共信道下微波输能与数据通信干扰机制研究.pdf

第 4 2卷 第 8期 2 0 1 6年 8月 工矿 自 动化 I n dus t r y a n d M i ne Aut oma t i on Vo 1 ． 4 2 NO ． 8 Au g ．2 01 6 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 O 1 6 0 8 0 0 2 1 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 8 ． 0 0 6 满忠诚 ， 刘晓明 ， 赵端． 共信道下微波输能与数据通信干扰机制研究 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 8 2 1 2 4 ． 共信道下微波输能与数据通信干扰机制研究 满 忠诚 ， 刘晓 明 。 ， 赵 端 1 ． 中国矿业大学 信息与电气工程学院，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ． 中国矿业大学 物联 网 感知矿山 研究中心 ， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘 要 研 究 了间歇 共信 道机 制 下 ， 微 波输 能 与传感 器 节 点通 信之 间的 影 响关 系 ； 建 立 了丢 帧率模 型表 达 式 ， 分析 了丢 帧率 与输 能持 续 时 间、 间歇 时 间和数 据传 输 速 率之 间的 关 系。仿 真 结 果表 明 ， 输 能持 续 时 间和 间歇时间的比值越大， 丢帧率越高； 在数据传输速率小于 1 0 0 k b i t ／ s时， 数据传输速率越 小， 丢帧率越低。实 测结 果证 明 了丢 帧率模 型 的有 效性 。 关键 词 传感 器 节点 ； 微 波输 能 ； 数 据通 信 ；通信 干扰 ；共信 道 ； 丢 帧 率 中 图分类 号 T D6 7 文献 标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 6 0 8 0 3 1 0 0 0 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 0 8 0 3 ． 1 0 0 0 ． 0 0 6 ． h t ml Re s e a r c h o n i n t e r f e r e nc e me c h a ni s m b e t we e n mi c r o wa v e p o we r t r a ns mi s s i o n a nd d a t a c o mmun i c a t i o n i n c o c ha n ne 1 M AN Zho ng c h e ng ，LI U Xi a o mi ng 一， ZHA 0 Dua n ， 1． S c h o o l o f I n f o r ma t i o n a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g ，Ch i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g a n d Te c h n o l o g y ，Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ，Ch i n a ；2．I n t e r n e t o f Th i n g s P e r c e p t i o n M i n e Re s e a r c h Ce n t e r ，Ch i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g a n d Te c h n o l o g y，Xu z h o u 2 2 1 0 0 8，Ch i n a Ab s t r a e t I n f l u e n c e r e l a t i o n s h i p b e t we e n mi c r o wa v e p o we r t r a n s mi s s i o n a n d s e n s o r n o d e c o mmu n i c a t i o n wa s r e s e a r c h e d i n i n t e r mi t t e n t C O c h a n n e l me c h a n i s m ． A f r a me l O S S r a t e mo d e l wa s e s t a bl i s he d，a n d t he r e l a t i on s h i p a mon g f r a me l o s s r a t e，p o we r t r a ns m i s s i on t i me，po we r s us pe ns i on t i m e a n d d a t a t r a n s mi s s i o n r a t e wa s a n a l y z e d．