姜慶偉
(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 咸陽(yáng)712000)
基于WUSN的兩種無(wú)線地下收發(fā)器信號(hào)處理方法對(duì)比分析
姜慶偉
(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 咸陽(yáng)712000)
針對(duì)無(wú)線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Underground Sensor Network,WUSN)中的無(wú)線地下收發(fā)器需求和研究信號(hào)處理方法意義進(jìn)行了分析,結(jié)合無(wú)線地下信道和收發(fā)器結(jié)構(gòu)對(duì)兩種無(wú)線地下收發(fā)器進(jìn)行比較,指出對(duì)基于磁感應(yīng)技術(shù)無(wú)線收發(fā)器的研究的特點(diǎn)和重要性,為后繼的深入研究提供參考和借鑒。
無(wú)線地下傳感器網(wǎng)絡(luò);收發(fā)器;地下信道;信號(hào)處理
隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1-2]的應(yīng)用日益廣泛,無(wú)線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)(WUSN)也越來(lái)越受關(guān)注,將無(wú)線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在地下,監(jiān)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù),對(duì)災(zāi)害預(yù)防和農(nóng)業(yè)指導(dǎo)有著重大的作用,無(wú)線地下收發(fā)器是無(wú)線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的重要組成部分,在無(wú)線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)中起著不可或缺的作用,且無(wú)線地下通信系統(tǒng)的信號(hào)處理方法的選擇,直接關(guān)系到通信系統(tǒng)的質(zhì)量,本文闡述無(wú)線地下收發(fā)器功能需求及其信號(hào)處理方法的意義,然后分析兩種無(wú)線地下收發(fā)器的現(xiàn)狀,確定了研究基于磁感應(yīng)技術(shù)無(wú)線收發(fā)器比較適合解決的無(wú)線地下通信面臨著高路徑損耗、信道條件動(dòng)態(tài)變化大和天線尺寸過(guò)大等問(wèn)題[3-5]。
無(wú)線地下收發(fā)器由無(wú)線地下傳感器節(jié)點(diǎn)的處理器模塊、無(wú)線通信模塊和能量供應(yīng)模塊組成,主要實(shí)現(xiàn)無(wú)線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的功能。無(wú)線收發(fā)器實(shí)現(xiàn)的任務(wù)主要是將比特流轉(zhuǎn)換成適合在無(wú)線信道中傳輸?shù)男盘?hào)。具體而言,頻率選擇、載波頻率生成、信號(hào)檢測(cè)、調(diào)制、編碼以及數(shù)據(jù)加密都是無(wú)線收發(fā)器應(yīng)該實(shí)現(xiàn)的,無(wú)線地下收發(fā)器的實(shí)現(xiàn)直接影響無(wú)線地下傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
地下通信與地面通信有著本質(zhì)的區(qū)別,同時(shí)也帶來(lái)了許多技術(shù)挑戰(zhàn),主要原因是地下環(huán)境復(fù)雜,具有土壤、巖石、樹(shù)根等物質(zhì),各種物質(zhì)的介電常數(shù)不同,加上地下有著其他的電磁場(chǎng)的干擾如工頻干擾等,導(dǎo)致無(wú)線地下信道更加復(fù)雜,為應(yīng)對(duì)復(fù)雜的信道,保證通信正常,必須選擇合適的信號(hào)編碼、調(diào)制和濾波等信號(hào)處理方法。
目前無(wú)線地下收發(fā)器有兩種,一種是基于電磁波技術(shù)的無(wú)線地下收發(fā)器,另一種是基于磁感應(yīng)技術(shù)的無(wú)線地下收發(fā)器,兩種通信方式原理不同,通信的信道也不同,下面將從信道和結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行分析二者的不同。
