0、 引言

隨著信息技術、通信技術、嵌入式技術等的飛速發展,無線信號通訊以其靈活、便捷的優勢越來越多地應用到人們的日常工作生活中。然而,無線信號在傳播過程中由于不同障礙物的影響會發生不同程度的反射、散射、被吸收等物理現象,信號會發生能量損耗。相對于有線信道,無線信道缺乏固定性和易于預測性,存在著很大的隨意性和分析困難性。所以,在無線通信系統的相關工作中,無線信號在不同傳播環境中傳播特性的研究已經成為國內外研究者的研究熱點。

農田環境復雜,除了不同的地勢、天氣狀況,植被本身也是影響信號傳播的主要因素。很多應用都需要無線信號在植被中的傳播特性作為支持,如無線移動設備和基站之間的通訊、農田中無線傳感器網絡\\(WSN\\) 的應用及地面衛星的通信等。本文比較分析了國內外無線信號在植被環境中傳播特性的研究現狀,分別從研究方法、傳播環境、衰減尺度及方式等多個角度進行歸類分析。

1、 按研究方法劃分

按照研究方法劃分,可把已有的模型劃分為理論模型、經驗模型及半經驗模型。理論模型關注無線信號在傳播過程中所發生的反射、散射及被吸收等物理現象,通過推理計算出信號傳播特性; 經驗模型主要通過大量實地試驗,對試驗結果進行分析比較,得出用于預測無線信號傳播規律的經驗模型。理論模型計算精確,但需要一些精準的傳播環境參數數據庫;經驗模型較理論模型簡單,但其應用會受到試驗環境的限制。

1. 1 理論模型

物理模型從對植被特性的描述方面可以分為兩類。第 1 類把植被描述為均勻的或不均勻的材料。

Calvaceante 和 Giarola把冠層劃分為 3 層,每一層都描述為各向同性且具有相同電氣特性的材料。第 2類把植被看作具有不同特性的材料的混合物。La-grone和 Matzler把樹木冠層看作樹干、葉子和空氣的混合物,每一種材料用一種簡單的幾何形狀表示,并含有復雜的導電率、有效的容積率及它所包含元素空間方向的統計分布。第 2 種方法能給出精準的預測,但是需要一個精準且復雜的植被參數數據庫。

理論模型是深入分析電磁波在媒介中傳播時所發生的物理過程的傳播理論,需要用數值分析方法來建立復雜的數學公式。按照不同的傳播理論劃分,有基于幾何和統一理論衍射的\\(GTD/UTD\\)、基于輻射能量傳輸理論的\\(RET\\)、基于全波解決方案的和基于物理光學的。一個常用的理論模型是自由環境傳播模型,以頻率和傳距離為參數。Karam提出了基于輻射能量傳輸理論的信號衰減模型。AL-NUAIMI 等使用基于輻射能量傳輸理論的信號衰減模型解釋實地試驗結果。MATSCHEK等考慮了直達波和測面波兩種傳播方式,提出了一個基于 UTD的新的模型。Saúl A. Torrico 等人提出了一個用于計算有植被的居住環境的路徑損耗模型,使用物理光學評估接收端的衍射場。Saúl A. Torrico 等人提出了一種理論模型預測 2GHz 無線信號在樹冠層傳播的具體的衰減,果樹的冠層被認為是具有約定位置和方向的葉子和樹枝的總合,并給出了詳細的用于計算冠層所引起衰減的具體公式。結果表明: 衰減程度和頻率、極化方向、樹枝和葉子的電氣幾何特性、樹木的生理參數、以平面波的入射角為參考的枝葉的靜態分布相關。Kin Lien Chee等人研究了農村復雜地形中植被對 3. 5GHz 無線信號傳播的影響。植被的衰減通過結合 Terrico-Lang 理論模型和數字地形信息進行計算。理論模型大多需要較多的參數,計算復雜,但計算精確。

