基于WUSN的兩種無線地下收發器信號處理方法對比分析

姜慶偉

（陜西工業職業技術學院 陜西 咸陽712000）

基于WUSN的兩種無線地下收發器信號處理方法對比分析

姜慶偉

（陜西工業職業技術學院 陜西 咸陽712000）

針對無線地下傳感器網絡（Wireless Underground Sensor Network，WUSN）中的無線地下收發器需求和研究信號處理方法意義進行了分析，結合無線地下信道和收發器結構對兩種無線地下收發器進行比較，指出對基于磁感應技術無線收發器的研究的特點和重要性，為后繼的深入研究提供參考和借鑒。

無線地下傳感器網絡；收發器；地下信道；信號處理

隨著無線傳感器網絡[1-2]的應用日益廣泛，無線地下傳感器網絡（WUSN）也越來越受關注，將無線地下傳感器網絡應用在地下，監測環境數據，對災害預防和農業指導有著重大的作用，無線地下收發器是無線地下傳感器網絡節點的重要組成部分，在無線地下傳感器網絡中起著不可或缺的作用，且無線地下通信系統的信號處理方法的選擇，直接關系到通信系統的質量，本文闡述無線地下收發器功能需求及其信號處理方法的意義，然后分析兩種無線地下收發器的現狀，確定了研究基于磁感應技術無線收發器比較適合解決的無線地下通信面臨著高路徑損耗、信道條件動態變化大和天線尺寸過大等問題[3-5]。

1 無線地下收發器功能需求和信號處理方法意義分析

無線地下收發器由無線地下傳感器節點的處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊組成，主要實現無線地下傳感器網絡物理層的功能。無線收發器實現的任務主要是將比特流轉換成適合在無線信道中傳輸的信號。具體而言，頻率選擇、載波頻率生成、信號檢測、調制、編碼以及數據加密都是無線收發器應該實現的，無線地下收發器的實現直接影響無線地下傳感網絡的設計與實現。

地下通信與地面通信有著本質的區別，同時也帶來了許多技術挑戰，主要原因是地下環境復雜，具有土壤、巖石、樹根等物質，各種物質的介電常數不同，加上地下有著其他的電磁場的干擾如工頻干擾等，導致無線地下信道更加復雜，為應對復雜的信道，保證通信正常，必須選擇合適的信號編碼、調制和濾波等信號處理方法。

目前無線地下收發器有兩種，一種是基于電磁波技術的無線地下收發器，另一種是基于磁感應技術的無線地下收發器，兩種通信方式原理不同，通信的信道也不同，下面將從信道和結構等方面進行分析二者的不同。

1.1 基于電磁波技術無線地下收發器信道模型

基于電磁波技術[5]的無線地下收發器是利用電磁波傳輸進行通信，電磁波通信的地下通信與地面通信有著本質的區別，同時也帶來了許多技術挑戰。主要原因是地下通信性能與土壤環境具有密切的聯系。接下來將闡述影響電磁波地下通信的五個主要因素，包括極端的路徑損耗、反射/折射、多徑衰落、傳播速率的降低以及噪聲。

1）極端的路徑損耗：由材料吸收所致的路徑損耗成為電磁波地下通信需要特別關注的問題。地下通信中的路徑損耗是由電磁波頻率以及進行傳輸的土壤或巖石的特性兩方面共同決定的。具體而言，土壤水分含量的增加會導致衰減的急劇增加，工作頻率越低，地下傳輸所造成的衰減越小。即使是工作在兆赫茲級的頻率依然會造成電磁波在土壤環境中以大約100 dB/m速度衰減，具體衰減數量取決于土壤狀況。

2）反射/折射：由于在土壤及空氣中不同的衰減特性，將在土壤與空氣分界面產生反射/折射。信號的反射/折射將影響收發器接收功率。

3）多徑衰落：電磁波在土壤介質中傳播時只有一部分傳輸至地面，剩余部分將反射回地下，因而會導致多徑衰落。近地面部署的傳感器設備進行通信時，所傳輸的電磁波必定接近土壤與空氣的交界面，因而受到多徑衰落的影響尤為嚴重。散亂的地下巖石、植物根系以及變化的土壤性質也會導致散射，從而產生衰落。

4）傳播速率的降低：電磁波通過土壤和巖石等電介質材料傳輸時，傳播速率相比于空氣中會降低。大部分土壤的介電常數通常在1-80的范圍內，則最小傳播速率大約為光速的10%。

5）噪聲和干擾：即使是地下信道，仍無法幸免于噪聲。相反，地下信道中的噪聲等級幾乎與空氣中的噪聲等級相同。地下噪聲源主要包括電源、閃電、電機以及大氣噪聲。但是地下噪聲通常限制在相對較低的頻率（低于10 kHz）。

地下無線信道的特性直接受進行通信傳輸的土壤性質影響，即兩個通信實體之間的路徑損耗，可以直接看出這個影響。土壤成分及其單位體積含水量、顆粒大小、密度以及溫度等系數共同決定了其介電常數ε。

