挑戰環境下無線磁感應傳感網理論與關鍵技術

施文娟，　孫彥景，　李松，　翟文艷，　譚澤富，　蔡黎

(1.中國礦業大學 信息與電氣工程學院， 江蘇 徐州　221008； 2.鹽城師范學院 新能源與電子工程學院， 江蘇 鹽城　224002； 3.中國礦業大學 江蘇省煤礦電氣與自動化工程實驗室， 江蘇 徐州　221008； 4.重慶三峽學院 電子與信息工程學院， 重慶　404000)

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分析研究

挑戰環境下無線磁感應傳感網理論與關鍵技術

施文娟1，2，孫彥景1，3，李松1，翟文艷1，譚澤富4，蔡黎4

(1.中國礦業大學 信息與電氣工程學院， 江蘇 徐州221008； 2.鹽城師范學院 新能源與電子工程學院， 江蘇 鹽城224002； 3.中國礦業大學 江蘇省煤礦電氣與自動化工程實驗室， 江蘇 徐州221008； 4.重慶三峽學院 電子與信息工程學院， 重慶404000)

針對挑戰條件下復合介質中安全與環境監測的需求，為了克服路徑損耗嚴重、信道條件動態變化和電源條件受限等問題，提出了面向復合介質應用的基于無線磁感應通信和磁感應波導通信的理論模型，給出了無線磁感應傳感網的網絡體系結構。對無線磁感應傳感網的研究方向及應用進行了展望，指出了開展相關研究的迫切性。無線磁感應傳感網的研究對地下環境監測、長距離或人口密集區輸油、輸氣、輸水等生命線工程的安全監測具有重要意義。

挑戰環境； 磁感應； 磁感應波導； 無線磁感應傳感網

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160601.1023.006.html

0　引言

煤礦井下空間狹長且有風門、機車等阻擋體，巷道傾斜、有拐彎和分支，巷道表面粗糙，加上巷道中支架、棚體、風管、電纜及各種機電設備，構成了一種對無線電磁波而言具有挑戰性的地下受限空間傳播環境[1-2]。同時地下礦井環境中還存在土壤、巖石、煤層、水等異構介質，與井下巷道等受限空間共同構成地下礦井復合介質環境。為保證煤礦的安全和正常生產，國內研究了感知礦山物聯網及井下受限空間內礦井無線通信系統及關鍵技術[3-7]，但是對井下異構介質及復合介質間通信方式的研究仍是空白。電磁波在異構介質中比在空氣中傳輸衰耗更嚴重，無線通信距離更短，因此電磁波傳播方式不適用于地下異構介質通信。無線磁感應傳感網是由布放在地下礦井復合介質內的傳感器節點、磁感應鏈路中繼節點組成的網絡監測系統。研究適用于地下礦井復合介質的通信傳輸技術對實現地下環境全面的監測至關重要。

本文針對電磁波在地下礦井復合介質內信息傳輸存在的問題，提出將磁感應(Magnetic Induction，MI)技術應用于復合介質間，給出面向復合介質應用的無線磁感應通信和磁感應波導通信的理論模型及無線磁感應傳感網的網絡體系結構。

1　磁感應通信研究現狀

為了解決電磁波在地下礦井等挑戰環境下復合介質內信息傳輸出現的問題，研究人員提出磁感應通信方法。SUN Zhi等[8-9]研究表明磁感應通信具有以下優點：① 土壤、煤巖、水等地下信號傳輸媒介的磁導率與空氣的磁導率幾乎一樣，不會隨時間和空間而變化，因此信道穩定。② 信號通過磁準態靜場耦合到接收機上，因此不存在多路徑損耗的問題。③ 發射機和接收機天線使用小線圈，尺寸大小可以根據工作環境制定，不存在天線尺寸大的問題。④ 中繼線圈無供電要求，每個中繼線圈加載一個電容，不需要供電和信號處理。

由于磁感應通信技術存在通信距離短的缺點，SYMS R R A等[10-11]提出利用中繼線圈形成磁感應波導技術改善通信距離的觀點。目前，磁感應波導技術已廣泛應用于電介質鏡、分布式布拉格反射鏡、微波管的高頻波減速結構、加速器里的耦合腔、解調器等領域。

