阅读说明：本技术 一种在马尾松林中无线信号传播特性的测试方法 (A kind of test method of the radio signal propagation characteristic in masson pine forest ) 是由 陈明 杨靖 于 2019-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种在马尾松林中无线信号传播特性的测试方法,该方法包括步骤：将发射机天线和接收机天线分别调到0.25m和0m高度；调整接收机与发射机间距离为1m；利用频谱仪测无线信号接收功率；以1m为步进,完成样本数据测量；调整接收机和发射机高度为0.25m重复对样本点数据进行测量；调节接收机天线高度为0.5m,重复发射端天线高度为0.25m时样本点接收功率的测量；以0.25m为步进调节发射机高度,重复不同高度下的接收信号功率的测量数据点采集；将天线高度0.25m、0.75m、1.25m、2.0m重复操作测量。本发明的测试方法测试精度高,并与数学模型相对应,在每个高度层上,无线信号路径损耗均符合对数衰减模型,理论值与测量值之间的拟合相关性好。(The test method for radio signal propagation characteristic that the invention discloses a kind of in masson pine forest, the method comprising the steps of: transmitter antenna and receiver antenna are transferred to 0.25m and 0m height respectively；Adjusting distance between receiver and transmitter is 1m；Reception of wireless signals power is surveyed using frequency spectrograph；Using 1m as stepping, completed sample is according to measurement；Adjustment Receiver And Transmitter height is that 0.25m repeats to measure sample points evidence；Adjusting receiver antenna height is 0.5m, and sample point receives the measurement of power when repeat its transmission end antenna height is 0.25m；Using 0.25m as step-by-step adjustment transmitter height, the measurement data points acquisition of the received signal power under different height is repeated；Antenna height 0.25m, 0.75m, 1.25m, 2.0m repetitive operation is measured.Test method measuring accuracy of the invention is high and corresponding with mathematical model, and on each height layer, wireless signal path loss meets logarithmic decrement model, and the matching correlation between theoretical value and measured value is good.)

一种在马尾松林中无线信号传播特性的测试方法

技术领域

本发明涉及一种在马尾松林中无线信号传播特性的测试方法，属于无线 信号传播特性测试技术领域。

背景技术

随着无线通信技术的发展，无线传感器网络因低成本、低功耗、自组织 能力强等优点，在农业领域、环境监测领域、林业领域得到广泛的应用。无 线传感器网络能将传感器采集的林业环境信息传给服务器，方便实现林业信 息资源的共享，为林业发展提供有力支持。无线传感器网络中节点通信容易 受到环境影响，因此，有必要研究无线信号在特定环境中的传播特性。

研究人员对无线信号的传播特性做了大量研究，文献“小麦田中天线高 度对2.4GHz无线信道传播特性的影响(李锶钰,高红菊,姜建钊.农业工程学 报,2009,25(2):184-189)”测量了2.4GHz无线信号在小麦不同生育期的功率衰 减和丢包率，在不同的天线高度上功率衰减可以用对数模型进行预测，信号 衰减速度随天线高度增加而减少，传输距离随天线高度的增加而增加，得出 天线高度应略高于成熟植株高度。文献“番茄连栋温室内无线信号传播特性 (周建军,王秀,李素,等.江苏农业科学,2018,46(2):170-173)”研究番茄连栋温室 内不同方向2.4GHz无线信号传播特性，得出在同一高度上，行方向上的路径损耗小。文献“温室青椒中2.4GHz无线信号传播特性研究(李萍萍,彭玉礼, 王纪章.农业机械学报,2014,45(2):251-255)”研究了温室青椒中不同天线高度 和不同接收方向上2.4GHz无线信号的传播特性，结果表明青椒中2.4GHz无 线信号的传播性能与高度有关与传播方向无关。但是温室属于人工种植环境， 且植株高度相对较低。文献“橘园无线传感网络不同节点部署方式下的射频 信号传播实验(文韬,洪添胜,李震,等.农业工程学报，2010,21(6):211-215)”等 研究橘园中433MHz无线传感网络节点不同的部署方式，无线信号受植被深 度、通信距离、天线高度等因素共同作用下信号的衰减情况，但实验环境是 盆栽的橘树，植株高度相对较低，植株的分布是按照实验需求进行等距离排 列，实验环境较为单一和理想化，不能很好地说明野外复杂多变的环境。文 献“苹果园中2.4GHz无线信道在不同高度的传播特性(郭秀明,赵春江,杨信 廷,等.农业工程学报,2012,28(12):195-200)”研究了苹果园中2.4GHz无线信 号在不同高度下信号衰减情况，果树为人工种植，树木排列较为整齐，树高 相对较矮，和自然生长状态下的马尾松林差距较大。文献“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.福建农林大学学报(自然科学版),2016,45(6):713-718)”研究了白皮松林中不同的通信频率、不同的天线高 度在水平方向上的传播特性，以及不同高度针对某一水平试点的传播特性， 得出433MHz通信频段的信号强、衰减小。但是白皮松林为人工种植林，树 木排列较为整齐，不能很好的体现野外自然生长的排列不规则马尾松林的复 杂特征。因此，研究无线信号在野外自然生长状态下马尾松林中的传播特性 是有必要的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种在马尾松林中无线信号传播特性 的测试方法，以解决上述现有技术中存在的问题。

