本文選題：地下通信　切入點：磁感通信　出處：《北京科技大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：當(dāng)前,急需一種有效的、可用于地表下通信與定位的技術(shù)解決震后、難后人員通信、精確定位、搜救等難題。然而,由土壤、沙石、水等復(fù)雜成分構(gòu)成的地下通信介質(zhì)嚴重制約現(xiàn)有高頻電磁通信算法和天線尺寸,使得傳統(tǒng)電磁波通信技術(shù)不再適合。對于建立地下無線通信系統(tǒng),磁感技術(shù)是一個非常好的選擇。比起電磁波通信技術(shù),近場低頻磁感通信技術(shù)具有無多徑效應(yīng),衰減速度相對較慢,無大延遲,小尺寸天線等優(yōu)點,更適用于透地通信以及透地定位。然而,通信介質(zhì)的復(fù)雜性,通信范圍的局限性和透地定位的精準性等難點問題依舊存在。本論文就以上難題提出基于電小天線的地表下近場磁感應(yīng)通信在不同部署條件下的傳播模型及應(yīng)用：通過對綜合考慮地下環(huán)境的點對點通信模型的研究,掌握其基本傳播特性；通過對基于磁中繼技術(shù)的二維、三維天線陣列通信模型的研究,提出長距離通信策略；通過對基于三維天線陣列模型定位技術(shù)的研究,提出對地表下磁感通信重要應(yīng)用——高精度定位的解決方案。本文主要創(chuàng)新性工作如下：1)綜合考慮土壤成分和噪聲等環(huán)境因素,提出無磁中繼點對點通信模型并驗證。傳統(tǒng)近場磁感通信模型利用理想環(huán)境下天線間互感模型進行搭建,沒有考慮地質(zhì)因素和噪聲因素。本文綜合考慮地質(zhì)因素中含水量比重對土壤電導(dǎo)率的影響,噪聲因素中環(huán)境噪聲和熱噪聲對接收電壓強度的影響,增加磁感通信中互感公式的電導(dǎo)率因子、接收電壓種類兩項因素,提出地表下近場磁感通信無磁中繼點對點通信理論模型。同時,設(shè)計并驗證通信裝置,利用通過校驗的通信裝置在不同尺寸線圈、不同含水量、不同角度和不同距離下進行多次實驗,對磁場強度、接收功率、路徑衰減等傳播特性進行研究。2)利用磁中繼技術(shù),提出二維天線陣列通信模型并研究其傳播特性。相較于增加線圈尺寸的方法,采用磁中繼技術(shù)具有天線尺寸小、通信距離長的優(yōu)點,特別適合地表下長距離通信和天線易埋設(shè)的應(yīng)用場景。本文分別就強、弱耦合狀態(tài)下直線型天線陣列的接收功率進行研究,提出強耦合狀態(tài)下天線的最優(yōu)擺放間距以及弱耦合狀態(tài)下的最優(yōu)通信頻率的算法。在此基礎(chǔ)上,進一步提出基于六邊形天線陣列的傳播模型,在色散方程、帶寬、群速度、能量密度和路徑衰減五種傳播特性下與傳統(tǒng)四邊形天線陣列進行對比。仿真實驗結(jié)果表明,在二維空間下,相較于傳統(tǒng)四邊形陣列,本文提出的六邊形天線陣列帶寬提高15.4%,能量密度增加了3倍。3)提出基于磁中繼技術(shù)的三維天線陣列通信模型,研究其傳播特性；并利用該模型提出了基于模式識別與分類的三維定位算法。三維六邊形天線陣列的傳播特性在帶寬、群速度和能量密度等方面都有很大的提高。特別的,比起三維四邊形陣列,其帶寬提高了15%,能量密度增加了3.6倍。基于此天線陣列,本文歸納出兩種常見井下部署場景,綜合考慮收發(fā)端頻率波動、信道噪聲強度波動、土壤含水量波動、擺放角度的不確定性五項隨機因素,提出基于支持向量機模式識別與分類算法的透地定位技術(shù),克服傳統(tǒng)定位技術(shù)在包含信道隨機因素、通信系統(tǒng)的隨機因素和場景部署的不確定性的情況下的不適用性。結(jié)果表明,本文提出的方法不但給出了不確定因素和隨機性存在時,定位精度超過96.5%的方法,而且表明利用機器學(xué)習(xí)算法將磁感通信擴展到惡劣環(huán)境的適用性。
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本文編號：1667325