挑戰(zhàn)環(huán)境下無線磁感應(yīng)傳感網(wǎng)理論與關(guān)鍵技術(shù)

施文娟，　孫彥景，　李松，　翟文艷，　譚澤富，　蔡黎

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院， 江蘇 徐州　221008； 2.鹽城師范學(xué)院 新能源與電子工程學(xué)院， 江蘇 鹽城　224002； 3.中國礦業(yè)大學(xué) 江蘇省煤礦電氣與自動化工程實驗室， 江蘇 徐州　221008； 4.重慶三峽學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院， 重慶　404000)

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分析研究

挑戰(zhàn)環(huán)境下無線磁感應(yīng)傳感網(wǎng)理論與關(guān)鍵技術(shù)

施文娟1，2，孫彥景1，3，李松1，翟文艷1，譚澤富4，蔡黎4

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院， 江蘇 徐州221008； 2.鹽城師范學(xué)院 新能源與電子工程學(xué)院， 江蘇 鹽城224002； 3.中國礦業(yè)大學(xué) 江蘇省煤礦電氣與自動化工程實驗室， 江蘇 徐州221008； 4.重慶三峽學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院， 重慶404000)

針對挑戰(zhàn)條件下復(fù)合介質(zhì)中安全與環(huán)境監(jiān)測的需求，為了克服路徑損耗嚴重、信道條件動態(tài)變化和電源條件受限等問題，提出了面向復(fù)合介質(zhì)應(yīng)用的基于無線磁感應(yīng)通信和磁感應(yīng)波導(dǎo)通信的理論模型，給出了無線磁感應(yīng)傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。對無線磁感應(yīng)傳感網(wǎng)的研究方向及應(yīng)用進行了展望，指出了開展相關(guān)研究的迫切性。無線磁感應(yīng)傳感網(wǎng)的研究對地下環(huán)境監(jiān)測、長距離或人口密集區(qū)輸油、輸氣、輸水等生命線工程的安全監(jiān)測具有重要意義。

挑戰(zhàn)環(huán)境； 磁感應(yīng)； 磁感應(yīng)波導(dǎo)； 無線磁感應(yīng)傳感網(wǎng)

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160601.1023.006.html

0　引言

煤礦井下空間狹長且有風(fēng)門、機車等阻擋體，巷道傾斜、有拐彎和分支，巷道表面粗糙，加上巷道中支架、棚體、風(fēng)管、電纜及各種機電設(shè)備，構(gòu)成了一種對無線電磁波而言具有挑戰(zhàn)性的地下受限空間傳播環(huán)境[1-2]。同時地下礦井環(huán)境中還存在土壤、巖石、煤層、水等異構(gòu)介質(zhì)，與井下巷道等受限空間共同構(gòu)成地下礦井復(fù)合介質(zhì)環(huán)境。為保證煤礦的安全和正常生產(chǎn)，國內(nèi)研究了感知礦山物聯(lián)網(wǎng)及井下受限空間內(nèi)礦井無線通信系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)[3-7]，但是對井下異構(gòu)介質(zhì)及復(fù)合介質(zhì)間通信方式的研究仍是空白。電磁波在異構(gòu)介質(zhì)中比在空氣中傳輸衰耗更嚴重，無線通信距離更短，因此電磁波傳播方式不適用于地下異構(gòu)介質(zhì)通信。無線磁感應(yīng)傳感網(wǎng)是由布放在地下礦井復(fù)合介質(zhì)內(nèi)的傳感器節(jié)點、磁感應(yīng)鏈路中繼節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)。研究適用于地下礦井復(fù)合介質(zhì)的通信傳輸技術(shù)對實現(xiàn)地下環(huán)境全面的監(jiān)測至關(guān)重要。

