基于磁感应技术的WUSN信号调制仿真分析❋

刘洲洲，张婷婷，王晓柱

（1.西安航空学院，西安710072；2.辽宁省武警总队，沈阳110034；3.西北工业大学电子信息学院，西安710077）

·微机网络与通信·

基于磁感应技术的WUSN信号调制仿真分析❋

刘洲洲1，张婷婷2，王晓柱3

（1.西安航空学院，西安710072；2.辽宁省武警总队，沈阳110034；3.西北工业大学电子信息学院，西安710077）

针对无线地下传感器网络（Wireless Underground Sensor Network，WUSN）的无线调制方式进行了研究。首先研究了基2FSK以及2PSK的调制解调方式，在此基础上假设地下干扰信号相当于特定噪声信号，对各调制方式加入噪声干扰信号，然后利用GUI系统设计界面并编写函数，分析各调制方式经过噪声干扰后的情况，同时比较各调制方式的误码率。通过对比证明了2PSK调制方式更适合于地下信号的传输。对比分析了常用的两种调制方式（2FSK和2PSK）相干解调，对它们的通信性能进行比较，经过误码率、频带宽度、系统设备复杂性以及各调制方式对信道特性变化的敏感度对比，确定了2PSK调制方式用于地下通信，在抗干扰性能上较强，设备可靠性较高，且有利于长时间进行信号传输，同时可用于数据的高速传输，更适合地下复杂信道的传输。

无线地下传感器网络；磁感应技术；地下通信；调制方式；解调方式

1 引 言

无线地下传感器网络（WUSN）是由通过土壤传输的传感器节点形成的网络，其主要目的是采集、处理和传输监测地区的信息［1］。WUSN和传统的地上无线传感器网络不同，它是把无线收发模块埋藏在地下土壤中，接收模块感知到数据信息后，通过无线方式发送数据，无线低频电磁场通过土壤介质进行耦合。由于地下土壤环境和地上空气环境不同，WUSN传感器节点、协议、算法以及传输路径与模型都不同于地上。对于无线地下信道，应当选取高效率的调制机制以使其适用于动态变化且高损耗的地下信道，根据地下信道的状况，需要研究多种调制机制。如降水过后信道通信质量严重下降，可以通过降低速率以采用更简单的调制机制，应当避免利用探测数据包的调制机制，因为探测传输会加大能量损耗。

在无线地下系统中，铺设传感器节点用来测量地下的一些参数，例如湿度、温度以及倾角测量。然后将测量参数传输到地上显示系统。显示系统中最终测量的数据都是数字量，因此通信的信息也必须是数字信号，同时数字通信的优势在于抗干扰能力强、设备较为简单。

要实现地下无线的数字通信，就需要选择一种合适的数字通信方法，方便数字信号在带通信道中传输。可将基带信号转为频带信号，传输频带信号的通信方式即为数字频带传输方式。就好比模拟调制中的一样，利用相位、频率、幅度的变化来传输基带信号。基本的数字通信方式分为2FSK以及2PSK，具体哪一种方式更适合无线地下传感网络的传输，需要对数字通信技术做进一步深入的研究。

针对以上问题，主要研究信号在地下土壤中的通信传输问题：即调制和解调方式并进行仿真验证。并且在调制方式抗干扰能力强的前提下，为无线地下通信提供一种灵活、可靠的通信方法。

2 基本数字通信方式

2.1 频移键控调制解调方式研究

在频率调制中，二进制频移键控是数字调制中比较简单的方法，2FSK键控中被传信息的状态是通过载波频率的变化来实现的。被调载波的频率是随二进制序列“1”和“0”的状态变化的，“0”代表载波频率f1，“1”代表载波频率f2。2FSK信号可以被看成以f1和f2为信号载波频率，以an和为被传序列的两种OOK信号合成而来。

2FSK信号的时域数学表达式为：

式中an是的反码。

独立学院开设的商务英语专业学制为4年，每学年为一个阶段。一年级应把重心放在语言知识和技能上，主要开设听、说、读、写及入门类商务课程，打好英语基础。二、三年级应该集中开设商务类课程，其中二年级侧重商务知识，培养学生的语言运用能力和交际能力，为后面学习进阶课程做好准备；三年级侧重实践技能，重点提高学生运用语言和商务知识的能力。四年级的时候大多数学生已经开始实习或就业，因此，这一阶段应该侧重就业引导和实训，进一步增强学生的就业竞争力。

