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一种基于协作的深穿透通信系统和方法
申请号	CN201610152323.1	申请日	2016-03-17	公开(公告)号	CN105846913A	公开(公告)日	2016-08-10
申请人	刘儿兀;			发明人	张正清; 刘儿兀; 瞿昕宇;
摘要	本发明公开了一种基于协作的深穿透通信系统和方法，该通信系统中的信号发射端包括至少两个深穿透通信设备，且相互协作同时向信号接收端中的深穿透通信设备发送消息。据此通过多发射天线同步协作发射机制来进行无线深穿透通信。基于方案实现的基于协同的深穿透通信方案，通过对深穿透通信系统引入多发射天线同步协作发射机制，增强接收端的信号强度，本方案能够在不改变原有通信设备配置，大幅增加穿透通信的距离。
权利要求	1.一种基于协作的深穿透通信系统，其特征在于，所述通信系统中的信号发射端包括至少两个深穿透通信设备，且相互协作同时向信号接收端中的深穿透通信设备发送消息。 2.根据权利要求1所述的一种基于协作的深穿透通信系统，其特征在于，所述信号发射端中的深穿透通信设备布置在同一平面上。 3.一种基于协作的深穿透通信方法，其特征在于，所述通信方法通过多发射天线同步协作发射机制来进行无线深穿透通信。 4.根据权利要求3所述的一种基于协作的深穿透通信方法，其特征在于，所述通信方法的通信过程如下： (1)信号发射端中的至少深穿透通信设备之间完成协作同步； (2)协作同步后的深穿透通信设备同时向信号接收端中的深穿透通信设备发送消息； (3)信号接收端的深穿透通信设备在接收到所有的消息后，向信号发射端中的所有深穿透通信设备发送确认信息。 5.根据权利要求4所述的一种基于协作的深穿透通信方法，其特征在于，所述步骤(1)中各深穿透通信设备之间通过发送协作请求来达成同步协议，由此完成协作同步。
说明书全文	一种基于协作的深穿透通信系统和方法技术领域 [0001] 本发明涉及通信技术，具体涉及深穿透通信技术。背景技术 [0002] 在地下、山体、水下等环境中，基于电磁波的无线通信信道受到很大的限制，无法穿透地层、水体等，不能提供可靠的远距离穿透通信。 [0003] 在现有的技术中，深穿透通信是一种可靠的远距离透地通信技术，可被应用于地下、山体、水下等复杂环境中。但是受限于复杂环境中有限的空间无法布置面积较大的发射天线；并且由于极端环境下缺少电力输送，以及某些特殊环境下有防爆的特殊要求(例如地下煤矿)，天线的发射功率同样受到限制。由于以上两点原因，地下深穿透通信的发射距离受到一定限制。 [0004] 在现有改进深穿透通信发射距离的技术有波导接力方法，但这种方法需要在接收端和发射端之间的连线上连续布置多个无源接力线圈，需要额外的成本，并且在系统的布置上无法适应一些复杂的环境，例如地下到地下穿透通信。发明内容 [0005] 本发明针对现有深穿透通信技术在远距离通信的可靠性方面所存在的问题，而提供一种能够实现远距离可靠通信的深穿透通信系统。 [0006] 在此基础上，本发明还提供一种能够进行远距离可靠通信的深穿透通信方法。 [0007] 为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案： [0008] 针对目的1：一种基于协作的深穿透通信系统，所述通信系统中的信号发射端包括至少两个深穿透通信设备，且相互协作同时向信号接收端中的深穿透通信设备发送消息。 [0009] 优选的，所述信号发射端中的深穿透通信设备布置在同一平面上。 [0010] 针对目的2：一种基于协作的深穿透通信方法，所述通信方法通过多发射天线同步协作发射机制来进行无线深穿透通信。 [0011] 优选的，所述通信方法的通信过程如下： [0012] (1)信号发射端中的至少深穿透通信设备之间完成协作同步； [0013] (2)协作同步后的深穿透通信设备同时向信号接收端中的深穿透通信设备发送消息； [0014] (3)信号接收端的深穿透通信设备在接收到所有的消息后，向信号发射端中的所有深穿透通信设备发送确认信息。 [0015] 优选的，所述步骤(1)中各深穿透通信设备之间通过发送协作请求来达成同步协议，由此完成协作同步。 [0016] 基于方案实现的基于协同的深穿透通信方案，通过对深穿透通信系统引入多发射天线同步协作发射机制，增强接收端的信号强度，本方案能够在不改变原有通信设备配置，大幅增加穿透通信的距离。 [0017] 本方案相对于现有的深穿透通信方案，能够有效提高接收端的信号强度，提高穿透通信质量。附图说明 [0018] 以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。 [0019] 图1为本发明实例中深穿透通信设备的示意图； [0020] 图2为本发明实例中基基于协作的深穿透通信的流程图； [0021] 图3为本发明中进行深穿透协作通信的实例图； [0022] 图4为本发明中深穿透通信系统在协作与非协作模式下接收端的距离与磁场强度关系图； [0023] 图5为本发明中进行多层深穿透协作通信的实例图。具体实施方式 [0024] 为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。 [0025] 本实例对深穿透通信系统引入多发射天线同步协作发射机制，增强接收端的信号强度，由此实现在不改变原有通信设备配置的情况下，大幅增加穿透通信的距离。 [0026] 由此，本实例中采用基于协作的深穿透通信系统方案，该通信系统主要包括信号发射端和信号接收端两部分，其中信号发射端中包括至少两个深穿透通信设备，而信号接收端中包括至少一个深穿透通信设备. [0027] 参见图1，其所示为本实例中深穿透通信设备的示意图。由图可知，该深穿透通信设备包括接收天线1，发射天线2，主控机3；主控机包含微控制器和与天线匹配的接收和发射电路，以及按需求配备的外设，例如按键输入设备。 [0028] 据此，为了实现多发射天线同步协作发射机制，信号发射端中的多个深穿透通信设备布置在同一平面上，且深穿透通信设备之间相互协作同时向信号接收端中的深穿透通信设备发送消息，由此来提高接收端的信号强度，提高穿透通信质量。 [0029] 基于上述的基于协作的深穿透通信系统，其实施过程如下： [0030] 在场景中，深穿透通信设备A需要发送消息给深穿透通信设备C，深穿透通信设备B与A放置在同一平面上，其中通信设备A与通信设备B的线圈面积均为St，通信设备C的线圈面积为Sr，通信设备A与通信设备C的距离为r1，通信设备B与通信设备C的距离为r2，通信设备C与通信设备B的俯角为θ。 [0031] 据此，进行深穿透通信的流程如下(参见图2)： [0032] 步骤1：通信设备A向通信设备B发送协作请求，并完成设备间的同步； [0033] 步骤2：通信设备B向通信设备A发送ACK包，确认已收到协作通信请求，并已达成同步协议； [0034] 步骤3：通信设备A与通信设备B同时向通信设备C发送信息。 [0035] 通信设备C所接收到的通信设备A发送的信号为： [0036] 其中，μ为传输介质磁导率，I为信号发送电流； [0037] 通信设备C所接收到的通信设备B发送的信号为： [0038] [0039] 通信设备C所接收到的总信号为： [0040] [0041] 步骤4：通信设备C在收到信息后确认，发送ACK包给通信设备A与通信设备B，结束此次协作通信。 [0042] 下面通过一应用实例来详细描述本发明的方案。 [0043] 参见图3，在本应用实例中，地下深穿透通信设备A与地面深穿透通信设备相距r1＝400米；地下深穿透通信设备B与深穿透通信设备A处于同一平面上，相距d＝200米，地面设备与通信设备B的俯角为θ。 [0044] 为了实现地上到地下的可靠无线通信，需在地面和地下空间配置深穿透通信系统节点，深穿透通信节点以电池供电且可移动。 [0045] 察地层介质的磁导率属性，如无大规模铁矿、金矿等磁导物质存在，则底层磁导率与空气接近(例如地下煤矿、铜矿等场景)，可以实施深穿透通信系统方法。 [0046] 根据实际环境特别是地下环境配置收发天线。 [0047] 其中，接收天线由于体积较小，可以统一按成本和工艺条件配备。 [0048] 而发送天线除了根据成本和工艺外，需考察地下布置环境空间，以选择合适尺寸的发送天线。发送线圈由通电电缆经过一定特殊处理制成，展开后可为直径为1米～32米的圆型线圈。根据实际环境展开形状可能不同，但标准圆形展开是效果最佳的方案(参见图1)。 [0049] 根据设备电池和工作时间等需要，设定系统发送功率。 [0050] 在完成上述布置方案后，根据步骤1～步骤2方法配置包括物理层及以上所有通信协议。 [0051] 按步骤3配置地面设备与地下设备的通信协议。 [0052] 将设备带入地面和地下环境现场，基于协作的深穿透通信系统搭建完成，可以实现地上地下可移动的双向深穿透通信。 [0053] 该通信系统可以使地上通信设备接收到的增强磁场信号为： [0054] [0055] 参见图4，所示为协作节点相距200米、400米和无协作节点下，通信距离和通信信号强度的关系，可以看出基于协作的深穿透通信方法带来的提升。 [0056] 在上述实例的基础上，本方案还可进一步实现多层之间的深穿透协作通信，具体应用示意图参见图5，基本原理和过程如上所述，此处不再赘述。 [0057] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

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