无线传感器网络的信道模型构建方法及仿真方法

1.一种无线传感器网络的信道模型构建方法，其特征在于，所述信道模型构建方法包括：
在测试区域设置一发射节点，并在与所述发射节点相距一定距离处设置接收节点；
获取发射节点与接收节点在相距所述一定距离时的接收信号强度；
调整发射节点与接收节点之间的高度，水平距离和方向，获取不同高度、水平距离和方向下的多个接收信号强度；发射节点与接收节点之间的方向为：将以发射节点为圆心、发射节点与接收节点之间的水平距离为半径形成的圆分成四等份的四个分割线方向；
根据多个接收信号强度获取传播路径损耗；
根据所述传播路径损耗和发射节点与接收节点之间的距离构建信道模型，即对数距离路径损耗模型：
其中，d0为发射节点与接收节点之间的最小水平距离；d为发射节点与接收节点之间的水平距离；Lp(d)为发射节点与接收节点之间的距离为d时的传播路径损耗；Lp(d0)为发射节点与接收节点之间的距离为d0时的传播路径损耗；n为路径损耗指数；Xσ为由阴影衰落引起的样本标准差。
2.根据权利要求1所述的无线传感器网络的信道模型构建方法，其特征在于，发射节点与接收节点之间的水平距离范围为1m～100m。
3.根据权利要求1所述的无线传感器网络的信道模型构建方法，其特征在于，发射节点与接收节点之间的相对高度范围为5cm～1m。
4.根据权利要求1所述的无线传感器网络的信道模型构建方法，其特征在于，获取发射节点与接收节点之间高度、水平距离和方向任意组合下的接收信号强度。
5.根据权利要求4所述的无线传感器网络的信道模型构建方法，其特征在于，以发射节点与接收节点在同一高度、同一方向、不同水平距离下获取的多个接收信号强度为一组数据，获取每一组数据的平均值，根据所述对数距离路径损耗模型进行拟合分析，获取由阴影衰落引起的样本标准差和路径损耗指数。
6.根据权利要求1所述的无线传感器网络的信道模型构建方法，其特征在于，根据以下公式获取传播路径损耗：Pr＝Pt-Lp(d)；其中，Pt为发射节点的发射功率，Pr为接收节点的接收功率，Lp(d)为传播路径损耗；接收功率Pr通过接收信号强度获取，发射功率Pt为固定值。
7.一种利用权利要求1～6所述的无线传感器网络的信道模型构建方法实现的无线传感器网络的仿真方法，其特征在于，所述仿真方法包括：
判断用于无线传感器网络仿真的COOJA仿真平台中的节点库中是否存在所述测试区域内的发射节点和接收节点，若是，则直接接着执行以下步骤，若否，则将所述测试区域内的发射节点和接收节点加入COOJA仿真平台中的节点库中；
将获取的所述对数距离路径损耗模型写入COOJA场景文件；
加载测试所用的发射节点、接收节点以及所述COOJA场景文件，以模拟仿真所需的地形环境下的无线传感网络。
8.根据权利要求7所述的无线传感器网络的仿真方法，其特征在于，将所述测试区域内的发射节点和接收节点加入COOJA仿真平台中的节点库中具体包括：在COOJA的目录中分别添加发射节点和接收节点使用的处理器和使用的射频芯片。

无线传感器网络的信道模型构建方法及仿真方法
技术领域
[0001] 本发明涉及无线传感网络技术领域，特别是涉及无线传感网络测试及仿真技术领域，具体为一种无线传感器网络的信道模型构建方法及仿真方法。
背景技术
[0002] 无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)由自组织的传感器节点组成，可以用于对指定区域内的各种信号进行监测。无线信道与其工作的环境有密切的联系，在不同的环境和不同的天线高度的条件下，信号传输相同的距离所产生的传播损耗会有显著的不同，因此也会导致信号在此条件下的最大可传输距离不同。在许多应用中，需要将大量的传感器节点布设于地表或低空物体上，而在近地无线通信中，由于地形的复杂和信号在地表传播的不确定性，现有传播模型无法准确地对信道特性进行预测，因此无法预测节点之间的链路质量和连通性，这使得无线传感网的部署变得十分困难。
