磁感應(yīng)通信在地下物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

劉明陽

摘 要：隨著智慧城市的快速發(fā)展、城市物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，城市地下管廊中有大量供排水、供熱、燃?xì)?、電力等重要設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息需要從地下傳到地上。磁感應(yīng)通信在地下環(huán)境中具有傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾、天線設(shè)計(jì)簡單等特點(diǎn)，適合作為透地通信的手段。在分析了磁感應(yīng)透地通信的發(fā)展、原理、系統(tǒng)組成基礎(chǔ)上，給出了發(fā)射線圈、接收線圈的設(shè)計(jì)原則及提高系統(tǒng)性能的措施，為磁感應(yīng)通信在地下物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用提供了參考。

關(guān)鍵詞：磁感應(yīng)通信;物聯(lián)網(wǎng);無線透地通信;地下管廊;智慧城市;傳播損耗

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號：2095-1302（2019）03-00-03

0 引 言

目前，打造智慧城市成為全球先進(jìn)國家城市發(fā)展趨勢，而物聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)智慧城市的關(guān)鍵因素與基石，智慧城市通過物聯(lián)網(wǎng)把無處不在的被植入城市的智能傳感器連接起來，實(shí)現(xiàn)對城市的全面感知，做出智能化響應(yīng)并提供決策支持。

在現(xiàn)代城市中，有大量基礎(chǔ)設(shè)施位于地下，如給排水設(shè)施、供熱設(shè)施、燃?xì)庠O(shè)施、電力電信管線等，如果把城市比作一個(gè)生命體，那么城市地下管網(wǎng)就是城市生命的循環(huán)之脈。如果缺少這些重要基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)信息，那么智慧城市就是不完善的。

2014年6月，國務(wù)院發(fā)布了《關(guān)于加強(qiáng)城市地下管線建設(shè)管理的指導(dǎo)意見》，提出要改造、建設(shè)較為完善的城市地下管線體系。在此背景下，很多城市開展了地下管網(wǎng)改造、地下管廊建設(shè)，為排水設(shè)施、供熱設(shè)施、燃?xì)庠O(shè)施、電力電信等運(yùn)行信息的采集、地下物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)提供了契機(jī)，但要成功地將這些基礎(chǔ)信息接入城市物聯(lián)網(wǎng)，還需要有可靠的傳輸手段。

對于設(shè)施比較健全、規(guī)模較大的地下管廊，完全可以采用鋪設(shè)地下光纖網(wǎng)絡(luò)，通過有線通信的方式實(shí)現(xiàn)地下信息的接入。而對于一些規(guī)模小或者現(xiàn)場條件復(fù)雜、不便于鋪設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)的地點(diǎn)，就必須依靠無線通信手段，通過透地通信將地下信息接入城市網(wǎng)絡(luò)。

1 磁感應(yīng)透地通信技術(shù)背景

穿透地層的通信屬無線通信范疇，但與常見的手機(jī)移動(dòng)通信、廣播、電視等無線通信形式不同。在地面上，電磁波的傳播以空氣為通信媒質(zhì)，幾乎無損耗。而透地傳輸由于電磁信號必須穿過地層，因此情況極其復(fù)雜[1]。

（1）一般情況下，由于地面的表層土壤水含量較大，因此電導(dǎo)率較高，約為10-3～10-1 Ω/m，而電導(dǎo)率對電磁波的傳輸有著顯著的影響，電磁波在導(dǎo)電媒質(zhì)中傳播時(shí)損耗很大，導(dǎo)電率越高，電磁波的衰減就越嚴(yán)重。

（2）電磁波信號的頻率也對透地傳輸有很大影響，頻率越高，在地下傳輸時(shí)的衰減就越嚴(yán)重。為了讓信號具有較強(qiáng)的穿透性，在透地?zé)o線通信系統(tǒng)中，通信頻率的選擇只能是低頻頻段以下。而低頻段電磁波的波長長度為幾千米甚至更長，實(shí)際中很難架設(shè)足夠長度的天線，導(dǎo)致天線輻射效率低。

