油田鉆井現場無線傳感器網絡信道衰落模型研究*

馬志艷， 李 浩， 楊光友， 陳 昊

(湖北工業大學 農機院，湖北 武漢 430068)

油田鉆井現場無線傳感器網絡信道衰落模型研究*

馬志艷， 李 浩， 楊光友， 陳 昊

(湖北工業大學 農機院，湖北 武漢 430068)

針對油田鉆井現場環境，給出一種適合的無線傳感器網絡(WSNs)信道衰落模型.通過油田鉆井現場環境下實測數據的分析處理，得到無線信道衰落模型的各個參數。實驗表明：該模型符合油田鉆井現場，為無線傳感器網絡在油田鉆井現場的實際應用提供了理論依據。

油田環境； 無線傳感器網絡； 信道衰落模型

0 引 言

近些年來，國內外對無線傳感器網絡(WSNs)信道傳播特性與建模的研究越來越關注[1]。由于油田鉆井[2]現場環境比較復雜，信道中無線信號受攪拌機、振篩機、轉盤驅動箱、電機振動、發電機組、大型鐵質設備和油田工作人員走動等復雜因素的共同影響，進行無線信道信號衰落實驗研究可對油田無線傳感器網絡的規劃和部署提供理論依據和實踐指導。在無線網絡的應用研究階段，路徑損耗模型的研究是最重要的問題之一，它影響著節點覆蓋和鄰居節點度等重要網絡參數。無線傳感器網絡由大量傳感器節點組成，傳感器節點由電池供電，能量十分有限，供電電池的壽命直接影響整個網絡的生命周期[3]，而供電的使用時間跟路徑損耗模型相關。

目前，針對無線傳感器網絡室外應用環境的無線信道模型的研究已經有了一定的發展。本文選湖北潛江江漢油田某鉆井區域為實驗場地，以2.4GHz為實驗頻率，進行無線通信信道測試，測試信號強度變化規律，重點探討油田鉆井環境影響無線信號傳播的衰落因子，建立數學模型，研究無線傳感器網絡節點部署，為無線傳感器網絡在油田環境中的應用提供理論依據。

1 信道傳播模型

一般來說，無線信道模型包括理論模型、經驗模型以及理論與經驗結合的模型[4～7]。

1.1 自由空間模型

1.2 地面反射模型

地面反射模型如圖1所示。

圖1 地面反射模型

1.3 單折線對數距離損耗模型

單折線模型是經驗公式模型，其表達式為PL(d)=PL(d0)+10nlgd+Xσ，Xσ～N(0,σ2)，其中,PL(d)為發射端到接收端間的損耗；PL(d0)為近場參考點損耗值，d0為參考點(一般取d0=1 m)，d為發射點到接收點的距離，n為路徑損耗指數，表示路徑損耗隨距離增長的速率，它依賴于周圍的環境和建筑物的類型；Xσ為高斯正態零均值隨機變量。

經過綜合考慮，本次實驗采用的是單折線對數距離損耗模型。

2 油田鉆井現場無線信道衰落模型測試與分析

2.1 測試步驟

1)采集油田鉆井現場環境下信道衰落數據，參考無線傳感器網絡自由空間信道衰落方程，對得到的數據進行卡爾曼濾波[8]處理，確定信道衰落參數值n。

2)根據采集到的信道衰落數據，參考無線傳感器網絡非自由空間信道衰落方程，對數據進行處理，得到零均值Xσ。

3)確定油田環境下無線傳感器網絡的信道衰落模型并通過實際環境進行驗證此信道衰落模型的可信度。

2.2 實驗測試

實驗測試主要目的是測量路徑損耗與收發節點距離之間的關系，得出距離路徑損耗模型。采用的是CC2530(發射功率為-17.4 dBm)無線傳感器節點和CC2430(發射功率為0 dBm)無線傳感器節點，通過對各無線節點燒寫對應的下位機程序，實現節點間的有效通信，將收集到的數據通過串口上傳到上位機，然后上位機通過VC程序實現數據的實時顯示并儲存，而對于測試信道質量分析，最主要的是對數據包中[9]接收的信號強度指示(RSSI)的數據采集和處理。實驗環境平面圖如圖2所示。

