文摘
无线传感器网络(网络)特别是在传感器节点相互通信在空气中除了一直天真的过去几年以来的研究领域。水下通信相比,无线地下传感器网络(WUSNs)正在使用大量的应用程序从环境观察,估计地震的可能性,沟通在地下隧道或矿山、和基础设施监测土壤监测农业用途。尽管所有这些应用前景,但由于恶劣的和不断变化的土壤特性包括土壤类型、土壤含水量、土壤温度,地下通信与传统电磁(EM)因而技术对长途通信不能被证明是可行的。另外,由于土壤被类似于空气的磁导率,基于磁感应——(MI)方法采用使用磁线圈作为传感器节点的天线。随后,MI波导和3 d线圈机制被认为是提高系统效率。将不同的底层传输通道的特点,通信协议以及建筑MI-based WUSNS (MI-WUSNs)开发了不同的方法。综述论文,除了最新的进步为MI-WUSNs MI-WUSNs也一直在探索领域密切相关。此外,研究领域仍开放工作在详细了。
1。介绍
地下介质中传感节点之间的通信是一个困难的工作,和研究人员仍在试图即兴发挥它在过去40多年。这种沟通有助于在许多应用领域,如观察土壤条件,预测地球地震的概率,和更多1]。许多传感器为这些应用程序被部署在地面。因此,传感器被放置在底部的表面。这些传感器也构成了筛选体系结构和可能提供额外的传感信息更精确地相比,如果那些被部署在和在水面上2]。
众所周知,增加数量的传感器,测量精度也增加,导致使用更多的传感器节点。以类似的方式,独立运营成本的每个节点最终在大型开发成本,这通常是不可能的在经济上的支持。相反,它已经建立了Akyildiz et al。3)网络中多个传感器节点组织协调努力减少能源需求和提高测量的可靠性。这将是获得使用共同处理和传输信息,分别。合成,complexness所有节点和设计成本必然会减少。
过去几年见证了地下无线传感器网络(网络)被用于许多事件和应用程序类似的环境,卫生、军事、回家,和行业(4]。Akyildiz和Vuran4)明确地描述基础通信层设计指南。本文还分析了网络的使用在困难和具有挑战性的环境。研究如何通过土壤传播信号的无线地下传感器节点(WUSNs)调查(5]。他们提议时履行系数模型,对远场的近场区域和其他区域。Akyildiz和Stuntebeck解释了使用地下WUSNs的应用程序(1]。特别是对于地下应用程序,无线地下网络预计在1]。作者还讨论了使用WUSNs如容易部署的好处,没有更多的碰撞与景观对象的传感器和仪器如拖拉机,检索的信息在实时环境中,自愈能力在传感器故障情况下,和可伸缩性的节点(1,3]。
地下输电环节,这在很大程度上是受到了不同类地不同土壤介质,是未来的一个主要因素的完整的勘探和WUSNs的进化。这个地下介质由砂、石块、甚至分水岭。它也被发现,土壤湿度高影响传输距离,因此净WUSNs的性能。在许多现实生活中的例子,因而传统的电磁(EM)无线信号通信方式可能只被用于传输距离非常有限,由于显著的路径损耗和动态变化的土壤条件(6]。
作为一个强大的替代传统的EM沟通、磁感应——基于(MI)的通信方式已经被考虑。MI-based沟通工作已经完成的范围下近场通信(NFC) (7)和无线电力传输(WPT) [8]。与EM搪塞过去沟通,在MI-based通信中,感应线圈(也称为磁天线)用于生产准静态磁场。接收线圈就会发现这样的发射线圈产生的磁场,和相应的信号传输通道设置。
MI-based WUSNs最初被描述在9)这表明这种技术会导致较低的路径损失导电介质(土壤),这将大大增加传输范围以及收发器覆盖区域。
本文的突出贡献如下:(我)有清晰的关于各种类别的应用程序域中MI-WUSNs使用是一个很有前途的选择(2)MI-WUSNs相关各领域的研究进展做以分析其影响MI-WUSNs的实现(3)分析最近的进步在MI-WUSNs探索开放的挑战和未来在这一领域范围
本综述论文结构如下。部分2描述不同类别的重要应用领域使WUSNs有前途的解决方案。部分3细节的密切相关领域的进展进行MI-WUSNs从EM-based WUSNs磁场交流技术和水下无线通信。部分4强调了不同维度的通信MI-WUSNs和这些各自领域的进步。部分5SWOT分析了EM - MI-based WUSNs连同主要协议用于这些技术。部分6包括推理和一些新的研究挑战在未来应该得到解决。部分7介绍了审查的结论。
2。应用程序域的WUSNs
EM波和MI-based WUSNs不同于每个对物理层模式和系统整体性能受到物理通信信道的影响。为EM-based WUSNs,由于不同类型的土壤和其他材料像石头埋在地球表面,电磁波是高度不可测的信号路径损耗由于不同土壤渗透性、水和岩石。另一方面,对于MI-based WUSNs,土壤或水或岩石的磁导率是一样的空气,因此,这些因素不会影响信号的路径损耗。EM -和MI-based WUSNs,下面是使用的重要应用领域。
2.1。观察地下基础设施
WUSNs主要用于监控地下基础设施包括建筑物、管道、电气名,和液体储罐。
