基于磁感應(yīng)技術(shù)的WUSN信道路徑損耗分析?

劉洲洲，張婷婷王曉柱

（1．西安航空學(xué)院，西安710072；2．遼寧省武警總隊(duì)，沈陽110034；3．西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院，西安710077）

基于磁感應(yīng)技術(shù)的WUSN信道路徑損耗分析?

劉洲洲1，張婷婷2王曉柱3

（1．西安航空學(xué)院，西安710072；2．遼寧省武警總隊(duì)，沈陽110034；3．西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院，西安710077）

針對(duì)磁感應(yīng)線圈（Magnetic Induction，MI）在無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Underground Sensor Network，WUSN）傳輸過程中對(duì)信道路徑損耗的影響，分析了不同影響因素下的路徑損耗變化，研究并確定了磁感應(yīng)線圈在土壤中傳輸?shù)牡刃щ娐贰Ｔ诖嘶A(chǔ)上建立并仿真頻率、磁導(dǎo)率、距離因素下的路徑損耗變化模型，確定了基于各影響因子的路徑損耗變化情況，同時(shí)初步設(shè)計(jì)收發(fā)電路，確定了磁感應(yīng)技術(shù)在土壤傳輸過程中所考慮的影響因素要少于電磁波技術(shù)所考慮的影響因素，同時(shí)表明了磁感應(yīng)技術(shù)在土壤傳輸中可以克服電磁波技術(shù)所產(chǎn)生的信號(hào)干擾因素多、衰減大等問題，從而有效解決了信道條件動(dòng)態(tài)變化以及天線尺寸大的問題，為更進(jìn)一步的深入研究奠定了基礎(chǔ)。

無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)；磁感應(yīng)線圈；磁感應(yīng)技術(shù)；信道；路徑損耗；影響因素

1　引　言

無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)（WUSN）是由通過土壤傳輸?shù)膫鞲衅鞴?jié)點(diǎn)形成的網(wǎng)絡(luò)，其主要目的是采集、處理和傳輸監(jiān)測(cè)地區(qū)的信息［1］。WUSN和傳統(tǒng)的地上無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不同，它是把無線收發(fā)模塊埋藏在地下土壤中，接收模塊感知到數(shù)據(jù)信息后，通過無線方式發(fā)送數(shù)據(jù)，無線低頻電磁場(chǎng)通過土壤介質(zhì)進(jìn)行耦合。由于地下土壤環(huán)境和地上空氣環(huán)境不同，WUSN傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)議、算法以及傳輸路徑與模型都不同于地上，所以對(duì)無線地下傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸特征的研究是一個(gè)更深層次的探索。WUSN通信被劃分為三種：

地上—地下通信：地上匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息到地下傳感器節(jié)點(diǎn)，地下傳感器節(jié)點(diǎn)接收匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的消息和命令；地下—地上通信：發(fā)送節(jié)點(diǎn)被鋪設(shè)在地下土壤中，透過地面發(fā)送信息至地上匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)作為接收節(jié)點(diǎn)布置在地面上；地下—地下通信：傳感器發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)被鋪設(shè)在地下土壤中，節(jié)點(diǎn)間通過土壤介質(zhì)進(jìn)行相互通信。無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)基本框架圖如圖1所示。

圖1　無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)基本框架圖

特別的，WUSN節(jié)點(diǎn)在地下—地下之間通信時(shí)，有兩條不同的路徑。第一條路徑是兩個(gè)地下傳感器節(jié)點(diǎn)直接通信；第二條路徑是由地面反射再通信的反射路徑。當(dāng)在土壤表層時(shí)，地面反射對(duì)通信路徑的影響至關(guān)重要。當(dāng)?shù)叵聜鞲衅鞴?jié)點(diǎn)鋪設(shè)達(dá)到2m深度時(shí)，由于反射的路徑長(zhǎng)度增加，節(jié)點(diǎn)電磁波的衰減也隨之增加，此時(shí)地面的反射作用可忽略不計(jì)，通信信道成為從發(fā)送節(jié)點(diǎn)到接收節(jié)點(diǎn)的單一通信路徑。在農(nóng)業(yè)應(yīng)用采集地下土壤參數(shù)信息中，地下傳感器節(jié)點(diǎn)埋藏在耕作層以下范圍，傳感器節(jié)點(diǎn)間的通信不可忽略反射的存在。

