基于磁感应的跨介质通信技术研究

朱睿超，高俊奇，毛智能，吴美玉，储昭强，沈 莹

（哈尔滨工程大学 青岛创新发展基地，山东 青岛 266000）

0 引言

随着各国对海洋探索与信息监测需求的进一步加强，我国在五年计划中提出构建空天地一体化网络，增强海洋信息基础建设，打造更加全面的海洋信息体系，进一步加快实现海洋强国重大战略目标[1-2]。因此如何在多样化的海洋应用中使得各种水下设备与水上设备之间进行数据传输、信息共享以及网络组建，是目前仍待探讨与研究的热点之一。目前水声通信在水下应用成熟稳定，但是在跨介质空海信息传输时，由于自身局限性，其不可预测的反射折射信道会对通信造成严重干扰[3]。磁感应通信由于在空水介质中磁导率一致、信道稳定，且其收发成本低廉、构建方便，因此对其进行跨介质场景下的技术研究十分有意义。

近年来，无线磁感应通信作为一种可在水下或地下极端环境中保持高可靠性的新兴技术受到学者的广泛关注。2001年SOJDEHEI等人首次阐述了磁感应与电磁波的理论区别，无线磁感应通信通过收发线圈之间的感应磁场完成数据交换，无电场分量[4]。学者 DOMINGO等人对单一介质的磁感应通信的信道进行了建模分析[5]。随着信道建模的完善，SUN等人开始改进天线结构与材料，提升发射性能[6]。中国矿业大学学者潘东跃针对水下场景提出一种协作式通信模型，进一步提升理论通信距离[7]。哈尔滨工程大学学者白显豪对磁感应通信中继技术进行研究，并通过仿真分析评估其在水下传感器网络中的性能[8]。西北工业大学学者 CHAI等人对空海跨介质场景进行了实验测试，使用4 m2的方形线圈在空气中发射极低频信号，在水下使用磁通门接收，最终得到了35 m的极限通信距离，并对空海跨介质磁信号传输的可行性进行了分析总结[9]。

综上所述，目前国内外对于无线磁感应通信的研究围绕多个方面展开，在跨介质磁感应分析、系统构建和水下通信实践中涉及较少，本文将针对这几个方面进行研究。

1 跨介质磁感应通信

1.1 磁感应通信

法拉第电磁感应定律是磁感应通信基于的物理学基本原理，在闭合导线构成匝数为Nt的发射线圈上施加交变电流I1时，会在空间中产生一个交变磁场，匝数为Nr的接收线圈感受到空间中变化的磁场后会在接收线圈内产生变化的磁通量Ψ。

式中：Φtr=BS为接收单匝线圈所感受到的磁通量，S为单匝线圈面积，B为感应磁场强度；M为收发线圈之间的互感。由于磁通量是随时间变化的，因此接收线圈上也会产生随时间变化的感应电动势，该感应电动势即为接收端获取的有用传输信号。感应电动势与磁通以及互感的关系为

由此可以看出接收端的感应电动势可以通过接收端的磁场大小或者互感强度和激励电流计算。

1.2 跨介质磁场传播理论

磁场在跨介质传播时，可将界面处磁场传播分解为法向和切向边界条件进一步研究。首先分析空水跨介质的切向磁场问题，假设空气介质中的电磁参数分别为ε1、σ1、μ1，水介质中的电磁参数为ε2、σ2、μ2垂直于分界面的法向量为en，平行于界面的切向分量为et，整体的分析模型如图1所示。

图1 空水跨介质切向电磁场分析模型Fig. 1 Analysis model of air-water cross-medium tangential electromagnetic field

在空水分界面处以法向量和切向分量为对称轴设置矩形回路abcd，使用积分下的麦克斯韦第一方程可得式（3）。

当整个矩形无限扁平趋近于分界面时，可以得到切向磁场的积分结果为

通过式（6）可知，切向磁场强度在穿过具有表面面电流的分界面时不连续。但是在空气介质和水介质这种电导率为有限值的2个介质中传输时，分界面处不可能分布表面电流[10]。因此切向磁场强度在空水分界面处是连续的，即