利用Peplinski模型可得衰落常數α、相移常數β和路徑損耗公式如下：

式（1）和（2）中ω=2πf表示角頻率，μ為磁導率，ε′和 ε″為介電常數的實部和虛部。式（3）中距離d，單位為m；衰落常數α，單位為1/m；相移常數β，單位為rad/m。

1.2 基于磁感應技術無線地下收發器信道模型

基于磁感應技術無線地下收發器是利用磁感應技術進行通信，收發器發送端將已調制信號激發發送線圈，在發送線圈周圍產生磁場，接收端線圈處于該磁場內，隨著磁場的變化，接收線圈產生感應電動勢實現通信[6]。

收發器節點間通信的實現為變壓器模型，通過空間高頻交變磁場實現耦合，依據是電磁感應定律。MI通信方式利用有線線圈完成信號的發送與接收，如圖1所示，其中，ɑt和ɑr分別表示發送端線圈和匯聚節點線圈的半徑，r為發送端與匯聚節點之間的距離，（90°-α）表示兩個耦合線圈中心軸線的夾角。根據以上參數，MI通信方式的路徑損耗表示為式（4）[7-8]:

圖1 磁感應系統

式（4）中，Nt和Nr分別為發送端線圈和匯聚節點線圈的匝數，R0為線圈的單位長度電阻，μ為介質（即土壤）磁導率，ω為傳輸信號的角頻率。當使用低電阻線圈，高信號頻率和多線圈匝數（即ωμNt＞＞R0），則上述比值可簡化為：

如式（5）所示，接收功率損耗為傳輸距離r的六階函數。隨著信號頻率ω、線圈匝數N、線圈尺寸ɑ的增加，以及環路電阻R0的減小，都會使接收功率增加。同時，兩個耦合線圈中心軸線的夾角也會影響接收功率。具體而言，夾角越小，接收的功率越高。MI通信方式的一個重要特性表現在接收功率不受環境條件的影響。唯一影響接收功率的環境條件為式（5）中磁導率μ，而且土壤或水介質的磁導率與空氣介質的磁導率基本相等。

式 （5）中的路徑損耗表達式可以與電磁波通信情況的Friis式（6）傳輸方程比較。

對于電磁波而言，工作頻率的升高會導致更大的路徑損耗。而MI則相反，頻率的升高反而會使衰減速率降低。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，式（6）中的土壤介電常數?相比空氣介電常數而言大很多，而且會隨著時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境條件的影響。簡而言之，MI技術具備穩定的信道條件，而電磁波技術具備較低衰減的優勢。

當然磁感應地下信道也無法幸免于噪聲，與電磁波地下信道一樣，它的信道噪聲等級幾乎與空氣中的噪聲等級相同。地下噪聲源主要包括電源、閃電、電機以及大氣噪聲，但是地下噪聲通常限制在相對較低的頻率（低于10 kHz）。

MI技術在環境依賴及天線尺寸方面優于電磁波技術，但接收功率損耗較電磁波技術大。對于實際的應用場景，可以通過在發送端和匯聚節點之間部署中繼節點來解決上述問題。

1.3 兩種無線地下收發器比較

基于電磁波通信的無線地下收發器利用電磁波在土壤中傳輸信號要求工作在兆赫茲或是更低頻率范圍。然而，降低工作頻率會導致天線長度的增加，當工作頻率為100 MHz時，1/4波長的天線長度為0.75 m，所以降低頻率，提高通信距離，天線尺寸過大將與地下傳感器設備尺寸小矛盾。

通過比較二者信道和結構方面，傳統的基于電磁波技術[7]的無線地下收發器將主要面臨三大問題：高路徑損耗、信道條件動態變化和天線尺寸過大。第一，由于土壤、巖石及水分對電磁波的吸收特性，導致電磁波傳輸時信號的大幅衰減。第二，路徑損耗的大小取決于諸如水分含量、土壤成分（沙子、淤泥或黏土）以及密度等許多土壤性質。同時，路徑損耗也會隨時間和空間發生急劇變化。比如降雨將導致土壤水分含量的增加，短距離內土壤性質可能發生很大的變化，從而使通信系統的誤碼率成為時間與空間的函數。第三，要求通信工作頻率在兆赫茲級或更低的范圍以便獲得實際所需的傳輸范圍。為了保證在此工作頻率下有效地發送和接收信號，必須使用較大的天線，很難部署于土壤中。

然而，基于磁感應通信的無線收發器利用磁感應（MI）[8]技術傳輸信號有效地解決了電磁波傳播情況下信道條件動態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，因為兩者的磁導率近似相等，所以磁場內的衰減率相對于空氣中傳播僅有微小變化。因此，在土壤介質中的磁感應信道條件基本穩定。此外，在MI通信中只須一個小小的線圈即可完成發送和接收數據的任務。因此，對于MI技術而言，天線尺寸已不是主要的限制問題。基于MI技術的收發器面臨的最大挑戰就是衰減問題：磁感應強度的衰落速率遠大于電磁波的衰減速率。

