基于磁感應技術的WUSN信道路徑損耗分析?

劉洲洲，張婷婷王曉柱

（1．西安航空學院，西安710072；2．遼寧省武警總隊，沈陽110034；3．西北工業大學電子信息學院，西安710077）

基于磁感應技術的WUSN信道路徑損耗分析?

劉洲洲1，張婷婷2王曉柱3

（1．西安航空學院，西安710072；2．遼寧省武警總隊，沈陽110034；3．西北工業大學電子信息學院，西安710077）

針對磁感應線圈（Magnetic Induction，MI）在無線地下傳感器網絡（Wireless Underground Sensor Network，WUSN）傳輸過程中對信道路徑損耗的影響，分析了不同影響因素下的路徑損耗變化，研究并確定了磁感應線圈在土壤中傳輸的等效電路。在此基礎上建立并仿真頻率、磁導率、距離因素下的路徑損耗變化模型，確定了基于各影響因子的路徑損耗變化情況，同時初步設計收發電路，確定了磁感應技術在土壤傳輸過程中所考慮的影響因素要少于電磁波技術所考慮的影響因素，同時表明了磁感應技術在土壤傳輸中可以克服電磁波技術所產生的信號干擾因素多、衰減大等問題，從而有效解決了信道條件動態變化以及天線尺寸大的問題，為更進一步的深入研究奠定了基礎。

無線地下傳感器網絡；磁感應線圈；磁感應技術；信道；路徑損耗；影響因素

1　引　言

無線地下傳感器網絡（WUSN）是由通過土壤傳輸的傳感器節點形成的網絡，其主要目的是采集、處理和傳輸監測地區的信息［1］。WUSN和傳統的地上無線傳感器網絡不同，它是把無線收發模塊埋藏在地下土壤中，接收模塊感知到數據信息后，通過無線方式發送數據，無線低頻電磁場通過土壤介質進行耦合。由于地下土壤環境和地上空氣環境不同，WUSN傳感器節點、協議、算法以及傳輸路徑與模型都不同于地上，所以對無線地下傳感網絡傳輸特征的研究是一個更深層次的探索。WUSN通信被劃分為三種：

地上—地下通信：地上匯聚節點發送信息到地下傳感器節點，地下傳感器節點接收匯聚節點發送來的消息和命令；地下—地上通信：發送節點被鋪設在地下土壤中，透過地面發送信息至地上匯聚節點，匯聚節點作為接收節點布置在地面上；地下—地下通信：傳感器發送節點和接收節點被鋪設在地下土壤中，節點間通過土壤介質進行相互通信。無線地下傳感器網絡基本框架圖如圖1所示。

圖1　無線地下傳感器網絡基本框架圖

特別的，WUSN節點在地下—地下之間通信時，有兩條不同的路徑。第一條路徑是兩個地下傳感器節點直接通信；第二條路徑是由地面反射再通信的反射路徑。當在土壤表層時，地面反射對通信路徑的影響至關重要。當地下傳感器節點鋪設達到2m深度時，由于反射的路徑長度增加，節點電磁波的衰減也隨之增加，此時地面的反射作用可忽略不計，通信信道成為從發送節點到接收節點的單一通信路徑。在農業應用采集地下土壤參數信息中，地下傳感器節點埋藏在耕作層以下范圍，傳感器節點間的通信不可忽略反射的存在。

目前主要研究的是電磁波技術在土壤中傳輸的信道因素，包括土壤性質、土壤含水量、節點距離、土壤磁導率以及頻率范圍等因素［2］。然而，基于電磁波技術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，遠遠不能滿足WUSN向長距離和深層地質通信發展的要求。無線地下收發器若是利用磁感應（MI）技術傳輸信號，能夠有效解決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［3］。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。但是目前對于磁感應技術在土壤中傳輸的影響因素研究少之又少，只是初步的提出設想，還沒有進一步去進行實踐。國內外關于地下環境信息的無線地下傳感器網絡的監測研究近幾年才開始，正處于提出與基礎試驗性的研究階段，還不能形成較為完善的技術體系與理論體系，也不能生產出比較成熟的產品。國內對無線通信網絡的研究目前主要還是集中在對地上和水下的研究，針對地下的無線通信研究比較少，有少量地下無線通信研究也只是集中在地表淺層土壤無線通信的研究，對研究地下深層的無線通信網絡基本沒有。國外對無線地下傳輸的研究正向磁感應理論技術發展，但還沒有達到進行實地實驗的階段。