本发明采取的技术方案为：一种在马尾松林中无线信号传播特性的测试 方法，该方法包括以下步骤：

(1)将发射机天线高度调到0.25m；

(2)将接收机天线高度调至0m；

(3)调整接收天线的位置，使接收机与发射机间的水平距离为1m；

(4)利用频谱仪测量该位置无线信号接收功率；

(5)以1m为步进，按步骤(4)完成样本数据测量；

(6)调整接收机高度为0.25m，保持接收机天线与发射机天线距地高度 相同，重复步骤(3)-(5)对样本点数据进行测量；

(7)调节接收机天线高度为0.5m，重复步骤(3)-(5)，完成发射端 天线高度为0.25m时样本点接收功率的测量；

(8)以0.25m为步进调节发射机高度，重复步骤(1)-(7)，完成不同 发射机天线高度和不同接收机天线高度下的接收信号功率的测量数据点采集；

(9)将接收机天线与发射机天线间的相对角度按照30°为步进，沿逆时 针方向从0°到330°,将接收天线高度调到0.25m，接收距离为5m，沿逆时 针方向以30°为步进测量，然后将接收距离调到15m，重复前一步骤操作； 然后将天线高度分别增加到0.75m、1.25m、2.0m重复操作，完成不同的相 对天线角度下接收功率的测量，用式(3)对所测数据进行处理，对每一个样 本点进行40次测量，取它们的平均值作为该样本点的真实值，平均接收功率 RSSI：

式中RSSI(n)表示第n个样本点的相对天线角度下接收功率，n表示样 本点。

发射机和接收机分别安装在高度可调的三角架上。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的测试方法能够获得无线 信号在马尾松林中传播特性的空间位置关系，收发天线同一高度时，路径损 耗相对其他接收高度较低。接收天线高度高于或低于发射天线高度时，路径 损耗相对较大，收发天线高度距地相同时，在每个高度层上，无线信号路径 损耗均符合对数衰减模型，在同一收发天线高度和接收半径，不同的接收角 度上路径损耗不同，路径损耗并不是一个标准的圆，因为树木、灌木的排列 并不规则，会导致不同程度的畸变。

