无线地下磁感应通信系统研究与实现

无线磁感应通信通过准静态磁场耦合的方式实现数据传输,可以克服传统电磁波无线通信在地下环境中信道不稳定、天线尺寸大等问题,更适用于无线地下传感器网络。针对无线地下传感网络的应用需求,本文建立了基于收发线圈的磁感应耦合式无线通信模型,分析了发射磁场的分布特点,设计了无线地下磁感应通信系统,搭建了实验测试平台。实验结果表明,该系统在地下环境中可以实现短距离的无线数据传输,通过增大收发线圈的半径和增加匝数可以延长通信距离,改善系统通信性能,为无线地下传感网络的应用提供参考。

基于电共振方法的磁感应通信仿真研究

为了提高磁感应通信系统的通信距离,采用电共振方法进行改进,将其简称为MIC通信,分析MIC的信道特征并与传统的磁感应通信进行对比。研究表明:电共振方法可以减小磁感应通信系统的路径损耗和误码率,进而增加传输距离;线圈的Q值和半径越大以及线圈内阻越小,信号的传输距离越远。

磁感应通信信道容量研究

作为新兴的通信技术,磁感应通信能在很多特殊环境中替代电磁波通信,比如在地下、水中、海岸附近和洞穴中。信道的容量是通信系统的一个重要技术指标。首先分析了磁感应通信系统的传输功率比,通过对其路径损耗的分析,估算出了3 dB带宽,然后计算出了其信道容量。同时分析了能够影响远距离信道容量的一些关键因素。研究结果发现,线圈的半径和Q值越大,远距离的信道容量就越大。

两种磁感应通信信道建模与特性分析

为了解决地下环境中无线磁感应通信系统存在路径损耗大,无法实现较远距离通信的问题,本文构建了基于波导技术与协同技术的磁感应信道模型。通过波导技术,向收发线圈之间引入无源中继线圈,经过谐振线圈的磁耦合完成信号传递;通过协同技术,传输的磁感应波由多条不同路径到达接收端,从而完成信息的传输。对路径损耗、误码率等特性仿真分析,结果表明:路径损耗小于100 dB时,普通磁感应系统最大传输距离约为20 m,而磁感应协同系统与波导系统最大距离分别延长至45与150 m以上;在传输距离较近时,磁感应波导系统的路径损耗大于协同系统,可通过减小中继线圈的间距和电阻进一步降低其路径损耗;磁感应协同系统的路径损耗受线圈的位置、间距和数量影响较小,从而降低了部署的难度。因此,构建的两种通信模型都能有效降低信道路径损耗,增大通信距离,波导技术效果更明显。

地下磁感应通信阵列天线传播特性分析

针对地下磁感应通信系统中单个磁性天线路径损耗大、通信效率低、传输距离短的问题,研究了双线圈天线与3D天线两种协同式天线的电磁传播特性。基于Matlab对根据天线数学模型得到的磁感应强度进行了仿真和分析,并将两种天线的传输性能与单一磁性天线进行了比较。研究表明,两种天线的磁场强度都有很大提高,并具有方向性和对称性,双线圈天线的磁场强度分布受发射天线间距、摆放角度以及收发天线垂直距离影响较大,在间距较小情况下,传输距离大于3D天线;而3D天线磁场强度随传输距离衰减更慢,磁场分布范围更广。

水下磁感应通信阵列天线磁场仿真与特性研究

当线圈的几何尺寸、空间位置和激励方式发生变化时,空间中某一固定点的磁感应强度也会随之变化。本文以一般空心圆环线圈为例,针对不同的空间位置和激励方式,对单线圈、双线圈阵列和四线圈阵列的磁感应强度分布进行建模仿真与特性分析。研究结果表明:阵列天线在电流同向时,其磁感应强度在空间中正向叠加效果最好;随着线圈间隔的增加,双线圈、四线圈磁感应强度模的峰值最大时可比同功率单线圈分别高出35%,82%;最佳接收点由一个分裂成与阵列线圈数目相等的个数;随着接收端轴向距离的增大,双线圈、四线圈磁感应强度模的峰值超过同功率单线圈,且较高值覆盖面积比单线圈大;轴向距离为10 m时,双线圈、四线圈磁感应强度模的峰值分别是同功率单线圈的1.37倍、1.94倍;最佳接收点最终合拢为原点处的一个。