然而，由于空气和水介质的磁导率μ几乎一致，由B=μH可知

即空水界面处磁感应强度的切向分量是连续的。

接下来分析空水跨介质法向电磁场分界面处的边界条件，模型如图2所示，在空水分界面处设置一个高为Δh、底面积为ΔS的闭合圆柱体，圆柱上下以分界面对称分布，ΔS的面积足够小，因此通过此面积的磁通量可以当作常数。当整个圆柱体无限趋近于平面时，即Δh→0时，关于圆柱侧面的积分即可忽略不计。经过上述分析，在该圆柱体上应用积分形式的麦克斯韦第三方程即可得到

图2 空水跨介质法向电磁场分析模型Fig. 2 Analysis model of air-water cross-medium normal electromagnetic field

由此进一步得到

即空水界面处磁感应强度的法向分量连续，结合公式（8）可知，磁感应强度在空水界面处是连续的，因此，基于磁感应场的通信方式具备跨界通信的潜力。

1.3 COMSOL仿真验证

使用COMSOL对跨空水介质的水平与垂直磁偶极子磁场进行了快速仿真验证，使用的物理场模型为 AD/DC–电磁场–磁场，研究类型为频域，并在仿真整体域外侧建立无限元域，具体域参数与磁偶极子参数如表1和表2所示。

表1 COMSOL仿真域参数Table 1 COMSOL simulation parameters

表2 仿真磁偶极子尺寸与材料参数Table 2 Simulation of magnetic dipole size and material parameters

首先在频率为100 kHz，水介质为海水的情况下，仿真研究了垂直和水平磁偶极子分别放置在空海两种介质中距离界面 1 m处的磁感应强度变化情况。通过图3的仿真结果可以看出，4种仿真情况下，磁感应强度在界面处时均是连续的，符合理论边界条件分析结论。随后对距离界面1 m处，水平与垂直磁偶极子分别放置在海水或者空气中，关于不同频率对跨介质磁场传播的影响进行了研究。通过图4仿真结果可以看出，水平与垂直磁偶极子跨空水介质磁场衰减均随着频率的增大而加快，但水平磁偶极子在跨介质之前会存在随着频率的增大，磁场衰减降低的现象。

图3 垂直与水平磁偶极子连续性仿真Fig. 3 Vertical and horizontal magnetic dipole continuity simulation

图4 空海磁偶极子距界面相同距离不同频率仿真Fig. 4 Simulation of air-sea magnetic dipole at the same distance to the interface with different frequencies

2 跨介质磁感应通信系统设计

2.1 系统架构

设计的通信系统整体架构如图5所示，按照整体模块划分，主要分为收发软件控制单元、收发硬件单元以及收发天线单元。收发软件控制单元是在Ubuntu18.04上基于GNU Radio以及Python开发的通信系统应用，其在发射端完成控制基带信号的幅度调制与相位调制，在接收端完成对接收信号的定时恢复、频偏矫正以及相干解调；收发硬件单元主要基于USRP模块以及相关低频应用子板LFTX和LFRX完成，在此基础上进行二次扩展，在发射端设计了前端发射放大模块以及对应的电源供电模块，在接收端设计了合适的电压跟随模块。最终基于上述对应模块的设计组成了无线磁感应通信系统。

图5 磁感应通信系统整体架构Fig. 5 Overall structure of magnetic induction communication system

2.2 系统硬件设计

2.2.1 收发天线单元

经过磁感应通信的不断发展，已经探究出使用LC谐振回路可以增大发射功率以及获得更低的传输损耗[11]。LC谐振回路可以分为串联谐振与并联谐振。当使用串联谐振回路时，回路电流特性如式（12）所示，容性与感性相抵，用作发射电路可以产生更大的磁场。但由于线圈绕制总会存在气隙，引入杂散电容并联在线圈两端，实际使用串联接收时会引入串并联谐振共存情况，增加额外噪声影响通信质量。

式中：Us为电压激励；R1为电感电阻；L1为电感；C1为电容。

当使用并联谐振回路时，其回路阻抗如式（13）所示，阻抗相较于串联谐振更大。因此当接收线圈接收到微弱磁场产生驱动电流时，配合并联谐振回路会输出较大电压信号，更适合用作系统接收回路。

