發(fā)布時間：2020-04-07 23:51

【摘要】：隨著地下空間和資源越來越深入地開發(fā)和利用,對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)電磁波無線通信技術(shù)在地下環(huán)境中存在路徑損耗高、信道不穩(wěn)定、天線尺寸大等問題,無法滿足應(yīng)用需求。無線磁感應(yīng)通信技術(shù)通過耦合磁場傳遞信息,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)合無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用需求對無線地下磁感應(yīng)通信系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計和性能優(yōu)化問題展開研究。首先,本文系統(tǒng)綜述了無線地下磁感應(yīng)通信系統(tǒng)及其應(yīng)用的國內(nèi)外研究進(jìn)展,對現(xiàn)有研究存在的問題作了總結(jié)。重點介紹了磁信號的傳輸原理,對無線地下磁感應(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)境的特點通過磁場計算和有限元仿真分析了發(fā)射磁場的強度及其分布特點,在此基礎(chǔ)上給出了一種基于耦合線圈的無線地下磁感應(yīng)通信系統(tǒng)設(shè)計方案。該系統(tǒng)通過收發(fā)線圈之間的耦合磁場傳遞信息,采用2ASK信號調(diào)制解調(diào)方式。設(shè)計方案由硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分組成,其中硬件設(shè)計分為收發(fā)電路設(shè)計和收發(fā)線圈設(shè)計,軟件設(shè)計分為通信協(xié)議設(shè)計和收發(fā)方案設(shè)計。最后搭建實驗平臺對設(shè)計方案的可行性進(jìn)行實驗測試。實驗結(jié)果表明,本文提出的無線地下磁感應(yīng)通信系統(tǒng)設(shè)計方案在地下環(huán)境中具備良好的通信性能。最后,本文針對無線地下磁感應(yīng)通信系統(tǒng)帶寬受限,信道容量小,傳速速率低的問題,將MIMO技術(shù)與無線磁感應(yīng)通信技術(shù)結(jié)合,提出一種基于MIMO技術(shù)的無線地下磁感應(yīng)通信系統(tǒng)設(shè)計方案。該方案采用正交線圈陣列作為收發(fā)天線,通過線圈兩兩之間的正交關(guān)系解決了線圈之間的串?dāng)_問題,建立起多條獨立的收發(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。通過實驗測試驗證了串?dāng)_消除方案的可行性,同時通過仿真分析證明了在合理的功率分配算法下采用MIMO技術(shù)能夠顯著提高無線地下磁感應(yīng)通信系統(tǒng)的信道容量。本文的研究為無線地下磁感應(yīng)通信系統(tǒng)設(shè)計和性能提升提供了參考,對無線磁感應(yīng)通信技術(shù)在地下環(huán)境中的實際應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義和促進(jìn)作用。
【圖文】：

傳感器與線圈連接，整個監(jiān)測過程所有的數(shù)據(jù)在地下均通過無線磁感應(yīng)通信的方式傳輸，保證了系統(tǒng)的實時性和準(zhǔn)確性。圖1-2 基于磁感應(yīng)通信的地下管網(wǎng)泄漏監(jiān)測系統(tǒng)Figure 1-2 MI-based System Structure of MISE-PIPE以上就是無線磁感應(yīng)通信的研究進(jìn)展，總體來看，，目前關(guān)于無線磁感應(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)于實際應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的研究非常少。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)計和性能優(yōu)化為重點，對無線磁感應(yīng)無線通信系統(tǒng)進(jìn)行研究。1.3 研究內(nèi)容與技術(shù)路線（Research Contents and Technical Routes）本文以無線磁感應(yīng)通信基本原理為出發(fā)點，以系統(tǒng)設(shè)計為對象，以性能優(yōu)化為目標(biāo)，主要研究內(nèi)容包括磁感應(yīng)通信理論、收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計和 MIMO 技術(shù)應(yīng)用等

同時對系統(tǒng)容量進(jìn)行計算并給出功率分配算法。最后通過實驗設(shè)計和仿真分析驗證系統(tǒng)的可行性和相關(guān)性能。圖1-3 研究內(nèi)容與技術(shù)路線圖Figure 1-3 Research Contents and Technical Routes
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN914

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

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本文編號：2618564