目前主要研究的是電磁波技術(shù)在土壤中傳輸?shù)男诺酪蛩?，包括土壤性質(zhì)、土壤含水量、節(jié)點(diǎn)距離、土壤磁導(dǎo)率以及頻率范圍等因素［2］。然而，基于電磁波技術(shù)的無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大等問題，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足WUSN向長(zhǎng)距離和深層地質(zhì)通信發(fā)展的要求。無線地下收發(fā)器若是利用磁感應(yīng)（MI）技術(shù)傳輸信號(hào)，能夠有效解決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［3］。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)。但是目前對(duì)于磁感應(yīng)技術(shù)在土壤中傳輸?shù)挠绊懸蛩匮芯可僦稚?，只是初步的提出設(shè)想，還沒有進(jìn)一步去進(jìn)行實(shí)踐。國內(nèi)外關(guān)于地下環(huán)境信息的無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)研究近幾年才開始，正處于提出與基礎(chǔ)試驗(yàn)性的研究階段，還不能形成較為完善的技術(shù)體系與理論體系，也不能生產(chǎn)出比較成熟的產(chǎn)品。國內(nèi)對(duì)無線通信網(wǎng)絡(luò)的研究目前主要還是集中在對(duì)地上和水下的研究，針對(duì)地下的無線通信研究比較少，有少量地下無線通信研究也只是集中在地表淺層土壤無線通信的研究，對(duì)研究地下深層的無線通信網(wǎng)絡(luò)基本沒有。國外對(duì)無線地下傳輸?shù)难芯空虼鸥袘?yīng)理論技術(shù)發(fā)展，但還沒有達(dá)到進(jìn)行實(shí)地實(shí)驗(yàn)的階段。

因此，針對(duì)上述問題，研究磁感應(yīng)技術(shù)在地下信道中的傳輸特性，并建立模型，同時(shí)研究各影響因素的變化對(duì)信道模型的影響，最后通過進(jìn)行地下收發(fā)電路設(shè)計(jì)，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。

2　不同影響因素下的路徑損耗變化

MI信道中由材料吸收所導(dǎo)致的極端路徑損耗成為磁感應(yīng)技術(shù)在地下通信中需要特別關(guān)注的問題。地下通信中的路徑損耗是由頻率以及進(jìn)行傳輸?shù)耐寥阑驇r石的特性兩方面共同決定的［4］。與地上通信的主要區(qū)別表現(xiàn)在地下路徑損耗很大程度上取決于土壤類型以及土壤中的磁導(dǎo)率。一般根據(jù)顆粒大小進(jìn)行歸類，按大小降序排列，土壤類型可以分為沙、灰?guī)r、淤泥、黏土或其他混合物。沙質(zhì)土壤較淤泥更有利于信號(hào)傳播。沙質(zhì)土壤所引起的信號(hào)衰減比較小，而黏土土壤產(chǎn)生的信號(hào)衰減很大。另外，不同的土壤顆粒大小也會(huì)導(dǎo)致土壤體積含水量的變化。此外，土壤密度的變化也會(huì)導(dǎo)致路徑損耗變化，即密度越大，信號(hào)衰落越嚴(yán)重。

除了土壤成分和結(jié)構(gòu)之外，工作頻率也是影響路徑損耗的重要因素。信號(hào)在土壤中傳輸引起的衰落也依賴于工作頻率。一般而言，在給定距離以及土壤狀況的條件下，工作頻率越低，地下傳輸所造成的衰減越小，得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，但誤碼率比較大。具體衰減數(shù)量取決于土壤結(jié)構(gòu)。

磁感應(yīng)技術(shù)在土壤與巖石等電介質(zhì)材料中傳輸時(shí)，傳輸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范圍內(nèi)，使得傳輸速率降低。

在MI通信情況下，建立出模型來描述發(fā)射功率Pt和接收功率Pr之間的關(guān)系。在該等效電路中，它等于消耗在初級(jí)回路中的功率與消耗的負(fù)載阻抗中的功率之間的關(guān)系，即：

