【摘要】：隨著地下空間和資源越來(lái)越深入地開(kāi)發(fā)和利用,對(duì)地下信息的采集和傳輸提出了更高的要求。與地上空間不同,地下傳輸介質(zhì)由空氣、水、土壤、砂石等多種成分組成,更加復(fù)雜多變。傳統(tǒng)電磁波無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在地下環(huán)境中存在路徑損耗高、信道不穩(wěn)定、天線(xiàn)尺寸大等問(wèn)題,無(wú)法滿(mǎn)足應(yīng)用需求。無(wú)線(xiàn)磁感應(yīng)通信技術(shù)通過(guò)耦合磁場(chǎng)傳遞信息,在不含磁性物質(zhì)的地下環(huán)境中信道非常穩(wěn)定,為地下信息的有效傳輸提供了一種新的技術(shù)方案。本文結(jié)合無(wú)線(xiàn)地下傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用需求對(duì)無(wú)線(xiàn)地下磁感應(yīng)通信系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化問(wèn)題展開(kāi)研究。首先,本文系統(tǒng)綜述了無(wú)線(xiàn)地下磁感應(yīng)通信系統(tǒng)及其應(yīng)用的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展,對(duì)現(xiàn)有研究存在的問(wèn)題作了總結(jié)。重點(diǎn)介紹了磁信號(hào)的傳輸原理,對(duì)無(wú)線(xiàn)地下磁感應(yīng)通信系統(tǒng)模型和傳輸特性做了深入的探討,為系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化的研究奠定了理論基礎(chǔ)。然后,本文根據(jù)地下環(huán)境的特點(diǎn)通過(guò)磁場(chǎng)計(jì)算和有限元仿真分析了發(fā)射磁場(chǎng)的強(qiáng)度及其分布特點(diǎn),在此基礎(chǔ)上給出了一種基于耦合線(xiàn)圈的無(wú)線(xiàn)地下磁感應(yīng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)通過(guò)收發(fā)線(xiàn)圈之間的耦合磁場(chǎng)傳遞信息,采用2ASK信號(hào)調(diào)制解調(diào)方式。設(shè)計(jì)方案由硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分組成,其中硬件設(shè)計(jì)分為收發(fā)電路設(shè)計(jì)和收發(fā)線(xiàn)圈設(shè)計(jì),軟件設(shè)計(jì)分為通信協(xié)議設(shè)計(jì)和收發(fā)方案設(shè)計(jì)。最后搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)設(shè)計(jì)方案的可行性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文提出的無(wú)線(xiàn)地下磁感應(yīng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案在地下環(huán)境中具備良好的通信性能。最后,本文針對(duì)無(wú)線(xiàn)地下磁感應(yīng)通信系統(tǒng)帶寬受限,信道容量小,傳速速率低的問(wèn)題,將MIMO技術(shù)與無(wú)線(xiàn)磁感應(yīng)通信技術(shù)結(jié)合,提出一種基于MIMO技術(shù)的無(wú)線(xiàn)地下磁感應(yīng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案采用正交線(xiàn)圈陣列作為收發(fā)天線(xiàn),通過(guò)線(xiàn)圈兩兩之間的正交關(guān)系解決了線(xiàn)圈之間的串?dāng)_問(wèn)題,建立起多條獨(dú)立的收發(fā)鏈路。以香農(nóng)公式為基礎(chǔ),給出了系統(tǒng)信道容量的計(jì)算方法,然后采用功率優(yōu)化分配算法進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的性能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了串?dāng)_消除方案的可行性,同時(shí)通過(guò)仿真分析證明了在合理的功率分配算法下采用MIMO技術(shù)能夠顯著提高無(wú)線(xiàn)地下磁感應(yīng)通信系統(tǒng)的信道容量。本文的研究為無(wú)線(xiàn)地下磁感應(yīng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能提升提供了參考,對(duì)無(wú)線(xiàn)磁感應(yīng)通信技術(shù)在地下環(huán)境中的實(shí)際應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義和促進(jìn)作用。
【圖文】：

傳感器與線(xiàn)圈連接，整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程所有的數(shù)據(jù)在地下均通過(guò)無(wú)線(xiàn)磁感應(yīng)通信的方式傳輸，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。圖1-2 基于磁感應(yīng)通信的地下管網(wǎng)泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Figure 1-2 MI-based System Structure of MISE-PIPE以上就是無(wú)線(xiàn)磁感應(yīng)通信的研究進(jìn)展，總體來(lái)看，，目前關(guān)于無(wú)線(xiàn)磁感應(yīng)通信系統(tǒng)的研究主要停留在模型構(gòu)建和理論推導(dǎo)等基礎(chǔ)性研究上，且應(yīng)用多停留在理論論證階段，關(guān)于實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究非常少。此外，與電磁波通信技術(shù)相比，磁感應(yīng)通信無(wú)論是傳輸速度還是傳輸質(zhì)量都還有很大的提升空間。因此，本文以系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化為重點(diǎn)，對(duì)無(wú)線(xiàn)磁感應(yīng)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)進(jìn)行研究。1.3 研究?jī)?nèi)容與技術(shù)路線(xiàn)（Research Contents and Technical Routes）本文以無(wú)線(xiàn)磁感應(yīng)通信基本原理為出發(fā)點(diǎn)，以系統(tǒng)設(shè)計(jì)為對(duì)象，以性能優(yōu)化為目標(biāo)，主要研究?jī)?nèi)容包括磁感應(yīng)通信理論、收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和 MIMO 技術(shù)應(yīng)用等

同時(shí)對(duì)系統(tǒng)容量進(jìn)行計(jì)算并給出功率分配算法。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和仿真分析驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性和相關(guān)性能。圖1-3 研究?jī)?nèi)容與技術(shù)路線(xiàn)圖Figure 1-3 Research Contents and Technical Routes
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TN914

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2618564