磁感應地下通信網(wǎng)絡系統(tǒng)優(yōu)化方案的分析

房新荷，朱彥龍

（鄭州鐵路職業(yè)技術學院，河南 鄭州 451460）

0 引言

相較于其余種類的網(wǎng)絡通信技術，磁感應地下通信網(wǎng)絡系統(tǒng)對設備的要求更低，但是在地下環(huán)境中，由于信號傳播介質的密度等因素很容易發(fā)生變化，所以在系統(tǒng)的運行中容易產(chǎn)生更大程度上的信號損耗，這對于磁感應地下通信網(wǎng)絡系統(tǒng)的運行狀態(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)化內容為降低通信系統(tǒng)的信號損耗問題。

1 磁感應地下通信網(wǎng)絡系統(tǒng)的運行原理

磁感應地下通信網(wǎng)絡系統(tǒng)在運行過程中，宏觀上可以看成是兩個通信線圈在發(fā)射和接收電磁信號，其中發(fā)射端線圈會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，而接收端線圈會在變化磁場的作用下在線圈中產(chǎn)生感應電流，通過相關設備的應用能夠對這種變化的電流進行分離和解讀，以分析發(fā)射端發(fā)送的信息。

在實際應用中，在發(fā)射端線圈與接收端線圈直接會設置多個信號傳遞線圈，這些線圈的存在能夠將信號進行更遠距離傳送，在各類線圈的安裝過程中，為保證信號的傳輸質量，需要保證各個線圈能夠完全平行，并且在布置位置上中心點在平面上重合[1]。但是由于施工誤差以及地質變化的存在，在這種技術的應用中很難完全滿足設計，另外在一些區(qū)域中會將線圈偏移一定角度以實現(xiàn)信號的偏轉傳遞，這種現(xiàn)象的存在導致在系統(tǒng)的運行中容易產(chǎn)生大量的信號功率損耗，無法全面保障信號傳遞質量。

2 磁感應地下通信網(wǎng)絡系統(tǒng)運行中存在的主要問題

在分析磁感應地下通信網(wǎng)絡系統(tǒng)運行中可能出現(xiàn)問題的過程中，需要先對整個系統(tǒng)的運行過程中可能降低通信質量的運行進行分析，通過研究本文確定通信質量影響因素包括以下內容：

2.1 通信介質

在地下環(huán)境中，土壤中往往含有大量砂石，相較于空氣介質與水介質，這些物質更容易吸收通信系統(tǒng)中發(fā)射的電磁信號，所以地下磁感應通信網(wǎng)絡系統(tǒng)的信號質量更容易下降[2]。在當前的研究中，已經(jīng)能夠計算出磁感應通信網(wǎng)絡在空氣和水介質中單位距離內的信號傳輸強度和質量，可以確定的是，在地下磁感應通信系統(tǒng)的運行過程中，相同通信距離下系統(tǒng)的通信質量必然會下降，所以對于系統(tǒng)來說，需要采取合理優(yōu)化措施對這些損耗的信號進行補償，以提升整個系統(tǒng)的通信質量。

2.2 通信距離

處于系統(tǒng)的建設成本以及建設工期方面考慮，在系統(tǒng)的建設中，要最大限度降低系統(tǒng)中相關設施的使用量，所以在該過程中需要探究兩個信號發(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方程進行計算：

在該公式中，μ代表通信系統(tǒng)建設中土壤解釋的磁導率，I為信號發(fā)射線圈中的電流，N為信號發(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)相關技術標準確定線圈的相關參數(shù)，通常情況下需要保證工程中實際的Z值要小于計算的理論值，以保證通信效果[3]。

2.3 中繼線圈數(shù)量

當發(fā)現(xiàn)信號發(fā)射線圈和信號接收線圈的所需距離遠高于上文中計算的Z值時，或者出于對相關通信設備安裝區(qū)域的考慮，導致這兩個線圈原點無法在平面上重合時，在這兩個線圈間需要設置中繼線圈，在中繼線圈的布置中，很容易由于安裝精度問題導致通信信號的功率發(fā)生損耗，故而在研究過程中需要對中繼線圈數(shù)量進行合理確定。在該過程中，也可由上文中應用的方程確定通信線圈之間的最遠距離，在此基礎上通過降低中繼線圈的實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)通信線圈信號發(fā)射端和接收端確定信號傳輸距離，并設置中繼線圈布設過程中線圈間距上的正態(tài)分布σ，研究表明當σ低于5%時，通信耗損基本可忽略，當σ高于10%時，通信耗損嚴重。另外中繼線圈距離上的平均值也會大幅影響通信網(wǎng)絡的信號損耗情況，當平均值較低時，能量損耗會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

