本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种带负载的表面波激发传输模式信道测量和建模方法。
背景技术：
1、工业物联网（iiot）作为现代制造业中的关键技术，正在得到越来越广泛的应用。通过将传感器、智能终端设备和系统连接到互联网，iiot实现了生产和管理的智能化，从而提升了生产效率和管理水平。
2、在iiot系统中，无线通信网络是实现设备和系统互联的关键技术。它在工厂自动化、物流管理、设备监控等方面的信息传输中发挥着重要作用。通过无线通信网络，企业可以实现生产数据的实时传输和处理，从而提高生产效率、减少停机时间，并提升整体生产管理水平。
3、在工业物联网（industrial internet of things, iiot）环境中，无线通信技术被广泛应用，然而这一技术在工业环境中面临着一系列独特的挑战。首先，工业环境中存在大量的电磁干扰源，例如电动机、焊接设备和高功率传输线。这些干扰源会对无线信号的传输产生显著影响，导致信号质量下降。此外，多径效应和信号衰减等现象也会进一步降低通信的可靠性和效率。其次，工业应用对通信的可靠性和实时性有着严格要求。许多关键任务和安全相关的应用需要确保数据传输的高可靠性和低延迟。任何形式的通信延迟和数据丢失都可能对工业自动化系统的性能和安全性造成严重影响。例如，在自动化控制系统中，通信延迟可能导致系统反应不及时，从而引发设备故障或安全事故。此外，在工业环境中，多种元件作为信号的负载也会对信号传播产生影响。这些元件包括但不限于金属结构、机械设备和其他大型障碍物，它们不仅会阻挡信号路径，还可能引起信号反射和散射，进一步增加信号传输的复杂性和不确定性。在大规模的工业场所中，确保无线网络的全面覆盖和稳定性成为一项重大挑战。
技术实现思路
1、发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种带负载的表面波激发传输模式信道测量和建模方法，包括以下步骤：
2、步骤1，建立无线信道测量系统，设置测量场景；
3、步骤2，获取测量数据；
4、步骤3，计算每个测量点的平均路径损耗值；
5、步骤4，构建基于无线通信结合表面波的初始模型；
6、步骤5，根据测量所提取出的基于不同负载距离而变化的路径损耗指数值构建一个新的模型；
7、步骤6，计算出基于不同负载距离的路径损耗系数值，基于不同负载距离的路径损耗指数值（这里要特别强调一下，由于将无线传播与表面波相结合，在负载距离适当的情况下，大部分信号以表面波的形式传播，大部分信号被所连接的负载吸收。所以无线传播部分比较少，因此路径损耗指数较大），通过最小二乘法拟合出基于不同负载距离的路径损耗指数的模型函数；
8、步骤7，将测量数据代入初始模型当中，在不同负载距离下，得到路径损耗系数n和路径损耗衰减值sw；
9、步骤8，将接收端与信号源的距离 d，以及此时相对应的在接收端与信号源的距离 d处、负载距离 d l处的路径损耗值带入初始模型中，计算负载距离为 d l、接收端与信号源的距离为 d时表面波的路径损耗衰减值；
10、步骤9，利用最小二乘法进行参数提取，拟合出负载距离造成的表面波路径损耗衰减值与负载距离 d l的关系表达式；
11、步骤10，基于不同负载距离的路径损耗指数的模型函数和路径损耗模型构建室内高频段信道路径损耗模型；
12、步骤11，将传统对数距离模型和室内高频段信道路径损耗模型的阴影因子的均值和标准差进行对比，验证室内高频段信道路径损耗模型的准确性。
13、步骤1中，所述无线信道测量系统包括三个宽波束天线（wide-beam antenna）、一根不锈钢金属管和一个可调节距离的耦合装置；
14、其中，两个宽波束天线分别用于发射信号和接收信号，另一宽波束天线连接负载并架设在收发端中间；宽波束天线是一种发射和接收角度均大于30度的天线，它的主要特点是具有较宽的主瓣和较小的旁瓣；宽波束天线在无线通信中广泛应用，因为它可以覆盖更广泛的区域并增加信号的覆盖面积，同时还可以提供更好的多路径信道传输特性。
15、所述不锈钢金属管作为信号传输的介质，连接发送端与负载；
16、所述可调节的耦合装置用于控制不锈钢金属管与天线之间的距离；
17、所述可调节的耦合装置采用可调节的结构，包括上下两层硬纸板，三个宽波束天线位于两层亚克力板之间并且紧贴下方亚克力板；
18、所述不锈钢金属管使用支架悬置在天线上方，所述支架用于调节高度；
19、所述无线信道测量系统中表面波沿导体表面传播用以下公式表示：
20、 ， (1)
21、其中径向距离；代表波数，表示径向坐标，z是轴向距离； 是积分变量；函数指第二类修正贝塞尔函数，是积分符号，c表示球面积分，ph表示相位，且；e是自然常数，j是虚数单位。公式（1）表示球面波被延展成为柱面波，表面波的传输规律遵循该公式（1）。
