基于磁感應(yīng)的無線地下傳感網(wǎng)信道研究進(jìn)展*

劉寶衡，付天暉，侯文達(dá)，王永斌

(海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

0 引 言

由地下無線傳感器組成的無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless underground sensor networks，WUSNs)是一個(gè)新興且很有發(fā)展前景的研究領(lǐng)域[1]。由于具有隱藏性強(qiáng)、部署方便、數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)、覆蓋范圍大等顯著優(yōu)點(diǎn)[2]，WUSNs在土壤狀況監(jiān)測(cè)、智能農(nóng)業(yè)、管道故障診斷、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)、地下救援等方面有著廣泛的應(yīng)用，已成為信息通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[3]。

WUSNs面臨的主要挑戰(zhàn)是如何建立高效、可靠的無線鏈路，實(shí)現(xiàn)地下通信[1]。由于傳播介質(zhì)為土壤、巖石和沙土，傳統(tǒng)的電磁波無線通信技術(shù)路徑損耗高，易受土壤性質(zhì)變化的影響，傳輸范圍十分有限?；诖鸥袘?yīng)(magnetic induction,MI)的通信已經(jīng)在近場(chǎng)通信和無線電力傳輸[4]等方面得到了充分的研究與實(shí)現(xiàn)，基于MI的WUSNs(MI-WUSNs)首先在文獻(xiàn)[5]中由Akyildiz I F等人提出。MI-WUSNs通過接收線圈與發(fā)射線圈之間準(zhǔn)靜態(tài)磁場(chǎng)的耦合實(shí)現(xiàn)信息的傳遞，由于磁導(dǎo)率在復(fù)雜地質(zhì)介質(zhì)中幾乎相同，收發(fā)天線采用輻射電阻比電偶極子小得多的小尺寸線圈，因此,解決了傳統(tǒng)電磁波通信中傳輸信道不穩(wěn)定、天線尺寸大、多徑效應(yīng)等問題，更適用于地下無線通信。影響MI-WUSNs發(fā)展的主要原因是復(fù)雜且極具挑戰(zhàn)性的地下通信信道，本文從信道建模、信道性能、信道估計(jì)等方面綜述了近年來MI-WUSNs信道方面的研究進(jìn)展，并提出了該領(lǐng)域新的研究挑戰(zhàn)。

1 信道建模

由于MI系統(tǒng)采用的諧振電路具有很高的頻率選擇性以及網(wǎng)絡(luò)中所有收發(fā)器之間的磁耦合效應(yīng)，需要考慮失調(diào)和頻率分裂的附加影響，這使得基于MI的傳輸信道與傳統(tǒng)的基于電磁波的通信信道有很大的不同。大多數(shù)研究從端到端角度解決信道建模問題，即信道不僅包含傳輸介質(zhì)，還包含發(fā)射線圈和接收線圈。

1.1 傳輸介質(zhì)損耗

在MI-WUSNs設(shè)計(jì)中，了解信號(hào)的衰減特性至關(guān)重要。文獻(xiàn)[6,7]對(duì)地下介質(zhì)中磁場(chǎng)傳播的基本特征進(jìn)行了描述。由于傳播介質(zhì)(土壤)是導(dǎo)電的，信號(hào)在地下傳播與在自由空間傳播不同，磁場(chǎng)會(huì)因?yàn)闇u流效應(yīng)進(jìn)一步衰減，并且這種效應(yīng)隨著信號(hào)頻率的增加而增強(qiáng)[8]。在進(jìn)行傳輸損耗數(shù)值計(jì)算時(shí)，通常假設(shè)導(dǎo)電介質(zhì)是均勻分布的，但這并不總是切合實(shí)際的。對(duì)于非均質(zhì)介質(zhì)，可以假設(shè)不同電導(dǎo)率的傳播介質(zhì)層數(shù)，根據(jù)線圈相對(duì)于介質(zhì)層的位置，磁場(chǎng)以不同的方式衰減。對(duì)于放置在地面上(兩種不同電導(dǎo)率介質(zhì)之間)的發(fā)射線圈，文獻(xiàn)[7]計(jì)算了比例系數(shù)。當(dāng)線圈埋入土壤時(shí)，文獻(xiàn)[9]分析了信號(hào)在多層非均質(zhì)介質(zhì)中的傳播，給出了非均質(zhì)介質(zhì)的等效趨膚深度。文獻(xiàn)[10]對(duì)常見的地下介質(zhì)的電磁特性進(jìn)行了廣泛的研究，計(jì)算了磁場(chǎng)在穿過大多數(shù)常見的巖石和礦物時(shí)所受的衰減，并給出了適用于各種地下環(huán)境的最加工作頻率的表達(dá)式。