WUSN是观察的一个重要应用程序基础设施的健康住宅或商业建筑,如果这些基础设施的地方,像基金会,与土壤。还可以监控基础设施的支持像桥梁、大坝WUSNs [10]。因此,可能的灾难可能会阻止通过观察不同的有关特征的应力或应变。它可以被证明是更有利于结构部署在不稳定的媒体包括水和沙子,在不稳定斜坡的几率高在这样安静的位置(11]。
此外,WUSNs也可能被证明是有利于监控地下管道,在传感器节点可能沿着管道的道路为了即时检测,定位和修复泄漏12]。地下加油站坦克也可能使用相同的监控机制,不断地决定了油箱的燃料量。地下基础设施相关的军事应用,比如雷区监控、WUSNs可能有效1]。
此外,WUSNs可能监控底面的结构性条件煤矿,这将确保煤矿工作人员的保护。因此,传感器节点必须被放置在墙壁以及天花板的画廊矿山领域识别任何结构性障碍。类似的模式,WUSN传感器可能放置在一侧的隧道监控它们的结构健康(2]。环境参数如相对湿度、温度和气体浓度是重要的因素被认为是发送到基站,这是连接到地面观测系统。WUSN-based火灾监控系统可以通过观察这些数据决定减少火灾的可能性在煤矿13]。
2.2。监测土壤条件
最突出的区域应用WUSNs是农业传感器节点可能埋在土壤观察土壤矿物组成和湿度等条件,不会造成任何阻碍物体像剪草机和拖拉机1]。这种方法会导致适当的施肥和灌溉提供数据。地下网络也使用在温室环境传感节点被部署在每个工厂的锅,从而提供隐蔽。
运动场上监控(1WUSNs)也是一个很有前景的应用领域,传感器网络可以用来做监控土壤条件的高尔夫球场、草地网球场、足球场,或棒球字段。这种类型的运动,可怜的草皮条件通常引起恼人的游戏体验,使它非常基本保持土壤确保草地的健康有益。
WUSNs多个应用程序之一是检测存在以及有害物质的浓度,可能污染河流和地下蓄水层附近的土壤。为此,混合网络的概念已经被Akyildiz Stuntebeck,推荐可能部署部分在地上部分水介质下(1]。吴et al。14)提出了一个远程广域网农业WUSNs路径损耗少。网络连通性覆盖几公里范围,因为在农业、不需要频繁的确认。Sambo et al。15应用一个WUSN路径损耗模型(PLM)精准农业。WUSN-PLM复介电常数的准确预报服务工作。通过考虑反射和折射波衰减,它评估传感器的强化措施。
2.3。环境观测
这也是一个可能的应用领域在地下煤矿监控空气质量WUSNs [1]。它包括露天地下传感节点的复合结构和嵌入式传感节点部署在地面和地下矿井隧道屋顶。我这允许数据从传感器路由垂直表面迅速站,而不是获得路由通过远距离的隧道。
地震和滑坡预测也是一个重要的应用。为此,深埋地下的传感器监测土壤的层的相对运动,以预测灾害更准确和更早比现有机制(16]。因此,人口居住受灾地区可能及时警告和流离失所。预测也可以更准确,如果传感器部署在不同深度土壤。
应用程序相关的冰川运动和火山喷发被传感器节点是阐述了埋在监控(17,18),分别。这个选项部署传感器节点在WUSN架构给出了更精确的观察,同时节省了传感器从火山热造成的损害或运动的冰块冰川。此外,聪明的害虫检测提出了使用WUSNs精准农业。图1展示了各种传感器的互连、球迷和监测单位监测和控制空气污染19]。在此系统中,直接数字控制技术自动开关的通风筒球迷一次空气质量恶化信号的传感器。
2.4。确定物体的位置
对象定位是一个杰出的应用以及研究区域轮为固定地下传感节点知道self-location可能用作定位信标所需的对象。位置信息可以作为导航工具自行驱动的系统;例如,自治肥料单位移动场上受精根据地下位置信号灯和土壤条件的数据传感节点被埋在土壤里去的。
也为地下传感器网络,定位动物或人类出来的一个主要应用程序(2),特别是当意想不到的灾难发生在字段上面描述的部分如地震、土地滑动,塌方。假设WUSNs在几个风险领域的部署与要求的传感器还在功能甚至在灾难后,传感节点的合作可能是有用的在本地化员工个人被困在矿井或人身上穿着一件皱巴巴的建筑。为此,每个人在我或建筑应该穿适当的设备,这可能会转移信标信号,从而与WUSNs交互。因此,人困的位置可以确定并通知搜索团队,这使得搜索操作要容易得多,因此保护人类。
本地化的另一个重要应用领域由WUSNs定位獾或兔子等小动物在它们的自然栖息地,为了了解他们的行为以及演化过程(2]。
此外,为目的的自主导航车,路内的信标信号从地下传感器把具体的可以使用。在未来的日子越来越多的无人驾驶汽车,这将是更有前途的应用WUSNs。
在执法和安全,光学传感器发挥至关重要的作用。夜视边境巡逻和监控范围,运动传感器对家庭安全警报,和物理标本检测在犯罪现场所有雇用他们。边境巡逻和安全观察可用于检测的存在和运动的人或物体在水面上。等与安全相关的应用程序,WUSNs可能找到入侵者闯入者和警告安全组织。Akyildiz Stuntebeck描述,很难侦测到传感节点的埋在土壤(1]。此外,入侵者不太可能发现和禁用安全系统。相应地,WUSNs可能把边境一边确定未经授权的口岸和通知有关当局。这里,交叉检测精度高,WUSNs可以促进当局只是本地化入侵者。
