基于磁感应技术的WUSN信道路径损耗分析❋

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）

基于磁感应技术的WUSN信道路径损耗分析❋

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）

针对磁感应线圈（Magnetic Induction，MI）在无线地下传感器网络（Wireless Underground Sensor Network，WUSN）传输过程中对信道路径损耗的影响，分析了不同影响因素下的路径损耗变化，研究并确定了磁感应线圈在土壤中传输的等效电路。在此基础上建立并仿真频率、磁导率、距离因素下的路径损耗变化模型，确定了基于各影响因子的路径损耗变化情况，同时初步设计收发电路，确定了磁感应技术在土壤传输过程中所考虑的影响因素要少于电磁波技术所考虑的影响因素，同时表明了磁感应技术在土壤传输中可以克服电磁波技术所产生的信号干扰因素多、衰减大等问题，从而有效解决了信道条件动态变化以及天线尺寸大的问题，为更进一步的深入研究奠定了基础。

无线地下传感器网络；磁感应线圈；磁感应技术；信道；路径损耗；影响因素

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，所以对无线地下传感网络传输特征的研究是一个更深层次的探索。WUSN通信被划分为三种：

地上—地下通信：地上汇聚节点发送信息到地下传感器节点，地下传感器节点接收汇聚节点发送来的消息和命令；地下—地上通信：发送节点被铺设在地下土壤中，透过地面发送信息至地上汇聚节点，汇聚节点作为接收节点布置在地面上；地下—地下通信：传感器发送节点和接收节点被铺设在地下土壤中，节点间通过土壤介质进行相互通信。无线地下传感器网络基本框架图如图1所示。

图1　无线地下传感器网络基本框架图

特别的，WUSN节点在地下—地下之间通信时，有两条不同的路径。第一条路径是两个地下传感器节点直接通信；第二条路径是由地面反射再通信的反射路径。当在土壤表层时，地面反射对通信路径的影响至关重要。当地下传感器节点铺设达到2m深度时，由于反射的路径长度增加，节点电磁波的衰减也随之增加，此时地面的反射作用可忽略不计，通信信道成为从发送节点到接收节点的单一通信路径。在农业应用采集地下土壤参数信息中，地下传感器节点埋藏在耕作层以下范围，传感器节点间的通信不可忽略反射的存在。

目前主要研究的是电磁波技术在土壤中传输的信道因素，包括土壤性质、土壤含水量、节点距离、土壤磁导率以及频率范围等因素［2］。然而，基于电磁波技术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，远远不能满足WUSN向长距离和深层地质通信发展的要求。无线地下收发器若是利用磁感应（MI）技术传输信号，能够有效解决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［3］。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。但是目前对于磁感应技术在土壤中传输的影响因素研究少之又少，只是初步的提出设想，还没有进一步去进行实践。国内外关于地下环境信息的无线地下传感器网络的监测研究近几年才开始，正处于提出与基础试验性的研究阶段，还不能形成较为完善的技术体系与理论体系，也不能生产出比较成熟的产品。国内对无线通信网络的研究目前主要还是集中在对地上和水下的研究，针对地下的无线通信研究比较少，有少量地下无线通信研究也只是集中在地表浅层土壤无线通信的研究，对研究地下深层的无线通信网络基本没有。国外对无线地下传输的研究正向磁感应理论技术发展，但还没有达到进行实地实验的阶段。

因此，针对上述问题，研究磁感应技术在地下信道中的传输特性，并建立模型，同时研究各影响因素的变化对信道模型的影响，最后通过进行地下收发电路设计，为后续研究奠定基础。

2　不同影响因素下的路径损耗变化

MI信道中由材料吸收所导致的极端路径损耗成为磁感应技术在地下通信中需要特别关注的问题。地下通信中的路径损耗是由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［4］。与地上通信的主要区别表现在地下路径损耗很大程度上取决于土壤类型以及土壤中的磁导率。一般根据颗粒大小进行归类，按大小降序排列，土壤类型可以分为沙、灰岩、淤泥、黏土或其他混合物。沙质土壤较淤泥更有利于信号传播。沙质土壤所引起的信号衰减比较小，而黏土土壤产生的信号衰减很大。另外，不同的土壤颗粒大小也会导致土壤体积含水量的变化。此外，土壤密度的变化也会导致路径损耗变化，即密度越大，信号衰落越严重。

除了土壤成分和结构之外，工作频率也是影响路径损耗的重要因素。信号在土壤中传输引起的衰落也依赖于工作频率。一般而言，在给定距离以及土壤状况的条件下，工作频率越低，地下传输所造成的衰减越小，得到的磁感应强度越大，传输的距离越远，但误码率比较大。具体衰减数量取决于土壤结构。

磁感应技术在土壤与岩石等电介质材料中传输时，传输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范围内，使得传输速率降低。

在MI通信情况下，建立出模型来描述发射功率Pt和接收功率Pr之间的关系。在该等效电路中，它等于消耗在初级回路中的功率与消耗的负载阻抗中的功率之间的关系，即：

为了最大限度地提高电路效率，负载阻抗被设计为等于所述复共轭次级回路的输出阻抗。由Z＝可得信号接收功率与发射功率的比率是：

MI通信方式利用线圈完成信号的发射和接收。其中，at和ar分别表示发送线圈和接收线圈的半径，r为发送端与接收端之间的距离，（90°－a）表示两个耦合线圈中心轴线的夹角［4］。依据以上参数，磁感应通信方式的路径损耗可表示为：

式中，Nt和Nr分别为发送端线圈和接收线圈匝数，R0为线圈单位长度电阻，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）时，上述比值可简略为：

