透地通信研究概況及其主流技術(shù)?

鄧羽捷 付天暉 王永斌 修夢(mèng)雷

（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

由于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)電纜的破壞，有線通信在戰(zhàn)時(shí)/礦井應(yīng)急通信等場(chǎng)合不適用。無線透地通信方式中，傳統(tǒng)電磁波的波長(zhǎng)短，繞射能力差，在多層復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)中傳輸產(chǎn)生的反射、折射現(xiàn)象，損耗了一部分信號(hào)能量；且地層電磁參數(shù)的變化，尤其是地層的介電常數(shù)和電導(dǎo)率的變化與水分含量關(guān)系極大，會(huì)對(duì)電磁波的衰減造成顯著影響［1-3］，因此不適用。有關(guān)學(xué)者提出了三種方案：基于天線近場(chǎng)感應(yīng)的磁場(chǎng)透地通信、基于地電極電流注入的電場(chǎng)透地通信和基于機(jī)械振動(dòng)波的彈性波透地通信［4］。磁感應(yīng)透地通信受地質(zhì)結(jié)構(gòu)影響較小，天線設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單，相對(duì)成熟［5］。低頻信號(hào)的穿透能力強(qiáng)、能量衰減較小，因此三種方式均選取低頻頻段。

由于發(fā)射天線周圍介質(zhì)的不同，上行鏈路模式電磁波的衰減約為下行鏈路的兩倍［6］。為了增大信號(hào)傳輸距離，透地通信引入了三個(gè)主要研究方向：增大信號(hào)發(fā)射功率、提取接收方弱信號(hào)和降低噪聲干擾；由香農(nóng)定理可知，信道容量由信道的帶寬和信噪比決定，在系統(tǒng)帶寬一定的情況下，提高信噪比可以有效增大信道容量，由于發(fā)射端體積受限以及地下安全功率的要求，通過增大發(fā)射信號(hào)功率提高效率的空間較小，因此，提高天線利用率、降低噪聲干擾、選擇傳播頻率是透地通信系統(tǒng)的重點(diǎn)研究目標(biāo)。

2 國(guó)內(nèi)外研究概況

早在1899年，Nicola Tesla就提出了以大地為傳輸媒介，采用極低頻電磁波進(jìn)行通信的想法［2］。德國(guó)物理學(xué)家推導(dǎo)出了地下無線通信的理論基礎(chǔ)，此后美國(guó)和法國(guó)等陸續(xù)設(shè)計(jì)透地通信系統(tǒng)，真正意義上實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)地下通信系統(tǒng)的是南非工程師Wadley。20世紀(jì)初期，TPS系統(tǒng)問世，采用500Hz～1800Hz頻段，最大通信距離為 1km［7］，此后無線透地通信不斷發(fā)展。近年來，有關(guān)透地通信的各項(xiàng)研究取得了一些成果，各國(guó)產(chǎn)品相繼上市，在適用場(chǎng)合廣泛應(yīng)用。表1為近30年來各國(guó)推出的磁感應(yīng)透地通信產(chǎn)品的比較。

表1 近30年磁感應(yīng)透地通信產(chǎn)品概覽

Scholar Horizone公司和E-Spectrum公司也研發(fā)了透地通信系統(tǒng)，其中，E-Spectrum公司致力于研究地電極方式的透地通信［10］。2010～2013年，西班牙學(xué)者V.Bataller提出了基于地電極電流注入和檢測(cè)接收端電極之間電位差的電場(chǎng)透地通信，提出了電極阻抗的電路等效模型［15］。2015年，L.Van和C.Sunderman綜合考慮噪聲水平和信號(hào)在土壤中的衰減特性，推導(dǎo)出了基于電極的TTE通信系統(tǒng)在均勻半空間中的場(chǎng)分布解析解［16］。

目前我國(guó)對(duì)于透地通信的研究大多停滯于理論階段，實(shí)際應(yīng)用較少。軍事通信科學(xué)家司徒夢(mèng)天在60年代末開展針對(duì)與地下指揮中心的無線通信技術(shù)的研究，利用擇優(yōu)判決、時(shí)間分集技術(shù)來削弱雷電脈沖干擾，主要研究弱信號(hào)的接收技術(shù)［17］。1999年，張清毅對(duì)大型環(huán)形發(fā)射天線下的透地信道特性進(jìn)行了研究［1］，同時(shí)期，陶晉宜對(duì)適用于半導(dǎo)電媒質(zhì)的天線裝置進(jìn)行了研究［18］。2008年至今，山東科技大學(xué)課題組研究基于彈性波的透地通信，理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合，得出彈性波以200Hz～300Hz的頻率進(jìn)行透地通信的信道衰落模型［19］。

3 透地通信系統(tǒng)及主流技術(shù)

