CN115801063B - 一种地下磁感应无线通信方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地下磁感应无线通信方法、装置及系统，属于磁感应通信技术领域，通过综合考虑地下磁感应信道的大尺度衰落和频率选择性衰落特性，构建了地下磁感应信道路径损耗与通信距离和通信频率之间的关系，并根据对应通信频率下地下磁感应信道路径损耗的最大值，得到对应通信频率下能够保证可靠通信的通信距离的最小值，从而获得对应通信频率下的距离阈值，以其作为性能评价指标获取了通信频段中各通信频率下的最优校验矩阵基矩阵，并将距离阈值最大的最优校验矩阵基矩阵作为全局最优基矩阵来构造QC‑LDPC码的校验矩阵以对发送信息进行编码，以对应的通信频率为最佳通信频率来发射信号，从而大大提高了存在导电介质的复杂地下环境下的通信距离。
Description
技术领域
本发明属于磁感应通信技术领域，更具体地，涉及一种地下磁感应无线通信方法、装置及系统。
背景技术
水、空气和大多数土壤、岩石的相对磁导率都近似为1，使得磁感应在地下环境中具有相对稳定的信道条件，对不均匀地下环境具有较强的鲁棒性。此外，磁感应通信的多径衰落可以忽略不计，因为系统的通信范围一般在一个波长内，即使收发器之间存在多条路径，多条路径的相移也非常小，相干带宽远大于系统带宽；基于磁感应通信的传输和接收是通过小尺寸线圈完成的，硬件设备复杂度较低。这些优势使得磁感应通信技术成为复杂地下环境中的主要通信方式。
地下磁感应通信虽然具有稳定信道、多径无衰落、硬件复杂度低等优势，但其路径损耗仍然较大，通信距离十分受限；为了解决以上问题，现有的地下磁感应通信方法考虑到地下环境中存在的大多是非导电的土壤和空气介质，不会激发出新的磁场，也不会对原有磁场产生影响，此时，地下磁感应信道的特性仅表现为大尺度衰落特性，因此，常采用准循环奇偶校验码(Quasi-Cyclic Low-Density Parity-Check Codes，QC-LDPC)来针对磁感应信道的大尺度衰落特性对发射信号进行编码，以保证通信的可靠性，从而提高地下磁感应通信质量，延长通信距离。
但是，地下环境中不仅存在非导电的土壤和空气介质，在灾后等复杂环境中还存在额外的导电物质，如钢筋、埋地金属和生物组织等。磁感应通信在利用时变磁场进行通信的过程中，时变磁场在这些高电导率物体上激发出感应电流，会进一步激发出新的磁场，其相位具有随机性，进而与原有磁场一起叠加到接收端上时会出现随机增强和衰减效果；因此，在这种复杂地下场景下的信道除了存在大尺度衰落特性，还存在与周围介质分布相关的随机信号衰落(记为地下频率选择性衰落)，即通信频率在一定程度上会影响通信性能。因此，在这种复杂地下环境下，若是直接采用上述针对磁感应信道的大尺度衰落特性的QC-LDPC信道编码方法，在某些通信频率下，由于受到环境中的导电介质的影响，在接收端可能接收不到有效信号，需要进一步缩短通信距离以保证能够接收到有效信号，通信距离较短，通信性能较差。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种地下磁感应无线通信方法、装置及系统，用以解决现有技术在存在导电介质的复杂地下环境下通信距离较短的技术问题。
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种地下磁感应无线通信方法，包括：
采用当前通信频段所对应的校验矩阵Hbest对待发送信息进行编码，得到编码序列；并对编码序列进行调制后，在当前通信频段所对应的最佳通信频率fbest下发射出去；
其中，当前通信频段所对应的校验矩阵Hbest和最佳通信频率fbest的获取方法，包括以下步骤：