1.2 收發(fā)線圈設(shè)計(jì)

MI-WUSNs中的每個(gè)MI收發(fā)器被建模為一個(gè)變壓器的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈，發(fā)射線圈和接收線圈通過準(zhǔn)靜態(tài)磁場(chǎng)的耦合實(shí)現(xiàn)信息的傳遞[5]。另外，在每個(gè)線圈上連接一個(gè)電容，通過設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)碾娙葜?，使電路諧振，可以減少路徑損耗，從而有效傳輸信號(hào)，等效電路如圖1所示。由于MI-WUSNs的傳感器節(jié)點(diǎn)之間傳輸距離相對(duì)較大，通常采用中等大小的線圈，例如半徑為15～25 cm的螺線管[11]。

圖1 等效電路

美國(guó)紐約州立大學(xué)的Guo H等人針對(duì)當(dāng)前MI通信距離短的問題提出了一種超材料增強(qiáng)型MI通信方式，將線圈天線包裹在超材料使能諧振球外殼中，增強(qiáng)MI收發(fā)器周圍的磁場(chǎng)，使用微型天線即可實(shí)現(xiàn)較大的磁場(chǎng)覆蓋范圍[12]。但球形超材料是理想的均勻性和各向同性的，設(shè)計(jì)制造非常困難且成本昂貴，文獻(xiàn)[13]提出一種利用球面線圈陣列代替理想超材料實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型MI通信的設(shè)計(jì)方案，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率，通信性能明顯提高。澳大利亞的Agbinya團(tuán)隊(duì)首次提出將MIMO(multiple input and multiple output)技術(shù)應(yīng)用于無線MI通信系統(tǒng)，分別研究了SIMO(single input and multiple output)[14]，MISO(multiple input and single output)[15]、MIMO[16]3種不同類型的MI通信模型，并分析了信道特點(diǎn)和傳輸特性，但多線圈之間的串?dāng)_問題尚未解決。文獻(xiàn)[17]針對(duì)MIMO線圈天線陣列中的近場(chǎng)天線耦合進(jìn)行了建模和分析，并利用超材料啟發(fā)的天線設(shè)計(jì)技術(shù)得到了天線陣列的最佳配置，提高了信道增益和系統(tǒng)容量，但占用了較多的頻譜資源。文獻(xiàn)[18]針對(duì)傳統(tǒng)MI天線陣列實(shí)現(xiàn)MIMO傳輸較困難的問題，提出了具有多極天線的異構(gòu)天線陣列，從而實(shí)現(xiàn)串?dāng)_消除，但多級(jí)線圈的體積較大使其不便于在地下環(huán)境中靈活部署。此外，Guo H Z,Ahmed N,Mohamed N F A等學(xué)者分別對(duì)三向線圈天線[19,20]和三維六邊形線圈天線[21]進(jìn)行了深入研究，這兩種天線均能有效解決單線圈天線較高極化損耗的問題，但對(duì)線圈的布局?jǐn)[放精度要求很高。

1.3 整體信道模型

文獻(xiàn)[5]最早提出了MI-WUSNs，可以解決傳統(tǒng)電磁波技術(shù)動(dòng)態(tài)信道條件和天線尺寸大2個(gè)問題，但信道路徑損耗依然較大。為解決MI通信的高路徑損耗問題，在2個(gè)收發(fā)器節(jié)點(diǎn)之間部署額外的諧振電路(無源中繼設(shè)備)并將它們組合成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的想法首次在文獻(xiàn)[22]出現(xiàn)，MI波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 MI波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

