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在自然草地环境中部署无线传感器网络来实证路径损耗模型
摘要：为了实现无线传感器部署的目的，尚未对长短不一的自然草地环境的传播建模进行广泛的研究。这项研究对于在不同应用中无线传感器的有效部署至关重要，例如跟踪草地上的放牧习惯或监测体育活动。本研究提出了草地环境中无线传感器部署的经验性路径损耗模型。将所提出的模型与理论模型进行比较，以证明其在预测在天然草地环境中部署的传感器节点之间的路径损耗方面的不准确性。结果表明，理论模型偏离了拟议模型的12％至42％。此外，将所提出的模型的结果与来自不同位置的类似天然草地的实验结果进行比较，得到相似的结果。最后，将所提出的模型的结果与以前的研究和其他地形模型进行比较，如密集树丛环境中的模型。这些比较表明，路径损耗和经验模型参数存在明显的差异。所提出的模型以及测量数据可以用于类似草地中无线传感器网络的有效规划和未来部署。
关键词：路径损耗模型；RF传播；短而高的天然草地；地形；地形因子；无线传感器网络；XBee无线电
1.引言
与森林环境研究相比，草地环境中的无线电波传播尚未广泛研究[1]，[2]，[3]，[4]，[5]，[6]。 在某些情况下，无线电传播的研究旨在支持大规模农业中的动物放牧[1]。 其他研究集中在农村地区无线传感器网络（WSN）的预期应用[2]。 一些研究人员将其兴趣限制在特定现象，如表面成分对不同环境下信号传播的影响[3]。 研究的样本使用自由空间路径损耗（FSPL）和双射线模型，这对WSN部署是不准确的[7]，[8]。 以前的研究使用信号发生器作为传感器节点，而不是实际的传感器节点，这又导致模型的不准确。因此，缺乏准确的模型可用性导致在WSN部署期间的决策不佳，特别是在大规模部署中。 这些传播模型的稀缺性也导致节点的能量效率差和定位和目标跟踪应用的不准确[9] [10]。研究工作表明[11]，地形变化会影响不同环境中的无线电信号传播。 因此，需要准确描述草地环境中地形变化的影响的路径损耗模型。
本研究的目的是提出准确的路径损耗模型来解决上述一些问题。 所提出的模型可以用于通过无线传感器网络跟踪草地上的牧牛的放牧习惯的应用。 此外，拟议的模式将支持未来的物联网[12]，[13]，[14]，[15]，[16]等应用，例如监测主要道路，房屋草坪， 户外运动中心以及不容易到达的公共场所。 同样，业主可以使用IoT设备来监测和控制灌溉系统，从而在长时间内自主管理房屋主人。 在这些和许多其他情况下，精确的传播模型对于有效实施这种系统是至关重要的。 随着WSN系统和应用的普及和复杂性不断提高，对准确的传播模型的需求也将不断增加。
本研究通过实验的分析和观察，为草地环境中的WSN部署提供了准确的经验传播模型。将经验模型与理论模型进行比较。此外，将经验模型的预测值与不同位置的相似环境中的测量值进行比较。此外，将结果与以前的相关工作进行比较，如植被等室外无线电波传播模型。结果显示了共同点和准确性。将路径损耗模型参数与以前的研究进行比较，结果表明有显着性差异。
本文的其余部分安排如下。 第二节介绍了相关工作的总结。 第三节描述了实验设置和测量活动。 第四节提供了全面的分析和结果细节，第五部分总结了结论，为未来研究提供了途径。
2.相关工作和背景
A.相关工作
在 [1]中，作者提出了一项关于放牧信号传播的研究，旨在饲养大群牛。实验是在草地平均高度约为25厘米的开阔短草地和在磨砂高度从1.5米到1.8米不等的灌木丛中进行的。该研究将ZigBee协议设备纳入2.4 - 2.5 GHz频段，天线高度为1.5 m。此外，作者指出，发射机和接收机最多可以在灌木丛中分离27米的距离，在草地中最多可分离135米，以达到小于2％的分组错误率。作者指出，必须在草地上部署草地至少0.7个节点/公顷2和灌木丛中14.4个节点/公顷2以覆盖整个牧群。同样， [2]的研究重点是开放性草地，重点是在农村部署无线传播网络。作者记录了洗刷区和植被的测量，其中擦洗高度从1.5米到1.8米不等。植被包括森林，松树，桉树，落叶橡树林和草甸———这些被归为草地和灌木丛。在他们的研究中，作者使用三个离散频率，即2.4,3.5和4.8GHz。