由于傳統的基于電磁波通信的無線地下收發器有其3個缺點，影響著WUSN的研究，而基于磁感應技術的無線地下收發器的信道相比電磁波地下傳輸信道簡單，又解決了基于電磁波通信的無線地下收發器信道條件動態變化以及天線尺寸大的問題，且自身衰落速率大可通過MI波導技術克服，所以為了更好的研究無線地下傳感器網絡，基于磁感應技術的無線地下收發器就顯得尤為重要。

基于磁感應技術無線地下收發器通信系統 （如圖2所示），發送端將信息源編碼調制成適合在地下信道傳輸的信號，再送入地下信道，接收端將接收到的信號解碼解調恢復出相應的原始信號，圖2的噪聲是指地下信道中的干擾噪聲以及無線地下收發通信系統中其他地方的噪聲，對無線地下收發器信號處理方法研究，將圍繞收發器通信系統的各個環節去研究，包括接收信號提取、噪聲濾波、信源編碼解碼、信道編碼解碼和調制解調等技術研究。

圖2 基于磁感應技術無線地下收發器通信系統框圖

2 結束語

對無線地下收發器的需求及其信號處理方法意義進行簡單的闡述；然后從信道、結構等方面，對兩種不同技術的收發器進行了對比，分析各自的優缺點，突出研究基于磁感應技術無線地下收發器的必要性。

[1]Stuntebeck E P，Pompili D，Melodia T.Wireless underground sensor networks using commodity terrestrial motes[C] //Wireless Mesh Networks，2006.WiMesh 2006.2nd IEEE Workshop on.IEEE，2006:112-114.

[2]Silva A R，Vuran M C.Empirical Evaluation of Wireless Underground-to-Underground Communication in Wireless Underground Sensor Networks[M]//Distributed Computing in Sensor Systems.Springer Berlin Heidelberg，2009:231-244.

[3]鄭盼龍，遲冬祥.一種小型磁諧振式無線電能傳輸系統的實驗研究[J].機電工程，2014，31（10）:1333-1338.

[4]T.A.Milligan.Modern Antenna Design，2nd Edition.IEEE Press，2005.

[5]Akyildiz I F，Stuntebeck E P.Wireless underground sensor networks:Research challenges[J].Ad Hoc Networks，2006，4（6）:669–686.

[6]Ian F.Akyildiz，Zhi Sun，Mehmet C.Vuran.Signal propagation techniques for wireless underground commu-nication networks[J].Physical Communication，2009，2（3）:167-183.

[7]Bansal R.Near-field magnetic communication[J].IEEE Antennas&Propagation Magazine，2004，46（2）:114-115.

[8]Sun Z，Akyildiz I F.Underground Wireless Communication Using Magnetic Induction[C]//Communications，2009.ICC '09.IEEE International Conference on.IEEE，2009:1-5.

[9]王斌.基于Visual DSP++的無限脈沖響應數字濾波器（IIR）設計[J].電子元器件應用，2012（3）:36-37.

[10]王春來，歐陽喜.基于FPGA的半并行FIR濾波器設計[J].數字通信世界，2010，11（15）:67-69.

[11]金朝暉.MT-DS-CDMA中頻收發信機設計與FPGA實現[D].北京：北京郵電大學，2009.

[12]張士前.基于FPGA的數字化中頻接收機及其算法研究[D].重慶：重慶郵電大學，2012.

[13]劉鑫，王勝奎，李廣良，等.基于FPGA的IIR數字濾波器實現及其量化字長效應分析[J].電子設計工程，2014（15）:23-26.

[14]葉波，李天望，江金光.基于梳狀濾波器的FIR數字濾波器設計[J].半導體技術，2009，34（10）:1018-1021.

[15]桑國明，劉智.數字濾波器的DSP實現[J].大連大學學報，2001（4）:69-72.

[16]王永強，謝迎天，王慧君.基于同軸電容的過電壓傳感器研究[J].陜西電力，2013（4）：62-65.

[17]侯仰軍，陳天英.基于HHT的電能質量信號檢測分析[J].陜西電力，2014（2）：51-54，84.

Comparison of tow kinds of signal processing methods for wireless underground transceiver based on WUSN

JIANG Qing-wei
（Shaanxi Polytechnic Institute，Xianyang 712000，China）

Aiming at the wireless underground sensor networks （Wireless Underground sensor network，WUSN）in the underground wireless transceiver requirements and the signal processing method and significance of analysis，combined with the underground wireless channel and transceiver structure of two kinds of Wireless Underground transceiver performed better than is pointed out based on the characteristics and importance of the study of magnetic induction technology wireless transceiver，for subsequent in-depth study provides reference.

underground wireless sensor network；transceiver；underground channel；signal processing

TN99

A

1674－6236（2016）18-0113-03

2016-02-09 稿件編號：201602189

陜西省自然科學基金項目（2015JM6325）

姜慶偉（1983—），男，江蘇揚州人，碩士，講師。研究方向：計算機應用技術、軟件工程。