国内外无线信号在植被环境中传播特性的研究进展比较

　　0、 引言

　　随着信息技术、通信技术、嵌入式技术等的飞速发展,无线信号通讯以其灵活、便捷的优势越来越多地应用到人们的日常工作生活中。然而,无线信号在传播过程中由于不同障碍物的影响会发生不同程度的反射、散射、被吸收等物理现象,信号会发生能量损耗。相对于有线信道,无线信道缺乏固定性和易于预测性,存在着很大的随意性和分析困难性。所以,在无线通信系统的相关工作中,无线信号在不同传播环境中传播特性的研究已经成为国内外研究者的研究热点。

　　农田环境复杂,除了不同的地势、天气状况,植被本身也是影响信号传播的主要因素。很多应用都需要无线信号在植被中的传播特性作为支持,如无线移动设备和基站之间的通讯、农田中无线传感器网络(WSN) 的应用及地面卫星的通信等。本文比较分析了国内外无线信号在植被环境中传播特性的研究现状,分别从研究方法、传播环境、衰减尺度及方式等多个角度进行归类分析。

　　1、 按研究方法划分

　　按照研究方法划分,可把已有的模型划分为理论模型、经验模型及半经验模型。理论模型关注无线信号在传播过程中所发生的反射、散射及被吸收等物理现象,通过推理计算出信号传播特性; 经验模型主要通过大量实地试验,对试验结果进行分析比较,得出用于预测无线信号传播规律的经验模型。理论模型计算精确,但需要一些精准的传播环境参数数据库;经验模型较理论模型简单,但其应用会受到试验环境的限制。

　　1. 1 理论模型

　　物理模型从对植被特性的描述方面可以分为两类。第 1 类把植被描述为均匀的或不均匀的材料。

　　Calvaceante 和 Giarola把冠层划分为 3 层,每一层都描述为各向同性且具有相同电气特性的材料。第 2类把植被看作具有不同特性的材料的混合物。La-grone和 Matzler把树木冠层看作树干、叶子和空气的混合物,每一种材料用一种简单的几何形状表示,并含有复杂的导电率、有效的容积率及它所包含元素空间方向的统计分布。第 2 种方法能给出精准的预测,但是需要一个精准且复杂的植被参数数据库。

　　理论模型是深入分析电磁波在媒介中传播时所发生的物理过程的传播理论,需要用数值分析方法来建立复杂的数学公式。按照不同的传播理论划分,有基于几何和统一理论衍射的(GTD/UTD)、基于辐射能量传输理论的(RET)、基于全波解决方案的和基于物理光学的。一个常用的理论模型是自由环境传播模型,以频率和传距离为参数。Karam提出了基于辐射能量传输理论的信号衰减模型。AL-NUAIMI 等使用基于辐射能量传输理论的信号衰减模型解释实地试验结果。MATSCHEK等考虑了直达波和测面波两种传播方式,提出了一个基于 UTD的新的模型。Saúl A. Torrico 等人提出了一个用于计算有植被的居住环境的路径损耗模型,使用物理光学评估接收端的衍射场。Saúl A. Torrico 等人提出了一种理论模型预测 2GHz 无线信号在树冠层传播的具体的衰减,果树的冠层被认为是具有约定位置和方向的叶子和树枝的总合,并给出了详细的用于计算冠层所引起衰减的具体公式。结果表明: 衰减程度和频率、极化方向、树枝和叶子的电气几何特性、树木的生理参数、以平面波的入射角为参考的枝叶的静态分布相关。Kin Lien Chee等人研究了农村复杂地形中植被对 3. 5GHz 无线信号传播的影响。植被的衰减通过结合 Terrico-Lang 理论模型和数字地形信息进行计算。理论模型大多需要较多的参数,计算复杂,但计算精确。

