基于WUSN的磁感應技術傳輸特性研究*

劉洲洲,王曉柱

（1.西安航空學院，西安710072；2.西北工業大學電子信息學院，西安710077）

基于WUSN的磁感應技術傳輸特性研究*

劉洲洲1,王曉柱2

（1.西安航空學院，西安710072；2.西北工業大學電子信息學院，西安710077）

針對研究磁感應在無線地下傳感網（Wireless Underground Sensor Network,WUSN）土壤傳輸過程的信道特性，首先對磁感應技術的核心諧變磁偶源進行模型推導，推導出諧變磁偶源在近場區的分布概況，在此基礎上得出諧變磁偶源在地下土壤介質中的傳輸特性,然后通過理論分析磁感應線圈的信道模型，建立隨各個參數變化的信號感應模型，確定了基于各影響因子的路徑損耗變化情況。最終通過選擇有利于地下傳輸的低功耗、低頻率器件，進行地下收發實驗，對比實驗所測得的結果與理論信道模型，分析并確定了低頻磁感應技術的系統理論模型適合于線圈在地下土壤中所做的實驗。

無線地下傳感網；磁感應技術；諧變磁偶源；信道傳輸；參數；路徑損耗

1 引言

電磁感應技術（MI）是近年來進入工業化與信息化應用的一項新技術，具有信號成本低、測量時間短、傳輸速率高、不易破環等特點。利用線圈實現電磁傳輸，在土壤中激發超低頻段的電流，在其空間形成電場或磁場穿過土壤傳輸[1]。把一個類似低頻線圈的電磁發射裝置放在地下土壤中，通過激發超低頻電流形成電磁場信號透過土壤，地面接收線圈為接收端，通過測得磁感應強度獲取信號。由于以前的電磁波（EM）解析分析方法建立的信道模型等要受到土壤成分的影響，是個動態不穩定的模型，所以得到的結果不是很精確，而MI方法在地下無線傳輸研究中卻能得到一個常數表示的信道模型，因為在這種分析方法中，默認發射和接收的波源是小線圈（即磁偶極子）。使用這種波源，磁場能量衰減很大，所以磁感應一般不用于地上無線通信系統的建立[2]。雖然現在大部分的地下通信研究都停留在電磁波技術上，但是通過對地下通信信道的進一步研究，磁感應技術（MI）更有深層次的研究價值，將更易于開發地下通信的物理層方面，其中磁偶極子是MI研究的基本單元[3-4]。

針對MI中的諧變磁偶源在地下信道中的傳輸模型，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。在此基礎上分析頻率變化引起路徑損耗的變化趨勢。最后通過進行地下收發實驗，驗證與參數之間的關系。

2 諧變磁偶源的物理模型

具有等值異號的兩個點磁荷構成的系統稱為磁偶極子[5]，磁偶極子是磁場研究的最基本單元，自然界的大多數磁現象均可等效為一個磁偶極子磁場的疊加，磁偶極子又可稱為磁偶源。在無線通信中，信號發送時的發射源作為諧變磁偶源，其在周圍空間所產生的電磁場分布如下圖1所示，載有角頻率為ω的諧變磁偶源時諧電流i為：

圖1 諧變磁偶源的物理模型

通過計算矢量位，才能確定諧變磁偶源的時變電磁場，所以根據電磁場矢量位定義，有[6]：

在空氣介質中，可依據麥克斯韋的微分方程式，有

式（3）中E是電場，ε是介電常數，式（4）中 H是磁場，μ是空間磁導率。將式（3）代入到式（4）中求得在空間坐標系下的諧變磁偶源電磁場分布：

式（5）與（6）中，k是傳播系數m=IS是復矢量的磁偶極矩。特別的，式（6）中，w是載流角頻率。因此，可得到在空間某處的電磁場分布。顯而易見，諧變磁偶源在空間p點產生的磁場H位于子午面上，電場E位于和赤道面平行的平面上，兩者是相互垂直的。

3 諧變磁偶源的近場區分布

波長大于空間源點O與場點 P的距離，于是有：

上式為諧變次偶源的電磁場近場區分布，可得近場區的功率密度為：

式（10）中S=0，即平均坡印廷矢量為零，即得到電磁能量在諧變磁偶源空間位置區域進行場與源的相互交換而沒有輻射能量。空間位置的近場區又稱為感應場，在不忽略分母的情況下，電磁能量在感應場區會輻射能量，只是比感應場小的多。經過以上分析，可得到諧變磁偶源的電磁場近場區分布，這個為后面所要展開研究的諧變磁偶源以及磁感應線圈在土壤介質中的傳輸提供了理論性依據[7]。

4 諧變磁偶源在土壤介質中的傳輸模型

經過研究諧變磁偶源在空氣媒介中的傳輸特性，可容易得到無損媒介下的電磁場分布。但是實際情況下，是要把諧變磁偶源運用于土壤傳輸中進行研究，探索諧變磁偶源在土壤信道中傳輸時所需考慮的因素。這就涉及到土壤媒介中的電導率、磁導率、以及介電常數情況[8]。在土壤媒介中，電導率的存在使得J=σE不再為零。而麥克斯韋方程則又可以表示如下：在于傳播因子

