表1 透地通信研究成果对比
Table 1 Comparison of through-the-earth (TTE) communication researches
孙彦景1， 吴天琦1， 施文娟1,2， 徐胜1， 王晓琳1， 牛洪海3
(1．中国矿业大学 信息与控制工程学院， 江苏 徐州 221116； 2．盐城师范学院 新能源与电子工程学院，江苏 盐城 224015； 3．南京南瑞继保电气有限公司， 江苏 南京 211102)
摘要：综合分析了现有无线透地通信研究现状，比较了地电极、弹性波及磁感应透地通信的性能，得出磁感应透地通信性能优于其他2种透地通信方式；重点阐述了磁感应透地通信信道模型，提出了磁感应透地通信亟待解决的关键技术问题和可行的解决方法；同时，综述了现有的磁感应透地通信发射机与接收机设计方案。结合当前研究和应用热点，提出了透地通信今后的重点研究方向：磁信号本身衰落较大是制约磁感应透地通信进一步发展的关键因素；磁感应透地通信的发射机、接收机及传输机制都需要完善；应用在矿井下的透地通信系统不仅要将发射功率控制在安全范围内，考虑通信距离与发射功率的折中关系，还要考虑如何抑制复杂的井下电磁干扰。
关键词：无线透地通信； 磁感应通信； 超磁材料磁感应通信; 中继磁感应通信; 多天线协作磁感应通信; 信道模型； 传输损耗
随着地下资源的深度开采，透地通信在煤矿、金属/非金属矿山开采、地下安全等应急救援领域有着广泛的应用需求。煤矿井上/下无线透地通信优势：① 不易受灾害事故现场破坏影响，适应能力强。② 能够实现透地信号区域立体覆盖，且覆盖范围广。③ 能够有效解决遇险人员与地面救援人员双向通信问题，利于提高救援效率、减少搜救盲目性，极大增加遇险人员被营救的概率[1]。因此，透地通信技术是矿山应急救援通信的关键技术之一。
通信范围是衡量透地通信技术优劣的重要指标。传统的透地通信系统通常以大地为传输媒介，利用电磁波穿透的原理实现透地通信[2]。当电磁波的频率较高时，电磁波的波长较短，绕射能力差，在不均匀的地层、岩层中传播时会产生折射、反射的现象，而且土壤的介电常数和电导率等电磁参数随着水分含量的变化而变化，导致电磁波在传播过程中的信道特性极不稳定[3-5]。
针对电磁波透地通信存在的问题，国内外学者对透地通信信号的传输进行了深入的研究，提出了天线磁感应、地电极和弹性波等新的方式[6-7]。地电极、磁感应透地通信系统利用电磁场传播信号，弹性波透地通过地震波传播信号。天线磁感应透地方式受地质结构影响较小，天线设计较为简单，被认为是透地通信的主要方式[8]。
传输损耗过高是制约磁感应透地通信发展的主要因素。为了增大磁感应透地的通信距离，现有的研究往往通过增大环形天线尺寸的方法来实现[9]，但煤矿井下的空间有限，无法放置尺寸较大的天线。目前，如何在不增大发射功率和天线体积的前提下，增大透地通信距离是透地通信的研究热点。文献[10]提出天线协作磁感应的方法，文献[11-16]提出利用磁波导中继和超磁材料天线增大磁通信距离的设想，文献[17]提出透地通信接收端通过磁通门传感器接收磁信号的方法，理论上通信距离可达1 000 m以上。进一步增大磁感应透地通信范围将是未来透地通信研究的重点。
本文首先介绍了国内外透地通信的研究过程，阐述了透地通信的研究现状。在分析地电极、弹性波及磁感应透地通信模型的基础上，比较了3种透地方式的性能，并总结了磁感应透地通信亟待解决的关键问题，即减小磁感应透地通信路径损耗，增大通信距离。综述了现有的解决方案和磁通信发射机与接收机设计方案。最后，结合当前研究和应用热点提出了未来透地通信发展趋势和主要研究方向。
1899年，Nicola Tesla首次提出了利用大地作为媒介传播极低频信号的想法，随后关于透地传播理论的研究都是基于一些简单的假设来研究透地传播机制的。基于这些基础理论的研究，美国矿务局(United States Bureau of Mines，USBM)在1922年开展了首次透地通信系统的实验工作，由于系统设计不完善，实验失败。1946年，南非首次成功完成了透地通信实验。
1999年，文献[18]根据甚低频电磁波在地层中的传播特点，提出利用单极天线实现甚低频电磁波穿透地层无线电通信系统模型。以电磁波为基础的传统通信系统在地下应用时有以下问题：① 土壤的介电常数和电导率随着水分含量的变化而变化，导致电磁波在透地传播过程中的信道不稳定。② 电磁波在穿透大地时由于反射、折射等现象，产生的多径效应会对信号产生干扰。③ 低频电磁波发射和接收天线尺寸过大，无法在地下有限的空间内布置[19]。目前，对电磁波透地通信的研究主要集中在地层中的电磁波传播特性、地层媒质参数测定和应急透地通信系统设计等方面。