接收功率损耗为传输距离r的六阶函数，信号频率ω、线圈匝数N、线圈尺寸a的增加以及环路电阻R0的减小，都会使接收功率增加［5］。同时，两个耦合线圈中心轴线的夹角也会影响接收功率。一般来说，夹角越小，接收到的信号功率越大。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是磁导率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。

MI的路径损耗表达式可以与电磁波通信情况的弗林斯（Friis）传输方程比较［6］，即：的发射功率由消耗在耦合线圈的感应功率和消耗在线圈电阻上的功率以及接收功率组成。如果线圈电阻小且线圈距离较近时，所接收到的功率与发射功率的比率将比较接近，但是随着传输距离的增加接收功率和发送功率会下降。因为随着距离增加，越来越少的功率被传输到接收线圈。于是仍然存在着一个所谓的路径损耗。但是应当指出的是，比较电磁波系统和磁感应系统的性能，磁感应系统的路径损耗随着传输距离的变化被定义为LM＝－10lg（Pr／Pt），Pr是发射线圈发射信号到接收线圈的接收功率，Pt是发射线圈的发射功率。当传输距离较近时，认为Pt＝U21／R1，因此对MI通信系统的路径损耗可以简化为：

3　磁感应无线地下收发器设计

无线传感器网络可以应用于不同环境中，包括地上、水下与地下等，应用于任何地方的网络组成都是基本相同的，包含了网关汇聚节点部分、无线传感器终端节点部分和传输网络部分等。无线地下传感网［8］节点是无线地下传感器网络的核心要素，只有通过传感器节点才能实现感知、处理和通信。无线收发器是传感器节点的重要组成部分，它的一般组成为无线通信模块、处理器模块与能量供应模块（如图2所示）。

图2　无线地下收发器结构

对于电磁波而言，信号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，土壤介电常数相比于空气中的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。

不像电磁波技术的辐射功率，MI通信系统的辐射功率可以忽略不计，因为辐射电阻非常小［7］。但是，在磁感应通信的近场耦合中，发射线圈与接收线圈的感应功率成为最主要的功率消耗。磁感应系统

无线通信模块由发射部分和接收部分组成，负责节点间通信，包含了信息交换和数据汇聚、转发等功能。无线收发器一般都要求通信模块具有功耗低、安全可靠、长距离传输等特点。其中发射和接收模块实物图如图3和图4所示。

4　仿真分析

通过上述分析，下面仿真出了频率、磁导率以及距离的变化对路径损耗的影响。

4．1低信号频率所引起的路径损耗

在图5中，横坐标为频率变化，给出了20KHz到200KHz的频率范围，纵坐标为路径损耗。从图中可以看出，在地下磁感应通信中，随着发射线圈发射的信号频率升高，信号的路径损耗会随着频率的增大而减小。频率升高使衰减速率降低，路径损耗变小，但是电磁波相反，工作频率的升高反而会导致更大的路径损耗。

图3　发射电路实物图

图4　节点外围接收电路实物图

图5　频率变化引起的路径损耗

4．2低信号距离所引起的路径损耗

图6中，横坐标表示传输距离，根据仿真图形可看出，在浅层土壤中，也就是地下与空气的交接面上，信号的路径损耗变化速率比较快，而当信号传输到较深地下土壤时，路径损耗的变化速率趋势变小。通过传输距离的变化可以得出，在给定距离下低频传输时所引起的损耗较小，但会导致可用数据传输带宽降低，从而减小信道容量。

图6　距离变化引起的路径损耗

4．3低信号磁导率所引起的路径损耗

图7横坐标表示磁导率的值。从图中分析可以看出，磁导率的变化对路径损耗的影响是相当大的。因此对于地下的土壤情况，铺设线圈时应尽可能的分析清楚当地土壤中的介质情况，尽量选择没有管道铺设或没被污染的土壤，否则较大的磁导率很有可能导致信号失真。

图7　磁导率引起的路径损耗变化

5　结束语

通过分析地下磁感应通信信道的模型和路径损耗，分析了频率与距离的变化对信道模型的影响，在此基础上建立并仿真频率、磁导率、距离因素下的路径损耗变化模型，确定了基于各影响因子的路径损耗变化情况。初步设计了收发电路，为后续研究建立了基础。

［1］Agbinya J I，Masihpour M．Power equations and capacity performance of magnetic 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］．ETRI Journal，2012，34（4）：527－535．

［4］Syms R R A，Young I R，Solymar L．Low－loss magnetoinductive 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．SpringerBerlinHeidelberg，2013：414－425．

［7］Sun Z，Akyildiz I F．On capacity of magnetic inductionbased wireless underground sensor networks［C］．INFOCOM，2012 Proceedings IEEE，2012：370－378．

［8］罗武胜，鲁琴，徐涛，等．水平定向钻进轨迹最优化设计方法研究［J］．岩土工程学报，2005，06：726－728．Luo Wusheng，Lu Qin，Xu Tao，et al．Horizontal directional drilling trajectory optimization design method［J］．Journal of geotechnical engineering，2005（6）：726－728．

Analysis of Channel Path Loss in Wireless 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；3．School of Electronics and Information，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China）

For effects，conducted by magnetic induction coil magnetic induction（MI）in the wireless underground sensor networks（WUSN）transmission for channel path loss，the path loss variation under different influencing factors is analyzed，and the equivalent circuit of transmission of magnetic induction coil in the soil is studied and determined．Accordingly，the frequency，permeability，distance factor variations in path loss model are established and simulated，and identified based on variations in path loss of each influencing factor．Meanwhile，the preliminary design transceiver circuit conducts a foundation for the further in－depth study．

Wireless underground sensor networks；Magnetic induction coil；Magnetic induction technology；Channel；Path loss；Influencing factors

10．3969／j．issn．1002－2279．2016．05．008

TP393

A

1002－2279（2016）05－0029－04

❋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。

2015－02－29