随着地下空间和资源越来越深入地开发和利用,对地下信息的采集和传输提出了更高的要求。与地上空间不同,地下传输介质由空气、水、土壤、砂石等多种成分组成,更加复杂多变。传统电磁波无线通信技术在地下环境中存在路径损耗高、信道不稳定、天线尺寸大等问题,无法满足应用需求。无线磁感应通信技术通过耦合磁场传递信息,在不含磁性物质的地下环境中信道非常稳定,为地下信息的有效传输提供了一种新的技术方案。本文结合无线地下传感器网络的实际应用需求对无线地下磁感应通信系统应用设计和性能优化问题展开研究。首先,本文系统综述了无线地下磁感应通信系统及其应用的国内外研究进展,对现有研究存在的问题作了总结。重点介绍了磁信号的传输原理,对无线地下磁感应通信系统模型和传输特性做了深入的探讨,为系统应用设计和性能优化的研究奠定了理论基础。然后,本文根据地下环境的特点通过磁场计算和有限元仿真分析了发射磁场的强度及其分布特点,在此基础上给出了一种基于耦合线圈的无线地下磁感应通信系统设计方案。该系统通过收发线圈之间的耦合磁场传递信息,采用2ASK信号调制解调方式。设计方案由硬件设计和软件设计两部分组成,其中硬件设计分为收发电路设计和收发线圈设计,软件设计分为通信协议设计和收发方案设计。最后搭建实验平台对设计方案的可行性进行实验测试。实验结果表明,本文提出的无线地下磁感应通信系统设计方案在地下环境中具备良好的通信性能。最后,本文针对无线地下磁感应通信系统带宽受限,信道容量小,传速速率低的问题,将MIMO技术与无线磁感应通信技术结合,提出一种基于MIMO技术的无线地下磁感应通信系统设计方案。该方案采用正交线圈阵列作为收发天线,通过线圈两两之间的正交关系解决了线圈之间的串扰问题,建立起多条独立的收发链路。以香农公式为基础,给出了系统信道容量的计算方法,然后采用功率优化分配算法进一步提升了系统的性能。通过实验测试验证了串扰消除方案的可行性,同时通过仿真分析证明了在合理的功率分配算法下采用MIMO技术能够显著提高无线地下磁感应通信系统的信道容量。本文的研究为无线地下磁感应通信系统设计和性能提升提供了参考,对无线磁感应通信技术在地下环境中的实际应用具有一定的指导意义和促进作用。