张先毅_基于室内办公环境的WSN信道衰落模型的分析

项目基金：本文研究获得国家自然科学基金（60802030），山东省科技攻关项目(编号2007GG2QT01007、2005GG4201017)、山东省博士基金(编号2007BS01003)资助。作者简介：张先毅（1981年），男，山东省荣成市人，山东师范大学硕士研究生，主要研究方向为无线通信及嵌入式系统工程,E-mial:[e-mail].王英龙（1965年），男，山东省计算中心研究员，博士生导师，主要研究领域为计算机网络，信息安全。赵洪磊（1981年），男，硕士研究生，主要研究方向为无线通信及嵌入式系统工程。郭强(1975年)，副研究员，山东省计算中心博士后，主要从事移动通信、下一代网络、无线通信及嵌入式系统工程研究。基于室内办公环境的WSN信道衰落模型的分析张先毅1,2,王英龙2,1,3,赵洪磊3,郭强2(1,山东师范大学信息科学与工程学院,济南250014;2,山东省计算中心,济南250014;3,山东轻工业学院信息科学与技术学院,济南250353)摘要：针对室内环境下无线传感器网络信道衰落的不确定性，提出一个室内环境下无线传感器网络的信道衰落模型。本文根据对无线信道衰落模型的理论研究和无线传感器网络信道衰落测试系统室、内外实验数据的分析，得到无线传感器网络信道衰落模型的各个参数，确定了无线传感器网络室内信道衰落模型。实验证明此衰落模型在实际网络的节点部署和节点定位中的作用优于其他无线信道衰落模型。关键字：无线传感器网络；信道衰落模型；接收信号强度中图分类号:TP393文献标识码:ATheanalysisoftheindoorchannelfadingmodelinwirelesssensornetworksZHANGXian-yi1,2,WANGYing-long2,1,3,ZHAOHong-lei3,GUOQiang2(1DeptofInformationScienceandEngineering,ShandongNormalUniversity,JinanShandong250014,China;2ShandongComputingScienceCenter,JinanShandong250014,China;3DeptofInformationScienceandTechnology,ShandongInstituteofLightIndustry,JinanShandong250353,China)Abstract:Aimingattheuncertaintyofwirelesssensornetworksintheindoorphysicalenvironment,amodelaboutchannelfadinginwirelesssensornetworksisproposed.Accordingtothetheoreticalapproachinwirelesschannelfadingmodelandtheanalysisoftheindoorsandoutdoorsexperimentaldatuminchannelfadingmodelwhichcomesfromthetestingsysteminwirelesssensornetworks,thevariousparametersofchannelfadingmodelfortheWSNaregot,thentheindoorchannelfadingmodelinwirelesssensornetworksisconfirmed.Thepracticalexperimentshowsthatthismodelisbetterthantherestofthewirelesschannelfadingmodelinthenodelocationanddeployment.Keyword:Wirelesssensornetworks;channelfadingmodel;thereceivedsignalstrengthindication(RSSI)0引言无线传感器网络[1][2][3]是一种具有广泛应用前景的全新的技术,现在大部分研究集中在传感器网络的路由层和MAC层,忽略了其物理信道特征。因此关注其物理信道特性，特别是信道衰落模型对增强网络的连通性、节省收发节点的能量消耗、增加网络生存周期有指导意义。通常理论上对各种无线网络(GPS、UWB和蓝牙)物理信道的研究都是利用无线信道模型[4]来进行的，因此研究无线传感器网络的物理信道模型也是由此开始的。目前较为典型的无线网络室内信号衰落模型主要有:Devasirvatham模型[5]、马特内-马恩纳(Keenan-Motley)模型[6]等，但一方面这些模型不适合无线传感器网络节点覆盖范围小、数据随周围环境变化明显和电量不充足的物理特性，另一方面这些模型在无线传感器网络实际环境的节点部署和节点定位中偏差明显，网络覆盖率低，达不到工程应用的实际需要。因此本文采用自己研发的无线传感器网络测试系统结合无线传感器网络在室内、外环境下物理信道的特性，选择适当的场景对衰落参数进行实际测算，最终确定室内办公环境下无线传感器网络的衰落模型。1无线网络信道模型及无线传感器网络室内信道模型的分析通过无线信道传输的信号波形会受到多种物理信号的影响，从而使无线接收端接收的信号出现失真,最终导致整个网络数据出错，影响通信。因此分析无线网络信道模型，特别是无线传感器网络的信道模型对于提高无线传感器网络的通信质量，保证网络中数据传输畅通具有重要的意义.Friis[8]自由空间方程给出了接收节点距发射节点距离0dd处天线的接收功率的表达式表示为：220220()(1)(4)ttrrrPGGdPdPdddL[8]，其中()rPd、tP为收发功率，是收发节点之间的函数；rG、tG为收发天线的增益；d为收发节点之间的距离；0d称为远场距离；系统损耗L为与传播无关的系统损耗因子(1)L,1L表示系统硬件中无损耗；为波长。