3所示。盟军域MI-WUSNs及其最新发展
突出的领域的研究直接或间接与MI-based WUSNs促进MI-based卓有成效的发展WUSNs。因而地下网络,这样的联合域包括电磁磁transmission-related NFC或WPT等技术和水下MI-based轮。目前这些领域的发展在一定程度上适用于实施MI-based WUSNs。因此,在本节中,这样的发展是覆盖一个接一个有一个好主意的相关方法和系统方面,可纳入MI-based WUSNs及时到来。图2表明该模型设想使用提供总自治农业物联网的地下活动(20.]。这使得自我报告的土壤水分、盐分和温度,因此确保了原位监测的土壤。
3.1。EM-Based地下网络
传感节点之间的通信埋在地下介质通常被EM-based和被视为一项艰巨的任务。由于土壤介质的导电性能,电磁传输面临的问题非常高的衰减(6]。此外,它不是一个微不足道的工作制定一个明智的,但经济的通信系统。设计的核心特征以及挑战EM-WUSNs自言自语的在(1]。尤其是地下传感器网络的基本局限性包括可靠性、隐蔽,广播。此外,可行的解决方案,提高输电能力,改善网络等给出了(1]。系统开发的多个维度分析了这种网络(6]。尽管第一概念化的信号传播在水下和地下介质提出了不同的研究人员在过去,信道模型深入解释和广泛的特点(21- - - - - -23]。此外,实证研究underground-to-aboveground和underground-to-underground24,25)传播功能简化。在相同的情况下,在地下多路径传播媒体的问题也解决了。席尔瓦和Vuran [26和玉等。27)支持的一些方面目前的频道模型通过实验数据。
萨拉姆和Vuran精心解释网络跨层优化的WUSNs [28]。此外,刘等人。29日和元et al。30.)已经解决了电池WUSNs资源受限的问题。在[29日),网络发展考虑的数据通信以及传感器节点的电池的充电。辅助继电器节点放置在定位置,保持网络连通性和相应增加一生(30.]。由于地下介质的反射和散射信号,通信通道似乎产生很大程度的多样性,可以被合理的利用天线技术(31日,32]。同样,利用中继节点,WUSNs的生命周期也可以改善。Tam等人两种不同的算法用于最大化网络寿命(33]。详细分析地下WUSNs传感器是由Trang et al。34]。分析比较了EM波系统和MI系统定性以及定量。如前面部分所述,突出WUSNs农业目的的应用领域和通信在隧道21)或矿山(35]。随后域应用程序需要多方面的信道建模,因为隧道或矿山基础设施大大不同于农业。此外,邀请中央枢轴系统支持的信息收集的情况下被认为在26,36]。
3.2。著名的MI信号传输技术
在过去的几年中,磁感应——(也称为磁共振共振电路)的基础传输技术已经越来越流行,也在随后的关键通信标准在现代电子设备,如智能手机和平板电脑。
最典型的MI信号transmission-based应用受到WPT机制的范畴和NFC机制。著名,NFC技术从传统远场沟通因为磁场的非线性特性,当几个磁设备相互附近(2]。因此,为了简化磁传输通道的特点并没有提供足够的精度对系统建模。许多因素也被发现是根据计算磁节点,它们的相对距离,和相关的系统参数。因此,与节点的数量的增加,系统开发complexness必然增加,这使得目前许多典型的通信机制。
NFC是设计为一种专业的无线电频率识别(RFID) (37)对于很小的传输距离小于4厘米(7,38]。通用的NFC应用领域包括社交网络、卡,非接触式支付系统(2]。在这方面,短距离通信被视为一个MI收发器的主要优点,因为它减少的可能性窃听(39,40]。Finkenzeller [37)和京王(41]研究了信道模型及其近场效应的研究。同时,还建立了一个NFC论坛带来最新的进展和NFC的标准化。
获得数据速率的NFC点到点通信是主要基于最大424 Kbps被动RFID。被动电路元件的选择和一些可能的假设通常解决这个数据传输速率(37]。压倒性的这个限制,一个简单的NFC链接建立的多输入多输出(MIMO)技术(42- - - - - -44)和其他协作中继设备(45,46]。此外,NFC可能是一个不错的选择对于即将到来的物联网应用程序由于有界干扰造成收发器放置彼此相邻(47,48]。
WPT在近场是一个探索太空几十年来由于其高效力[49]。中提供了一些基本工作(50- - - - - -52]。在背景下,各种传播渠道的影响,例如,频率分裂(53),线圈位置(54),和电阻匹配(55),研究了。近年来,无线充电的电动汽车的概念发生了和手机相比wire-based连接,减少了运动的无线设备56,57]。
