無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Underground Sensor Network，WUSN)是指將大部分無線傳感器節(jié)點(diǎn)埋在土壤中的傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)之間以及傳感器節(jié)點(diǎn)與地上設(shè)備之間均通過無線電進(jìn)行通信。無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)具有良好的應(yīng)用價值，可以用來監(jiān)測土壤成分、地下動物巢穴、地下建筑物狀況以及地面上物體移動情況等，為農(nóng)業(yè)、環(huán)保、科學(xué)研究以及安全監(jiān)控等應(yīng)用提供有用的信息。與現(xiàn)有的將傳感器用有線方式連接起來，進(jìn)行地下監(jiān)測的手段

2、相比，無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)具有隱藏性強(qiáng)、易于布設(shè)、數(shù)據(jù)及時、可靠性強(qiáng)、覆蓋范圍大，易升級等多個明顯的優(yōu)勢。 無線地下傳感器技術(shù)是傳感器應(yīng)用研究的新領(lǐng)域。本論文在國際范圍內(nèi)首次對無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)的若干基礎(chǔ)問題和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，主要包括：無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)、電磁波在地下土壤中的傳播情況、地下信道模型、土壤電氣特性及其變化對無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的影響以及無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)部署方案等。本論文的創(chuàng)新成果主要包括以下幾

3、個方面： 1.結(jié)合無線傳感器的技術(shù)特點(diǎn)，提出了兩種可以廣泛推廣應(yīng)用的無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。一是用于智能交通系統(tǒng)的無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)，它能夠及時獲取道路信息，實(shí)時向駕駛者提供道路信息，并且具有自發(fā)學(xué)習(xí)功能;二是用于近地表土壤維護(hù)的無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)，它可以用于高爾夫球場、足球場等大型室外高級場所，輔助管理員進(jìn)行場地維護(hù)。并針對多種應(yīng)用環(huán)境，提出了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息共享平臺。該平臺能夠克服無線傳感器網(wǎng)絡(luò)專用性帶來的信息交流

4、與共享方面的障礙，使傳感器網(wǎng)絡(luò)的資源得到更好的利用。 2．以電磁場理論為基礎(chǔ)，研究了地下傳感器網(wǎng)絡(luò)中電磁波的各種傳播模式。主要分析了在土壤中傳感器節(jié)點(diǎn)信號的擴(kuò)散傳播過程中所形成的直射波、反射波以及側(cè)面波。同時還分析了通過土壤界面進(jìn)入空氣中的傳感器信號所產(chǎn)生的折射波和側(cè)面波。對地下接收到的電磁波的能量損耗情況進(jìn)行了分析和數(shù)值仿真，仿真結(jié)果驗證了百兆頻段的無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)的可行性。 3．通過對地下環(huán)境的分析、總結(jié)以及與水下

5、信道的類比，首次提出了以本征路徑為基礎(chǔ)，疊加了多徑瑞利衰落效應(yīng)的地下信道模型。該模型不僅包含了電磁波在地下傳播的基本路徑，還綜合了地下環(huán)境的多徑效應(yīng)以及空變特性，能夠較好地對地下環(huán)境進(jìn)行模擬。在此信道模型基礎(chǔ)上，對WUSN系統(tǒng)的誤碼率進(jìn)行了數(shù)值仿真，為網(wǎng)絡(luò)層及其以上層次的系統(tǒng)性能分析提供了參照標(biāo)準(zhǔn)。并結(jié)合干、濕兩種類型的土壤實(shí)例，分析了土壤電氣特性及其變化對WUSN系統(tǒng)性能的影響。通過仿真和分析，得到了WUSN性能隨土壤特性變化的規(guī)律。