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近地无线信道的电波传播特性研究

作　者: 孔祥善
导　师: 张志杰；王代华
学　校: 中北大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 无线传感器网络地表无线信号传播信号强度测试无线信道建模
分类号: TP212.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着无线通信技术的发展,无线传感器网络技术在测试测量中的应用日趋广泛。针对某些特殊的测量环境,利用无线传感器网络实现区域信号的采集和监测比使用有线的方式更显优势。然而,无线通信系统的性能很大程度上会受到信道特性的制约。为了实现对布设环境中物理信号的监测,很多时候都需将大量的无线传感器节点布设于地表或低空物体上。针对这种特殊的测试环境,即使周围没有复杂的地形地势,收发节点间的电波传播也会受到较大的影响。大量实验表明,当天线近地架设时,由于地表传播的不确定性和阴影衰落分布的复杂性,使得节点间的连通程度和链路质量都无法用现有模型进行预测。本文针对平坦开阔地环境,利用理论分析和现场实测相结合的方法对无线传感器节点近地布设时信号传输的链路损耗及节点的覆盖范围进行了研究。为获得无线链路的传播损耗,设计了无线信号强度测试系统。该系统具有低成本、小体积、低功耗、高精度、便携式、带数显功能等特点。利用它可以测量任意点处的接收信号强度值,根据多点实测的数据结果拟合得到当前信道的信号传播模型,从而获得无线电波在传播时的链路损耗特性及其规律,进而完成对无线节点覆盖范围的预测。通过对不同环境、不同天线高度下2.4GHz无线信号在传播时链路损耗的实测分析,得出当前无线信道的传播模型。测试和数据处理结果表明,近地无线信道同传统蜂窝信道存在较大差别,但仍可用对数距离路径损耗模型进行表征。最后利用对比分析的方法直观地描述了不同环境中、不同天线高度下无线链路的损耗情况。通过实测和预测结果的对比指出了建模的重要性和模型预测的准确程度。所得结果有助于研究近地无线信道的传播特性,同时也为近地无线传感器网络的设计规划提供了依据。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-17
  1.1 课题的研究背景及意义  10-12
  1.2 无线传播模型的现状和不足  12-15
    1.2.1 无线传播模型的发展现状  12-14
    1.2.2 特殊应用环境下无线信道模型存在的问题  14-15
  1.3 本文的主要工作及章节安排  15-16
  1.4 本章小结  16-17
第二章无线信号传播模型及信道测试方案概述  17-34
  2.1 无线电波传播特性及损耗分析  17-26
    2.1.1 无线电波传播特性概述  17-18
    2.1.2 无线电波衰落特性分析  18-21
    2.1.3 无线电波传播链路损耗分析  21-24
    2.1.4 2.4GHz无线电波近地传播特性分析  24-26
  2.2 国内外典型传播模型及无线信号强度测试方法介绍  26-31
    2.2.1 典型无线信号传播模型介绍  26-29
    2.2.2 对数距离路径损耗模型  29-30
    2.2.3 基于RssI的无线信号强度测试方法介绍  30-31
  2.3 最小二乘法在数据处理和模型拟合中的应用  31-33
    2.3.1 最小二乘法的数据处理分析  31-32
    2.3.2 最小二乘法的拟合误差分析  32-33
    2.3.3 MATLAB在模型拟合中的应用  33
  2.4本章小结  33-34
第三章无线信号强度测试系统硬件设计  34-50
  3.1 测试系统设计总体方案描述  34
  3.2 控制模块设计  34-38
    3.2.1 sPI配置射频芯片设计  35-37
    3.2.2 间接寻址INDF和FSR寄存器的使用说明  37
    3.2.3 usART串口通信方式应用  37-38
  3.3 射频收发模块设计  38-45
    3.3.1 无线收发芯片接口及寄存器配置设计  39-40
    3.3.2 数据包格式介绍  40-41
    3.3.3 smart RF Studio 7介绍及相关寄存器配置  41-43
    3.3.4 RSSI介绍及应用  43-44
    3.3.5 射频模块设计说明  44-45
  3.4 其他芯片简介及整体电路设计  45-49
    3.4.1 射频前端：RDAT212介绍及应用设计  45-47
    3.4.2 RS一232电平转换芯片MAX3223E应用  47-48
    3.4.3 电源模块设计  48-49
  3.5 本章小结  49-50
第四章无线信号强度测试系统软件设计  50-61
  4.1 测试系统软件总体设计思路  50-51
  4.2 子模块程序设计流程  51-60
    4.2.1 单片机控制无线收发、传输数据程序设计  51-53
    4.2.2 射频芯片CC2500无线收发程序设计  53-58
    4.2.3 串行通信程序设计  58-59
    4.2.4 上位机VB存储显示程序设计  59-60
  4.3 本章小结  60-61
第五章无线信号强度测试系统调试总结  61-68
  5.1 硬件电路的抗干扰设计  61-62
    5.1.1 主控板的抗干扰设计  61
    5.1.2 射频板的屏蔽措施  61-62
    5.1.3 设计电路板时的其他注意事项  62
  5.2 系统软件调试问题总结  62-65
    5.2.1 CC2500工作异常问题  62-63
    5.2.2 无线收发工作异常问题  63-64
    5.2.3 串口工作异常问题  64-65
  5.3 系统调试波形总结  65-67
    5.3.1 单片机SPI时钟波形总结  65
    5.3.2 单片机配置CC2500寄存器波形总结  65-67
    5.3.3 串口调试波形总结  67
  5.4 本章小结  67-68
第六章近地无线信道实测数据处理分析  68-86
  6.1 测试总体方案描述及测试方法建立  68-69
  6.2 实测结果的BA]LAB处理  69-77
    6.2.1 不同情况下的实测结果及模型拟合  70-74
    6.2.2 对数距离路径损耗模型的拟合结果分析  74-77
  6.3 拟合模型的对比分析  77-84
    6.3.1 相同环境不同天线高度下无线链路损耗模型对比分析  77-79
    6.3 2 不同环境相同天线高度下无线链路损耗模型对比分析  79-80
    6.3.3 拟合模型与现有模型对比分析  80-82
    6.3.4 拟合结果与实测结果的对比分析  82-84
  6.4 测试系统的改进  84-85
  6.5 本章小结  85-86
第七章总结与展望  86-87
参考文献  87-91
攻读硕士期间发表的论文及参与课题情况  91-92
致谢  92

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