基于波导技术的无线地下传感网通信系统研究与实现

高振江，刘洲洲，张倩昀，李开放

(1.西安航空学院能源与建筑学院,陕西西安 710077；2.西安航空学院计算机学院,陕西西安 710077；3.西北工业大学电子信息学院，陕西西安 710072)

0 引言

传统的基于电磁波的无线地下传感器网络(wireless underground sensor networks，WUSNs)[1-4]在地下环境中面临两大问题，即较大的信道路径损耗以及不稳定的信道状态。电磁波在地下由于土壤、岩石以及水等的吸收作用导致其在地下传播时信道路径损耗很大，同时其信道路径损耗大小极其依赖于土壤结构和土壤密度等特性，导致其在不同的时间和地点下路径损耗变化较大，不具有相应的一致性，这种不可靠的无线地下通信信道使得基于电磁波的WUSNs很难投入到真正有效的实际地下应用[5]。

为解决电磁波在复杂介质中通信传输的问题，国内外研究人员提出将磁感应通信技术(magnetic induction， MI)作为全新的物理层技术取代电磁波，由于磁导率在土壤、岩石、水以及空气中差异较小，因而它可以有效解决地下无线传输信道状态不稳定的问题。近几年磁感应通信技术取得了长足发展，L. LI[6]等明确提出利用磁感应技术构建WUSNs来进行地下无线通信；Z. SUN[7]等通过磁感应波导技术(MI waveguide technique)在收发线圈之间布置一定数量的无源中继线圈(relay coils),通过采用电共振的方法来满足远距离通信需求的WUSNs；文献[8]将MI技术引入到无线地下通信领域，理论和实验结果均表明基于MI技术的通信距离较小，不足0.76 m；文献[9]和文献[10]将MI的无线通信技术被应用到矿井内部结构测控中，以提供实时有效的矿井内部结构的监控数据；实验结果表明较高的路径损耗限制了基于MI通信信道的传输距离。虽然磁感应应用于无线地下传感器网络方面有了相当程度的理论研究，但在实际应用方面，搭建的实验平台却十分有限，X. TAN[11]在试验室环境内部进行了基于MI waveguide的2个传感器节点之间的地下无线通信，验证了增加中继线圈可有效提高传输距离，孙彦景[12]等通过实验平台对不同半径和匝数的收发线圈进行了测试，研究其对通信性能的影响。

然而，基于MI的WUSNs虽具有相对稳定的可靠的信道状态，但其路径损耗较大，尤其在整个磁感应通信系统地下部署过程中，2个通信节点之间用于通信的中继线圈一定程度上不可能按照预定的理想位置布置，中继线圈在实际部署过程中会偏离理想预设值，因此引入了额外的信道路径损耗，很难满足现实应用对信号传输距离的要求。针对该领域的空白，本文在信道理论模型的基础上，分析了这种由于线圈布置问题而引入的额外路径损耗对整个地下无线通信信道性能的影响。同时搭建了系统实验测试平台，通过分析采集接收线圈电压值，验证了无线磁感应通信系统信道路径损耗理论模型。

1 磁感应波导技术原理

磁感应波导技术基于一系列谐振线圈之间的磁耦合来完成相应的信号和能量传递。一种典型的磁感应波导由有限个(n个)带有匹配电容的一定半径大小的圆形线圈构成，相邻线圈之间的距离保持r，总的距离即达到d=(n-1)r，如图1所示，波导始于第一个线圈中引入幅值为V的激励电压，波导在最后一个线圈的负载阻抗ZL=RL+jXL处终结。磁感应波导对于磁场的引导是由于线圈彼此之间的磁耦合的结果，而在每个线圈上的匹配电容对于磁感应波的远距离传输而言必不可少。可以通过考虑构成磁感应波导的每一个线圈上的感应电流来研究磁感应波导的分布方程，其简化形式如式(1)所示：

(1)

式(1)中求和公式上限p的取值由感应线圈之间的距离决定。值得注意的是，当构成磁感应波导的线圈之间的距离足够大时，可以仅考虑相邻线圈之间的互感作用。

图1 磁感应波导示意图

磁感应波导技术，即在收发线圈之间引入一定数量的中继线圈，而且这些中继线圈均无需能量供应，也不需要任何数据处理能力。图1为一个典型的磁感应波导结构示意图。

2 中继线圈偏离理想位置时引入的额外路径损耗分析

目前的MI波导通信系统信道特性是基于线圈在理想布置情况下得出的，即所有中继线圈必须严格等距离布置于磁感应通信系统的收发线圈之间。当引入到收发线圈之间的中继线圈偏离理想位置时，会引入额外的信道路径损耗，从而影响到整个磁感应通信系统的通信性能。由于在线圈的实际布置过程中，线圈径向与水平轴向夹角不可能为严格的90°，必然会在90°左右存在一定的偏差，如图2所示，这必定会对相邻线圈之间的互感应强度M造成一定程度的影响。此类由于布置角度带来的偏差必然会引入额外的路径损耗，从而造成无线信道通信性能的下降。

