无线地下传感器网络(Wireless Underground Sensor Network,WUSN)是指将大部分无线传感器节点埋在土壤中的传感器网络。传感器节点之间以及传感器节点与地上设备之间均通过无线电进行通信。无线地下传感器网络具有良好的应用价值,可以用来监测土壤成分、地下动物巢穴、地下建筑物状况以及地面上物体移动情况等,为农业、环保、科学研究以及安全监控等应用提供有用的信息。与现有的将传感器用有线方式连接起来,进行地下监测的手段相比,无线地下传感器网络具有隐藏性强、易于布设、数据及时、可靠性强、覆盖范围大,易升级等多个明显的优势。无线地下传感器技术是传感器应用研究的新领域。本论文在国际范围内首次对无线地下传感器网络的若干基础问题和关键技术进行了研究,主要包括:无线地下传感器网络的体系结构、电磁波在地下土壤中的传播情况、地下信道模型、土壤电气特性及其变化对无线地下传感器网络性能的影响以及无线地下传感器网络的节点部署方案等。本论文的创新成果主要包括以下几个方面:1.结合无线传感器的技术特点,提出了两种可以广泛推广应用的无线地下传感器网络体系结构。一是用于智能交通系统的无线地下传感器网络,它能够及时获取道路信息,实时向驾驶者提供道路信息,并且具有自发学习功能;二是用于近地表土壤维护的无线地下传感器网络,它可以用于高尔夫球场、足球场等大型室外高级场所,辅助管理员进行场地维护。并针对多种应用环境,提出了一种无线传感器网络信息共享平台。该平台能够克服无线传感器网络专用性带来的信息交流与共享方面的障碍,使传感器网络的资源得到更好的利用。2.以电磁场理论为基础,研究了地下传感器网络中电磁波的各种传播模式。主要分析了在土壤中传感器节点信号的扩散传播过程中所形成的直射波、反射波以及侧面波。同时还分析了通过土壤界面进入空气中的传感器信号所产生的折射波和侧面波。对地下接收到的电磁波的能量损耗情况进行了分析和数值仿真,仿真结果验证了百兆频段的无线地下传感器网络的可行性。3.通过对地下环境的分析、总结以及与水下信道的类比,首次提出了以本征路径为基础,叠加了多径瑞利衰落效应的地下信道模型。该模型不仅包含了电磁波在地下传播的基本路径,还综合了地下环境的多径效应以及空变特性,能够较好地对地下环境进行模拟。在此信道模型基础上,对WUSN系统的误码率进行了数值仿真,为网络层及其以上层次的系统性能分析提供了参照标准。并结合干、湿两种类型的土壤实例,分析了土壤电气特性及其变化对WUSN系统性能的影响。通过仿真和分析,得到了WUSN性能随土壤特性变化的规律。4.对WUSN的传感器节点部署方案进行了研究。针对地下信道通信距离受限、通信质量具有空变特性的情况,给出WUSN的节点部署方案的框架,并提出用于建立初始网络拓扑的两种传感器节点选择算法。这两种算法能够选用尽可能少的传感器节点来实现预定的覆盖率门限,同时满足网络的全连通性。仿真结果表明,与传统无线传感器网络的节点布设算法相比,新算法所需的最少节点数目通常情况下可以减少50%以上。