1. 2 經驗模型

理論模型雖然計算準確,但需要精確的環境參數數據庫且涉及大量的參數; 但很多參數很難通過測量準確地獲取。經驗模型比理論模型簡單易用,已有很多學者進行了實地試驗,并得出具有一定應用范圍的經驗模型。Weissberger提出了以頻率\\(GHz\\) 和傳播距離\\(m\\) 為參數評估由植被所引起的額外衰減的模型。Cost235 模型考慮有葉子和無葉子兩種情況下由植被所引起的額外衰減。根據 ITU-R 建議,Al-Nuaimi 和 Stephens通過對 11. 2、20GHz 的頻段的試驗測量建立了以頻率\\(MHz\\) 和傳播距離\\(m\\) 為參數的 FITU-R 模型。Meng 等通過 240MHz 和700MHz 的測量數據優化了這個公式,使它適合甚高頻 VHF 和超高頻段 UHF,并考慮了沿著樹頂部傳播的側面波。Chen 和 Kuo給出了在水平和垂直極化兩種情況下的模型,模型以頻率\\(GHz\\) 和傳播距離\\(m\\) 為參數。蔡植榮等在中原地區的森林里進行了實地試驗,研究頻率、極化方向、天線高度及傳播距離對信號傳播的影響。結果表明: 350m 以內時,無線電波以直射波為主要傳播方式,射頻信號呈指數形式快速衰減; 距離大于 350m 時,以側面波為主要傳播方式,電波隨距離以對數形式的衰減規律變化,并給出了用于預測森林中信號強度的信號衰減模型。

還有一些學者針對不同類型的植被進行試驗,研究無線信號在不同植被中的傳播特性。李偲鈺等通過實地試驗和回歸分析研究了 2. 4GHz 無線信號在不同生育期的小麥田中的傳播特性,得出結論: 信號衰減的速度隨天線高度的變化單調遞減,而傳輸距離隨天線高度的變化單調遞增; 同一天線高度下,小麥生長后期無線信號的衰減大于前期。2. 4GHz 無線信號的衰減情況可用對數距離路徑損耗模型來預測,理論值與測量值的相關系數在 0. 961 ~ 0. 996 之間。路徑損耗指數與天線高度呈現對數衰減趨勢; 在同一天線高度下,路徑損耗指數隨著小麥的生長而增大。文韜等為解決橘園中無線傳感器網絡的規劃和快速部署問題,研究了橘園中 WSN 射頻信號與影響因素間的關系,建立了橘園中不同影響因素作用下 433MHz 無線射頻信號接收強度與環境傳播因子及通信距離間的線性模型,擬合曲線的 R2最低為 0. 797,最高為 0. 980,驗證了此模型用來預測橘園中影響因素對接收信號強度衰減趨勢的可行性。同時,得到了基于無線射頻信號接收強度指示下不同植被深度、天線高度和通信距離變化聯合作用下的最佳天線高度分布表,為無線傳感器網絡在橘園中的節點部署提供指導。Pedro Andrade-Sanchez等在不同的植被環境包括空地、葡萄園及蘋果園,不同的地勢\\(平地及復雜的地勢\\) 、不同的天氣狀況下進行了一系列的試驗,測量900MHz 及 2. 4GHz 無線信號的 WSN 的丟包率和接收信號強度,以評估 WSN 的效率。Joaquim等人關注樹木樹干層對無線信號傳播特性的影響,對多達松樹、山毛櫸、橡樹等 10 余種類的樹林的冠層進行實地試驗,得出了信號衰減模型,并把反映傳播環境的參數-樹的密度和樹干的平均直徑的乘積引入了模型中。Suwalak 等測量了 5. 8GHz 無線信號在榴蓮果園中的傳播并得出了合適的傳播模型,為榴蓮果園中無線系統的應用和配置提供了重要的依據。

研究無線信號在不同植被類型中的傳播特性能為無線通信系統在各自傳播環境中的應用提供支持。植被種類復雜多樣,提取不同植被環境中對信號傳播影響的本質及關鍵因素,建立較通用的信號傳播模型能擴大經驗模型的適用性。

1. 3 半經驗模型

半經驗模型是根據所測量的數據得出的,易于應用。盡管沒有考慮電磁波在傳播過程中的物理過程,但它是基于同質媒介的吸收和散射的特性。這些模型都是較新的,大多使用最近測量的數據計算得出的。非零傾斜\\(NZG\\)和雙傾斜模型\\(DG\\)都屬于半經驗模型。DG 模型考慮了具體的幾何形狀,包含了一個稱作照明寬度的參數,它能給出一個評估收發點間包含波速寬度植被的體積的評估。DG 模型的存在一個缺點,額外衰減和信號頻率含有相反的關系,這和已有的其它模型或者測量的實際數據相矛盾。Stephens 和 Al-Nuaimi對 11. 2、20GHz 在植被中的傳播進行了測量,最大衰減率和非零梯度模型用于擬合測量的數據并進行了對比。