不幸的是,一个可以实现高效WPT的有限几厘米的距离,磁谐振器间的耦合,这样可能会明显强劲。因此,为了提高通信范围,扩展了当前的点对点WPT使用多个发射机(58),多个接收机(59),和一些辅助继电器60,61年)设备。此外,多个发射机和接收器节点排列成通用MI-based MIMO方案,由[调查62年- - - - - -65年]。在这些作品中,许多多用户情况下采取和波束形成系数一个托管的63年)或分布式(65年发射机是优化w.r.t.完全不同的参数,如总接收功率或最小接收功率在不同接收机的位置。太阳et al。66年]分析了磁MIMO相关多个传输和接收节点,利用磁喜气洋洋的,安全WPT可以达到预期的用户。与此同时,许多工业解决方案提供,其中WiTricity公司一直被认为是最受欢迎的解决方案(67年]。赵et al。68年)提出了一种强化learning-enabled WUSNs高效的数据采集模型运用最优传播政策考虑感官数据传输的路径损耗等因素,能源的局限性,和网络负载平衡。此外,WPT的组合和NFC导致SWIPT原则听起来更有利于物联网(69年]。在该机制中,相同的信号是用于数据以及权力交接,往往是更节能的命令传输相比。
3.3。水下MI-Based轮
水下通信可能是一个研究主题有不同的流行应用领域,如海洋科学和海洋的力量。这些应用领域使用信号通过水下传播介质,通常海水,因为活跃盐离子和自由电子提供高导电性4 S / m [70年]。相应地,电磁波会短距离,即使在极低的赫兹信号频率。的有效带宽通道通常是更小的。一般来说,水下通信都通过一种声波,它提供更高的通信几公里的距离。但是一个大的艰难,动态变化以及频率选择沟通渠道是该系统的主要缺点之一。
最好,MI-based信号通信(48,71年]。事实上,MI传播范围较小的声波相比。然而,这个缺点是覆盖了系统的稳定性和传输方便。在最近的作品(72年在MI水下传感器通信,3 d线圈天线所带来的好处已经建议提高信号传输的抽象多样性和方向性。一个建议是使用多个频段(73年),这样一个额外的自由度往往是利用的资源分配会增加实现数据率。此外,一个有效的magneto-inductive-based实现被描述在74年]。
此外,一个特殊的申请MI-based通信是无线通信在旧水库的坦克和管道,在泄漏检测通过应用MI-WSNs [12,75年]。为此,郭和太阳76年工作,定义,和发展通道和能量消耗模型。
不幸的是,这样的应用程序实施困难对传感器的尺寸的限制,例如,将相对较小的线圈,比地下或水下应用领域。此外,每个传感节点的传输范围也明显小,系统布局是更高的挑战相比MI -(主要)的布局建立水下通信系统。节能的跨层分辨率已在这方面近年来(77年]。
一般来说,MI-based交流液体,仍然是一个悬而未决的问题,因为较高的路径损耗和复杂的传播。相应的传播渠道,但是,是MI-WUSN几乎相同的传播渠道,这一个领域的进步可以被整合。因此,新技术用于MI-WUSNs可能是用于更严格的设计沟通在液体介质。下一节将突出各种MI-based地下网络的技术。Sambo等人提出了一种新的路径损耗模型通过使用更好的疾病控制中心的预测模型比现有的路径损失(15]。良好的路径损耗模型比较土壤覆盖的无线电频率(78年]。为了估计信号衰减,两大模式,即。、修改Friis CRIM-Fresnel,相比。在样品介电常数较低的值,CRIM-Fresnel模型给出了一个更好的衰减估计,而modified-Friis模型具有更大的准确性与更高的粘土或样品含水量较高的介电常数的值。
4所示。最近的进步MI-WUSNs
Akyildiz等人定义的需要MI收发器与常规WUSNs研究促进会MI-based通信系统(79年]。这里主要考虑的问题是,与传统方法关注的是电磁波,MI通信被认为是减少感染期间修改的土壤。不同的范式用于MI-based通信已经证明,在多个节点交互在一起与MI底层物理介质。水槽节点连接到网关,数据首先积累,然后上传到服务器进行进一步处理。总理本研究关注MI-WUSNs,是网络的组件部署在地下介质中,作为古典表面技术是用于建立通信。下面详细描述了各个方面的进步MI-based WUSNs更好的理解。
4.1。信道建模
一个感应线圈是每个MI收发器的主要元素。它创造了准静态磁场本身是被另一个MI收发器的线圈。此外,在选择共振频率降低路径损耗,创建电路谐振,电容器连接到每个线圈。由于相对较高的传输范围(10 - 100)的传感器之间MI-WUSNs,线圈有足够的规模通常使用,例如,螺线管目前消费量厘米为半径(80年]。它不同于NFC几厘米的小线圈的半径已经使用,提供一个更窄的传播范围。
更大的路径损耗指数在自由空间(通常6)相比,经典电磁波(一般2和4根据不同条件)可能是一个必不可少的特点为这种形式的通信(2]。因为土壤作为传播介质的电连接,磁场在土壤已经削弱了由于简单的涡流事务(81年]。主磁通从Tx.线圈因此只产生轻微的电流,从而产生二次磁场排斥主要领域和降低了MI。随着信号频率的增加,这种影响是钢筋。非均匀介质,不同的传播介质层不同电导率预计水平。