图2 线圈实际布置过程中布置角度偏离预定的垂直位置

布置角度应服从以π/2为均值，以σt为方差的正态分布。取σt依次为0，π/36，π/18及π/9。σt反映了线圈布置角度偏离理想垂直位置的程度。

3 无线磁感应通信系统平台设计

本文设计构建的磁感应通信系统，包括信号发生端、收发线圈、信号观测端3部分。信号发生端负责产生一定频率的交变电压，并将其引入到信号发送端，通过线圈之间的磁耦合原理在接收端产生感应电压以完成无线信号的传递，最后需接入信号观察设备，记录下接收信号电压的大小。磁感应通信系统旨在解决无线地下的通信问题，即所有的通信过程须完全在地下介质中完成。为了完成地下两点之间的无线通信，所搭建的实验平台须包含三大模块：无线收发线圈；信号发生和观测设备；实验室地下模拟环境。

基于波导技术的磁感应通信系统通过向传统磁感应通信系统中引入一定数量的中继线圈的方法构成。与电磁波采用的中继不同，磁感应波导通信系统的中继线圈仅仅为简单的线圈，并不需要能源供应和任何处理器件。磁感应波导线圈和一般的波导基于不同的原理，适用的实际应用领域也不同。磁感应波导中继线圈利用一组中继线圈之间的磁耦合来完成无线通信过程。尽管磁感应波导通信系统在收发线圈之间会布置一定数量的中继线圈，但是其依然隶属于无线通信领域。

基于这样的物理结构，磁感应波导通信系统在复杂的地下环境中布置起来具有相对较高的自由度。由于磁感应波导通信系统的收发线圈和中继线圈布置在一条直线上，那么中继波导线圈则由于磁耦合而将信号逐级传输下去，直到信号达到系统接收端，而接收到的信号强度将大于同样传输距离下的传统磁感应通信系统。图3为本文搭建的磁感应波导通信系统。

图3 基于波导技术的磁感应通信系统

为了完成基于波导技术的磁感应通信实验，还需要在发射端接入一个信号发生器，在接收端接入能够观察接收信号的观察设备。

本文搭建的基于波导技术的磁感应通信系统由5个半径为0.15 m的圆形线圈构成，即在系统发射线圈和接收线圈之间引入了3个中继线圈。构成该磁感应通信系统的所有线圈，包括收发线圈和中继线圈，均由线径为1.38 mm的标准铜线制成，并在每一个线圈上串联有相应的匹配电容C=0.13 μF。表1给出了磁感应波导通信系统收发和中继线圈实测电感值和内阻值。磁感应波导通信系统的中继线圈和收发线圈之间存在的一个重要区别，即中继线圈仅仅由没有任何能量供应的回路构成。

4 实验测试分析

本文通过搭建传统磁感应通信系统和磁感应波导通信系统来验证相应的理论仿真结果，包括通信系统接收线圈上的电压频域响应和收发线圈电压比。本文设计实现的传统磁感应通信系统和磁感应波导通信系统通过观察示波器均表现出在频率121.5 kHz处产生谐振。产生幅值为5 V的一定频率的正弦信号，同时调节2种磁感应通信系统收发线圈之间的距离，之后通过数字信号示波器精确采集接收线圈的接收电压数据。采用信号发生器产生峰值为2.5 V，频率为121.5 kHz的正弦电压信号，并将其接入到磁感应波导通信系统的发射线圈，通过中继线圈之间的磁耦合，信号可以被逐级传递到接收线圈，通过数字示波器可以获取接收电压数据。设置收发端距离为1.2 m，即相邻线圈之间的距离安排在0.3 m，可以从示波器上看到同频率接收电压的峰值为0.22 V。这表明，频率为121.5 kHz、峰值大小为2.5 V的交变电压信号，经由该磁感应波导通信系统传播1.2 m远的距离后，在接收线圈上的电压峰值大小衰减至0.22 V。图4为该磁感应波导通信系统接收线圈电压随工作频率的变化情况。可以看到磁感应波导通信系统相对传统磁感应通信系统而言，有效拓展了信道带宽。针对磁感应波导通信系统，在给定发射电压的情况下，设置不同的通信距离，同时采集相应通信距离下接收线圈电压信号，最后得出相应的收发线圈电压比。为了与传统磁感应通信系统进行更充分的对比，向发射线圈同样引入峰值大小为2.5 V,频率为121.5 kHz的交流电压信号，在不同通信距离下(0.8～1.6 m)读取接收端电压信号数据，则可得到相应的收发端电压比率，如图5所示。该图反映了磁感应波导通信系统接收端电压信号随着通信距离的增大而呈现的衰减情况，从而可以知道磁感应波导通信系统可以降低电压信号的衰减度，因而能够有效延长通信距离。

表1 磁感应波导通信系统收发和中继线圈实测电感值和内阻值

图4 磁感应波导通信系统接收线圈电压与工作频率的关系

图5 不同通信距离下磁感应波导通信系统收发端电压比

5 结论

本文综合分析研究传统磁感应通信系统信道特性，并在此基础上，引入磁感应波导技术，构建磁感应波导通信系统信道理论模型，分析中继线圈偏离理想预设位置时所引入的额外路径损耗。最后通过搭建实验平台，通过分析采集接收线圈电压值，成功验证了磁感应波导通信系统信号强度衰减模型。下一步研究目标尝试将电磁波通信技术和磁感应波导通信技术的优势结合起来，构建更为有效的混合通信模式。