玉米大田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道多尺度衰落模型的建模方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域，公開一種玉米大田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道多尺度衰落模型的建模方法，具體包括：S1.根據(jù)采樣區(qū)域內(nèi)影響無線信號傳播的環(huán)境因子，提取造成信道時(shí)空差異化的關(guān)鍵因子；S2.在不同環(huán)境因子及關(guān)鍵因子條件下，采集采樣區(qū)域內(nèi)的無線信號傳播特征數(shù)據(jù)；S3.根據(jù)采集的數(shù)據(jù)及所述關(guān)鍵因子，進(jìn)行信道多尺度衰落模型建模。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)對玉米大田漸變環(huán)境中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信號傳輸?shù)墓交?，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測應(yīng)用中節(jié)點(diǎn)部署、拓?fù)淇刂?、路由選擇等提供信道理論支撐。
【專利說明】玉米大田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道多尺度衰落模型的建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域，具體涉及玉米大田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道多尺度衰落模型的建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002]農(nóng)業(yè)大田主要是指那些進(jìn)行大面積作物種植的土地，一般用于大田種植的作物有:小麥、玉米、馬鈴薯等?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)大田種植環(huán)境信息的采集、傳輸、監(jiān)測已成為高質(zhì)量種植生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。無線通信是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)，無線信號在傳播過程中，受不同種類障礙物的影響會發(fā)生不同程度的反射、散射和衍射等現(xiàn)象，造成信號能量的衰落，以及時(shí)延、相位、頻率等的變化。農(nóng)田中作物每年都經(jīng)歷不同生長階段，這些階段的枝葉密度差異很大，對信號傳播產(chǎn)生不同程度的影響。
[0003]現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)信道衰落建模研究中，有的研究重點(diǎn)是信號大尺度衰落與環(huán)境因素之間的相互關(guān)系，有的研究需要可分辨多徑路徑，有的研究僅研究信號大尺度建模，有的研究僅從理想的統(tǒng)計(jì)模型出發(fā)進(jìn)行信號小尺度建模。
[0004]現(xiàn)有方案的缺點(diǎn)在于:
[0005]1、研究重點(diǎn)是信號強(qiáng)度與環(huán)境因素之間的相互關(guān)系的方案并未考慮小尺度衰落對信號強(qiáng)度與信號質(zhì)量的影響，對環(huán)境特征參數(shù)的選取不夠準(zhǔn)確；
[0006]2、研究需要分辨多徑路徑的方案需要有效區(qū)分各反射、散射分量，并對每一條路徑進(jìn)行參數(shù)重建，但在實(shí)際應(yīng)用中，尤其是在農(nóng)田生產(chǎn)環(huán)境中，由于遮擋物密集，信道條件復(fù)雜，無明顯的可分辨多徑路徑，也就無法用有限的數(shù)條反射、散射路徑對信道進(jìn)行描述重建；
[0007]3、僅研究信號大尺度建模的方案并未將農(nóng)田的復(fù)雜漸變環(huán)境因子對信道傳播模型的影響進(jìn)行深入研究討論。此方法雖可以在大尺度上描述信道環(huán)境，但因沒有與現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，也就無法依據(jù)可測量的環(huán)境參數(shù)對類似場景中的衰落因子進(jìn)行預(yù)測分析，實(shí)用價(jià)值低；
[0008]4、僅從理想的統(tǒng)計(jì)模型出發(fā)進(jìn)行信號小尺度建模的方案通過建立無線信道中的散射體幾何分布，采用射線跟蹤等方法來研究建模，但玉米生長環(huán)境復(fù)雜漸變，無明顯可分辨多徑，難以采用射線跟蹤方法進(jìn)行小尺度建模。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有技術(shù)沒有考慮在玉米種植復(fù)雜環(huán)境中，多種傳播方式同時(shí)存在及無明顯可分辨多徑影響，且并不完全相互獨(dú)立的兩種尺度衰落對信號傳播特性的影響以及玉米種植復(fù)雜環(huán)境下的多種影響因素，導(dǎo)致無線網(wǎng)絡(luò)信道衰落建模精度低甚至不能建模。
[0010]為此目的，本發(fā)明提出玉米大田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道多尺度衰落模型的建模方法，該方法包括:[0011]S1.根據(jù)采樣區(qū)域內(nèi)影響無線信號傳播的環(huán)境因子，提取造成信道時(shí)空差異化的關(guān)鍵因子；
[0012]S2.在不同環(huán)境因子及關(guān)鍵因子條件下，采集采樣區(qū)域內(nèi)的無線信號傳播特征數(shù)據(jù)；
[0013]S3.根據(jù)采集的數(shù)據(jù)及所述關(guān)鍵因子，進(jìn)行信道多尺度衰落模型建模。
