一种基于现成空心管线网的信息传输方法与流程

本发明属于信息传输及电子通讯技术领域，具体涉及一种基于现成空心管线网的信息传输方法的设计。

背景技术：

现有通讯技术通常通过有线(有线电视用同轴线，电话线，网线和电力线等)或无线(无线电视、广播、手机移动通讯、蓝牙和wi-fi等)的方式进行通讯。对于有线通讯通常需要布线完成通讯，其布线成本昂贵；对于无线通讯则需要占用无线电频谱资源，而无线电频谱日益拥挤，越来越难以满足各种通讯需求。因此开发新的廉价通讯方式具有重要意义。

空心管线网络包括各种燃气管网，自来水管网等，其主体网络通常由金属管网构成，部分支线管网可能由pvc塑料等非金属管线构成，其设施可能包含各种大小管线、转接头(各种t型分支等)、弯头及控制部件(各种减压设施等)，其截面多数为圆形。这种现成空心管线网广泛分布于各种人类活动密集的场所，如果信息传输系统与其共用将具有极大的社会及经济价值。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有无线频谱资源紧张而有线传输布线成本昂贵的问题，提出了一种基于现成空心管线网的信息传输方法。

本发明的技术方案为：一种基于现成空心管线网的信息传输方法，包括以下步骤：

s1、根据现成空心管线网的物理特征构建信息传输系统；

s2、确定信息传输系统的传输模式；

s3、针对不同的传输模式，在信息传输系统中不同位置插入符合要求的信息耦合装置，对空心管线网内部的信息进行馈入和提取；

s4、在各信息耦合装置所在的空心管线网外部进行信息处理，完成各类通讯任务。

本发明的有益效果是：本发明可用于各种现成的金属或非金属空心管线网及管线网附近的通讯互联及信息传输，例如城乡及旷野的燃气和石油天然气管线内部射频、微波及毫米波频段(30mhz至300ghz之间频段)的信息传输，自来水管线内部射频、微波及毫米波频段(30mhz至300ghz之间频段)的信息传输等。本发明节省了传统有线网络的昂贵布线成本，同时不占用日益拥挤的无线电频谱资源。

附图说明

图1所示为本发明实施例提供的一种基于现成空心管线网的信息传输方法流程图。

图2所示为本发明实施例提供的信息传输系统结构示意图。

附图标记说明：1-管线、2-转接头、3-弯头、4-控制部件、5-信息耦合装置、6-跳接支路、7-中继装置。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

本发明实施例提供了一种基于现成空心管线网的信息传输方法，如图1所示，包括以下步骤s1-s4：

s1、根据现成空心管线网的物理特征构建信息传输系统。

对于单一直径的金属圆形管线，是天然的金属导波系统，可以传输一定模式的微波信号，以微波信号作为信息载体可以进行信息传输。对于单一直径的非金属圆形管线亦可以通过相应介质波导模式进行微波信号传输。而现成空心管线网通常由多种不同直径尺寸的长直管线构成，这使得本发明提供的信息传输系统与现成空心管线网存在公用性。有了这样的共用可能后，步骤s1具体包括以下分步骤：

s11、采用现成空心管线网中不同直径尺寸的管线构成信息传输系统的主体。

s12、针对现成空心管线网中的各种转接头、弯头及控制部件，判断微波信号通过其中时的损耗是否在信息传输系统的容忍范围内，若是则将这些转接头、弯头及控制部件作为信息传输系统的一部分，否则通过在其两端插入辅助传输部件构成跳接支路，或者在管线的某一节点插入中继装置，以此构建信息传输系统。

本发明实施例构建的的信息传输系统如图2所示，其中不同直径尺寸的管线1构成了整个信息传输系统的主体。针对转接头2和弯头3，微波信号通过其中时的损耗系统可以容忍，因此将其直接视为信息传输系统的一部分；而针对控制部件4，微波信号通过其中时的损耗过大，系统不能容忍，因此在其两端插入辅助传输部件构成跳接支路6，同时在管线1的一个节点插入了中继装置7，中继装置7在节点处将信号从管线1提取出来，放大以后再馈入管线1，以此完成信息传输系统的中继，并对信息传输系统进行补偿。

s2、确定信息传输系统的传输模式。

在空心管线网中可能存在不同的信号传输模式，各种模式通常具有不同的传播特性，其能否在管线中传输还与耦合激励方式具有直接相关性。对于专用于信号传输的传输系统，在进行模式选择时通常需要选择传输损耗低，单模传输带宽宽的传播模，而现成空心管线网与专用于微波信号传输的传输系统相比，其传输性能较差，因此需要对传输模式进行选取。基于此，步骤s2具体包括以下分步骤：

s21、统计信息传输系统中各管线的内径，并按照内径从小到大的顺序排序为φ1,φ2,...,φn，n为信息传输系统中管线数量。

s22、根据内径计算各管线的单模工作带宽bwp，其中下标p表示第p根管线，p＝1,2,...,n。

模式是指电磁场在导波系统(本发明实施例中为各种管线)横截面的分布情况。对于圆形管道，这种分布是指电磁场在圆面的圆周方向和径向的变化数目，而导波系统中能存在的电磁场分布可以分解为横电模(te，电场只有横向分量)和横磁模(tm，磁场只有横向分量)。因此本发明实施例中，针对第p根管线，将其可能存在的传播模式分解成为横电模te和横磁模tm。

