共信道下微波輸能與數據通信干擾機制研究

滿忠誠，　劉曉明,2，　趙端,2

(1.中國礦業大學 信息與電氣工程學院， 江蘇 徐州　221008；2.中國礦業大學 物聯網(感知礦山)研究中心， 江蘇 徐州　221008)

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共信道下微波輸能與數據通信干擾機制研究

滿忠誠1，劉曉明1,2，趙端1,2

(1.中國礦業大學 信息與電氣工程學院， 江蘇 徐州221008；2.中國礦業大學 物聯網(感知礦山)研究中心， 江蘇 徐州221008)

摘要：研究了間歇共信道機制下，微波輸能與傳感器節點通信之間的影響關系；建立了丟幀率模型表達式，分析了丟幀率與輸能持續時間、間歇時間和數據傳輸速率之間的關系。仿真結果表明，輸能持續時間和間歇時間的比值越大，丟幀率越高；在數據傳輸速率小于100 kbit/s時，數據傳輸速率越小，丟幀率越低。實測結果證明了丟幀率模型的有效性。

關鍵詞：傳感器節點； 微波輸能； 數據通信； 通信干擾； 共信道； 丟幀率

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160803.1000.006.html

0　引言

無線傳感器網絡在煤礦安全生產中擔任著重要角色，尤其是在災變環境下，無線傳感器網絡能提供第一手救援信息。傳統的無線傳感器節點大多采用電池供電，電池電量的有限性制約了網絡生命周期。在發生災難時，保持傳感器節點電量的充足性尤為關鍵。無線微波輸能(Microwave Power Transmission，MPT)技術的發展[1-4]為解決無線傳感器節點電量有限問題提供了新方法。

無線傳感器網絡設計之初是為了以無線形式進行數據通信，并沒有考慮通過無線輸能給傳感器節點供電的問題。在數據通信基礎上引入能量傳輸機制，必然會產生相互干擾。目前研究無線MPT技術的文獻有很多，但很少涉及無線MPT對數據通信的影響問題。針對該問題，參考文獻[5-6]提出并分析了2種解決方法：間歇共信道機制和相鄰信道機制。這2種機制的目的是充分利用有限的頻譜資源。假設傳感器節點天線帶寬為2.4～2.5 GHz，MPT系統的工作頻點為2.45 GHz，當輸能和數據通信工作同時進行時，為相鄰信道機制；當輸能工作間歇進行時，為間歇共信道機制。

參考文獻[5]在微波暗室中通過實驗方式探索了2種機制的特點。在相鄰信道機制下，當傳感器節點的數據接收功率不大于0.6 μW/cm2時，MPT對數據通信沒有影響；當接收功率超過0.6 μW/cm2時，數據通信工作停止。這是因為通信天線偵測到數據發送功率時，其帶通濾波器無法完全衰減掉接收到的輸能功率，導致通信天線在能量接收與數據發送之間發生沖突。一般情況下，傳感器節點的接收功率最小為mW/cm2級別，因此相鄰信道機制不太適用。間歇共信道機制可利用現有的商業設備輕松實現，通過間歇控制輸能的持續時間來降低對數據通信的影響，是解決共信道機制下輸能與通信共存問題的有效途徑。本文針對間歇共信道機制，通過分析丟幀率來探索微波輸能與數據通信之間的干擾機制，由此尋找最優輸能策略。 [5]采用理論推導方式，得出丟幀率Rloss與TPT，TPS的關系：

1　共信道MPT與數據通信下的丟幀率模型

在間歇共信道機制下，MPT系統間歇性地傳輸能量。設其能量發送持續時間為TPT，停歇時間為TPS。在TPT內，傳感器節點探測到MPT系統發射能量，此時傳感器節點將停止數據通信工作，并將傳輸數據暫存在一個有限大小的緩沖區；在TPS內，傳感器節點將繼續傳輸緩沖區內的數據。因緩沖區大小有限，所以會出現數據溢出現象，導致數據丟幀。

