基于波導(dǎo)技術(shù)的無線地下傳感網(wǎng)通信系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

高振江，劉洲洲，張倩昀，李開放

(1.西安航空學(xué)院能源與建筑學(xué)院,陜西西安 710077；2.西安航空學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院,陜西西安 710077；3.西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院，陜西西安 710072)

0 引言

傳統(tǒng)的基于電磁波的無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless underground sensor networks，WUSNs)[1-4]在地下環(huán)境中面臨兩大問題，即較大的信道路徑損耗以及不穩(wěn)定的信道狀態(tài)。電磁波在地下由于土壤、巖石以及水等的吸收作用導(dǎo)致其在地下傳播時(shí)信道路徑損耗很大，同時(shí)其信道路徑損耗大小極其依賴于土壤結(jié)構(gòu)和土壤密度等特性，導(dǎo)致其在不同的時(shí)間和地點(diǎn)下路徑損耗變化較大，不具有相應(yīng)的一致性，這種不可靠的無線地下通信信道使得基于電磁波的WUSNs很難投入到真正有效的實(shí)際地下應(yīng)用[5]。

為解決電磁波在復(fù)雜介質(zhì)中通信傳輸?shù)膯栴}，國內(nèi)外研究人員提出將磁感應(yīng)通信技術(shù)(magnetic induction， MI)作為全新的物理層技術(shù)取代電磁波，由于磁導(dǎo)率在土壤、巖石、水以及空氣中差異較小，因而它可以有效解決地下無線傳輸信道狀態(tài)不穩(wěn)定的問題。近幾年磁感應(yīng)通信技術(shù)取得了長足發(fā)展，L. LI[6]等明確提出利用磁感應(yīng)技術(shù)構(gòu)建WUSNs來進(jìn)行地下無線通信；Z. SUN[7]等通過磁感應(yīng)波導(dǎo)技術(shù)(MI waveguide technique)在收發(fā)線圈之間布置一定數(shù)量的無源中繼線圈(relay coils),通過采用電共振的方法來滿足遠(yuǎn)距離通信需求的WUSNs；文獻(xiàn)[8]將MI技術(shù)引入到無線地下通信領(lǐng)域，理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明基于MI技術(shù)的通信距離較小，不足0.76 m；文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]將MI的無線通信技術(shù)被應(yīng)用到礦井內(nèi)部結(jié)構(gòu)測控中，以提供實(shí)時(shí)有效的礦井內(nèi)部結(jié)構(gòu)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明較高的路徑損耗限制了基于MI通信信道的傳輸距離。雖然磁感應(yīng)應(yīng)用于無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)方面有了相當(dāng)程度的理論研究，但在實(shí)際應(yīng)用方面，搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)卻十分有限，X. TAN[11]在試驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)部進(jìn)行了基于MI waveguide的2個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的地下無線通信，驗(yàn)證了增加中繼線圈可有效提高傳輸距離，孫彥景[12]等通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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雖具有相對穩(wěn)定的可靠的信道狀態(tài)，但其路徑損耗較大，尤其在整個(gè)磁感應(yīng)通信系統(tǒng)地下部署過程中，2個(gè)通信節(jié)點(diǎn)之間用于通信的中繼線圈一定程度上不可能按照預(yù)定的理想位置布置，中繼線圈在實(shí)際部署過程中會(huì)偏離理想預(yù)設(shè)值，因此引入了額外的信道路徑損耗，很難滿足現(xiàn)實(shí)應(yīng)用對信號(hào)傳輸距離的要求。針對該領(lǐng)域的空白，本文在信道理論模型的基礎(chǔ)上，分析了這種由于線圈布置問題而引入的額外路徑損耗對整個(gè)地下無線通信信道性能的影響。同時(shí)搭建了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)，通過分析采集接收線圈電壓值，驗(yàn)證了無線磁感應(yīng)通信系統(tǒng)信道路徑損耗理論模型。

1 磁感應(yīng)波導(dǎo)技術(shù)原理

磁感應(yīng)波導(dǎo)技術(shù)基于一系列諧振線圈之間的磁耦合來完成相應(yīng)的信號(hào)和能量傳遞。一種典型的磁感應(yīng)波導(dǎo)由有限個(gè)(n個(gè))帶有匹配電容的一定半徑大小的圓形線圈構(gòu)成，相鄰線圈之間的距離保持r，總的距離即達(dá)到d=(n-1)r，如圖1所示，波導(dǎo)始于第一個(gè)線圈中引入幅值為V的激勵(lì)電壓，波導(dǎo)在最后一個(gè)線圈的負(fù)載阻抗ZL=RL+jXL處終結(jié)。磁感應(yīng)波導(dǎo)對于磁場的引導(dǎo)是由于線圈彼此之間的磁耦合的結(jié)果，而在每個(gè)線圈上的匹配電容對于磁感應(yīng)波的遠(yuǎn)距離傳輸而言必不可少?？梢酝ㄟ^考慮構(gòu)成磁感應(yīng)波導(dǎo)的每一個(gè)線圈上的感應(yīng)電流來研究磁感應(yīng)波導(dǎo)的分布方程，其簡化形式如式(1)所示：