1.1 基于電磁波技術(shù)無(wú)線地下收發(fā)器信道模型
基于電磁波技術(shù)[5]的無(wú)線地下收發(fā)器是利用電磁波傳輸進(jìn)行通信,電磁波通信的地下通信與地面通信有著本質(zhì)的區(qū)別,同時(shí)也帶來(lái)了許多技術(shù)挑戰(zhàn)。主要原因是地下通信性能與土壤環(huán)境具有密切的聯(lián)系。接下來(lái)將闡述影響電磁波地下通信的五個(gè)主要因素,包括極端的路徑損耗、反射/折射、多徑衰落、傳播速率的降低以及噪聲。
1)極端的路徑損耗:由材料吸收所致的路徑損耗成為電磁波地下通信需要特別關(guān)注的問(wèn)題。地下通信中的路徑損耗是由電磁波頻率以及進(jìn)行傳輸?shù)耐寥阑驇r石的特性兩方面共同決定的。具體而言,土壤水分含量的增加會(huì)導(dǎo)致衰減的急劇增加,工作頻率越低,地下傳輸所造成的衰減越小。即使是工作在兆赫茲級(jí)的頻率依然會(huì)造成電磁波在土壤環(huán)境中以大約100 dB/m速度衰減,具體衰減數(shù)量取決于土壤狀況。
2)反射/折射:由于在土壤及空氣中不同的衰減特性,將在土壤與空氣分界面產(chǎn)生反射/折射。信號(hào)的反射/折射將影響收發(fā)器接收功率。
3)多徑衰落:電磁波在土壤介質(zhì)中傳播時(shí)只有一部分傳輸至地面,剩余部分將反射回地下,因而會(huì)導(dǎo)致多徑衰落。近地面部署的傳感器設(shè)備進(jìn)行通信時(shí),所傳輸?shù)碾姶挪ū囟ń咏寥琅c空氣的交界面,因而受到多徑衰落的影響尤為嚴(yán)重。散亂的地下巖石、植物根系以及變化的土壤性質(zhì)也會(huì)導(dǎo)致散射,從而產(chǎn)生衰落。
4)傳播速率的降低:電磁波通過(guò)土壤和巖石等電介質(zhì)材料傳輸時(shí),傳播速率相比于空氣中會(huì)降低。大部分土壤的介電常數(shù)通常在1-80的范圍內(nèi),則最小傳播速率大約為光速的10%。
5)噪聲和干擾:即使是地下信道,仍無(wú)法幸免于噪聲。相反,地下信道中的噪聲等級(jí)幾乎與空氣中的噪聲等級(jí)相同。地下噪聲源主要包括電源、閃電、電機(jī)以及大氣噪聲。但是地下噪聲通常限制在相對(duì)較低的頻率(低于10 kHz)。
地下無(wú)線信道的特性直接受進(jìn)行通信傳輸?shù)耐寥佬再|(zhì)影響,即兩個(gè)通信實(shí)體之間的路徑損耗,可以直接看出這個(gè)影響。土壤成分及其單位體積含水量、顆粒大小、密度以及溫度等系數(shù)共同決定了其介電常數(shù)ε。
利用Peplinski模型可得衰落常數(shù)α、相移常數(shù)β和路徑損耗公式如下:
式(1)和(2)中ω=2πf表示角頻率,μ為磁導(dǎo)率,ε′和 ε″為介電常數(shù)的實(shí)部和虛部。式(3)中距離d,單位為m;衰落常數(shù)α,單位為1/m;相移常數(shù)β,單位為rad/m。
1.2 基于磁感應(yīng)技術(shù)無(wú)線地下收發(fā)器信道模型
基于磁感應(yīng)技術(shù)無(wú)線地下收發(fā)器是利用磁感應(yīng)技術(shù)進(jìn)行通信,收發(fā)器發(fā)送端將已調(diào)制信號(hào)激發(fā)發(fā)送線圈,在發(fā)送線圈周圍產(chǎn)生磁場(chǎng),接收端線圈處于該磁場(chǎng)內(nèi),隨著磁場(chǎng)的變化,接收線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)實(shí)現(xiàn)通信[6]。
收發(fā)器節(jié)點(diǎn)間通信的實(shí)現(xiàn)為變壓器模型,通過(guò)空間高頻交變磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)耦合,依據(jù)是電磁感應(yīng)定律。MI通信方式利用有線線圈完成信號(hào)的發(fā)送與接收,如圖1所示,其中,ɑt和ɑr分別表示發(fā)送端線圈和匯聚節(jié)點(diǎn)線圈的半徑,r為發(fā)送端與匯聚節(jié)點(diǎn)之間的距離,(90°-α)表示兩個(gè)耦合線圈中心軸線的夾角。根據(jù)以上參數(shù),MI通信方式的路徑損耗表示為式(4)[7-8]:
圖1 磁感應(yīng)系統(tǒng)
式(4)中,Nt和Nr分別為發(fā)送端線圈和匯聚節(jié)點(diǎn)線圈的匝數(shù),R0為線圈的單位長(zhǎng)度電阻,μ為介質(zhì)(即土壤)磁導(dǎo)率,ω為傳輸信號(hào)的角頻率。當(dāng)使用低電阻線圈,高信號(hào)頻率和多線圈匝數(shù)(即ωμN(yùn)t>>R0),則上述比值可簡(jiǎn)化為:
如式(5)所示,接收功率損耗為傳輸距離r的六階函數(shù)。隨著信號(hào)頻率ω、線圈匝數(shù)N、線圈尺寸ɑ的增加,以及環(huán)路電阻R0的減小,都會(huì)使接收功率增加。同時(shí),兩個(gè)耦合線圈中心軸線的夾角也會(huì)影響接收功率。具體而言,夾角越小,接收的功率越高。MI通信方式的一個(gè)重要特性表現(xiàn)在接收功率不受環(huán)境條件的影響。唯一影響接收功率的環(huán)境條件為式(5)中磁導(dǎo)率μ,而且土壤或水介質(zhì)的磁導(dǎo)率與空氣介質(zhì)的磁導(dǎo)率基本相等。
式 (5)中的路徑損耗表達(dá)式可以與電磁波通信情況的Friis式(6)傳輸方程比較。
對(duì)于電磁波而言,工作頻率的升高會(huì)導(dǎo)致更大的路徑損耗。而MI則相反,頻率的升高反而會(huì)使衰減速率降低。但是MI通信方式的接收功率衰減速率(1/r6)比電磁波的衰減速率(1/r2)快很多倍。此外,式(6)中的土壤介電常數(shù)?相比空氣介電常數(shù)而言大很多,而且會(huì)隨著時(shí)間和空間的不同而劇烈變化。因此,電磁波的路徑損耗深受環(huán)境條件的影響。簡(jiǎn)而言之,MI技術(shù)具備穩(wěn)定的信道條件,而電磁波技術(shù)具備較低衰減的優(yōu)勢(shì)。
當(dāng)然磁感應(yīng)地下信道也無(wú)法幸免于噪聲,與電磁波地下信道一樣,它的信道噪聲等級(jí)幾乎與空氣中的噪聲等級(jí)相同。地下噪聲源主要包括電源、閃電、電機(jī)以及大氣噪聲,但是地下噪聲通常限制在相對(duì)較低的頻率(低于10 kHz)。
MI技術(shù)在環(huán)境依賴及天線尺寸方面優(yōu)于電磁波技術(shù),但接收功率損耗較電磁波技術(shù)大。對(duì)于實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景,可以通過(guò)在發(fā)送端和匯聚節(jié)點(diǎn)之間部署中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)解決上述問(wèn)題。
1.3 兩種無(wú)線地下收發(fā)器比較
基于電磁波通信的無(wú)線地下收發(fā)器利用電磁波在土壤中傳輸信號(hào)要求工作在兆赫茲或是更低頻率范圍。然而,降低工作頻率會(huì)導(dǎo)致天線長(zhǎng)度的增加,當(dāng)工作頻率為100 MHz時(shí),1/4波長(zhǎng)的天線長(zhǎng)度為0.75 m,所以降低頻率,提高通信距離,天線尺寸過(guò)大將與地下傳感器設(shè)備尺寸小矛盾。
通過(guò)比較二者信道和結(jié)構(gòu)方面,傳統(tǒng)的基于電磁波技術(shù)[7]的無(wú)線地下收發(fā)器將主要面臨三大問(wèn)題:高路徑損耗、信道條件動(dòng)態(tài)變化和天線尺寸過(guò)大。第一,由于土壤、巖石及水分對(duì)電磁波的吸收特性,導(dǎo)致電磁波傳輸時(shí)信號(hào)的大幅衰減。第二,路徑損耗的大小取決于諸如水分含量、土壤成分(沙子、淤泥或黏土)以及密度等許多土壤性質(zhì)。同時(shí),路徑損耗也會(huì)隨時(shí)間和空間發(fā)生急劇變化。比如降雨將導(dǎo)致土壤水分含量的增加,短距離內(nèi)土壤性質(zhì)可能發(fā)生很大的變化,從而使通信系統(tǒng)的誤碼率成為時(shí)間與空間的函數(shù)。第三,要求通信工作頻率在兆赫茲級(jí)或更低的范圍以便獲得實(shí)際所需的傳輸范圍。為了保證在此工作頻率下有效地發(fā)送和接收信號(hào),必須使用較大的天線,很難部署于土壤中。
然而,基于磁感應(yīng)通信的無(wú)線收發(fā)器利用磁感應(yīng)(MI)[8]技術(shù)傳輸信號(hào)有效地解決了電磁波傳播情況下信道條件動(dòng)態(tài)變化以及天線尺寸大的問(wèn)題。特別是諸如土壤和水這樣的密集介質(zhì),因?yàn)閮烧叩拇艑?dǎo)率近似相等,所以磁場(chǎng)內(nèi)的衰減率相對(duì)于空氣中傳播僅有微小變化。因此,在土壤介質(zhì)中的磁感應(yīng)信道條件基本穩(wěn)定。此外,在MI通信中只須一個(gè)小小的線圈即可完成發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的任務(wù)。因此,對(duì)于MI技術(shù)而言,天線尺寸已不是主要的限制問(wèn)題?;贛I技術(shù)的收發(fā)器面臨的最大挑戰(zhàn)就是衰減問(wèn)題:磁感應(yīng)強(qiáng)度的衰落速率遠(yuǎn)大于電磁波的衰減速率。
