不同频率无线信道在针叶林中的传播特性

冯鹏飞，于新文，张 旭，杨彦臣，王纪红

(1.中国林业科学研究院资源信息研究所，北京100091；2.洛阳市洛龙绿化管理所，河南洛阳471022)

不同频率无线信道在针叶林中的传播特性

冯鹏飞1，于新文1，张 旭1，杨彦臣1，王纪红2

(1.中国林业科学研究院资源信息研究所，北京100091；2.洛阳市洛龙绿化管理所，河南洛阳471022)

为了了解针叶林中不同频率无线信道在不同位置的传播性质，以中国林科院院内的白皮松林为例，通过信号发生器和频谱仪分别测试了不同高度水平方向、不同频率的信号传播特性以及不同高度针对某一水平测试点的传播特性.结果表明:在针叶林环境中，无线通信距离在在10～20 m时，信号强度与距离呈反比；通信距离在20～60 m时信号强度无明显规律，也无明显的衰减；通信距离超过60 m时，各频段信号强度衰减严重.433 MHz频段的无线信号强度显著高于其他频段，最适合用于针叶林环境中的无线通信.无线信号频率越高，信号波动越小，信号衰减越明显.本研究得出的针叶林中不同频率无线信道的传播特性为传感器网络在林中的部署提供了重要参考，对林业物联网组网研究与应用有重要意义.

无线信号；针叶林；信号传播特性；通信质量

无线通信是利用电波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式，即仅利用电磁波而不通过线缆进行的通信方式.无线通信是依靠无线信道来实现的，因此，无线信道环境的好坏将直接影响到通信质量的好坏.但在实际应用中，由于森林环境的复杂性和特殊性，无线通信质量仍然是制约林业物联网应用的重要因素.森林对电波传播的影响很大，电波在森林中传播时损耗要比在大气中传播时大得多[1].无线信号在传播过程中受地形、植被等因素的影响，会发生反射、散射、吸收等导致信号的衰减[2].在森林环境中，不同信道的无线信号传播特性具有较大差异.

Miyazaki et al[3]利用几种材料和结构，利用FDTD方法研究森林中WiMAX无线信号连接的衰减程度，其结果对设计高性能高可靠的WiMAX通信系统提供了重要的参考.Turkka等测量了900 MHz频率在窄带路径中损耗的结果，为分析路径损耗指数和视距无线电环境的标准偏差提供了参考[4].陈一天等针对IEEE 802.11 b标准的无线局域网，提出了一种2.4 GHz无线局域网在室内外传播的路径损耗计算公式[5].文韬等[6]选取433 MHz载波频率研究了橘园中WSN射频信号与影响因素间的关系，为无线传感器网络在橘园中的节点部署提供指导.徐兴元等[7]基于Shadowing信号衰减模型，分析了不同环境中RSSI与传输距离间的变化特征.郭秀明等[8]研究了苹果成熟时苹果园中2.4 GHz无线信道在不同高度的信号衰减和丢包率情况.郭秀明等[9]从研究方法、传播环境、传播尺度、传播方式和极化方式等多个角度对无线信号在植被中的传播特性进行分析讨论.这些研究都具有一定的借鉴性和现实意义，但均是基于单一频率的无线信号进行的研究，对于不同频率无线信号在森林环境的传播性质还缺乏研究.本文以中国林科院院内的白皮松林为例，基于四种常用的无线信号频段，分别测试不同高度水平方向的信号传播特性以及不同高度针对某一水平测试点的传播特性.

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区域选择

试验区域为位于中国林科院内的白皮松人工林，该林分于1928年春用3年生苗木造林，林地面积0.57 hm2，株行距1.67 m×1.67 m，整片林地为规则四边形，现存活立木800多株.根据2011年11月的每木检尺数据计算，该林分的平均胸径为18.13 cm，平均树高为14.41 m，林分郁闭度在0.8以上.地被主要是杂草及构树等小灌木.

1.2 试验设备

信号源采用安捷伦E4421B信号发生器，输出信号频率:443、900、1 800、2 400 MHz.输出信号幅度:10 dBm.接收信号采用频谱仪(E8564EC)，接收设置中心频率对应信号源发射频率，span设为10 Hz.信号发生器和频谱仪针对不同发射频率配置两种天线，分别为中心频率433 MHz，标称增益为6 dB和频率范围支持800～2 500 MHz，标称增益为4 dB的天线.为测量不同高度的信号传播情况，为信号发生器和频谱仪分别配置了12 m的天线连接线.

1.3 测量方法

本研究具体观测时间为2015年5月至7月，首先使用米尺、测量绳、自喷漆等工具制作试验场地，在该白皮松林远离林分边缘的位置选择一处作为起始点，利用测量绳在水平方向上沿对角线方向每隔10 m设置一个测试点，并用自喷漆做好标记，共设置8个，将信号发生器固定在测试路径的起点位置，信号源天线分别放在起点一棵树的0.1、5和10 m高度，频谱仪则随着测试点的变化移动，并对应将频谱仪天线放置在测试点树的正对信号源天线(树前)和背对信号源天线(树后)0.1、5和10 m高度，分别测量不同高度水平方向信号强度在不同距离的变化以及不同高度针对某一水平测试点的信号强度的变化，试验场地的设置如图1所示.

