基于磁感應(yīng)的跨介質(zhì)通信技術(shù)研究

朱睿超，高俊奇，毛智能，吳美玉，儲(chǔ)昭強(qiáng)，沈 瑩

（哈爾濱工程大學(xué) 青島創(chuàng)新發(fā)展基地，山東 青島 266000）

0 引言

隨著各國對(duì)海洋探索與信息監(jiān)測需求的進(jìn)一步加強(qiáng)，我國在五年計(jì)劃中提出構(gòu)建空天地一體化網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)海洋信息基礎(chǔ)建設(shè)，打造更加全面的海洋信息體系，進(jìn)一步加快實(shí)現(xiàn)海洋強(qiáng)國重大戰(zhàn)略目標(biāo)[1-2]。因此如何在多樣化的海洋應(yīng)用中使得各種水下設(shè)備與水上設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、信息共享以及網(wǎng)絡(luò)組建，是目前仍待探討與研究的熱點(diǎn)之一。目前水聲通信在水下應(yīng)用成熟穩(wěn)定，但是在跨介質(zhì)空海信息傳輸時(shí)，由于自身局限性，其不可預(yù)測的反射折射信道會(huì)對(duì)通信造成嚴(yán)重干擾[3]。磁感應(yīng)通信由于在空水介質(zhì)中磁導(dǎo)率一致、信道穩(wěn)定，且其收發(fā)成本低廉、構(gòu)建方便，因此對(duì)其進(jìn)行跨介質(zhì)場景下的技術(shù)研究十分有意義。

近年來，無線磁感應(yīng)通信作為一種可在水下或地下極端環(huán)境中保持高可靠性的新興技術(shù)受到學(xué)者的廣泛關(guān)注。2001年SOJDEHEI等人首次闡述了磁感應(yīng)與電磁波的理論區(qū)別，無線磁感應(yīng)通信通過收發(fā)線圈之間的感應(yīng)磁場完成數(shù)據(jù)交換，無電場分量[4]。學(xué)者 DOMINGO等人對(duì)單一介質(zhì)的磁感應(yīng)通信的信道進(jìn)行了建模分析[5]。隨著信道建模的完善，SUN等人開始改進(jìn)天線結(jié)構(gòu)與材料，提升發(fā)射性能[6]。中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)者潘東躍針對(duì)水下場景提出一種協(xié)作式通信模型，進(jìn)一步提升理論通信距離[7]。哈爾濱工程大學(xué)學(xué)者白顯豪對(duì)磁感應(yīng)通信中繼技術(shù)進(jìn)行研究，并通過仿真分析評(píng)估其在水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中的性能[8]。西北工業(yè)大學(xué)學(xué)者 CHAI等人對(duì)空海跨介質(zhì)場景進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，使用4 m2的方形線圈在空氣中發(fā)射極低頻信號(hào)，在水下使用磁通門接收，最終得到了35 m的極限通信距離，并對(duì)空?？缃橘|(zhì)磁信號(hào)傳輸?shù)目尚行赃M(jìn)行了分析總結(jié)[9]。

綜上所述，目前國內(nèi)外對(duì)于無線磁感應(yīng)通信的研究圍繞多個(gè)方面展開，在跨介質(zhì)磁感應(yīng)分析、系統(tǒng)構(gòu)建和水下通信實(shí)踐中涉及較少，本文將針對(duì)這幾個(gè)方面進(jìn)行研究。

1 跨介質(zhì)磁感應(yīng)通信

1.1 磁感應(yīng)通信

法拉第電磁感應(yīng)定律是磁感應(yīng)通信基于的物理學(xué)基本原理，在閉合導(dǎo)線構(gòu)成匝數(shù)為Nt的發(fā)射線圈上施加交變電流I1時(shí)，會(huì)在空間中產(chǎn)生一個(gè)交變磁場，匝數(shù)為Nr的接收線圈感受到空間中變化的磁場后會(huì)在接收線圈內(nèi)產(chǎn)生變化的磁通量Ψ。

式中：Φtr=BS為接收單匝線圈所感受到的磁通量，S為單匝線圈面積，B為感應(yīng)磁場強(qiáng)度；M為收發(fā)線圈之間的互感。由于磁通量是隨時(shí)間變化的，因此接收線圈上也會(huì)產(chǎn)生隨時(shí)間變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)即為接收端獲取的有用傳輸信號(hào)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通以及互感的關(guān)系為