S1、分别在当前通信频段中的每个通信频率下：随机生成多个QC-LDPC码的校验矩阵基矩阵，并通过最大化校验矩阵基矩阵的距离阈值，对各校验矩阵基矩阵进行更新，将距离阈值最大的更新后的校验矩阵基矩阵作为对应通信频率下的最优校验矩阵基矩阵；其中，对应通信频率下的距离阈值为基于地下磁感应信道路径损耗与通信距离和通信频率之间的关系，根据对应通信频率下地下磁感应信道路径损耗的最大值，所得的对应通信频率下能够保证可靠通信的通信距离的最小值；
S2、通过比较当前通信频段中的所有通信频率下的最优校验矩阵基矩阵的距离阈值，将距离阈值最大的最优校验矩阵基矩阵作为全局最优基矩阵对应的通信频率为最佳通信频率fbest；
S3、基于循环移位的方式对全局最优基矩阵进行扩展，得到QC-LDPC码的校验矩阵Hbest。
进一步优选地，地下磁感应信道路径损耗与通信距离和通信频率之间的关系表达式为：
PLsum＝-10log(PLMI+g(f)×Nr)
其中，PLsum为地下磁感应信道路径损耗；表示地下磁感应通信的大尺度衰落所对应的损耗；Nr为接收线圈匝数；ar为接收线圈半径；at为发射线圈半径；Nt为发射线圈匝数；d为通信距离；g(f)为通信频率f下地下导电介质在单匝接收线圈上所产生的额外接收功率与发射信号的发射功率的比值。
进一步优选地，在对应通信频率下对校验矩阵基矩阵B进行更新的方法，包括：
S11、基于设定的信道接收信噪比，计算校验矩阵基矩阵B对应的QC-LDPC码中的信道观测值与相关码字比特的互信息；
S12、根据信道观测值与相关码字比特的互信息，基于基矩阵B中变量节点和校验节点之间的连接关系，分别对各变量节点与相关码字比特的互信息、各校验节点与相关码字比特的互信息、从变量节点到校验节点的信息与相关码字比特的互信息、以及从校验节点到变量节点的信息与相关码字比特的互信息进行更新后，计算各变量节点后验概率对数似然比对应的互信息；
S13、重复步骤S12进行迭代，直至各变量节点后验概率对数似然比对应的互信息均收敛至预设值或迭代次数达到第一预设迭代次数；
S14、调整信道接收信噪比的设定值，重复步骤S11-S13进行迭代，直至步骤S13中各变量节点后验概率对数似然比对应的互信息均收敛至预设值的次数达到预设次数，此时，对应的信道接收信噪比的设定值即为信道最低信噪比；
S15、根据信道最低信噪比和环境噪声功率，计算得到最低接收功率；基于最低接收功率与发射信号的发射功率之间的比值，得到对应通信频率下地下磁感应信道路径损耗的最大值，并基于地下磁感应信道路径损耗与通信距离和通信频率之间的关系，得到对应通信频率下能够保证可靠通信的通信距离的最小值，即对应通信频率下校验矩阵基矩阵B对应的距离阈值；
S16、以距离阈值为校验矩阵基矩阵B的评估值，对校验矩阵基矩阵B进行更新；
S17、重复步骤S11-S16进行迭代，直至迭代次数达到第二预设迭代次数。
进一步优选地，上述校验矩阵基矩阵B由信息子矩阵BI和校验子矩阵BP组成，信息子矩阵BI和校验子矩阵BP的大小分别为m×k和m×m；其中，m,k,n满足n＝m+k；
校验子矩阵BP为半固定结构，具体为：BP＝[E F G]；其中，
子矩阵F的维度为m×(m-3)，其行列索引相同位置处的元素均为1；以子矩阵F中行列索引相同位置所构成的斜线为分界线，分界线以上的部分均为0；分界线以下的部分，各列均只有一个元素为1，其余元素均为0。
进一步优选地，上述步骤S16中，以距离阈值为校验矩阵基矩阵B的评估值，对校验矩阵基矩阵B的信息子矩阵进行更新。
进一步优选地，上述步骤S16中，对校验矩阵基矩阵B的信息子矩阵进行更新的公式为：