(1)

式(1)中求和公式上限p的取值由感應(yīng)線圈之間的距離決定。值得注意的是，當(dāng)構(gòu)成磁感應(yīng)波導(dǎo)的線圈之間的距離足夠大時(shí)，可以僅考慮相鄰線圈之間的互感作用。

圖1 磁感應(yīng)波導(dǎo)示意圖

磁感應(yīng)波導(dǎo)技術(shù)，即在收發(fā)線圈之間引入一定數(shù)量的中繼線圈，而且這些中繼線圈均無需能量供應(yīng)，也不需要任何數(shù)據(jù)處理能力。圖1為一個(gè)典型的磁感應(yīng)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖。

2 中繼線圈偏離理想位置時(shí)引入的額外路徑損耗分析

目前的MI波導(dǎo)通信系統(tǒng)信道特性是基于線圈在理想布置情況下得出的，即所有中繼線圈必須嚴(yán)格等距離布置于磁感應(yīng)通信系統(tǒng)的收發(fā)線圈之間。當(dāng)引入到收發(fā)線圈之間的中繼線圈偏離理想位置時(shí)，會(huì)引入額外的信道路徑損耗，從而影響到整個(gè)磁感應(yīng)通信系統(tǒng)的通信性能。由于在線圈的實(shí)際布置過程中，線圈徑向與水平軸向夾角不可能為嚴(yán)格的90°，必然會(huì)在90°左右存在一定的偏差，如圖2所示，這必定會(huì)對相鄰線圈之間的互感應(yīng)強(qiáng)度M造成一定程度的影響。此類由于布置角度帶來的偏差必然會(huì)引入額外的路徑損耗，從而造成無線信道通信性能的下降。

圖2 線圈實(shí)際布置過程中布置角度偏離預(yù)定的垂直位置

布置角度應(yīng)服從以π/2為均值，以σt為方差的正態(tài)分布。取σt依次為0，π/36，π/18及π/9。σt反映了線圈布置角度偏離理想垂直位置的程度。

3 無線磁感應(yīng)通信系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)構(gòu)建的磁感應(yīng)通信系統(tǒng)，包括信號(hào)發(fā)生端、收發(fā)線圈、信號(hào)觀測端3部分。信號(hào)發(fā)生端負(fù)責(zé)產(chǎn)生一定頻率的交變電壓，并將其引入到信號(hào)發(fā)送端，通過線圈之間的磁耦合原理在接收端產(chǎn)生感應(yīng)電壓以完成無線信號(hào)的傳遞，最后需接入信號(hào)觀察設(shè)備，記錄下接收信號(hào)電壓的大小。磁感應(yīng)通信系統(tǒng)旨在解決無線地下的通信問題，即所有的通信過程須完全在地下介質(zhì)中完成。為了完成地下兩點(diǎn)之間的無線通信，所搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)須包含三大模塊：無線收發(fā)線圈；信號(hào)發(fā)生和觀測設(shè)備；實(shí)驗(yàn)室地下模擬環(huán)境。

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。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(shí)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(huì)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)雜的地下環(huán)境中布置起來具有相對較高的自由度。由于磁感應(yīng)波導(dǎo)通信系統(tǒng)的收發(fā)線圈和中繼線圈布置在一條直線上，那么中繼波導(dǎo)線圈則由于磁耦合而將信號(hào)逐級(jí)傳輸下去，直到信號(hào)達(dá)到系統(tǒng)接收端，而接收到的信號(hào)強(qiáng)度將大于同樣傳輸距離下的傳統(tǒng)磁感應(yīng)通信系統(tǒng)。圖3為本文搭建的磁感應(yīng)波導(dǎo)通信系統(tǒng)。

圖3 基于波導(dǎo)技術(shù)的磁感應(yīng)通信系統(tǒng)

為了完成基于波導(dǎo)技術(shù)的磁感應(yīng)通信實(shí)驗(yàn)，還需要在發(fā)射端接入一個(gè)信號(hào)發(fā)生器，在接收端接入能夠觀察接收信號(hào)的觀察設(shè)備。