与 [2]的研究不同，本文提出的研究重点是草地环境。[2]的作者还根据其目标考虑了各种因素，例如，他们考虑了类似于[1]的灌木丛中进行的实验中发射机和接收机之间的距离为1米到32米。数据也是从草地上1米到150米的距离收集的。作者证实，草地上的衰减不如灌木丛那样严重。他们还发现，植被生长-----这在灌木丛中更为显着-----往往会影响信号传播。基于地形和天线高度的不规则以及发射机和接收机之间的距离，增长以不同的方式影响信号传播。此外，作者证实，由于在发射节点和接收节点之间的视距（LOS）上的间隙，节点之间的距离在草地3.5 GHz以上较大。作者观察到当天线高度增加时衰减减小，而频率增加时衰减增加。最后，作者为在农村地区部署的点对点WSN开发了传播模型。相比之下，作者[3]中专注于1米高的草地和丘陵地带的草地上散布着一些树木。在300 MHz和2.4 GHz工作的器件在研究中分开使用。作者以几乎不超过50米的距离进行实验。丘陵地区呈现出6和25度之间的坡度梯度。作者对表层和不规则地形发生的小型和大型路径损耗影响感兴趣。他们认为，表面部件对节点放置在靠近地面的网络有重要的影响。他们发现大规模的路径损耗是对数正态分布在不规则的地形。此外，作者指出，这种大规模路径损耗与平坦地形的小区域内的接收信号强度中值相似。[4]中，作者讨论了在运动，草地和道路上使用的硬地球场中无线通信的特征，在研究中考虑天线高度和方向的影响。
这篇文章[5]的研究侧重于农业领域。在研究中使用了在2.4-2.5 GHz频带内使用ZigBee协议的设备。作者在实验测量期间选择小于1米的天线高度以及1.2米至2.3米的高度。作者有兴趣确定天线高度和方位对部署期间接收信号强度（RSS）的影响。他们考虑发射天线指向的两个方向。作者指出，由于距离超过50米的地面反射效应，信号强度的变化是显着的。据说，信号衰减在对数距离模型的衰减曲线上在0.5m附近的较小距离表现出更平滑的变化。他们发现对数距离模型可以更好地适应开放草地中的信号损失，而不是自由空间损耗模型。
[17]中，作者对作物田间和农田的无线电传播进行了实验。他们考虑天线因素并使用对数距离建模环境。作者使用天线高度在0.25 m到1.5 m之间，距离在1 m到140 m之间。这些实验是针对不同的作物田间生长阶段进行的。所使用的射频链路的工作频率为2.4 GHz。天线高度被证明是节点部署的重要因素。
[18]中的作者对近地无线传感器进行信道测量。使用0.75至1.55 m之间的天线高度，增益为2.15 dBi。通信设备的距离范围从50米到500米不等。他们使用300和1900 MHz频率的无线传感器。测量在森林（稀疏树，平坦的地形，土壤，石灰岩和沙石）中进行，并考虑到雨和叶子的影响。作者发现，对于频率在300和1900 MHz之间的信号，雨水没有可测量的影响。常见的已知路径损耗模型在其测量中进行了测试，类似于[19]中的研究。研究结果表明，树叶对森林信号的影响是严重的。作者讨论了传播分析，并提出了葡萄园和农业环境中ZigBee无线传感器网络的预测模型。研究的另一个目标是描述研究中使用的XBee Pro ZB S2B设备的覆盖范围。该器件的输出功率为 18 dBm，接收灵敏度为-102 dBm，工作频率为2.4 GHz。作者在距离25米至50米的节点位置进行pi;/ 12，pi;/ 6，pi;/ 4和pi;/ 2方向的测量。
[20]中的作者对具有建筑物组合的树木的区域进行了传播建模研究。作者依靠这个模型来设计监测用户电力消耗的无线传感器网络。它们使用2.45 GHz的信号发生器，10 dBm的功率和8 dBi增益天线，用于接收信号测量。天线高度在2.2到5米之间，节点距离在1到100米之间。
[21]中的作者提出了在“野生环境”中随机部署无线传感器节点的试验台，它们将野生环境定义为含杂草，小泥浆，扁平水泥和无建筑物的野草的野生环境。作者使用的天线高度为25,45和100厘米。功率为10 dBm的433 MHz信号发生器用于所述环境中的信号产生和测量。他们使用分段（线性）回归分析来拟合他们的模型。同样，[22]中，作者在农田和花园进行射频（RF）传播行为测量。农业地形包含玉米和坚果，而花园里有绿色，干草和湿草环境的椰子花园。作者观察了植物不同生长阶段的实验，类似于以前的工作，他们使用2.4GHz的信号发生器进行实验。