[0003] 无线信道模型主要有三种：一是通过分析无线电磁波传播理论的方法建立的确定性模型；二是是建立在测试数据和经验公式基础上的经验模型；三是把确定性方法用于经验模型导出的公式的半经验半确定性模型。典型的确定性模型有Ikegami模型、Walfish-Bertoni模型、COST231模型、双射线模型和多射线模型等；典型的经验模型有Okumura-Hata模型、COST231-Hata模型和对数距离路径损耗模型等。在实际应用中，经常采用半经验半确定性模型对特定环境中的无线信号传播特性进行预测。
[0004] 通过网络仿真软件模拟现实网络环境，对网络性能进行评估是提高网络规划部署质量的有效手段。但目前的无线传感网仿真研究往往是在很多假设条件下进行的，采用理论化和理想化的模型来进行仿真，这使得许多研究结果与实际应用有较大的差别。
发明内容
[0005] 鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种无线传感器网络的信道模型构建方法及仿真方法，用于解决现有技术中信道模型及网络规划部署与实际应用偏差大问题。
[0006] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种无线传感器网络的信道模型构建方法，所述信道模型构建方法包括：在测试区域设置一发射节点，并在与所述发射节点相距一定距离处设置接收节点；获取发射节点与接收节点在相距所述一定距离时的接收信号强度；调整发射节点与接收节点之间的高度，水平距离和方向，获取不同高度、水平距离和方向下的多个接收信号强度；根据多个接收信号强度获取传播路径损耗；根据所述传播路径损耗和发射节点与接收节点之间的距离构建信道模型，即对数距离路径损耗模型：
[0007]
[0008] 其中，d0为发射节点与接收节点之间的最小水平距离；d为发射节点与接收节点之间的水平距离；Lp(d)为发射节点与接收节点之间的距离为d时的传播路径损耗；Lp(d0)为发射节点与接收节点之间的距离为d0时的传播路径损耗；n为路径损耗指数；Xσ为由阴影衰落引起的样本标准差。
[0009] 优选地，发射节点与接收节点之间的水平距离范围为1m～100m。
[0010] 优选地，发射节点与接收节点之间的相对高度范围为5cm～1m。
[0011] 优选地，发射节点与接收节点之间的方向为：将以发射节点为圆心、发射节点与接收节点之间的水平距离为半径形成的圆分成四等份的四个分割线方向。
[0012] 优选地，获取发射节点与接收节点之间高度、水平距离和方向任意组合下的接收信号强度。
[0013] 优选地，以发射节点与接收节点在同一高度、同一方向、不同水平距离下获取的多个接收信号强度为一组数据，获取每一组数据的平均值，根据所述对数距离路径损耗模型进行拟合分析，获取由阴影衰落引起的样本标准差和路径损耗指数。
[0014] 优选地，根据以下公式获取传播路径损耗：Pr＝Pt-Lp(d)；其中，Pt为发射节点的发射功率，Pr为接收节点的接收功率，Lp(d)为传播路径损耗；接收功率Pr通过接收信号强度获取，发射功率Pt为固定值。
[0015] 本发明还提供一种利用所述的无线传感器网络的信道模型构建方法实现的无线传感器网络的仿真方法，所述仿真方法包括：判断用于无线传感器网络仿真的COOJA仿真平台中的节点库中是否存在所述测试区域内的发射节点和接收节点，若是，则直接接着执行以下步骤，若否，则将所述测试区域内的发射节点和接收节点加入COOJA仿真平台中的节点库中；将获取的所述对数距离路径损耗模型写入COOJA场景文件；加载测试所用的发射节点、接收节点以及所述COOJA场景文件，以模拟仿真所需的地形环境下的无线传感网络。