為了最大限度地提高電路效率，負(fù)載阻抗被設(shè)計(jì)為等于所述復(fù)共軛次級(jí)回路的輸出阻抗。由Z＝可得信號(hào)接收功率與發(fā)射功率的比率是：

MI通信方式利用線圈完成信號(hào)的發(fā)射和接收。其中，at和ar分別表示發(fā)送線圈和接收線圈的半徑，r為發(fā)送端與接收端之間的距離，（90°－a）表示兩個(gè)耦合線圈中心軸線的夾角［4］。依據(jù)以上參數(shù)，磁感應(yīng)通信方式的路徑損耗可表示為：

式中，Nt和Nr分別為發(fā)送端線圈和接收線圈匝數(shù)，R0為線圈單位長(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）時(shí)，上述比值可簡(jiǎn)略為：

接收功率損耗為傳輸距離r的六階函數(shù)，信號(hào)頻率ω、線圈匝數(shù)N、線圈尺寸a的增加以及環(huán)路電阻R0的減小，都會(huì)使接收功率增加［5］。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。一般來說，夾角越小，接收到的信號(hào)功率越大。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)境條件是磁導(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。

MI的路徑損耗表達(dá)式可以與電磁波通信情況的弗林斯（Friis）傳輸方程比較［6］，即：的發(fā)射功率由消耗在耦合線圈的感應(yīng)功率和消耗在線圈電阻上的功率以及接收功率組成。如果線圈電阻小且線圈距離較近時(shí)，所接收到的功率與發(fā)射功率的比率將比較接近，但是隨著傳輸距離的增加接收功率和發(fā)送功率會(huì)下降。因?yàn)殡S著距離增加，越來越少的功率被傳輸?shù)浇邮站€圈。于是仍然存在著一個(gè)所謂的路徑損耗。但是應(yīng)當(dāng)指出的是，比較電磁波系統(tǒng)和磁感應(yīng)系統(tǒng)的性能，磁感應(yīng)系統(tǒng)的路徑損耗隨著傳輸距離的變化被定義為L(zhǎng)M＝－10lg（Pr／Pt），Pr是發(fā)射線圈發(fā)射信號(hào)到接收線圈的接收功率，Pt是發(fā)射線圈的發(fā)射功率。當(dāng)傳輸距離較近時(shí)，認(rèn)為Pt＝U21／R1，因此對(duì)MI通信系統(tǒng)的路徑損耗可以簡(jiǎn)化為：

3　磁感應(yīng)無線地下收發(fā)器設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用于不同環(huán)境中，包括地上、水下與地下等，應(yīng)用于任何地方的網(wǎng)絡(luò)組成都是基本相同的，包含了網(wǎng)關(guān)匯聚節(jié)點(diǎn)部分、無線傳感器終端節(jié)點(diǎn)部分和傳輸網(wǎng)絡(luò)部分等。無線地下傳感網(wǎng)［8］節(jié)點(diǎn)是無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心要素，只有通過傳感器節(jié)點(diǎn)才能實(shí)現(xiàn)感知、處理和通信。無線收發(fā)器是傳感器節(jié)點(diǎn)的重要組成部分，它的一般組成為無線通信模塊、處理器模塊與能量供應(yīng)模塊（如圖2所示）。

圖2　無線地下收發(fā)器結(jié)構(gòu)

對(duì)于電磁波而言，信號(hào)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，土壤介電常數(shù)相比于空氣中的介電常數(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)。

不像電磁波技術(shù)的輻射功率，MI通信系統(tǒng)的輻射功率可以忽略不計(jì)，因?yàn)檩椛潆娮璺浅Ｐ。?］。但是，在磁感應(yīng)通信的近場(chǎng)耦合中，發(fā)射線圈與接收線圈的感應(yīng)功率成為最主要的功率消耗。磁感應(yīng)系統(tǒng)

無線通信模塊由發(fā)射部分和接收部分組成，負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)間通信，包含了信息交換和數(shù)據(jù)匯聚、轉(zhuǎn)發(fā)等功能。無線收發(fā)器一般都要求通信模塊具有功耗低、安全可靠、長(zhǎng)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。其中發(fā)射和接收模塊實(shí)物圖如圖3和圖4所示。

