室内5.8GHz无线信号传播特性研究∗

胡国强

室内5.8GHz无线信号传播特性研究∗

胡国强

（西北农林科技大学网络与教育技术中心杨凌712100）

针对室内部署AP的要求及其应用环境的特性，以AP射频5.8GHz为例，研究了无线射频信号传播特性和通信距离、AP高度、传输路径等影响因素之间的相关性。试验表明，无线网络信号在室内衰减符合马特内—马恩纳（Keen⁃an-Motley）模型，其决定系数R2最大为0.9066，最小为0.8910；AP固定时，笔记本电脑接收信号强度随通信距离的增加总体递减，丢包率随通信距离增加总体递增。在上述研究的基础上，建立了AP高度、通信距离和接收信号强度之间的关系模型，模型参数K与AP高度呈三次多项式关系，相关系数为0.9068；衰减系数n与AP高度呈二次多项式关系，相关系数为0.9187。验证结果表明：该模型可以较好地预测不同AP高度、不同通信距离的接收信号强度，为室内部署无线网络提供技术支持。

WLAN；5.8GHz；接收信号强度；信号衰减

Class NumberTP393.1；TN915.06

1引言

无线信号在传播过程中由于不同障碍物的影响会发生不同程度的反射、散射、被吸收等物理现象，信号会发生能量损耗。相对于有线信道，无线信道缺乏固定性和易于预测性，存在着很大的随性和分析困难性。所以，在无线通信系统的相关工作中，无线信号在不同传播环境中传播特性的研究己经成为国内外研究者的研究热点［1］。

西北农林科技大学于2015年暑假开始在学生区规划WLAN，WLAN网络规划重中之重在于如何在复杂的室内环境下部署无线接入点（AccessPoint，AP）节点［2］，因此研究无线信号在室内的传播特性、建立信号传输模型很有必要，可以为WLAN网络规划提供重要的技术支持。本文采用WLAN规划中应用最广泛的5.8GHz无线信号作为研究对象。室内墙体、铺瓷砖的地板、窗户等诸多因素对无线信号传播有特殊的影响，为了解决在楼内部署的关键性技术问题，本文主要对室内无线AP发射的无线信号在不同传播方向和高度下的传播特性进行研究，分别对不同AP高度不同方向的接收强度进行实地测量，建立预测5.8GHz信号在室内的信号衰减模型，为具有高稳定性和可靠性的WLAN节点的部署提供技术依据。

2试验

2.1试验环境及材料

试验地点在陕西省杨凌区西北农林科技大学数字化楼。试验选取2层213～215办公室作为测试环境，测试区域长13.8m，宽8.4m；楼道顶部有金属吊顶，高3.25m。试验设备选用H3C生产的H3C-WA4320i无线AP设备，传输频率5.8GHz，天线增益7dBi；接收端用笔记本电脑DELL Vostro 5480，其无线网卡支持IEEE 802.11ac。利用安捷伦N9912A型手持式RF频谱分析仪测试AP发射的信号衰减，频率范围为100kHz～6GHz，灵敏度为-95dBm。测试日期2016年5月18～2015年5月20，平均温度23℃，平均空气湿度35%。

2.2试验方法

将AP工作模式改成FAT，启用DHCP服务，关闭智能天线［3］；笔记本电脑从AP（IP地址192.168.82.14）获取10.246.33.81地址。然后把AP固定在移动的架子上，AP的发射功固定为20dBm，使用全向天线。每个测试点均测量20组RSSI的瞬时值Pi并计算其平均值Pˉ作为此测试点的RSSI值。计算方法可表示为

式中Pi为第i组瞬时信号强度值，Pˉ为平均接收信号强度。

2.2.1无线AP与笔记本电脑间不同传输路径试验

将固定在移动架子的AP放置在楼道正中间距215办公室门口1.2m处，分别在AP高度1m、1.5m、2m、2.5m和3m处向东发射5.8G无线信号，在测试区域将放在0.75m高的桌子上笔记本电脑依次以2.3m为一个通讯距离远离AP，共7个测试点，这条路径记为L1。试验设计方案如图1所示。