本文搭建的基于波導(dǎo)技術(shù)的磁感應(yīng)通信系統(tǒng)由5個(gè)半徑為0.15 m的圓形線圈構(gòu)成，即在系統(tǒng)發(fā)射線圈和接收線圈之間引入了3個(gè)中繼線圈。構(gòu)成該磁感應(yīng)通信系統(tǒng)的所有線圈，包括收發(fā)線圈和中繼線圈，均由線徑為1.38 mm的標(biāo)準(zhǔn)銅線制成，并在每一個(gè)線圈上串聯(lián)有相應(yīng)的匹配電容C=0.13 μF。表1給出了磁感應(yīng)波導(dǎo)通信系統(tǒng)收發(fā)和中繼線圈實(shí)測電感值和內(nèi)阻值。磁感應(yīng)波導(dǎo)通信系統(tǒng)的中繼線圈和收發(fā)線圈之間存在的一個(gè)重要區(qū)別，即中繼線圈僅僅由沒有任何能量供應(yīng)的回路構(gòu)成。

4 實(shí)驗(yàn)測試分析

本文通過搭建傳統(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(yàn)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。本文設(shè)計(jì)實(shí)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121.5 kHz處產(chǎn)生諧振。產(chǎn)生幅值為5 V的一定頻率的正弦信號(hào)，同時(shí)調(diào)節(jié)2種磁感應(yīng)通信系統(tǒng)收發(fā)線圈之間的距離，之后通過數(shù)字信號(hào)示波器精確采集接收線圈的接收電壓數(shù)據(jù)。采用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生峰值為2.5 V，頻率為121.5 kHz的正弦電壓信號(hào)，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(hào)可以被逐級(jí)傳遞到接收線圈，通過數(shù)字示波器可以獲取接收電壓數(shù)據(jù)。設(shè)置收發(fā)端距離為1.2 m，即相鄰線圈之間的距離安排在0.3 m，可以從示波器上看到同頻率接收電壓的峰值為0.22 V。這表明，頻率為121.5 kHz、峰值大小為2.5 V的交變電壓信號(hào)，經(jīng)由該磁感應(yīng)波導(dǎo)通信系統(tǒng)傳播1.2 m遠(yuǎn)的距離后，在接收線圈上的電壓峰值大小衰減至0.22 V。圖4為該磁感應(yīng)波導(dǎo)通信系統(tǒng)接收線圈電壓隨工作頻率的變化情況?？梢钥吹酱鸥袘?yīng)波導(dǎo)通信系統(tǒng)相對傳統(tǒng)磁感應(yīng)通信系統(tǒng)而言，有效拓展了信道帶寬。針對磁感應(yīng)波導(dǎo)通信系統(tǒng)，在給定發(fā)射電壓的情況下，設(shè)置不同的通信距離，同時(shí)采集相應(yīng)通信距離下接收線圈電壓信號(hào)，最后得出相應(yīng)的收發(fā)線圈電壓比。為了與傳統(tǒng)磁感應(yīng)通信系統(tǒng)進(jìn)行更充分的對比，向發(fā)射線圈同樣引入峰值大小為2.5 V,頻率為121.5 kHz的交流電壓信號(hào)，在不同通信距離下(0.8～1.6 m)讀取接收端電壓信號(hào)數(shù)據(jù)，則可得到相應(yīng)的收發(fā)端電壓比率，如圖5所示。該圖反映了磁感應(yīng)波導(dǎo)通信系統(tǒng)接收端電壓信號(hào)隨著通信距離的增大而呈現(xiàn)的衰減情況，從而可以知道磁感應(yīng)波導(dǎo)通信系統(tǒng)可以降低電壓信號(hào)的衰減度，因而能夠有效延長通信距離。

表1 磁感應(yīng)波導(dǎo)通信系統(tǒng)收發(fā)和中繼線圈實(shí)測電感值和內(nèi)阻值

圖4 磁感應(yīng)波導(dǎo)通信系統(tǒng)接收線圈電壓與工作頻率的關(guān)系

圖5 不同通信距離下磁感應(yīng)波導(dǎo)通信系統(tǒng)收發(fā)端電壓比

5 結(jié)論

本文綜合分析研究傳統(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，分析中繼線圈偏離理想預(yù)設(shè)位置時(shí)所引入的額外路徑損耗。最后通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過分析采集接收線圈電壓值，成功驗(yàn)證了磁感應(yīng)波導(dǎo)通信系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度衰減模型。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。