在磁感應地下通信網(wǎng)絡系統(tǒng)的設置中，通常只應用與直線信號的傳播，以提升整個系統(tǒng)的運行效率，然而在各類信號的運行中，當線圈的設置角度發(fā)生偏轉時，通信網(wǎng)絡的信號傳遞效率也會下降，假設某線圈與線圈布置的標準平面間偏轉角度為α，則在該線圈的重點方向Z上的磁感強度為：

當α提高時，在Z點上的磁感強度會下降，在[0，90°]區(qū)間內，該函數(shù)為單調遞減狀態(tài)，所以在系統(tǒng)的設計中，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到目的。

3 磁感應地下通信網(wǎng)絡系統(tǒng)的優(yōu)化方案

3.1 針對線圈性質方面的優(yōu)化

在通信系統(tǒng)的運行過程中，通過對系統(tǒng)運行原理的研究可以發(fā)現(xiàn)，地下介質由于不均勻性很高，并且在線圈的布設過程中將不可避免產(chǎn)生安裝誤差，所以在通信網(wǎng)絡的運行過程中會產(chǎn)生一定的信號損耗，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發(fā)射線圈的信號強度，對產(chǎn)生的損耗信號進行補償[5]。通過磁場中Z點的磁感強度計算公式可以看出，通過提升線圈的匝數(shù)和電流能夠達成這一目的，同時線圈半徑也會對信號強度產(chǎn)生一定程度上的影響，所以在線圈參數(shù)的優(yōu)化中，要從這些方面進行考慮。本文主要研究的內容為提高線圈中的電流大小。需要注意的是，在信號發(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，并考慮整個系統(tǒng)在運行中將會產(chǎn)生的成本，從而保證整個系統(tǒng)能夠對系統(tǒng)中損耗的能量進行充分補充[6]。

3.2 線圈間距方面的優(yōu)化

在實際的磁感應地下通信網(wǎng)絡建設過程中，線圈間距與通信距離有很大關聯(lián)，為了能夠線圈間距進行更好優(yōu)化，本文設置了多個鏈路長度，同時在這些通信鏈路中設置了0,5,10，15,20個線圈，以探究信號接收線圈獲取的信號強度。同時為了能夠探究不同通信強度要求對線圈數(shù)量的影響，本文分別設置信號接收線圈的最低能夠接收信號強度為8dBm、-8dBm和20dBm，同時在優(yōu)化過程中信號發(fā)射線圈產(chǎn)生的電磁信號頻率相同，最終發(fā)現(xiàn)在不同的試驗模式中，當中繼線圈數(shù)量提升時，整個通信網(wǎng)絡中信號能夠傳輸?shù)淖钸h距離也會提升，這說明在實際的網(wǎng)絡建設中，可以通過增加線圈間距的方式提高通信質量和距離。

3.3 優(yōu)化結果檢測

3.3.1 線圈優(yōu)化結果檢測

在線圈優(yōu)化結果檢測中，本文應用有限元軟件對不同線圈參數(shù)下信號傳遞的距離和質量進行分析，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度，由軟件展示在不同距離下的磁感強度。最終結果表明，當線圈匝數(shù)提升時，相同距離情況下信號強度更強，電流提升也有這一特點[7]。在后續(xù)的研究中，應用MATLAB軟件研究了當線圈電流提升時，信號發(fā)出系統(tǒng)的運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)只單純提升信號放大器的功率不一定能夠達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)化結果檢測

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

4 結論

綜上所述，在磁感應地下通信網(wǎng)絡系統(tǒng)的運行中，土壤介質、中繼線圈數(shù)量、線圈的傾角和線圈的自身參數(shù)都會對整個系統(tǒng)的通信質量產(chǎn)生很大影響，導致系統(tǒng)中產(chǎn)生信號損耗。在系統(tǒng)的優(yōu)化過程中，一方面要對系統(tǒng)中的線圈產(chǎn)生進行優(yōu)化，優(yōu)化內容為線圈的匝數(shù)、線圈半徑以及線圈中電流，另一方面為優(yōu)化線圈間距，以提升通信質量。