磁感应通信在地下物联网中的应用

刘明阳

摘 要：随着智慧城市的快速发展、城市物联网的建设，城市地下管廊中有大量供排水、供热、燃气、电力等重要设备运行状态信息需要从地下传到地上。磁感应通信在地下环境中具有传输距离远、抗干扰、天线设计简单等特点，适合作为透地通信的手段。在分析了磁感应透地通信的发展、原理、系统组成基础上，给出了发射线圈、接收线圈的设计原则及提高系统性能的措施，为磁感应通信在地下物聯网中的应用提供了参考。

关键词：磁感应通信;物联网;无线透地通信;地下管廊;智慧城市;传播损耗

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）03-00-03

0 引 言

目前，打造智慧城市成为全球先进国家城市发展趋势，而物联网是实现智慧城市的关键因素与基石，智慧城市通过物联网把无处不在的被植入城市的智能传感器连接起来，实现对城市的全面感知，做出智能化响应并提供决策支持。

在现代城市中，有大量基础设施位于地下，如给排水设施、供热设施、燃气设施、电力电信管线等，如果把城市比作一个生命体，那么城市地下管网就是城市生命的循环之脉。如果缺少这些重要基础设施的运行状态信息，那么智慧城市就是不完善的。

2014年6月，国务院发布了《关于加强城市地下管线建设管理的指导意见》，提出要改造、建设较为完善的城市地下管线体系。在此背景下，很多城市开展了地下管网改造、地下管廊建设，为排水设施、供热设施、燃气设施、电力电信等运行信息的采集、地下物联网的建设提供了契机，但要成功地将这些基础信息接入城市物联网，还需要有可靠的传输手段。

对于设施比较健全、规模较大的地下管廊，完全可以采用铺设地下光纤网络，通过有线通信的方式实现地下信息的接入。而对于一些规模小或者现场条件复杂、不便于铺设有线网络的地点，就必须依靠无线通信手段，通过透地通信将地下信息接入城市网络。

1 磁感应透地通信技术背景

穿透地层的通信属无线通信范畴，但与常见的手机移动通信、广播、电视等无线通信形式不同。在地面上，电磁波的传播以空气为通信媒质，几乎无损耗。而透地传输由于电磁信号必须穿过地层，因此情况极其复杂[1]。

（1）一般情况下，由于地面的表层土壤水含量较大，因此电导率较高，约为10-3～10-1 Ω/m，而电导率对电磁波的传输有着显著的影响，电磁波在导电媒质中传播时损耗很大，导电率越高，电磁波的衰减就越严重。

（2）电磁波信号的频率也对透地传输有很大影响，频率越高，在地下传输时的衰减就越严重。为了让信号具有较强的穿透性，在透地无线通信系统中，通信频率的选择只能是低频频段以下。而低频段电磁波的波长长度为几千米甚至更长，实际中很难架设足够长度的天线，导致天线辐射效率低。

（3）在地下无线通信过程中，由于地层并非均匀媒质，而是复杂的分层结构，因此电磁波在地下传输时会存在不同介质层的折射和反射衰减，使得经辐射衰减、传输衰减后的电磁信号更加微弱。

目前国内外实现透地通信主要采用三种技术[2]，即地电极电流场透地通信、弹性波透地通信、磁感应透地通信。

地电极电流场透地通信的发送端和接收端各自使用插入土壤的一对电极进行低频电流信号的发送和接收，利用电场电流承载信息数据。系统的性能与大地介质的电导率、地层结构、发射与接收天线长度、天线埋设情况等因素有关。

弹性波透地通信是近年来出现的新技术，以机械振动波为信息载体，利用机械振动产生弹性波传递信息。弹性波在地层中传播衰减的主要原因有波前扩散、大地介质的分层性、不均匀性、非完全弹性等。

