采用波导技术的地下传感网通信信道建模.docx

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1、采用波导技术的地下传感网通信信道建模 打开文本图片集 摘 要：针对传统无线地下传感器网络中的磁感应通信系统所固有信道路径损耗较大，无法满意较远距离的通信需求的问题，构建了一种基于波导技术的磁感应通信系统信道模型。通过采纳波导技术，即采纳一列肯定数量的磁耦合的元件，向收发线圈之间等距离引入肯定数量的无源中继线圈，在每个谐振线圈中引入的匹配电容的容值都应限制在大于10 pF，同时设定继线圈之间的志向距离为0.7 m，采纳电共振的方法，能够有效降低整个通信系统的信道路径损耗，同时也有效地拓展了磁感应通信信道带宽。仿真试验表明：MI波导通信系统在较低噪声功率环境下，当路径损耗小于101 dB时，路径损

2、耗值将不会影响到信道误码率。 关键词：地下传感器网络；磁感应；波导技术；电共振；信道模型 中图分类号：TP 393 文献标记码：A 0 引 言 传统的基于电磁波的无线通信技术在地下环境中面临2大问题，即较大的信道路径损耗以及不稳定的信道状态1-3。这种不行靠的无线地下通信信道使得基于電磁波的无线地下传感器网络很难投入到真正有效的实际地下应用中去4-6。磁感应可以有效解决通信信道状态不稳定的问题7。由于磁导率在这多种困难传播介质中的大小类似，从而保证了基于MI的无线地下通信信道在特定传播路径下将具备稳定的状态8-12。文献8将MI技术首次被引入到无线地下通信领域，指出基于MI的通信不受土壤类型、

3、密度、构成以及湿度影响，而且较RF通信而言所需功率较低。然而，理论和试验结果均表明基于MI技术的通信距离较小，不足0.76 m，同时没有考虑MI通信系统的带宽问题。文献9提出了基于MI的无线通信技术被应用到矿井内部结构测控中，以供应实时有效的矿井内部结构的监控数据，也提到较高的路径损耗限制了基于MI通信信道的传输距离，据此建议通过采纳较多MI收发器的方式来中和较大的信道路径损耗值，然而此种方式由于能耗的限制以及布置上的挑战而很难在地下环境中绽开和实施。文献10提出利用磁感应技术构建WUSN来进行地下无线通信，尽管基于MI的WUSN具有相对稳定的牢靠的信道状态，但照旧路径损耗较大，很难满意现实应

4、用对信号传输距离的要求。为了解决此问题，文献11将磁感应波导技术用于构建满意远距离通信需求的WUSN，尽管传统磁感应通信系统有稳定的信道状态，但是其信道路径损耗依旧较大，无法满意较远距离的实际通信需求。针对磁感应通信技术信道路径损耗较大，无法满意较远距离的通信需求，文中建立基于波导技术的磁感应通信系统信道模型，深化分析探讨该通信系统信道路径损耗，误码率等信道特性，即向收发线圈之间等距离引入肯定数量的无源中继线圈，通过此方法可以大幅降低信道路径损耗，从而解决了传统磁感应通信系统面临的较远距离通信的问题。 1 磁感应波导技术分析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

5、。典型的磁感应波导由有限个带有匹配电容的肯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=r，波导始于第一个线圈中引入幅值为V的激励电压，波导在最终一个线圈的负载阻抗ZL=RL+jXL处终结。磁感应波导的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行少。通过考虑构成磁感应波导的每一个线圈上的感应电流来探讨磁感应波导的分布方程，其简化形式如下式给出 式中 0=1/LC，Q=L/R，L，C，R以此分别为各个感应线圈的自感，匹配电容和相应的内阻。kn=2Mn/L，Mn是2个相距nd的线圈之间的互感，=+j，和依次分别为