(1)

式中：Ntotal為發送數據的總幀數；Nreceived為接收到的數據幀數。

定義緩沖區大小為Z，數據傳輸速率為G，則GTPT為TPT內暫存在緩沖區待發送的數據幀數，為了保證不丟幀，在TPT內產生的數據應不超過緩沖區大小，即GTPT≤Z，此時令TPT≤Z/G=A。

同時要保證在TPS內，將緩沖區內數據和TPS內產生的數據發送完畢，即

(2)

式中：L為所采用的數據通信協議中1幀數據大小，不同的傳輸協議(如UDP，TCP等)具有不同的L值；τ為傳感器節點2次數據傳輸的時間間隔。

令TPS≥GTPT/(L/τ-G)=B。如果TPS太短，則無法將緩沖區中和TPS內產生的數據發送完畢，也會發生丟幀現象。此時所丟幀數為

(3)

當GTPT>Z，即TPT>A時，開始出現丟幀現象。TPS≥B時，所丟幀數為

(4)

當TPT>A且TPS

由式(1)—式(4)及Ntotal=G(GTPT+GTPS)/L，可得出總的丟幀率為

(5)

A，B，C,TPT，TPS在1個輸能周期的示意如圖1所示。

圖1　A，B，C,TPT，TPS在1個輸能周期的示意

Rloss隨TPT的減小而減小，隨TPT的增大而增大。假設1個輸能周期(TPS+TPT)內的能量發送功率為PPT，平均能量傳輸功率為Pe，則有

(6)

式(6)揭示了MPT系統發送功率與傳感器節點數據傳輸速率之間的關系。數據傳輸速率G值越大，意味著平均能量傳輸功率Pe越低。τ=0.6 ms，L=1 470 B(UDP協議)時,Pe/PPT與G之間的關系如圖2所示。可看出，Pe/PPT隨G值增大不斷下降，也就是說，為了給傳感器節點提供更多的能量，必須降低傳感器節點的數據傳輸速率。

圖2　Pe/PPT與G的關系

2　丟幀率模型仿真

在巷道中應用MPT系統時，根據無線傳感器的工作方式，有2種輸能方式。

(1) 如果設定傳感器節點在MPT期間不傳輸數據，那么MPT系統對傳感器節點的數據通信沒有任何影響。但是需要一種機制來協調MPT系統和傳感器節點，使二者互不影響。

(2) 如果傳感器節點始終在傳輸數據，為了控制丟幀率Rloss，需要根據式(5)控制好各項參數之間的關系。以煤礦井下常用的ZigBee無線網絡為例，緩沖區大小Z≈256 B，1幀數據大小L≈127 B，1幀數據的發送時間間隔τ根據需要進行設置，最大數據傳輸速率Gmax=250 kbit/s。此時A=Z/G=0.008 2，很難通過控制TPT

圖3　Rloss在不同TPT下隨TPS的變化曲線

從圖3可看出，隨著TPS增大，在高速率G=250 kbit/s下，輸能間隔TPT越小，Rloss越小。對比G=25 kbit/s和G=250 kbit/s時的曲線可知，TPT越小，G對Rloss的影響越大；TPT=1時，Rloss在2種速率下的差距不大。

圖4為Rloss在不同G下隨TPS的變化曲線。可看出G小于100 kbit/s時，G越小，則Rloss越小；G大于100 kbit/s時，Rloss差別不大。因此根據需要，適當控制G在100 kbit/s以下，即可在一定程度上降低Ploss。

圖4　Rloss在不同G下隨TPS的變化曲線

3　實驗測量

為了驗證理論模型的有效性，通過井下常用的ZigBee網絡在實驗室環境進行了測試。實驗平臺如圖5所示。在一個7 m長的實驗桌兩端各放置1個ZigBee天線(芯片型號為CC2530，工作頻率為2.4 GHz)，一個作為傳感器節點來發送數據，另一個作為AP節點來接收數據。采用數據連續發送模式，每2次數據傳輸的時間間隔τ=300 ms，這樣可保證ZigBee天線在無干擾條件下不丟幀。2個ZigBee天線各連接1臺電腦，用串口發送數據，波特率為115 200 bit/s，便于統計數據發射和接收幀數。2個ZigBee天線間距約為5 m。

