基于無線地下傳感網(wǎng)的信道路徑損耗系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)?

陳北莉 劉洲洲 李開放

（1.西安航空學(xué)院電子工程學(xué)院 西安 710077）（2.西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院 西安 710072）

1 引言

近年來，磁感應(yīng)通信技術(shù)[1～3]（Magnetic Induc?tion，MI）由于其磁導(dǎo)率在土壤、巖石、水以及空氣中差異較小，可以用來解決地下無線傳輸信道狀態(tài)的復(fù)雜和不穩(wěn)定性[4～6]。雖然年磁感應(yīng)通信技術(shù)取得了進(jìn)步和發(fā)展，而且磁感應(yīng)應(yīng)用于無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)（WUSNs）方面有了大量的理論研究[7]，但在實際應(yīng)用方面，搭建的實驗平臺卻十分有限，Xin Tan[8]在試驗室環(huán)境內(nèi)部進(jìn)行了基于MI的兩個傳感器節(jié)點之間的地下無線通信，驗證了增加中繼線圈可有效提高傳輸距離，孫彥景[9]等通過實驗平臺對不同半徑和匝數(shù)的收發(fā)線圈進(jìn)行了測試，研究其對通信性能的影響。

然而，基于MI的WUSNs信道狀態(tài)相對比較穩(wěn)定，信道的路徑損耗仍然較大，尤其在整個磁感應(yīng)通信系統(tǒng)地下部署過程中，兩個傳感器節(jié)點之間用于信息傳輸?shù)闹欣^傳輸線圈不可能完全按照理想的位置進(jìn)行部署，中繼傳輸線圈在實際的部署過程中將會偏離理想的預(yù)設(shè)位置，從而引入信道損耗，很難滿足現(xiàn)實場景對信號傳輸距離的要求。針對該問題，本文在磁感應(yīng)波導(dǎo)技術(shù)原理基礎(chǔ)上，搭建了系統(tǒng)實驗測試平臺，通過分析采集接收線圈電壓值，驗證了無線磁感應(yīng)通信系統(tǒng)信道路徑損耗理論模型。

2 基于波導(dǎo)技術(shù)的磁感應(yīng)原理

基于若干的磁感應(yīng)傳輸諧振線圈之間的磁耦合可以用來進(jìn)行信號和能量的交叉?zhèn)鬟f[10～11]。典型的磁感應(yīng)波導(dǎo)由若干個（n個）半徑大小一致的圓形線圈構(gòu)成，線圈具有匹配電容，相鄰兩線圈的距離設(shè)為r，總距離則為d=(n-1)r，如圖1所示，將首個線圈中加入幅值為V的激勵電壓，末尾線圈的負(fù)載阻抗ZL=RL+jXL處結(jié)束。由于線圈彼此之間磁耦合產(chǎn)生磁感應(yīng)波導(dǎo)，作用在每一個線圈的匹配電容對于遠(yuǎn)距離傳輸是必須的。因此可以通過調(diào)整每一個線圈上的感應(yīng)電流來研究磁感應(yīng)波導(dǎo)的分布方程[12]，其簡化形式如式（1）給出：

圖1 磁感應(yīng)波導(dǎo)示意圖

3 無線磁感應(yīng)通信系統(tǒng)平臺設(shè)計

為了完成地下兩點之間的無線通信，所搭建的實驗平臺須包含三大模塊：1）無線收發(fā)線圈；2）信號發(fā)生和觀測設(shè)備；3）實驗室地下模擬環(huán)境。磁感應(yīng)通信系統(tǒng)的發(fā)射和接收線圈被埋在實驗室模擬的地下環(huán)境中，同時信號發(fā)生模塊和接收信號觀測模塊分別為相應(yīng)的信號發(fā)生器和示波器，二者分別連接在通信系統(tǒng)發(fā)射線圈和接收線圈上。本文在傳統(tǒng)磁感應(yīng)通信系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上，完成波導(dǎo)通信系統(tǒng)的設(shè)計，主要目的在于建立實際可靠的磁感應(yīng)通信系統(tǒng)，并通過采集分析通信信道電壓信號強(qiáng)度衰減率，帶寬等重要信道特性來完成對整個通信系統(tǒng)性能的評估[13]。

3.1 傳統(tǒng)磁感應(yīng)通信系統(tǒng)收發(fā)線圈設(shè)計

對于磁感應(yīng)無線地下通信系統(tǒng)而言，由于傳統(tǒng)基于電磁波技術(shù)的電偶極子無法在復(fù)雜的地下環(huán)境中提供可靠的通信信道，那么磁感應(yīng)收發(fā)線圈的設(shè)計實現(xiàn)便變得極為重要[14]。如圖2所示，磁感應(yīng)通信系統(tǒng)的收發(fā)端通過相對設(shè)計和實現(xiàn)都比較容易的圓形線圈來完成信號和能量的傳遞。如圖4所示為本文搭建的傳統(tǒng)磁感應(yīng)通信系統(tǒng)收發(fā)線圈實物照片。在本實驗中，磁感應(yīng)通信系統(tǒng)發(fā)射端和接收端均為半徑為0.15m的圓形銅線圈，切均恰好繞4匝，其銅線線徑為1.38mm，本實驗引入的匹配電容C值為0.13μF，旨在使得通信線圈在一定頻率點處諧振。