22、信号传输的机制：在本发明的无线信道测量系统中，一部分信号仍然是通过无线信道传播的，但大部分信号则是以表面波的形式沿着金属管被负载吸收。由于金属管的导电性能更好，因此大部分信号被负载吸收，对接收端信号造成干扰。
23、使用所述系统可以在不同的负载距离下进行信道测量和分析，评估不同距离下信号的传输质量和信道的稳定性。
24、步骤1中，所述设置测量场景包括：固定天线的发射端于预设地点，保持天线高度不变；同时预设负载与发送端的距离；发送端、负载、接收端三者在同一直线上；
25、发送端距离负载的距离称为负载距离；
26、从负载距离天线0.5米处开始，逐步移动负载，直到3m，每隔0.25m设置一个测量点，在每个测量点，进行x次（一般为9次）测量，并计算平均路径损耗。
27、步骤2中，所述测量数据包括每个不同负载距离 d l、不同负载距离上的接收端与信号源的距离 d，以及各测量点的路径损耗值。
28、步骤4中，所述基于无线通信结合表面波的初始模型为：
29、， (2)
30、 ， (3)
31、其中，为参考距离，这里设置为不同负载距离时收发距离的起始长度分别为1m、1.25m、1.5m、1.75m、2m，且，表示无线载波信号波长， d l设置为0.5m，为在参考距离处和参考负载距离处的路径损耗值，pl(d)是在接收端与信号源的距离d处的路径损耗值；为阴影衰落，阴影衰落服从均值为零、标准方差为的正态分布；和分别表示分布函数的方差和均值，p为路径损耗的分布概率；为关于负载距离 d l的路径损耗指数，为表面波基于负载距离 d l和接收端与信号源的距离的衰减值，exp是自然指数函数。n是路径损耗系数。
32、步骤5中，所述新的模型为：
33、 ， (4)
34、其中，a、b、c为待拟合的参数。
35、步骤6中，所述模型函数为：
36、（5）。
37、步骤8中，采用如下公式计算负载距离为 d l、接收端与信号源的距离为 d时表面波的路径损耗衰减值：
38、 ， (6)
39、 ， (7)
40、其中，浮动截距的值为参考距离处和参考负载距离间的参考路径损耗值；
41、将设置为路径损耗拟合曲线的浮动截距，值即为基于参考负载距离路径损耗拟合曲线浮动截距的增加值；
42、根据不同负载距离的衰减值随 d l变化情况构建一个简单的模型：
43、 ， (8)
44、其中，、、为待拟合参数。
45、步骤9中，所述关系表达式为：
46、， (9)
47、步骤10中，所述室内高频段信道路径损耗模型为：
48、 (10)
49、其中，设置为1m，设置为1m。
50、步骤11包括：采用如下方式对室内高频段信道路径损耗模型进行验证：
51、步骤11-1，利用如下公式验证室内高频段信道路径损耗模型：
52、 (11)
53、均值公式为：
54、 (12)
55、其中，为第i个数据的阴影衰落预测值，为i个数据的阴影衰落实测值；为所求得的均值；表示阴影衰落差值，；
56、方差公式为：
57、 (13)
58、其中，为第i个数据的阴影衰落差值，为阴影衰落方差；求得的均值与方差越小，得到的室内高频段信道路径损耗模型越可靠；
59、进行两次以上测量与两次以上拟合，选取均值与方差最小的室内高频段信道路径损耗模型执行步骤11-2；
60、步骤11-2，建立一个判断模块，用决定系数来判定，选取所需点的实际测量值和通过室内高频段信道路径损耗模型计算得来的计算值，决定系数的计算公式为：
61、 (14)
62、 (15)
63、其中为所取m个测量值的平均值；是m个计算值的平均值；
64、所述判断模块判断决定系数是否大于预设阈值0.6，如果大于则当前测量值拟合成功，否则重新拟合。
65、本发明基于测量数据，通过最小二乘法来进行参数提取路径损耗指数公式和表面波路径损耗衰减公式的形式参数，得到路径损耗指数公式和表面波路径损耗衰减公式。测量数据使用vna测量设备通过扫频测量法获取测量数据。根据室内高频段信道传播特性，构建具有路径损耗指数变化和表面波路径损耗衰减信道的初始模型，初始模型里面的参数是形参，参数提取过后是实参，模型进行建立。验证模型的准确性的方法包括：通过判断决定系数是否大于预设阈值的方法验证拟合曲线和拟合参数是否准确；计算获得工业物联网室内环境下基于路径损耗指数变化和表面波路径损耗衰减的高频段信道模型的误差集，用本模型阴影因子的累积分布函数的统计规律，求出其预测值和实测值差值的均值和方差，和传统路径损耗模型进行对比，验证模型的准确性。
66、本发明方法通过数据测量与拟合，将负载在表面波传输模式下的影响进行分析与数学建模，从而有效预测了信号传输过程中的各种干扰问题。
