Гришенцев Алексей Юрьевич - доктор технических наук, доцент
Санкт-Петербург, 197101
Alexey Yu. Grishentsev - D.Sc., Associate Professor, Associate Professor
Saint Petersburg, 197101
Горошков Вячеслав Александрович - аспирант
Санкт-Петербург, 197101
Viacheslav A. Goroshkov - PhD Student
Saint Petersburg, 197101
Чернов Роман Ильич - инженер
Санкт-Петербург, 197101
Roman I. Chernov - Engineer
Saint Petersburg, 197101
Предмет исследования. Одним из актуальных направлений исследований в области беспроводной связи является разработка ближнепольных магнитных систем и средств передачи сообщений в средах или сквозь среды, значительно поглощающие электромагнитное поле. К таким средам относятся: вода, грунт, строения. В проводящих средах ослабление магнитного поля возрастает с увеличением частоты. Для организации каналов связи сквозь проводящую среду, например морскую воду, применяют электромагнитное излучение крайне низких и сверхнизких частот от 3 до 300 Гц. Применение излучения в таких диапазонах частот сопряжено с большими размерами передающих и приемных антенн. Метод ближнепольной связи позволяет существенно уменьшить габариты приемных и излучающих антенн и потребляемую передатчиком мощность. Существенным ограничением ближнепольной длинноволновой связи является невысокая скорость передачи сообщений и небольшая, до десятков метров, дальность связи. Метод. Принцип действия предложенной системы связи основан на использовании магнитной компоненты электромагнитного поля. Передающим элементом такой системы служит катушка индуктивности с сердечником. Прием осуществляется датчиком магнитного поля в виде магнита, закрепленного на торсионном подвесе. Магнит совмещен с зеркалом, отражающим лазерный луч. Под действием внешнего магнитного поля магнит совершает крутильные движения, которые приводят к изменению угла отражения лазерного луча от зеркальной поверхности магнита. Отраженный сигнал регистрируется линейным фотоприемником. Оценка ослабления и затухания магнитного поля при передаче излучения из диэлектрической в проводящую среду выполнена на основе решения уравнений Максвелла. Разработаны трехпозиционная бинарная фазовая манипуляция и модифицированная трехпозиционная бинарная фазовая манипуляция, обеспечивающие противоположное расположение сигнальных символов, высокую информационную плотность сообщений, локализацию энергии излучаемого сигнала в низкочастотной области и повышение дальности связи. Основные результаты. Эксперименты показали, что в результате использования модифицированного вида манипуляции в сравнении с трехпозиционной бинарной фазовой манипуляцией удалось увеличить дальность связи на 10 % при неизменной высокой надежности доставки сообщений. Модельные оценки, выполненные в соответствии с предложенной методикой расчета ослабления и затухания магнитного поля при распространении в слоистых средах, подтверждены экспериментальными измерениями. Практическая значимость. Результаты исследований могут найти применение при решении задач локального развертывания защищенных систем ближнепольной связи при обеспечении беспроводной коммуникации через среды, поглощающие электромагнитное поле.
The development of near-field magnetic systems and means of transmitting messages through media that significantly absorb the electromagnetic field is one of the topical areas of research in the field of wireless communication. These lossy media include water, soil, buildings. The attenuation of the magnetic field in conducting media increases with increasing frequency. To organize communication channels through a conductive medium such as sea water electromagnetic radiation of extremely low frequencies and ultra-low frequencies from 3 Hz to 300 Hz is used. Traditional communication methods due to electromagnetic radiation in that frequency ranges require large sizes of transmitting and receiving antennas. The near-field communication method makes possible significant reduction both the dimensions of receiving and emitting antennas and the transmitter power consumption. A significant limitation of near-field long-wave communication is the low bandwidth and small, up to tens of meters, communication range. The operating principle of the proposed communication system is based on the use of the magnetic component of an electromagnetic field. Transmitting element in proposed system is a solenoid with a magnetic core. Receiving magnetic field sensor is a magnet fixed on a torsion suspension. The magnet is combined with a mirror reflecting the laser beam. Rotation of the magnet under the action of an external magnetic field leads to a change in the angle of reflection of the laser beam from the mirror surface of the magnet. The reflected signal is recorded by a linear photodetector. The attenuation of the magnetic field during the transmission of radiation from a dielectric to a conducting medium was evaluated with the solution of Maxwell’s equations. A three-position binary phase shift keying and a modified three-position binary phase shift keying are developed and substantiated. The proposed solutions provide the opposite arrangement of signal symbols, high message information density, localization of the emitted signal energy in low-frequency region and an increase in communication range. Experiments had shown that usage of modified keying type shown an increase the communication range by 10 % with the same reliability of message delivery in comparison with three-position binary phase keying. The estimates of the weakening and attenuation of the magnetic field during propagation in layered media obtained from the simulation are confirmed by experimental measurements. The results of research could be used in solving problems of local deployment of secure near-field communication systems through media that absorb an electromagnetic field.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.