【摘 要】
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水下磁感应通信具有传播时延低、信道响应稳定等优势,能够在水下环境实现高速的近距离数据传输。由于水介质的可流动性和水下节点的运动,采用磁感应通信的水下节点的天线姿态存在随机性。基于单向天线的磁感应通信对天线姿态十分敏感,致使通信盲区发生,因此不适合水下环境。由三个相互正交的线圈构成的三向天线的出现,解决了因天线姿态引起的通信盲区问题。为了防止三向天线中三个线圈之间的相互影响,每个线圈有独立的谐振电路
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水下磁感应通信具有传播时延低、信道响应稳定等优势,能够在水下环境实现高速的近距离数据传输。由于水介质的可流动性和水下节点的运动,采用磁感应通信的水下节点的天线姿态存在随机性。基于单向天线的磁感应通信对天线姿态十分敏感,致使通信盲区发生,因此不适合水下环境。由三个相互正交的线圈构成的三向天线的出现,解决了因天线姿态引起的通信盲区问题。为了防止三向天线中三个线圈之间的相互影响,每个线圈有独立的谐振电路,基于这样的天线结构和电路设计,水下磁感应通信接收端的信号合并方式和发送端的馈电策略亟待研究。因此,论文研究水下磁感应通信的收发方式,提高收发天线姿态不确定时的通信可靠性。带三向天线的磁感应通信节点接收信号时采用合适的合并技术对三路信号进行合并输出,论文分析了传统信号合并方式在接收天线姿态未知条件下的适用情况,针对选择性合并和等增益合并在部分接收天线姿态下的输出信噪比较低的问题,提出了一种基于幅度比的混合合并方法。所提出的方法根据接收的多路信号的幅度比选择合适的合并方式（选择性合并或等增益合并）。此外,为了改善所提出的混合合并方法在低信噪比时的误判性能,引入了修正因子减小噪声对幅度比估计的影响。数值结果表明,所提出的混合合并方法比选择性合并和等增益合并提高约0.5d B的平均输出信噪比,稳定度增加了约75%,提高了通信可靠性。带三向天线的磁感应通信节点发送信号时需要采用合适的馈电策略确定天线线圈的加载电流,针对现有馈电策略有能量空间流失的问题,论文设计了一种基于三向天线的磁感应通信中的发送端波束成形方法。结合三向天线的结构特性,所设计的方法通过最大化接收节点位置处的磁场强度确定最优馈电电流。数值结果表明,所设计的方法是发送天线姿态无法调整情况下的一种高可靠性的馈电策略。此外,论文还提出了一种基于接收信号强度指示（Received Signal Strength Indication,RSSI）的对端位置估计方法。所提出的方法利用三路接收信号的强度与它们之间的相对相位信息实现对端位置的估计。仿真结果表明,所提出的位置估计方法在0d B信噪比时角度估计准确度达到约95.1%,满足馈电策略所需的位置准确度要求。为验证所提出的方法,论文搭建了基于自制天线、软件无线电平台与计算机的水下磁感应通信实验系统。实验测试结果表明:所提出的信号合并方式在空气中通信距离1m时误码率约为0.1%,误码率受天线姿态影响小,优于等增益合并和选择性合并;采用所提出的馈电策略时接收功率与单向天线对准时仅差5%;所提出的对端位置估计方法的角度估计准确度约为94.5%,满足准确度要求。论文提出的基于三向天线的水下磁感应通信中的收发方式与对端位置估计方法,提高了水下磁感应通信节点对天线姿态不确定性的宽容性,为构建水下磁感应通信系统提供技术支撑。
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