不同天线高度的无线信号强度Fig.3　The RSSI with the different antenna height

3　结论与讨论

本文基于WMSNs中Wi-Fi协议，研究2.4 GHz在花园、课室、开阔场地3种不同环境下无线信号的传播特性，对试验数据进行数学拟合与分析得出如下结论：

1) 随着通信距离的增加，无线信号会不断衰减；

2) 信号强度与信号传播距离呈现对数曲线关系，其拟合系数R2大于0.89；

3) 无线信号传播环境对信号影响较大，而模型参数基本不变；为获取通信质量可增加天线高度.

由于受到试验条件限制，未进行组网和其他环境试验.接下来的工作可以在其他无线传播环境中搭建WMSNs，研究其他环境下的无线信号传播特性.

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Experiment of Signal Propagation Characteristic for Wireless Multimedia Sensor Networks in Different Deployment Environment

CAO Huiru1,LI Yeqian1,YUE Xuejun2,GUO Zhonghua1,ZENG Haiting1

(1.Nanfang College of Sun Yat-sen University,Guangzhou 510970,China; 2.College of Electronic Engineering,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)

At present,Wireless Multimedia Sensor Networks (WMSNs) become a hot topic of Wireless Networks study,and important support of others new technologies.For studying the wireless signal propagation characteristic of WMSNs in general work environment and provide essential channel theory and experiment for the extensive deployment and application of WMSNs.Firstly,this article conducted a study of wireless channel propagation characteristic test with 2.4GHz carrier frequency of WMSNs general used and select different deployment environment to receive signal intensity and so on as wireless channel measure standard.Then,the analyze and mathematical modeling to experiment data and meanwhile the contrast of test data of open environment and mathematical model were be done.The experimental results indicated that:as the distance change,the wireless signal manifestation logarithm damp;the propagation environment of wireless signal has a great impact on the signal,but the model parameters has constant value and so on.

wireless multimedia networks；deployment scheme of sensor networks；received signal strength；IEEE 802.11

1671-7449(2016)05-0389-05

2016-03-02

广东省科技计划资助项目(2015A020224036)；广东高校2015年重大项目青年创新人才类资助项目(2015KQNCX228)；广东省2015年度大学生创新创业训练资助项目(201512619015)

曹惠茹(1981-)，讲师，硕士，主要从事无线传感器网络、计算机应用与控制、计算机信息处理等研究.

TP393

Adoi：10.3969/j.issn.1671-7449.2016.05.004