因此，針對上述問題，研究磁感應技術在地下信道中的傳輸特性，并建立模型，同時研究各影響因素的變化對信道模型的影響，最后通過進行地下收發電路設計，為后續研究奠定基礎。

2　不同影響因素下的路徑損耗變化

MI信道中由材料吸收所導致的極端路徑損耗成為磁感應技術在地下通信中需要特別關注的問題。地下通信中的路徑損耗是由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［4］。與地上通信的主要區別表現在地下路徑損耗很大程度上取決于土壤類型以及土壤中的磁導率。一般根據顆粒大小進行歸類，按大小降序排列，土壤類型可以分為沙、灰巖、淤泥、黏土或其他混合物。沙質土壤較淤泥更有利于信號傳播。沙質土壤所引起的信號衰減比較小，而黏土土壤產生的信號衰減很大。另外，不同的土壤顆粒大小也會導致土壤體積含水量的變化。此外，土壤密度的變化也會導致路徑損耗變化，即密度越大，信號衰落越嚴重。

除了土壤成分和結構之外，工作頻率也是影響路徑損耗的重要因素。信號在土壤中傳輸引起的衰落也依賴于工作頻率。一般而言，在給定距離以及土壤狀況的條件下，工作頻率越低，地下傳輸所造成的衰減越小，得到的磁感應強度越大，傳輸的距離越遠，但誤碼率比較大。具體衰減數量取決于土壤結構。

磁感應技術在土壤與巖石等電介質材料中傳輸時，傳輸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范圍內，使得傳輸速率降低。

在MI通信情況下，建立出模型來描述發射功率Pt和接收功率Pr之間的關系。在該等效電路中，它等于消耗在初級回路中的功率與消耗的負載阻抗中的功率之間的關系，即：

為了最大限度地提高電路效率，負載阻抗被設計為等于所述復共軛次級回路的輸出阻抗。由Z＝可得信號接收功率與發射功率的比率是：

MI通信方式利用線圈完成信號的發射和接收。其中，at和ar分別表示發送線圈和接收線圈的半徑，r為發送端與接收端之間的距離，（90°－a）表示兩個耦合線圈中心軸線的夾角［4］。依據以上參數，磁感應通信方式的路徑損耗可表示為：

式中，Nt和Nr分別為發送端線圈和接收線圈匝數，R0為線圈單位長度電阻，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）時，上述比值可簡略為：

接收功率損耗為傳輸距離r的六階函數，信號頻率ω、線圈匝數N、線圈尺寸a的增加以及環路電阻R0的減小，都會使接收功率增加［5］。同時，兩個耦合線圈中心軸線的夾角也會影響接收功率。一般來說，夾角越小，接收到的信號功率越大。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是磁導率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。

MI的路徑損耗表達式可以與電磁波通信情況的弗林斯（Friis）傳輸方程比較［6］，即：的發射功率由消耗在耦合線圈的感應功率和消耗在線圈電阻上的功率以及接收功率組成。如果線圈電阻小且線圈距離較近時，所接收到的功率與發射功率的比率將比較接近，但是隨著傳輸距離的增加接收功率和發送功率會下降。因為隨著距離增加，越來越少的功率被傳輸到接收線圈。于是仍然存在著一個所謂的路徑損耗。但是應當指出的是，比較電磁波系統和磁感應系統的性能，磁感應系統的路徑損耗隨著傳輸距離的變化被定義為LM＝－10lg（Pr／Pt），Pr是發射線圈發射信號到接收線圈的接收功率，Pt是發射線圈的發射功率。當傳輸距離較近時，認為Pt＝U21／R1，因此對MI通信系統的路徑損耗可以簡化為：

3　磁感應無線地下收發器設計

無線傳感器網絡可以應用于不同環境中，包括地上、水下與地下等，應用于任何地方的網絡組成都是基本相同的，包含了網關匯聚節點部分、無線傳感器終端節點部分和傳輸網絡部分等。無線地下傳感網［8］節點是無線地下傳感器網絡的核心要素，只有通過傳感器節點才能實現感知、處理和通信。無線收發器是傳感器節點的重要組成部分，它的一般組成為無線通信模塊、處理器模塊與能量供應模塊（如圖2所示）。

