一种优化频率选择系统及深穿透通信方法
【专利摘要】本发明公开了一种优化频率选择系统及深穿透通信方法，该主要由深穿透收发设备配置模块，参考角频率计算模块，参考载波角频率比较模块以及信号载波频率选择模块配合组成，通过优选载波频率，并以此确定深穿透通信的传输距离。本方案无需增加额外设备或改变系统原有结构，相对于已有的基于频率选择的优化方法，本方案将传输距离为频率选择的优化目标，是一种无附加成本、高可靠、高连通性的深穿透通信方法。
【专利说明】
-种优化频率选择系统及深穿透通信方法
技术领域
[0001] 本发明设及深穿透通信技术，具体设及基于优化信号载波频率选择的深穿透通信 系统和方法。
【背景技术】
[0002] 在地下、山体、水下等环境中，基于电磁波的无线通信信道受到很大的限制，无法 穿透地层、水体等，不能提供可靠的远距离穿透通信。
[0003] 在现有的技术中，深穿透通信是一种可靠的远距离透地通信技术，可被应用于地 下、山体、水下等复杂环境中。但是受限于复杂环境中有限的空间无法布置面积较大的发射 天线;并且由于极端环境下缺少电力输送，W及某些特殊环境下有防爆的特殊要求(例如地 下煤矿），天线的发射功率同样受到限制。由于W上两点原因，地下深穿透通信的发射距离 受到一定限制。
[0004] 在基于频率选择的深穿透通信系统优化中，现有的技术主要W信道容量为优化目 标，在确定的通信距离下尽量提高点对点通信的信道容量，但并不能保证在复杂环境下，节 点间能够最大限度的保证连通性。
【发明内容】
[0005] 本发明针对现有深穿透通信技术在复杂环境中，功率、环境等各种因素限制下，在 远距离连通的可靠性方面所存在的问题，而提出了一种基于最优信号载波频率选择的方 案，使得深穿透通信在复杂环境中，功率、环境等各种因素限制下，能够保障节点间最远距 离的可靠连通。
[0006] 再者在上方案的基础上，本发明还提供一种基于优化频率选择的深穿透通信方 法，使得深穿透收、发设备在发射功率一定的基础上，能够实现远距离的可靠通信。
[0007] 为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
[0008] 针对目的1:提供一种优化频率选择系统，该系统包括：
[0009] 深穿透收发设备配置模块，所述深穿透收发设备配置模块用于配置深穿透收发设 备的属性；
[0010] 参考角频率计算模块，所述参考角频率计算模块根据深穿透收发设备配置模块配 置的数据计算参考载波角频率；
[0011] 参考载波角频率比较模块，所述参考载波角频率比较模块将参考角频率计算模块 计算得到的参考载波角频率与载波角频率范围进行比较；
[0012] 信号载波频率选择模块，所述信号载波频率选择模块根据参考载波角频率比较模 块的比较结果选择最优的信号载波频率。
[0013] 优选的，所述深穿透收发设备配置模块配置的信息如下：
[0014] 发射天线面积，发射天线应数，最小信号载波频率，最大信号载波频率，接收天线 面积，接收天线内忍磁导率，接收天线应数，接收灵敏度W及最大发射功率。
[0015] 优选的，所述信号载波频率选择模块的选择方式如下：
[0016] 若参考载波角频率小于载波角频率范围最小值，选择载波角频率范围最小值作为 最优频率；
[0017] 若参考载波角频率大于载波角频率范围最大值，选择载波角频率范围最大值作为 最优频率；
[0018] 若参考载波角频率位于载波角频率范围内，选择最优参考载波角频率作为最优频 率。
[0019] 针对目的2:提供一种基于优化频率选择的深穿透通信方法，所述通信方法优选载 波频率，并W此确定深穿透通信的传输距离。
[0020] 优选的，所述通信方法包括如下步骤：
[0021] (1)配置通信系统中深穿透收发设备属性；
[0022] (2)根据配置的深穿透收发设备属性计算参考角频率；
[0023] (3)将参考载波角频率与相应的载波角频率范围进行比较，并根据不同区间来选 择最优载波频率；
[0024] (4)配置通信系统中谐振电容；
[0025] (5)配置系统的通信信号载波频率为步骤(3)确定的最优载波频率；
[00%] (6)按实际要求配置物理层，MAC层等上层通信协议。
[0027] (7)基于最优载波频率进行深穿透通信。
[0028] 优选的，所述步骤（1)中配置深穿透收发设备属性包括:发射天线面积St;发射天 线应数Nt;最小信号载波频率fl ;最大信号载波频率f 2 ;接收天线面积Sr ;接收天线内忍磁导 率化;接收天线应数Nr;接收灵敏度S(VA)(每皮特此信号在电路中产生的伏特电压信号）； 最大发射功率Pt。
[0029] 优选的，所述步骤(2)中通过如下公式计算参考角频率：
[0030]
[0031] 其中个，
；9r，0t分别为接收天 线平面法向量和发射线圈平面法向量与两线圈中屯、连线的夹角;y =仙X l(T7H/m为真空中 的磁导率常数；
[0032] 优选的，所述步骤(3)中比较参考角频率CO*与载波角频率范围如fi和化f2的大小， 并根据不同区间来选择信号载波频率：
[00削如果O *< 1，则选择目标载波频率f* = f 1;
[0034] 如果化fi< ? *<2灶2，则选择目标载波频率.