其中，为第t次迭代下所述校验矩阵基矩阵B的信息子矩阵中的第i行、第j列元素；/> 为前t-1次迭代下所述校验矩阵基矩阵中对应距离阈值最大的一个校验矩阵基矩阵的信息子矩阵中的第i行、第j列元素；/>为在前t-1次迭代下所有随机生成的QC-LDPC码的校验矩阵基矩阵中，距离阈值最大的校验矩阵基矩阵的信息子矩阵中的第i行、第j列元素；/>均为第t次迭代下元素/>所对应的区间(0,1)之间的随机数。
进一步优选地，基于循环移位的方式对全局最优基矩阵进行扩展，使得所得的QC-LDPC码的校验矩阵Hbest中包含的六环数目最少。
第二方面，本发明提供了一种地下磁感应无线通信发射装置，包括：
通信参数获取模块，用于预先执行本发明第一方面所提供的地下磁感应无线通信方法中的步骤S1-S3，得到当前通信频段所对应的校验矩阵Hbest和最佳通信频率fbest；
编码模块，用于采用当前通信频段所对应的校验矩阵Hbest对待发送信息进行编码，得到编码序列；
调制模块，用于对编码序列进行调制，得到调制序列；
发射模块，用于在当前通信频段所对应的最佳通信频率fbest下将调制序列发射出去。
第三方面，本发明提供了一种地下磁感应无线通信发射装置，包括：存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时执行本发明第一方面所提供的地下磁感应无线通信方法。
第四方面，本发明提供一种地下磁感应无线通信系统，包括：接收装置，以及本发明第二方面或第三方面所提供的发射装置。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供了一种地下磁感应无线通信方法，通过综合考虑地下磁感应信道的大尺度衰落和频率选择性衰落特性，构建了地下磁感应信道路径损耗与通信距离和通信频率之间的关系，并根据对应通信频率下地下磁感应信道路径损耗的最大值，得到对应通信频率下能够保证可靠通信的通信距离的最小值，从而获得对应通信频率下的距离阈值，以其作为性能评价指标获取了通信频段中各通信频率下的最优校验矩阵基矩阵，并将距离阈值最大的最优校验矩阵基矩阵作为全局最优基矩阵来构造QC-LDPC码的校验矩阵以对发送信息进行编码，以对应的通信频率为最佳通信频率来发射信号，能够避免其他通信频率下的严重衰落，同时构造出最佳通信频率下的最优码字，充分保障了通信的可靠性，从而大大提高了存在导电介质的复杂地下环境下的通信距离。
2、本发明所提供的地下磁感应无线通信方法，通过将地下磁感应信道的大尺度衰落和频率选择性衰落特性进行综合考虑，建立磁感应通信信道路径损耗与通信距离和通信频率的关系，根据信道路径损耗与信号收发功率的关系，得到信号接收功率与信道路径损耗的关系；再根据信道噪声功率、信号接收功率与信道信噪比的关系，进一步推出信道信噪比与信道路径损耗的关系。以此，根据编码构造时对应的最小信道信噪比，基于信道路径损耗与通信距离和通信频率的关系，计算出当前通信频率下的距离阈值(最小可靠通信距离)，以评估当前频率下构造的码字的性能。该距离阈值可以作为不同通信频率下的通信性能指标，评估各通信频率下的构造的码字的性能，充分保障了通信的可靠性。
3、本发明所提供的地下磁感应无线通信方法，通过进行多次离线迭代构造操作：首先，通过改变信道初始信噪比，迭代计算互信息，得到当前校验矩阵基矩阵对应的信道最低信噪比，然后将其转化成对应的距离阈值以评估对应校验矩阵基矩阵对应码字的性能，最后，以最大化距离阈值为衡量标准，对校验矩阵基矩阵进行迭代更新和选择，构造出当前通信频率下的最优校验矩阵基矩阵，即构造出当前通信频率下的最优QC-LDPC码，通信的可靠性较高。
4、本发明所提供的地下磁感应无线通信方法，通过将校验矩阵的构造等效成校验矩阵基矩阵的构造，再进一步固定校验矩阵基矩阵的校验子矩阵，校验矩阵基矩阵的构造简化校验矩阵基矩阵中信息子矩阵的构造，大幅降低构造复杂度；此外，将校验矩阵基矩阵的校验子矩阵固定成特定的结构，使得校验矩阵具有近似下三角结构，编码复杂度较低，与地下磁感应通信的设备结构简单和低功耗限制相匹配。