无线传感器网络室内环境信道模型与传统的无线通信信道模型是不同的，在建筑物内无线传感器网络的通信传播受到一些特定因素（如：建筑物的布局、建筑材料、建筑类型等）的严重影响，因此不能将自由空间信道模型简单的应用于无线传感器网络室内的信道模型，根据自由空间无线信道模型公式（1），对于非自由空间这一模型具有一般性：00(4)rrPdPddd[8]式中，是信道衰落参数，其取值范围为2.05.0之间。2.0对应自由空间信道损失，5.0对应建筑物阻挡的传播阴影区[8]。经研究表明，室内的无线传感器网络信道模型服从距离功率定理，即：0()/010()()10log()(5)ddrrPdPdXdB[9]，X表示零均值，标准方差为2的高斯正态随机变量，单位是dB。将收发天线增益、发射功率、远场距离、系统损耗因子等条件代入公式(5)中可得101032.4420log10log(6)fdrPdXdB。自无线传感器网络出现后许多研究人员都致力于无线传感器网络的室、内环境信道模型的分析研究，、X两个参数的研究一直是科研人员研究的重点，它们也是本文研究的重点。2无线传感器网络室内环境的信道模型和参数的分析2.1无线传感器网络室内信道衰落模型的测试步骤基于国内外研究人员的工作成果，结合无线传感器网络在室内外环境下的特性，我们采用如下步骤对无线传感器网络的信道模型的参数进行测试：(1)采集室外环境下信道衰落数据，参考无线网络自由空间信道衰落方程，对得到的数据进行优化，确定信道衰落参数值；(2)采集特定的室内环境下信道衰落数据，参考无线传感器网络非自由空间信道衰落方程，对数据进行优化，得到零均值X；(3)确定室内环境下无线传感器网络的信道模型并通过实际环境验证无线传感器网络室内信道模型的可信度。2.2无线传感器网络室内信道模型的测试实验试验使用的是自行研发的无线传感器网络的测试系统具有监视源节点和目标节点运行状况、测试节点接收信号强度、抓取数据包信息、数字智能信息化处理等功能。测试工具包括上位机、通信连接设备及与上位机之间进行通信的无线传感器网络节点（在此使用的是CC2430收发芯片）等。在测试过程中通过上位机运行无线传感器网络测试系统，收集接收节点与发射节点之间的接收信号强度(RSSI)[10][11][12]。测试过程中采集的数据包信息如图1所示：图1无线传感器网络测试系统在某处接收的数据包信息Figure1.Theinformationofdatapacketinthewirelesssensornetworkstestingsystem2.2.1信道衰落参数的确定选择适当的室外环境，调试无线传感器网络测试系统，按照系统要求设置参数，同时将传感器芯片CC2430的发射功率调整为2450MHz，利用100个节点做连续的测试，从数据包中提取数据(RSSI)，再将得到的数据利用公式11(7)niiRSSIrssin进行优化。这里我们给出整理后的部分数据：如表1所示。表1无线传感器网络室外信道衰落数据（注：数据均是在常温、干燥、微风条件下得到）Table1.Thedatumoftheoutdoorchannelfadinginwirelesssensornetwork距离/衰落值(为负)0~2米112529353741363643542~4米525352535351535154554~10米5458606262666669707210~20米6670746878767679677820~30米7079767574747374838330~40米7274787270778472768040~50米7674748280827878747650~60米8776787280867878838360~70米82817687798281807978按照测试距离均匀分布的衰落数据所得信道衰落数据经Matlab处理后得到图像如图2所示。图2室外无线传感器网络的衰落图像Figure2.Theoutdoorchannelfadingimageofthewirelesssensornetworks由图2分析可知：无线传感器网络的信道衰落数据是从10~20dB的区间开始的；在0~8米的区域内，数据集中在10~65dB范围内；在8~35米的范围内，数据在65~75dB的区域内上下波动；自35~70米的范围里，数据基本集中在75~85dB的范围内变化。根据公式(4)进行参数的设置：频率2.45fGHz、室外环境的零均值0X,在(2.02.53.03.54.04.55.0)、、、、、、取不同情况下的值，处理得到其图像如图3所示。图3无线传感器网络信道模型的衰落图像Figure3.Thechannelfadingmodelimageofthewirelesssensornetworks由图3分析可得在从0~10米范围内信道衰落数据变化明显，在10~70米内曲线的数据变化相对缓慢，并且值越大，单位距离内的信道衰落数据变化越剧烈。由图2和图3的比较可以得出在这一条件下，无线传感器网络的信道衰落参数是介于2.5~3.0间的一个值。取2.5~3.0之间的值分别和测试的数据相比较，确定在此环境下2.7。2.2.2信道衰落零均值X的确定在室内条件下，按照同样的要求设置系统参数，进行连续的测试，接收信道衰落数据RSSI，利用公式(7)对RSSI进行优化。在这里我们也给出整理后的部分数据：如表2所示。表2无线传感器网络的室内信道衰落数据（注：数据均是在常温、干燥、微风条件下得到）Table2.Thedatumoftheindoorchannelfadinginwirelesssensornetwork距离/衰落值(为负)0~2米102327333737433941442~4米434543484552475155534~10米5451