67、表面波（surface wave）是一种沿着介质表面传播的电磁波，具有显著的应用优势。首先，表面波的传播路径损耗较小，比自由空间传播减少约30 db，这得益于信号主要沿导体表面传播，避免了自由空间中的高损耗。其次，表面波的多径效应较小，信号传播路径清晰，适用于工业物联网中的稳健低损耗无线通信。表面波的衰减与负载距离呈对数函数关系，随着负载距离增加，传输效果逐渐减弱。表面波可以通过多种方式激发，常见的是利用金属导体与介质之间的耦合效应。此外，通过调节介质表面微结构（如槽形和阵列结构），可实现对表面波的激发和控制，包括调节波的激发位置、极化方向和波长等。表面波具有高度的敏感性和选择性，广泛应用于无线通信、传感和检测领域。其高效、稳定的传输特性使其在工业物联网中尤为重要，能够满足对低损耗、稳健通信的需求。通过深入研究和优化表面波激发方式，可以进一步提升系统性能和效果。总的来说,表面波的传输特性受到导体材料和几何尺寸的显著影响,需要进行详细的数学分析和建模才能准确描述。这对于理解和应用表面波技术具有重要意义。
68、本发明将负载机制引入表面波传输模型当中，发送端的信号一部分通过自由空间传输到接收端，一部分信号通过不锈钢金属管传播并被负载所吸收。对信号的传播造成强烈的干扰。通过表面波形式被吸收的信号能量占比根据不锈钢金属管和天线之间的负载距离决定。负载距离越大，激发的表面波越强烈，负载吸收的信号占比越大，干扰越强。
69、在表面波信道中，信号传输的路径损耗通常比无线信道低，主要原因是信号在介质和导体之间的反射和折射会导致一部分信号能量向导体表面聚焦，从而实现了一定程度上的损耗降低，因此很明显，引入表面波之后将有线信道和无线信道相结合的准随机信道能够很大程度上减小路径损耗，提高信号传输的质量和可靠性。但需要注意的是，由于表面波信道的传输受到导体表面形状、介质性质等多种因素的影响，因此其传输特性需要进行精确的建模和测量，以便在实际应用中达到最佳的传输效果。
70、本发明充分考虑了在工业物联网环境中，天线负载对于表面波传输的影响，以便于在复杂的工业环境中，更好的利用表面波传输机制对信号进行增幅，并对多种复杂情况进行先一步的预估，做出相应预警措施。
71、有益效果：本发明通过在收发端天线之间加入导体引入表面波从而将有线信道与无线信道相结合，可以有效降低工业物联网室内环境下信号传输过程的路径损耗，能够有效地优化工业物联网室内环境下的无线通信系统的性能，从而帮助工业物联网室内环境下无线通信系统的设计和优化。
72、本发明通过在传统表面波传输模型当中考虑负载的影响，可有效预防在工业物联网环境下在表面波传输模式当中可能出现的负载影响并进行规避。能够有效地优化工业物联网室内环境下的无线通信系统的性能，从而帮助工业物联网室内环境下无线通信系统的设计和优化。
1.一种带负载的表面波激发传输模式信道测量和建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，所述无线信道测量系统包括三个宽波束天线、一根不锈钢金属管和一个可调节距离的耦合装置；
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤1中，所述设置测量场景包括：固定天线的发射端于预设地点，保持天线高度不变；同时预设负载与发送端的距离；发送端、负载、接收端三者在同一直线上；
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤2中，所述测量数据包括每个不同负载距离dl、不同负载距离上的接收端与信号源的距离d，以及各测量点的路径损耗值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤4中，所述基于无线通信结合表面波的初始模型为：
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤5中，所述新的模型为：
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤6中，所述模型函数为：
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤8中，采用如下公式计算负载距离为dl、接收端与信号源的距离为d时表面波的路径损耗衰减值：
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤9中，所述关系表达式为：
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤11包括：采用如下方式对室内高频段信道路径损耗模型进行验证：