附图说明
图1为本发明实施例1所提供的地下磁感应无线通信方法的流程图；
图2为本发明实施例1所提供的波动函数g(f)的示意图；
图3为本发明实施例1提供的地下磁感应信道路径损耗与通信距离和通信频率之间的关系示意图；
图4为本发明实施例1所提供的采用本发明中的地下磁感应编码方法所得到的最佳通信频率下的最优QC-LDPC码的误码率与采用其他频率通信时的QC-LDPC码的误码率的对比实验结果；
图5为本发明实施例2所提供的地下磁感应无线通信发射装置的框图；
图6为本发明实施例3所提供的地下磁感应无线通信系统的流程框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1、
一种地下磁感应无线通信方法，包括：
采用当前通信频段所对应的校验矩阵Hbest对待发送信息进行编码，得到编码序列；并对编码序列进行调制后，在当前通信频段所对应的最佳通信频率fbest下发射出去；
需要说明的是，上述获取当前通信频段所对应的校验矩阵Hbest和最佳通信频率fbest的过程在实时通信之前预先离线执行，整个流程如图1所示。
具体地，当前通信频段所对应的校验矩阵Hbest和最佳通信频率fbest的获取方法，包括以下步骤：
S1、分别在当前通信频段(本实施例中为10-100MHz)中的每个通信频率下：随机生成多个QC-LDPC码的校验矩阵基矩阵，并通过最大化校验矩阵基矩阵的距离阈值，对各校验矩阵基矩阵进行更新，将距离阈值最大的更新后的校验矩阵基矩阵作为对应通信频率下的最优校验矩阵基矩阵其中，对应通信频率下的距离阈值为基于地下磁感应信道路径损耗与通信距离和通信频率之间的关系，根据对应通信频率下地下磁感应信道路径损耗的最大值，所得的对应通信频率下能够保证可靠通信的通信距离的最小值；
需要说明的是，以互信息迭代过程中译码收敛时的最低信道条件转换的可靠通信的最远距离为标准，来评估各QC-LDPC码的校验矩阵基矩阵。可靠通信的最远距离记为距离阈值，表示该条件下收发线圈能够进行可靠通信的最远距离的最小值。基矩阵的距离阈值越大，说明该基矩阵在相同信道条件下的通信性能越好，误码率越低。所以，基矩阵的距离阈值越大越好，本发明需要找到的是使得距离阈值最大的基矩阵。
QC-LDPC码有接近香农限的性能、码长码率设计灵活、编译码复杂度较低、硬件实现结构简单等优势，与地下磁感应通信的小尺寸、低功耗需求相匹配。本实施例中，在每个通信频率下，同时生成20个QC-LDPC码的校验矩阵基矩阵B，其中B的维度均为12×24；校验矩阵基矩阵B的构造参数如表1所示：
表1
上述校验矩阵基矩阵B由信息子矩阵BI和校验子矩阵BP组成，信息子矩阵BI和校验子矩阵BP的大小分别为m×k和m×m；其中，m,k,n满足n＝m+k。
优选地，校验子矩阵BP为半固定结构；其中，子矩阵E和子矩阵G中“1”的个数固定，分别为3和4，“1”的位置固定如下式；子矩阵F的维度为m×(m-3)，其行列索引相同位置处的元素均为1；以子矩阵F中行列索引相同位置所构成的斜线为分界线，分界线以上的部分均为0；分界线以下的部分，各列均只有一个元素为1，其余元素均为0；从而保证BP的第一列列重为3，其余列列重为2。其中，hi,j∈{h2,k+2,h3,k+2,…,hm,k+2,h3,k+3,…,hm,k+3,…,hm,n-2}。
具体为：BP＝[E F G]；其中，
此时，在构造上述校验矩阵基矩阵B时仅需构造相应的信息子矩阵BI即可，从而使得QC-LDPC编码的构造复杂度和编码复杂度均保持较低水平，与地下磁感应通信的设备结构简单和低功耗限制相匹配。
具体地，在对应通信频率下对校验矩阵基矩阵B进行更新的方法，包括：