本文針對電磁波在地下礦井復(fù)合介質(zhì)內(nèi)信息傳輸存在的問題，提出將磁感應(yīng)(Magnetic Induction，MI)技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合介質(zhì)間，給出面向復(fù)合介質(zhì)應(yīng)用的無線磁感應(yīng)通信和磁感應(yīng)波導(dǎo)通信的理論模型及無線磁感應(yīng)傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。

1　磁感應(yīng)通信研究現(xiàn)狀

為了解決電磁波在地下礦井等挑戰(zhàn)環(huán)境下復(fù)合介質(zhì)內(nèi)信息傳輸出現(xiàn)的問題，研究人員提出磁感應(yīng)通信方法。SUN Zhi等[8-9]研究表明磁感應(yīng)通信具有以下優(yōu)點：① 土壤、煤巖、水等地下信號傳輸媒介的磁導(dǎo)率與空氣的磁導(dǎo)率幾乎一樣，不會隨時間和空間而變化，因此信道穩(wěn)定。② 信號通過磁準態(tài)靜場耦合到接收機上，因此不存在多路徑損耗的問題。③ 發(fā)射機和接收機天線使用小線圈，尺寸大小可以根據(jù)工作環(huán)境制定，不存在天線尺寸大的問題。④ 中繼線圈無供電要求，每個中繼線圈加載一個電容，不需要供電和信號處理。

由于磁感應(yīng)通信技術(shù)存在通信距離短的缺點，SYMS R R A等[10-11]提出利用中繼線圈形成磁感應(yīng)波導(dǎo)技術(shù)改善通信距離的觀點。目前，磁感應(yīng)波導(dǎo)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電介質(zhì)鏡、分布式布拉格反射鏡、微波管的高頻波減速結(jié)構(gòu)、加速器里的耦合腔、解調(diào)器等領(lǐng)域。

SUN Zhi等[8-9,12]提出了磁感應(yīng)通信理論模型，并分析了信道帶寬、路徑損耗及誤碼率等參數(shù)。參考文獻[13]將磁感應(yīng)通信應(yīng)用到地下無線通信中，使用小鐵磁線圈或者RFID線圈作為天線，實現(xiàn)了磁感應(yīng)通信。參考文獻[14]提出海域作戰(zhàn)條件下用于命令、控制、定位的磁感應(yīng)通信方法，驗證了海域條件下磁感應(yīng)通信系統(tǒng)可實現(xiàn)100～300 bit/s低速率數(shù)據(jù)傳輸。參考文獻[15]提出個域網(wǎng)內(nèi)磁感應(yīng)可替代藍牙。參考文獻[16]將磁感應(yīng)微型設(shè)備植入人體，建立網(wǎng)絡(luò)，收集數(shù)據(jù)。參考文獻[17]將磁感應(yīng)通信技術(shù)應(yīng)用到地下管道，實時監(jiān)測和定位地下管道泄漏。

由此可見，磁感應(yīng)通信是一個很有前途的可替代地下無線通信網(wǎng)絡(luò)的物理層技術(shù)。

2　現(xiàn)有礦井無線通信技術(shù)

為滿足煤礦井下環(huán)境監(jiān)測傳輸?shù)囊螅壳坝糜诘V井內(nèi)局部通信、救災(zāi)通信和應(yīng)急通信等的相關(guān)技術(shù)有礦用漏泄通信、感應(yīng)通信、透地通信等[1]。

2.1透地通信

透地通信采用穿透性強的低頻頻段(300～3 000 Hz)電磁波，以大地為傳播媒介進行井上下或巷道間無線通信。透地通信抗災(zāi)變能力強，但存在信道容量小、路徑損耗較大、天線尺寸大、電磁干擾大、通信距離短及應(yīng)用范圍受限等問題，主要用作避難硐室與地面的備份通信鏈路，用于應(yīng)急救援等場合。