[0016] 优选地，将所述测试区域内的发射节点和接收节点加入COOJA仿真平台中的节点库中具体包括：在COOJA的目录中分别添加发射节点和接收节点使用的处理器和使用的射频芯片。
[0017] 如上所述，本发明的一种无线传感器网络的信道模型构建方法及仿真方法，具有以下有益效果：
[0018] 本发明通过调整发射节点与接收节点之间的高度，水平距离和方向，可以获取不同高度、水平距离和方向下的多个接收信号强度，在尽量减少测量次数的情况下有效提高测量精度，并以此来构建当前地形环境下的特定天线高度情况的路径损耗模型，使得仿真中的信道模型反映实际情况，可以模拟实验所用的节点在特定地形环境下的组网，便于对无线传感网的部署。并通过在此地形下建立不同的拓扑，进行网络性能评估。
附图说明
[0019] 图1显示为本发明的一种无线传感器网络的信道模型构建方法的流程示意图。
[0020] 图2显示为本发明的一种无线传感器网络的仿真方法的流程示意图。
具体实施方式
[0021] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0022] 本发明的目的在于提供一种无线传感器网络的信道模型构建方法及仿真方法，用于解决现有技术中信道模型及网络规划部署与实际应用偏差大问题。以下将详细描述本发明的一种无线传感器网络的信道模型构建方法及仿真方法的原理和实施方式，使本领域技术人员不需要创造性劳动即可理解本发明的一种无线传感器网络的信道模型构建方法及仿真方法。
[0023] 无线传感网络可能工作在各种不同的环境中，因此需要对不同地形环境下的信道特征进行表述建立特定地形下的无线传播模型。通常需要对无线信号的强度进行测量分析，以获得通信时的链路损耗，并预测出无线传感器网络的覆盖范围，这样才能根据特定环境下的实际信道模型指导无线传感网的部署，以达到预期的效果。
[0024] 如图1所示，本实施例提供一种无线传感器网络的信道模型构建方法，本实施例可能需要部署在不同的环境中进行监测，包括：平坦水泥地、城市建筑物环境、草地、轻微起伏的土地、小山丘地形等等。需要针对特定的地形环境进行测试和路径损耗模型的建模。具体地，在本实施例中，所述信道模型构建方法包括以下步骤。
[0025] 步骤S11，在测试区域设置一发射节点，并在与所述发射节点相距一定距离处设置接收节点。优选地，发射节点与接收节点之间的水平距离范围为1m～100m。在待测区域内选择一个点放置发射节点，以发射节点为圆心、100m为半径的圆作为测试场地，也就是，在发射节点100m半径内的区域放置接收节点。本发明采用的测试主要由无线发射节点和无线接收节点组成，接收节点与笔记本电脑连接，通过获取正常通信情况下接收节点收到的数据包的RSSI值来测试传播路径损耗。
[0026] 此外，在本实施例中，选定无线传感网的节点采用Silicon Labs的SI 4432为发射和接收的射频芯片，采用MSP430F5438为主控制器芯片。接着执行步骤S12。
[0027] 步骤S12，获取发射节点与接收节点在相距所述一定距离时的接收信号强度，即RSSI值。基于RSSI(Received Signal Strength Indication，接收信号强度指示)的无线信号强度测试方法是一项低成本、简单易行的测试技术，可以用来判定链路质量，以及是否增大广播发送强度等，还可以通过接收到的信号强弱测定信号点与接收点的距离。本发明是基于RSSI的无线信号强度测试方法来进行路径损耗模型的构建，利用在接收端获取当前信道的RSSI值来对无线链路进行测试，然后将多点的实测结果进行拟合建模，最终获得当前信道的无线链路损耗模型。
[0028] 在步骤S12中，初始测试时，最好测试接收节点与发射节点相距d0＝1m时的RSSI值，选取特定的发射节点天线高度和接收节点天线高度进行测试。