考虑线圈的位置对媒介的物质,磁场解释的方法。发射线圈建立的土壤(2媒介表现出完全不同的导率)之间的乘数计算(82年]。如果线圈已经深深地放在地球上,然后通过底层信号传播与很多层,分析了非均匀介质83年),相同的皮肤深度不同媒体认为皮肤深处的平均值在所有相关层。
由于路径损耗的增加,低谐振频率100赫兹之间和1 MHz一直喜欢MI-WUSNs传输距离超过10米。Kisseleff et al。84年]显示最佳谐振频率下降了收发器之间的距离的平方。然而,尽管最佳谐振频率,路径损耗比例总是大于10的力量空间,分配信号传输在巨大的范围(超过一百米),是不可能的。
的基本分类地下介质内的磁通量传播覆盖等(82年]。MI收发器的模型以及它们的通道模型讨论了(9]。近来,系统和网络的所有特点和功能造型再学习,MI-based传输媒体不同于传统EM的通信媒体搪塞过去。同时,点对点通信链路的路径损耗是广泛代表(9,85年]。
最近各种不对称的大范围通信收发器在土壤中描述86年)控制财产甚至在预期的情况下安排。这里,多个接收线圈,和不同的巨大发射线圈连接到每个传感器节点。使用这个,信号通常承认的至少一个线圈收发器即使在安排;因此,中断的可能性有所降低。但是,这种多线圈的接收机的相关性仍然需要仔细分析。
单MI链接的有效性和完整的MI WUSNs被广泛研究应用衍生为点对点信号通信信道模型。
4.2。单小姐联系
研究人员分析了各种系统参数的影响在点对点的沟通渠道80年,87年- - - - - -89年]。特别是,各种矿物质的影响在信号传播和系统效率一直在探索87年]。另一方面,作者集中在线圈算术和共振频率的提高(89年,90年]。此外,系统性能方面的数据传输速率是在9)是可以接受的目标操作WUSNs,激励我们为所有新的研究。注意到,数据传输速率高达1 Mbps MI、甚至公平传播范围最多15米和8米在干燥和潮湿的土壤,分别。此外,传统的电磁辐射不提供可接受的数据率传输范围超过五米即使在干燥的土壤。此外,合理的数据通信技术是探索MI-WUSNs和演示控制损失相比性能约束(83年]。
此外,电磁超材料领域的发展(91年假定MI)促进了利用波导(传送多个被动MI设备和metamaterial-improved MI收发器)(92年]。这些高级MI收发器配置可以用来实现更好的方向性信号传播的高度低与传统感应线圈。特别是,每个被动继电器的特点在MI波导w.r.t.带宽效率提高(80年和通常的数据率。有限的生产和效率低下的部署MI-WUSNs的主要缺点是,它可以呈现它的高成本。
最好是,使用传统(积极)继电保护方案看起来非常有前途84年),因为它依靠的安排额外的继电器控制器数量限制,而通用数据传输速率提高了一个数量级而没有继电器的基本场景。
一般来说,较高的共振频率不同1 MHz和20 MHz内发现了希望基于继电器MI-WUSNs因为每个sublink的传输范围有限。此外,信道的频率选择强烈依赖于MI收发器和继电器的数量,每个设备的行为像一个窄带通滤波器无论其主要性能。通常是由于使用谐振电路(80年]。
联合使用主动和被动继电器是一个令人鼓舞的扩展MI-WUSN已有的解决方案。特别是,WPT而言,MI波导由邻国之间的强耦合继电器经常出现非常有用的高的带宽不是必要的。MI波导因此可以用于充电网络(2]。
4.3。同步和信道估计
同步不是通常覆盖在MI-WUSNs理论著作,随着流行的同步技术当MI-WUSNs大大影响没有显示同步的效率相比传统复杂的通信网络和传感器网络(93年]。此外,数据包传输的同步通信网络覆盖在94年]在MI-WUSNs对应传输调度。
另外,评估地下计划内的磁场传输通道是一个有用的练习,这就是很难解决一些工作(95年]。另一个有用的发现是,传输信道的频率特性通常依赖于谐振电路,很少在范围或半导体土壤的性质。此外,每个电路耦合改变当前在随着发射机(95年]。这种方法的优点是不需要任何特定的训练序列的信道估计,因为传播符号是完全承认。该方法采用(96年),信道估计协议提出了更大的MI-WUSNs。这种渠道评估可能不仅允许自动传输能量管理,另外允许非职业设备的本地化,这可能触发重新配置过程和建立一个备用信号路由。
除了这项工作,它通常被认为是一个系统设计师和每一个MI收发器都知道信道状态信息(CSI),假定部署WUSNs是静止的。因此,传输通道几乎总是不变的。因此,一个通道充分评估过程与长期平均WUSNs的主要工作开始前进行。同样,接近理想CSI访问期间的主要活动。不过,即将到来的方法的系统布局MI-WUSNs应该包括环境参数的变化可以改变在意外的地震或降水(6]。因此,系统参数鲁棒优化的方式或许选择的概率密度的环境参数。
4.4。部署传感器节点的策略
传感节点的分布在选定地区的网络布局的意义是一个至关重要的条件。的分布传感节点的各种方法,提出了在过去,使用不同的措施和参数。尤其是MI-WUSNs,定位每一个线圈以及传感模式的位置是至关重要的。具体来说,当磁场并不是由一个线圈放置正交极化,线圈的方向可能会改变最小化cochannel网络组件之间的干扰(90年]。MI波导,包括一些被动继电器、线圈的方向可能会选择的方式定义的功率泄漏可能会降低频率(97年]。因此,高效的通信信道的带宽可能会加强改善的方向每一个继电器和每一个电路的谐振频率。此外,分布法与大大改善部署工作,因为每一个线圈需要把和定向精度。