[003引如果O *> ，则选择目标载波频率f* = f 2。
[0036]优选的，所述步骤（4)配置系统中发射电路和接收电路的匹配电容Ct,Cr,使得
最小，Ct, Cr E化；
[0037] 其中，
[0038] 化为实际系统中能取到的电容值的集合；
[0039] Lt，k分别为发射和接收线圈电感值。
[0040] 本方案无需增加额外设备或改变系统原有结构，相对于已有的基于频率选择的优 化方法，本方案将传输距离为频率选择的优化目标，是一种无附加成本、高可靠、高连通性 的深穿透通信方法。
[0041] 再者，本方案基于频率选择优化方法，同时满足磁信号强度口限条件和等效电路 下互感电压口限，选择最大化传输距离的频点进行配置通信，使得深穿透收发设备在发射 功率一定的基础上，保证远距离的可靠通信。
【附图说明】
[0042] W下结合附图和【具体实施方式】来进一步说明本发明。
[0043] 图1为本发明实例中深穿透系统示意图；
[0044] 图2为本发明实例中深穿透系统示意图；
[0045] 图3为本发明实例中深穿透收发天线线圈示意图；
[0046] 图4为本发明实例中频率和传输距离关系仿真图；
[0047] 图5为本发明实例中优化频率选择系统的示意图；
[004引图6为本发明实例中基于优化载波频率的深穿透通信方法流程图；
[0049] 图7为本发明实例方案的具体应用示意图。
【具体实施方式】
[0050] 为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结 合具体图示，进一步阐述本发明。
[0051] 参见图1和图2,图1所示为本实例方案基于实施的深穿透系统的示意图；图2所示 为图1深穿透系统对应的模型图。由图可知，该深穿透系统100在组成结构与现有技术相同， 主要包括相互配合的深穿透通信接收设备101和深穿透通信发送设备102。
[0052] 其中，深穿透通信接收设备101，主要由相应的接收天线构成，作为相应的通信节 点B;而深穿透通信发送设备102,主要由相应的发送天线构成，作为相应的通信节点A;两者 之间通过磁感应禪合，实现可靠通信。
[0053] 参见图3,其示出了该深穿透系统中深穿透收、发天线线圈平面法向量。
[0054] 再者，参见图4,其示出了该深穿透系统中频率和传输距离关系。
[0055] 基于上述的深穿透系统，本实例为了在复杂环境中，功率、环境等各种因素限制 下，深穿透通信能够保障节点间最远距离的可靠连通，提供一种基于最优信号载波频率选 择系统。
[0056] 参见图5,该载波频率选择系统200主要由深穿透收发设备配置模块201，参考角频 率计算模块202，参考载波角频率比较模块203，W及信号载波频率选择模块204相互配合。
[0057] 该载波频率选择系统200运行在深穿透系统的控制器中，在无需增加额外设备或 改变系统原有结构的情况下，保证实现远距离的可靠通信。
[0058] 其中，选择系统200中的深穿透收发设备配置模块201，其用于配置深穿透收发设 备的属性，主要包括：
[0059] 发射天线面积，发射天线应数，最小信号载波频率，最大信号载波频率，接收天线 面积，接收天线内忍磁导率，接收天线应数，接收灵敏度W及最大发射功率。
[0060] 深穿透收发设备配置模块201将配置的属性数据传至参考角频率计算模块202。
[0061] 参考角频率计算模块202,其根据深穿透收发设备配置模块201配置的数据计算参 考载波角频率，并传至参考载波角频率比较模块203。
[0062] 参考载波角频率比较模块203,其将参考角频率计算模块202计算得到的参考载波 角频率与深穿透收发设备配置模块201配置的载波角频率范围进行比较，并将比较结果传 至信号载波频率选择模块204。
[0063] 信号载波频率选择模块204,其根据参考载波角频率比较模块203的比较结果选择 最优的信号载波频率：