SUN Zhi等[8-9,12]提出了磁感應通信理論模型，并分析了信道帶寬、路徑損耗及誤碼率等參數。參考文獻[13]將磁感應通信應用到地下無線通信中，使用小鐵磁線圈或者RFID線圈作為天線，實現了磁感應通信。參考文獻[14]提出海域作戰條件下用于命令、控制、定位的磁感應通信方法，驗證了海域條件下磁感應通信系統可實現100～300 bit/s低速率數據傳輸。參考文獻[15]提出個域網內磁感應可替代藍牙。參考文獻[16]將磁感應微型設備植入人體，建立網絡，收集數據。參考文獻[17]將磁感應通信技術應用到地下管道，實時監測和定位地下管道泄漏。

由此可見，磁感應通信是一個很有前途的可替代地下無線通信網絡的物理層技術。

2　現有礦井無線通信技術

為滿足煤礦井下環境監測傳輸的要求，目前用于礦井內局部通信、救災通信和應急通信等的相關技術有礦用漏泄通信、感應通信、透地通信等[1]。

2.1透地通信

透地通信采用穿透性強的低頻頻段(300～3 000 Hz)電磁波，以大地為傳播媒介進行井上下或巷道間無線通信。透地通信抗災變能力強，但存在信道容量小、路徑損耗較大、天線尺寸大、電磁干擾大、通信距離短及應用范圍受限等問題，主要用作避難硐室與地面的備份通信鏈路，用于應急救援等場合。

2.2漏泄通信

漏泄通信沿巷道鋪設漏泄同軸電纜，工作于30～300 MHz頻段，是一種解決無線電波在巷道等地下受限空間中傳播問題的有效技術，通過在同軸電纜外導體表面上配置一系列開槽口作為電磁波輻射源，可以沿垂直于電纜軸向傳輸、輻射或接收電磁波。漏泄通信具有信道較穩定、抗干擾能力強、工作頻率高等優點，但是設備多，饋線長，事故發生時，電纜易擠壓變形、斷裂損壞，維護不便。該技術主要應用于隧道入侵探測、安防、探測傳感等場合。

2.3感應通信

感應通信工作于300～3 000 kHz中頻段，通過架設專用感應線或利用巷道內的導體(如照明線、管道、軌道、動力線等)進行導波通信。與其他通信技術相比，具有適應環境能力強、穿透能力強、抗金屬能力突出的優點，但是信道容量小，電磁干擾大，天線體積較大(通常采用背心型或背帶型環形天線)，其應用局限于煤礦井下救災通信的場合。

2.4WiFi技術

WiFi技術主要用于解決礦井巷道等地下受限空間內無線通信問題，支持語音、視頻傳輸。WiFi采用AP(Access Point)模式，工作頻率達2.45 GHz，最大的位速率達54 Mbit/s。WiFi技術具有傳輸速率高、系統容量大、抗故障能力強、建網迅速、組網靈活等優點，但系統部署需集中控制器，不具備漫游功能及多跳能力，靈活性差。

以上技術解決了煤礦井下移動通信的問題，但不適用于地下礦井復合介質中的信息傳輸，本文提出了地下無線磁感應通信技術，解決了挑戰環境條件下長期環境監測信息的傳輸問題。

3　無線磁感應通信信道模型

無線磁感應傳感網由埋置在地下復合介質內的傳感器節點、磁感應鏈路中繼節點組成，使用線圈作為發射機和接收機。磁感應通信信道模型如圖1所示，at和ar分別為發射機線圈和接收機線圈的半徑，d為發射機和接收機之間的距離，Us為發射機的發射電壓，RL為接收機的負載。

假設發射線圈信號是正弦電流，例如I=I0exp(-jωt),ω為發射信號的角頻率，ω=2πf，f為系統工作頻率。這個電流會激發接收機產生另一個正弦電流，進而實現通信。這2個耦合線圈之間的相互作用通過互感來表示。磁感應傳感網發送器和接收器分別用變壓器的初線圈和次線圈建模，如圖1(b)所示。M為初線圈和次線圈的互感；Lt和Lr分別為初線圈和次線圈的自感；Rt和Rr為線圈的阻抗；ZL為接收機的負載阻抗。

在線圈阻抗低、工作頻率高的情況下，路徑損失可以簡單定義為[8]

(1)

式中：Pr(d)為接收機的接收功率；當傳輸距離d0非常小時，Pt(d0) 為參考傳輸功率；Nt,Nr分別為發射機線圈和接收機線圈的匝數。

(a) 磁感應收發器

(b) 收發器模型

(c) 等價電路

本文中，發射機和接收機線圈半徑為0.15 m，線圈匝數為5圈,工作頻率為10 MHz，采用2PSK調制解調方式，傳輸范圍為10 m左右。磁感應通信系統帶寬為2 kHz左右[18]。