对于横电模te，其截止频率为：

式中p′nm为n阶贝塞尔函数的一阶导数的第m个根，φp为第p根管线的内径，μ为管内媒质的导磁率，ε为管内媒质的介电常数。

对于横磁模tm，其截止频率为：

式中pnm为n阶贝塞尔函数的第m个根。

将fcnm,te和fcnm,tm两个数列组合成一个集合fcp＝{fcnm,te,fcnm,tm}，再将fcp内所有频率按从低到高的顺序排序，得到新的数列fc′p＝{fcp,1,fcp,2,...,fcp,l}，fcp,l为第p根管道的第l个模式的截止频率。

根据公式(3)计算得到第p根管线的单模工作带宽bwp：

bwp＝(fcp,1,fcp,2)(3)

s23、判断是否满足bw1∈bw2∈...∈bwn，若满足则信息传输系统的传输模式可以为单模传输，否则进入步骤s24。

s24、设定能在各管线中传输的各种模式mp,l，其中下标p表示第p根管线，p＝1,2,...,n，l表示第l个模式，l＝1,2,...,n。

各管线中传输的每一个模式能否在导波系统中存在，由其截止频率决定，只有当工作频率高于截止频率时电磁波才能在该管线中传播。由于在步骤s22中得到了数列fc′p＝{fcp,1,fcp,2,...,fcp,l}，则可以设定与截止频率fcp,l一一对应的第p根管线的第l个模式为mp,l。

s25、计算各管线各种模式mp,l对应的异模工作带宽其中下标lp表示第p根管线的某一模式。异模工作带宽定义为可以在不同管线中以不同模式工作的各种模式带宽的交集。

s26、判断是否满足若满足则信息传输系统的传输模式可以为异模传输，否则信息传输系统的传输模式为过模传输。

本发明实施例中，当信息传输系统的传输模式为过模传输时，需满足工作带宽最宽，单位距离插入损耗最小和最容易耦合激励三条原则。

s3、针对不同的传输模式，在信息传输系统中不同位置插入符合要求的信息耦合装置，对空心管线网内部的信息进行馈入和提取。

本发明实施例中，如图2所示，当传输模式确定以后就可以针对不同的模式确定信号耦合方式，并在信息传输系统中插入相应的信息耦合装置5，这些信息耦合装置5可以用于在需要的位置将信息馈入或馈出信息传输系统，同时也可以将两个或两个以上的信息耦合装置5作为辅助传输部件构成跳接支路6，完成大损耗控制部件4的支路跳接。

s4、在各信息耦合装置所在的空心管线网外部进行信息处理，将信息传输系统与传统通讯方式进行对接，完成各类通讯任务。

下面以一个具体实施例对本发明提供的一种基于现成空心管线网的信息传输方法进行进一步描述。

拟共用的现成空心管线网：33层楼的公寓小区单元住户入户燃气镀锌不锈钢管网，该管网使用长直管线两种，其中单元主管内直径35mm，入户气管直径22mm。

根据步骤s2对其进行传输模式选取，按模式选取步骤计算，该管线网只适合过模传输，且其各种模式中te圆波导模式损耗最低，较容易激励且具有较宽带宽，因此选取该模式为该管线网共用于信息传输系统时的主要传输模式。

传输模式确定以后，由小管线尺寸可以计算其截止频率约为23ghz，选取te矩形波导转圆波导模式耦合装置(信息耦合装置)，实验测得大管线在该装置激励下在28ghz后性能开始变坏，而实验测试表明，在23ghz-28ghz频段，两种尺寸的管线在该频段均可良好工作，单位长度损耗小于0.1db/m。据此可选取共用于该燃气管线网的信息传输系统工作带宽为5ghz(23ghz-28ghz)。

下面进行损耗评估，以最长顶楼管线作评估如下：粗长直管线损耗3m/层×33层×0.1db/m，细长直管线损耗20m×0.1db/m，其它控制部件损耗30db(含10个直角弯头损耗各0.1db；大小管三通损耗10db，其它损耗不超过19db)，因此该信息传输系统共用时的最大损耗约40db，完全可以在只使用入单元信息耦合装置和各户使用信息耦合装置完成信息传输，而不需要跳接支路和中继等辅助手段。

综上所述，使用本发明提供的一种基于现成空心管线网的信息传输方法可以在不架设专用信息传输网的情况下达到宽带信息传输的目的，同时不会占用无线带宽。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。