S11、基于设定的信道接收信噪比(初始阶段时，本实施中优选设定一个较小的信道接收信噪比)，计算校验矩阵基矩阵B对应的QC-LDPC码中的信道观测值与相关码字比特的互信息；
S12、根据信道观测值与相关码字比特的互信息，基于基矩阵B中变量节点和校验节点之间的连接关系，分别对各变量节点与相关码字比特的互信息、各校验节点与相关码字比特的互信息、从变量节点到校验节点的信息与相关码字比特的互信息、以及从校验节点到变量节点的信息与相关码字比特的互信息进行更新后，计算各变量节点后验概率对数似然比对应的互信息；
S13、重复步骤S12进行迭代，直至各变量节点后验概率对数似然比对应的互信息均收敛至预设值(本实施例中取值为1)或迭代次数达到第一预设迭代次数(本实施例中取值为50)；
S14、调整信道接收信噪比的设定值，重复步骤S11-S13进行迭代，直至步骤S13中各变量节点后验概率对数似然比对应的互信息均收敛至预设值的次数达到预设次数(本实施例中取值为25)，此时，对应的信道接收信噪比的设定值即为信道最低信噪比；
S15、根据信道最低信噪比和环境噪声功率，计算得到最低接收功率；基于最低接收功率与发射信号的发射功率之间的比值，得到对应通信频率下地下磁感应信道路径损耗的最大值，并基于地下磁感应信道路径损耗与通信距离和通信频率之间的关系，得到对应通信频率下能够保证可靠通信的通信距离的最小值，即对应通信频率下校验矩阵基矩阵B对应的距离阈值；
具体地，将地下磁感应信道的大尺度衰落和频率选择特性(地下频率选择性衰落)进行综合考虑，得到地下磁感应信道路径损耗与通信距离和通信频率之间的关系表达式为：
PLsum＝-10log(PLMI+g(f)×Nr)
其中，PLsum为地下磁感应信道路径损耗；表示地下磁感应通信的大尺度衰落所对应的损耗；Nr为接收线圈匝数；ar为接收线圈半径；at为发射线圈半径；Nt为发射线圈匝数；d为通信距离；g(f)为通信频率f下地下导电介质在单匝接收线圈上所产生的额外接收功率与发射信号的发射功率的比值；具体地，g(f)表示地下磁感应通信频率选择特性对应的波动函数，与地下环境中导体的实际分布有关。本实施例中，波动函数g(f)的示意图如图2所示；对应地，在发射线圈半径、接收线圈半径、发射线圈匝数、接收线圈匝数分别为0.15米、0.15米、5匝、5匝时，地下磁感应信道路径损耗与通信距离和通信频率之间的关系示意图如图3所示。
S16、以距离阈值为校验矩阵基矩阵B的评估值，对校验矩阵基矩阵B进行更新；
具体地，可以采用粒子群优化算法、差分进化算法等对校验矩阵基矩阵B进行更新。本实施例中优选采用粒子群优化算法。进一步地，由于校验矩阵基矩阵B中的校验子矩阵优选采用半固定结构，因此，优选地，本实施例以距离阈值为校验矩阵基矩阵B的评估值，对校验矩阵基矩阵B的信息子矩阵进行更新；具体地，分别对上一次迭代过程中生成的20个不同的信息子矩阵做调整得到20个新的信息子矩阵；其中，对校验矩阵基矩阵B的信息子矩阵进行更新的公式为：
其中，为第t次迭代下所述校验矩阵基矩阵B的信息子矩阵中的第i行、第j列元素；/>为前t-1次迭代下所述校验矩阵基矩阵中对应距离阈值最大的一个校验矩阵基矩阵的信息子矩阵中的第i行、第j列元素；/>为在前t-1次迭代下所有随机生成的QC-LDPC码的校验矩阵基矩阵中，距离阈值最大的校验矩阵基矩阵的信息子矩阵中的第i行、第j列元素；/>均为第t次迭代下元素/>所对应的区间(0,1)之间的随机数。
S17、重复步骤S11-S16进行迭代，直至迭代次数达到第二预设迭代次数(本实施例中取值为50次)。
进一步地，在本实施例中，以10MHz为间隔对10-100MHz的当前通信频段进行划分，得到通信频率10MHz、20MHz、30MHz、40MHz、50MHz、60MHz、70MHz、80MHz、90MHz、100MHz，分别在各通信频率下，获得其最优校验矩阵基矩阵具体的，各通信频率下的最优校验矩阵基矩阵/>所对应的最大距离阈值和最低信道条件信息如表2所示。