6、磁感应波导的传输和衰减系数。公式中求和公式上限p的取值由感应线圈之间的距离确定。值得留意的是，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。磁感应波导技术在收发线圈之间引入肯定数量的中继线圈，而且这些中继线圈均无需能量供应，也不须要任何数据处理实力。图1为一个典型的磁感应波导结构示意图，从图中可以看到，在收发线圈之间等距离布置肯定数量的无源中继线圈，线圈数量为n，相邻线圈之间的距离为r，整个通信距离为d=r，a为线圈半径。同时，在每一个线圈上都有匹配电容C.有效调整匹配电容C的值，能够是整个波导系统处于谐振状态，从而有效传输磁感应信号。当在放射线圈注入肯定频率的正

7、弦交变电流，其能够在第一级中继线圈上激发相应的感应电流，同样，感应电流也将存在于在其次级中继，第三级中继，因而能够逐级将信号传播下去，从而完成整个磁感应通信。 2 基于波导技术的磁感应信道模型 磁感应波导被建模为多级变压器，但是仅考虑相邻线圈之间的磁耦合12-14。在磁感应波导通信系统15-19中，包括收发线圈和中继线圈在内的全部线圈均采纳同样的设计参数，即全部线圈均具有同样的阻抗，同样的匹配电容，同样的自感和同样的互感。M为相邻线圈之间的互感；Us为加载在放射线圈上的电压；L为线圈的自感；R为线圈的阻抗；C为每个线圈上的匹配电容；Zl为接收线圈的负载阻抗。图2所示为基于波导技术的磁感应通信系

8、统等效电路图。 3 系统信道特性 仿真分析文中采纳MATLAB对基于波导技术的磁感应通信系统信道特性进行仿真。构建的MI波导通信系统的全部线圈参数均一样。在收发线圈之间引入肯定数量的中继线圈，将收发线圈及全部中继线圈的半径均设为0.15 m，线圈匝数设为5，线圈由线径为1.38 mm的标准规格铜线制成，该铜线的单位长度阻抗为0.01 /m.取电容C=0.22 H，使得线圈在频率f0=125 kHz处谐振。同时，依据上文的分析，土壤特性对磁感应通信性能影响较小，并假定土壤介质磁导率为真空磁导率，即 3.1 信道路径损耗仿真设置相应的仿真参数，可以得到磁感应波导通信系统信道路径损耗仿真图。分别在收

9、发线圈之间等距离引入0，10，15，20个中继线圈，其形成的3个波导通信系统信道路径损耗随通信距离的改变曲线如图3所示。 从图3可以看到，当路径损耗小于101 dB时，传统MI通信系统最大通信距离为5 m，而分别引入10，15，20个中继线圈的MI波导通信系统的最大通信距离则延长至10，13和16 m.图4为不同通信距离对应的MI波导通信系统信道路径损耗的频域相应图，随着通信距离的增大，信道带宽渐渐变窄。因而为了拓展通信信道带宽，肯定程度上可以减小相邻中继线圈之间的距离r.然而，对于特定的通信距离，减小相邻中继线圈之间的距离则意味着须要引入更多的中继线圈。 3.2 信道误码率仿真 通信系统的信

10、道误码率特性主要受路径损耗，噪声以及信号调制方式3个因素确定。通信系统的信道误码率特性主要受路径损耗、噪声以及信号调制方式3个因素确定。图5为引入20中继线圈的MI波导通信系统，并给出了其在噪声级为-103和-83 dBm地下环境中信道误码率与通信距离r的关系曲线。可以发觉，MI波导通信系统在较低噪声功率环境下，低于101 dB的路径损耗值将不会影响到信道误码率。 随着通信距离的增大，信道带宽渐渐变窄。因而为了拓展通信信道带宽，肯定程度上可以减小相邻中继线圈之间的距离。 4 结 论 1）波导技术能够有效降低整个通信系统的信道路径损耗，从而能够实现较远距离的通信； 2）提高磁感应波导通信系统工作频率和增加线圈匝数同时降低单位长度线圈阻值有效降低信道路径损耗； 3）随着通信距离的增大，信道带宽渐渐变窄，肯定程度上可以减小相邻中继线圈之间的距离。下一步将尝试构建基于磁感应波导技术的无线地下传感器网络试验平台，并深化探讨WUSN的优化拓扑结构，网络通信协议以及整个网络容量等关键技术问题。 第6页 共6页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页