通信技术的分析与对比

 
 
1天线磁感应方式
地层介质对电磁波的衰减很大,而且频率越高衰减越严重.W.C.Pritchett在测试射频电磁波(1.65MHz)在地层的衰减得到石灰岩中电磁波的平均衰减约为0.086Neper/Ft(2.49dB/m),页岩中平均衰减为0.231Neper/Ft(6.6dB/m)[3].上世纪70年代开始,在美国内政部地矿局(BureauofMines)的资助下,R.Wait和G.Geyer等对电磁波在大地中传播进行了许多研究[4-7],得到接收天线的磁场耦合强度算式:式中,i为发射天线电流,a为发射天线面积,s为透地深度,β为大地的衰减因子,σ为岩层介电常数,μ为介质磁导率,ω为电磁波角频率,I0(x)和I1(x)分别为零阶和1阶贝塞尔函数.当大地为完全绝缘介质时,β=1,此时接收天线上的垂直磁场强度最高,岩层电导率越大,Hz越小,ω越大,Hz越小.JohnDurkin等根据算式(1)和大地介质实测数据模型[8-9],得到信号在630Hz时的衰减约0.1dB/m,3030Hz时大约0.13dB/m,说明在超低频频段的衰减远低于文献[3]的中频段的衰减.20世纪90年代澳大利亚镁思锑技术公司开发的PED(PersonalEmergencyDevice—个人急救设备)应急指挥寻呼系统,单向透地距离可达800m,正常通信速率0.5byte/s,加拿大VitalAlert公司也推出了自己的Canary系列透地通信产品.2005年Barkand等在一个石灰岩矿和运行中的煤矿中对“Telemag”半双工透地通信原型系统进行了测试研究,该系统用500Hz带宽实现了实时语音通信文献[10-11].此后PED和Canary2系统也宣布能实现短距离语音通信.2011年开始LockheedMartin公司、StolarHorizone公司、UltraElectronics公司等也陆续研制出各自的透地通信系统.国内从事透地通信持续研究的学者并不多,而且绝大多数都是从事低频电磁波方向的,如张清毅于1999年用环形天线方式对透地通信的信道特性进行过研究[12],陶晋宜于1999年到2000年对电磁波透地通信方案及系统装置方面进行过研究[13],陈鹏等从事电磁波透地传输FDTD方法模拟的研究[14].天线磁感应方式透地通信的优势:1)由于使用的环形天线尺寸很大,因此覆盖区域较大;2)因为地介质电导率越小,电磁波传播衰减越小,因此此透地方式受疏松地层影响较小.其缺点:1)需要大尺寸天线.由于天线的尺寸与辐射电磁波的波长相关,低频电磁波的波长很大,因此一般需巨型的环形天线.PED系统的发射端天线直径一般十几公里,Canary系统GO系列的天线尺寸也需61m直径;2)能量效率低;一般来说发射机应该工作在谐振状态,这样辐射效率会高,但这需要谐振电路的品质因数值很高,又会影响通信信号的带宽,这是一对无法解决的矛盾.最近有学者提出的磁导(Magneticinduction)通信方式用于地下通信,如Jack等[15]研究了其用于透地通信的可行性,SunZhi提出了基于磁感应的无线地下传感网络,分析了磁导透地通信的信道模型与系统容量[16].SeokBae等则设计了一种用于透地通信的铁氧体磁发射天线[17],这些磁通信技术主要是借鉴了近场磁通信技术,都处于理论探讨或实验室试验阶段,接收端采用效率较高的霍尔传感器、磁通量闸门探测器或螺旋天线,使用极低的信号频率.而实际上LockheedMartin公司也称他们的Magnelink系统是磁通信系统,接收端用的是环形天线,在很低的频率(VeryLowFrequency简写为VLF)的情况下是磁感应通信.