1990年，澳大利亚某公司开发了井下无线通信与个人应急装置(Personal Emergency Device，PED)[20],通过环形天线发射400～1 000 Hz的超低频信号，平均透地深度为800～1 100 m。美国劳工部矿山安全和卫生部门在研究了3～8 kHz甚低频无线电信号传播特性的基础上，提出了无线透地语音通信系统。2006年该系统在宾夕法尼亚州矿区进行透地试验，双向文字信息通信距离为177～192 m，每分钟传送20～30字符，误码率[21]为20%。2012年，美国某公司开发出了可支持语音和信息双向传输的磁通信系统(Magnetic Communication System，MCS)。该系统利用磁场传递信号，收发两端配置大型的环形天线，通过线圈耦合进行长距离的通信，语音信号的传输距离可达302 m，文本信号的传输距离可达594 m。国内同济大学课题组研发的第1代救援设备，于2012年在山西大同市晋华宫煤矿进行了实地测试，实现了垂直310 m、水平900 m的透地通信。2015年，该课题组又推出第2代设备样品，在通信性能、适用性等多方面进行了完善改进。
此外，研究者还提出了电极透地通信和弹性波透地通信2种透地通信的方式。2010—2013年，西班牙学者V. Bataller等[6]提出电极透地通信，并对信道、噪声特性做出了细致的分析。2015年，L. Van和C. Sunderman[22]提出了电极透地通信信道衰落模型，并给出了减小衰落的方法。某技术公司采用电极接地的方法设计出了透地通信原型系统，并在美国匹兹堡煤矿测试，双向通信距离可达610 m。2008年至今，山东科技大学相关课题组一直从事弹性波透地通信方面的研究，研究了弹性波透地通信的理论基础和关键技术，分析了噪声及干扰的原因，并在实验环境中测试，得出弹性波以200～300 Hz的频率进行透地通信时的信道衰落模型[23-24]。
表1列举了进行透地通信研究的科研院所及采用电磁波、磁感应、地电极及弹性波透地方式的实验设备的主要性能参数。当前，USBM和美国国立职业安全与健康研究所(National Institute for Occupational Safety and Health，NIOSH)对透地通信及其相关技术的研究较为深入[25]。
表1 透地通信研究成果对比
Table 1 Comparison of through-the-earth (TTE) communication researches
由表1可以看出，近年透地通信的技术研究及原型样机的设计多是基于磁通信技术开展的，其传输的信息主要为文本或语音，其中语音信号频率普遍采用3 000～5 000 Hz，文本信号的频率较低，一般在300 Hz左右[25]。在传输距离和时延方面，磁感应透地通信方式有明显优势[26]。本文研究了透地通信信道特征，分析了磁感应透地通信性能优于其他透地通信方式的原因，在此基础上提出磁感应透地通信关键技术问题。
透地通信与传统无线通信相比，主要问题在于，透地通信信道要考虑大地介质对信号的衰减作用，建立透地通信信道模型，分析信号的衰减、传输及干扰特性是透地通信研究的难点。
由于电磁波透地通信系统所使用的信号频率较低，用于耦合的天线尺寸也相对较大，天线的长度非常小，即天线的实际长度与电磁波的波长相比较短，可将天线近似地看作偶极子，因此其辐射效率低[19,27]，同时地层半导电媒质的吸收作用是导致电磁波透地通信距离短的主要因素[28]，同时，电磁波穿过不同的岩层时会产生折射反射现象，所以，其信道环境十分复杂。
无线磁感应透地模型如图1所示。磁感应透地通信利用准静态磁场的变化传递信号，在地表和地下分别架设线圈天线，使用多匝线圈作为磁场发射装置，通过改变发射闭合线圈回路的电流产生时变磁场，接收线圈回路所包围的有效面积的磁通量变化，从而在该导体中产生感应电动势，其大小与穿过导体回路的磁通量的变化率成正比[29]。为保证发射线圈所产生的磁场强度最大，要求在发射与接收回路中，电容、线圈电感和工作频率满足共振的条件[30]。
图1 无线磁感应透地模型
Fig.1 The model of MI based wireless communication
文献[31]借助变压器模型建立发射端与接收端功率之间的关系，发射线圈与接收线圈处于弱耦合状态。文献[32]使用麦克斯韦方程分析环形天线磁场的传播特性，在球坐标系下，发射线圈所产生的磁场强度可以表示为
(1)
(2)
式中：r为传播距离；θ为磁场强度方向与竖直方向的夹角；Hr和Hθ分别为磁场强度沿r和θ方向的分量；M为磁矩，M=NAI，N为环形天线发射线圈匝数，A为线圈面积，I为发射线圈中电流；ω为角频率；μ为介质的磁导率；η为传播介质的故有阻抗；k为波数。
当发射线圈与接收线圈正对时，即θ=0时，垂直方向(z轴方向)的磁场强度为
(3)
接收端的磁感应强度B及电压U分别为
B=Hμ
(4)
(5)
式中：N′为接收线圈匝数；S为接收线圈面积；t为时间。
从式(3)可以看出，磁感应透地通信的性能不受地质结构变化的影响，磁信号的传输仅受土壤介质的电磁参数的影响。
地电极透地通信的原理是使用一对电流探头，在大地介质中通过感应电流密度建立通信，通信的性能取决于大地介质的电导率、覆盖层深度、发射与接收天线的长度和方向相对性等[6,26]。磁感应透地通信相比于地电极透地通信,天线设计更简单，更易于搭建，且干扰因素较少。弹性波透地通信利用机械振动波在大地中传播实现通信[23,26]。磁感应透地通信在传输距离和数据传输速率上较弹性波透地通信有明显优势，而且磁感应透地通信的传输时延相比弹性波透地通信要小。