表2
S2、通过比较当前通信频段中的所有通信频率下的最优校验矩阵基矩阵的距离阈值，将距离阈值最大的最优校验矩阵基矩阵/>作为全局最优基矩阵/>对应的通信频率为最佳通信频率fbest；
具体地，从表2可以看出，频率为50MHz时得到的距离阈值最大，为9.6980米，因此，全局最优基矩阵为50MHz构造的最优基矩阵/>相应的，最佳通信频率为50MHz。
S3、基于循环移位的方式对全局最优基矩阵进行扩展，得到QC-LDPC码的校验矩阵Hbest；
一般情况下，QC-LDPC码进行循环移位扩展的扩展基准是校验矩阵中短环数目最少，其中，短环环数为六环、八环等，本实施例中优选为六环。优选地，基于循环移位的方式对全局最优基矩阵进行扩展，使得所得的QC-LDPC码的校验矩阵Hbest中包含的六环数目最少；具体地，本实施例中，对全局最优基矩阵/>中所有取值为1的元素所对应的单位矩阵中，选择多个单位矩阵，分别赋予了多种循环移位方式来对/>进行扩展，并从所得的扩展矩阵中，选出包含的六环数目最少的扩展矩阵作为校验矩阵Hbest。
需要说明的是，当校验子矩阵BP为半固定结构时，由基矩阵B扩展的校验矩阵HM×N＝[(HI)M×K|(HP)M×M]中的HP＝[H(E)M×1H(F)M×(M-3)H(G)M×2]仍具有半固定结构，其中N＝n×L，K＝k×L，M＝m×L。
进一步地，当发射序列经地下磁感应信达传输后到达接收端，接收线圈接收信号，然后解调器对接收序列进行解调，译码器对解调序列进行译码，恢复出原始信息，并与编码前的待发送序列进行对比，统计误码率。图4为本发明实施例所提供的地下磁感应编码方法所得到的最佳通信频率(50MHz)下的误码率与其他频率通信时的误码率的对比实验结果。从图4中可以看出，本实施例中选择的最佳通信频率及其编码方式性能优于其他频率及其编码方式，且显著优于未编码条件下的通信性能。
本发明针对地下磁感应通信传输距离短和低功耗限制，得到了简单的QC-LDPC码的校验矩阵，以进行编码，在保证地下磁感应通信质量、增大通信距离的同时，满足地下磁感应通信对功耗的限制要求，为地下磁感应远距离通信的应用提供了技术支撑。
本发明针对地下磁感应通信传输距离短和低功耗限制，考虑到地下磁感应通信的大尺度衰落特性和频率选择性衰落，进行了针对性的QC-LDPC码校验矩阵基矩阵的构造，一方面，有效提升了地下磁感应通信的可靠通信距离，另一方面，为磁感应通信最佳频率的选择提供的技术支撑。在保证地下磁感应通信质量、增大通信距离的同时，满足地下磁感应通信对功耗的限制要求，为地下磁感应远距离通信的应用提供了技术支撑。
实施例2、
本发明提供了一种地下磁感应无线通信发射装置，包括：
通信参数获取模块，用于预先执行本发明实施例1所提供的地下磁感应无线通信方法中的步骤S1-S3，得到当前通信频段所对应的校验矩阵Hbest和最佳通信频率fbest；
编码模块，用于采用当前通信频段所对应的校验矩阵Hbest对待发送信息进行编码，得到编码序列；
调制模块，用于对编码序列进行调制，得到调制序列；
发射模块，用于在当前通信频段所对应的最佳通信频率fbest下将调制序列发射出去。
具体地，在一种可选实施方式下，地下磁感应无线通信发射装置用于发射端，如图5所示，包括最优校验矩阵基矩阵获取模块、全局最优基矩阵和最佳频率选择模块、校验矩阵构造模块、编码模块、调制模块和发射线圈。
具体地，最优校验矩阵基矩阵构造模块用于分别在当前通信频段(本实施例中为10-100MHz)中的每个通信频率下：随机生成多个QC-LDPC码的校验矩阵基矩阵B，并通过最大化校验矩阵基矩阵B的距离阈值，对各校验矩阵基矩阵B进行更新，将距离阈值最大的更新后的校验矩阵基矩阵B作为对应通信频率下的最优校验矩阵基矩阵其中，距离阈值为能够保证可靠通信的通信距离的最小值；
