CN102195724A - 室内环境下Zigbee的信道估计方法 - Google Patents

Abstract

一种无线通信技术领域的室内环境下Zigbee的信道估计方法，相比现有的室内环境的信道估计方法，本方法结合办公室环境的特点，如平面结构上存在办公隔断将办公室划分为一个个办公单元，对一般的室内信道估计方法进行了修正和优化，使得估计结果能够更好地预测办公室环境下的传输环境，为针对办公室环境下使用Zigbee技术的无线设备构成的网络的设计、布局、性能分析提供了无线信道的传输和损耗的估计方法。

Description

室内环境下Zigbee的信道估计方法

技术领域

本发明涉及的是一种无线通信领域的方法，具体是一种室内环境下Zigbee的信道估计方法。

背景技术

随着无线技术的发展，办公室环境下越来越多的有线应用被无线应用所取代，例如传统的通过墙内布线的照明开关、空调开关被低功耗无线收发节点替代，置于房间天花板的温度、湿度、火警等传感器被分布在各个角落的无线传感器替代。相比有线设备存在的许多缺点，如铺设费用高昂、施工周期长、受地形影响大、灵活性差、改造升级困难等，基于无线技术的设备具有许多优点，如具有低廉的安装部署费用、很高的灵活性和移动性、易于扩展等优点，是未来楼宇自动化的发展趋势。

Zigbee技术作为一种新兴的短距离、低速率、低功耗的无线网络技术，是一种非常适合办公室环境下无线设备通信的无线技术。Zigbee技术是一种介于无线标记技术(RFID)技术和蓝牙技术之间的技术提案，具有近距离、低复杂度、低功耗、低数据率、低成本的特点，适合于办公室环境下无线设配的需求。

鉴于基于Zigbee技术的无线设备在未来可能广泛使用在楼宇自动化应用中，需要建立针对办公室环境下的Zigbee传输信道估计方法，用于此类无线设备构成的网络的设计和性能分析和研究。

经对现有技术文献的检索发现，在无线传输信道估计方面，Andersen，J.B.等人在学术出版物《Communications Magazine，IEEE》1995年版本第33卷第1期第42-49页上发表的“Propagation measurements and models for wireless communications channels”，给出基于自由空间传播模型的无线环境下修正的传播估计公式，使用统计值作为估计公式参数，在一定的误差范围内使用均值来描述，该估计公式的优点在于公式简洁、计算方便，缺点在于公式相对粗糙，对实际情况描述不精确。该公式目前是室内外传播估计的基础。

对现有技术文献的检索还发现，在针对特定环境和特定频段信道的估计方面，Seidel，S.Y.等人在学术出版物《Antennas and Propagation，IEEE Transactions on》1992年版本第40卷第2期第207-217页上发表的“914MHz path loss prediction models for indoor wireless communications in multifloored buildings”，对914MHz频段在室内环境下的信道进行了估计公式的研究，使用了上述技术文献检索中提到的自由空间传播模型的修正公式，同时针对室内环境的特点对公式进行了修正，并使用无线收发设备对一个具体的室内环境进行了测量，拟合结果得到数值信道衰减计算公式。Maheshwari，M.K.等人在学术出版物《Electronics and Information Engineering(ICEIE)，2010International Conference On》2010年版本第2卷第292-294页上发表的“Modeling of path loss coefficient and loss due to roof for a indoor Wi-Fi system”，对室内环境下Wi-Fi系统的信道进行了研究，同样基于自由空间传播模型的修正公式，同时考虑室内环境中屋顶对信号链路的影响，通过实地测量和公式拟合，给出了室内环境下Wi-Fi频段下信道链路损耗的数值计算公式。

发明内容

本发明针对现有室内信道估计存在的上述不足和局限性，提供一种室内环境下Zigbee的信道估计方法，相比现有的室内环境的信道估计方法，本方法结合办公室环境的特点，如平面结构上存在办公隔断将办公室划分为一个个办公单元，对一般的室内信道估计方法进行了修正和优化，使得估计结果能够更好地预测办公室环境下的传输环境，为针对办公室环境下使用Zigbee技术的无线设备构成的网络的设计、布局、性能分析提供了无线信道的传输和损耗的估计方法。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