2.2漏泄通信

漏泄通信沿巷道鋪設(shè)漏泄同軸電纜，工作于30～300 MHz頻段，是一種解決無線電波在巷道等地下受限空間中傳播問題的有效技術(shù)，通過在同軸電纜外導(dǎo)體表面上配置一系列開槽口作為電磁波輻射源，可以沿垂直于電纜軸向傳輸、輻射或接收電磁波。漏泄通信具有信道較穩(wěn)定、抗干擾能力強、工作頻率高等優(yōu)點，但是設(shè)備多，饋線長，事故發(fā)生時，電纜易擠壓變形、斷裂損壞，維護不便。該技術(shù)主要應(yīng)用于隧道入侵探測、安防、探測傳感等場合。

2.3感應(yīng)通信

感應(yīng)通信工作于300～3 000 kHz中頻段，通過架設(shè)專用感應(yīng)線或利用巷道內(nèi)的導(dǎo)體(如照明線、管道、軌道、動力線等)進行導(dǎo)波通信。與其他通信技術(shù)相比，具有適應(yīng)環(huán)境能力強、穿透能力強、抗金屬能力突出的優(yōu)點，但是信道容量小，電磁干擾大，天線體積較大(通常采用背心型或背帶型環(huán)形天線)，其應(yīng)用局限于煤礦井下救災(zāi)通信的場合。

2.4WiFi技術(shù)

WiFi技術(shù)主要用于解決礦井巷道等地下受限空間內(nèi)無線通信問題，支持語音、視頻傳輸。WiFi采用AP(Access Point)模式，工作頻率達2.45 GHz，最大的位速率達54 Mbit/s。WiFi技術(shù)具有傳輸速率高、系統(tǒng)容量大、抗故障能力強、建網(wǎng)迅速、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點，但系統(tǒng)部署需集中控制器，不具備漫游功能及多跳能力，靈活性差。

以上技術(shù)解決了煤礦井下移動通信的問題，但不適用于地下礦井復(fù)合介質(zhì)中的信息傳輸，本文提出了地下無線磁感應(yīng)通信技術(shù)，解決了挑戰(zhàn)環(huán)境條件下長期環(huán)境監(jiān)測信息的傳輸問題。

3　無線磁感應(yīng)通信信道模型

無線磁感應(yīng)傳感網(wǎng)由埋置在地下復(fù)合介質(zhì)內(nèi)的傳感器節(jié)點、磁感應(yīng)鏈路中繼節(jié)點組成，使用線圈作為發(fā)射機和接收機。磁感應(yīng)通信信道模型如圖1所示，at和ar分別為發(fā)射機線圈和接收機線圈的半徑，d為發(fā)射機和接收機之間的距離，Us為發(fā)射機的發(fā)射電壓，RL為接收機的負載。

假設(shè)發(fā)射線圈信號是正弦電流，例如I=I0exp(-jωt),ω為發(fā)射信號的角頻率，ω=2πf，f為系統(tǒng)工作頻率。這個電流會激發(fā)接收機產(chǎn)生另一個正弦電流，進而實現(xiàn)通信。這2個耦合線圈之間的相互作用通過互感來表示。磁感應(yīng)傳感網(wǎng)發(fā)送器和接收器分別用變壓器的初線圈和次線圈建模，如圖1(b)所示。M為初線圈和次線圈的互感；Lt和Lr分別為初線圈和次線圈的自感；Rt和Rr為線圈的阻抗；ZL為接收機的負載阻抗。

在線圈阻抗低、工作頻率高的情況下，路徑損失可以簡單定義為[8]

(1)

式中：Pr(d)為接收機的接收功率；當傳輸距離d0非常小時，Pt(d0) 為參考傳輸功率；Nt,Nr分別為發(fā)射機線圈和接收機線圈的匝數(shù)。

(a) 磁感應(yīng)收發(fā)器

(b) 收發(fā)器模型

(c) 等價電路

本文中，發(fā)射機和接收機線圈半徑為0.15 m，線圈匝數(shù)為5圈,工作頻率為10 MHz，采用2PSK調(diào)制解調(diào)方式，傳輸范圍為10 m左右。磁感應(yīng)通信系統(tǒng)帶寬為2 kHz左右[18]。