圖2　無線地下收發器結構

對于電磁波而言，信號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，土壤介電常數相比于空氣中的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。

不像電磁波技術的輻射功率，MI通信系統的輻射功率可以忽略不計，因為輻射電阻非常小［7］。但是，在磁感應通信的近場耦合中，發射線圈與接收線圈的感應功率成為最主要的功率消耗。磁感應系統

無線通信模塊由發射部分和接收部分組成，負責節點間通信，包含了信息交換和數據匯聚、轉發等功能。無線收發器一般都要求通信模塊具有功耗低、安全可靠、長距離傳輸等特點。其中發射和接收模塊實物圖如圖3和圖4所示。

4　仿真分析

通過上述分析，下面仿真出了頻率、磁導率以及距離的變化對路徑損耗的影響。

4．1低信號頻率所引起的路徑損耗

在圖5中，橫坐標為頻率變化，給出了20KHz到200KHz的頻率范圍，縱坐標為路徑損耗。從圖中可以看出，在地下磁感應通信中，隨著發射線圈發射的信號頻率升高，信號的路徑損耗會隨著頻率的增大而減小。頻率升高使衰減速率降低，路徑損耗變小，但是電磁波相反，工作頻率的升高反而會導致更大的路徑損耗。

圖3　發射電路實物圖

圖4　節點外圍接收電路實物圖

圖5　頻率變化引起的路徑損耗

4．2低信號距離所引起的路徑損耗

圖6中，橫坐標表示傳輸距離，根據仿真圖形可看出，在淺層土壤中，也就是地下與空氣的交接面上，信號的路徑損耗變化速率比較快，而當信號傳輸到較深地下土壤時，路徑損耗的變化速率趨勢變小。通過傳輸距離的變化可以得出，在給定距離下低頻傳輸時所引起的損耗較小，但會導致可用數據傳輸帶寬降低，從而減小信道容量。

圖6　距離變化引起的路徑損耗

4．3低信號磁導率所引起的路徑損耗

圖7橫坐標表示磁導率的值。從圖中分析可以看出，磁導率的變化對路徑損耗的影響是相當大的。因此對于地下的土壤情況，鋪設線圈時應盡可能的分析清楚當地土壤中的介質情況，盡量選擇沒有管道鋪設或沒被污染的土壤，否則較大的磁導率很有可能導致信號失真。

圖7　磁導率引起的路徑損耗變化

5　結束語

通過分析地下磁感應通信信道的模型和路徑損耗，分析了頻率與距離的變化對信道模型的影響，在此基礎上建立并仿真頻率、磁導率、距離因素下的路徑損耗變化模型，確定了基于各影響因子的路徑損耗變化情況。初步設計了收發電路，為后續研究建立了基礎。

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Analysis of Channel Path Loss in Wireless Underground Sensor Networks Based on Magnetic Induction Technology

Liu Zhouzhou1，Zhang Tingting2，Wang Xiaozhu3
（1．Xi'an Aeronautical University，Xi'an 710077，China；2．Liaoning Armed Police Force of China，Shenyang，110034；3．School of Electronics and Information，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China）

For effects，conducted by magnetic induction coil magnetic induction（MI）in the wireless underground sensor networks（WUSN）transmission for channel path loss，the path loss variation under different influencing factors is analyzed，and the equivalent circuit of transmission of magnetic induction coil in the soil is studied and determined．Accordingly，the frequency，permeability，distance factor variations in path loss model are established and simulated，and identified based on variations in path loss of each influencing factor．Meanwhile，the preliminary design transceiver circuit conducts a foundation for the further in－depth study．

Wireless underground sensor networks；Magnetic induction coil；Magnetic induction technology；Channel；Path loss；Influencing factors

10．3969／j．issn．1002－2279．2016．05．008

TP393

A

1002－2279（2016）05－0029－04

?國家自然科學基金資助項目（61401499）

劉洲洲（1981－），男，山西省運城市人，博士生，主研方向：無線傳感器網絡。

2015－02－29