Th e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e f r a me l o s s r a t e r a i s e s a l o n g wi t h t he r a t i o o f p o we r t r a ns mi s s i o n t i me a n d po we r s u s pe ns i o n t i m e；whe n t he da t a t r a ns mi s s i o n r a t e i s b e l o w 1 0 0 k b i t ／ s ，t h e f r a me l o s s r a t e d e c l i n e s wi t h d e c r e a s i n g o f t h e d a t a t r a n s mi s s i o n r a t e ．Th e r e a l m e a s u r e m e nt r e s ul t p r o v e s t h e v a l i d i t y o f t he f r a m e l O S S r a t e mo de 1 ． Ke y wo r d ss e ns o r no d e； mi c r o wa v e po we r t r a ns mi s s i o n； d a t a c o mm u ni c a t i o n； c o mm u ni c a t i o n i n t e r f e r e n c e C O c h a n n e l f r a me l O S S r a t e 0 引言 无线传感器网络在煤矿安全生产中担任着重要 角色 ， 尤其是在灾变环境下 ， 无线传感器 网络能提供 第一手救援信息 。传统的无线传感器节点大多采用 电池供电， 电池电量的有限性制约了网络生命周期 。 在发生灾难时 ， 保持传感器节点电量的充足性尤 为 关 键 。 无 线 微 波 输能Mi c r o wa v e P o we r Tr a n s mi s s i o n ， MP T 技术 的发展[ 1 为解决无线传 感器节点电量有限问题提供了新方法 。 无线传感器网络设计之初是为了以无线形式进 行数据通信 ， 并没有考虑通过无线输能给传感器 节 收稿 日期 2 0 1 6 - 0 4 0 1 ； 修 回日期 2 0 1 6 - 0 6 0 6 ； 责任编辑 李 明。 基金项 目 中国矿业大学大学生创新训练计划资助项 目 X1 O 2 9 O 1 5 O 5 8 。 作者简介 满忠诚 1 9 9 3 一 ， 男 ， 山东滕州人 ， 本科在读 ， 研 究方向为无线电能传输 技术 ， E - ma i l mz c 0 7 7 9 1 6 3 ． c o m。通信作者 赵端 1 9 8 3 一 ， 男 ， 河北承德人 ， 讲师 ， 博士 ， 研究方向为无线传感器网络、 无线电能传输 、 井下人员定位技 术， E ma i l z h a o d u a n 1 0 2 7 1 6 3 ． c o m。 2 2 工矿 自动化 2 0 1 6 年 第 4 2卷 点供电的问题。在数据通信基础上引入能量传输机 制 ， 必然 会产 生 相 互 干 扰 。 目前 研 究 无 线 MP T 技 术的文献有很多 ， 但很少涉及无线 MP T对数据通 信的影响问题。针对该问题 ， 参考文献[ 5 6 ] 提出并 分析了 2种解决方法 间歇共信道机制和相邻信道 机制。这 2种机制的 目的是充分利用有限的频谱资 源。假设传感器节点天线 带宽为 2 ． 4 ～2 ． 5 GHz ， MP T系统的工作频点为 2 ． 4 5 GHz ， 当输能和数据 通信工作同时进行时 ， 为相邻信道机制 ； 当输能工作 间歇进行时， 为问歇共信道机制 。 参考文献E s ] 在微波暗室 中通过实验方式探索 了 2 种机制的特点。在 相邻信道机制下， 当传感器 节点的数据接 收功率不大于 0 ． 