为保证试验数据的精确度和客观性，所有数据均采用多次测量求平均值的方法得来，每次测量时连续读取3个有效观测值，将其平均值作为最终结果.对结果数据采用列表、作曲线图等方式来分析其变化规律、变化范围以及波动性.

2 结果与分析

2.1 不同频率无线信号的传播情况

测试结果如图所示，从图2～图5可以看出，4种频率的无线信号强度总体维持在－120～－50 db，基本均在10和60 m处出现高峰，在约20和70 m出现低谷，具体原因需要在进一步的研究中探索.通信距离为20 m时信号强度明显比10 m时下降，通信距离在20～80 m时信号强度交错变化，似乎无明显的规律，也无明显的衰减.此外，从图2～图5也可看出，随着频率升高，无线信号的变化曲线变得越平缓，无线信号的波动范围也越来越小，即说明在无线信号传播过程中随着距离的增加，频率越高的频段，信号强度损耗越小.即频率越高，无线信号在传播过程中的波动越小.

2.2 不同频率无线信号在树冠到树冠正面和背面的传播情况

从图6可看出，信号接收器频谱仪的天线放置在树木的正面和背面时，接收信号强度并无明显差别，说明信号在树木的前方和后方对部署不会有明显的影响.同时可以看出，信号强度波动范围均在－120～－50 db，在约10和60 m达到高峰，在约20和80 m出现低谷.不同频段无线信号从10～20 m距离信号强度急剧下降，说明造成信号衰减的主要因素是10～20 m范围内林分状况.20～60 m距离可能是因为反射、衍射等效应，因此信号衰减并不明显，60 m以上距离时，信号强度再次明显衰减.

2.3 不同频率无线信号在不同距离树干到树干的传播情况

图7为不同频段无线信号在不同距离树干到树干的传播情况.图中4个频段的无线信号波动范围在－110～－50 db，均在约10和60 m出现高峰，在约20和70 m出现低谷.另外，可以明显看出，433 MHz频段无线信号强度显著高于其他频段.说明频率越高，绕射能力越弱，信号衰减越明显.这是因为无线电波传播是无线电波通过介质或在介质分界面的连续折射或反射，由发射点传播到接收点的过程.无线电波在空间或介质中传播具有折射、反射、散射、绕射以及吸收等特性.这些特性使无线电波随着传播距离的增加而逐渐衰减，如无线电波传播到越来越大的距离和空间区域，电波能量便越来越分散，造成扩散衰减；而在介质中传播，电波能量被介质消耗，造成吸收衰减和折射衰减等.林中环境复杂，无线信号在传播过程中受树干、树叶等障碍物影响较为严重，信号衰减也较为明显.

2.4 不同频率无线信号在地被到地被和树冠到地被的传播情况

图8和图9显示了不同频段无线信号在地被到地被和树冠到地被的传播情况.从图中可以看出，无线信号的波动范围在－120～－50 db，均在约10和60 m达到高峰，在约20、50和70 m出现低谷.433 MHz频段在地被到地被和树干到地被的传播中信号最强、衰减最少；而1.8 GHz频段的信号最弱.再一次验证了频率与信号衰减的关系，说明433 MHz无线信号最适合森林环境无线通信.

3 讨论

本研究通过试验得出:森林环境对无线通信的影响较大，在针叶林环境中，无线通信距离在10～20 m时，信号强度与距离呈反比；通信距离在20～60 m时信号强度无明显规律，也无明显的衰减，可能与林分中枝条茂密程度有关，茂密的地方信号强度低，稀疏的地方信号强度稍强，也可能受到了反射、衍射等效应的影响；通信距离超过60 m时，各频段信号强度衰减严重，可能是由于距离的不断增加，导致其绕射能力急剧下降造成的.这个结论对传感器在林中的组网以及通信距离的设计提供了参考.另外，从本文的实验结果可以发现，各频段无线信号在针叶林环境的传播过程中均在60 m处出现不同程度的反跳现象，可能与实验区域的特殊性有关，也可能受到了周围环境的影响，具体原因需在后续的研究中进一步论证.

此外，在树冠正面和背面的无线信号强度没有明显差别；不同距离树干到树干的传播过程中四个频段无线信号的波动范围基本稳定在－110～－50 db以内，信号强度随着距离的增加而衰减，且频率越高，无线信号在传播过程中的波动越小；4种无线信号在地被到地被和树冠到地被的传播过程中433 MHz频段的信号强度显著高于其他频段，且衰减最少，最适合在针叶林环境中的无线通信，而1.8 GHz频段的无线信号最弱.通过对不同频段无线信号在树冠到树冠、树干到树干和地被到地被的传播情况进行比较，发现设备高度的设置对无线信号的传播情况有重要影响，可能是由于林中不同高度的植被茂密程度有所不同，因此对无线信号的遮挡也不同.在针叶林环境中，无线信号的频段越高，绕射能力越弱，信号衰减越明显.这个结论对林中无线通信时设备位置的设置和信号频段的选择提供了参考，复杂环境下的无线通信宜选择频段较低的无线信号.