全局最优基矩阵和最佳频率选择模块用于通过比较当前通信频段中的所有通信频率下的最优校验矩阵基矩阵的距离阈值，将距离阈值最大的最优校验矩阵基矩阵作为全局最优基矩阵/>对应的通信频率为最佳通信频率fbest；
校验矩阵构造模块用于基于循环移位的方式对全局最优基矩阵进行扩展，得到QC-LDPC码的校验矩阵Hbest；
编码模块用于采用校验矩阵Hbest对待发送信息进行编码，得到编码序列；
调制模块用于对编码序列进行调制，得到调制序列；
发射线圈用于将调制序列在最佳通信频率fbest下通过发射线圈将调制序列发射出去。
相关技术方案同实施例1，这里不做赘述。
实施例3、
一种地下磁感应无线通信发射装置，包括：存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时执行本发明实施例1所提供的地下磁感应无线通信方法。
关技术方案同实施例1，这里不做赘述。
实施例4、
一种地下磁感应无线通信系统，整个流程如图6所示，包括：接收装置，以及本发明实施例2或实施例3所提供的发射装置。
在一种可选实施方式下，接收装置包括：接收模块、解调模块和译码模块；接收模块用于通过接收线圈接收信号；解调模块用于解调接收信号；译码模块用于对解调信号进行译码，恢复出原始信息。
相关技术方案同实施例1-3，这里不做赘述。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种地下磁感应无线通信方法，其特征在于，包括：
采用当前通信频段所对应的校验矩阵Hbest对待发送信息进行编码，得到编码序列；并对所述编码序列进行调制后，在当前通信频段所对应的最佳通信频率fbest下发射出去；
其中，所述当前通信频段所对应的校验矩阵Hbest和最佳通信频率fbest的获取方法，包括以下步骤：
S1、分别在所述当前通信频段中的每个通信频率下：随机生成多个QC-LDPC码的校验矩阵基矩阵，并通过最大化校验矩阵基矩阵的距离阈值，对各校验矩阵基矩阵进行更新，将距离阈值最大的更新后的校验矩阵基矩阵作为对应通信频率下的最优校验矩阵基矩阵；其中，对应通信频率下的距离阈值为基于地下磁感应信道路径损耗与通信距离和通信频率之间的关系，根据对应通信频率下地下磁感应信道路径损耗的最大值，所得的对应通信频率下能够保证可靠通信的通信距离的最小值；
S2、通过比较所述当前通信频段中的所有通信频率下的最优校验矩阵基矩阵的距离阈值，将距离阈值最大的最优校验矩阵基矩阵作为全局最优基矩阵对应的通信频率为最佳通信频率fbest；
S3、基于循环移位的方式对所述全局最优基矩阵进行扩展，得到QC-LDPC码的校验矩阵Hbest；
在对应通信频率下对校验矩阵基矩阵B进行更新的方法，包括：
S11、基于设定的信道接收信噪比，计算所述校验矩阵基矩阵B对应的QC-LDPC码中的信道观测值与相关码字比特的互信息；
S12、根据所述信道观测值与相关码字比特的互信息，基于所述校验矩阵基矩阵B中变量节点和校验节点之间的连接关系，分别对各变量节点与相关码字比特的互信息、各校验节点与相关码字比特的互信息、从变量节点到校验节点的信息与相关码字比特的互信息、以及从校验节点到变量节点的信息与相关码字比特的互信息进行更新后，计算各变量节点后验概率对数似然比对应的互信息；
S13、重复步骤S12进行迭代，直至各变量节点后验概率对数似然比对应的互信息均收敛至预设值或迭代次数达到第一预设迭代次数；
S14、调整所述信道接收信噪比的设定值，重复步骤S11-S13进行迭代，直至所述步骤S13中各变量节点后验概率对数似然比对应的互信息均收敛至预设值的次数达到预设次数，此时，对应的信道接收信噪比的设定值即为信道最低信噪比；