在相关案例中，[23]中的作者提出了一种用于沙质环境的无线传感器网络的经验性路径损耗模型。他们将模型与稀疏树和长草地相比较。然而，作者提出了稀疏树和长草的线性模型，没有进行广泛的分析。他们提出，传统的自由空间和双射线路径损耗模型不适合近地面传感器网络部署。作者使用1.925 GHz的射频发生器和20厘米的天线高度。发射机和接收机距离为5米。作者以每个测量点的22.5度径向角度收集5至40米之间的测量结果，并将其结果与其他类型的传播模型进行比较。这篇文章[24]中的作者也使用相同类型的设备和方法来提出人造草皮草环境的经验性路径损耗模型。同样，[25]中的作者使用安捷伦信号发生器和分析仪，频率为868/915/2400 MHz，接收功率为17 dBm进行测量。他们在灌木丛，小植物和树丛中进行植被实验。
对文献进行彻底的回顾揭示了使用实际的无线传感器分析短，高草地环境的经验传播模型的结果差距。本文提出的研究包括对在实际部署条件下运行的传感器的经验模型的详细分析。在这项研究中，自然短而高的草地的特征是在发射机（Tx）和接收机（Rx）节点之间没有障碍的视线，除了它们之间的传播路径上的草。
B.背景
一般来说，一阶对数距离模型如下：
（1）
其中??（?）（??）是第一阶对数距离多项式模型。 如果考虑到障碍物和其他影响的多径效应，则（1）变为[26,27]：
（2）
其中??是远场距离或参考距离，通常选择为1m，?是发射机和接收机之间的距离（以米为单位），??（??）（??）是参考距离处的中值路径损耗，即截距，斜率=10gamma;，其中gamma;是路径损耗指数，?sigma;是对数正态阴影。 对数正态阴影是具有零均值和方差sigma;2的高斯随机变量。 ?sigma;的标准偏差（sigma;（??））可以从实验数据确定。 通过使用（3）获得sigma;（??）的近似方法， 其中????是测量的路径损耗值，???是预测的路径损耗平均值，?是采样数。
（3）
其中????是测量的路径损耗值，???是预测的路径损耗平均值，?是采样数。 另外，统计参数?2用于检验拟议模型的意义。 ?2是通过使用模型中的回归变量获得的响应变量的变异量的量度的量度。 公式（4）给出了?2的表达式。
（4）
其中???????是模型的平方和，???????是总数的平方和。P值，F值和alpha;电平是确定模型意义的其他有用的统计参数[28]。 本研究使用这些统计参数来确定和验证拟议模型的意义和准确性。
3. 实验设置和测量作业
A.设备和设备设置
本研究仅关注无线电信号传播建模，用于在自然短和高草地环境中部署WSN，如图1和2所示。短草定义为高度小于3厘米的草。高大的草被定义为长度超过1米的草。与以前的研究不同，本研究不使用信号发生器。相反，它依赖于部署在地面上的实际传感器节点。节点在短草环境中放置在距离地面17厘米高处，高3厘米和0.5米高处。当发送节点和接收节点之间的距离为1 m时，可以获得一些测量值。其他测量距离为5米，对于每个研究，获得128个径向测量值。
在实验设置中，XBee Pro ZB S2B设备[29]被用作类似于[19]的传感器节点。节点具有2.6厘米高的线性天线，增益为1.5 dB。天线是全向的。该无线电天线元件垂直于指向方向辐射，并且来自该节点的无线电波的传播是线偏振的。节点是尺寸为大约3cmtimes;2cmtimes;3cm（包括天线）的便携式设备。这些实际的，低数据速率的和低功耗的器件用于本研究中的所有测量，因为信号发生器不能提供现场节点的真实表示。这篇文章[30]的研究表明，相同环境中的各个节点可以改变模型参数。ZigBee协议用于节点的收发器，其使用直接序列扩频（DSSS）作为调制技术来帮助屏蔽噪声和干扰[26] [29]。两个装置用于测量; 一个设备被配置为协调器或汇聚节点，而另一个设备被配置为路由器。路由器每秒向汇聚节点发送数据包。节点参数如表1所示。
两个设备都连接到笔记本电脑，用作电
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