磁感应透地通信通过发送线圈和接收线圈之间准静态磁场的耦合实现数据的无线传输。由电磁感应定律可知，当穿过导体线圈所限定面积中的磁通发生变化时，线圈回路中会产生感应电动势，以此来完成信息的传递。相比于电流场透地通信、弹性波透地通信，磁感应透地通信天线设计更简单，更易于搭建，且干扰因素较少，是目前国内外广为关注的透地通信技术。

透地通信技术的研究起源于美国[3]。19世纪20年代初，美国矿务局成立了专家组研究透地无线电。1930年，美国物理学家Wallace Joyce通过大量实验，对透地通信的天线、信号频率进行了研究，验证了透地通信的可行性。1949年，南非研制成功了第一个真正意义上的透地通信系统。

近年，由于众多机构都意识到透地通信应用前景的广阔，因此大都投入到了磁感应透地通信技术研究中。澳洲MST公司研发的PED设备可以实现800 m的透地传输距离。约2005年，加拿大VA公司利用500 Hz带宽在一个矿山中成功实现了语音透地通信。2008年之后，美国LM公司、STOLAR公司都成功研发并测试了一些磁感应透地通信新产品，这些产品采用磁通门传感器、量子扰动超导探测器作为接收端的磁场接收器，提高了系统性能。国内也有很多学者投入到这一领域，并取得了一定成果[1-3]。总体来说，磁感应透地通信这一领域正处于快速发展阶段，是当前透地通信的研究热点。

2 磁感应透地通信原理

2.1 系统工作频率的选择

系统工作频率的选择要进行综合的考虑。信号的频率越低，在穿透地层时的信号衰减就越小，同时可利用的传输带宽越小，因而频率更低，意味着信息传输的速率降低。综合各方面因素考虑，一般透地通信采用的频率为几百赫兹到几万赫兹。

2.2 磁感应通信原理

在磁感应通信中，通常采用电磁线圈作为信号的发射装置，而透地磁感应通信中信号的频率很低，天线尺寸和信号波长相比要小得多，发射线圈可以看成是磁偶极子天线。在球坐标系中，发射线圈的圆心位于原点，线圈位于xOy平面，如图1所示。

发射线圈所产生的磁场强度[4]：

式中：Hr和Hθ为磁场强度沿r方向和θ方向的分量;ω为信号的角频率;μ为磁导率;η为本征阻抗;θ为磁场强度方向与竖直方向的夹角;r为传播距离;β为相位常数;a为线圈的半径;m为磁矩。

由于信号频率很低，而且磁感应通信一般距离较近，大都在1 km以内，属于近场通信，即βr1，磁场信号随传播距离的增大呈3次方衰减，比传统电磁波信号的衰减速率要大。但是土壤的介电常数比空气大很多，并且其受环境因素的影响变化很大，因而电磁波在透地通信中的路径损耗受环境因素的影响更大。而土壤、岩石层的磁导率和空气基本相同，因而磁感应通信信道状态稳定，不会出现电磁波传播所产生的多径衰落现象，这也是透地通信中众多学者选择磁感应通信技术的原因。

在接收端，通常采用电磁线圈作为磁信号的接收天线。

2.3 磁感应通信系统

磁感应通信系统如图2所示。

在发送端，传感器中的数据首先进行编码，编码分为信源编码和信道编码两部分。信源编码是对数据信息进行压缩，去除冗余信息，进行协议格式的转换;信道编码是根据信道的情况、系统对误码率的要求，对信源编码后的数据进行变换，加入纠错信息，确保系统的通信质量。编码后可以采用ASK，PSK等方式对信息进行调制，将信息加载到载波上，信息速率根据系统的需要可以达到若干kbps。调制后的信号经功率放大与发射线圈后，产生磁场信号。