圖2 傳統(tǒng)磁感應(yīng)通信系統(tǒng)收發(fā)線圈

圖3 傳統(tǒng)磁感應(yīng)通信收發(fā)線圈實物圖

根據(jù)模型，為了增加信道增益，可以采取增大線圈半徑或者增加線圈匝數(shù)的途徑。然而，這兩種方法都會增加線圈的實現(xiàn)復(fù)雜性。當(dāng)然，除了增大收發(fā)線圈半徑和增加線圈匝數(shù)外，還可以采取降低繞線和電路阻抗的方式來降低信道路徑損耗。為了降低繞線和電路阻抗，必須選取高導(dǎo)電性能的銅線，性能好的連接器，精密的匹配電容以及專門定制的印刷電路板。

傳統(tǒng)磁感應(yīng)通信系統(tǒng)的通信信道穩(wěn)定，但由于通信距離很難滿足較遠(yuǎn)距離的現(xiàn)實通信需求。為了有效降低信道路徑損耗，延長通信距離，可以通過在傳統(tǒng)磁感應(yīng)通信系統(tǒng)之間引入中繼線圈的方法來構(gòu)建磁感應(yīng)波導(dǎo)通信系統(tǒng)實現(xiàn)這一目的。

3.2 基于波導(dǎo)技術(shù)的磁感應(yīng)通信系統(tǒng)收發(fā)和中繼線圈設(shè)計

基于波導(dǎo)技術(shù)的磁感應(yīng)通信系統(tǒng)通過向傳統(tǒng)磁感應(yīng)通信系統(tǒng)中引入一定數(shù)量的中繼線圈的方法構(gòu)成[15～16]。與電磁波采用的中繼不同，磁感應(yīng)波導(dǎo)通信系統(tǒng)的中繼線圈僅僅為簡單的線圈，并不需要能源供應(yīng)和任何處理器件。磁感應(yīng)波導(dǎo)線圈和一般的波導(dǎo)基于不同的原理，適用的實際應(yīng)用領(lǐng)域也不同。磁感應(yīng)波導(dǎo)中繼線圈利用一組中繼線圈之間的磁耦合來完成無線通信過程。盡管磁感應(yīng)波導(dǎo)通信系統(tǒng)在收發(fā)線圈之間會布置一定數(shù)量的中繼線圈，但是其依然隸屬于無線通信領(lǐng)域。

基于這樣的物理結(jié)構(gòu)，磁感應(yīng)波導(dǎo)通信系統(tǒng)在復(fù)雜嚴(yán)峻的地下環(huán)境中布置起來具有相對較高的自由度。圖4所示為本實驗設(shè)計的磁感應(yīng)波導(dǎo)通信系統(tǒng)示意圖。

圖4 磁感應(yīng)通信系統(tǒng)收發(fā)和中繼線圈

3.3 信號發(fā)生器和接收信號觀測設(shè)備

為了完成基于波導(dǎo)技術(shù)的磁感應(yīng)通信實驗，還需要在發(fā)射端接入一個信號發(fā)生器，在接收端接入能夠觀察接收信號的觀察設(shè)備。本文搭建的實驗平臺所采用信號發(fā)生設(shè)備為RIGOL DG2041A函數(shù)/任意波形發(fā)生器，接收信號觀察設(shè)備采用RO?HDE&SCHWARZ RTE1024數(shù)字信號示波器，如圖5（a）、（b）所示。

圖5 系統(tǒng)信號發(fā)生器和接收信號觀察設(shè)備

RIOL DG2014A函數(shù)/任意波形發(fā)生器采用直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)設(shè)計，100MSa/s采樣率，能夠產(chǎn)生精確、穩(wěn)定、低失真的輸出信號。該信號發(fā)生器有10種標(biāo)準(zhǔn)波形及直流輸出，可輸出正弦波、方波、鋸齒波、脈沖波、噪聲、指數(shù)上升、指數(shù)下降、反向鋸齒波、Sinc波、心電圖波以及DC。本實驗采用RIOL DG2014A函數(shù)/任意波形發(fā)生器旨在生成一定工作頻率的的一定幅值大小的正弦波。

ROHDE&SCHWARZ RTE1024數(shù)字信號示波器具有200MHz～2GHz的帶寬范圍和優(yōu)異的性能參數(shù)，其最高采樣率5Gs/s，最大存儲深度為200M樣點，可精確采集長信號序列，其波形捕獲率大于每秒100個波形，可快速發(fā)現(xiàn)信號罕見錯位，具有超低噪聲模擬前端和16位垂直分辨率，在高分辨率模式下能夠顯示精確結(jié)果，同時其高精度數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)幾乎沒有任何抖動，適合針對最小信號細(xì)節(jié)進(jìn)行實時觸發(fā)。本實驗采用ROHDE&SCHWARZ RTE1024數(shù)字信號示波器旨在精確采集接收線圈電壓信號的幅值大小。