圖2 油田鉆井現場平面圖

圖2中：0#為協調器節點，7#,8#,9#,20#,21#,24#,25#為路由器節點，剩余為終端節點。各節點布置如下：0#在技術員房，3#在測錄井值班房頂，4#在泥漿池上的離心機旁，5#在泥漿池上座崗房旁的攪拌機側，6#,7#在泥漿池上的攪拌機旁，8#,9#在無線隨鉆儀器房頂，20#在轉盤驅動箱旁，21#在泥漿池上振篩機下水管道上，22#在司鉆房頂，23#在泥漿泵上，24#在泥漿池上的振篩機上，25#在井架底轉盤上。

2.2.1 確定信道衰落參數

根據表1所得信道衰落數據經Matlab處理后得到距離損耗圖如圖3所示。

圖3 油田鉆井現場環境實際無線信道衰落圖

表1 無線傳感器網絡油田實驗數據

Tab 1 Oil field experimental datas of WSNs

節點RSSI均值收包率Prr(%)距離(m)衰落值(dB)2530-54.2100136.82530-62.8100245.42530-73.299.12555.89-76.298.648.1658.88-80.697.4810.4763.23-90.597.2024.0472.924-77.395.9539.5877.320-77.495.5638.3877.425-77.595.6837.6777.521-77.995.4239.8377.922-78.595.2842.5678.56-97.395.1653.0279.94-97.695.1550.4880.223-80.394.4950.8580.37-98.594.8554.4681.15-99.894.3361.9582.4

由表1可知，PL(d0)=36.8dB,則在零均值Xσ=0，對衰落指數n=(2.0,2.5,3.0,3.5,4.0)取不同情況下的值，處理得到的曲線如圖4所示。由圖3和圖4的比較可以得出，油田環境下n=2.521。

圖4 無線信道衰落圖

2.2.2 確定信道衰落零均值Xσ

根據前面工作，設置衰落指數n=2.521，可得PL(d)=36.8+25.21 lgd+Xσ，將不同收發距離的信道衰落數據與實際測試的信道衰落數據進行比較得到表2。

2.3 無線信道衰落模型實驗驗證

通過對采集的數據進行濾波處理和對誤差進行修正處理，得到信道距離損耗關系如圖5所示。在保證網絡覆蓋率和網絡數據傳輸的情況下，從曲線的形狀和單位距離內信道衰落數據分的情況，可以看出：實際曲線與信道模型的曲線之間的殘差很小，都在誤差的閾值之內，采用卡爾曼濾波所濾出的數據得到了很好的擬合曲線，因此，衰落模型在該油田鉆井現場環境下是可行的。

表2 無線傳感器網絡實際衰落與信道模型衰落數據比較

圖5 實際曲線與擬合曲線的比較

3 信道衰落與收包率的結果分析

隨著信道質量的衰落，其收包率也會隨之降低，通過將表1數據導入到Matlab中，對信道質量與其收包率進行擬合，得到衰落值與收包率的關系圖如圖6所示。油田環境下節點的收包率很高(大于92 %)，節點間通信的可靠信得到了保證。

圖6 油田環境下衰落值與收包率的關系圖

4 結 論

本文分析并給出了一種適合油田鉆井現場實際環境下的無線傳感器網絡信道衰落模型，并通過實驗測試了該衰落模型，基本達到了能準確預測油田環境下無線信道衰落情況，該模型可為無線傳感器網絡的底層應用提供一定的理論依據，為后面的節點定位和預測鏈路質量提供參考。本文研究中的節點相對較少，部分距離比較稀疏，須通過后續工作加以完善。

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Channel fading model research of WSNs in oil field drilling site*

MA Zhi-yan, LI Hao, YANG Guang-you, CHEN Hao

(School of Agricultural Machinery,Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China)

Aiming at oil field drilling site,present a suitable model for channel fading of wireless sensor networks(WSNs).Through analyzing and processing of the measured data in oil field environment,get various parameters of channel fading model.The experiment shows that the model is suitable for oil field drilling site and provides theoretical basis for practical application of WSNs.

oil field environment; wireless sensor networks(WSNs); channel fading model

10.13873/J.1000—9787(2015)03—0044—03

2014—07—17

國家自然科學基金資助項目(51174084)

TN 929.5

A

1000—9787(2015)03—0044—03

馬志艷(1976-)，男，湖北武漢人，博士后，副教授，研究方向為智能控制、無線網絡。