接收端线圈在透过土层的磁信号作用下，产生感生电动势，信号经过放大、解调，信道解码、信源解码后，即可获得原始信息。

系统中，编解码、调制解调、放大等模块均是通信中已经成熟的技术，系统的关键是发射线圈、接收线圈的设计。

3 发射线圈、接收线圈的设计

根据式（1）和式（2）可知，在系统信号频率、磁导率、本征阻抗确定的情况下，发射线圈产生的磁场强度主要由磁矩m决定：

式中：N为发射线圈的匝数;A为线圈的面积;I为发射线圈电流。增大发射天线的匝数N，会导致线圈的电阻R增加，从而加大系统的功耗I2R，同时增大匝数，也会增加匝间损耗。因此得出结论：增加发射线圈的匝数并不能有效提高发射线圈的性能。增大线圈的半径，会使线圈的电阻呈正比增加，而线圈面积A会按线圈半径的平方增加，可得出结论：增大线圈的半径可以有效增加磁矩。此外，增加线圈导线的线径，既可以减小发射线圈的电阻，减小系统功耗，还可以增大线圈的品质因数，提高系统性能。一般来说，发射线圈总的设计原则是尽量增大发射线圈的半径、增大线圈导线的线径，同时根据系统传输距离、功耗要求、现场尺寸要求综合考虑。

在系统接收端，由式（3）和式（4）可知，信号电压：

由式（6）可知，增大接收線圈的匝数N'和接收线圈面积S都能够有效增大接收端信号的强度。同时增大磁导率也可以增大接收信号电压，该问题可以通过在接收线圈中加入铁磁内芯解决。铁磁材料可以具有超过105的相对磁导率，所以通过引入磁芯可以显著提高接收线圈的灵敏度。但应注意到，软磁材料被制作成线圈磁芯以后，其有效磁导率会比材料本身的磁导率低很多，而且与内芯的几何形状有关[5]。

式中：μ为圆柱形磁芯的有效磁导率;μ0为材料本身的磁导率;d为磁芯的直径;l为磁芯的长度。因而，在使用磁芯接收线圈时，要充分考虑接收线圈的几何形状。

4 提高系统性能的措施

目前，国内外学者提出了多线圈协同通信、中继磁感应通信、基于电共振的磁感应通信、高灵敏度磁传感器通信等技术，提高了磁感应通信系统的性能。

多线圈协作磁感应通信使用多个发射线圈，每个线圈同时发送相同的信号，考虑多个发射线圈的分布位置、角度，协同同步，增强了接收线圈所接收到的磁信号。

中继磁感应通信在发射端与接收端之间设置若干无源线圈，作为中继节点。发射线圈发出信号后，由于磁场的作用，中继线圈中会感应出携带信号特征的电流，于是中继线圈产生新的磁场并影响其他中继线圈。采用中继线圈传递磁场能量减少了路径损耗，增大了信号传输距离。

基于电共振的磁感应通信是根据耦合共振的物理原理，将发射线圈和接收线圈分别设计成两个共振电路，这两个电路通过磁场耦合在一起，从而提高了功率比，降低了路径损耗和误码率，增加了通信距离。

高灵敏度磁传感器通信系统中使用磁通门、磁电阻传感器等来代替接收线圈接收发射线圈发射的磁信号，这些传感器可以检测10-10 T的磁感应强度，可以在提高通信系统性能的同时，减小接收系统的尺寸。

5 结 语

磁感应通信与传统的无线电磁波、电极电流场、弹性波透地通信相比，具有传输距离远、抗干扰、天线设计简单等特点，也受到国内外专家学者、研究机构的广泛关注，目前磁感应透地通信技术仍在不断发展之中。随着智慧城市、地下物联网的发展，磁感透地通信技术将具有广阔的应用前景。

参 考 文 献

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[3]孙彦景，吴天琦，施文娟，等.无线透地通信理论与关键技术研究[J].工矿自动化，2017，43（9）：46-53.

[4] CHANG D K.电磁场与电磁波[M].北京：清华大学出版社，2015.

[5]王锋，刘美全，徐章遂.磁天线参数设计及实现方案[J].信息技术，2014（8）：112-114.

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