麦田环境24ghz无线信道路径损耗建模方法分析 - 农业机械学报.pdf

２０１４年９月 农 业 机 械 学 报 第４５卷 第９期 ｄｏｉ：１０．６０４１／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００１２９８．２０１４．０９．０４７ 麦田环境２４ＧＨｚ无线信道路径损耗建模方法分析 张海辉　张家明 （西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西杨凌７１２１００） 摘要：针对麦田环境无线传感器网络（ＷＳＮ）应用需求，开展了４种无线信道路径损耗建模方法研究及适用性分 析。首先利用ＷＳＮ节点进行２４ＧＨｚ无线信号的麦田实地测试，得到不同传播距离上的路径损耗变化趋势；然后 分析了自由空间模型、双射线模型理论计算路径损耗与实测路径损耗差异，同时提出改进的双折线对数距离模型， 并采用单折线和改进后的双折线对数距离模型对实测路径损耗运用最小二乘法进行回归分析建模。结果表明：自 由空间模型和双射线模型所计算路径损耗与实测路径损耗存在较大差异，无法直接用于麦田环境路径损耗建模； 单折线和改进后的双折线对数距离模型的回归分析拟合度分别为０８７９和０９４３，回归剩余标准差分别为３２４２ 和２２２９，均适用于麦田无线信道路径损耗建模，且改进后的双折线对数距离模型较单折线对数距离模型建模精度 更高。 关键词：麦田环境　无线传感器网络　２４ＧＨｚ无线信道　路径损耗　对数距离模型 中图分类号：Ｓ１２６；ＴＮ９１９７２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００１２９８（２０１４）０９０２９１０６ 耗试验，分别采用自由空间模型和双射线模型２种 　　引言 理论模型对该应用场景进行路径损耗建模；同时提 无线传感器网络 （Ｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ， 出改进的双折线对数距离模型，并分别运用单折线 ＷＳＮ）作为物联网核心技术之一，采用短程近地无 对数距离模型和改进后的双折线对数距离模型采用 线信道进行信息交互，可实现大规模区域密集、实 最小二乘法对实测损耗数据进行拟合回归建模，得 时、动态信息获取和处理，近年来在包括农田生境感 到相应的模型参数及性能指标，进而开展４种建模 知在内的多个领域已有大量研究与应用［１－４］。无线 方法的性能分析与评价。 信道作为ＷＳＮ中信号发射端与接收端之间无线信 １　材料与方法 号的传输通路，容易受到地理条件、气象条件等环境 因素的影响［５］，其路径损耗变化规律的研究作为 首先开展麦田环境２４ＧＨｚ无线信号传播试 ＷＳＮ通信协议与自组网技术的基础，对网络连通性 验，测试得到无线信道路径损耗与传播距离的关系， 覆盖研究和传输路径优化研究起着指导性作用，同 为后续模型研究提供实测数据。 ［４］ 时影响ＷＳＮ网络规划和应用部署 。 １１　试验装置及所需材料 近年来，无线信道路径损耗特性研究已成为 试验中采用以ＴＩ公司ＣＣ２５３０模块为核心的 ＷＳＮ在农业应用中的研究热点［６－８］，国内外学者已 ＷＳＮ节点作为２４ＧＨｚ无线信号的发射端和接收 经针对农田、温室、果园等多种农业生产环境进行了 端。ＣＣ２５３０模块采用ＩＥＥＥ８０２１５４协议，支持接 信道路径损耗测试及建模分析［６－１２］，相关研究多采 收信号强度 （Ｒｅｃｅｉｖｅｄｓｉｇｎａｌｓｔｒｅｎｇｔｈｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ， 用单折线对数距离模型对路径损耗进行建模，在模 ＲＳＳＩ）的精确输出，主要无线特性指标为：频率典型 型适用性和性能评价方面研究较少，文献［１３－１６］ 值２４４ＧＨｚ，调制方式ＤＳＳＳ，波特率２５０ｋｂ／ｓ，码元 证实特定应用背景下不同传播损耗模型的差异性显 速率２ＭＣｈｉｐ／ｓ，发射功率典型值４５ｄＢｍ，接收