3.1 透地信號(hào)傳播模型

信號(hào)在大地信道中傳播時(shí)，不同的地層介質(zhì)對(duì)信號(hào)衰減效果不同。由于分層界面傾角、介質(zhì)分布不均、不同區(qū)域的地層結(jié)構(gòu)組成不同，且信道電磁環(huán)境往往包含大功率電器產(chǎn)生的尖峰脈沖噪聲，構(gòu)建信道模型和分析信號(hào)衰減通常是透地通信系統(tǒng)的難點(diǎn)。

信號(hào)在通過介質(zhì)分層界面時(shí)，會(huì)出現(xiàn)反射、折射和透射三種情況，地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳播距離明顯縮短，針對(duì)這些問題目前沒有很好的解決辦法，但可以通過實(shí)地考察地層參數(shù)，并選取合適的載波頻率來構(gòu)建擬合的信道模型。圖1為信號(hào)在分層界面?zhèn)鬏斈Ｐ?。其中，A為來波入射方向，B為反射方向，C為折射方向，α、β、γ分別為入射角、反射角和折射角。

圖1 信號(hào)在分層界面?zhèn)鬏斈Ｐ?/p>

磁感應(yīng)透地通信由于其不受地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化影響，且天線設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于搭建，優(yōu)于地電極方式，在傳輸距離、速率和時(shí)延上優(yōu)于彈性波方式［14］。圖2為磁感應(yīng)方式下行鏈路模型。

圖2 磁感應(yīng)透地通信下行鏈路模型

分別在地面和礦井內(nèi)架設(shè)兩個(gè)天線，信號(hào)傳播通過線圈之間的互感作用實(shí)現(xiàn)。調(diào)制信號(hào)發(fā)生變化，發(fā)射天線內(nèi)的電流隨之產(chǎn)生時(shí)變的磁場(chǎng)，經(jīng)過大地信道的傳輸，接收天線感應(yīng)輻射磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的變化，從而在線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，以此實(shí)現(xiàn)電磁信號(hào)的接收［20］。近年有一些對(duì)信號(hào)傳輸模型的研究，文獻(xiàn)［21］根據(jù)粒子群-遺傳的Kriging插值法建立了分層地質(zhì)模型；文獻(xiàn)［6］傳播模型為一層空氣介質(zhì)和兩層不規(guī)則大地介質(zhì)，根據(jù)介質(zhì)層電學(xué)參數(shù)和每層深度計(jì)算接收端信號(hào)強(qiáng)度。文獻(xiàn)［22］推導(dǎo)了分層地層電磁波正向和反向傳播的電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度。

3.2 透地信道噪聲模型

低頻頻段的主要噪聲干擾為非高斯噪聲和50Hz工頻干擾，50Hz工頻干擾可加裝阻帶深衰減的高通、帶通濾波器進(jìn)行抑制，非高斯噪聲時(shí)域表現(xiàn)為高峰值的隨機(jī)脈沖，占據(jù)能量較大，是研究的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象［23］。表2為幾種信道噪聲模型的對(duì)比。

表2 經(jīng)典信道噪聲模型對(duì)比

傳統(tǒng)的高斯模型可以擬合高斯噪聲，但對(duì)含有尖峰脈沖的信道背景不適用。為了直觀表示，本文搭建了噪聲采集系統(tǒng)，分別在小區(qū)（高斯噪聲）、25m深度的地鐵站臺(tái)（非高斯噪聲）實(shí)地采集噪聲數(shù)據(jù)，并用 Middleton Class A、α-stable、Gaussian Mixture、Gaussian四種模型對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，圖3為模型及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的PDF曲線及其拖尾。

圖3 四種模型對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合曲線及其拖尾

由圖4得出結(jié)論，小區(qū)環(huán)境中，分布較為分散，四種模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本擬合；在25m深地鐵站臺(tái)，分布較為集中，高斯模型峰值低、拖尾薄，擬合度不好，因此傳統(tǒng)高斯模型不適用，Middleton Class A、α-stable、Gaussian Mixture模型可用于非高斯噪聲的擬合建模。

3.3 發(fā)射技術(shù)

天線的設(shè)計(jì)對(duì)信道特性的影響尤為明顯［1］，透地通信的傳統(tǒng)天線形式有終端短路天線、環(huán)形天線、螺旋天線等［26］。由于頻率越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，而地下很難容納尺寸過大的發(fā)射天線，因此研發(fā)小型化低頻發(fā)射天線迫在眉睫。