图1 试验设计方案图

2.2.2丢包率测试方法

丢包率（Packet Loss Rate）是指测试中所丢失数据包数量占所发送数据包数量的比率，与数据包长度及包发送频率相关，是用来衡量信号水平的一个重要指标［4］。丢包率测试方法如下：

在笔记本电脑上通过DOS命令：ping 192.168.0.50-n 50统计向AP发送50个数据包的丢包率，计算方法如式（2）所示。

2.2.3路径损耗计算方法

路径损耗（Path Loss）是在发射器和接收器之间由传播环境引入的损耗的量。测量中发射/接收天线存在视距（LOS）和非视距（NLOS）两种情形［5］，室内无线信号传输中统一采用理论模型马特内—马恩纳（Keenan-Motley）模型为［6～7］

考虑到环境其他因素引起的衰减X，公式修正为

式中d为AP与笔记本电脑之间的距离，单位为m；d0为参考距离，单位为m；Pr() d为接收信号的功率，单位为dBm；Nuj和Nfi表示发射信号穿过不同种类的墙和地板的数量；Luj和Lfi不同种类的墙和地板相应的损耗因子；n为衰减系数，依赖于环境和建筑物的类型的值；式中PR为接收信号强度，单位dBm；A为信号传输1m处的接收信号功率，单位dBm。

当d0=1时

公式简化为

采取式（7）作为回归分析模型，用最小二乘法测试得到的不同AP高度和不同路径下RSSI值进行回归分析。

2.2.4模型评价指标

采用均方根评价模型的性能，它越小说明模型的估测精确度越高［8］。

式中Pe为信号强度的计算值，单位为dBm；Pˉ为实测信号强度的平均值，单位为dBm；N为测量次数。

3试验结果与分析

3.1接收信号强度

沿着L1路径在AP高度1m、1.5m、2m、2.5m、3m的5个高度水平上，分别在楼道、办公室214和213测试7个点的平均信号强度值如图2所示。

图2 不同高度不同距离接收信号强度

由图2可知，在每个高度上，随着距离的增加RSSI均呈递减趋势，直至接收信号强度为-92.31dBm。AP与接收的笔记本电脑距离相同时，AP高度距离地面1.5m时RSSI值最大，说明接收笔记本电脑在0.8m高时，AP距离地面1.5m发射的信号信号最好。AP与接收的笔记本电脑距离相同，AP高度（大于2m）时距离地面越高RSSI越小。

3.2丢包率测试方法

L1路径在AP高度1m、1.5m、2m、2.5m、3m的5个高度水平上，7个测试点不同位置的丢包率如图3所示。

图3 不同高度不同距离丢包率

由图3可知，在楼道和214办公室不丢包，在213办公室开始丢包，分析原因是因为办公室的内墙极大削弱了AP发射信号的强度。在最后一个测试节点，由于AP发射的无线信号对带窗户的砖墙和宿舍内墙等障碍物绕射能力非常差，导致衰减达到-92.31dBm。当信号衰减至接收灵敏度后，丢包现象较严重，丢包率随着AP与笔记本电脑之间距离的增加而波动变化，总体呈递增趋势。

3.3基于Matlab软件的回归分析

运用Matlab软件对测得的5种不同高度下RS⁃SI值进行了回归分析，各参数拟合值见表1。表中R2为决定系数，是理论计算值与实测值之间相关关系密切程度的统计分析指标，该值越接近于1，说明相关性越高［9～10］。由表1可知，决定系数R2最小为0.8910，最大为0.9066，说明沿着L1路径在不同高度上，AP信号衰减基本符合马特内—马恩纳模型，使用此模型对室内无线信号的传播特性进行描述和预测是比较合理的。

表1 不同AP高度试验数据回归分析

由表1可知，AP高度3m时，n值达到最大，为4.3479。原因在于AP贴近于楼道吊顶，金属吊顶板导致无线信号衰减。AP高度1时，n值为4.134大于AP高度为1.5时的n值4.1397，原因在于此高度离地板瓷砖面太近，地板瓷砖面对AP发射的无线信号反射所致。n值随着高度的增加先减小后增加，拟合结果表明衰减系数n和AP高度h符合二次多项式关系模型，如图4所示。