附图说明

图1是433MHz在松林中的测试示意图；

图2是松林中不同接收角度示意图；

图3是同一发射高度不同接收高度路径损耗值曲线图；

图4是同一收发天线高度不同距地高度的路径损耗值曲线图；

图5是同一收发高度不同距地高度路径损耗拟合曲线关系图；

图6是天线高度与衰减系数图；

图7是天线高度与模型参数图；

图8是同一高度不同角度路径损耗图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

实施例1：如图1-图8所示，一种在马尾松林中无线信号传播特性的测试 方法，该方法包括以下步骤：

(1)将发射机天线高度调到0.25m；

(2)将接收机天线高度调至0m；

(3)调整接收天线的位置，使接收机与发射机间的水平距离为1m；

(4)利用频谱仪测量该位置无线信号接收功率；

(5)以1m为步进，按步骤(4)完成样本数据测量；

(6)调整接收机高度为0.25m，保持接收机天线与发射机天线距地高度 相同，重复步骤(3)-(5)对样本点数据进行测量；

(7)调节接收机天线高度为0.5m，重复步骤(3)-(5)，完成发射端 天线高度为0.25m时样本点接收功率的测量；

(8)以0.25m为步进调节发射机高度，重复步骤(1)-(7)，完成不同 发射机天线高度和不同接收机天线高度下的接收信号功率的测量数据点采集；

(9)将接收机天线与发射机天线间的相对角度按照30°为步进，沿逆时 针方向从0°到330°,将接收天线高度调到0.25m，接收距离为5m，沿逆时 针方向以30°为步进测量，然后将接收距离调到15m，重复前一步骤操作； 然后将天线高度分别增加到0.75m、1.25m、2.0m重复操作，完成不同的相 对天线角度下接收功率的测量，用式(3)对所测数据进行处理，对每一个样 本点进行40次测量，取它们的平均值作为该样本点的真实值，平均接收功率 RSSI：

式中RSSI(n)表示第n个样本点的相对天线角度下接收功率，n表示样 本点。

发射机和接收机分别安装在高度可调的三角架上。

测试分析：

测试地点位于贵州省贵阳市花溪区郊区野外松树林，底层为低矮灌木丛， 高度为h(0m<h<1.6m)单位为m，大部分灌木高度集中在1m及以下，覆盖 面积较大，几乎覆盖整个测试环境，松树高度大于10m，排列呈不规则状态的 自然生长环境下的马尾松林，松林的整体形状呈不规则状态，导致无线信号的 衰减会存在一定的波动。

为获得本次实验数据，相关设备及参数如表1所示

表1 实验设备性能参数表

名称	厂商或性能参数
		测试节点/生产商	nRF905/NORDIC公司
节点工作频率	433.103-433.153MHz
		节点灵敏度	-90dBm
节点发射功率	0dBm
		天线/增益	全向天线/3dB
频谱仪/灵敏度	UTS1030/-130DdBm
		可升降三脚架/数量	最高可升高至1.75m/2个

为获得WSN的路径损耗模型，实验测试了同一发射天线高度时不同接收高 度对接收功率(RSSI)的影响，发射端天线以0.25m为起始测量高度，以0.25 m为步长逐次增加到2m；以发射端为参照，测量与发射天线等高以及±0.25m 为步进的上下两个高度的接收功率。为测试收发机天线水平距离改变对接收功 率(RSSI)的影响，将发射端和接收端分别放在高度可调节的三角架上，保持 发射端位置不变，改变接收端水平距离。以1m为步进，逐次测量不同距离的 接收功率直到40m。当测试不同接收角度对接收功率影响时，发射端位置不变， 接收端分别以5m、15m为半径，以30°为步进，测试不同相对角度上的接收 功率。测试的发射节点和接收节点的部署方式如图2，图3所示，采用本发明 的测试方法进行测试。