機(jī)械天線是使用機(jī)械調(diào)整下傾角度的移動(dòng)天線，其尺寸不需要和工作波長(zhǎng)相同量級(jí)，可以有效攜帶駐波。2009年，一種新型天線使用旋轉(zhuǎn)永磁體產(chǎn)生低頻電磁波；2017年，Madanayake等推導(dǎo)了機(jī)械旋轉(zhuǎn)偶極子的磁場(chǎng)表達(dá)式，但理論忽略了磁場(chǎng)與電場(chǎng)之間的轉(zhuǎn)換［27］；基于安培環(huán)路電流模型，弓樹宏等推導(dǎo)了基于旋轉(zhuǎn)磁鐵的機(jī)械天線電磁場(chǎng)表達(dá)式，實(shí)驗(yàn)條件下可穿透264.8m的土壤和203.5m的海水［28］，美國(guó)加州大學(xué)研發(fā)了一種用于甚低頻發(fā)射機(jī)的自旋磁鐵天線，用鐵氧體外推磁通來簡(jiǎn)化系統(tǒng)的復(fù)雜性，可以超越Chu.Harrington極限［29］，目前基于旋轉(zhuǎn)磁鐵的機(jī)械天線尚處于起步階段。

2019年，美國(guó)能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出一種新型袖珍甚低頻天線，這種基于應(yīng)變的壓電發(fā)射機(jī)可克服傳統(tǒng)電小天線的許多基本限制，采用超低損耗的鈮酸鋰壓電電偶極子元件，在聲波共振下驅(qū)動(dòng)，與同等電子尺寸相比，輻射效率比之前的技術(shù)水平高出300倍以上，傳輸數(shù)據(jù)的帶寬約提高100倍。設(shè)備由4英寸長(zhǎng)的壓電晶體組成，利用“壓電效應(yīng)”將機(jī)械壓力轉(zhuǎn)化為電荷的積累，在聲波波長(zhǎng)下自共振的同時(shí)不需要大阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)［30］。

3.4 接收技術(shù)

信號(hào)在地下傳輸不僅會(huì)受到噪聲干擾，還有電磁波產(chǎn)生的多徑干擾，為了提高傳輸距離，接收端可從天線設(shè)計(jì)、弱信號(hào)的提取、擴(kuò)頻技術(shù)抗窄帶干擾入手。適當(dāng)?shù)卣{(diào)整兩個(gè)天線擺放的位置和角度，協(xié)同式鐵氧體天線可以大大增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，有效對(duì)抗地下信道中多徑衰落和損耗［31］；設(shè)計(jì)運(yùn)放電路［32］，采用窄帶、高靈敏度的磁場(chǎng)傳感器［33］等技術(shù)使得接收端能更好地提取信道中的弱信號(hào)；低頻擴(kuò)頻碼捕獲系統(tǒng)的搜索策略可用于小型化、數(shù)字化的直接擴(kuò)頻系統(tǒng)，以提高透地通信可靠性［34］；美國(guó)洛克希德馬丁公司提出了基于電偶極子和環(huán)形天線的雙天線降噪方法；北京科技大學(xué)在電偶極子雙天線的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)基于寬帶和窄帶的雙環(huán)天線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙環(huán)天線時(shí)域主動(dòng)降噪方法可有效消除非高斯尖峰噪聲的干擾［6］。

4 結(jié)語

1）目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于透地通信的研究主要基于甚低頻及以下頻段，主要有三種方式：磁感應(yīng)、地電極和彈性波透地通信，彈性波的研究停留在理論階段，磁感應(yīng)透地通信系統(tǒng)總體優(yōu)于另外兩種方式，但還需解決發(fā)射天線尺寸過大、不易便攜，信號(hào)傳播過程中受干擾較大，衰減嚴(yán)重等問題；

2）建立合適的信號(hào)傳播模型和接收端抗非高斯干擾是研究的難點(diǎn)，接收端可根據(jù)Middleton Class A、α-stable、Gaussian Mixture等模型進(jìn)行噪聲建模，再優(yōu)化傳統(tǒng)的非線性濾波算法進(jìn)行濾波；

3）發(fā)射甚低頻信號(hào)的大功率、小尺寸的新型天線未來可能應(yīng)用于透地通信系統(tǒng)的發(fā)射端，接收端天線的設(shè)計(jì)可有效消除干擾，捕捉弱信號(hào)。

為了提高透地通信距離，如何提高信噪比是今后研究的重點(diǎn)。發(fā)射天線的小型化、高Q值是未來透地發(fā)射端的發(fā)展趨勢(shì)；接收端應(yīng)著眼于如何在大幅脈沖噪聲中提取弱信號(hào)；在惡劣的信道環(huán)境中，研發(fā)時(shí)間復(fù)雜度低、準(zhǔn)確性高的非線性濾波器必不可缺。由于水下環(huán)境與地下有相似之處，基于低頻頻段的透地通信系統(tǒng)也可以應(yīng)用于水下通信、地下指揮所與地面之間的軍方通信、深層的地鐵應(yīng)急通信等領(lǐng)域。