陳 明，楊 另，徐 冉，王 霞，黎 翱，左志濤

（畢節(jié)高新技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū) 國家能源大規(guī)模物理儲能技術研發(fā)中心，貴州 畢節(jié) 551712）

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡因其自組織能力強、功耗低等特點，在交通控制、智能家居等領域應用廣泛。當無線傳感器網(wǎng)絡應用于室內(nèi)場景時，可實現(xiàn)樓道監(jiān)控、無線定位等。因無線傳感器網(wǎng)絡中網(wǎng)絡節(jié)點的通信容易受到環(huán)境的影響，因此在特定環(huán)境下研究無線傳感器網(wǎng)絡的傳播特性是無線傳感器網(wǎng)絡設計的基礎。

當前，研究人員對室內(nèi)無線信號的傳播特性開展了很多有意義的研究。如：文獻［5-8］中主要依賴于接收信號強度指數(shù)（）來計算節(jié)點的距離，從而達到定位的目的。文獻［9］針對辦公室中長6 m、寬3 m 范圍內(nèi)的無線信號的衰落模型進行了研究。文獻［10］研究了室內(nèi)走廊中固定的收發(fā)天線高度為1.2 m 時的無線信號的衰減情況。文獻［11］對收發(fā)天線高度為1.5 m 時，且長為10.76 m、寬為6.72 m 的辦公室內(nèi)的6 種頻率下無線信號進行分析，并得出了在不同頻率下無線信號相應的路徑損耗因子。文獻［12］研究了室內(nèi)走廊不同的發(fā)射天線角度以及不同的天線接收高度下的路徑損耗模型，并得出當天線角度與水平空間的夾角為90°時路徑損耗最低，在天線高度1.5 m 時路徑損耗最小。文獻［13］研究了室內(nèi)環(huán)境中ZigBee 無線網(wǎng)絡在不同的收發(fā)天線高度、天線的接收方向、接收端是否被人體遮擋、接收端的移動方向等4 個不同的因素變動條件下，對信號的影響情況。提出了在典型情況下，沒有遮擋時無線信號的傳輸模型，求得了更加準確的傳輸距離和信號強度間的關系，也提高了室內(nèi)ZigBee 無線網(wǎng)絡的測距和定位精度。

文獻［14］通過實驗室與走廊之間的鏈路測試，分別對走廊到實驗室之間的非視距鏈路傳輸、走廊到實驗室之間的視距鏈路傳輸、走廊到走廊之間的鏈路傳輸進行測試。研究了墻體對無線信號鏈路造成的衰減特性，同時在多墻體環(huán)境下，對多墻體進行穿透測試，并在基于Lee 模型中添加了墻體損耗因子，而且也還分析了樓梯場景中視距和非視距兩種情況下的傳播特點。實驗結果表明，在拐角處路徑損耗會發(fā)生明顯變化，同時路徑損耗并不是簡單的線性變化。

綜上所述，當前都是基于路徑損耗進行的研究，并沒有考慮節(jié)點的有效傳輸距離。由此可見，在傳輸一定距離以后，雖然能通過頻譜儀接收信號，但是這些信號會存在一定程度的失真，從而導致測試結果不可靠等情況。此外，在測試過程中并沒有考慮在不同的接收位置上對無線信號的影響。因此，本文針對室內(nèi)走廊中無線信號在不同高度、不同接收位置、不同收發(fā)距離情況下的數(shù)據(jù)傳輸進行研究，并對測試結果進行分析，為無線傳感器網(wǎng)絡在室內(nèi)走廊中的部署提供了理論依據(jù)。

1 方案描述

1.1 測試環(huán)境

由于環(huán)境原因，如室內(nèi)走廊中的墻壁、天花板、地板、以及走廊中的盆栽植物等因素，使得無線信號在傳播過程中存在直射、繞射、反射等多種方式的傳播路徑，對無線信號的傳輸造成一定影響。無線信號的傳播特性與頻率和波長有關，無線信號的波長和頻率將影響其穿透能力和繞射能力。當無線信號的頻率越低時，信號的穿透能力就越弱，但無線信號的波長就會越長，其相應的反射能力以及繞射能力就會越強。反之，當無線信號的頻率越高時，信號的穿透能力就越強，但無線信號的波長就會越短，其相應的反射能力以及繞射能力就會越弱。綜前分析可知，當無線信號在室內(nèi)走廊中傳播時，環(huán)境因素會影響到無線信號的傳播能力。因此，在特定場景下研究無線信號的傳播特性是必要的。