目前，磁感应透地通信系统所采用的环形线圈天线尺寸仍然较大，进行长距离通信所需的发射功率较高。当透地通信设备用于矿井内时，如何在不增大线圈尺寸和发射功率的前提下，克服矿井内部电磁干扰，增大通信距离并扩大通信范围，是磁感应透地通信的主要研究方向。
与传统电磁波透地通信不同的是，磁感应透地通信利用准静态磁场作为信号传播的载体，具有以下优势：① 信道状态稳定，磁感应透地通信信道不受地质结构影响，且土壤、岩石层的磁导率和空气基本相同。② 磁信号是靠一种近场感应而非传播，不会出现电磁波传播所产生的多径衰落现象[33-34]。但是，磁场信号的功率随传播距离的增大呈3次方衰减，比传统电磁波信号的衰减速率要大，这是造成磁感应透地通信距离短的主要原因。
目前，由于磁感应通信在地下、水下等挑战环境中具有信道状态稳定和传输方向性好，无多径衰落等优势，吸引国内外众多学者展开了相关的研究和探索。磁感应透地通信存在的问题是磁信号在大地介质中传输损耗过高，造成这种损耗的原因：① 随传播距离的增大，磁信号本身的衰落速率变大。② 发射与接收线圈在进行长距离通信消耗的功率较大且易受到电磁干扰。本文讨论了磁感应透地通信的主要研究方向，为提高通信距离，开展多天线、中继技术研究，设计了低功耗、抗干扰透地通信发射机与接收机。通过列举目前具有代表性的研究方法，完善了磁感应透地通信理论，为后续的研究提供思路。
结合磁感应透地通信在地下无线传感网中的应用研究，阐述在天线体积一定的前提下，增大接收端磁场强度及通信距离的方法。发射与接收天线改进方法：① 采用多线圈协同的方式发射信号，增大接收线圈所在位置的磁场强度。② 采用磁中继波导的形式，在整个通信范围内增加中继线圈，起到传递磁信号的作用。③ 在发射线圈中加入超磁材料，利用磁屏蔽体的作用使磁场信号更具有指向性，从而扩大通信范围。④ 利用灵敏度更高的磁传感器作为信号接收端，使接收电路能够提取微弱的磁信号。
3.1 多天线协作磁感应通信
多天线协作磁感应透地通信使用多发射天线协同的方法发射磁信号[10]，如图2所示。在地下布置多个磁感应线圈，利用同步协作的方法，每个线圈同时发送相同的时变信号，这样在地上的接收线圈所接收到的信号强度比单线圈发射时要强。由于发射线圈之间的距离较远，所以文献[10]中没有考虑发射线圈之间存在互感干扰的问题，并且多线圈的模式增大了发射总功率。在多线圈同步发送信号能够增大通信距离的基础上，文献[10]还提出改变发射线圈的角度，进一步增大接收端线圈处磁场强度的方法，即所有发射线圈产生的磁力线均垂直于接收线圈所处的平面。理论上，最佳角度协作磁感应通信比传统磁感应通信的透地距离要大20%。这种多线圈发射的模型为多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技术应用于透地通信建立了基础。
图2 多天线协作磁感应透地通信
Fig.2 Multi-antenna cooperative MI communication
3.2 中继磁感应通信
文献[14]提出磁感应波导的方法，可以实现在不增加发射功率的前提下，增大信号传播距离，如图3所示。在间距为d的发射端与接收端之间设置若干中继节点，这些中继节点由无源的线圈组成。假设发射线圈中通入正弦电流，则由于磁场的作用，在第1个中继线圈中会感应出携带信号特征的正弦电流，第1个中继线圈产生新的磁场并影响第2个中继线圈，依此类推，最终将信号传递到接收端。
文献[35]把这种波导的形式称为磁感应波。采用中继线圈传递磁场能量减少了路径损耗，从而增大了通信距离。与电磁波通信的中继相比，磁感应通信中继线圈没有额外能量消耗，这是磁感应波导通信的优势。但是在实际应用中中继线圈相互影响，线圈的角度、位置发生改变也可能使信号干扰变大。文献[36]分析了磁感应波导的数学模型，中继线圈的加入理论上会使带宽进一步缩小。但是，在透地通信中，在地下每隔一段距离布置中继线圈是不实际的。
图3 中继磁感应通信
Fig.3 Relay MI communication
3.3 超磁材料磁感应通信
文献[16]提出一种应用在地下无线传感网中的超磁材料磁感应通信，即在天线线圈周围加入超磁材料，达到控制磁场方向的目的。文献[37]在磁通信线圈外部设置球型外壳，改变发射线圈所产生的磁场方向，增强接收端线圈处的磁场强度，从而增大了磁感应通信的范围。超磁材料是一种磁导率可以为负的材料，利用超磁材料改进磁感应透地通信的天线线圈，是在天线体积不增大的前提下，增大通信距离的可行办法。
高灵敏度的磁传感器例如磁通门、磁电阻传感器等可以检测10-10T的磁场强度[31]。随着磁传感器技术的发展，磁信号的接收越来越多地通过磁传感器来完成。隧道磁电阻(Tunnel Magneto-Resistance，TMR)相比其他磁敏元件具有更高的灵敏度、更宽的线性范围、更低的功耗和更好的温度稳定性[38]。利用灵敏度高、线性度好、体积小的磁传感器作为透地通信的接收天线，将磁信号转化为电信号，可以使磁通信接收机的体积进一步缩小，同时有利于接收端提取信号特征。利用磁传感器设计磁感应通信接收机将是磁感应透地通信未来的研究重点。