[0064] 若参考载波角频率小于载波角频率范围最小值，选择载波角频率范围最小值作为 最优频率；
[0065] 若参考载波角频率大于载波角频率范围最大值，选择载波角频率范围最大值作为 最优频率；
[0066] 若参考载波角频率位于载波角频率范围内，选择最优参考载波角频率作为最优频 率。
[0067] 据此，本实例进行深穿透通信的过程如下(参见图6):
[0068] 步骤1:按照环境、设备成本和通信各方面要求，配置深穿透收发设备属性:发射天 线面积St;发射天线应数Nt;最小信号载波频率fl;最大信号载波频率f 2 ;接收天线面积Sr ;接 收天线内忍磁导率化;接收天线应数Nr;接收灵敏度S(VA)(每皮特此信号在电路中产生的 伏特电压信号）；最大发射功率Pt。
[0069] 步骤2:计算参考角频率：
[0070]
[0071]
[0072] 0r，0t分别为接收天线平面法向量和发射线圈平面法向量与两线圈中屯、连线的夹 角（如图3所示）;y =如Xl〇-7H/m为真空中的磁导率常数。
[0073] 步骤3:比较CO*与化fi和2灶2的大小，并根据不同区间来选择信号载波频率：
[0074] 如果，则选择目标载波频率f* = fi;
[0075] 如果化fi< CO *<2灶2，则选择目标载波频羣
[0076] 如果，则选择目标载波频率f* = f2。
[0077] 步骤4:配置系统中发射电路和接收电路的匹配电容Ct，Cr，
[007引使得
[0079] 其中，
[0080] 化为实际系统中能取到的电容值的集合；
[0081 ]以山分别为发射和接收线圈电感值。
[0082] 步骤5:配置系统通信信号载波频率为f = f*。
[0083] 步骤6:按实际要求配置物理层，MAC层等上层通信协议。
[0084] 步骤7:基于上述优化的载波频率f气则试、调试深穿透通信系统其余功能，并进行 通信。
[0085] 针对上述的深穿透通信方案，下面通过一具体应用实例来进一步的说明：
[0086] 参见图7,其所示为该应用实例中深穿透系统的布置示意图。
[0087] 由图可知，为了实现地上到地下的可靠通信，需在地面和地下空间配置深穿透通 信系统节点A和B，深穿透通信节点W电池供电且可移动。
[0088] 考察地层介质的磁导率属性，如无大规模铁矿、金矿等磁导物质存在，则底层磁导 率与空气接近(例如地下煤矿、铜矿等场景），可W实施深穿透通信系统方案，整个实施过程 如下：
[0089] 首先，根据实际环境特别是地下环境配置收发天线。
[0090] 接收天线由于体积较小，可W统一按成本和工艺条件配备。
[0091] 送天线除了根据成本和工艺外，需考察地下布置环境空间，W选择合适尺寸的发 送天线。发送线圈由通电电缆经过一定特殊处理制成，展开后可为直径为1米~32米的圆型 线圈。根据实际环境展开形状可能不同，但标准圆形展开是效果最佳的方案。
[0092] 接着，根据设备电池和工作时间等需要，设定系统发送功率。
[0093] 接着，根据上述步骤2~步骤3的方法选择最优载波频率。
[0094] 再者，按上述步骤4~步骤7的方法配置系统发射电路电容和包括物理层及W上所 有通信协议。
[00%]最后，将设备带入地面和地下环境现场，基于优化频率选择的深穿透系统搭建完 成，可W实现地上地下可移动的双向深穿透无线通信。
[0096] 核诵倍系统前W宗成地下到地上最远可靠深穿透通信距离为：
[0097]
[0098] 其中，岡为接收天线灵敏度m。
[0099] 由此应用实例可知，本方案首次将传输距离为频率选择的优化目标，是一种无附 加成本、高可靠、高连通性的深穿透通信方案。
[0100] W上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术 人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本 发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，运些变 化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其 等效物界定。