4　無線磁感應(yīng)波導(dǎo)中繼方式

每對磁感應(yīng)線圈通信傳輸距離為10 m左右[8]。為拓展傳輸范圍，需要研究在發(fā)射機和接收機之間部署中繼節(jié)點的有效方法。不同于電磁波技術(shù)的中繼節(jié)點，磁感應(yīng)通信系統(tǒng)的中繼節(jié)點只是加載了電容的簡單線圈，不需要供電電源。發(fā)射機線圈里的正弦電流激發(fā)第1中繼節(jié)點產(chǎn)生正弦電流，第1中繼節(jié)點的正弦電流激發(fā)第2中繼線圈產(chǎn)生正弦電流，如此下去，這些中繼線圈在地下環(huán)境里形成磁感應(yīng)波的引導(dǎo)，充當磁感應(yīng)波引導(dǎo)，簡稱為磁感應(yīng)波導(dǎo)。

典型的磁感應(yīng)波導(dǎo)信道模型如圖2所示，在發(fā)射機和接收機的一個軸方向放置n-2個中繼線圈。n為總線圈個數(shù)，r為相鄰線圈的距離，a為線圈的半徑，由圖2(a)可知，d=(n-1)r。每個中繼線圈(包括發(fā)送線圈和接收線圈)加載一個電容C。通過適當選擇電容器，形成諧振線圈,可有效傳輸磁信號。每對線圈中存在互感，互感的值取決于這對線圈之間的距離。在地下通信中，設(shè)置2個中繼線圈間的距離為5 m，這個距離要大于電磁波系統(tǒng)的最大通信距離(4 m)[8]。本文中，中繼線圈半徑為0.15 m左右。使用中繼線圈替換昂貴的電磁波中繼傳感器設(shè)備，可以節(jié)約成本。因此在部署地下設(shè)備的成本方面，磁感應(yīng)波導(dǎo)系統(tǒng)比傳統(tǒng)的電磁波系統(tǒng)花費少。

(a) 磁感應(yīng)波導(dǎo)收發(fā)器

(b) 收發(fā)器模型

(c) 等價電路

如圖2(c)所示，假設(shè)只有相鄰線圈耦合，將磁感應(yīng)波導(dǎo)建模為多級變壓器。發(fā)送器和中繼節(jié)點通常使用相同類型的線圈。假設(shè)所有線圈參數(shù)(阻抗、自感、互感)都一樣，L為線圈自感；R為線圈阻值，C為每個線圈的電容，Z為每個線圈的固有阻抗，則磁感應(yīng)波導(dǎo)路徑損失可以簡單定義為[9，12]

(2)

其中：

(3)

(4)

(5)

(6)

本文中，所有線圈半徑為0.15 m，線圈匝數(shù)為5圈，工作頻率為10 MHz。中繼線圈加載電容大小為35 pF。相鄰中繼線圈間間隔5 m。傳輸范圍為250 m左右時，磁感應(yīng)波導(dǎo)路徑損耗小于100 dB。磁感應(yīng)波導(dǎo)通信系統(tǒng)帶寬為1～2 kHz。通過減少中繼線圈間的距離可以增加系統(tǒng)帶寬，但需要增加中繼線圈的數(shù)目。

5　無線磁感應(yīng)傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

磁感應(yīng)傳感網(wǎng)絡(luò)在體系上結(jié)合無線網(wǎng)絡(luò)(WiFi)和磁感應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，共同構(gòu)成復(fù)合介質(zhì)信息感知控制系統(tǒng)，實現(xiàn)復(fù)合介質(zhì)中各種監(jiān)測信息的一體化傳輸。挑戰(zhàn)環(huán)境下無線磁感應(yīng)傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。該網(wǎng)絡(luò)將工業(yè)WiFi技術(shù)、磁感應(yīng)通信技術(shù)融為一體，實現(xiàn)地面上下的互通互聯(lián)、資源共享和協(xié)同工作。

