磁感应地下通信网络系统优化方案的分析

2019-01-24房新荷朱彦龙

电子元器件与信息技术 2018年11期

房新荷，朱彦龙

（郑州铁路职业技术学院，河南郑州 451460）

0 引言

相较于其余种类的网络通信技术，磁感应地下通信网络系统对设备的要求更低，但是在地下环境中，由于信号传播介质的密度等因素很容易发生变化，所以在系统的运行中容易产生更大程度上的信号损耗，这对于磁感应地下通信网络系统的运行状态显然有不利影响，所以在系统的优化过程中，主要优化内容为降低通信系统的信号损耗问题。

1 磁感应地下通信网络系统的运行原理

磁感应地下通信网络系统在运行过程中，宏观上可以看成是两个通信线圈在发射和接收电磁信号，其中发射端线圈会由于线圈中电流的变化产生变化的磁场，这种磁场中可以携带大量信息，而接收端线圈会在变化磁场的作用下在线圈中产生感应电流，通过相关设备的应用能够对这种变化的电流进行分离和解读，以分析发射端发送的信息。

在实际应用中，在发射端线圈与接收端线圈直接会设置多个信号传递线圈，这些线圈的存在能够将信号进行更远距离传送，在各类线圈的安装过程中，为保证信号的传输质量，需要保证各个线圈能够完全平行，并且在布置位置上中心点在平面上重合[1]。但是由于施工误差以及地质变化的存在，在这种技术的应用中很难完全满足设计，另外在一些区域中会将线圈偏移一定角度以实现信号的偏转传递，这种现象的存在导致在系统的运行中容易产生大量的信号功率损耗，无法全面保障信号传递质量。

2 磁感应地下通信网络系统运行中存在的主要问题

在分析磁感应地下通信网络系统运行中可能出现问题的过程中，需要先对整个系统的运行过程中可能降低通信质量的运行进行分析，通过研究本文确定通信质量影响因素包括以下内容：

2.1 通信介质

在地下环境中，土壤中往往含有大量砂石，相较于空气介质与水介质，这些物质更容易吸收通信系统中发射的电磁信号，所以地下磁感应通信网络系统的信号质量更容易下降[2]。在当前的研究中，已经能够计算出磁感应通信网络在空气和水介质中单位距离内的信号传输强度和质量，可以确定的是，在地下磁感应通信系统的运行过程中，相同通信距离下系统的通信质量必然会下降，所以对于系统来说，需要采取合理优化措施对这些损耗的信号进行补偿，以提升整个系统的通信质量。

2.2 通信距离

处于系统的建设成本以及建设工期方面考虑，在系统的建设中，要最大限度降低系统中相关设施的使用量，所以在该过程中需要探究两个信号发射和接收线圈之间的最佳通信距离，通信距离可以按照相关方程进行计算：

在该公式中，μ代表通信系统建设中土壤解释的磁导率，I为信号发射线圈中的电流，N为信号发射线圈的匝数，r为线圈的半径，Z为线圈圆心垂直方向的距离。通过该公式可以根据相关技术标准确定线圈的相关参数，通常情况下需要保证工程中实际的Z值要小于计算的理论值，以保证通信效果[3]。

2.3 中继线圈数量

当发现信号发射线圈和信号接收线圈的所需距离远高于上文中计算的Z值时，或者出于对相关通信设备安装区域的考虑，导致这两个线圈原点无法在平面上重合时，在这两个线圈间需要设置中继线圈，在中继线圈的布置中，很容易由于安装精度问题导致通信信号的功率发生损耗，故而在研究过程中需要对中继线圈数量进行合理确定。在该过程中，也可由上文中应用的方程确定通信线圈之间的最远距离，在此基础上通过降低中继线圈的实际安装距离保证其能够发挥作用。在本文的研究中，根据通信线圈信号发射端和接收端确定信号传输距离，并设置中继线圈布设过程中线圈间距上的正态分布σ，研究表明当σ低于5%时，通信耗损基本可忽略，当σ高于10%时，通信耗损严重。另外中继线圈距离上的平均值也会大幅影响通信网络的信号损耗情况，当平均值较低时，能量损耗会随着通信距离的增加而增加[4]。

