磁感應(yīng)地下通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)優(yōu)化方案的分析

房新荷，朱彥龍

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 451460）

0 引言

相較于其余種類的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，磁感應(yīng)地下通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的要求更低，但是在地下環(huán)境中，由于信號(hào)傳播介質(zhì)的密度等因素很容易發(fā)生變化，所以在系統(tǒng)的運(yùn)行中容易產(chǎn)生更大程度上的信號(hào)損耗，這對(duì)于磁感應(yīng)地下通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)顯然有不利影響，所以在系統(tǒng)的優(yōu)化過程中，主要優(yōu)化內(nèi)容為降低通信系統(tǒng)的信號(hào)損耗問題。

1 磁感應(yīng)地下通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行原理

磁感應(yīng)地下通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，宏觀上可以看成是兩個(gè)通信線圈在發(fā)射和接收電磁信號(hào)，其中發(fā)射端線圈會(huì)由于線圈中電流的變化產(chǎn)生變化的磁場，這種磁場中可以攜帶大量信息，而接收端線圈會(huì)在變化磁場的作用下在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過相關(guān)設(shè)備的應(yīng)用能夠?qū)@種變化的電流進(jìn)行分離和解讀，以分析發(fā)射端發(fā)送的信息。

在實(shí)際應(yīng)用中，在發(fā)射端線圈與接收端線圈直接會(huì)設(shè)置多個(gè)信號(hào)傳遞線圈，這些線圈的存在能夠?qū)⑿盘?hào)進(jìn)行更遠(yuǎn)距離傳送，在各類線圈的安裝過程中，為保證信號(hào)的傳輸質(zhì)量，需要保證各個(gè)線圈能夠完全平行，并且在布置位置上中心點(diǎn)在平面上重合[1]。但是由于施工誤差以及地質(zhì)變化的存在，在這種技術(shù)的應(yīng)用中很難完全滿足設(shè)計(jì)，另外在一些區(qū)域中會(huì)將線圈偏移一定角度以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的偏轉(zhuǎn)傳遞，這種現(xiàn)象的存在導(dǎo)致在系統(tǒng)的運(yùn)行中容易產(chǎn)生大量的信號(hào)功率損耗，無法全面保障信號(hào)傳遞質(zhì)量。

2 磁感應(yīng)地下通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行中存在的主要問題

在分析磁感應(yīng)地下通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行中可能出現(xiàn)問題的過程中，需要先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行過程中可能降低通信質(zhì)量的運(yùn)行進(jìn)行分析，通過研究本文確定通信質(zhì)量影響因素包括以下內(nèi)容：

2.1 通信介質(zhì)

在地下環(huán)境中，土壤中往往含有大量砂石，相較于空氣介質(zhì)與水介質(zhì)，這些物質(zhì)更容易吸收通信系統(tǒng)中發(fā)射的電磁信號(hào)，所以地下磁感應(yīng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信號(hào)質(zhì)量更容易下降[2]。在當(dāng)前的研究中，已經(jīng)能夠計(jì)算出磁感應(yīng)通信網(wǎng)絡(luò)在空氣和水介質(zhì)中單位距離內(nèi)的信號(hào)傳輸強(qiáng)度和質(zhì)量，可以確定的是，在地下磁感應(yīng)通信系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，相同通信距離下系統(tǒng)的通信質(zhì)量必然會(huì)下降，所以對(duì)于系統(tǒng)來說，需要采取合理優(yōu)化措施對(duì)這些損耗的信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，以提升整個(gè)系統(tǒng)的通信質(zhì)量。

2.2 通信距離

處于系統(tǒng)的建設(shè)成本以及建設(shè)工期方面考慮，在系統(tǒng)的建設(shè)中，要最大限度降低系統(tǒng)中相關(guān)設(shè)施的使用量，所以在該過程中需要探究兩個(gè)信號(hào)發(fā)射和接收線圈之間的最佳通信距離，通信距離可以按照相關(guān)方程進(jìn)行計(jì)算：

在該公式中，μ代表通信系統(tǒng)建設(shè)中土壤解釋的磁導(dǎo)率，I為信號(hào)發(fā)射線圈中的電流，N為信號(hào)發(fā)射線圈的匝數(shù)，r為線圈的半徑，Z為線圈圓心垂直方向的距離。通過該公式可以根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)確定線圈的相關(guān)參數(shù)，通常情況下需要保證工程中實(shí)際的Z值要小于計(jì)算的理論值，以保證通信效果[3]。