圖3　無線磁感應(yīng)傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

磁感應(yīng)傳感網(wǎng)絡(luò)由物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、應(yīng)用層組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　無線磁感應(yīng)傳感網(wǎng)絡(luò)層次體系

物理層解決復(fù)合介質(zhì)物理環(huán)境中終端設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，主要研究開發(fā)低成本的復(fù)合介質(zhì)通信調(diào)制解調(diào)器，設(shè)計低復(fù)雜度、能快速收斂的次優(yōu)濾波器；采取適當?shù)拇胧﹣砜朔诺拦烙嫷姆€(wěn)定性問題等。MAC層解決將物理層所獲數(shù)據(jù)可靠地傳輸?shù)较噜徆?jié)點網(wǎng)絡(luò)層的問題，關(guān)鍵技術(shù)包括多址技術(shù)、差錯控制技術(shù)、數(shù)據(jù)流優(yōu)化技術(shù)等。網(wǎng)絡(luò)傳輸層解決感知層所獲數(shù)據(jù)的傳輸問題，關(guān)鍵技術(shù)包括低速率組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)、磁感應(yīng)通信拓撲路由協(xié)議、容錯組網(wǎng)技術(shù)等。應(yīng)用層解決信息識別處理和人機交互的問題。

目前研究的重點主要集中在數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層，包括數(shù)據(jù)鏈路層中的接入方法和差錯控制及網(wǎng)絡(luò)層中的路由算法等。在今后的研究中，除了上述幾個方面仍然是研究的重點和熱點以外，物理層和應(yīng)用層的設(shè)計也是一個重要的研究方向。同時可以考慮采用跨層設(shè)計和自適應(yīng)參數(shù)設(shè)置來克服各層獨立設(shè)計和固定參數(shù)設(shè)置無法避免的問題，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)整體性能的最優(yōu)化。

6　無線磁感應(yīng)傳感網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

(1) 基于磁感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的傳感技術(shù)。該技術(shù)針對地下復(fù)合介質(zhì)環(huán)境，采用電磁輻射、聲發(fā)射、紅外視覺識別等方法，主要研究礦井采空區(qū)、地下管道、CO2埋存狀態(tài)等地下環(huán)境參數(shù)分布式傳感技術(shù)，研制新型的具有微型化、可擴展和靈活性、穩(wěn)定性和安全性及低成本特點的分布式礦用傳感器。

(2) 無線磁感應(yīng)傳感網(wǎng)傳輸技術(shù)。該技術(shù)根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枨螅芯康叵麓鸥袘?yīng)通信信道容量的信息理論及地下復(fù)合介質(zhì)中磁感應(yīng)波導(dǎo)傳輸?shù)囊?guī)律，研究磁感應(yīng)波導(dǎo)的傳輸特性，以及復(fù)合介質(zhì)磁感應(yīng)波導(dǎo)通信的頻率、調(diào)制方式、帶寬、傳輸速率等參數(shù)優(yōu)化；研究穩(wěn)健的無線傳輸體制即低功耗調(diào)制解調(diào)方案和編碼、分集、均衡技術(shù)，以及極低信噪比條件下的檢測技術(shù)，克服衰落，提高無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率，擴大磁感應(yīng)波導(dǎo)的覆蓋范圍。

(3) 無線磁感應(yīng)傳感網(wǎng)低速率組網(wǎng)技術(shù)。該技術(shù)根據(jù)地下不同工作面空間和介質(zhì)的要求，以及磁感應(yīng)波導(dǎo)通信范圍的復(fù)雜形狀，研究合理的地下無線傳感器拓撲結(jié)構(gòu)、工作模式、中繼線圈的分布、部署算法和MAC層活動調(diào)度機制，以便更優(yōu)化地覆蓋所需監(jiān)控區(qū)域。對現(xiàn)有的電磁波通信網(wǎng)絡(luò)，從傳輸效率和可靠性方面研究新的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連及自動拓撲發(fā)現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)問題。