S15、根据所述信道最低信噪比和环境噪声功率，计算得到最低接收功率；基于所述最低接收功率与发射信号的发射功率之间的比值，得到对应通信频率下地下磁感应信道路径损耗的最大值，并基于地下磁感应信道路径损耗与通信距离和通信频率之间的关系，得到对应通信频率下能够保证可靠通信的通信距离的最小值，即对应通信频率下校验矩阵基矩阵B对应的距离阈值；
S16、以距离阈值为校验矩阵基矩阵B的评估值，对所述校验矩阵基矩阵B进行更新；
S17、重复步骤S11-S16进行迭代，直至迭代次数达到第二预设迭代次数。
2.根据权利要求1所述的地下磁感应无线通信方法，其特征在于，所述地下磁感应信道路径损耗与通信距离和通信频率之间的关系表达式为：
PLsum＝-10log(PLMI+g(f)×Nr)
其中，PLsum为地下磁感应信道路径损耗；表示地下磁感应通信的大尺度衰落所对应的损耗；Nr为接收线圈匝数；ar为接收线圈半径；at为发射线圈半径；Nt为发射线圈匝数；d为通信距离；g(f)为通信频率f下地下导电介质在单匝接收线圈上所产生的额外接收功率与发射信号的发射功率的比值。
3.根据权利要求1所述的地下磁感应无线通信方法，其特征在于，所述校验矩阵基矩阵B由信息子矩阵BI和校验子矩阵BP组成；所述信息子矩阵BI和所述校验子矩阵BP的大小分别为m×k和m×m；其中，m,k,n满足n＝m+k；
所述校验子矩阵BP为半固定结构，具体为：BP＝[E F G]；其中，
子矩阵F的维度为m×(m-3)，其行列索引相同位置处的元素均为1；以所述子矩阵F中行列索引相同位置所构成的斜线为分界线，分界线以上的部分均为0；分界线以下的部分，各列均只有一个元素为1，其余元素均为0。
4.根据权利要求3所述的地下磁感应无线通信方法，其特征在于，所述步骤S16中，以距离阈值为所述校验矩阵基矩阵B的评估值，对所述校验矩阵基矩阵B的信息子矩阵进行更新。
5.根据权利要求4所述的地下磁感应无线通信方法，其特征在于，对所述校验矩阵基矩阵B的信息子矩阵进行更新的公式为：
其中，为第t次迭代下所述校验矩阵基矩阵B的信息子矩阵中的第i行、第j列元素； 为前t-1次迭代下所述校验矩阵基矩阵中对应距离阈值最大的一个校验矩阵基矩阵的信息子矩阵中的第i行、第j列元素；为在前t-1次迭代下所有随机生成的QC-LDPC码的校验矩阵基矩阵中，距离阈值最大的校验矩阵基矩阵的信息子矩阵中的第i行、第j列元素；/>均为第t次迭代下元素/>所对应的区间(0,1)之间的随机数。
6.根据权利要求1所述的地下磁感应无线通信方法，其特征在于，基于循环移位的方式对所述全局最优基矩阵进行扩展，使得所得的QC-LDPC码的校验矩阵Hbest中包含的六环数目最少。
7.一种地下磁感应无线通信发射装置，其特征在于，包括：
通信参数获取模块，用于预先执行权利要求1-6任意一项所述的地下磁感应无线通信方法中的步骤S1-S3以及步骤S11-S17，得到当前通信频段所对应的校验矩阵Hbest和最佳通信频率fbest；
编码模块，用于采用所述当前通信频段所对应的校验矩阵Hbest对待发送信息进行编码，得到编码序列；
调制模块，用于对所述编码序列进行调制，得到调制序列；
发射模块，用于在所述当前通信频段所对应的最佳通信频率fbest下将所述调制序列发射出去。
8.一种地下磁感应无线通信发射装置，其特征在于，包括：存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时执行权利要求1-6任意一项所述的地下磁感应无线通信方法。
9.一种地下磁感应无线通信系统，其特征在于，包括：接收装置，以及权利要求7或8所述的发射装置。
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