2.4 各类线圈安装角度精度

在磁感应地下通信网络系统的设置中，通常只应用与直线信号的传播，以提升整个系统的运行效率，然而在各类信号的运行中，当线圈的设置角度发生偏转时，通信网络的信号传递效率也会下降，假设某线圈与线圈布置的标准平面间偏转角度为α，则在该线圈的重点方向Z上的磁感强度为：

当α提高时，在Z点上的磁感强度会下降，在[0，90°]区间内，该函数为单调递减状态，所以在系统的设计中，优化方案中将不涉及修正线圈的偏移角，只能够通过最大限度保证线圈平齐达到目的。

3 磁感应地下通信网络系统的优化方案

3.1 针对线圈性质方面的优化

在通信系统的运行过程中，通过对系统运行原理的研究可以发现，地下介质由于不均匀性很高，并且在线圈的布设过程中将不可避免产生安装误差，所以在通信网络的运行过程中会产生一定的信号损耗，所以在系统的优化过程中需要在一定程度上提升信号发射线圈的信号强度，对产生的损耗信号进行补偿[5]。通过磁场中Z点的磁感强度计算公式可以看出，通过提升线圈的匝数和电流能够达成这一目的，同时线圈半径也会对信号强度产生一定程度上的影响，所以在线圈参数的优化中，要从这些方面进行考虑。本文主要研究的内容为提高线圈中的电流大小。需要注意的是，在信号发射线圈的匝数和电流参数优化过程中，需要考虑线圈的承载能力，并考虑整个系统在运行中将会产生的成本，从而保证整个系统能够对系统中损耗的能量进行充分补充[6]。

3.2 线圈间距方面的优化

在实际的磁感应地下通信网络建设过程中，线圈间距与通信距离有很大关联，为了能够线圈间距进行更好优化，本文设置了多个链路长度，同时在这些通信链路中设置了0,5,10，15,20个线圈，以探究信号接收线圈获取的信号强度。同时为了能够探究不同通信强度要求对线圈数量的影响，本文分别设置信号接收线圈的最低能够接收信号强度为8dBm、-8dBm和20dBm，同时在优化过程中信号发射线圈产生的电磁信号频率相同，最终发现在不同的试验模式中，当中继线圈数量提升时，整个通信网络中信号能够传输的最远距离也会提升，这说明在实际的网络建设中，可以通过增加线圈间距的方式提高通信质量和距离。

3.3 优化结果检测

3.3.1 线圈优化结果检测

在线圈优化结果检测中，本文应用有限元软件对不同线圈参数下信号传递的距离和质量进行分析，在具体的建模仿真过程中，模拟不同线圈参数情况下的线圈磁场强度，由软件展示在不同距离下的磁感强度。最终结果表明，当线圈匝数提升时，相同距离情况下信号强度更强，电流提升也有这一特点[7]。在后续的研究中，应用MATLAB软件研究了当线圈电流提升时，信号发出系统的运行状态，发现只单纯提升信号放大器的功率不一定能够达成提升线圈中电流大小的目的，还需要考虑线圈的自身参数。

3.3.2 线圈间距优化结果检测

在线圈间距优化中，应用有限元分析软件模拟了土壤环境，同时在两个信号处理线圈中设置了间距相同的不同数量线圈，最终结果表明，当通信距离发生变化时，也需要设置不同数量的中继线圈，并且中继线圈的数量也需要进行适当修改[8]。以接收端功率阈值为20dBm的情况为例，当通信距离不高于2.5m时，在通信系统中不需要设置中继线圈就可以达成很好的通信效果，当通信距离不高于6.1m时，通信系统中需要设置5个中继线圈，各线圈间距为1m，当通信距离不高于8.6m时，可在系统中设置10个线圈，线圈间距为0.78m，在具体的分析中，发现这种情况下最远的通信距离为12.8m，此时系统中的中继线圈数量达到20个，线圈间距为0.6m[9]。