傳播系數k是復數，令 k=α?jβ，則有

令（13）式中的實部等于虛部，則有

聯立可得：

從而得到諧變磁偶源在土壤媒介中的電磁場：

得到的磁場H和電場E與空氣媒介中的區別由于要考慮相位與幅值衰減，所以式中的α 類似于 k為相位衰減，而β為幅值衰減，因此在土壤中傳輸信號時振幅按照指數規律衰減，并且相位也有延遲。

諧變磁偶源在土壤中傳輸時要考慮衰減問題，對于非磁性介質來說，它的磁導率與真空中的磁導率基本差不多；而對于磁性介質來說，由于其對衰減影響比較大，則要根據土壤中的不同特性而定。土壤中的介電常數以復介電常數形式給出，主要依賴于土壤的體積水含量。土壤中的電導率σ要根據土壤的構成、濕度、溫度以及極化場強度等因素來確定，其對衰減的影響也很大。

5 實驗分析

無線地下傳感網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。主控制器主要負責節點的編碼解碼調制解調濾波等信號處理算法的運行，外圍電路分為接收電路和發射電路兩部分，發射部分由功率放大和全橋驅動電路組成，接收部分由天線匹配電路、程控放大電路和高速AD數據采集電路組成，實物如圖3所示。無線地下收發器中各個模塊的功能如下：

（1）無線通信模塊由發射部分和接收部分組成，負責節點間的通信。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。

（2）處理器模塊主要起著控制和處理算法的作用，控制收發器的運行程序同時處理一些信號的算法。

（3）能量供應模塊為無線通信模塊和處理器模塊提供正常工作所需的能量。

圖2 無線地下收發器結構

圖3 地下無線收發器節點實物圖

經過收發實驗得到實驗數據如表1所示。

表1中很容易看出當距離較近時，電壓值變化很快，而當距離慢慢變遠時，電壓值的變化趨勢緩慢，到某一零界點時，信號的電壓值基本上沒有了。這個原因一方面是因為距離較遠，另一方面是因為土壤中的路徑損耗比較大，對信號造成了干擾。可得到信號隨著傳輸距離的增加，實驗數據所得到的電壓值與理論上的磁感應強度值大致成正比。

6 結束語

分析了諧變磁偶源在土壤地層中的傳輸原理，建立了信號隨土壤各介質變化的磁感應強度模型。其次分析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不同頻率下的路徑損耗變化模型，進行地下收發實驗，對比實驗所測得的結果與理論信道模型，分析并確定了低頻磁感應技術的系統理論模型是適合于線圈在地下土壤中所做的實驗。

表1 在土壤中傳輸時距離與電壓的關系

[1]Sun Z,Akyildiz I F.Magnetic induction communications for wireless underground sensor networks[J].Antennas and Propagation,IEEE Transactions on,2010,58(7):2426-2435.

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

[3]Kisseleff S,Gerstacker W,Sun Z,et al.On the throughput of wireless underground sensor networks using magneto-inductive waveguides [C].//Global Communications Conference (GLOBECOM),2013 IEEE.IEEE,2013:322-328.

[4]Agbinya J I,Masihpour M.Power equations and capacity performance of magnetic induction communication systems [J].Wireless Personal Communications,2012,64(4):831-845.

[5]Masihpour M,Franklin D,Abolhasan M.Multihop relay techniques for communication range extension in near-field magnetic induction communication systems[J].Journal of Networks,2013,8(5):999-1011.

[6]Cheon S,Kim Y H,Kang S Y,et al.Wireless energy transfer system with multiple coils via coupled magnetic resonances [J].ETRI Journal,2012,34(4):527-535.

[7]Syms R R A,Young I R,Solymar L.Low-loss magneto-inductive waveguides[J].Journal of Physics D:Applied Physics, 2006,39(18):3945.

[8]Guo H,Sun Z.Channel and energy modeling for self-contained wireless sensor networks in oil reservoirs[J].Wireless Communications,IEEE Transactions on,2014,13(4): 2258-2269.

Research on Transmission Characteristics of Magnetic Induction Technology Based on WUSN

Liu Zhouzhou1,Wang Xiaozhu2
（1.Xi’an Aeronautical University,Xi’an 710077,China; 2.School of Electronics and Information,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China）

Aiming at the research of channel characteristics of magnetic induction in wireless underground sensor networks(WUSN)soil transmission,first of all，the core of harmonic variable magnetic dipole source model is derived for time-homonic magnetic dipole source in the near-field region probability distribution condition to get the transmission characteristics in subsurface soil medium.Then through theoretical analysis of magnetic induction coil of the channel model,the changes of all the parameters of the induction signal model are established to determine the consumption based on variations in path loss of each influencing factor.Finally,by choosing devices with low power consumption and low frequency for underground transmission,the underground transceiver experiment is conducted to compare the measured results and the theoretical channel model,and shows that the system theory model in low frequency magnetic induction is fit to coil in subsurface soil.

Wireless underground sensor networks；Magnetic induction technology；Harmonic source；Channel transmission；Parameters；Path loss

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.01.016

TP393

A

1002-2279-（2017）01-0063-04

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,講師，博士生,主研方向：無線傳感器網絡。

2016-05-10