由此可以看出接收端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可以通過接收端的磁場大小或者互感強(qiáng)度和激勵(lì)電流計(jì)算。

1.2 跨介質(zhì)磁場傳播理論

磁場在跨介質(zhì)傳播時(shí)，可將界面處磁場傳播分解為法向和切向邊界條件進(jìn)一步研究。首先分析空水跨介質(zhì)的切向磁場問題，假設(shè)空氣介質(zhì)中的電磁參數(shù)分別為ε1、σ1、μ1，水介質(zhì)中的電磁參數(shù)為ε2、σ2、μ2垂直于分界面的法向量為en，平行于界面的切向分量為et，整體的分析模型如圖1所示。

圖1 空水跨介質(zhì)切向電磁場分析模型Fig. 1 Analysis model of air-water cross-medium tangential electromagnetic field

在空水分界面處以法向量和切向分量為對(duì)稱軸設(shè)置矩形回路abcd，使用積分下的麥克斯韋第一方程可得式（3）。

當(dāng)整個(gè)矩形無限扁平趨近于分界面時(shí)，可以得到切向磁場的積分結(jié)果為

通過式（6）可知，切向磁場強(qiáng)度在穿過具有表面面電流的分界面時(shí)不連續(xù)。但是在空氣介質(zhì)和水介質(zhì)這種電導(dǎo)率為有限值的2個(gè)介質(zhì)中傳輸時(shí)，分界面處不可能分布表面電流[10]。因此切向磁場強(qiáng)度在空水分界面處是連續(xù)的，即

然而，由于空氣和水介質(zhì)的磁導(dǎo)率μ幾乎一致，由B=μH可知

即空水界面處磁感應(yīng)強(qiáng)度的切向分量是連續(xù)的。

接下來分析空水跨介質(zhì)法向電磁場分界面處的邊界條件，模型如圖2所示，在空水分界面處設(shè)置一個(gè)高為Δh、底面積為ΔS的閉合圓柱體，圓柱上下以分界面對(duì)稱分布，ΔS的面積足夠小，因此通過此面積的磁通量可以當(dāng)作常數(shù)。當(dāng)整個(gè)圓柱體無限趨近于平面時(shí)，即Δh→0時(shí)，關(guān)于圓柱側(cè)面的積分即可忽略不計(jì)。經(jīng)過上述分析，在該圓柱體上應(yīng)用積分形式的麥克斯韋第三方程即可得到

圖2 空水跨介質(zhì)法向電磁場分析模型Fig. 2 Analysis model of air-water cross-medium normal electromagnetic field

由此進(jìn)一步得到

即空水界面處磁感應(yīng)強(qiáng)度的法向分量連續(xù)，結(jié)合公式（8）可知，磁感應(yīng)強(qiáng)度在空水界面處是連續(xù)的，因此，基于磁感應(yīng)場的通信方式具備跨界通信的潛力。

1.3 COMSOL仿真驗(yàn)證

使用COMSOL對(duì)跨空水介質(zhì)的水平與垂直磁偶極子磁場進(jìn)行了快速仿真驗(yàn)證，使用的物理場模型為 AD/DC–電磁場–磁場，研究類型為頻域，并在仿真整體域外側(cè)建立無限元域，具體域參數(shù)與磁偶極子參數(shù)如表1和表2所示。

表1 COMSOL仿真域參數(shù)Table 1 COMSOL simulation parameters

表2 仿真磁偶極子尺寸與材料參數(shù)Table 2 Simulation of magnetic dipole size and material parameters

首先在頻率為100 kHz，水介質(zhì)為海水的情況下，仿真研究了垂直和水平磁偶極子分別放置在空海兩種介質(zhì)中距離界面 1 m處的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化情況。通過圖3的仿真結(jié)果可以看出，4種仿真情況下，磁感應(yīng)強(qiáng)度在界面處時(shí)均是連續(xù)的，符合理論邊界條件分析結(jié)論。隨后對(duì)距離界面1 m處，水平與垂直磁偶極子分別放置在海水或者空氣中，關(guān)于不同頻率對(duì)跨介質(zhì)磁場傳播的影響進(jìn)行了研究。通過圖4仿真結(jié)果可以看出，水平與垂直磁偶極子跨空水介質(zhì)磁場衰減均隨著頻率的增大而加快，但水平磁偶極子在跨介質(zhì)之前會(huì)存在隨著頻率的增大，磁場衰減降低的現(xiàn)象。