4　無線磁感應波導中繼方式

每對磁感應線圈通信傳輸距離為10 m左右[8]。為拓展傳輸范圍，需要研究在發射機和接收機之間部署中繼節點的有效方法。不同于電磁波技術的中繼節點，磁感應通信系統的中繼節點只是加載了電容的簡單線圈，不需要供電電源。發射機線圈里的正弦電流激發第1中繼節點產生正弦電流，第1中繼節點的正弦電流激發第2中繼線圈產生正弦電流，如此下去，這些中繼線圈在地下環境里形成磁感應波的引導，充當磁感應波引導，簡稱為磁感應波導。

典型的磁感應波導信道模型如圖2所示，在發射機和接收機的一個軸方向放置n-2個中繼線圈。n為總線圈個數，r為相鄰線圈的距離，a為線圈的半徑，由圖2(a)可知，d=(n-1)r。每個中繼線圈(包括發送線圈和接收線圈)加載一個電容C。通過適當選擇電容器，形成諧振線圈,可有效傳輸磁信號。每對線圈中存在互感，互感的值取決于這對線圈之間的距離。在地下通信中，設置2個中繼線圈間的距離為5 m，這個距離要大于電磁波系統的最大通信距離(4 m)[8]。本文中，中繼線圈半徑為0.15 m左右。使用中繼線圈替換昂貴的電磁波中繼傳感器設備，可以節約成本。因此在部署地下設備的成本方面，磁感應波導系統比傳統的電磁波系統花費少。

(a) 磁感應波導收發器

(b) 收發器模型

(c) 等價電路

如圖2(c)所示，假設只有相鄰線圈耦合，將磁感應波導建模為多級變壓器。發送器和中繼節點通常使用相同類型的線圈。假設所有線圈參數(阻抗、自感、互感)都一樣，L為線圈自感；R為線圈阻值，C為每個線圈的電容，Z為每個線圈的固有阻抗，則磁感應波導路徑損失可以簡單定義為[9，12]

(2)

其中：

(3)

(4)

(5)

(6)

本文中，所有線圈半徑為0.15 m，線圈匝數為5圈，工作頻率為10 MHz。中繼線圈加載電容大小為35 pF。相鄰中繼線圈間間隔5 m。傳輸范圍為250 m左右時，磁感應波導路徑損耗小于100 dB。磁感應波導通信系統帶寬為1～2 kHz。通過減少中繼線圈間的距離可以增加系統帶寬，但需要增加中繼線圈的數目。

5　無線磁感應傳感網網絡結構

磁感應傳感網絡在體系上結合無線網絡(WiFi)和磁感應無線傳感器網絡，共同構成復合介質信息感知控制系統，實現復合介質中各種監測信息的一體化傳輸。挑戰環境下無線磁感應傳感網網絡結構如圖3所示。該網絡將工業WiFi技術、磁感應通信技術融為一體，實現地面上下的互通互聯、資源共享和協同工作。

圖3　無線磁感應傳感網網絡結構

磁感應傳感網絡由物理層、MAC層、網絡傳輸層、應用層組成，其結構如圖4所示。

圖4　無線磁感應傳感網絡層次體系

物理層解決復合介質物理環境中終端設備間數據傳輸的問題，主要研究開發低成本的復合介質通信調制解調器，設計低復雜度、能快速收斂的次優濾波器；采取適當的措施來克服信道估計的穩定性問題等。MAC層解決將物理層所獲數據可靠地傳輸到相鄰節點網絡層的問題，關鍵技術包括多址技術、差錯控制技術、數據流優化技術等。網絡傳輸層解決感知層所獲數據的傳輸問題，關鍵技術包括低速率組網關鍵技術、磁感應通信拓撲路由協議、容錯組網技術等。應用層解決信息識別處理和人機交互的問題。

目前研究的重點主要集中在數據鏈路層和網絡層，包括數據鏈路層中的接入方法和差錯控制及網絡層中的路由算法等。在今后的研究中，除了上述幾個方面仍然是研究的重點和熱點以外，物理層和應用層的設計也是一個重要的研究方向。同時可以考慮采用跨層設計和自適應參數設置來克服各層獨立設計和固定參數設置無法避免的問題，從而實現網絡整體性能的最優化。