水下环境安全监测无线磁感应通信技术研究

针对复杂水下环境中安全监测的应用需求,采用无线磁感应通信技术作为信息传输技术;介绍了水下无线磁感应通信原理,阐述了基于FSK调制方式的水下无线磁感应通信平台设计方案,并在模拟水下环境中进行了通信试验。试验结果表明:水下无线磁感应通信平台能够实现在水下环境中的无线信息传输;采用单向天线的水下无线磁感应通信平台在接收天线位置、角度变化情况下会出现通信中断现象,而采用全向天线的水下无线磁感应通信平台在接收天线位置、角度变化过程中能正常通信,提高了通信可靠性。

地下磁感应通信天线模型及信号传播特性研究

针对磁信号传播具有显著的方向性,而目前相关研究没有充分考虑磁通信过程中天线位置、角度对传输性能影响的问题,研究了2D天线阵列模型中的双线圈阵列、四线圈阵列,以及3D线圈这3种地下磁感应通信天线模型的磁信号传播特性。首先,根据3种天线的数学模型,给出了相应的磁感应强度和收发线圈的互感表达式;其次,对磁感应强度进行仿真和特性分析,并根据磁场分布情况对接收天线的位置和角度进行了优化设置;最后,比较了3种天线模型的传输性能,给出了各发射线圈偏移量和收发线圈所在平面垂直距离对磁感应强度的影响。研究结果表明:(1)2D天线阵列模型和3D线圈模型的磁感应强度具有对称性和方向性。(2)随着收发线圈所在平面垂直距离的增大,2D天线阵列发射信号的传输方向由多个变为1个。(3)当发射线圈参数相同时,2D天线阵列模型的传输距离大于点对点通信模型和3D线圈模型。发射线圈个数越多,2D天线阵列模型的传输距离越远,但磁感应强度随收发线圈所在平面垂直距离的增加而快速衰减。(4)3D线圈模型在3个坐标轴方向上具有相同的磁感应强度分布。3D线圈模型的磁场分布范围最广,但磁感应强度模小于2D天线阵列模型。

埋地式无线传感器的磁感应通信天线模型

磁感应通信方式由于其传播特性不受介质电学特性影响、无多径效应、天线尺寸小等优点,非常适合在地层介质中或水下环境传输信号使用。然而其在近场衰减快的特点,也限制了传输距离。为增加通信距离,在Zhi Sun超材料天线模型的基础上,提出了一种改进的小型超材料天线模型,即在螺旋线圈内部增加铁氧体棒,随后又对球形超材料壳内用弱磁材料进行了填充。用Comsol对此模型进行了仿真,并比较了大半径线圈模型、大半径铁氧体模型、小半径超材料模型以及改进的小半径超材料模型在不同的填充物条件下接收端天线感应的磁场强度。仿真结果表明相同传播距离条件下,改进的小半径超材料天线方案的磁通信系统的接收端天线处的磁场强度最高;如果只对接收磁天线超材料壳内加填充材料而发送端天线壳内不加填充材料的情况下,改进的小型超材料天线模型的接收天线处耦合磁场强度相比大半径的线圈模型时接收天线的磁耦合强度提高了约20 dB.

协作式磁感应通信的线圈阵列优化设计

磁感应通信是一种新兴的水下无线通信技术,但传统方式的磁感应通信系统路径损耗高、传输距离有限.本文针对空心圆环线圈的点对点式与协作式的磁感应通信模型进行了理论分析,并提出了协作式通信模型中线圈摆放角度的优化设计方法以最大程度地提高通信距离,同时针对实际水下应用环境提出一种校正机制以动态消除水流影响.研究结果表明:对于一般协作式,当间隔角度|θ|≥38.53°时,发射线圈T_(2)对接收线圈R_(1)磁通量的增加低于20%;改进T_(2)、R_(1)的摆放角度可以提高接收机处磁通量相对增长率,最大可比一般协作式分别高出20.30%、12.66%,且改进T_(2)摆放角度的方法对提高整体通信能力更有效;当接收机最小灵敏度为0.1 nT时,在相同发射功率下,改进T_(2)摆放角度的协作式磁感应通信(线圈间隔100m)的传输距离比点对点式高出9.96%.