圖5　MPT與通信間干擾機制實驗平臺

在實驗平臺右側放置1個喇叭天線，作為MPT輸能端，用于干擾ZigBee數據發送端，距離ZigBee數據發送端約為1 m。喇叭天線連接射頻信號發生器(型號為Rohde&Schwarz SMB100A)，用于提供穩定的2.4 GHz射頻信號。考慮輻射安全因素，輸能端沒有加功率放大器，但為了清晰地觀測輸能端對ZigBee通信的影響，將ZigBee發送功率設為-22 dB·m，射頻信號發生器功率設為16 dB·m。由于技術指標限制，射頻信號發生器的射頻開關最小間隔只能達到1 s，即TPT最小為1 s。

圖6為TPT=1，3，10 s時Rloss實測值與理論值對比。可看出Rloss實測值與理論值趨勢一致，但實測值更大，這可能是由測量誤差和ZigBee通信時的意外丟幀造成的。

圖6　Rloss實測值與理論值對比

在煤礦井下應用MPT技術時，應處理好MPT與數據傳輸之間的關系。對一些間歇傳輸數據的節點進行輸能時，只需設計好一種協調機制，避免輸能和數據發送同時進行，就能有效避免數據丟幀；對持續進行數據傳輸的節點進行輸能時，應根據實際需求(數據的重要程度、節點功耗及剩余能量等)，控制好TPT與TPS之間的關系，來控制Rloss在可接受范圍內。

4　結語

分析了間歇共信道下，MPT與傳感器節點通信

的影響關系，得出了數據丟幀率表達式。仿真分析認為，在井下利用MPT技術為傳感器節點供電時，為了降低丟幀率，應盡可能減小輸能持續時間，增大輸能間歇時間，同時根據需要適當降低通信的數據傳輸速率。若要保證數據傳輸無丟幀，只能采用MPT與數據通信交替進行的策略。

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文章編號：1671-251X(2016)08-0021-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.08.006

收稿日期：2016-04-01；修回日期：2016-06-06；責任編輯：李明。

基金項目：中國礦業大學大學生創新訓練計劃資助項目(X1029015058)。

作者簡介：滿忠誠(1993-)，男，山東滕州人，本科在讀，研究方向為無線電能傳輸技術,E-mail：mzc0779@163.com。通信作者：趙端(1983-)，男，河北承德人，講師，博士，研究方向為無線傳感器網絡、無線電能傳輸、井下人員定位技術，E-mail：zhaoduan1027@163.com。

中圖分類號：TD67

文獻標志碼：A網絡出版時間：2016-08-03 10:00

Research on interference mechanism between microwave power transmission and data communication in co-channel

MAN Zhongcheng1,LIU Xiaoming1,2,ZHAO Duan1,2

(1.School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China; 2. Internet of Things (Perception Mine) Research Center, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China)

Abstract:Influence relationship between microwave power transmission and sensor node communication was researched in intermittent co-channel mechanism. A frame loss rate model was established, and the relationship among frame loss rate, power transmission time, power suspension time and data transmission rate was analyzed. The simulation results show that the frame loss rate raises along with the ratio of power transmission time and power suspension time; when the data transmission rate is below 100 kbit/s, the frame loss rate declines with decreasing of the data transmission rate. The real measurement result proves the validity of the frame loss rate model.

Key words:sensor node; microwave power transmission; data communication; communication interference; co-channel; frame loss rate

滿忠誠，劉曉明，趙端.共信道下微波輸能與數據通信干擾機制研究[J].工礦自動化，2016,42(8)：21-24.