近地表土壤中无线地下传感器网络的电磁波传播与通信信道特性研究

本课题研究近地表土壤中的高频电磁波传播以及信道特性。.首先，使用球面波以及侧面波分析方法研究近地表土壤中传感器网络节点发出的高频电磁波并使用时域有限差分（FDTD）法对其进行数值仿真，揭示近地表土壤中高频电磁波的传播规律。.其次，使用理论分析、数值仿真与实测相结合的方式对近地表土壤中的信道特性进行探索，在传播模型基础上，结合近地表土壤环境特性，借鉴移动通信中的多径信道理论，建立近地表土壤中的多径衰落信道模型。.最后，使用经验公式与实验测定相结合的方法，得出土壤理化特性与其电气参数的关系，进而研究土壤理化特性对电磁波传播模型以及信道模型的影响。.本课题对高频电磁波在地下无线通信中的使用以及地下无线通信多径信道特性进行创新性研究，其成果将对地下无线通信技术的发展提供思路，为近地表土壤中的无线地下传感器网络的理论体系建立和实践应用奠定基础。

由于近地表无线地下传感器网络在农业管理、土壤监测等领域具有良好的应用前景，近几年逐渐成为研究热点。本课题对其中最关键的问题，即高频电磁波在近地表土壤中的传播规律及近地表土壤中的无线信道特性进行了较为深入的研究和探索。.课题成果主要包括：.对近地表土壤中的高频电磁波的传播特性进行了深入研究，建立了以侧面波为主的传播模型，提出了侧面波的路径损耗公式。进一步研究了土壤的不均匀性、地表面的不光滑性对于电磁波传播特性的影响，提出了将以上因素考虑在内的非理想情况下的修正模型；.建立了以直射波、反射波以及侧面波为三路基准路径，叠加多路反射与散射产生的多径效应，以及高斯白噪声的地下多径信道模型，对基于该信道模型的WUSN进行了系统级仿真，其结果可对估计WUSN系统性能起到一定的参考作用； .对土壤电参数的两种常用计算方法：半经验介电混合模型（SDMM）及湿土的广义折射混合介电模型（GRMDM）进行了调研和比较，对SDMM方法提出了改进，提高了该方法的精确度，使其能够兼顾简单性及准确性；.通过理论分析、仿真、实验相结合的方式，对地上障碍物及人类活动对于近地表WUSN中的电磁波传播及信道特性的影响进行了研究，提出了将人体干扰考虑在内的侧面波路径损耗模型； .设计并开发出了用于近地表WUSN的实验系统；.提出了一种利用近地表WUSN的信道特性对地上物体进行定位跟踪的方法，该方法不要求被定位物体具有信号发射功能，设备实现简单；采用分层工作模式，能量效率高；.提出了一种根据土壤水含量变化进行自适应调制的方法。该方法不要求节点具备复杂的信道估计能力，设备实现简单，成本低。采用该方法，系统稳定性可以得到较大提高；.对周期永磁聚焦系统的温度特性进行了较为深入的研究，得出了使用钐钴永磁材料的周期永磁聚焦系统在高温下的磁场性能，为在WUSN系统中使用新型材料，开发新型器件和设备提供了思路，也为本课题的后续研究提供了一个可选的方向。.总体来讲，本课题完成了预定研究目标，提出了具有一定参考价值的理论模型和一定应用价值的新方法和新技术。课题成果将为地下无线通信技术的发展提供一定思路，为近地表土壤中的无线地下传感器网络的理论体系建立和实践应用奠定一定基础。