最小化的目标的复杂性的系统,作者强调了两个简化分配方法:“水平”和“垂直”分配方法(88年]。在“横向”分布的方法中,每个线圈的轴专注于相同的信号传播方向,因此加强集体感应设备中相同的连接。在“垂直”分配方法中,每个线圈的轴线突出对底部区域,因为quasi-omnidirectional关系传播。这个方法非常有利于MI-WUSNs被动继电器。因此,每个设备与其他节点的网络88年,90年]。
在MI waveguide-based WUSNs,突出了波导的路径是实际的信号传输路径。因此,节点之间没有建立连接,直到他们不是MI波导的方法有关。逻辑存在于信号频率的选择,这通常是更大的网络建立在MI波导。频率产生一个高直接MI传播路径损耗;因此,只有通过MI波导传输是可能的。同样,路由围绕设备的选择是通过波导小姐联系。因此,这些设备应该用心选择,以改善执行网络吞吐量或财产(94年,98年]。在[98年),泰森多边形法镶嵌用于选择节点通过MI波导相连。应用启发式方法,依赖于递归计算的MST和漏报可疑链接。此外,度分布是一种有效的系统体系结构的特点。可以肯定的是,如果两个线圈放置在地面接近对方,生产领域的一部分会通过空气传播,而另一个部分通过土壤传播(88年]。因此,在比较信号通信发生在均匀土壤中,路径损耗在这种情况下基本上是低。但是,信号传输,这种效果是完全在MI的影响,这可能是一个参数,将考虑优化和网络体系结构。一般来说,很难提高节点的位置,甚至姿态,因为节点的分布通常是实现一些特定的地点,在一个特定的角度。但是,如果这个自由度是可访问的系统工程师,具体改进通常导致了令人鼓舞的结果,可用于提高网络的整体性能。
4.5。跨层的改进
无线传感器网络的传感器网络的容量或吞吐量已详细描述(99年]。进一步,MI-based WUSNs、作者(80年)讨论和测量这些网络的网络性能,使用通道模型作为解释(9]。有趣的是,相比传统EM-based通信网络,观察性能退化MI-WUSNs而言,但在研究制造(80年),信号处理和调度的一般问题没有被考虑。因此,一些先进的设计MI-WUSNs与多个传感器在改进的跨层交互模型细化,例如,(One hundred.]。
这项工作是考虑使用不同尺寸的信号处理和网络,例如,调制技术,连接方法、路由机制,调度、错误率,和分配技术。同样,不同的系统参数,依靠假定信道模型和环境建议。尤其是各种分布准备选项直接MI通信使用没有被动的继电器和MI波导使用被动分析了继电器在现实的体系结构检查(101年]。更多相关工作102年)提供了一些视觉进入网络体系结构主要的介质访问控制(MAC)层。进化从传统的协议架构MI-WUSNs跨层协议体系结构是在许多研究讨论。
此外,SWIPT设计为地下通信覆盖在103年),考虑到功耗和电池充电网络体系结构的需求。该方法对传感器节点赋予一个唯一的优先级根据剩余的电池寿命,从而改变传感器网络的吞吐量的定义。然而,这是一个非常富有成果的和有前途的方法,因为它增加了开发网络时间和减少的可能性断开造成的所谓能量洞(104年)如果出现一些最重要的排水节点由电池供电,干燥。
阮et al。105年)提出了一个混合聚类和进化方法WUSN一生的最大化(106年]。跨层方法的优点和缺点已经展示在表1。
4.6。传感器电池充电
根据(3),电池已被发现是另一个重要关注网络。最近网络的应用,所有传感节点使用一个可移动的收费收取车辆有更好的充电使用框架和一个移动的路径(107年]。相同的机制也可能适用于MI-WUSNs会有轻微的改变将对地下介质的特点收发节点基于系统模型的体系结构。受欢迎的能源战略链接(108年),但他们的地下介质的性能仍然是不可预测的。此外,在许多WUSN应用程序中,由于传感器节点分布在很少的环境如油藏和矿山(76年,109年)和基础设施健康观察(10),一个移动代理可能不能够足够的接近每个传感节点充电的目的。此外,电磁波可能不能够穿透表面的传感节点传输功率的方法。当传感装置的数量收费达成的车辆,其能源消费可能是其中的一个重要参数的综合分析成本。
作为一种替代方法,固定电源放置在水面上的地面和与其他传感设备,例如,通过电缆,采用。完整的网络是无线充电的帮助下这个指控节点(59,103年]。改善相应的充电过程中解释(109年),能量损失最小化由于虚拟磁MIMO-based继电器网络与传输协议进行了优化。由于一些限制,充电能力仍然很低,而线圈半径(约适中。25厘米)被使用,尽管能源能力可能增加了改善系统参数的一部分提到的跨层环境。