6 p t W／ c m 时 ， MP T 对数据通信 没有 影 响 ； 当接 收 功率超 过 0 ． 6 t L W／ c m2 时， 数据通信工作停止 。这是 因为通信天线侦测到 数据发送功率时， 其带通滤波器无法完全衰减掉接 收到的输能功率 ， 导致通信天线在能量接收与数据 发送之间发生冲突。一般情况下 ， 传感器节点 的接 收功率最小为 mW／ c m 级别 ， 因此相邻信道机制不 太适用。间歇共信道机制可利用现有 的商业设备轻 松实现， 通过间歇控制输能的持续时 问来降低对数 据通信的影响 ， 是解决共信道机制下输能与通信共 存问题的有效途径 。本文针对 间歇共信道机制 ， 通 过分析丢帧率来探索微波输能与数据通信之间的干 扰机 制 ， 由此 寻找最 优输 能策 略 。 了保证不丢帧 ， 在 T P 内产生的数据应不超过缓冲 区大小 ， 即 GT P ≤ Z， 此 时令 T ≤Z ／ GA。 同时要保证在 T 内， 将缓冲区内数据和 。 内 产生的数据发送完毕 ， 即 G T r _q - T p s≤ 一Zp s 2 T ⋯ L r 式中 L为所采用的数据通信协议中 1帧数据大小 ， 不同的传输协议 如 UD P， T C P等 具有不 同的 L 值 ； r 为传感器节点 2次数据传输的时间间隔。 令 丁 ≥GT P T ／ L ／ r G 一B。如果 T 太 短 ， 则无法将缓冲区中和 T 内产生 的数据发送完毕 ， 也会发生丢帧现象 。此时所丢帧数为 Nl 一G T p T T 了 p s -- L T ps／ r 3 L 7 由 N 1 A 时 ， 开始 出现 丢 帧 现 象 。T P ≥B时 ， 所丢帧数为 N l。 。一 G T v r 一 -- Z 4 L 当 T A 且 T 。 A 且 TP s≥ B G TP T TP s 一LTP s A- 5 ； 干 T ’ T P s C或 TP s B 0， TP T≤ A且 TP s≥ B A， B， C， T ， 丁 P 在 1个输能周期的示意如图 1 所示 。 1个 周 期 一 I r p s ～ ’ I 一 I I I C 口 图 1 A， B， C， 1 ， 1 、P s 在 1个 输 能 周 期 的不 意 R。⋯随 TP 的 减 小 而 减 小 ， 随 T 盯的 增 大 而增 大 。假 设 1个输 能周期 T T 内的能 量发送 功 率为 P P T ， 平均能量传输功率为 P ， 则有 Po ≤ 一 ≤ 1一 G r ／ L P阿 6 2 0 1 6年 第 8期 满 忠诚 等 共信 道 下微 波输 能与数 据 通信 干扰 机制研 究 2 3 式 6 揭示了 MP T 系统发送功率与传感器节 点数据传输 速率之间 的关 系。数据传输速率 G值 越大 ， 意 味 着 平 均 能 量 传 输 功 率 P 越 低 。r一 0 ． 6 ms ， L一1 4 7 0 B UD P协 议 时 ， P ／ P P T 与 G 之 间的关 系 如 图 2所 示 。可 看 出 ， P ／ P 随 G值 增 大 不断下降， 也就是说 ， 为了给传感器节点提供更多的 能量 ， 必须降低传感器节点的数据传输速率 。 6／ k b i t S - I 图 2 P 。 ／ PP T 与 G 的关 系 2 丢 帧 率模 型仿 真 在巷道 中应用 MP T 系统 时， 根据无线传感器 的工作方式 ， 有 2种输能方式。 1 如果设定传感器节点在 MP T期 间不传输 数据 ， 那么 MP T系统对传感器节点 的数据通信没 有任何影响。但是需要一种机制来协调 MP T系统 和传感器节点 ， 使二者互不影响。 2 如果传感器节点始终在传输数据 ， 为了控 制丢帧率 R ， 需要根据式 5 控制好各项参数之间 的关系 。以煤矿井下常用 的 Z i g B e e 无线 网络为例 ， 缓冲区大小 Z - 2 5 6 B， 1帧数据大小 L1 2 7 B， 1帧 数据的发送 时间间隔 r根据需要进行设置， 最大数 据传输 速 率 Gm 一 2 5 0 k b i t ／ s 。此 时 A Z ／ G一 0 ． 0 0 8 2 ， 很难通过控制 T町A来实现无丢帧数据 传输 。图 3为 R 。 在不同 T 下随 T P s 的变化 曲线 。 蓁 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 l 0 s ／ s 图 3 R l 在不 同 T P 下随 T P s 的变化 曲线 从 图 3可 看 出， 随着 T 增 大， 在 高速率 G一 2 5 0 k b i t ／ s 下 ， 输能 间隔 T 越小 ， Rl 。 