无线信号在传播过程中的衰减除距离之外仍受多种因素的影响，比如障碍物、频道冲突、强信号干扰、湿度等.因此，为了降低无线信号在传播过程中的损耗，在挑选实验环境时要尽量选择遮挡较少、无信号干扰、湿度较小的区域，也可以通过选择优势频段或者增强初始信号强度等方式来减少损耗，在后续的实验中我们也将对此进行重点研究.

4 结论

本文对4个无线频段(443、900、1 800、2 400 MHz)在针叶林环境中分别测试了不同高度水平方向的信号传播特性以及不同高度针对某一水平测试点的传播特性，林中环境复杂多变，树木本身是影响信号传播的主要因素，此外无线信号传播还受传播介质、距离等因素的影响，在此影响下各频段均表现出了不同的传播特性.文中通过实验得出了针叶林环境下不同频率无线信道的传播特性，其中433 MHz频段的无线信号最强、衰减最小，尤其适合林中树干到树干的无线信号通信.这些结论为传感器网络在林中的部署和林业物联网组网研究提供了重要参考，也为林业项目实施中的无线设备架设以及优势频段选择提供了参考和建议.

[1]郭建炎，王剑莹，龙云亮.森林中电波传播的抛物方程法[J].电波科学学报，2007，22(6):1 042－1 046.

[2]李锶钰，高红菊，姜建钊.小麦田中天线高度对2.4 GHz无线信道传播特性的影响[J].农业工程学报，2009，25(2):184－189.

[3]YASUMITSU M，TAKUYA T，KOICHI T.Attenuation and scattering characteristics of microwaves over forests for WiMAX wireless communications[J/OL].EMC，2009.http://www.ieice.org/proceedings/EMC09/pdf/21P4－4.pdf

[4]TURKKA J，RENFORS M.Path loss measurements for a non-line-of-sight mobile-to-mobile environment[C/OL].IEEE，2008. http://www.cs.tut.fi/tlt/RNG/publications/docs/topology/Turkka_ITST2008.pdf

[5]陈一天，余爱民.2.4 GHz无线局域网在室内外传播的路径损耗分析[J].电讯技术，2005，1:35－39.

[6]文韬，洪添胜，李震，等.橘园无线传感器网络不同节点部署方式下的射频信号传播试验[J].农业工程学报，2010，26 (6):211－215.

[7]徐兴元，章玥，季民河，等.农业生态环境监测中无线传感节点信号有效传输距离的确定[J].农业工程学报，2013，29 (14):164－170.

[8]郭秀明，赵春江，杨信廷，等.苹果园中2.4 GHz无线信道在不同高度的传播特性[J].农业工程学报，2012，28(12):195－200.

[9]郭秀明，周国民，丘耘，等.无线射频信号在植被中传播特性的研究综述[J].农机化研究，2014，12:1－6.

(责任编辑:吴显达)

Propagation characteristics of different wireless channels in conifer forest

FENG Pengfei1，YU Xinwen1，ZHANG Xu1，YANG Yanchen1，WANG Jihong2
(1.Institute of Forest Resource Information Techniques，CAF，Beijing 100091；2.Department of Greening Managerment of Luolong，Luoyang，Henan 471022，China)

Wireless channel environment exerts an important influence on the quality of wireless communication，of which propagation characteristics of wireless signal channels in the forest play a decisive role.To understand the propagation properties of radio channels，signal propagation characteristics at different frequencies，heights and distances were tested in coniferous forest environment，white pine forest in Chinese Academy of Forestry.The results showed that signal strength was inversely proportional to distance within 10－20 m.Within the distance between 20 and 60 m，signal intensity did not attenuate much but the disproportional relationship with distance was not obvious.The signal intensity of each band attenuated significantly when it was over 60 m.Signal intensity at 433 MHz band was significantly higher than other bands，which was most suitable for wireless communication in forestry environment.The higher the frequency got，the smaller range the signal fluctuated，however，attenuation became stronger.To summarize，propagation characteristics of wireless channels at different frequencies provided an important reference for development of wireless sensor network，and of important significance for the application of forestry network of things.

wireless signal；coniferous forest；signal propagation characteristic；communication quality

S757.3

:A

:1671-5470(2016)06-0713-06

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2016.06.017

2015－12－12

:2016－04－07

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金(IFRIT201504).

冯鹏飞(1990－)，男，硕士研究生.研究方向:分布式地学信息管理.Email:297904372＠qq.com.通讯作者于新文(1967－)，男，副研究员.研究方向:林业信息技术.Email:xwyu＠caf.ac.cn.