4 實驗測試分析

通過搭建傳統(tǒng)磁感應(yīng)通信系統(tǒng)和磁感應(yīng)波導(dǎo)通信系統(tǒng)來驗證相應(yīng)的理論仿真結(jié)果，包括通信系統(tǒng)接收線圈上的電壓頻域響應(yīng)和收發(fā)線圈電壓比。設(shè)計實現(xiàn)的傳統(tǒng)磁感應(yīng)通信系統(tǒng)和磁感應(yīng)波導(dǎo)通信系統(tǒng)通過觀察示波器均表現(xiàn)出在頻率121.5kHz處產(chǎn)生諧振。利用RIOL DG2014A函數(shù)/任意波形發(fā)生器產(chǎn)生幅值為5V的一定頻率的正弦信號，同時調(diào)節(jié)兩種磁感應(yīng)通信系統(tǒng)收發(fā)線圈之間的距離，之后通過ROHDE&SCHWARZ RTE1024數(shù)字信號示波器精確采集接收線圈的接收電壓數(shù)據(jù)。

通過采集傳統(tǒng)磁感應(yīng)通信系統(tǒng)和磁感應(yīng)波導(dǎo)通信系統(tǒng)的一定通信距離下的接收端電壓數(shù)據(jù)，并與理論仿真結(jié)果進(jìn)行比較。通信系統(tǒng)工作在實測諧振頻率點121.5kHz處。傳統(tǒng)磁感應(yīng)通信系統(tǒng)由收發(fā)兩個線圈構(gòu)成，利用RIOL DG2014A函數(shù)/任意波形發(fā)生器產(chǎn)生峰值為2.5V，頻率為121.5kHz的電壓信號，并將其引入到傳統(tǒng)磁感應(yīng)通信系統(tǒng)的發(fā)射線圈上，將收發(fā)線圈之間的距離調(diào)為0.3m，通過ROHDE&SCHWARZ RTE1024數(shù)字信號示波器可以讀到接收線圈的相應(yīng)電壓數(shù)據(jù)，即幅值為0.8V，頻率為121.5kHz的正弦電壓。圖6所示為在上述條件下傳統(tǒng)磁感應(yīng)通信系統(tǒng)接收端電壓實測數(shù)據(jù)。

圖6 傳統(tǒng)磁感應(yīng)通信系統(tǒng)接收線圈實測電壓波形（通信距離0.3m，工作頻率121.5kHz）

同樣，對于傳統(tǒng)磁感應(yīng)通信系統(tǒng)，向發(fā)射線圈引入峰值為2.5V的正弦電壓信號，設(shè)收發(fā)線圈之間的通信距離為0.3m，這里，通過調(diào)節(jié)發(fā)射電壓頻率，使其在諧振頻率121.5kHz左右變化（120.5kHz?122.5kHz），同時讀取數(shù)字示波器端顯示的接收電壓信號數(shù)據(jù)。

在傳統(tǒng)磁感應(yīng)通信基礎(chǔ)上，在收發(fā)線圈之間設(shè)置若干數(shù)量的中繼線圈，可以有效降低信道路徑損耗，延長通信距離。采用信號發(fā)生器產(chǎn)生峰值為2.5V，頻率為121.5kHz的正弦電壓信號，并將其接入到磁感應(yīng)波導(dǎo)通信系統(tǒng)的發(fā)射線圈，通過中繼線圈之間的磁耦合，信號可以被逐級傳遞到接收線圈，通過數(shù)字示波器可以獲取接受電壓數(shù)據(jù)。設(shè)置收發(fā)端距離為1.2m，即相鄰線圈之間的距離安排在0.3m，可以從示波器上看到同頻率接收電壓的峰值為0.22V，如圖7所示。這表明，頻率為121.5kHz、峰值大小為2.5V的交變電壓信號，經(jīng)由該磁感應(yīng)波導(dǎo)通信系統(tǒng)傳播1.2m遠(yuǎn)的距離后，在接收線圈上的電壓峰值大小衰減至0.22V。

圖7 磁感應(yīng)波導(dǎo)通信系統(tǒng)接收線圈實測電壓波形（通信距離1.2m，工作頻率121.5kHz）

5 結(jié)語

分析研究傳統(tǒng)磁感應(yīng)通信系統(tǒng)信道特性，并在此基礎(chǔ)上，引入磁感應(yīng)波導(dǎo)技術(shù)，構(gòu)建磁感應(yīng)波導(dǎo)通信系統(tǒng)信道理論模型，最后通過搭建實驗平臺，通過分析采集接收線圈電壓值，成功驗證了磁感應(yīng)波導(dǎo)通信系統(tǒng)信號強(qiáng)度衰減模型，完成了傳統(tǒng)磁感應(yīng)通信系統(tǒng)和磁感應(yīng)波導(dǎo)通信系統(tǒng)實驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)。下一步研究目標(biāo)嘗試將電磁波通信技術(shù)和磁感應(yīng)波導(dǎo)通信技術(shù)的優(yōu)勢結(jié)合起來，構(gòu)建更為有效的混合通信模式。