基于发送线圈阵列内预编码的MISO磁通信传输方法

本发明属于无线通信领域，主要涉及收发线圈之间的无线磁通信设计，具体是一种基于发送线圈阵列内预编码的miso磁通信传输方法。

背景技术：

1、随着地下空间和水下资源的深入开发利用，信息采集、设备设施检测、应急救援等对磁通信技术提出了更高要求。

2、针对传统单收/发线圈存在数据传输速率低的问题，hoangnguyen等提出利用多输入/单输出(miso)线圈等进行磁感应信息传输，在近场磁感应通信场景中提高了数据传输速率。但此研究忽略了发送线圈阵列内互感干扰对传输性能的影响。song li在研究中提出两个发送线圈垂直放置的配置方法有效解决了多发送线圈导致的互感干扰问题。但该方法对发送线圈的位置关系要求严格，且要求接收端线圈数量、放置方法与发送端相同。这就使得收发端相同距离条件下，同轴收发线圈的耦合度远大于平行轴收发线圈，将严重影响信号质量，且当发送线圈数量较多时，该方法实现难度较大。

技术实现思路

1、本发明针对发送端多线圈间干扰难以抑制的问题，提出一种基于发送线圈阵列内预编码的miso磁通信传输方法，以抑制miso磁感应通信发送端存在的互感阻抗干扰，从而提高miso磁感应通信数据传输速率。为达到本发明目的，提出方案如下：

2、一种基于发送线圈阵列内预编码的miso磁通信传输方法，包括以下步骤：

3、步骤1、分析miso磁感应通信发送端线圈阵列内干扰来源，根据调制信号频率及线圈物理关系估计发送线圈阻抗矩阵，利用互感阻抗矩阵的迫零预编码运算，将阻抗矩阵中不同发送线圈间互感阻抗化为零，进而消除发送线圈阵列内干扰；

4、步骤2、进行发送线圈阵列与接收线圈之间的无互感损耗传输。

5、进一步地，步骤1中调制信号频率及线圈物理关系具体指发送线圈的输入电压、位置关系、结构参数、传输媒介磁导率；

6、结构参数具体包括：线圈匝数、线圈半径、线圈磁导率。

7、进一步地，步骤1包括以下具体步骤：

8、步骤101、发送端线圈阵列内干扰分析：属性相同的发送线圈按n×m阵列同平面等间距排列，并联连接，位于第i行第j列的发射线圈c(i,j)，i∈{1,2,l,n}，j∈{1,2,l,m}，半径为a，相邻线圈之间的距离为r(r≥2a)，当发送线圈矩阵通入调制后的电流调制信号x(t)时，发送线圈c(i,j)与c(k,l)，i≠k或j≠l，由感应磁场诱发的线圈间互感m(i,j)(k,l)如下式所示：

9、

10、其中，μ为介质磁导率，nc为线圈匝数，θ(i,j)和θ(k,l)为发送线圈c(i,j)与c(k,l)径向方向与线圈中心连线的夹角，g为涡流造成的额外损失因素；

11、步骤102、获取miso磁感应通信发送端线圈阵列互感阻抗矩阵，表示如下：

12、

13、当发送线圈阵列铺设完毕后，由各线圈间的相对位置确定两两之间的夹角，zt为自感电阻；

14、步骤103、对发送线圈的互感干扰矩阵，进行迫零预编码计算得到迫零矩阵如下：

15、wzf＝m+＝mh(mmh)-1

16、将其作用于发送线圈阵列上得到单位矩阵如下：

17、wzfm＝e。

18、进一步地，步骤2包括以下具体步骤：

19、步骤201、互感阻抗消除后的miso磁感应通信信号发送：预编码干扰消除后，各发送线圈间无互感损耗传输x(t)，发送信号矩阵为：

20、

21、步骤202、miso磁感应通信信号接收：经过发送线圈阵列内互感干扰消除后，接收线圈感应电压由各线圈感应磁场引发，表示为：

22、y(t)＝h1,1u(1,1)+h1,2u(1,2)+,l,+hn,mu(n,m)+,l,+hn,mu(n,m)+n(t)。

23、一种基于发送线圈阵列预编码的miso磁感应通信装置，所述装置包括：

24、发送线圈阵列，各发送线圈属性相同，按n×m阵列同平面等间距排列，且为并联连接关系；

25、发送线圈互感矩阵估计模块，能够进行发送端线圈阵列内干扰分析，获取发送端线圈阵列互感阻抗矩阵；

26、迫零预编码处理模块，能够对互感阻抗矩阵进行迫零预编码计算；

27、接收线圈。

28、与现有方法相比，本发明的有益效果是：

29、(1)本发明充分考虑miso磁感应通信系统中发送线圈阵列内部互感阻抗对信号传输性能的不利影响，利用发送线圈阵列互感阻抗矩阵运算消除不同发送线圈间的互感阻抗干扰对输入电压信号的削弱作用，使得发送信号能量集中于发送线圈，提高信号有效发送功率，达到增大发送信号强度，提高传输速率性能的目的。

30、(2)本发明采用收发线圈同轴放置结构，避免了由线圈垂直交叉极化导致接收端不同线圈接收功率差异大的问题，便于信号处理过程的实现。

31、(3)本发明利用发送线圈阵列的物理特性估计互感阻抗矩阵，尽管在一定程度上增加系统复杂度，但由于发送线圈阵列物理特性不易改变，在地下或水下等磁感应信息传输中优势明显，且互感阻抗矩阵估计准确度高，无需高频更新。

32、(4)本发明将迫零预编码技术引入到miso磁感应通信系统发送线圈阵列互感阻抗消除中，提升了系统传输性能。仿真结果表明：发送功率大于1mw时，相较于未进行迫零预编码处理的miso磁感应通信传输速率优越性明显，尤其当发送功率达到3mw时，数据传输速率提升约12％。

技术特征：

1.一种基于发送线圈阵列预编码的miso磁感应通信传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于发送线圈阵列预编码的miso磁感应通信传输方法，其特征在于：步骤1中调制信号频率及线圈物理关系具体指发送线圈的输入电压、位置关系、结构参数、传输媒介磁导率；

3.根据权利要求2所述的基于发送线圈阵列预编码的miso磁感应通信传输方法，其特征在于，步骤1包括以下具体步骤：

4.根据权利要求3所述的基于发送线圈阵列预编码的miso磁感应通信传输方法，其特征在于，步骤2包括以下具体步骤：

5.一种基于发送线圈阵列预编码的miso磁感应通信装置，其特征在于，所述装置包括：

技术总结
本发明提出一种基于发送线圈阵列内预编码的MISO磁通信传输方法。该发明提供的方法如下，首先，分析MISO磁感应通信发送端线圈阵列内干扰来源，根据调制信号频率及线圈物理关系估计发送线圈阻抗矩阵，利用迫零预编码矩阵运算方法，将阻抗矩阵中不同发送线圈间互感阻抗化为零，进而消除发送线圈阵列内干扰；其次，在MISO磁感应通信各发送线圈加载调制信号，经过磁感应介质，在接收线圈内产生感应电动势，完成信号传输。本方法可消除发送线圈阵列内互感阻抗，抑制线圈间干扰。当发送功率大于1mW时，相比未采用迫零预编码的方式，数据传输速率有较大提升。当发送功率达到3mW时，数据传输速率可提升约12％。

技术研发人员：张玉芳,连志鹏,董绵绵,王鹏,杨晨,赵强,陈晨,李晓艳
受保护的技术使用者：西安工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15