之后,文獻(xiàn)[6]假設(shè)信道為加性高斯白噪聲信道，建立了地下介質(zhì)中MI系統(tǒng)與MI波導(dǎo)系統(tǒng)的信道模型，推導(dǎo)出發(fā)射功率、路徑損耗與誤碼率的解析表達(dá)式，分析了土壤特性，線圈尺寸、匝數(shù)、電阻和工作頻率等對(duì)兩種系統(tǒng)的影響，證實(shí)了MI波導(dǎo)技術(shù)可應(yīng)用于WUSNs。但文獻(xiàn)[6]只是做了簡(jiǎn)單的信道模型設(shè)計(jì)，它沒有考慮土壤介質(zhì)造成的額外路徑損失，對(duì)中繼元件和收發(fā)電路元件沒有限制，且載頻等系統(tǒng)參數(shù)未優(yōu)化，因此并不適用于實(shí)際的系統(tǒng)。文獻(xiàn)[23]考慮了介質(zhì)不均勻性對(duì)兩種系統(tǒng)的影響，在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[24]考慮了土壤介質(zhì)導(dǎo)電性造成的損失與傳輸介質(zhì)、線圈之間的功率反射造成的損失，分析了MI波導(dǎo)的選頻路徑損耗和接收噪聲功率，討論了中繼元件、電路元件的選擇，建立了更真實(shí)的MI-WUSN的信道和噪聲模型。文獻(xiàn)[25]更進(jìn)一步，通過信噪比(signal to noise ratio,SNR)閾值來考慮MI噪聲的影響，建立了一個(gè)更加符合實(shí)際的路徑損耗模型。

為了解地下約束區(qū)域的實(shí)際信道情況，眾多學(xué)者也進(jìn)行了大量的調(diào)查與研究。文獻(xiàn)[26]概述了磁信號(hào)在地下礦山和公路、地鐵隧道等約束區(qū)域的傳播特性，討論了兩種地下環(huán)境下MI-WUSNs通信協(xié)議設(shè)計(jì)的研究挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)[27]研究了這兩種情況下的信道模型，即隧道模型和房柱模型，并提出一種多模模型來完整地描述地下礦山和公路中的信道情況。對(duì)于隧道環(huán)境，該多模模型能夠很好地描述自然波在震源遠(yuǎn)區(qū)、近區(qū)的傳播；對(duì)于房柱環(huán)境，多模模型與陰影衰減模型相結(jié)合非常有效。文獻(xiàn)[28]基于所提出的多模模型，分析了工作頻率、天線的位置和極化、電參數(shù)等因素對(duì)信號(hào)傳播的影響。

2 信道性能

在MI通信中，最重要的度量指標(biāo)是信道容量，根據(jù)香農(nóng)定理，信道容量由帶寬和SNR決定。信道帶寬由傳輸介質(zhì)的頻率響應(yīng)和諧振線圈的質(zhì)量因數(shù)決定，而SNR則由通過傳輸介質(zhì)的磁場(chǎng)衰減、環(huán)境噪聲和接收機(jī)靈敏度決定。工作頻率應(yīng)根據(jù)傳輸介質(zhì)的性質(zhì)來選擇，以達(dá)到最高的SNR，并獲得足夠的帶寬。文獻(xiàn)[11]采用文獻(xiàn)[6]中的信道模型，假設(shè)MI波導(dǎo)線圈之間的弱耦合與系統(tǒng)參數(shù)無關(guān)，推導(dǎo)出MI-WUSNs信道容量的解析式，并討論了線圈匝數(shù)、尺寸、電阻、工作頻率等系統(tǒng)參數(shù)對(duì)信道容量的影響。然而，對(duì)于具有高中繼密度的MI波導(dǎo)，線圈之間的耦合非常強(qiáng)，并且通過調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，可以使給定波導(dǎo)的信道容量最大化，但只有當(dāng)節(jié)點(diǎn)間距離大于45 m時(shí)，信道容量才能從MI波導(dǎo)中受益；相比之下，低中繼密度MI波導(dǎo)的信道容量總是低于直接MI通信[23]。MI波導(dǎo)技術(shù)提高了傳輸距離，但其帶寬低導(dǎo)致信道容量十分有限。為此，文獻(xiàn)[29]提出了擴(kuò)展共振(RS)策略，即為每個(gè)繼電器線圈和收發(fā)器線圈分配獨(dú)特的諧振頻率，并通過拉格朗日乘子法提出了諧振頻率分配的優(yōu)化方案，極大地提高了信道的容量。文獻(xiàn)[30]探討了發(fā)射和接收線圈特性對(duì)接收信號(hào)功率和系統(tǒng)容量的影響，線圈的品質(zhì)因數(shù)有助于增強(qiáng)接收信號(hào)功率，但不會(huì)提高容量，而收發(fā)兩端采用鐵氧體磁芯，可以顯著提高信道容量。