　　1. 2 经验模型

　　理论模型虽然计算准确,但需要精确的环境参数数据库且涉及大量的参数; 但很多参数很难通过测量准确地获取。经验模型比理论模型简单易用,已有很多学者进行了实地试验,并得出具有一定应用范围的经验模型。Weissberger提出了以频率(GHz) 和传播距离(m) 为参数评估由植被所引起的额外衰减的模型。Cost235 模型考虑有叶子和无叶子两种情况下由植被所引起的额外衰减。根据 ITU-R 建议,Al-Nuaimi 和 Stephens通过对 11. 2、20GHz 的频段的试验测量建立了以频率(MHz) 和传播距离(m) 为参数的 FITU-R 模型。Meng 等通过 240MHz 和700MHz 的测量数据优化了这个公式,使它适合甚高频 VHF 和超高频段 UHF,并考虑了沿着树顶部传播的侧面波。Chen 和 Kuo给出了在水平和垂直极化两种情况下的模型,模型以频率(GHz) 和传播距离(m) 为参数。蔡植荣等在中原地区的森林里进行了实地试验,研究频率、极化方向、天线高度及传播距离对信号传播的影响。结果表明: 350m 以内时,无线电波以直射波为主要传播方式,射频信号呈指数形式快速衰减; 距离大于 350m 时,以侧面波为主要传播方式,电波随距离以对数形式的衰减规律变化,并给出了用于预测森林中信号强度的信号衰减模型。

　　还有一些学者针对不同类型的植被进行试验,研究无线信号在不同植被中的传播特性。李偲钰等通过实地试验和回归分析研究了 2. 4GHz 无线信号在不同生育期的小麦田中的传播特性,得出结论: 信号衰减的速度随天线高度的变化单调递减,而传输距离随天线高度的变化单调递增; 同一天线高度下,小麦生长后期无线信号的衰减大于前期。2. 4GHz 无线信号的衰减情况可用对数距离路径损耗模型来预测,理论值与测量值的相关系数在 0. 961 ~ 0. 996 之间。路径损耗指数与天线高度呈现对数衰减趋势; 在同一天线高度下,路径损耗指数随着小麦的生长而增大。文韬等为解决橘园中无线传感器网络的规划和快速部署问题,研究了橘园中 WSN 射频信号与影响因素间的关系,建立了橘园中不同影响因素作用下 433MHz 无线射频信号接收强度与环境传播因子及通信距离间的线性模型,拟合曲线的 R2最低为 0. 797,最高为 0. 980,验证了此模型用来预测橘园中影响因素对接收信号强度衰减趋势的可行性。同时,得到了基于无线射频信号接收强度指示下不同植被深度、天线高度和通信距离变化联合作用下的最佳天线高度分布表,为无线传感器网络在橘园中的节点部署提供指导。Pedro Andrade-Sanchez等在不同的植被环境包括空地、葡萄园及苹果园,不同的地势(平地及复杂的地势) 、不同的天气状况下进行了一系列的试验,测量900MHz 及 2. 4GHz 无线信号的 WSN 的丢包率和接收信号强度,以评估 WSN 的效率。Joaquim等人关注树木树干层对无线信号传播特性的影响,对多达松树、山毛榉、橡树等 10 余种类的树林的冠层进行实地试验,得出了信号衰减模型,并把反映传播环境的参数-树的密度和树干的平均直径的乘积引入了模型中。Suwalak 等测量了 5. 8GHz 无线信号在榴莲果园中的传播并得出了合适的传播模型,为榴莲果园中无线系统的应用和配置提供了重要的依据。

　　研究无线信号在不同植被类型中的传播特性能为无线通信系统在各自传播环境中的应用提供支持。植被种类复杂多样,提取不同植被环境中对信号传播影响的本质及关键因素,建立较通用的信号传播模型能扩大经验模型的适用性。

　　1. 3 半经验模型

　　半经验模型是根据所测量的数据得出的,易于应用。尽管没有考虑电磁波在传播过程中的物理过程,但它是基于同质媒介的吸收和散射的特性。这些模型都是较新的,大多使用最近测量的数据计算得出的。非零倾斜(NZG)和双倾斜模型(DG)都属于半经验模型。DG 模型考虑了具体的几何形状,包含了一个称作照明宽度的参数,它能给出一个评估收发点间包含波速宽度植被的体积的评估。DG 模型的存在一个缺点,额外衰减和信号频率含有相反的关系,这和已有的其它模型或者测量的实际数据相矛盾。Stephens 和 Al-Nuaimi对 11. 2、20GHz 在植被中的传播进行了测量,最大衰减率和非零梯度模型用于拟合测量的数据并进行了对比。