（3）在地下無線通信過程中，由于地層并非均勻媒質(zhì)，而是復(fù)雜的分層結(jié)構(gòu)，因此電磁波在地下傳輸時(shí)會(huì)存在不同介質(zhì)層的折射和反射衰減，使得經(jīng)輻射衰減、傳輸衰減后的電磁信號更加微弱。

目前國內(nèi)外實(shí)現(xiàn)透地通信主要采用三種技術(shù)[2]，即地電極電流場透地通信、彈性波透地通信、磁感應(yīng)透地通信。

地電極電流場透地通信的發(fā)送端和接收端各自使用插入土壤的一對電極進(jìn)行低頻電流信號的發(fā)送和接收，利用電場電流承載信息數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的性能與大地介質(zhì)的電導(dǎo)率、地層結(jié)構(gòu)、發(fā)射與接收天線長度、天線埋設(shè)情況等因素有關(guān)。

彈性波透地通信是近年來出現(xiàn)的新技術(shù)，以機(jī)械振動(dòng)波為信息載體，利用機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生彈性波傳遞信息。彈性波在地層中傳播衰減的主要原因有波前擴(kuò)散、大地介質(zhì)的分層性、不均勻性、非完全彈性等。

磁感應(yīng)透地通信通過發(fā)送線圈和接收線圈之間準(zhǔn)靜態(tài)磁場的耦合實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。由電磁感應(yīng)定律可知，當(dāng)穿過導(dǎo)體線圈所限定面積中的磁通發(fā)生變化時(shí)，線圈回路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，以此來完成信息的傳遞。相比于電流場透地通信、彈性波透地通信，磁感應(yīng)透地通信天線設(shè)計(jì)更簡單，更易于搭建，且干擾因素較少，是目前國內(nèi)外廣為關(guān)注的透地通信技術(shù)。

透地通信技術(shù)的研究起源于美國[3]。19世紀(jì)20年代初，美國礦務(wù)局成立了專家組研究透地?zé)o線電。1930年，美國物理學(xué)家Wallace Joyce通過大量實(shí)驗(yàn)，對透地通信的天線、信號頻率進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了透地通信的可行性。1949年，南非研制成功了第一個(gè)真正意義上的透地通信系統(tǒng)。

近年，由于眾多機(jī)構(gòu)都意識(shí)到透地通信應(yīng)用前景的廣闊，因此大都投入到了磁感應(yīng)透地通信技術(shù)研究中。澳洲MST公司研發(fā)的PED設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)800 m的透地傳輸距離。約2005年，加拿大VA公司利用500 Hz帶寬在一個(gè)礦山中成功實(shí)現(xiàn)了語音透地通信。2008年之后，美國LM公司、STOLAR公司都成功研發(fā)并測試了一些磁感應(yīng)透地通信新產(chǎn)品，這些產(chǎn)品采用磁通門傳感器、量子擾動(dòng)超導(dǎo)探測器作為接收端的磁場接收器，提高了系統(tǒng)性能。國內(nèi)也有很多學(xué)者投入到這一領(lǐng)域，并取得了一定成果[1-3]。總體來說，磁感應(yīng)透地通信這一領(lǐng)域正處于快速發(fā)展階段，是當(dāng)前透地通信的研究熱點(diǎn)。

2 磁感應(yīng)透地通信原理

2.1 系統(tǒng)工作頻率的選擇

系統(tǒng)工作頻率的選擇要進(jìn)行綜合的考慮。信號的頻率越低，在穿透地層時(shí)的信號衰減就越小，同時(shí)可利用的傳輸帶寬越小，因而頻率更低，意味著信息傳輸?shù)乃俾式档?。綜合各方面因素考慮，一般透地通信采用的頻率為幾百赫茲到幾萬赫茲。