文献[17]设计了一种基于磁传感器的透地通信系统，发射端通过由线圈缠绕铁氧体组成的磁场发生器发射脉冲信号，利用磁传感器及其放大、滤波等外围电路接收微弱磁信号。理论上透地距离可以达到1 000 m以上。同时，磁电阻传感器的体积可以做成芯片大小[39]，使接收端体积满足便携要求，便于在煤矿井下狭窄的巷道内使用。
3.4 发射机与接收机设计
根据磁信号的特征，有学者提出了磁感应透地通信发射机与接收机的设计方法。磁感应透地通信收发端如图4所示，磁场发生器发射信号，磁传感器接收信号。发射机由带通滤波器、编码器、放大器及磁场发生器组成。接收机由磁场传感器、滤波器、解码器、放大器组成。信号调制与编码方面，语音信号通过脉冲编码调制转换成脉冲信号，最终以脉冲电流的形式输入到铁氧体线圈中，产生脉冲式的磁场。接收端由磁场传感器检测磁信号，并将磁信号转换成电信号。在接收端设置了滤波器，从而降低了地球磁场及电磁干扰的影响。信号通过解码、放大后还原为原始信号。
图4 磁感应透地通信收发端
Fig.4 Transmitter and receiver of MI-TTE communication
信号的调制解调、编解码方面，文献[40-41]提出了一种基于磁向量调制技术的磁感应透地通信系统，由于发射和接收均采用3组天线线圈，为了协同多天线并解调磁向量调制信号，接收机结构设计中加入了频率跟踪、定时同步、信道估计的部分。
磁感应透地通信发射机与接收机的设计方案多是对现有通信系统的改进。对于磁感应透地通信而言，无论采用磁传感器还是线圈进行接收，都要根据磁场信号和磁感应信道的特性选择合适的调制方式，例如脉冲信号更适合于磁场强度传感器分辨信号特征。而且，磁感应透地通信的天线设计要在满足通信距离的前提下，缩小天线线圈的尺寸，进而达到使通信装置便携的目的。此外，在煤矿井下有着严格的防爆安全规定，透地通信设备的功率受到限制，在设计透地通信设备时，还应考虑通信距离与发射功率的协调问题。
(1) 无线透地通信系统无需架设通信线缆，当矿山发生事故、有线通信系统陷入瘫痪时，稳定、即时、可靠的无线透地通信对于井下事故报警、人员撤离、搜寻救护目标具有重要意义。在矿山灾后救援中，透地通信可以迅速地建立应急救援通信链路，实现井下被困人员与地面救护人员的通信联络，为救援工作提供帮助。随着深部矿井开采的快速发展，透地通信在矿山应急救援中发挥着越来越重要的作用。
(2) 与传统电磁波、磁感应、地电极、弹性波透地通信比较，磁感应透地通信的传输距离有明显优势，而且硬件复杂度较低，传输时延较小。但是磁感应透地通信的发展仍处于探索阶段，磁信号本身衰落较大是制约磁感应透地通信进一步发展的关键因素。而且磁感应透地通信的发射机、接收机及传输机制都需要完善。应用在井下的透地通信系统不仅要将发射功率控制在安全范围内，考虑通信距离与发射功率的折中关系，还要考虑如何抑制井下复杂的电磁干扰。
(3) 透地通信会随着人们对地下资源的探索和开发进一步发展，透地通信网络化是未来透地通信技术的重要发展方向。使用磁感应透地通信技术建立地下无线传感网和透地通信网是一种可行的方法。透地通信网可连接地下各个传感器节点，并把信号发送到地上，形成覆盖地上/地下作业空间的通信网络。同时，可将磁感应透地通信的研究扩展到水下通信领域，对深海资源探索与开发也具有重要意义。
致谢：本研究工作得到了南京南瑞继保电气有限公司的资助，在此深表谢意！
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Research on theory and key technologies of wireless through-the-earth communication
SUN Yanjing1， WU Tianqi1， SHI Wenjuan1,2， XU Sheng1， WANG Xiaolin1， NIU Honghai3
(1.School of Information and Control Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2.School of New Energy and Electronic Engineering, Yancheng Teachers University, Yancheng 224015, China; 3.NARI-Relays Electric Co., Ltd., Nanjing 211102, China)