以往的研究大多將信道容量作為一種性能度量。相比之下，Kisseleff S等人研究了MI-WUSNs中數(shù)據(jù)傳輸速率，并將其作為信道性能的度量指標(biāo)。文獻(xiàn)[6]給出了MI-WUSNs數(shù)字傳輸?shù)淖罴逊椒?，其中，?dāng)使用真實(shí)的發(fā)送、均衡、接收濾波器時(shí)，數(shù)據(jù)速率是最大的。但是，該方法只適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，在一般的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中并不適用。文獻(xiàn)[9]研究了直接MI通信和MI波導(dǎo)的數(shù)字信號(hào)傳輸方案。對(duì)于直接MI傳輸，利用三頻帶的分頻方案可以避免長(zhǎng)信道脈沖響應(yīng)的均衡問題；對(duì)于MI波導(dǎo)，使用帶寬擴(kuò)展方案可以避免高的調(diào)制階數(shù)。與默認(rèn)傳輸方案相比，數(shù)據(jù)速率均顯著提高。文獻(xiàn)[29]分析了符號(hào)持續(xù)時(shí)間、調(diào)制方式等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，并提出了優(yōu)化這些參數(shù)的新方法，以最大限度地實(shí)現(xiàn)給定符號(hào)誤碼率下的數(shù)據(jù)速率。文獻(xiàn)[31]研究了如何根據(jù)性能要求和環(huán)境變化來選擇調(diào)制方案，提出一種將由于調(diào)制方案造成的數(shù)據(jù)速率損失最小化的方法，并考慮到容量誤差、信號(hào)檢測(cè)和信道估計(jì)的需要，擴(kuò)展了所提出的方法。

3 信道估計(jì)

信道估計(jì)是每個(gè)通信系統(tǒng)中必不可少的信號(hào)處理模塊。具體來說，它實(shí)現(xiàn)了接收機(jī)的相干信道均衡和發(fā)射機(jī)的最佳功率控制，能夠顯著提高實(shí)際系統(tǒng)的性能。在關(guān)于MI-WUSNs的研究中，通常假設(shè)在發(fā)送端和接收端信道狀態(tài)信息(channel state information,CSI)都是完整的，這樣就可以確定最優(yōu)的系統(tǒng)參數(shù)集，從而使整體數(shù)據(jù)速率最大化，然而,這顯然是不現(xiàn)實(shí)的，特別是考慮到信道復(fù)雜的時(shí)變特性。

由于系統(tǒng)在介質(zhì)中的固定部署，與傳統(tǒng)的無線通信相比，信道相干時(shí)間可以假定非常大。因此，通過盲估計(jì)或數(shù)據(jù)支持估計(jì)方法可以建立接收機(jī)側(cè)的信道估計(jì)。文獻(xiàn)[32]研究了發(fā)射機(jī)側(cè)的信道估計(jì)問題，提出一種利用MI信道特性同時(shí)影響發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的方法，該方法可以根據(jù)準(zhǔn)靜態(tài)磁場(chǎng)現(xiàn)象預(yù)測(cè)由于環(huán)境變化而產(chǎn)生的附加路徑損耗，不需要接收端給出CSI的反饋信號(hào)，因此不會(huì)對(duì)周圍的設(shè)備造成干擾，提高了能源效率。文獻(xiàn)[33]根據(jù)提出的新的發(fā)射機(jī)側(cè)信道估計(jì)技術(shù)，給出了一種用于WUSNs的有限反饋信號(hào)的災(zāi)難檢測(cè)和節(jié)點(diǎn)通知的新方法。該方法通過利用傳輸槽的一部分進(jìn)行隨機(jī)信道估計(jì)訪問，避免了信道估計(jì)過程中存在強(qiáng)干擾信號(hào)，解決了信道估計(jì)的模糊性問題。

4 未來的研究挑戰(zhàn)