【主权项】
1. 一种优化频率选择系统，其特征在于，所述选择系统包括： 深穿透收发设备配置模块，所述深穿透收发设备配置模块用于配置深穿透收发设备的 属性； 参考角频率计算模块，所述参考角频率计算模块根据深穿透收发设备配置模块配置的 数据计算参考载波角频率； 参考载波角频率比较模块，所述参考载波角频率比较模块将参考角频率计算模块计算 得到的参考载波角频率与载波角频率范围进行比较； 信号载波频率选择模块，所述信号载波频率选择模块根据参考载波角频率比较模块的 比较结果选择最优的信号载波频率。2. 根据权利要求1所述的一种优化频率选择系统，其特征在于，所述深穿透收发设备配 置模块配置的信息如下： 发射天线面积，发射天线应数，最小信号载波频率，最大信号载波频率，接收天线面积， 接收天线内忍磁导率，接收天线应数，接收灵敏度，W及最大发射功率。3. 根据权利要求1所述的一种优化频率选择系统，其特征在于，所述信号载波频率选择 模块的选择方式如下： 若参考载波角频率小于载波角频率范围最小值，选择载波角频率范围最小值作为最优 频率； 若参考载波角频率大于载波角频率范围最大值，选择载波角频率范围最大值作为最优 频率； 若参考载波角频率位于载波角频率范围内，选择最优参考载波角频率作为最优频率。4. 一种基于优化频率选择的深穿透通信方法，其特征在于，所述通信方法优选载波频 率，并W此确定深穿透通信的传输距离。5. 根据权利要求4所述的一种基于优化频率选择的深穿透通信方法，其特征在于，所述 通信方法包括如下步骤： (1) 配置通信系统中深穿透收发设备属性； (2) 根据配置的深穿透收发设备属性计算参考角频率； (3) 将参考载波角频率与相应的载波角频率范围进行比较，并根据不同区间来选择最 优载波频率； (4) 配置通信系统中谐振电容； (5) 配置系统的通信信号载波频率为步骤(3)确定的最优载波频率； (6) 按实际要求配置物理层，MAC层等上层通信协议。 (7) 基于最优载波频率进行深穿透通信。6. 根据权利要求5所述的一种基于优化频率选择的深穿透通信方法，其特征在于，所述 步骤(1)中配置深穿透收发设备属性包括:发射天线面积St;发射天线应数Nt;最小信号载波 频率fl;最大信号载波频率f 2 ;接收天线面积Sr ;接收天线内忍磁导率μΕ ;接收天线应数Nr ;接 收灵敏度S;最大发射功率Pt。7. 根据权利要求5所述的一种基于优化频率选择的深穿透通信方法，其特征在于，所述 步骤(2)中通过如下公式计算参考角频率：其中个θ*分别为接收天线平面 法向量和发射线圈平面法向量与两线圈中屯、连线的夹角;μ为真空中的磁导率常数。8. 根据权利要求5所述的一种基于优化频率选择的深穿透通信方法，其特征在于，所述 步骤(3)中比较参考角频率ω*与载波角频率范围2村谢2村2的大小，并根据不同区间来选 择信号载波频率： 如果ω *<2灶1，则选择目标载波频率f* = f 1; 本 如果如f 1 < ω *<2，则选择目标载波频率/ =占； 2π 如果ω *> 2灶2，则选择目标载波频率f* = f 2。9. 根据权利要求5所述的一种基于优化频率选择的深穿透通信方法，其特征在于，所述 步骤(4)配置系统中发射电路和接收电路的匹配电容Ct'Cr，使得|c,-c;|和jc,.-巧最小， Ct,CrE化； 其中化为实际系统中能取到的电容值的集合； U，k分别为发射和接收线圈电感值。
【文档编号】H04B13/00GK105846912SQ201610150595
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月16日
【发明人】刘儿兀, 张正清, 瞿昕宇
【申请人】刘儿兀