圖3 垂直與水平磁偶極子連續(xù)性仿真Fig. 3 Vertical and horizontal magnetic dipole continuity simulation

圖4 空海磁偶極子距界面相同距離不同頻率仿真Fig. 4 Simulation of air-sea magnetic dipole at the same distance to the interface with different frequencies

2 跨介質(zhì)磁感應(yīng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖5所示，按照整體模塊劃分，主要分為收發(fā)軟件控制單元、收發(fā)硬件單元以及收發(fā)天線單元。收發(fā)軟件控制單元是在Ubuntu18.04上基于GNU Radio以及Python開發(fā)的通信系統(tǒng)應(yīng)用，其在發(fā)射端完成控制基帶信號(hào)的幅度調(diào)制與相位調(diào)制，在接收端完成對(duì)接收信號(hào)的定時(shí)恢復(fù)、頻偏矯正以及相干解調(diào)；收發(fā)硬件單元主要基于USRP模塊以及相關(guān)低頻應(yīng)用子板LFTX和LFRX完成，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次擴(kuò)展，在發(fā)射端設(shè)計(jì)了前端發(fā)射放大模塊以及對(duì)應(yīng)的電源供電模塊，在接收端設(shè)計(jì)了合適的電壓跟隨模塊。最終基于上述對(duì)應(yīng)模塊的設(shè)計(jì)組成了無線磁感應(yīng)通信系統(tǒng)。

圖5 磁感應(yīng)通信系統(tǒng)整體架構(gòu)Fig. 5 Overall structure of magnetic induction communication system

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 收發(fā)天線單元

經(jīng)過磁感應(yīng)通信的不斷發(fā)展，已經(jīng)探究出使用LC諧振回路可以增大發(fā)射功率以及獲得更低的傳輸損耗[11]。LC諧振回路可以分為串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振。當(dāng)使用串聯(lián)諧振回路時(shí)，回路電流特性如式（12）所示，容性與感性相抵，用作發(fā)射電路可以產(chǎn)生更大的磁場。但由于線圈繞制總會(huì)存在氣隙，引入雜散電容并聯(lián)在線圈兩端，實(shí)際使用串聯(lián)接收時(shí)會(huì)引入串并聯(lián)諧振共存情況，增加額外噪聲影響通信質(zhì)量。

式中：Us為電壓激勵(lì)；R1為電感電阻；L1為電感；C1為電容。

當(dāng)使用并聯(lián)諧振回路時(shí)，其回路阻抗如式（13）所示，阻抗相較于串聯(lián)諧振更大。因此當(dāng)接收線圈接收到微弱磁場產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電流時(shí)，配合并聯(lián)諧振回路會(huì)輸出較大電壓信號(hào)，更適合用作系統(tǒng)接收回路。

式中：R2為電感電阻；L2為電感；C2為電容。

2.2.2 電壓跟隨器

在LFRX的接收子板中，其輸入阻抗為50 Ω，如果直接將并聯(lián)接收回路電壓輸入接收子板，接收子板并不能完全獲取由接收端產(chǎn)生的電壓信號(hào)，因此需要對(duì)輸入電壓進(jìn)行跟隨轉(zhuǎn)換。使用OPA188設(shè)計(jì)電壓跟隨器電路，該芯片具有高精度低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，且具有2 M增益帶寬積，在正負(fù)5 V的驅(qū)動(dòng)供電下，可以滿足接收電壓跟隨需求。

2.2.3 前端放大器

為了獲得更大的發(fā)射磁場，需要對(duì)LFTX的輸出信號(hào)進(jìn)行前置放大，本著低噪聲、高轉(zhuǎn)換率、高增益帶寬積的需求，采用芯片ADA797設(shè)計(jì)前端運(yùn)算放大器，完成對(duì)LFTX輸出峰峰值2 V信號(hào)的10倍放大。

2.3 通信方案設(shè)計(jì)

通信方案部分基于GNU Radio為底層支持完成。GNU Radio提供各種信號(hào)處理模塊，且可以控制軟件無線電設(shè)備構(gòu)成完整的通信系統(tǒng)。