　　2、 按传播环境划分

　　从植被类型上划分,有研究不同的植被类型对信号传播的影响。植被中树木的分布不同,则对信号传播的影响也不同。已有很多关于不同分布的树林对信号传播规律的研究,如单棵树、一列树及随机分布的树丛等。Stephens 等研究了单棵树对 20GHz 射频的去极化特性。Caldeirinha 等提出了一个基于 RET 理论的分析模型来预测单棵树的散射特性,这种方法的实现有助于很好地理解无线电波的传播机制。

　　信号在近地传播过程中,由于地面的吸收能量及反射的作用,会对信号传播产生很大的影响。有一些学者专门进行了无线信号近地传播特性的研究。

　　TEWARI等在印度的热带雨林中进行了大量天线高度增益的实地测量,信号频率在 50 ~ 80MHz,天线高度为 1. 5 ~16. 5m。建立了天线高度及信号频率与天线高度增益之间的函数关系模型。Meng YS等通过实地测量了 VHF 和 UHF 带宽信号在一个热带种植园中的近地传播。同时考虑了由植被所引起的额外衰减及地面的影响,分析结果表明信号损耗和考虑了地面反射的 ITU-R 模型最为接近。考虑到侧面波的传播,对 ITU-R 模型进行了修改,提高了模型的精度。Joshi 等对比分析了视距和森林两种环境下窄带信号 300MHz 和宽带信号 1 900MHz 在近地传播的特性,得出结论为: 信号衰减和天线高度的平方值成反比。

　　天气状况也是影响信号传播的主要因素。Joshi等研究了降雨对 1 900MHz 无线信号在森林环境中近地传播的影响,结果表明: 树叶是否潮湿对无线信号的散射影响不大。Yu Song Meng等通过测量不同天气状况下 VHF 在热带森林中传播时的功率衰减剖面图发现,侧面波是 VHF 传播的主要方式,降雨对它的影响很小; 而穿过森林传播的多径传播部分受雨水的影响很大。Al-Basheir 等测量了 2. 1GHz 无线信号在椰枣树中传播的额外衰减,使用试验结果对指数衰减模型和最大衰减模型进行了验证。YuSong Meng等关注了热点雨林中风和雨对 VHF 和UHF 传播特性的影响,结果表明: 风雨会造成无线信号在森林中传播产生额外的衰减,衰减程度随着频率的增加而增加。同时,对由于风雨的变化而造成的时间衰减部分进行了统计建模。Meng 等研究表明,雨水对甚高频段在热带雨林中的传播的各个成分影响不同。通过测量不同天气情况下的能量延迟剖面得知: 侧面波是甚高频传播的主要方式,不受雨水的影响。

　　3、 按尺度划分

　　从传播距离和时间上划分,信号传播可以划分为大尺度衰减和小尺度衰减。大尺度传播模型描述发射机和接收机之间长距离上的场强变化的模型,用于测量发射机和接收机之间信号的平均衰落。它主要研究收发天线高度、传播距离及传播环境和信号强度衰减之间的关系模型。大尺度模型能为无线通讯在实际应用中的收发天线的部署、功率控制、传输可靠性等提供支持。郭秀明等为解决苹果园中无线传感器网络的规划和部署问题,研究了苹果成熟时苹果园中 2. 4GHz 无线信道在不同高度的信号衰减和丢包率情况。结果表明: 苹果园中天线最宜部署在高约 3m 处的冠层顶部或略高于此,其次为高度大于 2. 25m 的冠层上部且较高的位置。同时,建立了用于预测 2. 4GHz 信号在成熟期果园中的信号衰减模型并用额外的数据进行了验证。张水保等针对温室环境中无线信号会因为植物的密集度、高度、距离而出现一定程度的衰减影响网络性能的问题,应用CC2430 芯片测量不同条件下接收功率数据,研究植物障碍物与信号源之间的距离同 2. 4GHz 信号衰减之间的关系,实验结果为节点有效部署和网络拓扑结构优化提供有力依据。