2.2 磁感應(yīng)通信原理

在磁感應(yīng)通信中，通常采用電磁線圈作為信號的發(fā)射裝置，而透地磁感應(yīng)通信中信號的頻率很低，天線尺寸和信號波長相比要小得多，發(fā)射線圈可以看成是磁偶極子天線。在球坐標(biāo)系中，發(fā)射線圈的圓心位于原點(diǎn)，線圈位于xOy平面，如圖1所示。

發(fā)射線圈所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度[4]：

式中：Hr和Hθ為磁場強(qiáng)度沿r方向和θ方向的分量;ω為信號的角頻率;μ為磁導(dǎo)率;η為本征阻抗;θ為磁場強(qiáng)度方向與豎直方向的夾角;r為傳播距離;β為相位常數(shù);a為線圈的半徑;m為磁矩。

由于信號頻率很低，而且磁感應(yīng)通信一般距離較近，大都在1 km以內(nèi)，屬于近場通信，即βr1，磁場信號隨傳播距離的增大呈3次方衰減，比傳統(tǒng)電磁波信號的衰減速率要大。但是土壤的介電常數(shù)比空氣大很多，并且其受環(huán)境因素的影響變化很大，因而電磁波在透地通信中的路徑損耗受環(huán)境因素的影響更大。而土壤、巖石層的磁導(dǎo)率和空氣基本相同，因而磁感應(yīng)通信信道狀態(tài)穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)電磁波傳播所產(chǎn)生的多徑衰落現(xiàn)象，這也是透地通信中眾多學(xué)者選擇磁感應(yīng)通信技術(shù)的原因。

在接收端，通常采用電磁線圈作為磁信號的接收天線。

2.3 磁感應(yīng)通信系統(tǒng)

磁感應(yīng)通信系統(tǒng)如圖2所示。

在發(fā)送端，傳感器中的數(shù)據(jù)首先進(jìn)行編碼，編碼分為信源編碼和信道編碼兩部分。信源編碼是對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行壓縮，去除冗余信息，進(jìn)行協(xié)議格式的轉(zhuǎn)換;信道編碼是根據(jù)信道的情況、系統(tǒng)對誤碼率的要求，對信源編碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，加入糾錯(cuò)信息，確保系統(tǒng)的通信質(zhì)量。編碼后可以采用ASK，PSK等方式對信息進(jìn)行調(diào)制，將信息加載到載波上，信息速率根據(jù)系統(tǒng)的需要可以達(dá)到若干kbps。調(diào)制后的信號經(jīng)功率放大與發(fā)射線圈后，產(chǎn)生磁場信號。

接收端線圈在透過土層的磁信號作用下，產(chǎn)生感生電動(dòng)勢，信號經(jīng)過放大、解調(diào)，信道解碼、信源解碼后，即可獲得原始信息。

系統(tǒng)中，編解碼、調(diào)制解調(diào)、放大等模塊均是通信中已經(jīng)成熟的技術(shù)，系統(tǒng)的關(guān)鍵是發(fā)射線圈、接收線圈的設(shè)計(jì)。

3 發(fā)射線圈、接收線圈的設(shè)計(jì)

根據(jù)式（1）和式（2）可知，在系統(tǒng)信號頻率、磁導(dǎo)率、本征阻抗確定的情況下，發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度主要由磁矩m決定：

式中：N為發(fā)射線圈的匝數(shù);A為線圈的面積;I為發(fā)射線圈電流。增大發(fā)射天線的匝數(shù)N，會(huì)導(dǎo)致線圈的電阻R增加，從而加大系統(tǒng)的功耗I2R，同時(shí)增大匝數(shù)，也會(huì)增加匝間損耗。因此得出結(jié)論：增加發(fā)射線圈的匝數(shù)并不能有效提高發(fā)射線圈的性能。增大線圈的半徑，會(huì)使線圈的電阻呈正比增加，而線圈面積A會(huì)按線圈半徑的平方增加，可得出結(jié)論：增大線圈的半徑可以有效增加磁矩。此外，增加線圈導(dǎo)線的線徑，既可以減小發(fā)射線圈的電阻，減小系統(tǒng)功耗，還可以增大線圈的品質(zhì)因數(shù)，提高系統(tǒng)性能。一般來說，發(fā)射線圈總的設(shè)計(jì)原則是盡量增大發(fā)射線圈的半徑、增大線圈導(dǎo)線的線徑，同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)傳輸距離、功耗要求、現(xiàn)場尺寸要求綜合考慮。