此外,额外的无源继电器(97年可以放置和甚至在MI波导组织。在这种情况下,由于空间通信系统的多样性,增加继电器的定位似乎是可以接受的,这是非常有用的,尤其是当加上前面提到的虚拟MIMO的方法。此外,通常使用继电器设备,能耗微不足道而传递信息,但仍然支持能源传送。这些继电器是非常有用的设备通常被认为是大多数时间充满电需要没有能量让自己充电。这是因为继电器设备不会参与信息传播;它不是与任何网络链接。因此,他们通常部署在设备节点,以一种继电保护设备之间的距离和任何邻近传感器节点尽可能最小。类似地,就可以提高充电能力和降低能源传送路径造成的损失上限。充电能力将进一步提高,是否增加数量的继电器。
4.7。本地化
本地化的不同方面110年]研究了MI-based网络在一些以前的作品,例如,(111年,112年]。然而,这些作品不有效地承认定位在地下介质有相当不同的属性和挑战。因此,这些作品中所提出的策略不适合MI-based WUSNs。
的主要应用领域内的定位地下介质的追求自然野生动物(113年和矿山人类和机器人的位置114年]。研究人员在113年)所描述的MI收发器的使用封闭的小兔子和獾的目的他们的自然环境。不过,定位和追求在113年)还没有立即检测供电,永恒的数据收集。此外,一个优秀的方案建议(113年),适用于长线圈放置在地面上。尽管显著准确定位了这个工作,建议技术只是适合本地化在有限大小的地区,因为它需要很多位置的努力。本地化的研究人类困在煤矿用各种信号传输方案,如无线个域网和RFID的检测提供了(115年]。然而,在发生潜在的塌方,便携式磁传感器放在煤矿工人的身体也用来纪念矿工的位置。在这些情况下,提出了应用基于机器学习的理念定位在101年)通知传输通道的非线性力的降低定位精度与常规三边测量或三角定位策略。的作者(8)建议基于一个独特的梯度技术和本地化框架定位在隧道。在分析矿山电磁波传播的路径损耗,MI-WUSNs已经申请了矿工的安全(114年]。
模棱两可的接收信号由于电压线圈错位,定位错误,等尚未解决的问题是定位依赖于MI。传感器的位置可以广泛的改变,尤其是在我崩溃的事件。本地化由于分歧的影响质量的假设立场仍然是一个悬而未决的挑战未来。
4.8。在MI-WUSNs实验工作
除了把理论体系模型,大量实验工作也已由研究人员证明了模型与假设[116年]。这些验证部分批准MI-WUSNs信号通信的不同维度,例如,信号越来越疲惫,由于土壤电导率(涡流)在MI继电器和信号得到过滤。实验也被使用在个人实验室测试床执行,例如,(117年]。
具体来说,很多(至少7)被动继电器排列在一条直线上的完整的通信范围几米已经检查了MI波导框架(94年]。
在不同的频率,接收信号功率是记录在4 - 9 MHz范围。不同的环境因素将自然土壤中含水量的崛起也被评估。此外,3 d电磁线圈放置;同时,观察相应的性能变化。在[117年),一个测试床与多个传感器节点执行,使用3 d线圈空间复用的目的。35米的传输范围已经说明了使用节点应用职业2 kHz的频率,建立线圈取向与接收信号功率无关。
在另一个实验中,例如,(116年),收发器放置在土壤。在[116年),信号衰减计算来验证土壤中涡流的结果,造成信号的路径损耗的增加。在这里,一个显式的MI与没有考虑通信范围被动继电器三十米5 kHz的操作频率。总的来说,实验结果发现按照信号传输模型理论。这些结果也表明,额外关注的理论是正确的。
然而,由于系统的复杂性高、部署工作,没有磁场的实验还没有完全被描述或做手术多节点MI-WUSNs沟通过去以最小的损失,有效的调度,和充电以及本地化。然而,开发协议和现场实验的可能性是越来越趋势由于高利息在这一领域的研究。
5。分析WUSN
5.1。EM / MI-WUSN的SWOT分析
基于EM的SWOT分析/ MI通信WUSNs有助于分析要点导致性能改进。优势表明WUSN的关键领域,它可以用在一个有效的方式,和弱点表明研究的重点是集中来克服这个问题。机会表明未来发展的方向,和威胁要照顾而实现WUSNs。表中给出了SWOT分析2。
5.2。比较研究的协议
协议用于WSN网络技术,如地下和水下和跨层架构使用EM / MI通信被认为是比较研究。本研究主要包含协议从2009年至今的性能参数,福利,和局限性。本研究认为主要发展了网络协议用于标明的WSN研究的方向。表3代表了比较研究的基础协议。
WUSNs能源贫瘠的地下环境,传统OSI分层协议更加昂贵,因此不太喜欢从视角MI-WUSNs的有效性和效率。而跨层协议被证明是更好的为同一接口的功能可能是利用不同层的集成方式。上述协议,分布式environment-aware协议(DEAP)是更安全的和操作在不同的层导致节能、高吞吐量增益,和较低的计算复杂度。
5.3。支持技术
许多最近的事态发展在各领域UWSNs看到了巨大的增长。技术允许水下传感器和应用程序之间的交互通信发展提供用户服务,适应不同的需求和偏好。4.0突破行业已成为一个动机因素采用行业物联网(IIoT)。IIoT提供安全的数据传输和更新不时到云从不同的传感器网络。IIoT是一个系统,组成的云网络、终端、设备和机器,将工业无线网络和物联网技术118年]。物联网和UWSN行业最近的进步因此导致了日益增长的兴趣在互联网水下的东西(IoUT)。IoUT使大量的水下传感器来收集和传输高速数据互连的表面。
