煤礦井下無線調(diào)制技術(shù)仿真及性能分析

王艷麗

（渭南師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，陜西 渭南 714000）

煤礦井下無線調(diào)制技術(shù)仿真及性能分析

王艷麗

（渭南師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，陜西 渭南 714000）

基于礦井巷道寬帶信道統(tǒng)計模型，研究在2.4 GHz和1.8 GHz頻段下直接序列擴(kuò)頻碼分多址接入（DS-CDMA）、多載波直接序列擴(kuò)頻碼分多址接入（MC-DS-CDMA）和正交頻分復(fù)用（OFDM）調(diào)制技術(shù)在礦井巷道中的參數(shù)選取，仿真對比各種調(diào)制技術(shù)對礦井巷道無線通信系統(tǒng)性能影響，解決無線通信多徑衰落等問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：傳輸距離在30 m以內(nèi)時，DS-CDMA系統(tǒng)和MC-DS-CDMA系統(tǒng)表現(xiàn)出較好的性能。進(jìn)行長距離通信時，OFDM系統(tǒng)整體性能平緩。

礦井通信；無線調(diào)制技術(shù)；MATLAB；誤碼率

建立高效、高產(chǎn)及安全礦井是當(dāng)今礦業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展主流，煤炭工業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展，離不開煤礦監(jiān)控與通信。礦井通信的研究可以有效提高井下人員安全的可靠性，并在災(zāi)害發(fā)生時開展有效施救，對保護(hù)生命安全和國家財產(chǎn)具有十分重要的意義。礦井環(huán)境非常復(fù)雜，與地面無線通信相比，煤礦井下分布著大量的狹長巷道，電磁波傳播會被煤層、巖石、土壤等組成的巷道四壁所吸收[1]，粗糙巷道壁和障礙物會導(dǎo)致電磁波發(fā)生多次反射，到達(dá)接收機(jī)端的信號為大量經(jīng)過反射、繞射 和散射的多徑信號疊加，造成接收信號幅度的大范圍波動。多徑傳播將形成嚴(yán)重的碼間干擾（ISI），大大降低系統(tǒng)的性能。建立符合井下環(huán)境的信道模型并尋找適合井下通信的安全高效傳輸技術(shù)對煤礦井下高速數(shù)字無線通信有著十分重要的意義，對其他受限空間的研究有一定的參考價值。

本文在以往研究的基礎(chǔ)上[2-4]，對礦井巷道無線信道特征展開研究，建立礦井信道統(tǒng)計模型；基于信道統(tǒng)計模型，分析不同調(diào)制技術(shù)的特點(diǎn)，進(jìn)而選取井下無線通信的最佳傳輸方案，深入研究典型無線調(diào)制技術(shù)對煤礦井下無線通信系統(tǒng)性能的影響，為建立可靠的井下無線通信系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

1 礦井巷道信道模型建立

實(shí)驗(yàn)場地選取新疆石梯子西溝煤礦，巷道延伸100 m（圖1中①—⑤所示水平距離），寬3 m左右，高度3 m左右，具體分布如圖1所示。

采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對信號強(qiáng)度和相位在頻域內(nèi)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可以看出，井下無線信道傳播環(huán)境復(fù)雜，巷道存在反射和散射路徑，同時由于巷道壁的粗糙和傾斜等因素，多徑效應(yīng)使得傳輸信號發(fā)生頻率選擇性衰落，相位分布在沒有發(fā)生深度衰落的情況下呈線性，礦井的傳輸環(huán)境以及載波頻率對多徑幅度分布產(chǎn)生影響。

基于以上分析，多徑數(shù)目、多徑幅度、時延和相位都是影響信道模型建立的影響因素。為了能準(zhǔn)確的體現(xiàn)礦井巷道的特征，采用泊松分布描述多徑到達(dá)時間[5]，假定多徑相位為（0，2π）之間的均勻分布，建立利用時不變沖激響應(yīng)信道模型來表示的礦井巷道信道統(tǒng)計模型，即

圖1 煤礦巷道分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of the mine tunnel

圖2 頻域內(nèi)信號強(qiáng)度和相位圖Fig.2 The diagram of signal strength and phase in frequency domain