6　無線磁感應傳感網關鍵技術

(1) 基于磁感應網絡的傳感技術。該技術針對地下復合介質環境，采用電磁輻射、聲發射、紅外視覺識別等方法，主要研究礦井采空區、地下管道、CO2埋存狀態等地下環境參數分布式傳感技術，研制新型的具有微型化、可擴展和靈活性、穩定性和安全性及低成本特點的分布式礦用傳感器。

(2) 無線磁感應傳感網傳輸技術。該技術根據無線傳感器網絡傳輸的需求，研究地下磁感應通信信道容量的信息理論及地下復合介質中磁感應波導傳輸的規律，研究磁感應波導的傳輸特性，以及復合介質磁感應波導通信的頻率、調制方式、帶寬、傳輸速率等參數優化；研究穩健的無線傳輸體制即低功耗調制解調方案和編碼、分集、均衡技術，以及極低信噪比條件下的檢測技術，克服衰落，提高無線傳輸的數據速率，擴大磁感應波導的覆蓋范圍。

(3) 無線磁感應傳感網低速率組網技術。該技術根據地下不同工作面空間和介質的要求，以及磁感應波導通信范圍的復雜形狀，研究合理的地下無線傳感器拓撲結構、工作模式、中繼線圈的分布、部署算法和MAC層活動調度機制，以便更優化地覆蓋所需監控區域。對現有的電磁波通信網絡，從傳輸效率和可靠性方面研究新的網絡傳輸技術，解決異構網絡互連及自動拓撲發現和網絡重構問題。

(4) 監測信息識別與處理技術。利用先進的智能傳感器與磁感應波導技術對采空區、復合介質等

地下有關環境進行數據采集傳輸，根據采集的數據與理論分析，從安全監測數據中獲取可信、隱藏、事先未知、潛在有空和最終可理解的危險信息，揭示監測數據的本質規律、內在關聯，運用這些規律和有用信息對新的監測數據進行融合，實現關鍵信息的自動識別。

7　結語

煤礦井下挑戰環境復合介質中存在無線電磁波傳輸衰減大、電氣防爆等特殊性問題，制約著電磁波在復合介質中的應用。無線磁感應技術可以很好地解決上述問題。可以預見，作為煤礦安全監測與預警救援的重要技術保障，無線磁感應傳感網將成為礦山物聯網的有力補充，對全面提高我國礦山、長距離或人口密集區輸油、輸氣、輸水等生命線工程的安全監測具有重要意義。

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Theory and key technologies for wireless magnetic induction sensor network in challenging environment

SHI Wenjuan1,2，SUN Yanjing1,3，LI Song1，ZHAI Wenyan1，TAN Zefu4，CAI Li4

(1.School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008, China; 2.School of New Energy and Electronical Engineering, Yancheng Normal University, Yancheng 224002, China; 3.Jiangsu Province Laboratory of Electrical and Automation Engineering for Coal Mining, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China;4.School of Electrical and Information Engineering, Chongqing Three Gorges University,Chongqing 404000, China)

In view of requirements of security and environmental monitoring in coal mine multiplex medium in challenging environment, in order to conquer the obstacles such as serious path loss, dynamic channel condition and constrained supply condition and so on, theory model of wireless magnetic induction communication and magnetic induction waveguide communication in multiplex medium was proposed, and structure of wireless magnetic induction sensor network was given. Research directions and application of wireless magnetic induction sensor networks in the future were prospected, the urgency of related study was pointed out. It has great significance to safety monitoring of underground environment and the oil, gas or water pipeline which is especially long or in densely populated area.

challenging environment; magnetic induction; magnetic induction waveguide; wireless magnetic induction sensor networks

1671-251X(2016)06-0020-06

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.06.006

2016-02-29；

2016-04-26；責任編輯：胡嫻。

國家自然科學基金項目(51274202，51504214，51504255)；江蘇省重點研發計劃項目(BE2015040)；江蘇省自然科學基金項目(BK20131124，BK2012068，BK2012246，BK20130199)；江蘇省產學研前瞻性聯合研究項目(BY2014028-01)；江蘇省高校自然科學研究項目(13KJB510038)。

施文娟(1981-)，女，江蘇鹽城人，講師，博士研究生，研究方向為磁感應通信、無線通信，E-mail：winterswj@126.com。

TD655

A網絡出版時間：2016-06-01 10:23

施文娟，孫彥景，李松，等.挑戰環境下無線磁感應傳感網理論與關鍵技術[J].工礦自動化，2016,42(6)：20-25.