基于WUSN的磁感应技术传输特性研究*

刘洲洲,王晓柱

（1.西安航空学院，西安710072；2.西北工业大学电子信息学院，西安710077）

基于WUSN的磁感应技术传输特性研究*

刘洲洲1,王晓柱2

（1.西安航空学院，西安710072；2.西北工业大学电子信息学院，西安710077）

针对研究磁感应在无线地下传感网（Wireless Underground Sensor Network,WUSN）土壤传输过程的信道特性，首先对磁感应技术的核心谐变磁偶源进行模型推导，推导出谐变磁偶源在近场区的分布概况，在此基础上得出谐变磁偶源在地下土壤介质中的传输特性,然后通过理论分析磁感应线圈的信道模型，建立随各个参数变化的信号感应模型，确定了基于各影响因子的路径损耗变化情况。最终通过选择有利于地下传输的低功耗、低频率器件，进行地下收发实验，对比实验所测得的结果与理论信道模型，分析并确定了低频磁感应技术的系统理论模型适合于线圈在地下土壤中所做的实验。

无线地下传感网；磁感应技术；谐变磁偶源；信道传输；参数；路径损耗

1 引言

电磁感应技术（MI）是近年来进入工业化与信息化应用的一项新技术，具有信号成本低、测量时间短、传输速率高、不易破环等特点。利用线圈实现电磁传输，在土壤中激发超低频段的电流，在其空间形成电场或磁场穿过土壤传输[1]。把一个类似低频线圈的电磁发射装置放在地下土壤中，通过激发超低频电流形成电磁场信号透过土壤，地面接收线圈为接收端，通过测得磁感应强度获取信号。由于以前的电磁波（EM）解析分析方法建立的信道模型等要受到土壤成分的影响，是个动态不稳定的模型，所以得到的结果不是很精确，而MI方法在地下无线传输研究中却能得到一个常数表示的信道模型，因为在这种分析方法中，默认发射和接收的波源是小线圈（即磁偶极子）。使用这种波源，磁场能量衰减很大，所以磁感应一般不用于地上无线通信系统的建立[2]。虽然现在大部分的地下通信研究都停留在电磁波技术上，但是通过对地下通信信道的进一步研究，磁感应技术（MI）更有深层次的研究价值，将更易于开发地下通信的物理层方面，其中磁偶极子是MI研究的基本单元[3-4]。

针对MI中的谐变磁偶源在地下信道中的传输模型，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。在此基础上分析频率变化引起路径损耗的变化趋势。最后通过进行地下收发实验，验证与参数之间的关系。

2 谐变磁偶源的物理模型

具有等值异号的两个点磁荷构成的系统称为磁偶极子[5]，磁偶极子是磁场研究的最基本单元，自然界的大多数磁现象均可等效为一个磁偶极子磁场的叠加，磁偶极子又可称为磁偶源。在无线通信中，信号发送时的发射源作为谐变磁偶源，其在周围空间所产生的电磁场分布如下图1所示，载有角频率为ω的谐变磁偶源时谐电流i为：

图1 谐变磁偶源的物理模型

通过计算矢量位，才能确定谐变磁偶源的时变电磁场，所以根据电磁场矢量位定义，有[6]：

在空气介质中，可依据麦克斯韦的微分方程式，有

式（3）中E是电场，ε是介电常数，式（4）中 H是磁场，µ是空间磁导率。将式（3）代入到式（4）中求得在空间坐标系下的谐变磁偶源电磁场分布：

式（5）与（6）中，k是传播系数m=IS是复矢量的磁偶极矩。特别的，式（6）中，w是载流角频率。因此，可得到在空间某处的电磁场分布。显而易见，谐变磁偶源在空间p点产生的磁场H位于子午面上，电场E位于和赤道面平行的平面上，两者是相互垂直的。

3 谐变磁偶源的近场区分布

波长大于空间源点O与场点 P的距离，于是有：

上式为谐变次偶源的电磁场近场区分布，可得近场区的功率密度为：

式（10）中S=0，即平均坡印廷矢量为零，即得到电磁能量在谐变磁偶源空间位置区域进行场与源的相互交换而没有辐射能量。空间位置的近场区又称为感应场，在不忽略分母的情况下，电磁能量在感应场区会辐射能量，只是比感应场小的多。经过以上分析，可得到谐变磁偶源的电磁场近场区分布，这个为后面所要展开研究的谐变磁偶源以及磁感应线圈在土壤介质中的传输提供了理论性依据[7]。

4 谐变磁偶源在土壤介质中的传输模型

经过研究谐变磁偶源在空气媒介中的传输特性，可容易得到无损媒介下的电磁场分布。但是实际情况下，是要把谐变磁偶源运用于土壤传输中进行研究，探索谐变磁偶源在土壤信道中传输时所需考虑的因素。这就涉及到土壤媒介中的电导率、磁导率、以及介电常数情况[8]。在土壤媒介中，电导率的存在使得J=σE不再为零。而麦克斯韦方程则又可以表示如下：在于传播因子

