油田鉆井現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)信道衰落模型研究*

馬志艷， 李 浩， 楊光友， 陳 昊

(湖北工業(yè)大學(xué) 農(nóng)機(jī)院，湖北 武漢 430068)

油田鉆井現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)信道衰落模型研究*

馬志艷， 李 浩， 楊光友， 陳 昊

(湖北工業(yè)大學(xué) 農(nóng)機(jī)院，湖北 武漢 430068)

針對(duì)油田鉆井現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，給出一種適合的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)信道衰落模型.通過(guò)油田鉆井現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析處理，得到無(wú)線(xiàn)信道衰落模型的各個(gè)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明：該模型符合油田鉆井現(xiàn)場(chǎng)，為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在油田鉆井現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

油田環(huán)境； 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)； 信道衰落模型

0 引 言

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)信道傳播特性與建模的研究越來(lái)越關(guān)注[1]。由于油田鉆井[2]現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較復(fù)雜，信道中無(wú)線(xiàn)信號(hào)受攪拌機(jī)、振篩機(jī)、轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)箱、電機(jī)振動(dòng)、發(fā)電機(jī)組、大型鐵質(zhì)設(shè)備和油田工作人員走動(dòng)等復(fù)雜因素的共同影響，進(jìn)行無(wú)線(xiàn)信道信號(hào)衰落實(shí)驗(yàn)研究可對(duì)油田無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和部署提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用研究階段，路徑損耗模型的研究是最重要的問(wèn)題之一，它影響著節(jié)點(diǎn)覆蓋和鄰居節(jié)點(diǎn)度等重要網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成，傳感器節(jié)點(diǎn)由電池供電，能量十分有限，供電電池的壽命直接影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期[3]，而供電的使用時(shí)間跟路徑損耗模型相關(guān)。

目前，針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)室外應(yīng)用環(huán)境的無(wú)線(xiàn)信道模型的研究已經(jīng)有了一定的發(fā)展。本文選湖北潛江江漢油田某鉆井區(qū)域?yàn)閷?shí)驗(yàn)場(chǎng)地，以2.4GHz為實(shí)驗(yàn)頻率，進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信信道測(cè)試，測(cè)試信號(hào)強(qiáng)度變化規(guī)律，重點(diǎn)探討油田鉆井環(huán)境影響無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳播的衰落因子，建立數(shù)學(xué)模型，研究無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署，為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在油田環(huán)境中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 信道傳播模型

一般來(lái)說(shuō)，無(wú)線(xiàn)信道模型包括理論模型、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约袄碚撆c經(jīng)驗(yàn)結(jié)合的模型[4～7]。

1.1 自由空間模型

1.2 地面反射模型

地面反射模型如圖1所示。

圖1 地面反射模型

1.3 單折線(xiàn)對(duì)數(shù)距離損耗模型

單折線(xiàn)模型是經(jīng)驗(yàn)公式模型，其表達(dá)式為PL(d)=PL(d0)+10nlgd+Xσ，Xσ～N(0,σ2)，其中,PL(d)為發(fā)射端到接收端間的損耗；PL(d0)為近場(chǎng)參考點(diǎn)損耗值，d0為參考點(diǎn)(一般取d0=1 m)，d為發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)的距離，n為路徑損耗指數(shù)，表示路徑損耗隨距離增長(zhǎng)的速率，它依賴(lài)于周?chē)沫h(huán)境和建筑物的類(lèi)型；Xσ為高斯正態(tài)零均值隨機(jī)變量。

經(jīng)過(guò)綜合考慮，本次實(shí)驗(yàn)采用的是單折線(xiàn)對(duì)數(shù)距離損耗模型。

2 油田鉆井現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線(xiàn)信道衰落模型測(cè)試與分析

2.1 測(cè)試步驟

1)采集油田鉆井現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下信道衰落數(shù)據(jù)，參考無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)自由空間信道衰落方程，對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波[8]處理，確定信道衰落參數(shù)值n。

2)根據(jù)采集到的信道衰落數(shù)據(jù)，參考無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)非自由空間信道衰落方程，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到零均值Xσ。

3)確定油田環(huán)境下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道衰落模型并通過(guò)實(shí)際環(huán)境進(jìn)行驗(yàn)證此信道衰落模型的可信度。

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)測(cè)試主要目的是測(cè)量路徑損耗與收發(fā)節(jié)點(diǎn)距離之間的關(guān)系，得出距離路徑損耗模型。采用的是CC2530(發(fā)射功率為-17.4 dBm)無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)和CC2430(發(fā)射功率為0 dBm)無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)各無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)燒寫(xiě)對(duì)應(yīng)的下位機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的有效通信，將收集到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口上傳到上位機(jī)，然后上位機(jī)通過(guò)VC程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示并儲(chǔ)存，而對(duì)于測(cè)試信道質(zhì)量分析，最主要的是對(duì)數(shù)據(jù)包中[9]接收的信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)的數(shù)據(jù)采集和處理。實(shí)驗(yàn)環(huán)境平面圖如圖2所示。