越小。对 比 G一2 5 k b i t ／ s和 G 2 5 0 k b i t ／ s时的曲线可知 ， T 越小 ， G对 R 。 的影 响越大 ； T 一1时， Rl。 在 2种 速 率下 的差 距 不大 。 图 4为 R-一在 不 同 G下 随 T 的变化 曲线 。可 看 出 G小 于 1 0 0 k b i t ／ s时 ， G 越 小 ， 则 Rl。 越 小 ； G 大于 1 0 0 k b i t ／ s 时 ， R- 。 。 。 差别不大。因此根据需要 ， 适当控制 G在 1 0 0 k b i t ／ s 以下， 即可在一定程度上 降低 P 。 图 4 R。。 在不 同 G下随 T 。 的变化 曲线 3实验 测量 为了验证理论模 型的有效性 ， 通过井下常用 的 Z i g B e e网络 在 实 验 室 环 境 进 行 了测 试 。实 验 平 台 如 图 5 所 示 。在 一 个 7 m 长 的实 验 桌 两 端 各 放 置 1个 Z i g B e e 天线 芯片型号为 C C 2 5 3 0 ， 工作频率为 2 ． 4 GHz ， 一个作 为传感器 节点来发送数据 ， 另一 个作为 AP节点来接收数据 。采用数据连续发送模 式 ， 每 2次数据传输的时间间隔 r 3 0 0 ms ， 这样可 保证 Z i g B e e天 线 在无 干 扰 条 件 下 不 丢 帧。2个 Z i g B e e 天线各连接 1台电脑 ， 用 串 口发送数 据， 波 特率为 1 1 5 2 0 0 b i t ／ s ， 便于统计数据发射和接收帧 数 。2个 Z i g B e e 天 线 间距 约为 5 i n 。 图 5 MP T与通信间干扰机制实验平 台 在 实验 平 台右侧 放置 1 个 喇 叭天线 ， 作为 MP T 输能端 ， 用于干扰 Z i g B e e数据发送端 ， 距离 Z i g B e e 2 4 工矿 自动 化 2 0 1 6年第 4 2卷 数据发送端约为 1 m。喇叭天线连接射频信号发生 器 型号为 R o h d e S c h wa r z S MB I O O A ， 用于提供 稳定的 2 ． 4 GHz 射频信号 。考虑辐射安全因素 ， 输 能端没有加功率放大器 ， 但 为了清晰地 观测输能端 对 Z i g B e e通信 的影 响， 将 Z i g B e e发送 功 率 设 为 一 2 2 d B m， 射频信号发生器功率设为 1 6 d B r n 。 由 于技术指标限制 ， 射频信号发生器的射频开关最小 间 隔只能 达到 1 s ， 即 最 小 为 1 s 。 图 6 为 T 一1 ， 3 ， 1 0 s 时 R ⋯实 测 值 与理 论值 对比。可看出R。 。 实测值 与理论值趋势一致 ， 但实 测值更大 ， 这可能是由测量误差和 Z i g B e e 通信时的 意外 丢帧造 成 的 。 T 1 s ， 理论值 r r l S ． 实测值 O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 s／ s 图 6 Rl 实 测 值 与理 论 值 对 比 在煤矿井下应用 MP T技术时 ， 应处理好 MP T 与数据传输之间的关系 。对一些间歇传输数据的节 点进行输能时， 只需设计好一种协调机制， 避免输能 和 数据 发送 同时进 行 ， 就 能有 效避 免数 据丢 帧 ； 对 持 续进行数据传输的节点进行输 能时， 应根据实际需 求 数据 的重要程度、 节点功耗及剩余能量等 ， 控制 好 丁 盯与 s 之间的关 系 ， 来 控制 R-。 在 可接受范 围 内。 4结 语 分析了间歇共信道下， MP T与传感器节点通信 的影响关系， 得 出了数据 丢帧率表达式。仿 真分析 认为， 在井下利用 MP T技术 为传感器节点供电时 ， 为 了降低 丢帧 率 ， 应 尽可 能减小 输 能持续 时 间 ， 增 大 输能间歇时间， 同时根据需要适 当降低通信的数据 传输速 率。若要 保证 数据传 输无 丢帧 ， 只能 采用 MP T与数据通信交替进行的策略。 参考文献 [ 1 ] S HI N0HAR A N，GO TO H，MI T ANI T，e t a 1 ． Expe r i me nt a l s t u dy o n s e ns o r s i n a c a r e ng i n e c o mp a r t me n t d r i v e n b y mi c r o wa v e p o we r t r a n s f e r [ C ] ／ ／ I E E E E u r o p e a n C o n f e r e n c e o n An t e n n a s a n d Pr op a ga t i on，Li s b on，2 01 51 - 4． E 2 ] HUA NG K，Z HO U X ．