传播系数k是复数，令 k=α−jβ，则有

令（13）式中的实部等于虚部，则有

联立可得：

从而得到谐变磁偶源在土壤媒介中的电磁场：

得到的磁场H和电场E与空气媒介中的区别由于要考虑相位与幅值衰减，所以式中的α 类似于 k为相位衰减，而β为幅值衰减，因此在土壤中传输信号时振幅按照指数规律衰减，并且相位也有延迟。

谐变磁偶源在土壤中传输时要考虑衰减问题，对于非磁性介质来说，它的磁导率与真空中的磁导率基本差不多；而对于磁性介质来说，由于其对衰减影响比较大，则要根据土壤中的不同特性而定。土壤中的介电常数以复介电常数形式给出，主要依赖于土壤的体积水含量。土壤中的电导率σ要根据土壤的构成、湿度、温度以及极化场强度等因素来确定，其对衰减的影响也很大。

5 实验分析

无线地下传感网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。主控制器主要负责节点的编码解码调制解调滤波等信号处理算法的运行，外围电路分为接收电路和发射电路两部分，发射部分由功率放大和全桥驱动电路组成，接收部分由天线匹配电路、程控放大电路和高速AD数据采集电路组成，实物如图3所示。无线地下收发器中各个模块的功能如下：

（1）无线通信模块由发射部分和接收部分组成，负责节点间的通信。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。

（2）处理器模块主要起着控制和处理算法的作用，控制收发器的运行程序同时处理一些信号的算法。

（3）能量供应模块为无线通信模块和处理器模块提供正常工作所需的能量。

图2 无线地下收发器结构

图3 地下无线收发器节点实物图

经过收发实验得到实验数据如表1所示。

表1中很容易看出当距离较近时，电压值变化很快，而当距离慢慢变远时，电压值的变化趋势缓慢，到某一零界点时，信号的电压值基本上没有了。这个原因一方面是因为距离较远，另一方面是因为土壤中的路径损耗比较大，对信号造成了干扰。可得到信号随着传输距离的增加，实验数据所得到的电压值与理论上的磁感应强度值大致成正比。

6 结束语

分析了谐变磁偶源在土壤地层中的传输原理，建立了信号随土壤各介质变化的磁感应强度模型。其次分析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不同频率下的路径损耗变化模型，进行地下收发实验，对比实验所测得的结果与理论信道模型，分析并确定了低频磁感应技术的系统理论模型是适合于线圈在地下土壤中所做的实验。

表1 在土壤中传输时距离与电压的关系

[1]Sun Z,Akyildiz I F.Magnetic induction communications for wireless underground sensor networks[J].Antennas and Propagation,IEEE Transactions on,2010,58(7):2426-2435.

[2]Bansal R.Near-field magnetic communication[J].Antennas and Propagation Magazine,IEEE,2004,46(2):114-115.

[3]Kisseleff S,Gerstacker W,Sun Z,et al.On the throughput of wireless underground sensor networks using magneto-inductive waveguides [C].//Global Communications Conference (GLOBECOM),2013 IEEE.IEEE,2013:322-328.

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

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

[6]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.

[7]Syms R R A,Young I R,Solymar L.Low-loss magneto-inductive waveguides[J].Journal of Physics D:Applied Physics, 2006,39(18):3945.

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

Research on Transmission Characteristics of Magnetic Induction Technology Based on WUSN

Liu Zhouzhou1,Wang Xiaozhu2
（1.Xi’an Aeronautical University,Xi’an 710077,China; 2.School of Electronics and Information,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China）

Aiming at the research of channel characteristics of magnetic induction in wireless underground sensor networks(WUSN)soil transmission,first of all，the core of harmonic variable magnetic dipole source model is derived for time-homonic magnetic dipole source in the near-field region probability distribution condition to get the transmission characteristics in subsurface soil medium.Then through theoretical analysis of magnetic induction coil of the channel model,the changes of all the parameters of the induction signal model are established to determine the consumption based on variations in path loss of each influencing factor.Finally,by choosing devices with low power consumption and low frequency for underground transmission,the underground transceiver experiment is conducted to compare the measured results and the theoretical channel model,and shows that the system theory model in low frequency magnetic induction is fit to coil in subsurface soil.

Wireless underground sensor networks；Magnetic induction technology；Harmonic source；Channel transmission；Parameters；Path loss

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.01.016

TP393

A

1002-2279-（2017）01-0063-04

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,讲师，博士生,主研方向：无线传感器网络。

2016-05-10