2.3 中繼線圈數(shù)量

當(dāng)發(fā)現(xiàn)信號(hào)發(fā)射線圈和信號(hào)接收線圈的所需距離遠(yuǎn)高于上文中計(jì)算的Z值時(shí)，或者出于對(duì)相關(guān)通信設(shè)備安裝區(qū)域的考慮，導(dǎo)致這兩個(gè)線圈原點(diǎn)無法在平面上重合時(shí)，在這兩個(gè)線圈間需要設(shè)置中繼線圈，在中繼線圈的布置中，很容易由于安裝精度問題導(dǎo)致通信信號(hào)的功率發(fā)生損耗，故而在研究過程中需要對(duì)中繼線圈數(shù)量進(jìn)行合理確定。在該過程中，也可由上文中應(yīng)用的方程確定通信線圈之間的最遠(yuǎn)距離，在此基礎(chǔ)上通過降低中繼線圈的實(shí)際安裝距離保證其能夠發(fā)揮作用。在本文的研究中，根據(jù)通信線圈信號(hào)發(fā)射端和接收端確定信號(hào)傳輸距離，并設(shè)置中繼線圈布設(shè)過程中線圈間距上的正態(tài)分布σ，研究表明當(dāng)σ低于5%時(shí)，通信耗損基本可忽略，當(dāng)σ高于10%時(shí)，通信耗損嚴(yán)重。另外中繼線圈距離上的平均值也會(huì)大幅影響通信網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)損耗情況，當(dāng)平均值較低時(shí)，能量損耗會(huì)隨著通信距離的增加而增加[4]。

2.4 各類線圈安裝角度精度

在磁感應(yīng)地下通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)置中，通常只應(yīng)用與直線信號(hào)的傳播，以提升整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，然而在各類信號(hào)的運(yùn)行中，當(dāng)線圈的設(shè)置角度發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，通信網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)傳遞效率也會(huì)下降，假設(shè)某線圈與線圈布置的標(biāo)準(zhǔn)平面間偏轉(zhuǎn)角度為α，則在該線圈的重點(diǎn)方向Z上的磁感強(qiáng)度為：

當(dāng)α提高時(shí)，在Z點(diǎn)上的磁感強(qiáng)度會(huì)下降，在[0，90°]區(qū)間內(nèi)，該函數(shù)為單調(diào)遞減狀態(tài)，所以在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，優(yōu)化方案中將不涉及修正線圈的偏移角，只能夠通過最大限度保證線圈平齊達(dá)到目的。

3 磁感應(yīng)地下通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的優(yōu)化方案

3.1 針對(duì)線圈性質(zhì)方面的優(yōu)化

在通信系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，通過對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行原理的研究可以發(fā)現(xiàn)，地下介質(zhì)由于不均勻性很高，并且在線圈的布設(shè)過程中將不可避免產(chǎn)生安裝誤差，所以在通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生一定的信號(hào)損耗，所以在系統(tǒng)的優(yōu)化過程中需要在一定程度上提升信號(hào)發(fā)射線圈的信號(hào)強(qiáng)度，對(duì)產(chǎn)生的損耗信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償[5]。通過磁場中Z點(diǎn)的磁感強(qiáng)度計(jì)算公式可以看出，通過提升線圈的匝數(shù)和電流能夠達(dá)成這一目的，同時(shí)線圈半徑也會(huì)對(duì)信號(hào)強(qiáng)度產(chǎn)生一定程度上的影響，所以在線圈參數(shù)的優(yōu)化中，要從這些方面進(jìn)行考慮。本文主要研究的內(nèi)容為提高線圈中的電流大小。需要注意的是，在信號(hào)發(fā)射線圈的匝數(shù)和電流參數(shù)優(yōu)化過程中，需要考慮線圈的承載能力，并考慮整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行中將會(huì)產(chǎn)生的成本，從而保證整個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)ο到y(tǒng)中損耗的能量進(jìn)行充分補(bǔ)充[6]。