1.2 測試方法

隨著無線信號的不斷應用和普及，為了能使無線信號實現(xiàn)有效覆蓋，而在樓道中合理部署節(jié)點，確保通過無線信號傳輸?shù)男畔⑼暾?、可靠、不失真，同時為了使實驗場地更加接近于實際使用環(huán)境，實驗地點選取位于貴州大學新校區(qū)（西校區(qū)）教學樓5樓樓道內(nèi)。教學樓走廊長為50 m、寬為2.78 m、高度為2.6 m?？紤]到應用時節(jié)點可能會位于不同位置，為了使實驗環(huán)境能更加地接近于實際應用場景，在視距（收發(fā)端均位于樓道中）和非視距（發(fā)送端位于樓道的拐角附近，接收端位于樓道內(nèi)）兩種情況下進行實驗。實驗場景如圖1 所示。

圖1 視距和非視距的實測場景Fig.1 Field measurement of line-of-sight and non-line-of-sight scenes

為了完成測試，選用CC2530F256 作為核心板，2 根3 dB 的全向天線，2 個可升降三腳架（最高可升至1.6 m）以及筆記本電腦等輔助設備。

為了測試不同的收發(fā)天線高度對無線信號傳輸性能的影響，發(fā)射端天線與接收端天線均以0 m 為起始高度，分別以0.4 m 為步長逐漸升高到1.6 m。收發(fā)天線分別固定在高度可調(diào)節(jié)的三腳架上，以發(fā)射的一端作為參考，接收端分別位于發(fā)射端正前方左、中、右三個不同位置，用以測試無線信號的傳輸性能。當測試不同距離下無線信號的傳輸性能時，將發(fā)射端固定在樓道一端的中間位置，接收端以1 m為步長，逐次測量距離發(fā)射端不同距離時相對于發(fā)射端左、中、右三個不同位置下的數(shù)據(jù)失真情況。測試時，收發(fā)節(jié)點的部署位置如圖2（a）所示；當測試非視距情況下的無線信號數(shù)據(jù)失真情況時，測試節(jié)點的部署如圖2（b）所示。

圖2 樣本測試分布圖Fig.2 Samples test distribution

具體測試步驟如下：

（1）將發(fā)射端高度調(diào)整為0 m，并將其部署在樓道一端中間位置。

（2）將接收端高度調(diào)整為0 m，與發(fā)射端位于距地同一高度。

（3）調(diào)整接收天線和發(fā)射天線之間的水平距離，并以中間作為基準，使收發(fā)天線間的水平距離為1 m。

（4）從發(fā)射端發(fā)射50 幀數(shù)據(jù)，測試接收端接收到的數(shù)據(jù)。

（5）以中間位置作為基準，依次分別向左、右兩邊平移，并測試左、右兩邊接收到的數(shù)據(jù)。

（6）以1 m 為步長，按照步驟（4）～（5）完成樣本數(shù)據(jù)的測量。

（7）以0.4 m 為步長，調(diào)整收發(fā)天線三腳架高度，重復步驟（3）～（6），完成所有樣本點數(shù)據(jù)采集。

2 測試結果分析

2.1 收發(fā)天線高度對傳輸性能的影響

當收發(fā)全向天線對地角度為90°時，測試收發(fā)天線間的水平距離、以及收發(fā)天線間的相對位置對無線信號傳輸?shù)挠绊?。結果如圖3、圖4 所示。

圖4 非視距條件下不同天線高度和接收位置數(shù)據(jù)接收情況Fig.4 Data receiving at different antenna heights and receiving positions under non-line-of-sight conditions

