[论文解读] 868 MHz Wireless Sensor Network - A Study

Pushpam Aji John, Rudolf Agren+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2016

Energy Efficient Wireless Sensor Networks参考文献 5被引用 3

一句话总结

本研究在城市大学环境中评估了使用XBee无线电的868 MHz无线传感器网络，结果表明其传输距离更远且干扰更少，优于2.4 GHz频段。该网络在视距条件下实现了可靠的300米覆盖，数据包丢失极少，表明尽管受天气和衰落影响，868 MHz仍适用于大规模户外部署。

ABSTRACT

Today 2.4 GHz based wireless sensor networks are increasing at a tremendous pace, and are seen in widespread applications. Product innovation and support by many vendors in 2.4 GHz makes it a preferred choice, but the networks are prone to issues like interference, and range issues. On the other hand, the less popular 868 MHz in the ISM band has not seen significant usage. In this paper we explore the use of 868 MHz channel to implement a wireless sensor network, and study the efficacy of this channel

研究动机与目标

• 评估在真实城市环境中使用868 MHz ISM频段实现长距离无线传感器网络的可行性。
• 将868 MHz性能与拥挤的2.4 GHz频段进行比较，重点关注干扰、传输距离和数据包丢失情况。
• 评估在实际部署的WSN中信号传播、接收信号强度指示（RSSI）以及环境因素对无线电传输的影响。
• 研究天气条件（降雨、湿度、雾）以及多径衰落对数据包丢失的影响。

提出的方法

• 在基于Arduino的Seediuno Stalker板（搭载ATMega328P微控制器）上部署了自定义的868 MHz WSN，使用XBee模块。
• 在传感器节点上加装温度、湿度、氧气和颗粒物传感器，每3分钟发送100字节的数据包。
• 使用基于pcDuino的基站，运行Lubuntu系统和Python程序，捕获、打时间戳并转发数据包至物联网云平台。
• 开展为期1周的实验，所有无线电设备均处于激活状态（未采用时隙调度），发射功率为300mW（24dBm）。
• 以每小时丢失的数据包数量作为数据包误码率（PER）的度量标准（每小时预期发送20个数据包）。
• 在不同距离和环境条件下，分析三个节点的RSSI和数据包丢失情况，并结合本地气象站提供的气象数据进行分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 868 MHz无线传感器网络是否能在存在障碍物和天气变化的户外城市环境中实现可靠的长距离通信？
• RQ2 与2.4 GHz频段相比，恶劣天气（如降雨、高湿度、雾）对868 MHz WSN的数据包丢失和信号强度有何影响？
• RQ3 多径衰落和非视距条件在多大程度上会降低868 MHz WSN部署的性能？
• RQ4 大气条件（温度、露点、气压）与868 MHz无线电链路可靠性之间是否存在可测量的相关性？

主要发现

• 868 MHz WSN在视距条件下实现了高达300米的可靠覆盖，平均RSSI超过40%，且在此范围内未观察到数据包丢失。
• 仅位于另一栋建筑中的一个节点表现出显著的数据包丢失，表明环境遮挡是关键影响因素。
• 数据包丢失与高湿度、降雨和雾等恶劣天气条件相关，可能由于无线电波路径中的吸收和散射损耗所致。
• 信号衰减归因于大气吸收（L_abs）和散射（L_scat），总波损耗建模为 L_tot = L_abs + L_scat。
• 研究发现，天气和衰落等环境因素的影响大于室内气候波动的影响，后者在整个测试期间保持稳定。
• 尽管已知4G/LTE用户设备存在干扰问题，但实验期间未观察到此类干扰，表明868 MHz在某些场景下可能具有更好的共存能力。