3.2 線圈間距方面的優(yōu)化

在實(shí)際的磁感應(yīng)地下通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中，線圈間距與通信距離有很大關(guān)聯(lián)，為了能夠線圈間距進(jìn)行更好優(yōu)化，本文設(shè)置了多個(gè)鏈路長度，同時(shí)在這些通信鏈路中設(shè)置了0,5,10，15,20個(gè)線圈，以探究信號(hào)接收線圈獲取的信號(hào)強(qiáng)度。同時(shí)為了能夠探究不同通信強(qiáng)度要求對(duì)線圈數(shù)量的影響，本文分別設(shè)置信號(hào)接收線圈的最低能夠接收信號(hào)強(qiáng)度為8dBm、-8dBm和20dBm，同時(shí)在優(yōu)化過程中信號(hào)發(fā)射線圈產(chǎn)生的電磁信號(hào)頻率相同，最終發(fā)現(xiàn)在不同的試驗(yàn)?zāi)Ｊ街校?dāng)中繼線圈數(shù)量提升時(shí)，整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)中信號(hào)能夠傳輸?shù)淖钸h(yuǎn)距離也會(huì)提升，這說明在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，可以通過增加線圈間距的方式提高通信質(zhì)量和距離。

3.3 優(yōu)化結(jié)果檢測(cè)

3.3.1 線圈優(yōu)化結(jié)果檢測(cè)

在線圈優(yōu)化結(jié)果檢測(cè)中，本文應(yīng)用有限元軟件對(duì)不同線圈參數(shù)下信號(hào)傳遞的距離和質(zhì)量進(jìn)行分析，在具體的建模仿真過程中，模擬不同線圈參數(shù)情況下的線圈磁場強(qiáng)度，由軟件展示在不同距離下的磁感強(qiáng)度。最終結(jié)果表明，當(dāng)線圈匝數(shù)提升時(shí)，相同距離情況下信號(hào)強(qiáng)度更強(qiáng)，電流提升也有這一特點(diǎn)[7]。在后續(xù)的研究中，應(yīng)用MATLAB軟件研究了當(dāng)線圈電流提升時(shí)，信號(hào)發(fā)出系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)只單純提升信號(hào)放大器的功率不一定能夠達(dá)成提升線圈中電流大小的目的，還需要考慮線圈的自身參數(shù)。

3.3.2 線圈間距優(yōu)化結(jié)果檢測(cè)

在線圈間距優(yōu)化中，應(yīng)用有限元分析軟件模擬了土壤環(huán)境，同時(shí)在兩個(gè)信號(hào)處理線圈中設(shè)置了間距相同的不同數(shù)量線圈，最終結(jié)果表明，當(dāng)通信距離發(fā)生變化時(shí)，也需要設(shè)置不同數(shù)量的中繼線圈，并且中繼線圈的數(shù)量也需要進(jìn)行適當(dāng)修改[8]。以接收端功率閾值為20dBm的情況為例，當(dāng)通信距離不高于2.5m時(shí)，在通信系統(tǒng)中不需要設(shè)置中繼線圈就可以達(dá)成很好的通信效果，當(dāng)通信距離不高于6.1m時(shí)，通信系統(tǒng)中需要設(shè)置5個(gè)中繼線圈，各線圈間距為1m，當(dāng)通信距離不高于8.6m時(shí)，可在系統(tǒng)中設(shè)置10個(gè)線圈，線圈間距為0.78m，在具體的分析中，發(fā)現(xiàn)這種情況下最遠(yuǎn)的通信距離為12.8m，此時(shí)系統(tǒng)中的中繼線圈數(shù)量達(dá)到20個(gè)，線圈間距為0.6m[9]。

4 結(jié)論

綜上所述，在磁感應(yīng)地下通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行中，土壤介質(zhì)、中繼線圈數(shù)量、線圈的傾角和線圈的自身參數(shù)都會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的通信質(zhì)量產(chǎn)生很大影響，導(dǎo)致系統(tǒng)中產(chǎn)生信號(hào)損耗。在系統(tǒng)的優(yōu)化過程中，一方面要對(duì)系統(tǒng)中的線圈產(chǎn)生進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化內(nèi)容為線圈的匝數(shù)、線圈半徑以及線圈中電流，另一方面為優(yōu)化線圈間距，以提升通信質(zhì)量。