姜慶偉

（陜西工業(yè)職業(yè)技術學院 陜西 咸陽712000）

基于WUSN的兩種無線地下收發(fā)器信號處理方法對比分析

姜慶偉

（陜西工業(yè)職業(yè)技術學院 陜西 咸陽712000）

針對無線地下傳感器網(wǎng)絡（Wireless Underground Sensor Network，WUSN）中的無線地下收發(fā)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(fā)器結構對兩種無線地下收發(fā)器進行比較，指出對基于磁感應技術無線收發(fā)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(wǎng)絡；收發(fā)器；地下信道；信號處理

隨著無線傳感器網(wǎng)絡[1-2]的應用日益廣泛，無線地下傳感器網(wǎng)絡（WUSN）也越來越受關注，將無線地下傳感器網(wǎng)絡應用在地下，監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)，對災害預防和農(nóng)業(yè)指導有著重大的作用，無線地下收發(fā)器是無線地下傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的重要組成部分，在無線地下傳感器網(wǎng)絡中起著不可或缺的作用，且無線地下通信系統(tǒng)的信號處理方法的選擇，直接關系到通信系統(tǒng)的質(zhì)量，本文闡述無線地下收發(fā)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(fā)器的現(xiàn)狀，確定了研究基于磁感應技術無線收發(fā)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(tài)變化大和天線尺寸過大等問題[3-5]。

1 無線地下收發(fā)器功能需求和信號處理方法意義分析

無線地下收發(fā)器由無線地下傳感器節(jié)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(xiàn)無線地下傳感器網(wǎng)絡物理層的功能。無線收發(fā)器實現(xiàn)的任務主要是將比特流轉(zhuǎn)換成適合在無線信道中傳輸?shù)男盘?。具體而言，頻率選擇、載波頻率生成、信號檢測、調(diào)制、編碼以及數(shù)據(jù)加密都是無線收發(fā)器應該實現(xiàn)的，無線地下收發(fā)器的實現(xiàn)直接影響無線地下傳感網(wǎng)絡的設計與實現(xiàn)。

地下通信與地面通信有著本質(zhì)的區(qū)別，同時也帶來了許多技術挑戰(zhàn)，主要原因是地下環(huán)境復雜，具有土壤、巖石、樹根等物質(zhì)，各種物質(zhì)的介電常數(shù)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(diào)制和濾波等信號處理方法。

目前無線地下收發(fā)器有兩種，一種是基于電磁波技術的無線地下收發(fā)器，另一種是基于磁感應技術的無線地下收發(fā)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(fā)器信道模型

基于電磁波技術[5]的無線地下收發(fā)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(zhì)的區(qū)別，同時也帶來了許多技術挑戰(zhàn)。主要原因是地下通信性能與土壤環(huán)境具有密切的聯(lián)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?shù)耐寥阑驇r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(huán)境中以大約100 dB/m速度衰減，具體衰減數(shù)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(chǎn)生反射/折射。信號的反射/折射將影響收發(fā)器接收功率。

3）多徑衰落：電磁波在土壤介質(zhì)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?shù)碾姶挪ū囟ń咏寥琅c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(zhì)也會導致散射，從而產(chǎn)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(zhì)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(shù)通常在1-80的范圍內(nèi)，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?shù)耐寥佬再|(zhì)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(shù)共同決定了其介電常數(shù)ε。

利用Peplinski模型可得衰落常數(shù)α、相移常數(shù)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(shù)的實部和虛部。式（3）中距離d，單位為m；衰落常數(shù)α，單位為1/m；相移常數(shù)β，單位為rad/m。

1.2 基于磁感應技術無線地下收發(fā)器信道模型

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

收發(fā)器節(jié)點間通信的實現(xiàn)為變壓器模型，通過空間高頻交變磁場實現(xiàn)耦合，依據(jù)是電磁感應定律。MI通信方式利用有線線圈完成信號的發(fā)送與接收，如圖1所示，其中，ɑt和ɑr分別表示發(fā)送端線圈和匯聚節(jié)點線圈的半徑，r為發(fā)送端與匯聚節(jié)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(jù)以上參數(shù)，MI通信方式的路徑損耗表示為式（4）[7-8]:

圖1 磁感應系統(tǒng)

式（4）中，Nt和Nr分別為發(fā)送端線圈和匯聚節(jié)點線圈的匝數(shù)，R0為線圈的單位長度電阻，μ為介質(zhì)（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(shù)（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(shù)。隨著信號頻率ω、線圈匝數(shù)N、線圈尺寸ɑ的增加，以及環(huán)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(xiàn)在接收功率不受環(huán)境條件的影響。唯一影響接收功率的環(huán)境條件為式（5）中磁導率μ，而且土壤或水介質(zhì)的磁導率與空氣介質(zhì)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(shù)?相比空氣介電常數(shù)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(huán)境條件的影響。簡而言之，MI技術具備穩(wěn)定的信道條件，而電磁波技術具備較低衰減的優(yōu)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(huán)境依賴及天線尺寸方面優(yōu)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(fā)送端和匯聚節(jié)點之間部署中繼節(jié)點來解決上述問題。

1.3 兩種無線地下收發(fā)器比較

基于電磁波通信的無線地下收發(fā)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(tǒng)的基于電磁波技術[7]的無線地下收發(fā)器將主要面臨三大問題：高路徑損耗、信道條件動態(tài)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(zhì)。同時，路徑損耗也會隨時間和空間發(fā)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(nèi)土壤性質(zhì)可能發(fā)生很大的變化，從而使通信系統(tǒng)的誤碼率成為時間與空間的函數(shù)。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(fā)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(fā)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(tài)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(zhì)，因為兩者的磁導率近似相等，所以磁場內(nèi)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(zhì)中的磁感應信道條件基本穩(wěn)定。此外，在MI通信中只須一個小小的線圈即可完成發(fā)送和接收數(shù)據(jù)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?；贛I技術的收發(fā)器面臨的最大挑戰(zhàn)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(tǒng)的基于電磁波通信的無線地下收發(fā)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(fā)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(fā)器信道條件動態(tài)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(wǎng)絡，基于磁感應技術的無線地下收發(fā)器就顯得尤為重要。

基于磁感應技術無線地下收發(fā)器通信系統(tǒng) （如圖2所示），發(fā)送端將信息源編碼調(diào)制成適合在地下信道傳輸?shù)男盘?，再送入地下信道，接收端將接收到的信號解碼解調(diào)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(fā)通信系統(tǒng)中其他地方的噪聲，對無線地下收發(fā)器信號處理方法研究，將圍繞收發(fā)器通信系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)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(diào)制解調(diào)等技術研究。

圖2 基于磁感應技術無線地下收發(fā)器通信系統(tǒng)框圖

2 結束語

對無線地下收發(fā)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(fā)器進行了對比，分析各自的優(yōu)缺點，突出研究基于磁感應技術無線地下收發(fā)器的必要性。

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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。