2、 按傳播環境劃分

從植被類型上劃分,有研究不同的植被類型對信號傳播的影響。植被中樹木的分布不同,則對信號傳播的影響也不同。已有很多關于不同分布的樹林對信號傳播規律的研究,如單棵樹、一列樹及隨機分布的樹叢等。Stephens 等研究了單棵樹對 20GHz 射頻的去極化特性。Caldeirinha 等提出了一個基于 RET 理論的分析模型來預測單棵樹的散射特性,這種方法的實現有助于很好地理解無線電波的傳播機制。

信號在近地傳播過程中,由于地面的吸收能量及反射的作用,會對信號傳播產生很大的影響。有一些學者專門進行了無線信號近地傳播特性的研究。

TEWARI等在印度的熱帶雨林中進行了大量天線高度增益的實地測量,信號頻率在 50 ~ 80MHz,天線高度為 1. 5 ~16. 5m。建立了天線高度及信號頻率與天線高度增益之間的函數關系模型。Meng YS等通過實地測量了 VHF 和 UHF 帶寬信號在一個熱帶種植園中的近地傳播。同時考慮了由植被所引起的額外衰減及地面的影響,分析結果表明信號損耗和考慮了地面反射的 ITU-R 模型最為接近?？紤]到側面波的傳播,對 ITU-R 模型進行了修改,提高了模型的精度。Joshi 等對比分析了視距和森林兩種環境下窄帶信號 300MHz 和寬帶信號 1 900MHz 在近地傳播的特性,得出結論為: 信號衰減和天線高度的平方值成反比。

天氣狀況也是影響信號傳播的主要因素。Joshi等研究了降雨對 1 900MHz 無線信號在森林環境中近地傳播的影響,結果表明: 樹葉是否潮濕對無線信號的散射影響不大。Yu Song Meng等通過測量不同天氣狀況下 VHF 在熱帶森林中傳播時的功率衰減剖面圖發現,側面波是 VHF 傳播的主要方式,降雨對它的影響很小; 而穿過森林傳播的多徑傳播部分受雨水的影響很大。Al-Basheir 等測量了 2. 1GHz 無線信號在椰棗樹中傳播的額外衰減,使用試驗結果對指數衰減模型和最大衰減模型進行了驗證。YuSong Meng等關注了熱點雨林中風和雨對 VHF 和UHF 傳播特性的影響,結果表明: 風雨會造成無線信號在森林中傳播產生額外的衰減,衰減程度隨著頻率的增加而增加。同時,對由于風雨的變化而造成的時間衰減部分進行了統計建模。Meng 等研究表明,雨水對甚高頻段在熱帶雨林中的傳播的各個成分影響不同。通過測量不同天氣情況下的能量延遲剖面得知: 側面波是甚高頻傳播的主要方式,不受雨水的影響。

3、 按尺度劃分

從傳播距離和時間上劃分,信號傳播可以劃分為大尺度衰減和小尺度衰減。大尺度傳播模型描述發射機和接收機之間長距離上的場強變化的模型,用于測量發射機和接收機之間信號的平均衰落。它主要研究收發天線高度、傳播距離及傳播環境和信號強度衰減之間的關系模型。大尺度模型能為無線通訊在實際應用中的收發天線的部署、功率控制、傳輸可靠性等提供支持。郭秀明等為解決蘋果園中無線傳感器網絡的規劃和部署問題,研究了蘋果成熟時蘋果園中 2. 4GHz 無線信道在不同高度的信號衰減和丟包率情況。結果表明: 蘋果園中天線最宜部署在高約 3m 處的冠層頂部或略高于此,其次為高度大于 2. 25m 的冠層上部且較高的位置。同時,建立了用于預測 2. 4GHz 信號在成熟期果園中的信號衰減模型并用額外的數據進行了驗證。張水保等針對溫室環境中無線信號會因為植物的密集度、高度、距離而出現一定程度的衰減影響網絡性能的問題,應用CC2430 芯片測量不同條件下接收功率數據,研究植物障礙物與信號源之間的距離同 2. 4GHz 信號衰減之間的關系,實驗結果為節點有效部署和網絡拓撲結構優化提供有力依據。