由于傳統(tǒng)的基于電磁波通信的無(wú)線地下收發(fā)器有其3個(gè)缺點(diǎn),影響著WUSN的研究,而基于磁感應(yīng)技術(shù)的無(wú)線地下收發(fā)器的信道相比電磁波地下傳輸信道簡(jiǎn)單,又解決了基于電磁波通信的無(wú)線地下收發(fā)器信道條件動(dòng)態(tài)變化以及天線尺寸大的問(wèn)題,且自身衰落速率大可通過(guò)MI波導(dǎo)技術(shù)克服,所以為了更好的研究無(wú)線地下傳感器網(wǎng)絡(luò),基于磁感應(yīng)技術(shù)的無(wú)線地下收發(fā)器就顯得尤為重要。
基于磁感應(yīng)技術(shù)無(wú)線地下收發(fā)器通信系統(tǒng) (如圖2所示),發(fā)送端將信息源編碼調(diào)制成適合在地下信道傳輸?shù)男盘?hào),再送入地下信道,接收端將接收到的信號(hào)解碼解調(diào)恢復(fù)出相應(yīng)的原始信號(hào),圖2的噪聲是指地下信道中的干擾噪聲以及無(wú)線地下收發(fā)通信系統(tǒng)中其他地方的噪聲,對(duì)無(wú)線地下收發(fā)器信號(hào)處理方法研究,將圍繞收發(fā)器通信系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)去研究,包括接收信號(hào)提取、噪聲濾波、信源編碼解碼、信道編碼解碼和調(diào)制解調(diào)等技術(shù)研究。
圖2 基于磁感應(yīng)技術(shù)無(wú)線地下收發(fā)器通信系統(tǒng)框圖
對(duì)無(wú)線地下收發(fā)器的需求及其信號(hào)處理方法意義進(jìn)行簡(jiǎn)單的闡述;然后從信道、結(jié)構(gòu)等方面,對(duì)兩種不同技術(shù)的收發(fā)器進(jìn)行了對(duì)比,分析各自的優(yōu)缺點(diǎn),突出研究基于磁感應(yīng)技術(shù)無(wú)線地下收發(fā)器的必要性。
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Comparison of tow kinds of signal processing methods for wireless underground transceiver based on WUSN
JIANG Qing-wei
(Shaanxi Polytechnic Institute,Xianyang 712000,China)
Aiming at the wireless underground sensor networks (Wireless Underground sensor network,WUSN)in the underground wireless transceiver requirements and the signal processing method and significance of analysis,combined with the underground wireless channel and transceiver structure of two kinds of Wireless Underground transceiver performed better than is pointed out based on the characteristics and importance of the study of magnetic induction technology wireless transceiver,for subsequent in-depth study provides reference.
underground wireless sensor network;transceiver;underground channel;signal processing
TN99
A
1674-6236(2016)18-0113-03
2016-02-09 稿件編號(hào):201602189
陜西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015JM6325)
姜慶偉(1983—),男,江蘇揚(yáng)州人,碩士,講師。研究方向:計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、軟件工程。