Abstract:Research status of existing wireless through-the-earth communication was comprehensively analyzed, performances of ground electrode, elastic wave and magnetic induction communication were compared, and result was got that performance of the magnetic induction communication is better than the other two kinds of communication methods. The magnetic induction communication model was emphasized, and on this basis, key technical problems and feasible solutions of the magnetic communication were put forward. Besides, design schemes of existing magnetic communication transmitter and receiver were elaborated. The future research directions of through-the-earth communication was put forward considering current studies and popular applications: large magnetic signal fading is a key factor which restricts further development of the magnetic induction communication; transmitter, receiver and transmission mechanisms of the magnetic induction communication need to be improved; through-the-earth communication system used in underground mine not only needs to control transmission power in safety range, consider compromise relationship between communication distance and transmission power, but also needs to consider how to suppress complex underground electromagnetic interference.
Key words:wireless through-the-earth communication; magnetic induction communication; magnetic materials magnetic induction communication; relay magnetic induction communication; multiple antenna collaboration magnetic induction communication; channel model; transmission loss
收稿日期：2017-03-23；
修回日期：2017-07-03；责任编辑：胡娴。
基金项目：国家自然科学基金青年项目(51504214, 51504255)；国家重点研发计划项目(2016YFC0801403)；国家自然科学基金面上项目(51274202)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2013RC11)；江苏省重点研发计划项目(BE2015040)；江苏省产学研前瞻性联合研究项目(BY2014028-01)；江苏省科技成果转化项目(子课题)(BA2012068)；江苏省自然科学基金面上项目(BK20130199, BK20131124)；中国矿业大学重大项目培育专项(2014ZDPY16) 。
作者简介：孙彦景(1977-)，男，山东滕州人，教授，博士，博士研究生导师，主要研究方向为矿井通信与监控、矿山物联网、无线传感器网络等，E-mail：yanjingsun_cn@163.com。
引用格式：孙彦景，吴天琦，施文娟，等.无线透地通信理论与关键技术研究[J].工矿自动化，2017,43(9)：46-53. SUN Yanjing， WU Tianqi， SHI Wenjuan, et al. Research on theory and key technologies of wireless through-the-earth communication[J].Industry and Mine Automation，2017,43(9)：46-53.
文章编号：1671-251X(2017)09-0046-08
DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2017.09.009
中图分类号：TD655.3
文献标志码：A 网络出版时间：2017-08-28 11:17
网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20170828.1117.009.html