高振江，劉洲洲，張倩昀，李開放

(1.西安航空學院能源與建筑學院,陜西西安 710077；2.西安航空學院計算機學院,陜西西安 710077；3.西北工業(yè)大學電子信息學院，陜西西安 710072)

0 引言

傳統(tǒng)的基于電磁波的無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless underground sensor networks，WUSNs)[1-4]在地下環(huán)境中面臨兩大問題，即較大的信道路徑損耗以及不穩(wěn)定的信道狀態(tài)。電磁波在地下由于土壤、巖石以及水等的吸收作用導致其在地下傳播時信道路徑損耗很大，同時其信道路徑損耗大小極其依賴于土壤結(jié)構(gòu)和土壤密度等特性，導致其在不同的時間和地點下路徑損耗變化較大，不具有相應(yīng)的一致性，這種不可靠的無線地下通信信道使得基于電磁波的WUSNs很難投入到真正有效的實際地下應(yīng)用[5]。

為解決電磁波在復(fù)雜介質(zhì)中通信傳輸?shù)膯栴}，國內(nèi)外研究人員提出將磁感應(yīng)通信技術(shù)(magnetic induction， MI)作為全新的物理層技術(shù)取代電磁波，由于磁導率在土壤、巖石、水以及空氣中差異較小，因而它可以有效解決地下無線傳輸信道狀態(tài)不穩(wěn)定的問題。近幾年磁感應(yīng)通信技術(shù)取得了長足發(fā)展，L. LI[6]等明確提出利用磁感應(yīng)技術(shù)構(gòu)建WUSNs來進行地下無線通信；Z. SUN[7]等通過磁感應(yīng)波導技術(shù)(MI waveguide technique)在收發(fā)線圈之間布置一定數(shù)量的無源中繼線圈(relay coils),通過采用電共振的方法來滿足遠距離通信需求的WUSNs；文獻[8]將MI技術(shù)引入到無線地下通信領(lǐng)域，理論和實驗結(jié)果均表明基于MI技術(shù)的通信距離較小，不足0.76 m；文獻[9]和文獻[10]將MI的無線通信技術(shù)被應(yīng)用到礦井內(nèi)部結(jié)構(gòu)測控中，以提供實時有效的礦井內(nèi)部結(jié)構(gòu)的監(jiān)控數(shù)據(jù)；實驗結(jié)果表明較高的路徑損耗限制了基于MI通信信道的傳輸距離。雖然磁感應(yīng)應(yīng)用于無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)方面有了相當程度的理論研究，但在實際應(yīng)用方面，搭建的實驗平臺卻十分有限，X. TAN[11]在試驗室環(huán)境內(nèi)部進行了基于MI waveguide的2個傳感器節(jié)點之間的地下無線通信，驗證了增加中繼線圈可有效提高傳輸距離，孫彥景[12]等通過實驗平臺對不同半徑和匝數(shù)的收發(fā)線圈進行了測試，研究其對通信性能的影響。

然而，基于MI的WUSNs雖具有相對穩(wěn)定的可靠的信道狀態(tài)，但其路徑損耗較大，尤其在整個磁感應(yīng)通信系統(tǒng)地下部署過程中，2個通信節(jié)點之間用于通信的中繼線圈一定程度上不可能按照預(yù)定的理想位置布置，中繼線圈在實際部署過程中會偏離理想預(yù)設(shè)值，因此引入了額外的信道路徑損耗，很難滿足現(xiàn)實應(yīng)用對信號傳輸距離的要求。針對該領(lǐng)域的空白，本文在信道理論模型的基礎(chǔ)上，分析了這種由于線圈布置問題而引入的額外路徑損耗對整個地下無線通信信道性能的影響。同時搭建了系統(tǒng)實驗測試平臺，通過分析采集接收線圈電壓值，驗證了無線磁感應(yīng)通信系統(tǒng)信道路徑損耗理論模型。

1 磁感應(yīng)波導技術(shù)原理

磁感應(yīng)波導技術(shù)基于一系列諧振線圈之間的磁耦合來完成相應(yīng)的信號和能量傳遞。一種典型的磁感應(yīng)波導由有限個(n個)帶有匹配電容的一定半徑大小的圓形線圈構(gòu)成，相鄰線圈之間的距離保持r，總的距離即達到d=(n-1)r，如圖1所示，波導始于第一個線圈中引入幅值為V的激勵電壓，波導在最后一個線圈的負載阻抗ZL=RL+jXL處終結(jié)。磁感應(yīng)波導對于磁場的引導是由于線圈彼此之間的磁耦合的結(jié)果，而在每個線圈上的匹配電容對于磁感應(yīng)波的遠距離傳輸而言必不可少?？梢酝ㄟ^考慮構(gòu)成磁感應(yīng)波導的每一個線圈上的感應(yīng)電流來研究磁感應(yīng)波導的分布方程，其簡化形式如式(1)所示：