发射天线高度(h1)、接收天线高度(h2)对路径损耗的影响：

通过改变收发节点的相对距离和相对高度所得到的路径损耗情况如图4所 示，无论发射节点天线距地高度为多少，接收天线的距地高度一定时，随着接 收天线的水平距离的增加，路径损耗基本符合对数衰减，路径损耗曲线上存在 的一些波动是因为在该采样点附近有灌木丛覆盖，从而导致接收功率的变化。 当(h1＝0.25m)时，随着天线高度的增加，路径损耗增大，因为大部分灌木丛 的叶层分布在0.5m附近。因此相对于接收高度为0时较为损耗较为严重。在 (0.5m<h1<1.25m)时，基本符合收发天线距地高度相同时路径损耗最小。 当发射机端天线高度(h1＝1.5m)时，接收机端天线高度(h2＝1.75m)时， 接收天线高度高于发射机天线高度时，随着天线高度增加，路径损耗较小。因 为高度在(1.5m-1.75m)间，这一高度范围恰好处于灌木丛的临界高度范围， 当(h1,h2<1.5m)时，均有灌木丛分布，当(h2>1.5m)时，这一高度超出 了灌木丛的高度，路径损耗明显降低。当(1.75m<h1<2.0m)时，依然满足 收发天线距地高度相同时，路径损耗相对于其他两个高度较小。由于所测量的 实验环境中，所有树木以及低矮灌木都属于自然生长状态，呈不规则状分布， 导致曲线波动也不规则。当收发天线高度都高于1.5m后，路径损耗曲线变得 相对平滑，路径损耗相对较小。此时主要是松树树干对无线信号传播的阻挡， 相对于低矮灌木丛较低。但是由于树木的排列不规则，在路径损耗中会出现波 动的情况。因此，在野外松林中无线传感器网络节点部署时，收发天线距地高 度相同时，能保证无线信号具有较强的传输能力。

同一收发高度不同的距地高度，路径损耗如图5所示。由图可知，天线高 度越高，路径损耗越低。当天线高度h<0.75m时，无线信号水平传播距离较 短，路径损耗较为严重，大约在20m附近时无线信号的接收功率衰减到-90dBm， 因为大部分灌木丛高度都低于0.75m。在灌木丛比较密集的采样点附近，路径 损耗较大，曲线波动较大，当天线高度0.75m<h<1.25m时，路径损耗相对0.75m 及以下高度有所减少，路径损耗曲线较为平滑。水平传播距离约为40m。当 h>1.5m后，随着天线高度的增加，传输距离较远，在40m时路径损耗值都还未衰减到-90dBm，水平传播距离大于40m。总之，在树高不规律、排列不整齐 的野外马尾松林中，收发天线高度h＝2.0m时，无线信号的传播损耗最小、传 播距离最远。

在自然生长状态下的松林中，无线信号传播除了受到空气中能量扩散的功率影响外还受到了周围树干和低矮灌木丛的影响。无线信号传播容易受到反射和折射的影 响，随着传播距离的增加，在距离发射端较远的采样点时，无线信号经过多次的反射 或折射。不同的天线高度也会影响无线信号的路径损耗值。随着天线高度的增加，在 同一水平位置上，较高的节点位置有较强的接收功率，但当天线增加到一定高度时， 接收功率变化不大，所以天线高度增加对接收功率的影响不一定呈现正相关。对于这 种特定场景下的无线信号的传播，对数损耗模型如下：

P_R＝A-10n lg d (4)

其中，P_R为接收天线接收功率，单位dBm；d为传播距离，单位m；A为模 型参数，n为环境因子，研究表明，在农业、林业环境中，信号衰减都能用该 模型预测。

利用最小二乘法对曲线进行拟合，实测值和拟合曲线如图6所示，相关参 数值如表2所示：

表2 收发天线距地高度相同时实验数据路径损耗模型参数对照表

由表2可知，相关系数最小为0.8599，最大为0.9531。在不同的高度下 路径损耗基本符合对数衰减模型，所以可以用该模型预测松林中无线信号的衰 减，衰减系数如图7所示。

由图7可知，随着高度增加，环境因子呈减小趋势。在高度为0.5m，1.25 m时，衰减系数较大。h＝0.5m时主要是大部分灌木丛集中在这一高度，h＝1.25 m时因为模型参数较大。对n和h进行三次多项式拟合，相关系数R²为0.7477。 天线高度与衰减系数关系模型如图8所示。

n＝1.285h³-2.729h²+1.89h-12.28 (5)

对模型参数A与收发天线高度进行三次曲线拟合，相关系数R²为0.8333， 天线高度与模型参数模型如图8所示：

A＝2.272h³-11.94h²+18.7h-50.52 (6)