　　小尺度衰落指的是信号在小尺度区间(距离或时间的微小变化) 接收信号场强瞬时值的快速变化特性,包括振幅、相位、频率、多径所造成的延迟等等。

　　影响小尺度衰落的最重要的两个要素就是多径效应和多普勒效应。多径效应是指无线信道在传播过程中,由于反射或者折射,在发射机和接收机之间不会只有单一视距传输路径,会形成的多种不同的传输路径,它造成各路径到达信号有不同的振幅、相位和时间延迟,因此会产生信号的时间色散效应与频率选择性衰减; 多普勒效应则会产生信号的频率色散效应与时间选择性衰减。这 4 种效应同时存在,某种效应的凸显取决于传输信号的频率带宽和码元周期。

　　4、按传播方式及极化方向划分

　　在植被中传播时,无线电波有多种传播机制,如图 1 所示。穿越植被的信号在传播过程中会受枝叶的影响发生散射,信号受地面的影响会发生反射,还有一部分能量会沿着植被的边缘传播发生衍射。有些研究者针对某一种传播机制进行了研究。

　　A. Seville 等进行了一系列的实地试验研究 38GHz无线信号在有建筑和植被覆盖的视距范围内传播时的散射和衰减程度。Clarke等提出的 Clarke 模型是一种基于散射的统计模型,接收信号的包络服从瑞利分布。Meng YS考虑了地面反射对信号传播的影响,得出结论: 在传播距离较近时,ITU-R 模型和实测的信号衰减最为相近。随着距离的增加,由于侧面波所占比越来越大,ITU-R 模型存预测误差,对其进行改进提高了预测精度。Tamir研究了 1 ~ 100MHz频段在森林里的传播规律,考虑了地面波和天波两种传播方式。Tamir研究了无线电波在混合路经中的传播,即传播路径可能部分由森林中的植被,部分在植被的外面。

　　除了传播方式,天线的极化方向也是决定信号传播特性的主要因素。天线向周围辐射电磁波,电磁波由电场和磁场构成。人们规定: 电场的方向就是天线极化方向。电磁波的极化形式可分为线极化和圆极化波: 线性极化波分为水平极化和垂直极化; 圆极化根据电场旋转方向不同又可分为左旋和右旋圆极化波。接收天线的极化方式只有同被接收的电磁波极化形式相一致时才能有效接收到信号,否则将使接收信。Chen 和 Kuo分别在水平和垂直两种极化方式下建立了以频率和传播距离为参数的模型。蔡植荣通过在森林里进行实地试验表明,垂直极化波的森林衰减高于水平极化波的森林衰减。植被中众多枝叶随机分布,当入射信号遇到植被时,会发生去极化现象,已有多人研究了去极化现象。Caldeirinha研究表明,去极化对单棵树的二次辐射信号影响很大,即使在入射波的方向也如此。同时得出结论: 去极化的程度和波长及树的结构相关。Cadeirinha 等报告极化状态从正向区明确的椭圆极化变为侧面和背面区域的随机极化,交叉极化的去极化相对提高。

　　极化方式不同,信号传播的损耗也不同。Swarup 和Tewari在潮湿的落叶树林和热带常绿树林里对超高频/甚高频进行了实地试验,结果表明: 垂直极化比水平极化的去极化多 5 ~ 15dB,交叉极化的信号质量变坏,甚至接收不到信号。

　　5、 结果和讨论

　　对已有的无线信号在植被中传播特性的相关的研究进行了总结分析,并从研究方法、传播环境、传播尺度、传播方式及极化方向等不同角度对其进行归类比较。从研究方法上划分主要有基于实地测量的经验模型、基于传播理论的分析模型及两者相结合的半经验模型。经验模型简单易用,但应用受试验环境的限制; 分析模型计算准确,但需要一个精确的环境参数数据库提供支持。也有众多学者研究了不同频段无线信号在不同植被环境中的传播特性,包括农作物小麦、果树类橘园、苹果园、椰枣园等分布不规律的森林等不同传播环境,为相应植被环境中相关无线信号传播的应用提供支持。从传播尺度上划分主要有大尺度衰减和小尺度衰减,前者主要是指无线信号在传播距离较远时信号强度的衰减。后者主要从短距离传播时信号传播时的微观变化,如多径效应、多普勒效应等。无线信号在植被中传播过程由于散射、反射等物理现象会经由不同的路径同时传播,主要包括受地面反射的传播、穿过森林的传播及在植被侧面及顶部传播的侧面波。不同的研究者侧重不同的传播方法进行了研究,提出了新的模型,或对原来的模型进行改进,提高了模型精度。