地表下物联网低频通信传输模型与降噪关键技术研究

地表下物联网能够及时掌握地表下物理世界的各种有用信息，能有效地实施地质灾害预测、大型基础设施健康服役监测等。研究用于地表下环境和基础设施监测的低频（160KHz）通信系统"传输模型"和数字信号处理降噪技术，不但能为物联网网络协议和应用研究者提供可靠的信号传输理论模型，而且进一步研究适合地表下物联网通信系统的抗噪声数字信号处理算法。由于地表下环境噪声大，信号衰减严重，常规高频通信节点直接应用于地表下，其0dBm功率通信距离不足1米，不能满足地表下物联网建立要求。项目首先研究地表下模型特点，分析水、土壤类型、沙质含量、盐度、温度等因素对信号传输模型的影响。其次采用高效的信道编码技术、时钟恢复技术、混合直序列扩频和时间跳频技术，建立低噪声、高可靠性的低频通信系统，利用在FPGA上实现的软件无线电系统，对比实际测试数据与理论模型的匹配度，提供精确模型服务地表下物联网应用。

地表下物联网低频无线通信信道是一个复杂的环境，其具有环境噪声大，信号衰减大的特点，对传输的磁信号有很大的影响。本课题针对时变的地下无线信道进行理论分析，以矩形线圈和数字通信电路为基础建立低频通信系统，通过对系统进行测试，验证理论信道模型，得到实际条件下磁场强度，路径衰减，带宽等特性；研究天线阵列以及组网结构；并提出了一种基于简化磁场模型的磁定位方法。课题的创新结果如下：.1）本课题完成了基于嵌入式系统开发的地表下低频无线通信系统的软硬件平台。应用FPGA实现了时钟同步、数字调制解调、自动增益控制、RSSI检测等功能。应用ARM实现了信道编码、以及按照自定义指令工作的功能。.2）本项目基于对地表下信道模型特点的研究提出了信号传输模型。在理论上建立了基于正方形磁感线圈/环形磁感线圈的近距离地下磁感强度模型并得到磁场强度会随着距离的三次方下降；分析了土壤电导率对地下磁感应通道的影响，最终提出了考虑土壤环境因素影响的路径衰减模型；建立了传输信号带宽模型。.3）获得了极坐标磁场强度分布图、路径衰减、带宽以及接收功率等各项实测指标结果，验证和优化了理论模型。分析了粘土通道中的通信信号的误码率，得到通过增加传输电路的品质因数，可以降低误码率，但代价是降低带宽。.4）对磁感通信进行了组网方面的研究。在研究传统的二维四边形磁感应通信拓扑结构的基础上，提出了一种新的基于规则六边形阵列的二维与三维拓扑结构。并且得到其在通信速率、路径损耗、带宽等方面都有较好的性能表现。.5）基于地下磁感通信信道模型和系统提出了磁感定位系统的理论模型并对定位算法进行仿真分析，对比自定义算法和应用退火算法的改进算法在执行时间和误差方面的优劣。