圖2 油田鉆井現(xiàn)場(chǎng)平面圖

圖2中：0#為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，7#,8#,9#,20#,21#,24#,25#為路由器節(jié)點(diǎn)，剩余為終端節(jié)點(diǎn)。各節(jié)點(diǎn)布置如下：0#在技術(shù)員房，3#在測(cè)錄井值班房頂，4#在泥漿池上的離心機(jī)旁，5#在泥漿池上座崗房旁的攪拌機(jī)側(cè)，6#,7#在泥漿池上的攪拌機(jī)旁，8#,9#在無(wú)線(xiàn)隨鉆儀器房頂，20#在轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)箱旁，21#在泥漿池上振篩機(jī)下水管道上，22#在司鉆房頂，23#在泥漿泵上，24#在泥漿池上的振篩機(jī)上，25#在井架底轉(zhuǎn)盤(pán)上。

2.2.1 確定信道衰落參數(shù)

根據(jù)表1所得信道衰落數(shù)據(jù)經(jīng)Matlab處理后得到距離損耗圖如圖3所示。

圖3 油田鉆井現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境實(shí)際無(wú)線(xiàn)信道衰落圖

表1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)油田實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

Tab 1 Oil field experimental datas of WSNs

節(jié)點(diǎn)RSSI均值收包率Prr(%)距離(m)衰落值(dB)2530-54.2100136.82530-62.8100245.42530-73.299.12555.89-76.298.648.1658.88-80.697.4810.4763.23-90.597.2024.0472.924-77.395.9539.5877.320-77.495.5638.3877.425-77.595.6837.6777.521-77.995.4239.8377.922-78.595.2842.5678.56-97.395.1653.0279.94-97.695.1550.4880.223-80.394.4950.8580.37-98.594.8554.4681.15-99.894.3361.9582.4

由表1可知，PL(d0)=36.8dB,則在零均值Xσ=0，對(duì)衰落指數(shù)n=(2.0,2.5,3.0,3.5,4.0)取不同情況下的值，處理得到的曲線(xiàn)如圖4所示。由圖3和圖4的比較可以得出，油田環(huán)境下n=2.521。

圖4 無(wú)線(xiàn)信道衰落圖

2.2.2 確定信道衰落零均值Xσ

根據(jù)前面工作，設(shè)置衰落指數(shù)n=2.521，可得PL(d)=36.8+25.21 lgd+Xσ，將不同收發(fā)距離的信道衰落數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)試的信道衰落數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得到表2。

2.3 無(wú)線(xiàn)信道衰落模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理和對(duì)誤差進(jìn)行修正處理，得到信道距離損耗關(guān)系如圖5所示。在保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋率和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下，從曲線(xiàn)的形狀和單位距離內(nèi)信道衰落數(shù)據(jù)分的情況，可以看出：實(shí)際曲線(xiàn)與信道模型的曲線(xiàn)之間的殘差很小，都在誤差的閾值之內(nèi)，采用卡爾曼濾波所濾出的數(shù)據(jù)得到了很好的擬合曲線(xiàn)，因此，衰落模型在該油田鉆井現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下是可行的。

表2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)際衰落與信道模型衰落數(shù)據(jù)比較

圖5 實(shí)際曲線(xiàn)與擬合曲線(xiàn)的比較

3 信道衰落與收包率的結(jié)果分析

隨著信道質(zhì)量的衰落，其收包率也會(huì)隨之降低，通過(guò)將表1數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Matlab中，對(duì)信道質(zhì)量與其收包率進(jìn)行擬合，得到衰落值與收包率的關(guān)系圖如圖6所示。油田環(huán)境下節(jié)點(diǎn)的收包率很高(大于92 %)，節(jié)點(diǎn)間通信的可靠信得到了保證。

圖6 油田環(huán)境下衰落值與收包率的關(guān)系圖

4 結(jié) 論

本文分析并給出了一種適合油田鉆井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境下的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)信道衰落模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了該衰落模型，基本達(dá)到了能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)油田環(huán)境下無(wú)線(xiàn)信道衰落情況，該模型可為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)，為后面的節(jié)點(diǎn)定位和預(yù)測(cè)鏈路質(zhì)量提供參考。本文研究中的節(jié)點(diǎn)相對(duì)較少，部分距離比較稀疏，須通過(guò)后續(xù)工作加以完善。

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Channel fading model research of WSNs in oil field drilling site*

MA Zhi-yan, LI Hao, YANG Guang-you, CHEN Hao

(School of Agricultural Machinery,Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China)

Aiming at oil field drilling site,present a suitable model for channel fading of wireless sensor networks(WSNs).Through analyzing and processing of the measured data in oil field environment,get various parameters of channel fading model.The experiment shows that the model is suitable for oil field drilling site and provides theoretical basis for practical application of WSNs.

oil field environment; wireless sensor networks(WSNs); channel fading model

10.13873/J.1000—9787(2015)03—0044—03

2014—07—17

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51174084)

TN 929.5

A

1000—9787(2015)03—0044—03

馬志艷(1976-)，男，湖北武漢人，博士后，副教授，研究方向?yàn)橹悄芸刂?、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。