(1)

式(1)中求和公式上限p的取值由感應(yīng)線圈之間的距離決定。值得注意的是，當構(gòu)成磁感應(yīng)波導的線圈之間的距離足夠大時，可以僅考慮相鄰線圈之間的互感作用。

圖1 磁感應(yīng)波導示意圖

磁感應(yīng)波導技術(shù)，即在收發(fā)線圈之間引入一定數(shù)量的中繼線圈，而且這些中繼線圈均無需能量供應(yīng)，也不需要任何數(shù)據(jù)處理能力。圖1為一個典型的磁感應(yīng)波導結(jié)構(gòu)示意圖。

2 中繼線圈偏離理想位置時引入的額外路徑損耗分析

目前的MI波導通信系統(tǒng)信道特性是基于線圈在理想布置情況下得出的，即所有中繼線圈必須嚴格等距離布置于磁感應(yīng)通信系統(tǒng)的收發(fā)線圈之間。當引入到收發(fā)線圈之間的中繼線圈偏離理想位置時，會引入額外的信道路徑損耗，從而影響到整個磁感應(yīng)通信系統(tǒng)的通信性能。由于在線圈的實際布置過程中，線圈徑向與水平軸向夾角不可能為嚴格的90°，必然會在90°左右存在一定的偏差，如圖2所示，這必定會對相鄰線圈之間的互感應(yīng)強度M造成一定程度的影響。此類由于布置角度帶來的偏差必然會引入額外的路徑損耗，從而造成無線信道通信性能的下降。

圖2 線圈實際布置過程中布置角度偏離預(yù)定的垂直位置

布置角度應(yīng)服從以π/2為均值，以σt為方差的正態(tài)分布。取σt依次為0，π/36，π/18及π/9。σt反映了線圈布置角度偏離理想垂直位置的程度。

3 無線磁感應(yīng)通信系統(tǒng)平臺設(shè)計

本文設(shè)計構(gòu)建的磁感應(yīng)通信系統(tǒng)，包括信號發(fā)生端、收發(fā)線圈、信號觀測端3部分。信號發(fā)生端負責產(chǎn)生一定頻率的交變電壓，并將其引入到信號發(fā)送端，通過線圈之間的磁耦合原理在接收端產(chǎn)生感應(yīng)電壓以完成無線信號的傳遞，最后需接入信號觀察設(shè)備，記錄下接收信號電壓的大小。磁感應(yīng)通信系統(tǒng)旨在解決無線地下的通信問題，即所有的通信過程須完全在地下介質(zhì)中完成。為了完成地下兩點之間的無線通信，所搭建的實驗平臺須包含三大模塊：無線收發(fā)線圈；信號發(fā)生和觀測設(shè)備；實驗室地下模擬環(huán)境。

基于波導技術(shù)的磁感應(yīng)通信系統(tǒng)通過向傳統(tǒng)磁感應(yīng)通信系統(tǒng)中引入一定數(shù)量的中繼線圈的方法構(gòu)成。與電磁波采用的中繼不同，磁感應(yīng)波導通信系統(tǒng)的中繼線圈僅僅為簡單的線圈，并不需要能源供應(yīng)和任何處理器件。磁感應(yīng)波導線圈和一般的波導基于不同的原理，適用的實際應(yīng)用領(lǐng)域也不同。磁感應(yīng)波導中繼線圈利用一組中繼線圈之間的磁耦合來完成無線通信過程。盡管磁感應(yīng)波導通信系統(tǒng)在收發(fā)線圈之間會布置一定數(shù)量的中繼線圈，但是其依然隸屬于無線通信領(lǐng)域。

基于這樣的物理結(jié)構(gòu)，磁感應(yīng)波導通信系統(tǒng)在復(fù)雜的地下環(huán)境中布置起來具有相對較高的自由度。由于磁感應(yīng)波導通信系統(tǒng)的收發(fā)線圈和中繼線圈布置在一條直線上，那么中繼波導線圈則由于磁耦合而將信號逐級傳輸下去，直到信號達到系統(tǒng)接收端，而接收到的信號強度將大于同樣傳輸距離下的傳統(tǒng)磁感應(yīng)通信系統(tǒng)。圖3為本文搭建的磁感應(yīng)波導通信系統(tǒng)。

圖3 基于波導技術(shù)的磁感應(yīng)通信系統(tǒng)