第一步、记录办公室环境特点，根据办公室环境的建筑布局、平面结构特点、室内布局，记录办公室内壁尺寸、面积、室内办公物品在办公室中相应的位置和物品的尺寸信息。

第二步、针对办公室环境下各类设备的功能和实际应用中的使用需求，根据无线设备的业务特征将办公室环境下的业务分为以下类型：一对一控制，如使用遥控器控制空调温度；一对多控制，如使用遥控器控制某个墙面上的窗帘移动；一对所有的控制，如控制中心关闭所有电气设备。结合办公环境布局特点和功能需求，部署无线设备节点，例如对于办公环境中有办公室环境的监测，在办公室不同的办公区域放置无线设备节点，采集对应区域的环境信息。

第三步、使用Zigbee收发设备进行点到点的信号损耗的测量，测量结果为无线发射节点到无线接收节点间由于路径损耗而造成的额外损耗。

所述的Zigbee收发设备符合Zigbee规范、应用广泛的Zigbee设备，如TI公司的CC2430的Zigbee芯片。

考虑到办公室环境复杂，各类因素会对无线信号的传播造成干扰，数据测量时需要测量多组数据，以减少诸如环境温度、室内人员走动等对最终结果造成的影响。同一对收发节点不同的测量需要错开，如有一个发送节点和若干个接收节点，则依次测量发送节点到各个接收节点间的路径损耗，然后重复这个过程多次，得到多组数据，目的是减小测量过程的相关性，

所述的测量次数为至少三次。

第四步、将每对收发节点测量的多组数据用正态分布曲线拟合，假设拟合结果的均值和方差分别为μ和δ，则保留(μ-δ，μ+δ)内的数据。

第五步、采用以下信道传播衰减估计公式进行模拟：

其中：L_p(d)为距离为d时的路径损耗，L₀(d₀)为单位距离的路径损耗，m为信号穿越办公室隔断的个数，n，η，σ_X为待定参数，其中n取值在2-3，η为单层办公室隔断对信号造成的衰减，σ_X为一个常数项修正值。

附图说明

图1办公室环境和无线传感器网络部署的平面图。

图2针对办公环境特点进行修正的估计公式的拟合图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

第一步，选择典型办公室室内环境并分析平面结构的特点：

办公室通常为长方形结构，室内规则的放置若干办公桌，每个办公桌作为一个办公单元，办公单元间使用一定高度(如1.5米到1.8米)的隔断隔开。

在本次具体实施中，选取上海某高校一实验室办公环境作为研究对象，该实验室为典型的长方形办公环境，使用1.5米高的隔断将整个空间分割成4行4列16个办公区。

使用数学语言定量描述办公环境的平面结构，记录办公室的各种物理属性，包括办公室的规格尺寸，包括办公室的长、宽、高的三维信息，并记录对信号造成衰减的障碍物，如办公单元间的隔断等。

如图1所示，为典型办公环境的平面图。

第二步，针对办公室环境下各类设备的功能，在平面图上部署无线设备，并设定相应的业务：

本步骤根据实际情况下无线设备在办公环境中的应用，布置无线设备节点，所有位置信息与办公室平面结构相对应。

考虑如下的实际应用，在办公室的入口的墙面上有类似网关功能的无线设备节点，控制室内若干电器设备，如灯光照明、空调温度、通风等。在每个办公单元的桌面上有一个无线终端，作为用户远程控制和信息采集的终端，这些设备组成该办公室的无线设备网络。用户可以通过桌面的无线终端向位于墙面的无线网管节点发送命令，再由无线网关节点无线控制办公室环境中的其他设备，达到控制室内的照明、温度等的效果。同时墙面上的无线传感器节点也可以向桌面上的无线终端收集一些数据，起到一定的监控作用，如火灾的警报，采集办公区域内的温度和湿度等信息。

用图例的形式给出对上述情况，得到如附图一给出的平面图。其中Tx为设置在办公室入口墙面上的无线设备节点，高度为1.5米，R1到R16为16个桌面上的无线终端，高度为0.75米，位置位于每个单元桌面的边缘。

第三步，测量不同位置间的信号：

首先选择测量设备。考虑到实际应用的代表性，在本实施过程中选用TI公司的CC2430作为测量工具，该芯片在Zigbee技术的系统中有着广泛的应用。测量过程中频率选择2405MHz，芯片发送功率为0dBm。

其次测量基准信号强度。测量基准信号的目的是通过比较其他测量信号和基准信号间的差值来计算无线路径损耗，从而避免了对无线收发机发射天线增益和接收天线增益等参数的测量。在本实现过程中以1米作为基准距离，测量对应的信号强度。基准信号强度测量的方法为令d₀为1米，测量对应的L₀(d₀)值，