[0029] 具体地，在本实施例中，发射节点与接收节点之间的相对高度范围为5cm～1m。发射节点与接收节点之间的方向为：将以发射节点为圆心、发射节点与接收节点之间的水平距离为半径形成的圆分成四等份的四个分割线方向，即以发射节点为圆心，做出4条射线，将以发射节点为圆心的圆分成四个圆心角为90度的区域。
[0030] 步骤S13，调整发射节点与接收节点之间的高度，水平距离和方向，获取不同高度、水平距离和方向下的多个接收信号强度；
[0031] 可以沿着相同的方向，改变接收节点与发射节点的水平距离d，进行测试，记录不同水平距离下的RSSI数据。
[0032] 具体地，在本实施例中，发射节点和接收节点的天线高度分别设置为5cm、50cm和
1m，以反映传感器节点在贴近地面时的信号传播情况。要进行发射节点和接收节点的天线高度对等和不对等情况下的信号强度测量，即：发射节点的天线高度为5cm，接收节点的天线高度也为5cm；发射节点的天线高度为5cm，接收节点的天线高度为50cm；发射节点的天线高度为5cm，接收节点的天线高度为1m；发射节点的天线高度为50cm，接收节点的天线高度也为50cm；发射节点的天线高度为50cm，接收节点的天线高度为1m；发射节点的天线高度为
1m，接收节点的天线高度也为1m。测试时发射节点和接收节点的天线高度分别设定为5cm、
50cm和1m，分别反应了不同形式的传感网应用，对于实际部署更有指导意义。
[0033] 进一步地，在步骤S13中，测试水平距离d分为0～10m、10m～50m、50m～100m三个区间，在这三个区间中的测试距离间隔分别为1m、5m和10m。因此，对于同一种天线高度的情况，每个方向有23个测点，四个方向共有92个测点。获取发射节点与接收节点之间高度(天线高度)、水平距离和方向任意组合下的接收信号强度。这样的分段测量方法能够在尽量减少测量次数的情况下有效提高测量精度。
[0034] 步骤S14，根据多个接收信号强度获取传播路径损耗。具体地，根据以下公式获取传播路径损耗：Pr＝Pt-Lp(d)；其中，Pt为发射节点的发射功率，Pr为接收节点的接收功率，Lp(d)为传播路径损耗，它是水平距离d的函数。接收功率Pr通过接收信号强度获取，发射功率Pt为固定值。
[0035] 接收功率Pr可由测试得到的RSSI值获得，由于发射功率固定，因此由公式Pr＝Pt-Lp(d)可以求出距离发射节点水平距离为d处的传播路径损耗Lp(d)。
[0036] 步骤S15，根据所述传播路径损耗和发射节点与接收节点之间的距离构建信道模型，即对数距离路径损耗模型：
[0037]
[0038] 其中，d0为发射节点与接收节点之间的最小水平距离，在本实施例中取为1m；d为发射节点与接收节点之间的水平距离；Lp(d)为发射节点与接收节点之间的距离为d时的传播路径损耗；Lp(d0)为发射节点与接收节点之间的距离为d0时的传播路径损耗；n为路径损耗指数；Xσ为由阴影衰落引起的样本标准差，一般认为符合零均值的高斯分布。
[0039] 以发射节点与接收节点在同一高度、同一方向、不同水平距离下获取的多个接收信号强度为一组数据，获取每一组数据的平均值，根据所述对数距离路径损耗模型进行拟合分析，获取由阴影衰落引起的样本标准差，并计算路径损耗指数。这样就得到了当前地形环境下的特定天线高度情况的对数距离路径损耗模型，使得仿真中的信道模型反映实际情况。
[0040] 本实施例还提供一种利用所述的无线传感器网络的信道模型构建方法实现的无线传感器网络的仿真方法，在本实施例中，采用COOJA软件平台对无线传感器网络进行仿真。
