玉米大田无线传感器网络信道多尺度衰落模型的建模方法

摘要

本发明涉及通信领域，公开一种玉米大田无线传感器网络信道多尺度衰落模型的建模方法，具体包括：S1.根据采样区域内影响无线信号传播的环境因子，提取造成信道时空差异化的关键因子；S2.在不同环境因子及关键因子条件下，采集采样区域内的无线信号传播特征数据；S3.根据采集的数据及所述关键因子，进行信道多尺度衰落模型建模。本发明可以实现对玉米大田渐变环境中无线传感器网络信号传输的公式化建模，为无线传感器网络监测应用中节点部署、拓扑控制、路由选择等提供信道理论支撑。

主权项

玉米大田无线传感器网络信道多尺度衰落模型的建模方法，其特征在于，该方法包括：S1.根据采样区域内影响无线信号传播的环境因子，提取造成信道时空差异化的关键因子；S2.在不同环境因子及关键因子条件下，采集采样区域内的无线信号传播特征数据；S3.根据采集的数据及所述关键因子，进行信道多尺度衰落模型建模；在步骤S1中，所述环境因子包括采样区域内作物的高度H_p、作物的叶面积A_l、作物的茎秆面积A_c、作物的果实表面积A_f、采样区域内土地面积A_G、发射天线与接收天线之间的距离d；所述关键因子包括作物的遮挡高度H_b、作物的表面积密度指数PSAD，所述H_b＝H_a‑H_p，其中H_a为天线高度，所述PSAD的计算公式如下：$PSAD=\frac{A_l+A_c+A_f}{A_G\times H_p};$在步骤S2中，所述采样区域包括H_b＞0的采样区域及H_b＜0的采样区域，所述无线信号传播特征数据包括H_b＞0的采样区域的无线信号传播特征数据及H_b＜0的采样区域的无线信号传播特征数据；在步骤S2和步骤S3之间，该方法进一步包括：S21.在所述H_b＞0的采样区域，进行信道大尺度衰落PL_b的计算；S22.获取所述H_b＞0的采样区域的无线信号传播特征数据，对采集的数据进行拟合，得到信道大尺度衰落模型；在步骤S21中，所述信道大尺度衰落PL_b为：${\mathrm{PL}}_b=10·lg\left(\frac{P_s}{P_r}\right)$其中，P_s为发射天线的发射功率，P_r为接收天线接收到的无线信号的功率模型；所述$P_r=\frac{P_s{G}_s{G}_r{\lambda }^2}{{\left(4\pi \right)}^2{d}^n};$其中，G_s、G_r分别为发射天线和接收天线增益，λ为波长，d为发射天线与接收天线之间的距离，n为衰落因子；所述步骤S22包括：获取所述H_b＞0的采样区域的无线信号传播特征数据，用所述无线信号传播数据对所述P_r进行拟合，得到衰落因子n与H_b、PSAD的函数关系：n＝a·ln(H_b)+b·ln(PSAD)+c所述信道大尺度衰落模型为：PL＝(a·ln(H_b)+b·ln(PSAD)+c)lgd+A其中，H_b＞0，PL为发射天线发出的无线信号的衰落，a、b和c为拟合系数，所述拟合系数根据作物生长阶段对应的PSAD确定，H_b为遮挡高度；其中，$A=20\lg f-10\lg \left[\frac{G_s{G}_r^{2}c}{{\left(4\pi \right)}^2}\right],$f为无线信号频率，G_s、G_r分别为发射天线和接收天线增益，c为光速常数；所述步骤S3包括：S31.根据接收天线接收到的无线信号的包络总功率P，所述包络总功率P包括大尺度分量功率P_b及小尺度多径噪声功率P_m，构建所述P_m的模型：$P_m=\frac{P-P_b}{2}$其中，所述P的公式如下：$P=P_s.\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{l}_i^2$其中，P_s为发射天线的发射功率，N为多径路径的条数；l_i为第i条路径的反射衰落系数；S32.根据所述P_m，构建信噪比SNR模型；$SNR=\frac{P_b}{P_m+AWGN};$其中，AWGN为加性高斯白噪声；S33.根据所述SNR，构建误包率PER模型；$PER=\frac{(M-1)}{2}\times e^{-\frac{SNR}{2}};$其中，M为调制多相系数；S34.获取所述H_b＜0的采样区域的无线信号传播特征数据，得到接收天线的误包率PER实测值；根据H_b＜0的采样区域中环境关键因子H_b、PSAD，以及信道大尺度衰落模型，得到所述大尺度分量功率P_b的预测值P_b’；S35.根据所述PER实测值及所述大尺度分量功率P_b的预测值P_b’，对所述PER模型及P_m模型进行曲线拟合，得到信道多尺度衰落模型：$PL=(a^{\prime }·ln(H_b)+b^{\prime }·ln\left(PSAD\right)+c^{\prime })lgd+lg(i·e^{H_b}+j·e^{PSAD}+k)+B$其中，H_b<0，PL为发射天线发出的无线信号的衰落，a’、b’、c’、i、j、k为拟合系数，所述拟合系数根据作物生长阶段对应的PSAD确定；其中，$B=20lgf-10lg\left[\frac{G_{sr}{\mathrm{GC}}^2}{{\left(4\pi \right)}^2}\right]+lg\frac{2}{3},$f为无线信号频率，G_s为发射天线增益，c为光速常数。