共信道下微波輸能與數(shù)據(jù)通信干擾機(jī)制研究

滿忠誠，　劉曉明,2，　趙端,2

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院， 江蘇 徐州　221008；2.中國礦業(yè)大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心， 江蘇 徐州　221008)

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共信道下微波輸能與數(shù)據(jù)通信干擾機(jī)制研究

滿忠誠1，劉曉明1,2，趙端1,2

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院， 江蘇 徐州221008；2.中國礦業(yè)大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心， 江蘇 徐州221008)

摘要：研究了間歇共信道機(jī)制下，微波輸能與傳感器節(jié)點(diǎn)通信之間的影響關(guān)系；建立了丟幀率模型表達(dá)式，分析了丟幀率與輸能持續(xù)時(shí)間、間歇時(shí)間和數(shù)據(jù)傳輸速率之間的關(guān)系。仿真結(jié)果表明，輸能持續(xù)時(shí)間和間歇時(shí)間的比值越大，丟幀率越高；在數(shù)據(jù)傳輸速率小于100 kbit/s時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸速率越小，丟幀率越低。實(shí)測結(jié)果證明了丟幀率模型的有效性。

關(guān)鍵詞：傳感器節(jié)點(diǎn)； 微波輸能； 數(shù)據(jù)通信； 通信干擾； 共信道； 丟幀率

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160803.1000.006.html

0　引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在煤礦安全生產(chǎn)中擔(dān)任著重要角色，尤其是在災(zāi)變環(huán)境下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能提供第一手救援信息。傳統(tǒng)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)大多采用電池供電，電池電量的有限性制約了網(wǎng)絡(luò)生命周期。在發(fā)生災(zāi)難時(shí)，保持傳感器節(jié)點(diǎn)電量的充足性尤為關(guān)鍵。無線微波輸能(Microwave Power Transmission，MPT)技術(shù)的發(fā)展[1-4]為解決無線傳感器節(jié)點(diǎn)電量有限問題提供了新方法。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)之初是為了以無線形式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并沒有考慮通過無線輸能給傳感器節(jié)點(diǎn)供電的問題。在數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)上引入能量傳輸機(jī)制，必然會(huì)產(chǎn)生相互干擾。目前研究無線MPT技術(shù)的文獻(xiàn)有很多，但很少涉及無線MPT對數(shù)據(jù)通信的影響問題。針對該問題，參考文獻(xiàn)[5-6]提出并分析了2種解決方法：間歇共信道機(jī)制和相鄰信道機(jī)制。這2種機(jī)制的目的是充分利用有限的頻譜資源。假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)天線帶寬為2.4～2.5 GHz，MPT系統(tǒng)的工作頻點(diǎn)為2.45 GHz，當(dāng)輸能和數(shù)據(jù)通信工作同時(shí)進(jìn)行時(shí)，為相鄰信道機(jī)制；當(dāng)輸能工作間歇進(jìn)行時(shí)，為間歇共信道機(jī)制。

參考文獻(xiàn)[5]在微波暗室中通過實(shí)驗(yàn)方式探索了2種機(jī)制的特點(diǎn)。在相鄰信道機(jī)制下，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)接收功率不大于0.6 μW/cm2時(shí)，MPT對數(shù)據(jù)通信沒有影響；當(dāng)接收功率超過0.6 μW/cm2時(shí)，數(shù)據(jù)通信工作停止。這是因?yàn)橥ㄐ盘炀€偵測到數(shù)據(jù)發(fā)送功率時(shí)，其帶通濾波器無法完全衰減掉接收到的輸能功率，導(dǎo)致通信天線在能量接收與數(shù)據(jù)發(fā)送之間發(fā)生沖突。一般情況下，傳感器節(jié)點(diǎn)的接收功率最小為mW/cm2級別，因此相鄰信道機(jī)制不太適用。間歇共信道機(jī)制可利用現(xiàn)有的商業(yè)設(shè)備輕松實(shí)現(xiàn)，通過間歇控制輸能的持續(xù)時(shí)間來降低對數(shù)據(jù)通信的影響，是解決共信道機(jī)制下輸能與通信共存問題的有效途徑。本文針對間歇共信道機(jī)制，通過分析丟幀率來探索微波輸能與數(shù)據(jù)通信之間的干擾機(jī)制，由此尋找最優(yōu)輸能策略。 [5]采用理論推導(dǎo)方式，得出丟幀率Rloss與TPT，TPS的關(guān)系：

1　共信道MPT與數(shù)據(jù)通信下的丟幀率模型

在間歇共信道機(jī)制下，MPT系統(tǒng)間歇性地傳輸能量。設(shè)其能量發(fā)送持續(xù)時(shí)間為TPT，停歇時(shí)間為TPS。在TPT內(nèi)，傳感器節(jié)點(diǎn)探測到MPT系統(tǒng)發(fā)射能量，此時(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)將停止數(shù)據(jù)通信工作，并將傳輸數(shù)據(jù)暫存在一個(gè)有限大小的緩沖區(qū)；在TPS內(nèi)，傳感器節(jié)點(diǎn)將繼續(xù)傳輸緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)。因緩沖區(qū)大小有限，所以會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出現(xiàn)象，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟幀。