[0041] COOJA是一个基于java的仿真软件，用来模拟运行着Contiki系统的无线传感器网络。Contiki是一种适用于微小型传感器节点的灵活的轻量级的操作系统，并且可以兼容IPv6。COOJA可以对不同硬件平台节点组成的无线传感器网络进行仿真，并且所仿真的节点功能可以根据需求随时扩展和变更。COOJA的运行不依赖于任何硬件设备，这使得研究开发人员对于Contiki网络的开发和测试变得简单并且可控，也为算法的验证工作提供了可视化的便利条件。
[0042] 本实施例中的仿真方法是在本实施例中信道模型，即对数距离路径损耗模型建立好以后进行的，将获取的节点和节点在需要地形下的对数距离路径损耗模型加入COOJA中进行仿真，具体地，在本实施例中，如图2所示，所述仿真方法包括：
[0043] 步骤S21，判断用于无线传感器网络仿真的COOJA仿真平台中的节点库中是否存在所述测试区域内的发射节点和接收节点，若是，则直接接着执行步骤S23，若否，则接着执行步骤S22。
[0044] COOJA中已经内置了许多节点，例如Tmote sky节点、Z1节点等，如果采用的是COOJA中已有的节点，则可以直接使用，否则需要将实验使用的节点加入COOJA的节点库中。
[0045] 检查仿真所使用的节点是不是COOJA中已有的节点，在/contiki/platform目录中查看。如果是已有的节点，则只需写地形场景文件即可，否则还需在库中添加所使用的节点。
[0046] 步骤S22，将所述测试区域内的发射节点和接收节点加入COOJA仿真平台中的节点库中；将所述测试区域内的发射节点和接收节点加入COOJA仿真平台中的节点库中具体包括：在COOJA的目录中分别添加发射节点和接收节点使用的处理器和使用的射频芯片。
[0047] 具体地，在/contiki/cpu/目录中添加节点使用的处理器，在/contiki/core/dev/目录中加入节点使用的射频芯片，例如，本实例中使用的MSP430F5438为主控制器芯片在COOJA中已有，所以只需要编写SI 4432射频芯片的功能模块加入COOJA中。
[0048] 步骤S23，将获取的所述对数距离路径损耗模型写入COOJA场景文件。也就是将所测地形环境的所述对数距离路径损耗模型导入COOJA中。
[0049] 更近一步地，在/contiki/tools/cooja/java/se/sics/cooja/radiomediums目录中编写反映相应路径损耗模型的Java类文件。
[0050] 步骤S24，加载测试所用的发射节点、接收节点以及所述COOJA场景文件，以模拟仿真所需的地形环境下的无线传感网络。也就是在仿真运行时选择加载测试所用的节点和带有所需环境无线链路损耗情况的场景文件，这样就能在COOJA仿真中模拟实验所用的节点在特定地形环境下的组网，并通过在此地形下建立不同的拓扑，进行网络性能评估。
[0051] 本发明通过在特定地形环境下，对节点进行信号强度的测试，并采用对数距离损耗模型对数据进行建模处理，得到无线传感器节点在特定地形条件下的信道模型，并能在COOJA仿真平台上进行仿真，使得网络部署人员可以基于节点在此环境中的实际链路损耗情况进行部署，大大提升了网络规划部署的有效性，便于验证各种部署方案的优劣。
[0052] 此外，本发明通过调整发射节点与接收节点之间的高度，水平距离和方向，可以获取不同高度、水平距离和方向下的多个接收信号强度，在尽量减少测量次数的情况下有效提高测量精度，并以此来构建当前地形环境下的特定天线高度情况的路径损耗模型，使得仿真中的信道模型反映实际情况，可以模拟实验所用的节点在特定地形环境下的组网，便于对无线传感网的部署。并通过在此地形下建立不同的拓扑，进行网络性能评估。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0053] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。