MI-WUSNs的最新進(jìn)展改變了該領(lǐng)域的主要研究范圍。這里將討論一些尚未解決或有發(fā)展前景的新挑戰(zhàn)。

4.1 不完整的CSI

由于WUSNs節(jié)點(diǎn)是固定部署，很少會(huì)出現(xiàn)與假設(shè)信道狀態(tài)有較大偏差的情況，因此不完整的CSI對(duì)系統(tǒng)性能的影響通常被忽略。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，任何系統(tǒng)參數(shù)的一點(diǎn)偏差都可能導(dǎo)致整個(gè)理論開發(fā)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的失效，導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的斷開。此外，如果地面上的移動(dòng)設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行回程傳輸，由于節(jié)點(diǎn)之間的磁耦合，這種移動(dòng)設(shè)備可以在其鄰近范圍內(nèi)修改所有網(wǎng)絡(luò)鏈路的傳輸通道。這兩種情況都需要通過執(zhí)行信道估計(jì)和更新傳輸特性來補(bǔ)救。例如，降雨期間土壤濕度的變化會(huì)導(dǎo)致河流CSI的變化，此時(shí)，傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作任務(wù)優(yōu)先級(jí)可能需要調(diào)整。由于介質(zhì)損耗與路徑損耗增大，網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)延遲充電，可能會(huì)改變載波頻率，增加發(fā)射功率，甚至切換到睡眠模式。因此，目前使用的大多數(shù)解決方案都需要考慮不完整的CSI。通過引入不同的工作模式(如數(shù)據(jù)采集、充電、定位等)，并根據(jù)信道狀態(tài)和任務(wù)需求選擇不同的預(yù)優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，使系統(tǒng)在所有相關(guān)信道狀態(tài)下的性能達(dá)到最優(yōu)化，由此產(chǎn)生的系統(tǒng)將變得穩(wěn)定且高效。

4.2 有源和無源混合繼電器

在MI波導(dǎo)通信系統(tǒng)中可以將有源和無源繼電器結(jié)合使用，充分利用兩者各自的優(yōu)點(diǎn)，即無源繼電器可以使中心頻率處的路徑損耗保持在較低的水平，而有源繼電器可以降低頻率選擇性。另外，為了提高網(wǎng)絡(luò)充電的性能，可以單獨(dú)部署一些有源或無源繼電器[34]。如果網(wǎng)絡(luò)切換到這種模式，這些中繼設(shè)備將從MI-WUSNs的信道中獲取能量，并參與多跳能量中繼。不過，由于需要確定每個(gè)繼電器的最優(yōu)位置和運(yùn)行方式，這種繼電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是非常具有挑戰(zhàn)性的。

4.3 MIMO技術(shù)

在每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)使用多個(gè)線圈，利用傳輸信道的多樣性可以建立平行傳輸?shù)恼煌ㄐ判诺溃M(jìn)一步改善信道質(zhì)量和其他性能指標(biāo)。但是，由于磁收發(fā)器的最大空間分集度是3，與線圈軸的正交方向數(shù)相同，性能改進(jìn)可能不是很高。另一方面，為了保證一定程度的連接，使用多個(gè)正交線圈會(huì)使一些節(jié)點(diǎn)意外錯(cuò)位，影響系統(tǒng)的整體性能。因此，這種基于多線圈收發(fā)器的地下通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題。

4.4 與其他WSNs接口相連

MI-WUSNs和其他無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)之間接口的連接設(shè)計(jì)或許是未來發(fā)展的又一個(gè)方向。在這種背景下，可以提出一些未來有希望實(shí)現(xiàn)的WSNs組合：WUSNs和無線水下傳感器網(wǎng)絡(luò)(例如用于深海勘探和邊防)、WUSNs和自動(dòng)駕駛汽車(例如充電和導(dǎo)航)、WUSNs和部署在樹木等植被上的WSNs(例如用于農(nóng)業(yè)目的和土壤監(jiān)測(cè))、WUSNs和部署在動(dòng)物身上的WSNs(例如用于動(dòng)物定位和更全面地研究動(dòng)物生活習(xí)慣)等。在所有這些組合中，組件之間需要設(shè)計(jì)特別的接口，系統(tǒng)設(shè)計(jì)不應(yīng)受到各組成部分的個(gè)別優(yōu)化的限制，而應(yīng)使工作模式同質(zhì)化，使各組成部分的優(yōu)勢(shì)得到平衡。

5 結(jié) 論

MI-WUSNs的優(yōu)勢(shì)顯著，應(yīng)用廣泛，其研究?jī)?nèi)容涉及到無線通信和無線網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)方面。本文針對(duì)MI-WUSNs復(fù)雜且具有挑戰(zhàn)性的地下通信信道，從信道建模、信道性能、信道估計(jì)等方面綜述了近年來信道方面的研究進(jìn)展，并提出了該領(lǐng)域尚未解決或有發(fā)展前景的新挑戰(zhàn)。