(1)

式中：Ntotal為發(fā)送數(shù)據(jù)的總幀數(shù)；Nreceived為接收到的數(shù)據(jù)幀數(shù)。

定義緩沖區(qū)大小為Z，數(shù)據(jù)傳輸速率為G，則GTPT為TPT內(nèi)暫存在緩沖區(qū)待發(fā)送的數(shù)據(jù)幀數(shù)，為了保證不丟幀，在TPT內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)應(yīng)不超過緩沖區(qū)大小，即GTPT≤Z，此時(shí)令TPT≤Z/G=A。

同時(shí)要保證在TPS內(nèi)，將緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)和TPS內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，即

(2)

式中：L為所采用的數(shù)據(jù)通信協(xié)議中1幀數(shù)據(jù)大小，不同的傳輸協(xié)議(如UDP，TCP等)具有不同的L值；τ為傳感器節(jié)點(diǎn)2次數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間間隔。

令TPS≥GTPT/(L/τ-G)=B。如果TPS太短，則無法將緩沖區(qū)中和TPS內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，也會(huì)發(fā)生丟幀現(xiàn)象。此時(shí)所丟幀數(shù)為

(3)

當(dāng)GTPT>Z，即TPT>A時(shí)，開始出現(xiàn)丟幀現(xiàn)象。TPS≥B時(shí)，所丟幀數(shù)為

(4)

當(dāng)TPT>A且TPS

由式(1)—式(4)及Ntotal=G(GTPT+GTPS)/L，可得出總的丟幀率為

(5)

A，B，C,TPT，TPS在1個(gè)輸能周期的示意如圖1所示。

圖1　A，B，C,TPT，TPS在1個(gè)輸能周期的示意

Rloss隨TPT的減小而減小，隨TPT的增大而增大。假設(shè)1個(gè)輸能周期(TPS+TPT)內(nèi)的能量發(fā)送功率為PPT，平均能量傳輸功率為Pe，則有

(6)

式(6)揭示了MPT系統(tǒng)發(fā)送功率與傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸速率之間的關(guān)系。數(shù)據(jù)傳輸速率G值越大，意味著平均能量傳輸功率Pe越低。τ=0.6 ms，L=1 470 B(UDP協(xié)議)時(shí),Pe/PPT與G之間的關(guān)系如圖2所示?？煽闯?，Pe/PPT隨G值增大不斷下降，也就是說，為了給傳感器節(jié)點(diǎn)提供更多的能量，必須降低傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸速率。

圖2　Pe/PPT與G的關(guān)系

2　丟幀率模型仿真

在巷道中應(yīng)用MPT系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)無線傳感器的工作方式，有2種輸能方式。

(1) 如果設(shè)定傳感器節(jié)點(diǎn)在MPT期間不傳輸數(shù)據(jù)，那么MPT系統(tǒng)對傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信沒有任何影響。但是需要一種機(jī)制來協(xié)調(diào)MPT系統(tǒng)和傳感器節(jié)點(diǎn)，使二者互不影響。

(2) 如果傳感器節(jié)點(diǎn)始終在傳輸數(shù)據(jù)，為了控制丟幀率Rloss，需要根據(jù)式(5)控制好各項(xiàng)參數(shù)之間的關(guān)系。以煤礦井下常用的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)為例，緩沖區(qū)大小Z≈256 B，1幀數(shù)據(jù)大小L≈127 B，1幀數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)間間隔τ根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置，最大數(shù)據(jù)傳輸速率Gmax=250 kbit/s。此時(shí)A=Z/G=0.008 2，很難通過控制TPT

圖3　Rloss在不同TPT下隨TPS的變化曲線

從圖3可看出，隨著TPS增大，在高速率G=250 kbit/s下，輸能間隔TPT越小，Rloss越小。對比G=25 kbit/s和G=250 kbit/s時(shí)的曲線可知，TPT越小，G對Rloss的影響越大；TPT=1時(shí)，Rloss在2種速率下的差距不大。

圖4為Rloss在不同G下隨TPS的變化曲線。可看出G小于100 kbit/s時(shí)，G越小，則Rloss越小；G大于100 kbit/s時(shí)，Rloss差別不大。因此根據(jù)需要，適當(dāng)控制G在100 kbit/s以下，即可在一定程度上降低Ploss。