显著一步进一步减少温室气体对环境的有害影响是引入绿色IoUT [119年]。除了这个温室效应,作者状态,水下节点重要的电力消耗和汽车需求可能停止过早或应用程序从操作至关重要的任务。这个问题使得研究人员在发展中新兴节能UWSN设计离岸天然气和石油环境特别是[120年]。由于集成异构节点,水下通信系统,复杂的体系结构,以及各种水下应用,水下通信系统在未来几年将面临挑战。因此,作者提出了一个软件定义网络(SDN)范式,促进创新的实践,提高网络的灵活性,有效地分配资源,并管理运营成本(121年]。
6。推理和MI-WUSNs进一步的挑战
最近的进步MI-WUSNs转移的主要研究范围在这个领域的新挑战仍需要解决和解决。
MI-WUSN进化的其中一个重要的领域是设计之间的不同的接口机制MI-based WUSNs轮和其他类别的操作如WUSNs与水下无线传感器网络(如深海的探索和海军边境防御),WUSNs与网络等种植树木和蘑菇,WUSNs牲畜与网络交互(如一个详细研究动物的生活及其对环境的影响),WUSNs与电网接口(如在结构健康监测的情况下),或与自动驾驶汽车WUSNs沟通(如导航和充电的情况下)。可能这些接口的问题可能会在规划尚未看着在即将到来的日子。
MI波导网络的设计在使用主动和被动相结合继电保护也是一个具有挑战性的领域,然而联合提供的好处低路径损耗随着中频频率以及最小化水平但同时很难确定适当的设计,因为它是重要为每个继电器位置和操作模式。
一个额外的方法来进一步提高信号质量和其他在MI-WUSNs输出参数为每个收发器节点部署多个正交线圈。尽管意想不到的失调的节点数量,这种方法保证了具体的连接度,但是相当具有挑战性的设计。
一个主要因素通常低估了在系统性能方面是不完美的信道状态信息(CSI)。一般来说,任何系统参数得到倾斜可能导致整个理论模型以及网络体系结构是无效的。因此,目前的大多数解决方案应该升级,将强大的升级和调整。一些实例连接网络的移动表面系统回程或不同土壤湿度导致额外的关键通道状态的修改(例如,在降雨)和网络延迟其充电的高功率损耗介质。一般来说,系统性能最大化所有适当的通道状态通过引入各种类型的操作机制(例如,收集数据、本地化和充电)与最初优化系统的不同参数,可以根据信道状态和功能。
虽然不同的作者通常建议跨层优化,而是一个多目标优化,优化系统效率的充电功能,定位精度和网络中仍然是一个具有挑战性的问题。这个多目标优化,特别是自充电的设计和低功耗网络的约束下一个高度可行的性能和低价值的最大定位误差,看起来非常有前途。它可以达到通过设置不同的系统参数设置,可以选择按操作模式和应用程序。例如,更高的频率可能被用于短通信链路(网络和充电模式)和较低的频率可以用来定位遥远的目标节点(本地化模式)。同样,为了达到效率类似于最优在大多数情况下,网络可以切换到最可接受的方式。
科学计量分析使用VOSviewer分析工具已经完成调查该地区最近的事态发展的基础和土壤监测。数据库用于分析从斯高帕斯已经过去六年了。网络关键字被显示在图3这表明广泛实现的基础技术在土壤、水分控制和精准农业。的实现自动化、物联网、传感器节点也进行了研究。在最后的两年里,研究传感器网络与物联网上的应用程序,决策支持系统、温室、和农业机器人已经被报道。
图4情节能源利用的网络分析与各种相关领域研究的基础上。“能源利用率”之间的关系和决策支持系统和地下水并没有被研究过。另一方面,水分控制和环境监测是最近研究的研究人员有足够的研究的范围。可以推断从目前科学计量研究,通过传感器网络和其他联军能源利用领域可以进一步探讨。能源支出在农业在印度的一个主要来源,可以通过实施有效的管理,系统物联网,自动化和决策支持系统。
7所示。结论
地下网络是一类特殊的网络迎合一个大范围的应用领域成为一个有吸引力的目的地区域人员。这篇论文回顾了最近的进展发生在地区与MI-WUSNs密切相关等EM-based WUSNs,水下传感器网络,MI-based NFC和WPT等信号传输机制。这些领域的发展提供一个重要的图片关于可能的问题及其调整机制相关的系统建模和设计,为设计高效MI-WUSNs被证明是有益的。多个维度的发展使MI-WUSNs从部署方法,通道造型、同步和信道估计,单MI链接,定位能力,跨层架构和电池充电要求达到高质量的服务,已经进行了讨论。这些因素使重点研究的新视野。大范围有工作更有效率和跨层优化技术,可以集成多个MI-WUSN功能,如低能量需求但较高的网络吞吐量。它也会承诺使用主动和被动相结合的MI继电器设备操作不同的减少整个路径损耗和能源需求。各种网络接口与地下网络的可能性需要利用包括无人驾驶车辆和其他物联网应用程序。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。