2FSK信号和OOK信号的共同点都是含有载频离散谱分量，同样，2FSK也可以采用非相干解调和相干解调方法。在设计时，非相干解调是要将2FSK信号在通过带通滤波后再经过包络检波器进行信号处理，而相干解调只需将包络检波换成相干解调器即行。

2.2 相移键控调制解调方式研究

在相移键控方法中，最常用的是简单的2PSK键控方式，它是用载波相位按照基带脉冲信号改变的一种调制方式，通常也是用“0”或者“1”表示。二进制码元“0”相对应的相位为π的载波Αcos（2πft-π），“1”相对应相位为0的载波Αcos（2πft），“1”相对应相位为0的载波。所以2PSK信号的表达式可以表示为：

2PSK信号相应的数字信号是通过载波的差别相位直接法得出的，在完全移向方法中，发射端是基于某一相位基准，接收端也以一个特定基准为参考［4-5］。若是特定基准的相位发生改变（π相位变成0相位或者0相位变成π相位），则恢复出来的信息与原始的数字信息相反，造成误码。在实际地下通信中，考虑到特定基准相位有可能跳变，且不易被发现，比如某种地质变化，导致传感器中的分频器发生转移、锁相等等，这种情况称为2PSK的“反向工作”现象。一般情况下，可采用相对移向方式（2DPSK）进行调制解调。

3 噪声信道下分析

3.1 系统设计

由于所研究的磁感应技术调制方式是基于地下信道环境中的，噪声信号是特别复杂的，要考虑诸多因素，如地下衰减、路径损耗等［6-7］。所以假设给出一个噪声信号加入信道中，理论上相当于地下土壤信道的噪声模型，在MATLAB中基于GUI设计噪声信号，经过三种调制解调方式后的信号对比以及误码率分析。系统整体设计思路如图1所示。

3.2 噪声信道下的2FSK性能分析

2FSK信号的相同点都是含有载频离散谱分量，但是2FSK信号要经过两个独立的频率源产生不同频率的信号，因此相邻码元的相位不一定是连续的。2FSK信号可以采用非相干解调和相干解调两种方法，但相干解调要优于非相干解调，图2和图3是两路信号经过噪声干扰后的解调信号波形图。

图1 系统设计总体流程图

图2 基带信号

图3 调制信号

图4 为2FSK的基带信号S（t）与两个不同频率的载波信号S（1）和S（2）相乘后得到的信号。生成调制信号的过程可以看成是两个不同载波的二进制振幅键控信号的叠加。在给调制信号加噪声干扰后，对所得信号经过低通滤波器可得到两个波形相反的对比图，如图5所示。最后通过抽样判决比较得到解调信号。由于2FSK的系统设计比较复杂，可能传输速率较低，但稳定可靠，在土壤中抗多径效应能力强。

图4 加噪声信号

图5 解调信号

3.3 噪声信道下的2PSK性能分析

2PSK是载波相位按照基带脉冲改变的一种数字调制方式，它的调制是用相移键控来实现的，对此进行系统设计，可得如图6和图7所示。

由图8可知产生的随机信号“1010100101”经过反相产生反码，并将原码跟反码一起合成双极性码，即双极性信号S（t3）是由基带信号S（t1）减去基带信号反码S（t2）得到的，再与载波信号相乘后得到调制信号。通过噪声干扰后，采用相干解调产生上图波形，然后对其抽样判决，完成对2PSK数字信号的解调。通过图9基带信号的由来可分析出2PSK的抗干扰噪声信号比较强，对地下信道特性变化的敏感性最强。

图6 基带信号

图7 调制信号

图8 加噪声信号

图9 解调信号

4 调制方式性能研究对比

在无线通信系统中，主要使用的调制方法是2FSK以及2PSK，它们在有效性、抗干扰性与可靠性上有着各自的优缺点。对于地下无线通信，考虑的首要问题是抗干扰性与可靠性，因为信号在土壤与岩层环境中传输，会造成大幅度衰减，使得地下土壤信道远不能达到理想的通信状况，所以必须对地下通信的质量问题更加重视。为给出合理的调制方式，通过研究二进制数字调制系统的三种主要性能，从上面的仿真数据以及理论知识可以对其进行分析，比如系统的抗噪声性能、调制与解调方法等等。