(4) 監(jiān)測信息識別與處理技術(shù)。利用先進的智能傳感器與磁感應(yīng)波導(dǎo)技術(shù)對采空區(qū)、復(fù)合介質(zhì)等

地下有關(guān)環(huán)境進行數(shù)據(jù)采集傳輸，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)與理論分析，從安全監(jiān)測數(shù)據(jù)中獲取可信、隱藏、事先未知、潛在有空和最終可理解的危險信息，揭示監(jiān)測數(shù)據(jù)的本質(zhì)規(guī)律、內(nèi)在關(guān)聯(lián)，運用這些規(guī)律和有用信息對新的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行融合，實現(xiàn)關(guān)鍵信息的自動識別。

7　結(jié)語

煤礦井下挑戰(zhàn)環(huán)境復(fù)合介質(zhì)中存在無線電磁波傳輸衰減大、電氣防爆等特殊性問題，制約著電磁波在復(fù)合介質(zhì)中的應(yīng)用。無線磁感應(yīng)技術(shù)可以很好地解決上述問題。可以預(yù)見，作為煤礦安全監(jiān)測與預(yù)警救援的重要技術(shù)保障，無線磁感應(yīng)傳感網(wǎng)將成為礦山物聯(lián)網(wǎng)的有力補充，對全面提高我國礦山、長距離或人口密集區(qū)輸油、輸氣、輸水等生命線工程的安全監(jiān)測具有重要意義。

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Theory and key technologies for wireless magnetic induction sensor network in challenging environment

SHI Wenjuan1,2，SUN Yanjing1,3，LI Song1，ZHAI Wenyan1，TAN Zefu4，CAI Li4

(1.School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008, China; 2.School of New Energy and Electronical Engineering, Yancheng Normal University, Yancheng 224002, China; 3.Jiangsu Province Laboratory of Electrical and Automation Engineering for Coal Mining, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China;4.School of Electrical and Information Engineering, Chongqing Three Gorges University,Chongqing 404000, China)

In view of requirements of security and environmental monitoring in coal mine multiplex medium in challenging environment, in order to conquer the obstacles such as serious path loss, dynamic channel condition and constrained supply condition and so on, theory model of wireless magnetic induction communication and magnetic induction waveguide communication in multiplex medium was proposed, and structure of wireless magnetic induction sensor network was given. Research directions and application of wireless magnetic induction sensor networks in the future were prospected, the urgency of related study was pointed out. It has great significance to safety monitoring of underground environment and the oil, gas or water pipeline which is especially long or in densely populated area.

challenging environment; magnetic induction; magnetic induction waveguide; wireless magnetic induction sensor networks

1671-251X(2016)06-0020-06

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.06.006

2016-02-29；

2016-04-26；責任編輯：胡嫻。

國家自然科學(xué)基金項目(51274202，51504214，51504255)；江蘇省重點研發(fā)計劃項目(BE2015040)；江蘇省自然科學(xué)基金項目(BK20131124，BK2012068，BK2012246，BK20130199)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合研究項目(BY2014028-01)；江蘇省高校自然科學(xué)研究項目(13KJB510038)。

施文娟(1981-)，女，江蘇鹽城人，講師，博士研究生，研究方向為磁感應(yīng)通信、無線通信，E-mail：winterswj@126.com。

TD655

A網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-06-01 10:23

施文娟，孫彥景，李松，等.挑戰(zhàn)環(huán)境下無線磁感應(yīng)傳感網(wǎng)理論與關(guān)鍵技術(shù)[J].工礦自動化，2016,42(6)：20-25.