马志艳， 李 浩， 杨光友， 陈 昊

(湖北工业大学 农机院，湖北 武汉 430068)

油田钻井现场无线传感器网络信道衰落模型研究*

马志艳， 李 浩， 杨光友， 陈 昊

(湖北工业大学 农机院，湖北 武汉 430068)

针对油田钻井现场环境，给出一种适合的无线传感器网络(WSNs)信道衰落模型.通过油田钻井现场环境下实测数据的分析处理，得到无线信道衰落模型的各个参数。实验表明：该模型符合油田钻井现场，为无线传感器网络在油田钻井现场的实际应用提供了理论依据。

油田环境； 无线传感器网络； 信道衰落模型

0 引 言

近些年来，国内外对无线传感器网络(WSNs)信道传播特性与建模的研究越来越关注[1]。由于油田钻井[2]现场环境比较复杂，信道中无线信号受搅拌机、振筛机、转盘驱动箱、电机振动、发电机组、大型铁质设备和油田工作人员走动等复杂因素的共同影响，进行无线信道信号衰落实验研究可对油田无线传感器网络的规划和部署提供理论依据和实践指导。在无线网络的应用研究阶段，路径损耗模型的研究是最重要的问题之一，它影响着节点覆盖和邻居节点度等重要网络参数。无线传感器网络由大量传感器节点组成，传感器节点由电池供电，能量十分有限，供电电池的寿命直接影响整个网络的生命周期[3]，而供电的使用时间跟路径损耗模型相关。

目前，针对无线传感器网络室外应用环境的无线信道模型的研究已经有了一定的发展。本文选湖北潜江江汉油田某钻井区域为实验场地，以2.4GHz为实验频率，进行无线通信信道测试，测试信号强度变化规律，重点探讨油田钻井环境影响无线信号传播的衰落因子，建立数学模型，研究无线传感器网络节点部署，为无线传感器网络在油田环境中的应用提供理论依据。

1 信道传播模型

一般来说，无线信道模型包括理论模型、经验模型以及理论与经验结合的模型[4～7]。

1.1 自由空间模型

1.2 地面反射模型

地面反射模型如图1所示。

图1 地面反射模型

1.3 单折线对数距离损耗模型

单折线模型是经验公式模型，其表达式为PL(d)=PL(d0)+10nlgd+Xσ，Xσ～N(0,σ2)，其中,PL(d)为发射端到接收端间的损耗；PL(d0)为近场参考点损耗值，d0为参考点(一般取d0=1 m)，d为发射点到接收点的距离，n为路径损耗指数，表示路径损耗随距离增长的速率，它依赖于周围的环境和建筑物的类型；Xσ为高斯正态零均值随机变量。

经过综合考虑，本次实验采用的是单折线对数距离损耗模型。

2 油田钻井现场无线信道衰落模型测试与分析

2.1 测试步骤

1)采集油田钻井现场环境下信道衰落数据，参考无线传感器网络自由空间信道衰落方程，对得到的数据进行卡尔曼滤波[8]处理，确定信道衰落参数值n。

2)根据采集到的信道衰落数据，参考无线传感器网络非自由空间信道衰落方程，对数据进行处理，得到零均值Xσ。

3)确定油田环境下无线传感器网络的信道衰落模型并通过实际环境进行验证此信道衰落模型的可信度。

2.2 实验测试

实验测试主要目的是测量路径损耗与收发节点距离之间的关系，得出距离路径损耗模型。采用的是CC2530(发射功率为-17.4 dBm)无线传感器节点和CC2430(发射功率为0 dBm)无线传感器节点，通过对各无线节点烧写对应的下位机程序，实现节点间的有效通信，将收集到的数据通过串口上传到上位机，然后上位机通过VC程序实现数据的实时显示并储存，而对于测试信道质量分析，最主要的是对数据包中[9]接收的信号强度指示(RSSI)的数据采集和处理。实验环境平面图如图2所示。

图2 油田钻井现场平面图

图2中：0#为协调器节点，7#,8#,9#,20#,21#,24#,25#为路由器节点，剩余为终端节点。各节点布置如下：0#在技术员房，3#在测录井值班房顶，4#在泥浆池上的离心机旁，5#在泥浆池上座岗房旁的搅拌机侧，6#,7#在泥浆池上的搅拌机旁，8#,9#在无线随钻仪器房顶，20#在转盘驱动箱旁，21#在泥浆池上振筛机下水管道上，22#在司钻房顶，23#在泥浆泵上，24#在泥浆池上的振筛机上，25#在井架底转盘上。

2.2.1 确定信道衰落参数

根据表1所得信道衰落数据经Matlab处理后得到距离损耗图如图3所示。

图3 油田钻井现场环境实际无线信道衰落图

表1 无线传感器网络油田实验数据

Tab 1 Oil field experimental datas of WSNs

节点RSSI均值收包率Prr(%)距离(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,则在零均值Xσ=0，对衰落指数n=(2.0,2.5,3.0,3.5,4.0)取不同情况下的值，处理得到的曲线如图4所示。由图3和图4的比较可以得出，油田环境下n=2.521。

图4 无线信道衰落图

2.2.2 确定信道衰落零均值Xσ

根据前面工作，设置衰落指数n=2.521，可得PL(d)=36.8+25.21 lgd+Xσ，将不同收发距离的信道衰落数据与实际测试的信道衰落数据进行比较得到表2。

2.3 无线信道衰落模型实验验证

通过对采集的数据进行滤波处理和对误差进行修正处理，得到信道距离损耗关系如图5所示。在保证网络覆盖率和网络数据传输的情况下，从曲线的形状和单位距离内信道衰落数据分的情况，可以看出：实际曲线与信道模型的曲线之间的残差很小，都在误差的阈值之内，采用卡尔曼滤波所滤出的数据得到了很好的拟合曲线，因此，衰落模型在该油田钻井现场环境下是可行的。

表2 无线传感器网络实际衰落与信道模型衰落数据比较

图5 实际曲线与拟合曲线的比较

3 信道衰落与收包率的结果分析

随着信道质量的衰落，其收包率也会随之降低，通过将表1数据导入到Matlab中，对信道质量与其收包率进行拟合，得到衰落值与收包率的关系图如图6所示。油田环境下节点的收包率很高(大于92 %)，节点间通信的可靠信得到了保证。

图6 油田环境下衰落值与收包率的关系图

4 结 论

本文分析并给出了一种适合油田钻井现场实际环境下的无线传感器网络信道衰落模型，并通过实验测试了该衰落模型，基本达到了能准确预测油田环境下无线信道衰落情况，该模型可为无线传感器网络的底层应用提供一定的理论依据，为后面的节点定位和预测链路质量提供参考。本文研究中的节点相对较少，部分距离比较稀疏，须通过后续工作加以完善。

[1] Akyildiz I F,Su W,Sankarasubramaniam Y,et al.Wireless sensor networks:A survey[C]∥Proc of International Conference on Advanced Information Networking and Applications Workshops,IEEE,2009:636-641.

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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

国家自然科学基金资助项目(51174084)

TN 929.5

A

1000—9787(2015)03—0044—03

马志艳(1976-)，男，湖北武汉人，博士后，副教授，研究方向为智能控制、无线网络。