跨空海界面磁感应通信特性分析及应用

现有的跨空海界面通信方式都存在着各自的问题,磁感应通信具有信道特性稳定、抗时变环境等优点,使得其很适用于跨空海界面环境。本文对跨空海界面磁感应通信进行研究,利用分层导电媒质中的磁偶极子,建立跨空海界面磁感应传输模型,仿真磁场分量的传输特性;借助于磁感应通信系统,进行海上通信验证试验。结果表明:经相关信号处理后,实现了35 m水深、速率15 bps的无误码通信,验证了磁感应通信在复杂海洋环境中的可行性和有效性,为进一步跨空海界面磁感应通信的研究打下基础。

磁感应通信在地下物联网中的应用

随着智慧城市的快速发展、城市物联网的建设,城市地下管廊中有大量供排水、供热、燃气、电力等重要设备运行状态信息需要从地下传到地上。磁感应通信在地下环境中具有传输距离远、抗干扰、天线设计简单等特点,适合作为透地通信的手段。在分析了磁感应透地通信的发展、原理、系统组成基础上,给出了发射线圈、接收线圈的设计原则及提高系统性能的措施,为磁感应通信在地下物联网中的应用提供了参考。

基于磁感应通信的E类放大器设计研究

针对磁感应通信需求,设计了一种推挽型类放大器,具有高效率、低损耗等优点。在相同输入电压条件下,推挽型类放大器的输出功率相对于单E类放大器提高4倍。通过Multisim仿真计算得到频带宽度为476Hz,基本满足磁感应通信中的MSK调制需求。最后制作试验样机,天线辐射功率可达1.45W,系统效率为73%,拓展了磁感应通信距离。

基于磁感应通信的AUV姿态估计实验设计

利用磁感应通信信号在水下具有信道稳定、低时延的特点,设计了基于磁感应通信的AUV姿态估计实验。有效克服了传统AUV姿态估计方法中惯性传感器误差累积,水下多径效应、多普勒频移对估计精度的影响。在水下AUV回收平台部署单向磁感应发送线圈,在AUV中部署三向磁感应接收线圈。利用磁感应通信技术,通过三向接收线圈估计姿态角,推导了三向接收线圈上的感应电动势与姿态角的关系,提出基于压缩感知的AUV姿态估计方法。理论仿真和硬件实验结果表明:提出的目标姿态估计方法可行,增加发送线圈阵列数目可以有效提高目标的姿态估计精度。

基于磁感应通信的水下链式网络MAC协议研究

水下磁感应通信作为一种新型的水下通信方式,通过无线磁通信中继级联可以构成水下链式网络。本文提出了一种基于磁感应通信的水下链式网络MAC协议—LM-MAC(Level and Magnetic based Medium Access Control Protocol),依据拓扑位置生成每个节点的不同等级值,每个节点根据等级控制数据转发规则。每个节点设置了接收、发送、监听和睡眠四种状态机,根据工作条件不同进行状态转换。最后,本文采用OPNET仿真平台进行仿真实验,建了单链网络和双链网络拓扑,在通信距离与网络结构相同的情况下与IEEE802.11MAC进行了横向对比,仿真结果表明了LM-MAC协议可以减少网络通信负荷,在传输延时、数据包成功投递率等方面有10%左右的优化,因此能够较好地适用于水下磁感应通信网络环境。

无线磁感应透地通信传输距离分析

无线磁感应透地通信通过准静态磁场耦合的方式实现信息传输,可以有效解决传统电磁波透地通信中信道不稳定、传输距离近、天线尺寸大等问题。建立了磁感应透地通信模型,分析了磁感应透地通信中产生的磁场在不同方向上的衰减规律,以及发射天线主要参数、接收机的位置、接收机传感器灵敏度、大地磁导率对透地传输距离的影响,得到了透地传输距离关于上述参数的函数关系。通过仿真与分析得出结论:磁感应透地通信具有传输距离远、受地层介质影响小等优点,在合适的参数配置下穿透深度可达600 m以上。