由圖3 可知，隨著收發(fā)天線間的距離增加，無線信號的傳輸大致可以分為3 部分：一部分是可靠傳輸距離。在這個距離以內(nèi)，無線信號不出現(xiàn)失真，能夠進行可靠傳輸；第二部分是不可靠傳輸距離。在這一段距離內(nèi)，無線信號能進行傳輸，但傳輸?shù)男盘枙嬖诓煌潭鹊氖д妫坏谌糠质遣荒軅鬏斁嚯x。在這段距離中，接收端天線基本無法接收到發(fā)射端天線發(fā)出的信號。無論接收天線位于哪個位置上，隨著天線高度的增加，收發(fā)天線間的可靠傳輸距離隨之增加。當天線高度0 m 時，由于無線信號主要受到地面的影響，數(shù)據(jù)失真較為嚴重，可靠傳輸距離較短；當天線高度0 m＜1.2 m 時，隨著天線高度的增加，受地面的影響逐漸減小，無線信號的可靠傳輸距離增加；當天線高度1.2 m＜1.6 m 時，有效傳輸距離較長；當1.6 m 時，信號失真最少，傳輸距離最遠，在整個樓道內(nèi)都能進行有效傳輸。

圖3 視距條件下不同天線高度和接收位置數(shù)據(jù)接收情況Fig.3 Data receiving at different antenna heights and receiving positions under line-of-sight conditions

由圖4 可知，當無線信號在非視距條件下傳播時，由于受到樓道墻體影響較為嚴重，在樓道內(nèi)只能接收到少部分信號。當天線高度1.6 m 時，可靠傳輸距離只在20 m 左右，相對于在視距條件下，非視距情況下的有效傳輸距離較短。

2.2 接收位置對傳輸性能的影響

為了測試接收天線相對于發(fā)射天線間相對位置對無線信號傳輸?shù)挠绊?，對不同高度下無線信號收發(fā)天線間傳輸性能進行測試，結果如圖5、圖6 所示。

圖5 視距情況下不同接收位置無線信號傳輸情況Fig.5 Wireless signal transmission at different receiving positions under line-of-sight conditions

圖6 非視距情況下不同接收位置無線信號傳輸情況Fig.6 Wireless signal transmission at different receiving positions under non-line-of-sight conditions

由圖5 可知，在視距條件下，無論收發(fā)天線位于左、中、右三種相對位置，均呈現(xiàn)出隨著天線高度增加、數(shù)據(jù)的失幀減少趨勢。當收發(fā)天線高度0 m時，主要受到地面的影響，無論接收天線位于何種位置，其有效傳輸距離都會較短。在中間位置的傳輸距離大于左、右兩邊傳輸距離，主要是因為此時中間位置受到兩邊墻壁的影響小，而左、右兩邊由于受到墻體的影響嚴重，數(shù)據(jù)失真嚴重，使得有效傳輸距離也會較短。當收發(fā)天線高度0.4 m＜0.8 m 時，隨著天線高度的增加，受地面影響逐漸減小，有效傳輸距離逐漸增加。當天線高度1.2 m＜1.6 m時，左邊和中間位置較右邊接收位置的有效傳輸距離較遠，在整個樓道內(nèi)都能實現(xiàn)有效傳輸。在右邊樓道主要是墻體有多扇門，墻體上有多處凸出的豎直墻體部分，導致無線信號在傳輸過程中出現(xiàn)失真，故而有效傳輸距離較中間位置和左邊位置都要短。

由圖6 可知，右邊的有效傳輸距離均較左邊及中間位置的傳輸距離短，主要是因為非視距情況下，右邊受墻體阻擋嚴重，導致右邊相對于中間和左邊有效傳輸距離較短。當天線高度0 m 時，有效傳輸距離較最短。當天線高度1.6 m 時，有效傳輸距離較長，在23 m 附近。

3 結束語

本文研究了2.4 GHz 無線信號在室內(nèi)樓道的傳輸性能，分析了接收角度和接收高度對無線信號傳輸性能的影響，并對視距和非視距情況下無線信號的傳輸性能進行了討論，其結論如下：

（1）在視距情況下，隨著天線高度的增加，無線信號的傳輸性能逐漸變好，當天線高度1.6 m時，在整個50 m 樓道內(nèi)均能進行有效傳輸。

（2）在非視距情況下，由于受到墻體的影響，有效傳輸距離較短，當天線高度1.6 m 時，有效傳輸距離較長，有效傳輸距離在20 m 附近。