（1）误码率（抗噪声性能）

对比表1中调制方法的相干解调与非相干解调误码率，可看出相干解调优于非相干解调，两者是与erfc（-r）的关系，并且随着r→∞趋向极限值。当高斯噪声干扰调制信号时，解调器产生错判造成误码。为便于对比，将各调制方法的误码率表示如下。

表1 二进制数字调制系统的误码率

由表1可以看出，各调制方法的抗噪声性能由弱到强的排序是2ASK非相干解调、2ASK相干解调、2FSK非相干解调、2FSK相干解调、2PSK相干解调。相对比，在抗高斯噪声方面2PSK最好、2FSK次之。

对各调制方法进行仿真来对比误码率的变化，如图10所示，可以看出仿真与理论吻合，显示2PSK的调制方法误码率最小，抗干扰性能强。

图10 不同调制方式下的误码率对比

（2）频带宽度

假设传输的数字基带信号时间宽度为Ts，相移键控信号和振幅键控信号的第一零点带宽近似为2／Ts，频移键控信号的带宽为|f1-f2|+2／Ts。因此，从频带利用率与宽度上可看出，2FSK的调制方法最差。

（3）各调制方法对信道特性变化的敏感度

在2PSK方法中，发送信号为等概率时，判决器端门限是零，与接收端幅度无关。在2FSK方法中，不需要去设置门限，通过两个支路解调输出大小，对于信道的敏感度不强。

（4）系统设备的复杂程度

在同种调制方法中，相干解调要复杂于非相干解调，因为相干解调需要提取的本地载频与调制载波同频同相［8］。对于三种相干解调方法，2PSK的设备最复杂，2FSK基于两个之间所以较复杂。

5 结束语

通过以上综合性能比较，因为在土壤传播时，频率越低则衰落越小，所以只能以低频来保证通信，利用低频载波意味着要考虑数据传输的带宽，2PSK带宽利用率高，适合传输。与地上WSN相比，无线地下传感器网络的数据传输速率受限，传输速率比较低，极端的路径损耗也将影响WUSN的数据传输速率。所以在设备的复杂性选择上，更希望它的设备可靠性高，且有利于在地下长时间获取数据信息。地下信道最重要的关键问题是抗干扰性能问题。综合比较起来应选择2PSK调制方式，2PSK在抗干扰性能上较强，设备可靠性高，利于长时间的信号传输，且其可用于数据的高速传输，更适合地下复杂信道的传输。下一步的主要方向是研究2PSK在土壤中噪声模型与衰减模型下的调制与解调，并进行地下实验，用实验结果去验证理论的可行性。

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

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

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

［4］ Syms RR A，Young IR，Solymar L.Low-lossmagnetoinductive waveguides［J］.Journal of Physics D：Applied Physics，2006，39（18）：3945.

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

［6］ Tan X，Sun Z.An optimal leakage detection strategy for underground pipelines using magnetic induction-based sensor networks［M］.／／Wireless Algorithms，Systems，and Applications，Springer Berlin Heidelberg，2013：414-425.

［7］ Sun Z，Akyildiz IF.On capacity ofmagnetic inductionbased wireless underground sensor networks［C］.／／INFOCOM，2012 Proceedings IEEE.IEEE，2012：370-378.

［8］ 蔡卓燃.基于W-SVM的数字通信调制模式分类技术的研究［D］.哈尔滨工程大学，2009. Cai Zhuoran.Research on the digital communicationmodulation pattern classification technology based on［D］. W-SVM Harbin Engineering University，2009.

Simulation of SignalModulation in W ireless 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；2.School of Electronics and Information，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China）

Aiming at the wireless underground sensor networks（Wireless Underground sensor network（briefly called WUSN），wirelessmodulation methods have been studied.Two kinds of common modulation（2FSK and 2PSK）coherent demodulation are compared and analyzed.The communication performance are compared，by the comparison among the complexity of the bit error rate（BER），band width，system equipment and variousmodulation modes，and the channel characteristics sensitivity.The 2PSK modulation for underground communication is determined，with the strong anti-jamming performance，high reliability of the equipment and long time signal transmission，which is used for data transmission in high speed and the complicated underground channel transmission.

Wireless Underground sensor networks；Magnetic induction technology；Underground communication；Modulation mode；Demodulation mode；2PSK

10.3969／j.issn.1002-2279.2016.06.006

TP393

A

1002-2279（2016）06-0019-05

国家自然科学基金资助项目（61401499）

刘洲洲（1981-），男，山西省运城市人，博士生，主研方向：无线传感器网络。

2016-02-29