《地表下物聯網低頻通信傳輸模型與降噪關鍵技術研究》是依託北京科技大學，由張曉彤擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：地表下物聯網低頻通信傳輸模型與降噪關鍵技術研究
- 依託單位：北京科技大學
- 項目負責人：張曉彤
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
地表下物聯網能夠及時掌握地表下物理世界的各種有用信息，能有效地實施地質災害預測、大型基礎設施健康服役監測等。研究用於地表下環境和基礎設施監測的低頻（160KHz）通信系統傳輸模型和數位訊號處理降噪技術，不但能為物聯網網路協定和套用研究者提供可靠的信號傳輸理論模型，而且進一步研究適合地表下物聯網通信系統的抗噪聲數位訊號處理算法。由於地表下環境噪聲大，信號衰減嚴重，常規高頻通信節點直接套用於地表下，其0dBm功率通信距離不足1米，不能滿足地表下物聯網建立要求。項目首先研究地表下模型特點，分析水、土壤類型、沙質含量、鹽度、溫度等因素對信號傳輸模型的影響。其次採用高效的信道編碼技術、時鐘恢復技術、混合直序列擴頻和時間跳頻技術，建立低噪聲、高可靠性的低頻通信系統，利用在FPGA上實現的軟體無線電系統，對比實際測試數據與理論模型的匹配度，提供精確模型服務地表下物聯網套用。
結題摘要
地表下物聯網低頻無線通信信道是一個複雜的環境，其具有環境噪聲大，信號衰減大的特點，對傳輸的磁信號有很大的影響。本課題針對時變的地下無線信道進行理論分析，以矩形線圈和數字通信電路為基礎建立低頻通信系統，通過對系統進行測試，驗證理論信道模型，得到實際條件下磁場強度，路徑衰減，頻寬等特性；研究天線陣列以及組網結構；並提出了一種基於簡化磁場模型的磁定位方法。課題的創新結果如下： 1、本課題完成了基於嵌入式系統開發的地表下低頻無線通信系統的軟硬體平台。套用FPGA實現了時鐘同步、數字調製解調、自動增益控制、RSSI檢測等功能。套用ARM實現了信道編碼、以及按照自定義指令工作的功能。 2、本項目基於對地表下信道模型特點的研究提出了信號傳輸模型。在理論上建立了基於正方形磁感線圈/環形磁感線圈的近距離地下磁感強度模型並得到磁場強度會隨著距離的三次方下降；分析了土壤電導率對地下磁感應通道的影響，最終提出了考慮土壤環境因素影響的路徑衰減模型；建立了傳輸信號頻寬模型。 3、獲得了極坐標磁場強度分布圖、路徑衰減、頻寬以及接收功率等各項實測指標結果，驗證和最佳化了理論模型。分析了粘土通道中的通信信號的誤碼率，得到通過增加傳輸電路的品質因數，可以降低誤碼率，但代價是降低頻寬。 4、對磁感通信進行了組網方面的研究。在研究傳統的二維四邊形磁感應通信拓撲結構的基礎上，提出了一種新的基於規則六邊形陣列的二維與三維拓撲結構。並且得到其在通信速率、路徑損耗、頻寬等方面都有較好的性能表現。 5、基於地下磁感通信信道模型和系統提出了磁感定位系統的理論模型並對定位算法進行仿真分析，對比自定義算法和套用退火算法的改進算法在執行時間和誤差方面的優劣。