在系統(tǒng)接收端，由式（3）和式（4）可知，信號電壓：

由式（6）可知，增大接收線圈的匝數(shù)N'和接收線圈面積S都能夠有效增大接收端信號的強(qiáng)度。同時(shí)增大磁導(dǎo)率也可以增大接收信號電壓，該問題可以通過在接收線圈中加入鐵磁內(nèi)芯解決。鐵磁材料可以具有超過105的相對磁導(dǎo)率，所以通過引入磁芯可以顯著提高接收線圈的靈敏度。但應(yīng)注意到，軟磁材料被制作成線圈磁芯以后，其有效磁導(dǎo)率會(huì)比材料本身的磁導(dǎo)率低很多，而且與內(nèi)芯的幾何形狀有關(guān)[5]。

式中：μ為圓柱形磁芯的有效磁導(dǎo)率;μ0為材料本身的磁導(dǎo)率;d為磁芯的直徑;l為磁芯的長度。因而，在使用磁芯接收線圈時(shí)，要充分考慮接收線圈的幾何形狀。

4 提高系統(tǒng)性能的措施

目前，國內(nèi)外學(xué)者提出了多線圈協(xié)同通信、中繼磁感應(yīng)通信、基于電共振的磁感應(yīng)通信、高靈敏度磁傳感器通信等技術(shù)，提高了磁感應(yīng)通信系統(tǒng)的性能。

多線圈協(xié)作磁感應(yīng)通信使用多個(gè)發(fā)射線圈，每個(gè)線圈同時(shí)發(fā)送相同的信號，考慮多個(gè)發(fā)射線圈的分布位置、角度，協(xié)同同步，增強(qiáng)了接收線圈所接收到的磁信號。

中繼磁感應(yīng)通信在發(fā)射端與接收端之間設(shè)置若干無源線圈，作為中繼節(jié)點(diǎn)。發(fā)射線圈發(fā)出信號后，由于磁場的作用，中繼線圈中會(huì)感應(yīng)出攜帶信號特征的電流，于是中繼線圈產(chǎn)生新的磁場并影響其他中繼線圈。采用中繼線圈傳遞磁場能量減少了路徑損耗，增大了信號傳輸距離。

基于電共振的磁感應(yīng)通信是根據(jù)耦合共振的物理原理，將發(fā)射線圈和接收線圈分別設(shè)計(jì)成兩個(gè)共振電路，這兩個(gè)電路通過磁場耦合在一起，從而提高了功率比，降低了路徑損耗和誤碼率，增加了通信距離。

高靈敏度磁傳感器通信系統(tǒng)中使用磁通門、磁電阻傳感器等來代替接收線圈接收發(fā)射線圈發(fā)射的磁信號，這些傳感器可以檢測10-10 T的磁感應(yīng)強(qiáng)度，可以在提高通信系統(tǒng)性能的同時(shí)，減小接收系統(tǒng)的尺寸。

5 結(jié) 語

磁感應(yīng)通信與傳統(tǒng)的無線電磁波、電極電流場、彈性波透地通信相比，具有傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾、天線設(shè)計(jì)簡單等特點(diǎn)，也受到國內(nèi)外專家學(xué)者、研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注，目前磁感應(yīng)透地通信技術(shù)仍在不斷發(fā)展之中。隨著智慧城市、地下物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，磁感透地通信技術(shù)將具有廣闊的應(yīng)用前景。

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