C u t t i n g t h e l a s t wi r e s f o r mo b i l e c o mmu n i c a t i o n s b y mi c r o wa v e p o we r t r a n s f e r l- J ] ．I E E E C o mmu n i c a t i o n s Ma g a z i n e ，2 0 1 5 ，5 3 6 8 6 9 3． [ 3 ] X I E L ，S HI Y，HO U Y T，e t a 1 ．Wi r e l e s s p o we r t r a n s f e r a n d a p p l i c a t i o n s t o s e n s o r n e t wo r k s r J - ] ．I EEE Wi r e l e s s Co mmu n i c a t i o n s ，2 0 l 3，2 0 4 1 4 0 1 4 5 ． [ 4 ] YAN G Y， WAN G C， L I J ． P o we r s e n s o r n e t w o r k s b y wi r e l e s s e n e r g y - c u r r e n t s t a t u s a n d f u t u r e t r e n d s E C ] ／ ／ I EEE I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o n Co mp u t i n g ， Ne t wo r k i n g a n d Co mmu n i c a t i o n s ， An a h e i m ，2 0 1 5 64 8 6 5 2． [ 5 ] I MOT O N， YAMAs HI TA S ， I C HI HA RA T，e t a 1 ． Ex p e r i me n t a l i n v e s t i g a t i o n o f C O c h a n n e l a n d a d j a c e n t c h a n n e l o p e r a t i o n s o f m i c r o wa v e p o we r a n d I EEE 8 0 2 ． 1 1 g d a t a t r a n s mi s s i o n s I- J ] ．I E I C E Tr a n s a c t i o n s o n Co mmu n i c a t i o n s ，2 0 1 4 ，E 9 7 ． B 9 1 8 3 5 1 8 4 2 ． [ 6 ] YAMAs HI TA S ，I MOT O N，I C HI HAR A T， e t a 1 ． I mp l e me n t a t i o n a n d f e a s i b i l i t y s t u d y o f c o c h a n n e l ope r a t i o n s ys t e m o f mi c r owa v e po we r t r a n s mi s s i ons t o I E E E 8 0 2 ．1 1 一 b a s e d h a t t e r y l e s s s e n s o r[ J ] ． I E I C E Tr a n s a c t i o n s o n Co mmu n i c a t i o n s ，2 0 1 4，E9 7 ． B 9 】 8 43 一 】 8 52 ． 工矿 自动化 杂志 2 0 1 7年起 改为双月刊 工矿 自动化 杂志 自 1 9 7 8 年创 刊以来 ， 得到 了广大读 者 、 作者 的支 持 、 关 注与喜 爱 ， 在此表示 深深 的谢 意 。为适应 期刊 自身发展 需要 ， 经主办单位 申请 ， 并经江苏省新 闻出版广 电局 批准 ， 自 2 0 1 7年第 1期起 ， 工矿 自动 化 将 由现 在的月 刊变为 双月刊 ， 双月 1 0日出版 ， 其他登记项 目不变 。刊期变更后 ， 本 刊仍将坚持既定 的办刊宗 旨， 继续为广大作者和读 者服务。欢迎 赐稿 欢 迎订阅 欢迎 刊登广告 工 矿 自动 化 编 辑部 O O 0 0 0 0 O O O