式中：R2为电感电阻；L2为电感；C2为电容。

2.2.2 电压跟随器

在LFRX的接收子板中，其输入阻抗为50 Ω，如果直接将并联接收回路电压输入接收子板，接收子板并不能完全获取由接收端产生的电压信号，因此需要对输入电压进行跟随转换。使用OPA188设计电压跟随器电路，该芯片具有高精度低噪声的优点，且具有2 M增益带宽积，在正负5 V的驱动供电下，可以满足接收电压跟随需求。

2.2.3 前端放大器

为了获得更大的发射磁场，需要对LFTX的输出信号进行前置放大，本着低噪声、高转换率、高增益带宽积的需求，采用芯片ADA797设计前端运算放大器，完成对LFTX输出峰峰值2 V信号的10倍放大。

2.3 通信方案设计

通信方案部分基于GNU Radio为底层支持完成。GNU Radio提供各种信号处理模块，且可以控制软件无线电设备构成完整的通信系统。

由于磁感应通信采用近场感应磁场的通信方式，磁场衰减随着距离的立方快速衰减，因此对于调制方式的选择着眼于较为低阶的方式，以应对随着距离增加后快速恶化的信噪比条件[12]。最终选用了幅度调制2ASK以及相位调制BPSK和QPSK作为调制方案。

2.4 系统软件设计

根据通信方案设计，最终在软件层面设计了一套完整的磁感应通信系统，系统发射端运行流程为将需要发送的文本或图片数据进行转码、打包封装后，进行差分编码，根据用户所选调制方式生成对应基带信号并进行上变频后输出至发射线圈。

系统接收端主要运行流程为：首先对接收线圈收到的信号进行下变频和自动增益控制，之后根据用户选择的解调方式对信号进行解码判决得到比特流，使用进程间通信ZMQ将比特流转发到解析数据包模块，根据文本和图片2种信息格式对数据进行解码恢复，最终将信息展示在接收端界面。

3 跨介质磁感应通信系统验证

3.1 系统发射功率

实验系统使用的收发线圈具体参数如表 3所示，系统谐振频率100 kHz。为了评估搭建系统的性能，测试了发射线圈的驱动功率，输出电压交流有效值为6.607 V，电流有效值为0.141 693 mA，实际的单路线圈驱动功率为0.936 mW。

表3 收发线圈参数Table 3 Transceiver coil parameters

3.2 跨介质磁感应通信实验

搭建的跨介质磁感应通信系统在 2个外场进行了实验验证，如图6、图7所示。

图6 外场跨介质实验Fig. 6 Outfield cross-medium experiment，

图7 跨介质实验部署Fig. 7 Cross-medium experiment deployment

图6测试了该系统在空气–湖水的非垂直入射跨介质磁感应通信传输可行性。接收线圈放置在湖水下1 m处，发射线圈距离湖面3 m，收发线圈的直线距离约20 m，采用QPSK调制解调方式进行最大性能测试，最终可以完成10 kbps的无误码传输。在图7中，接收线圈放置太湖近岸水下2 m，发射线圈放置空气中距离水面2 m，当收发线圈之间水平距离16 m左右，单轴驱动功率1 mW时，测试通信性能。系统最终在该场景下实现10 kbps无误码文本传输。在实验中发现如果直接跨越太湖围墙墙体，会出现较大误码，这是由于墙体中存在钢筋等铁磁性金属干扰，分流发射磁场。

4 结束语

本文从理论上分析了磁感应通信在空水跨介质场景下的物理合理性，并通过具体的系统设计与实验证实了磁感应通信是空水跨介质场景中稳定、可靠且高效的新型通信方式，在极低（1 mW）的发射功耗下可以完成20 m，10 kbps的无误码信息传输，并从磁感应通信系统的设计角度结合实践给出了一定的指导意见。磁感应通信满足传感网络跨介质数据交换的应用场景，弥补了现有水声通信在跨介质场景下的不足，是未来全面构建海洋信息网络中具有重要价值的通信手段。