接着测量不同收发节点间的信号强度。根据附图1所给出的办公环境平面图和节点位置图，在Tx位置放置放射无线发射节点，依次在16个接收节点位置放置接收机，测量接收信号功率，每个测量数据对应发射机到接收机间的信号损耗后的接收强度，由于同一时刻只存在一对收发节点，不存在节点间的相互干扰。为了消除环境因素(如环境温度、室内人员走动等)对测量结果造成的影响，在不同时间进行多次测量(30组)，以消除不同组数据的时间相关度。

第四步，分析处理数据：

分析测量的30组数据发现，对于同一位置的接收节点，测量结果存在个别点和其他值有较大的偏差，对应测量过程中受到外界较大的干扰。在本实现中，首先对30组测量数据使用正态分布曲线拟合，拟合结果的均值和方差分别为μ和δ，则保留(μ-δ，μ+δ)内的数据，剔除其他数据，将处理后得到的数据作为结果用于估计公式的拟合。

第五步，信道衰减估计公式的选择和待定参数的拟合：

在本实现过程中，使用的信道衰减估计公式选择基于自由空间传播衰减模型修正后的公式，选择该公式首先考虑到其应用广泛，受认可程度高，其次数学表达式简单，易于拟合和计算，同时在一定误差范围内该公式可以很好的描述实际情况。

针对办公室特定的室内环境，在原始公式的基础上进行如下的修改，加入由于办公单元间隔板造成的信号损耗的表达式，将信号穿越隔板建模为一个固定值的衰减，不考虑信号不同入射角度造成的差异，因此由于隔板造成的额外损耗可以表示为固定衰减值乘以收发节点间隔板的数目。

最终用于拟合的估计公式可以表示为：

$L_p\left(d\right)=L_0\left(d_0\right)+n*{\log }_{10}\left(\frac{d}{d_0}\right)+m*\mathrm{\η}+{\mathrm{\σ}}_X$

根据测量结果，使用处理后的数据对公式进行拟合，拟合标准为选择待定参数n，η，σ_X，使得测量结果和拟合公式的平方差的和最小。即：

min{∑(y_i-f(x_i)²}

得到拟合结果：

$L_p\left(d\right)=L_0\left(d_0\right)+10*2.2612*{\log }_{10}\left(\frac{d}{d_0}\right)+0.3758*m+10.6195$

其中

L₀(d₀)＝-37dB

d₀＝1m

结合结果如图2所示，图中底面为办公室的平面图，垂直底面的为信道传播衰减，其中“+”标记出经过处理后的测量数据，“○”标记为拟合后计算的信道衰减值。

拟合结果误差的方差为4.0993，即有68％的实际测量结果落在拟合公式±4.10dB的区间范围内，有95％的实际测量结果落在拟合公式±8.03dB的区间范围内。

第六步，得出结论：

本实现过程针对某高校内一典型实验室内Zigbee传输信道进行了测量，基于自由空间传播模型的修正公式，给出了办公室环境下信道衰减的数值计算估计公式，以及办公室环境下Zigbee信道参数的典型值。

Claims (3)

1.一种室内环境下Zigbee的信道估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、记录办公室环境特点，根据办公室环境的建筑布局、平面结构特点、室内布局，记录办公室内壁尺寸、面积、室内办公物品在办公室中相应的位置和物品的尺寸信息；

第二步、针对办公室环境下各类设备的功能和实际应用中的使用需求，根据无线设备的业务特征将办公室环境下的业务分为以下类型：一对一控制、一对多控制、一对所有的控制；然后结合办公环境布局特点和功能需求，部署无线设备节点；

第三步、使用Zigbee收发设备进行点到点的信号损耗的测量，测量结果为无线发射节点到无线接收节点间由于路径损耗而造成的额外损耗；

第四步、将每对收发节点测量的多组数据用正态分布曲线拟合，假设拟合结果的均值和方差分别为μ和δ，则保留(μ-δ，μ+δ)内的数据；

第五步、采用以下信道传播衰减估计公式进行模拟：

其中：L_p(d)为距离为d时的路径损耗，L₀(d₀)为单位距离的路径损耗参照值，m为信号穿越办公室隔断的个数，n，η，σ_X为待定参数，其中：n和室内环境相关且取值为2-3，η为单层办公室隔断对信号造成的衰减，σ_X为常数项修正值。

2.根据权利要求1所述的室内环境下Zigbee的信道估计方法，其特征是，所述的Zigbee收发设备符合Zigbee规范、应用广泛的Zigbee设备，如TI公司的CC2430的Zigbee芯片。

3.根据权利要求1所述的室内环境下Zigbee的信道估计方法，其特征是，不同的收发节点逐一测量，所有收发节点的测量为一组，所述的测量次数为至少三组。

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