由于磁感應(yīng)通信采用近場感應(yīng)磁場的通信方式，磁場衰減隨著距離的立方快速衰減，因此對(duì)于調(diào)制方式的選擇著眼于較為低階的方式，以應(yīng)對(duì)隨著距離增加后快速惡化的信噪比條件[12]。最終選用了幅度調(diào)制2ASK以及相位調(diào)制BPSK和QPSK作為調(diào)制方案。

2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)通信方案設(shè)計(jì)，最終在軟件層面設(shè)計(jì)了一套完整的磁感應(yīng)通信系統(tǒng)，系統(tǒng)發(fā)射端運(yùn)行流程為將需要發(fā)送的文本或圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)碼、打包封裝后，進(jìn)行差分編碼，根據(jù)用戶所選調(diào)制方式生成對(duì)應(yīng)基帶信號(hào)并進(jìn)行上變頻后輸出至發(fā)射線圈。

系統(tǒng)接收端主要運(yùn)行流程為：首先對(duì)接收線圈收到的信號(hào)進(jìn)行下變頻和自動(dòng)增益控制，之后根據(jù)用戶選擇的解調(diào)方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼判決得到比特流，使用進(jìn)程間通信ZMQ將比特流轉(zhuǎn)發(fā)到解析數(shù)據(jù)包模塊，根據(jù)文本和圖片2種信息格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼恢復(fù)，最終將信息展示在接收端界面。

3 跨介質(zhì)磁感應(yīng)通信系統(tǒng)驗(yàn)證

3.1 系統(tǒng)發(fā)射功率

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用的收發(fā)線圈具體參數(shù)如表 3所示，系統(tǒng)諧振頻率100 kHz。為了評(píng)估搭建系統(tǒng)的性能，測試了發(fā)射線圈的驅(qū)動(dòng)功率，輸出電壓交流有效值為6.607 V，電流有效值為0.141 693 mA，實(shí)際的單路線圈驅(qū)動(dòng)功率為0.936 mW。

表3 收發(fā)線圈參數(shù)Table 3 Transceiver coil parameters

3.2 跨介質(zhì)磁感應(yīng)通信實(shí)驗(yàn)

搭建的跨介質(zhì)磁感應(yīng)通信系統(tǒng)在 2個(gè)外場進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如圖6、圖7所示。

圖6 外場跨介質(zhì)實(shí)驗(yàn)Fig. 6 Outfield cross-medium experiment，

圖7 跨介質(zhì)實(shí)驗(yàn)部署Fig. 7 Cross-medium experiment deployment

圖6測試了該系統(tǒng)在空氣–湖水的非垂直入射跨介質(zhì)磁感應(yīng)通信傳輸可行性。接收線圈放置在湖水下1 m處，發(fā)射線圈距離湖面3 m，收發(fā)線圈的直線距離約20 m，采用QPSK調(diào)制解調(diào)方式進(jìn)行最大性能測試，最終可以完成10 kbps的無誤碼傳輸。在圖7中，接收線圈放置太湖近岸水下2 m，發(fā)射線圈放置空氣中距離水面2 m，當(dāng)收發(fā)線圈之間水平距離16 m左右，單軸驅(qū)動(dòng)功率1 mW時(shí)，測試通信性能。系統(tǒng)最終在該場景下實(shí)現(xiàn)10 kbps無誤碼文本傳輸。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)如果直接跨越太湖圍墻墻體，會(huì)出現(xiàn)較大誤碼，這是由于墻體中存在鋼筋等鐵磁性金屬干擾，分流發(fā)射磁場。

4 結(jié)束語

本文從理論上分析了磁感應(yīng)通信在空水跨介質(zhì)場景下的物理合理性，并通過具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)證實(shí)了磁感應(yīng)通信是空水跨介質(zhì)場景中穩(wěn)定、可靠且高效的新型通信方式，在極低（1 mW）的發(fā)射功耗下可以完成20 m，10 kbps的無誤碼信息傳輸，并從磁感應(yīng)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)角度結(jié)合實(shí)踐給出了一定的指導(dǎo)意見。磁感應(yīng)通信滿足傳感網(wǎng)絡(luò)跨介質(zhì)數(shù)據(jù)交換的應(yīng)用場景，彌補(bǔ)了現(xiàn)有水聲通信在跨介質(zhì)場景下的不足，是未來全面構(gòu)建海洋信息網(wǎng)絡(luò)中具有重要價(jià)值的通信手段。