為了完成基于波導技術(shù)的磁感應(yīng)通信實驗，還需要在發(fā)射端接入一個信號發(fā)生器，在接收端接入能夠觀察接收信號的觀察設(shè)備。

本文搭建的基于波導技術(shù)的磁感應(yīng)通信系統(tǒng)由5個半徑為0.15 m的圓形線圈構(gòu)成，即在系統(tǒng)發(fā)射線圈和接收線圈之間引入了3個中繼線圈。構(gòu)成該磁感應(yīng)通信系統(tǒng)的所有線圈，包括收發(fā)線圈和中繼線圈，均由線徑為1.38 mm的標準銅線制成，并在每一個線圈上串聯(lián)有相應(yīng)的匹配電容C=0.13 μF。表1給出了磁感應(yīng)波導通信系統(tǒng)收發(fā)和中繼線圈實測電感值和內(nèi)阻值。磁感應(yīng)波導通信系統(tǒng)的中繼線圈和收發(fā)線圈之間存在的一個重要區(qū)別，即中繼線圈僅僅由沒有任何能量供應(yīng)的回路構(gòu)成。

4 實驗測試分析

本文通過搭建傳統(tǒng)磁感應(yīng)通信系統(tǒng)和磁感應(yīng)波導通信系統(tǒng)來驗證相應(yīng)的理論仿真結(jié)果，包括通信系統(tǒng)接收線圈上的電壓頻域響應(yīng)和收發(fā)線圈電壓比。本文設(shè)計實現(xiàn)的傳統(tǒng)磁感應(yīng)通信系統(tǒng)和磁感應(yīng)波導通信系統(tǒng)通過觀察示波器均表現(xiàn)出在頻率121.5 kHz處產(chǎn)生諧振。產(chǎn)生幅值為5 V的一定頻率的正弦信號，同時調(diào)節(jié)2種磁感應(yīng)通信系統(tǒng)收發(fā)線圈之間的距離，之后通過數(shù)字信號示波器精確采集接收線圈的接收電壓數(shù)據(jù)。采用信號發(fā)生器產(chǎn)生峰值為2.5 V，頻率為121.5 kHz的正弦電壓信號，并將其接入到磁感應(yīng)波導通信系統(tǒng)的發(fā)射線圈，通過中繼線圈之間的磁耦合，信號可以被逐級傳遞到接收線圈，通過數(shù)字示波器可以獲取接收電壓數(shù)據(jù)。設(shè)置收發(fā)端距離為1.2 m，即相鄰線圈之間的距離安排在0.3 m，可以從示波器上看到同頻率接收電壓的峰值為0.22 V。這表明，頻率為121.5 kHz、峰值大小為2.5 V的交變電壓信號，經(jīng)由該磁感應(yīng)波導通信系統(tǒng)傳播1.2 m遠的距離后，在接收線圈上的電壓峰值大小衰減至0.22 V。圖4為該磁感應(yīng)波導通信系統(tǒng)接收線圈電壓隨工作頻率的變化情況?？梢钥吹酱鸥袘?yīng)波導通信系統(tǒng)相對傳統(tǒng)磁感應(yīng)通信系統(tǒng)而言，有效拓展了信道帶寬。針對磁感應(yīng)波導通信系統(tǒng)，在給定發(fā)射電壓的情況下，設(shè)置不同的通信距離，同時采集相應(yīng)通信距離下接收線圈電壓信號，最后得出相應(yīng)的收發(fā)線圈電壓比。為了與傳統(tǒng)磁感應(yīng)通信系統(tǒng)進行更充分的對比，向發(fā)射線圈同樣引入峰值大小為2.5 V,頻率為121.5 kHz的交流電壓信號，在不同通信距離下(0.8～1.6 m)讀取接收端電壓信號數(shù)據(jù)，則可得到相應(yīng)的收發(fā)端電壓比率，如圖5所示。該圖反映了磁感應(yīng)波導通信系統(tǒng)接收端電壓信號隨著通信距離的增大而呈現(xiàn)的衰減情況，從而可以知道磁感應(yīng)波導通信系統(tǒng)可以降低電壓信號的衰減度，因而能夠有效延長通信距離。

表1 磁感應(yīng)波導通信系統(tǒng)收發(fā)和中繼線圈實測電感值和內(nèi)阻值

圖4 磁感應(yīng)波導通信系統(tǒng)接收線圈電壓與工作頻率的關(guān)系

圖5 不同通信距離下磁感應(yīng)波導通信系統(tǒng)收發(fā)端電壓比

5 結(jié)論

本文綜合分析研究傳統(tǒng)磁感應(yīng)通信系統(tǒng)信道特性，并在此基礎(chǔ)上，引入磁感應(yīng)波導技術(shù)，構(gòu)建磁感應(yīng)波導通信系統(tǒng)信道理論模型，分析中繼線圈偏離理想預(yù)設(shè)位置時所引入的額外路徑損耗。最后通過搭建實驗平臺，通過分析采集接收線圈電壓值，成功驗證了磁感應(yīng)波導通信系統(tǒng)信號強度衰減模型。下一步研究目標嘗試將電磁波通信技術(shù)和磁感應(yīng)波導通信技術(shù)的優(yōu)勢結(jié)合起來，構(gòu)建更為有效的混合通信模式。