图4 不同高度不同距离的衰减系数n

其拟合的决定系数R2为0.9187。拟合出室内AP高度h与衰减系数n的关系模型为

式中h代表AP高度，单位为m。

由表1可知，参数K和AP高度也能用多项式拟合，分别用二次多项式三次多项式拟合，拟合关系如图5所示。

图5 不同高度不同距离对应的K值

二次多项式拟合结果：

三次多项式拟合结果：

对比R2，采用三次多项式拟合。从拟合结果可知，模型参数K与AP高度h呈三次多项式关系，衰减系数n与AP高度h呈二次多项式关系。

将式（9）和（11）带入式（7）可得出L1路径室内接收AP无线信号强度模型为

3.4模型验证

为了对接收信号强度衰减预测模型进行验证，选取对面办公室217～218进行试验验证。为了能够评估模型的精度，计算出反映数据波动的决定系数和均方根RMSE［11～12］，结果见表2。

表2 预测结果与实测数据的决定系数和均方根误差

在表2中，模型计算值和实际测量值之间的决定系数在AP高度3m时最小为0.8615；在AP高度2m时最大为0.9459。RMSE值在2.862dBm～3.849dBm之间。模型验证结果可知，实测接收信号强度与预测模型计算的接收信号强度相差比较小；建立的预测模型能够较好地对学生公寓不同高度不同距离处的接收信号强度进行预测。

根据式（12），只要知道AP高度和笔记本与AP之间的通信距离就可以得出笔记本所在点的信号强度。

4讨论

文章以5.8G射频信号为例，研究了AP高度、通信距离和接收信号强度之间的关系，建立了AP高度、通信距离、和接收信号强度之间的关系模型，此模型可以预测不同高度不同距离的接受信号强度，实际部署时可以用此公式确定AP部署最佳高度。此外，文章还研究了不同高度不同距离的丢包率，此研究结果可以确定AP覆盖的范围，进而根据楼长确定AP部署的数量。本论文的研究数据建立在测量的基础上，不同测量设备测量的结果可能存在一定差异。

5结语

1）室内AP固定时，接收信号强度（RSSI）随着通信距离增加总体呈递减趋势；信号强度在衰减至-75dBm时开始丢包，信号强度衰减大的节点处丢包较严重，丢包率（PLR）随通信距离增加总体呈递增趋势。

2）不同AP高度、不同传输路径，学生公寓无线信号传播特性符合马特内—马恩纳模型，拟合系数在0.8910～0.9066之间。

3）拟合建立室内AP高度、通信距离和接收信号强度之间的关系模型，模型参数K与AP高度之间呈三次多项式关系，衰减系数n与AP高度之间呈二次多项式关系。验证模型结果表明，决定系数R2最大0.9459，最小0.8615。均方根误差RMSE在2.862dBm～3.849dBm之间。实测数据和计算值较吻合，模型能较好地预测RSSI。

4）得出室内5.8G信号强度经验公式（12）。

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Study on Indoor SignalTransmission Characteristics of 5.8GHz Wireless Network

HU Guoqiang
（Network and Education Technology Center，Northwest A&F University，Yangling 712100）

In accordance with the deploymentrequirements of AP node in college indoors and its features of application envi⁃ronment，this paper studies the relevance among factors like radio-frequency signal transmission characteristics，communication distance，AP heightand transmission path，etc，with a case study of AP radio frequency 5.8GHz.Experiments show thatthe attenua⁃tion ofwireless network signalindoor conforms to Keenan-Motley model，The maximum R2is 0.9066，and the minimum is 0.8910. When AP is fixed，the signalstrength

by laptop generally reduces with the increase ofcommunication distance，yetjustop⁃posite with packet loss rate.Based on the above researches，a relationalmodel of AP height，communication distance and received signalstrength is established.In it，modelparameter K and AP heightdisplay a cubic polynomialrelationship，the correlation coeffi⁃cientis 0.9068，and attenuation coefficient n and AP height show a quadratic polynomial relationship，the correlation coefficient is 0.9187.Experimentresults demonstrate that this model can satisfactorily predictthe received signal strength ofdifferent AP heights and communication distances，providing technicalsupportfor wireless network deploymentindoors.

WLAN，5.8GHz，received signalstrength，signalattenuation

TP393.1；TN915.06

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.08.032

2017年2月11日，

2017年3月29日

胡国强，男，硕士，工程师，研究方向：智能网络与机器学习。