基于WUSN的两种无线地下收发器信号处理方法对比分析

姜庆伟

（陕西工业职业技术学院 陕西 咸阳712000）

基于WUSN的两种无线地下收发器信号处理方法对比分析

姜庆伟

（陕西工业职业技术学院 陕西 咸阳712000）

针对无线地下传感器网络（Wireless Underground Sensor Network，WUSN）中的无线地下收发器需求和研究信号处理方法意义进行了分析，结合无线地下信道和收发器结构对两种无线地下收发器进行比较，指出对基于磁感应技术无线收发器的研究的特点和重要性，为后继的深入研究提供参考和借鉴。

无线地下传感器网络；收发器；地下信道；信号处理

随着无线传感器网络[1-2]的应用日益广泛，无线地下传感器网络（WUSN）也越来越受关注，将无线地下传感器网络应用在地下，监测环境数据，对灾害预防和农业指导有着重大的作用，无线地下收发器是无线地下传感器网络节点的重要组成部分，在无线地下传感器网络中起着不可或缺的作用，且无线地下通信系统的信号处理方法的选择，直接关系到通信系统的质量，本文阐述无线地下收发器功能需求及其信号处理方法的意义，然后分析两种无线地下收发器的现状，确定了研究基于磁感应技术无线收发器比较适合解决的无线地下通信面临着高路径损耗、信道条件动态变化大和天线尺寸过大等问题[3-5]。

1 无线地下收发器功能需求和信号处理方法意义分析

无线地下收发器由无线地下传感器节点的处理器模块、无线通信模块和能量供应模块组成，主要实现无线地下传感器网络物理层的功能。无线收发器实现的任务主要是将比特流转换成适合在无线信道中传输的信号。具体而言，频率选择、载波频率生成、信号检测、调制、编码以及数据加密都是无线收发器应该实现的，无线地下收发器的实现直接影响无线地下传感网络的设计与实现。

地下通信与地面通信有着本质的区别，同时也带来了许多技术挑战，主要原因是地下环境复杂，具有土壤、岩石、树根等物质，各种物质的介电常数不同，加上地下有着其他的电磁场的干扰如工频干扰等，导致无线地下信道更加复杂，为应对复杂的信道，保证通信正常，必须选择合适的信号编码、调制和滤波等信号处理方法。

目前无线地下收发器有两种，一种是基于电磁波技术的无线地下收发器，另一种是基于磁感应技术的无线地下收发器，两种通信方式原理不同，通信的信道也不同，下面将从信道和结构等方面进行分析二者的不同。

1.1 基于电磁波技术无线地下收发器信道模型

基于电磁波技术[5]的无线地下收发器是利用电磁波传输进行通信，电磁波通信的地下通信与地面通信有着本质的区别，同时也带来了许多技术挑战。主要原因是地下通信性能与土壤环境具有密切的联系。接下来将阐述影响电磁波地下通信的五个主要因素，包括极端的路径损耗、反射/折射、多径衰落、传播速率的降低以及噪声。

1）极端的路径损耗：由材料吸收所致的路径损耗成为电磁波地下通信需要特别关注的问题。地下通信中的路径损耗是由电磁波频率以及进行传输的土壤或岩石的特性两方面共同决定的。具体而言，土壤水分含量的增加会导致衰减的急剧增加，工作频率越低，地下传输所造成的衰减越小。即使是工作在兆赫兹级的频率依然会造成电磁波在土壤环境中以大约100 dB/m速度衰减，具体衰减数量取决于土壤状况。

2）反射/折射：由于在土壤及空气中不同的衰减特性，将在土壤与空气分界面产生反射/折射。信号的反射/折射将影响收发器接收功率。

3）多径衰落：电磁波在土壤介质中传播时只有一部分传输至地面，剩余部分将反射回地下，因而会导致多径衰落。近地面部署的传感器设备进行通信时，所传输的电磁波必定接近土壤与空气的交界面，因而受到多径衰落的影响尤为严重。散乱的地下岩石、植物根系以及变化的土壤性质也会导致散射，从而产生衰落。

4）传播速率的降低：电磁波通过土壤和岩石等电介质材料传输时，传播速率相比于空气中会降低。大部分土壤的介电常数通常在1-80的范围内，则最小传播速率大约为光速的10%。

5）噪声和干扰：即使是地下信道，仍无法幸免于噪声。相反，地下信道中的噪声等级几乎与空气中的噪声等级相同。地下噪声源主要包括电源、闪电、电机以及大气噪声。但是地下噪声通常限制在相对较低的频率（低于10 kHz）。

地下无线信道的特性直接受进行通信传输的土壤性质影响，即两个通信实体之间的路径损耗，可以直接看出这个影响。土壤成分及其单位体积含水量、颗粒大小、密度以及温度等系数共同决定了其介电常数ε。

利用Peplinski模型可得衰落常数α、相移常数β和路径损耗公式如下：

式（1）和（2）中ω=2πf表示角频率，μ为磁导率，ε′和 ε″为介电常数的实部和虚部。式（3）中距离d，单位为m；衰落常数α，单位为1/m；相移常数β，单位为rad/m。

1.2 基于磁感应技术无线地下收发器信道模型

基于磁感应技术无线地下收发器是利用磁感应技术进行通信，收发器发送端将已调制信号激发发送线圈，在发送线圈周围产生磁场，接收端线圈处于该磁场内，随着磁场的变化，接收线圈产生感应电动势实现通信[6]。

收发器节点间通信的实现为变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据是电磁感应定律。MI通信方式利用有线线圈完成信号的发送与接收，如图1所示，其中，ɑt和ɑr分别表示发送端线圈和汇聚节点线圈的半径，r为发送端与汇聚节点之间的距离，（90°-α）表示两个耦合线圈中心轴线的夹角。根据以上参数，MI通信方式的路径损耗表示为式（4）[7-8]:

图1 磁感应系统

式（4）中，Nt和Nr分别为发送端线圈和汇聚节点线圈的匝数，R0为线圈的单位长度电阻，μ为介质（即土壤）磁导率，ω为传输信号的角频率。当使用低电阻线圈，高信号频率和多线圈匝数（即ωμNt＞＞R0），则上述比值可简化为：

如式（5）所示，接收功率损耗为传输距离r的六阶函数。随着信号频率ω、线圈匝数N、线圈尺寸ɑ的增加，以及环路电阻R0的减小，都会使接收功率增加。同时，两个耦合线圈中心轴线的夹角也会影响接收功率。具体而言，夹角越小，接收的功率越高。MI通信方式的一个重要特性表现在接收功率不受环境条件的影响。唯一影响接收功率的环境条件为式（5）中磁导率μ，而且土壤或水介质的磁导率与空气介质的磁导率基本相等。

式 （5）中的路径损耗表达式可以与电磁波通信情况的Friis式（6）传输方程比较。

对于电磁波而言，工作频率的升高会导致更大的路径损耗。而MI则相反，频率的升高反而会使衰减速率降低。但是MI通信方式的接收功率衰减速率（1/r6）比电磁波的衰减速率（1/r2）快很多倍。此外，式（6）中的土壤介电常数?相比空气介电常数而言大很多，而且会随着时间和空间的不同而剧烈变化。因此，电磁波的路径损耗深受环境条件的影响。简而言之，MI技术具备稳定的信道条件，而电磁波技术具备较低衰减的优势。

当然磁感应地下信道也无法幸免于噪声，与电磁波地下信道一样，它的信道噪声等级几乎与空气中的噪声等级相同。地下噪声源主要包括电源、闪电、电机以及大气噪声，但是地下噪声通常限制在相对较低的频率（低于10 kHz）。

MI技术在环境依赖及天线尺寸方面优于电磁波技术，但接收功率损耗较电磁波技术大。对于实际的应用场景，可以通过在发送端和汇聚节点之间部署中继节点来解决上述问题。

1.3 两种无线地下收发器比较

基于电磁波通信的无线地下收发器利用电磁波在土壤中传输信号要求工作在兆赫兹或是更低频率范围。然而，降低工作频率会导致天线长度的增加，当工作频率为100 MHz时，1/4波长的天线长度为0.75 m，所以降低频率，提高通信距离，天线尺寸过大将与地下传感器设备尺寸小矛盾。

通过比较二者信道和结构方面，传统的基于电磁波技术[7]的无线地下收发器将主要面临三大问题：高路径损耗、信道条件动态变化和天线尺寸过大。第一，由于土壤、岩石及水分对电磁波的吸收特性，导致电磁波传输时信号的大幅衰减。第二，路径损耗的大小取决于诸如水分含量、土壤成分（沙子、淤泥或黏土）以及密度等许多土壤性质。同时，路径损耗也会随时间和空间发生急剧变化。比如降雨将导致土壤水分含量的增加，短距离内土壤性质可能发生很大的变化，从而使通信系统的误码率成为时间与空间的函数。第三，要求通信工作频率在兆赫兹级或更低的范围以便获得实际所需的传输范围。为了保证在此工作频率下有效地发送和接收信号，必须使用较大的天线，很难部署于土壤中。

然而，基于磁感应通信的无线收发器利用磁感应（MI）[8]技术传输信号有效地解决了电磁波传播情况下信道条件动态变化以及天线尺寸大的问题。特别是诸如土壤和水这样的密集介质，因为两者的磁导率近似相等，所以磁场内的衰减率相对于空气中传播仅有微小变化。因此，在土壤介质中的磁感应信道条件基本稳定。此外，在MI通信中只须一个小小的线圈即可完成发送和接收数据的任务。因此，对于MI技术而言，天线尺寸已不是主要的限制问题。基于MI技术的收发器面临的最大挑战就是衰减问题：磁感应强度的衰落速率远大于电磁波的衰减速率。

由于传统的基于电磁波通信的无线地下收发器有其3个缺点，影响着WUSN的研究，而基于磁感应技术的无线地下收发器的信道相比电磁波地下传输信道简单，又解决了基于电磁波通信的无线地下收发器信道条件动态变化以及天线尺寸大的问题，且自身衰落速率大可通过MI波导技术克服，所以为了更好的研究无线地下传感器网络，基于磁感应技术的无线地下收发器就显得尤为重要。

基于磁感应技术无线地下收发器通信系统 （如图2所示），发送端将信息源编码调制成适合在地下信道传输的信号，再送入地下信道，接收端将接收到的信号解码解调恢复出相应的原始信号，图2的噪声是指地下信道中的干扰噪声以及无线地下收发通信系统中其他地方的噪声，对无线地下收发器信号处理方法研究，将围绕收发器通信系统的各个环节去研究，包括接收信号提取、噪声滤波、信源编码解码、信道编码解码和调制解调等技术研究。

图2 基于磁感应技术无线地下收发器通信系统框图

2 结束语

对无线地下收发器的需求及其信号处理方法意义进行简单的阐述；然后从信道、结构等方面，对两种不同技术的收发器进行了对比，分析各自的优缺点，突出研究基于磁感应技术无线地下收发器的必要性。

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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 稿件编号：201602189

陕西省自然科学基金项目（2015JM6325）

姜庆伟（1983—），男，江苏扬州人，硕士，讲师。研究方向：计算机应用技术、软件工程。