水下磁感应通信系统路径损失分析

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摘要

水下通信受环境影响大，一般的声波、光波、电磁波等不能很好地传递。因此，在这种复杂环境中可通信的磁感应通信的研究受到了极大的关注。但是大部分都是理论研究，对实质性磁感应通信系统的实现和实验是一个重要的热点。本论文实现了水下磁感应通信中线圈随位置的路径损耗采用软件定义无线电模块和GNU Radio的磁感应通信系统，并在水下环境中将实验结果给出线圈随位置的路径损耗。

关键词：水下通信、电磁波、信道损失、GNU Radio、磁感应通信系统

Abstract

Underwater communication is greatly affected by the environment, and the general sound waves, optical waves and electromagnetic waves can not be well transmitted. Therefore, the study of communicable magnetic induction communication in this complex environment has received great attention. However, most of them are theoretical studies, and the realization and experiment of substantive magnetic induction communication system is an important hot spot. In this paper, the software-defined radio module and GNU Radio magnetic induction communication system are used in the underwater environment.

Key words: underwater communication, electromagnetic wave, channel loss, GNU Radio, magnetic induction communication system

Ⅰ.导言

水中环境是复杂的环境，难以用一般通信中使用的波长进行通信，而磁感应（Magnetic Induction；MI）通信则受挑战率的影响，因此在复杂通信环境中具有良好的性能。另外，在水下环境下，考虑信号随收发信机距离的路径损耗是保证通信畅通的一个非常关键的因素。

参考文献[1]中，在水下磁感应通信中，通过理论上的分析，得出了用于实验的参数，并进行了实验，得出了随测得的接收功率的路径损耗和发射功率与接收功率之间拟关系的公式，给出了路径损耗的主要因素。参考文献[2]、[3]中根据波长在水下表面的反射现象，提出了磁场反射对路径损耗的影响，解决这一问题是水下磁感应通信的重要问题。

Ⅱ.水下磁感应通信实验

在MI通信系统中，电波的衰减因素是路径损耗和挑战率，而在本论文的实验中，由于将阻抗和频率设置为常数，所以变量是收发机之间的互电感（Mutual Inductance），从参考文献[4]中可以看出，互电感增加，路径损耗变小。在实验使用的MI通信时标中，由于固定了频率，路径损耗用发射机功率与接收机功率的差式（1）表示。

                                                                 （1）

GNU Radio是一款免费的开源软件开发工具，它使通信的硬件实现要素可以在软件上实现，与MATLAB相比，它可以实时观测接收机的时域和频域信号，并且可以观测频率的偏移。GNU Radio支持USRP硬件驱动程序（UHD），因为它有一个模块可以控制通用软件射频（USRP），所以我们选择它作为实验中使用的软件。图1示出了GNU射频的模块的组成和参数。图2示出了在实际水下环境中进行磁感应通信实验所用的设备和环境，并标出了用于测量线圈位置的参考点。为了进行实验，水槽的发射机线圈的位置为水槽的中间位置（18.5，0，12.5）[cm]，线圈越靠近表面反射越多，因此选择水槽中间位置，受反射影响较小，有利于比较收发机线圈距离y的变化带来的路径损耗。

( a )                            ( b )  

Fig. 1. GNU Radio module configuration, (a) transmitter module, (b) receiver module

Fig. 2.Underwater MI Communication Experimental Environment

Ⅲ.结论

本论文以SDR为基础实现了MI通信系统，分析了水中收发期间距离变化带来的路径损耗。实验中提出的收发信机距离变化下接收机的功率，给出了将来考虑通信距离的MI通信系统设计时实现的可行性。

Table 1. Receiver power according to the distance between transmitter and receiver

收发机距离[cm]	收发机功率[dB]
5	-48.2
10	-61.47
15	-73.22
20	-80.47
25	-86.64
30	-89.99
35	-94.44
40	-98.67

References

[1]M.Mostafa,H.Esmaiel and E.M.Mohamed,“A comparative study on underwater communications for enabling C/U plane splitting based hybrid UWSNs,”Proc.IEEE WCNC2018、Barcelona、Spain、Apr.2018.

[2]I.F.Akyildiz,P.Wang,and Z.Sun,《Realizing underwater communication through magnetic induction》,《IEEE Communication Magazine》,vol.53,no.11,pp.42-48,

Nov.2015.

[3]J.Zhou and J.Chen,“Maximum distance estimation of far-field model for underwater magnetic field communication,”Proc.IEEE CCWC 2017，Las Vegas，USA，Mar.2017.

[4]X.Tan,Z.Sun,and I.F.Akyildiz,“Wireless underground sensor networks：MI-based communication systems for underground applications,”IEEE Antennas and Propagation Magazine,vol.57,no.4,pp.74-87,Aug.2015.

作者简介：

李文斌，出生日期：1993年3月17日，性别：男，籍贯：黑龙江省齐齐哈尔市，民族：汉，学历：湖北民族大学电气工程及其自动化本科，韩国国立公州大学物理系专业本科，韩国崇实大学电子工学博士在读，研究方向：信号与系统分析、通信信号处理、IRS智能反射面、时间序列分析、人工智能。

张中双，出生日期：1989年2月27日，性别：男，籍贯：吉林省长春市，民族：汉，学历：辽宁工业大学电气工程及其自动化本科毕业，职称：电气中级工程师，技能人才评价电工高级考评员，研究方向：电力拖动、信号与系统分析、可编程控制系统、智能自动控制系统。