[0014]其中，在步驟SI中，所述環(huán)境因子包括采樣區(qū)域內(nèi)作物的高度Hp、作物的葉面積
A1、作物的莖桿面積A。、作物的果實(shí)表面積Af、采樣區(qū)域內(nèi)土地面積Ae、發(fā)射天線與接收天
線之間的距離d ;所述關(guān)鍵因子包括作物的遮擋高度Hb、作物的表面積密度指數(shù)PSAD，所述
Hb=Ha-Hp,其中Ha為天線高度，所述PSAD的計(jì)算公式如下:
A1 + Ac + Af_5] PSAD- 々A。
[0016]其中，在步驟S2中，所述無線信號傳播特征包括:信號強(qiáng)度、誤包率。
[0017]其中，在步驟S2中，所述采樣區(qū)域包括Hb > O的采樣區(qū)域及Hb < O的采樣區(qū)域，所述無線信號傳播特征數(shù)據(jù)包括Hb > O的采樣區(qū)域的無線信號傳播特征數(shù)據(jù)及Hb < O的采樣區(qū)域的無線信號傳播特征數(shù)據(jù)。
[0018]其中，在步驟S2和步驟S3之間，該方法進(jìn)一步包括:
[0019]S21.在所述Hb > O的采樣區(qū)域，進(jìn)行信道大尺度衰落PLb的計(jì)算；
[0020]S22.獲取所述Hb > O的采樣區(qū)域的無線信號傳播特征數(shù)據(jù)，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到信道大尺度衰落模型。
[0021]其中，在步驟S21中，所述信道大尺度衰落PLb為:
[0022]
【權(quán)利要求】
1.玉米大田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道多尺度衰落模型的建模方法，其特征在于，該方法包括: 51.根據(jù)采樣區(qū)域內(nèi)影響無線信號傳播的環(huán)境因子，提取造成信道時(shí)空差異化的關(guān)鍵因子； 52.在不同環(huán)境因子及關(guān)鍵因子條件下，采集采樣區(qū)域內(nèi)的無線信號傳播特征數(shù)據(jù)； 53.根據(jù)采集的數(shù)據(jù)及所述關(guān)鍵因子，進(jìn)行信道多尺度衰落模型建模。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟SI中，所述環(huán)境因子包括采樣區(qū)域內(nèi)作物的高度Hp、作物的葉面積A1、作物的莖桿面積A。、作物的果實(shí)表面積Af、采樣區(qū)域內(nèi)土地面積Ae、發(fā)射天線與接收天線之間的距離d ;所述關(guān)鍵因子包括作物的遮擋高度Hb、作物的表面積密度指數(shù)PSAD，所述Hb=Ha-Hp，其中Ha為天線高度，所述PSAD的計(jì)算公式如下:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟S2中，所述無線信號傳播特征包括:信號強(qiáng)度、誤包率。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在步驟S2中，所述采樣區(qū)域包括Hb> O的采樣區(qū)域及Hb < O的采樣區(qū)域，所述無線信號`傳播特征數(shù)據(jù)包括Hb > O的采樣區(qū)域的無線信號傳播特征數(shù)據(jù)及Hb < O的采樣區(qū)域的無線信號傳播特征數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的方法，其特征還在于，在步驟S2和步驟S3之間，該方法進(jìn)一步包括: 521.在所述Hb> O的采樣區(qū)域，進(jìn)行信道大尺度衰落PLb的計(jì)算； 522.獲取所述Hb> O的采樣區(qū)域的無線信號傳播特征數(shù)據(jù)，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到信道大尺度衰落模型。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在步驟S21中，所述信道大尺度衰落PLb為: PL1 =IO-1gl^-)

/.其中，Ps為發(fā)射天線的發(fā)射功率，Pr為接收天線接收到的無線信號的功率模型；
? PGG λ2 所賦 其中，Gs、4分別為發(fā)射天線和接收天線增益，λ為波長，d為發(fā)射天線與接收天線之間的距離，η為衰落因子。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述步驟S22包括:獲取所述Hb> O的采樣區(qū)域的無線信號傳播特征數(shù)據(jù)，用所述無線信號傳播數(shù)據(jù)對所述匕進(jìn)行擬合，得到衰落因子η與Hb、PSAD的函數(shù)關(guān)系:
n=a.In (Hb)+b.In (PSAD)+c
所述信道大尺度衰落模型為:
PL= (a.In (Hb)+b.In (PSAD)+c) lgd+A其中，Hb > O, PL為發(fā)射天線發(fā)出的無線信號的衰落，a、b和c為擬合系數(shù)，所述擬合系數(shù)根據(jù)作物生長階段對應(yīng)的PSAD確定，Hb為遮擋高度；

其中
8.根據(jù)權(quán)利要求2、3、6或7所述的方法，其特征在于，所述步驟S3包括: 531.根據(jù)接收天線接收到的無線信號的包絡(luò)總功率P，所述包絡(luò)總功率P包括大尺度分量功率Pb及小尺度多徑噪聲功率Pm，構(gòu)建所述Pm的模型:
9.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征還在于，所述方法進(jìn)一步包括:S4.根據(jù)相關(guān)系數(shù)R2評價(jià)所述獲得的模型，其中所述R2的計(jì)算公式如下:
【文檔編號】H04B17/00GK103888204SQ201410083700
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月7日
【發(fā)明者】繆祎晟, 孫想, 吳華瑞, 李飛飛, 馬為紅 申請人:北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心