4　仿真分析

通過上述分析，下面仿真出了頻率、磁導(dǎo)率以及距離的變化對(duì)路徑損耗的影響。

4．1低信號(hào)頻率所引起的路徑損耗

在圖5中，橫坐標(biāo)為頻率變化，給出了20KHz到200KHz的頻率范圍，縱坐標(biāo)為路徑損耗。從圖中可以看出，在地下磁感應(yīng)通信中，隨著發(fā)射線圈發(fā)射的信號(hào)頻率升高，信號(hào)的路徑損耗會(huì)隨著頻率的增大而減小。頻率升高使衰減速率降低，路徑損耗變小，但是電磁波相反，工作頻率的升高反而會(huì)導(dǎo)致更大的路徑損耗。

圖3　發(fā)射電路實(shí)物圖

圖4　節(jié)點(diǎn)外圍接收電路實(shí)物圖

圖5　頻率變化引起的路徑損耗

4．2低信號(hào)距離所引起的路徑損耗

圖6中，橫坐標(biāo)表示傳輸距離，根據(jù)仿真圖形可看出，在淺層土壤中，也就是地下與空氣的交接面上，信號(hào)的路徑損耗變化速率比較快，而當(dāng)信號(hào)傳輸?shù)捷^深地下土壤時(shí)，路徑損耗的變化速率趨勢(shì)變小。通過傳輸距離的變化可以得出，在給定距離下低頻傳輸時(shí)所引起的損耗較小，但會(huì)導(dǎo)致可用數(shù)據(jù)傳輸帶寬降低，從而減小信道容量。

圖6　距離變化引起的路徑損耗

4．3低信號(hào)磁導(dǎo)率所引起的路徑損耗

圖7橫坐標(biāo)表示磁導(dǎo)率的值。從圖中分析可以看出，磁導(dǎo)率的變化對(duì)路徑損耗的影響是相當(dāng)大的。因此對(duì)于地下的土壤情況，鋪設(shè)線圈時(shí)應(yīng)盡可能的分析清楚當(dāng)?shù)赝寥乐械慕橘|(zhì)情況，盡量選擇沒有管道鋪設(shè)或沒被污染的土壤，否則較大的磁導(dǎo)率很有可能導(dǎo)致信號(hào)失真。

圖7　磁導(dǎo)率引起的路徑損耗變化

5　結(jié)束語

通過分析地下磁感應(yīng)通信信道的模型和路徑損耗，分析了頻率與距離的變化對(duì)信道模型的影響，在此基礎(chǔ)上建立并仿真頻率、磁導(dǎo)率、距離因素下的路徑損耗變化模型，確定了基于各影響因子的路徑損耗變化情況。初步設(shè)計(jì)了收發(fā)電路，為后續(xù)研究建立了基礎(chǔ)。

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Analysis of Channel Path Loss in Wireless Underground Sensor Networks Based on Magnetic Induction Technology

Liu Zhouzhou1，Zhang Tingting2，Wang Xiaozhu3
（1．Xi'an Aeronautical University，Xi'an 710077，China；2．Liaoning Armed Police Force of China，Shenyang，110034；3．School of Electronics and Information，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China）

For effects，conducted by magnetic induction coil magnetic induction（MI）in the wireless underground sensor networks（WUSN）transmission for channel path loss，the path loss variation under different influencing factors is analyzed，and the equivalent circuit of transmission of magnetic induction coil in the soil is studied and determined．Accordingly，the frequency，permeability，distance factor variations in path loss model are established and simulated，and identified based on variations in path loss of each influencing factor．Meanwhile，the preliminary design transceiver circuit conducts a foundation for the further in－depth study．

Wireless underground sensor networks；Magnetic induction coil；Magnetic induction technology；Channel；Path loss；Influencing factors

10．3969／j．issn．1002－2279．2016．05．008

TP393

A

1002－2279（2016）05－0029－04

?國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61401499）

劉洲洲（1981－），男，山西省運(yùn)城市人，博士生，主研方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2015－02－29