由(4)、(5)、(6)可得松林中无线信号衰减模型如(7)所示

其中P_R为接收功率；h为收发天线高度；d为水平传播距离。

收发天线距地高度相同时，不规则松林环境对无线信号造成不规则传播 的影响：

在自然生长状态下的马尾松林中，由于树木的生长不规则，排列也不规 则，植被深度在同一高度不同方向有深有浅，同一方向不同高度深浅不一， 底层灌木丛在每个角度的排列状况都不规则，所以会对无线信号路径损耗造 成不规则的衰减，在无线传感器网络的仿真实验中常常采用概率感知模型， 认为节点的感知半径和通信半径都是一个规则的圆形，但是本次研究通过以 发射节点为圆心，水平距离分别以5m、15m为半径，收发天线高度距地相 同时，以30°度为步进，在360°圆周内对无限信号进行检测，结果如图8 所示，由图8可知，由于马尾松和灌木丛的分布不规则，导致无线信号的路 径损耗并不是一个规则的圆形，在同一高度下，不同的接收角度路径损耗不 同。考虑到节点的部署环境，通常部署高度为近地、适当超过动物高度、高 于大部分灌木、高于灌木和人体高度。因此分别选取高度为0.25m、0.75m、 1.25m、2.0m这4个高度进行研究。当高度为0.25m时为近地高度并稍高于地面，防止雨水和泥土淹没或覆盖节点，路径损耗较为严重，因为此时无 线信号主要受到地面的折射和反射等多种因素的影响。图形存在一定的畸变。 当高度为0.75m时，为了避免野外动物触碰对节点的影响，此时路径损耗较 大，图形畸变最为严重，主要因为大部分灌木丛叶层分布在这一高度，导致 路径损耗较为严重。在5m到15m之间衰减较为严重，主要是在这一高度范 围内，大部分灌木丛集中在这一高度，对无线信号传播影响较为严重。当h＝1.25m时，这一高度超过了大部分灌木丛的高度同时便于节点的安装。此 时路径损耗相对于前面两个高度明显降低，但图形依然存在着畸变。当天线 高度h＝2.0m时，节点高度高于所有灌木及人体高度，此时路径损耗最小。 图形依然存在一定的畸变。随着天线高度的增加，在不同高度、不同接收角 度依然存在畸变，但畸变程度相对减少。主要是因为自然生长的马尾松树排 列秩序不规则，导致对无线信号的折射、反射也不规则。在同一接收距离，不同的接收高度、不同的接收角度路径损耗并不是一个规则的圆形，从而导 致对无线信号的传播的损耗在不同的接收方向上存在差异。随着天线高度的 增加，路径损耗值减少，同一接收半径的接收功率所形成封闭图形畸变程度 也相对较小。

测试结论：

本发明研究了野外自然生长状态下马尾松林中433MHz无线信号的传播特 性，分析了环境对无线信号的影响，通过实地测量和对测量结果进行回归分 析得出如下结论：

(1)收发天线同一高度时，路径损耗相对其他接收高度较低。接收天线高 度高于或低于发射天线高度时，路径损耗相对较大。在发射端天线高度为0.25 m时，接收高度为0时，损耗相对其他两个高度较低。发射天线高度为1.5m， 接收天线高度为1.75m时，路径损耗相对其他两个高度较低。

(2)收发天线高度距地相同时，在每个高度层上，无线信号路径损耗均符 合对数衰减模型，理论值与测量值之间的拟合相关系数R2在0.8599-0.9531 之间。随着天线高度的增加，433MHz无线信号在马尾松林中的水平传播距离 增长，路径损耗减少。当h＝2.0m时，路径损耗最小，传播距离最远。

(3)在同一收发天线高度和接收半径，不同的接收角度上路径损耗不同， 路径损耗并不是一个标准的圆，因为树木、灌木的排列并不规则，会导致不 同程度的畸变。

本文对松林中433MHz无线信号的传播特性进行研究，为无线传感网络 在野外的部署、定位、功率控制等提供了可靠依据。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限 于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易 想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护 范围应以所述权利要求的保护范围为准。