水下无线通信装备发展研究

水下无线通信(UWC)装备提供水下环境中信息传递和数据交换的能力,是支撑海洋科学研究、水下组网监测、水下协同作业、海洋安全维护等应用的重要装备类型。本文从水声通信、水下光通信、水下电磁波通信、水下磁感应通信4类主要的UWC装备出发,深入剖析了各自面临的技术难点,全面梳理了相关装备的国内外发展现状,进而凝练了UWC装备未来发展趋势。着眼我国UWC行业发展,辨识了整体差距、底层共性问题、顶层体系等方面的发展困境,提出了攻关基础机理与共性问题、聚焦突破行业核心方向、明晰装备顶层体系架构、完善保障措施与扶持政策等发展建议。相关内容可为把握UWC装备发展态势、布局UWC装备研制与应用等提供参考和启示。

水下安全监测无线磁感应通信3D路径损耗

为有效避免声信号在浅海水域受海底海面多次反射的影响,针对水下安全监测网络节点方向、位置变化的特点,以无线磁感应通信技术为通信手段,在对单向无线磁感应通信模型分析的基础上,提出了一种全向水下无线磁感应通信模型.研究结果表明:在单向无线磁感应通信模型下,接收天线法向量方向角度γ为0.5π与1.5π时,收发天线之间耦合作用消失,导致收发端无法保持正常通信.在海水环境中,由于涡流效应造成无线磁感应通信的额外损耗分别与信号频率和海水盐度的平方根成正比关系,当天线线圈半径为0.5 m,匝数为100时通信距离仅为20.0 m;在淡水环境下采用全向无线磁感应通信模型,当接收天线位置和方向变化时,其路径损耗在60～67 dB的范围内变化,能够有效解决单向通信模型中由于天线方向、位置的变化造成的通信中断问题,提高通信的可靠性,为水下安全监测网络的应用提供参考.

面向应急救援的多输入单输出磁感应透地通信

为提高磁感应透地通信系统的传输性能,扩大磁感应透地通信系统的传输距离,研究了多输入单输出(MISO)磁感应透地通信系统:建立了MISO模型,并根据基尔霍夫定律建立KCL方程,获得了MISO模型的收发功率,分析了MISO磁感应透地通信系统的路径损耗;研究了MISO模型磁感应强度分布特性,得出了MISO磁感应透地通信系统的信号传输特点。研究结果表明:当发射线圈具有相同电流时,MISO模型较单输入单输出(SISO)模型的路径损耗明显降低,发射线圈越多,则路径损耗越小;当发射功率相同时,接收功率近似与发射线圈个数呈正比,接收端磁感应强度随发射线圈个数的增加而增大;MISO模型能够有效提高磁感应透地通信系统的传输距离,当各发射线圈通有相同电流时,MISO(1,2)模型的传输距离约为SISO模型的1.11倍,MISO(2,2)模型的传输距离约为SISO模型的1.26倍。

基于磁感应的油藏裂缝内地下无线传感网络定位

针对在油藏裂缝中地下无线传感网络节点定位问题,提出一种基于可变方向增强拉格朗日方法和粒子群优化相结合的定位算法。锚节点布置在井筒固定位置,传感器节点随压裂过程进入裂缝具有位置随机分布特性,节点间采用三线圈磁感应方式通信。推导了基于接收信号磁感应强度的节点间距离估计公式,据此获得全部节点与锚节点及与其邻居节点的距离集合。然后将定位问题转化为半定规划问题,并采用可变方向增强拉格朗日方法求解上述凸优化问题获得初步定位,再将其作为粒子群优化算法的初始值,在上述初始值小邻域内局部搜索获得最优解作为最终定位。仿真结果表明该算法相对定位误差低于0.6,且定位精度受测量噪声变化影响较小。