圖4　Rloss在不同G下隨TPS的變化曲線

3　實(shí)驗(yàn)測量

為了驗(yàn)證理論模型的有效性，通過井下常用的ZigBee網(wǎng)絡(luò)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行了測試。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示。在一個(gè)7 m長的實(shí)驗(yàn)桌兩端各放置1個(gè)ZigBee天線(芯片型號(hào)為CC2530，工作頻率為2.4 GHz)，一個(gè)作為傳感器節(jié)點(diǎn)來發(fā)送數(shù)據(jù)，另一個(gè)作為AP節(jié)點(diǎn)來接收數(shù)據(jù)。采用數(shù)據(jù)連續(xù)發(fā)送模式，每2次數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間間隔τ=300 ms，這樣可保證ZigBee天線在無干擾條件下不丟幀。2個(gè)ZigBee天線各連接1臺(tái)電腦，用串口發(fā)送數(shù)據(jù)，波特率為115 200 bit/s，便于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)射和接收幀數(shù)。2個(gè)ZigBee天線間距約為5 m。

圖5　MPT與通信間干擾機(jī)制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)右側(cè)放置1個(gè)喇叭天線，作為MPT輸能端，用于干擾ZigBee數(shù)據(jù)發(fā)送端，距離ZigBee數(shù)據(jù)發(fā)送端約為1 m。喇叭天線連接射頻信號(hào)發(fā)生器(型號(hào)為Rohde&Schwarz SMB100A)，用于提供穩(wěn)定的2.4 GHz射頻信號(hào)。考慮輻射安全因素，輸能端沒有加功率放大器，但為了清晰地觀測輸能端對ZigBee通信的影響，將ZigBee發(fā)送功率設(shè)為-22 dB·m，射頻信號(hào)發(fā)生器功率設(shè)為16 dB·m。由于技術(shù)指標(biāo)限制，射頻信號(hào)發(fā)生器的射頻開關(guān)最小間隔只能達(dá)到1 s，即TPT最小為1 s。

圖6為TPT=1，3，10 s時(shí)Rloss實(shí)測值與理論值對比。可看出Rloss實(shí)測值與理論值趨勢一致，但實(shí)測值更大，這可能是由測量誤差和ZigBee通信時(shí)的意外丟幀造成的。

圖6　Rloss實(shí)測值與理論值對比

在煤礦井下應(yīng)用MPT技術(shù)時(shí)，應(yīng)處理好MPT與數(shù)據(jù)傳輸之間的關(guān)系。對一些間歇傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行輸能時(shí)，只需設(shè)計(jì)好一種協(xié)調(diào)機(jī)制，避免輸能和數(shù)據(jù)發(fā)送同時(shí)進(jìn)行，就能有效避免數(shù)據(jù)丟幀；對持續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)進(jìn)行輸能時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求(數(shù)據(jù)的重要程度、節(jié)點(diǎn)功耗及剩余能量等)，控制好TPT與TPS之間的關(guān)系，來控制Rloss在可接受范圍內(nèi)。

4　結(jié)語

分析了間歇共信道下，MPT與傳感器節(jié)點(diǎn)通信

的影響關(guān)系，得出了數(shù)據(jù)丟幀率表達(dá)式。仿真分析認(rèn)為，在井下利用MPT技術(shù)為傳感器節(jié)點(diǎn)供電時(shí)，為了降低丟幀率，應(yīng)盡可能減小輸能持續(xù)時(shí)間，增大輸能間歇時(shí)間，同時(shí)根據(jù)需要適當(dāng)降低通信的數(shù)據(jù)傳輸速率。若要保證數(shù)據(jù)傳輸無丟幀，只能采用MPT與數(shù)據(jù)通信交替進(jìn)行的策略。

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文章編號(hào)：1671-251X(2016)08-0021-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.08.006

收稿日期：2016-04-01；修回日期：2016-06-06；責(zé)任編輯：李明。

基金項(xiàng)目：中國礦業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目(X1029015058)。

作者簡介：滿忠誠(1993-)，男，山東滕州人，本科在讀，研究方向?yàn)闊o線電能傳輸技術(shù),E-mail：mzc0779@163.com。通信作者：趙端(1983-)，男，河北承德人，講師，博士，研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線電能傳輸、井下人員定位技術(shù)，E-mail：zhaoduan1027@163.com。

中圖分類號(hào)：TD67

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-08-03 10:00

Research on interference mechanism between microwave power transmission and data communication in co-channel

MAN Zhongcheng1,LIU Xiaoming1,2,ZHAO Duan1,2

(1.School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China; 2. Internet of Things (Perception Mine) Research Center, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China)

Abstract:Influence relationship between microwave power transmission and sensor node communication was researched in intermittent co-channel mechanism. A frame loss rate model was established, and the relationship among frame loss rate, power transmission time, power suspension time and data transmission rate was analyzed. The simulation results show that the frame loss rate raises along with the ratio of power transmission time and power suspension time; when the data transmission rate is below 100 kbit/s, the frame loss rate declines with decreasing of the data transmission rate. The real measurement result proves the validity of the frame loss rate model.

Key words:sensor node; microwave power transmission; data communication; communication interference; co-channel; frame loss rate

滿忠誠，劉曉明，趙端.共信道下微波輸能與數(shù)據(jù)通信干擾機(jī)制研究[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(8)：21-24.