小尺度衰落指的是信號在小尺度區間\\(距離或時間的微小變化\\) 接收信號場強瞬時值的快速變化特性,包括振幅、相位、頻率、多徑所造成的延遲等等。

影響小尺度衰落的最重要的兩個要素就是多徑效應和多普勒效應。多徑效應是指無線信道在傳播過程中,由于反射或者折射,在發射機和接收機之間不會只有單一視距傳輸路徑,會形成的多種不同的傳輸路徑,它造成各路徑到達信號有不同的振幅、相位和時間延遲,因此會產生信號的時間色散效應與頻率選擇性衰減; 多普勒效應則會產生信號的頻率色散效應與時間選擇性衰減。這 4 種效應同時存在,某種效應的凸顯取決于傳輸信號的頻率帶寬和碼元周期。

4、按傳播方式及極化方向劃分

在植被中傳播時,無線電波有多種傳播機制,如圖 1 所示。穿越植被的信號在傳播過程中會受枝葉的影響發生散射,信號受地面的影響會發生反射,還有一部分能量會沿著植被的邊緣傳播發生衍射。有些研究者針對某一種傳播機制進行了研究。

A. Seville 等進行了一系列的實地試驗研究 38GHz無線信號在有建筑和植被覆蓋的視距范圍內傳播時的散射和衰減程度。Clarke等提出的 Clarke 模型是一種基于散射的統計模型,接收信號的包絡服從瑞利分布。Meng YS考慮了地面反射對信號傳播的影響,得出結論: 在傳播距離較近時,ITU-R 模型和實測的信號衰減最為相近。隨著距離的增加,由于側面波所占比越來越大,ITU-R 模型存預測誤差,對其進行改進提高了預測精度。Tamir研究了 1 ~ 100MHz頻段在森林里的傳播規律,考慮了地面波和天波兩種傳播方式。Tamir研究了無線電波在混合路經中的傳播,即傳播路徑可能部分由森林中的植被,部分在植被的外面。

除了傳播方式,天線的極化方向也是決定信號傳播特性的主要因素。天線向周圍輻射電磁波,電磁波由電場和磁場構成。人們規定: 電場的方向就是天線極化方向。電磁波的極化形式可分為線極化和圓極化波: 線性極化波分為水平極化和垂直極化; 圓極化根據電場旋轉方向不同又可分為左旋和右旋圓極化波。接收天線的極化方式只有同被接收的電磁波極化形式相一致時才能有效接收到信號,否則將使接收信。Chen 和 Kuo分別在水平和垂直兩種極化方式下建立了以頻率和傳播距離為參數的模型。蔡植榮通過在森林里進行實地試驗表明,垂直極化波的森林衰減高于水平極化波的森林衰減。植被中眾多枝葉隨機分布,當入射信號遇到植被時,會發生去極化現象,已有多人研究了去極化現象。Caldeirinha研究表明,去極化對單棵樹的二次輻射信號影響很大,即使在入射波的方向也如此。同時得出結論: 去極化的程度和波長及樹的結構相關。Cadeirinha 等報告極化狀態從正向區明確的橢圓極化變為側面和背面區域的隨機極化,交叉極化的去極化相對提高。

極化方式不同,信號傳播的損耗也不同。Swarup 和Tewari在潮濕的落葉樹林和熱帶常綠樹林里對超高頻/甚高頻進行了實地試驗,結果表明: 垂直極化比水平極化的去極化多 5 ~ 15dB,交叉極化的信號質量變壞,甚至接收不到信號。

5、 結果和討論

對已有的無線信號在植被中傳播特性的相關的研究進行了總結分析,并從研究方法、傳播環境、傳播尺度、傳播方式及極化方向等不同角度對其進行歸類比較。從研究方法上劃分主要有基于實地測量的經驗模型、基于傳播理論的分析模型及兩者相結合的半經驗模型。經驗模型簡單易用,但應用受試驗環境的限制; 分析模型計算準確,但需要一個精確的環境參數數據庫提供支持。也有眾多學者研究了不同頻段無線信號在不同植被環境中的傳播特性,包括農作物小麥、果樹類橘園、蘋果園、椰棗園等分布不規律的森林等不同傳播環境,為相應植被環境中相關無線信號傳播的應用提供支持。從傳播尺度上劃分主要有大尺度衰減和小尺度衰減,前者主要是指無線信號在傳播距離較遠時信號強度的衰減。后者主要從短距離傳播時信號傳播時的微觀變化,如多徑效應、多普勒效應等。無線信號在植被中傳播過程由于散射、反射等物理現象會經由不同的路徑同時傳播,主要包括受地面反射的傳播、穿過森林的傳播及在植被側面及頂部傳播的側面波。不同的研究者側重不同的傳播方法進行了研究,提出了新的模型,或對原來的模型進行改進,提高了模型精度。