其中，N為多徑數(shù)，rk、τk、θk分別為多徑的幅度、延時和相位，δ（·）為狄里克雷函數(shù)。

根據(jù)前面的分析，多徑幅度rk服從參數(shù)可變的Nakagami分布，m的取值范圍是1≤m≤4，m的取值與收發(fā)天線在巷道中的相對位置、收發(fā)天線之間的距離、巷道截面大小以及載波頻率有關(guān)。

2 仿真參數(shù)的選取

表1和表2分別列出了中心頻率為2.4GHz和1.8GHz情況下的DS-CDMA、MC-DS-CDMA、OFDM系統(tǒng)仿真參數(shù)的選取。

MC-DS-CDMA系統(tǒng)中，在設(shè)定的仿真參數(shù)下各子載波信號的持續(xù)時間遠(yuǎn)大于礦井無線信道的最大時延擴(kuò)展，保證了各子載波信號經(jīng)歷的是平坦衰落。

OFDM系統(tǒng)參數(shù)：

表1 中心頻率為2.4 GHz的不同系統(tǒng)不同巷道仿真參數(shù)[6-7]Tab.1 The simulation parameters of different systems and tunnel in center frequency of 2.4 GHz

表2 中心頻率為1.8 GHz的不同系統(tǒng)不同巷道仿真參數(shù)[6-7]Tab.1 The simu lation parameters of different systems and tunnel in center frequency of 1.8 GHz

1）當(dāng)通信頻段是2.4 GHz時

空直巷道中，保護(hù)間隔的長度選為礦井巷道均方根時延擴(kuò)展的4倍，即80 ns×4=320 ns，符號周期為保護(hù)間隔的5倍，即320 ns×5=1 600 ns。假設(shè)采用BPSK調(diào)制，其調(diào)制信息的比特速率分別為10 Mb/s、20 Mb/s，則每個OFDM符號傳輸?shù)谋忍財?shù)分別為 （10 Mb/s）/（1/1 600 ns）、（20 Mb/s）/（1/1 600 ns），每個OFDM符號需要的子載波個數(shù)分別為16、32個。

彎曲巷道中，保護(hù)間隔的長度選為礦井巷道均方根時延擴(kuò)展的4倍，即30 ns×4=120 ns，符號周期為保護(hù)間隔的5倍，即120 ns×5=600 ns。假設(shè)BPSK調(diào)制信息的比特速率分別為10 Mb/s、20 Mb/s，則每個OFDM符號傳輸?shù)谋忍財?shù)分別為 （10 Mb/s）/（1/600 ns）、（20 Mb/s）/（1/600 ns），每個OFDM符號需要的子載波數(shù)分別為6、12個。

2）當(dāng)通信頻段是1.8 GHz時

空直巷道中，保護(hù)間隔的長度選為礦井巷道均方根時延擴(kuò)展的4倍，即70 ns×4=280 ns；符號周期為保護(hù)間隔的5倍，即280 ns×5=1 400 ns。假設(shè)采用BPSK調(diào)制，其調(diào)制信息的比特速率分別為10 Mb/s、20 Mb/s，則每個OFDM符號傳輸?shù)谋忍財?shù)分別為 （10 Mb/s）/（1/1400 ns）、（20 Mb/s）/（1/1 400 ns），每個OFDM符號需要的子載波個數(shù)分別為14、28個。

彎曲巷道中，保護(hù)間隔的長度選為礦井巷道均方根時延擴(kuò)展的4倍，即20 ns×4=80 ns，符號周期為保護(hù)間隔的5倍，即80 ns×5=400 ns。假設(shè)BPSK調(diào)制信息的比特速率分別為10 Mb/s、20 Mb/s，則每個OFDM符號傳輸?shù)谋忍財?shù)分別為（10 Mb/s）/（1/400 ns）、（20 Mb/s）/（1/400 ns），每個OFDM符號需要的子載波個數(shù)分別為4、8個。

3 礦井巷道中幾種調(diào)制技術(shù)的誤碼率性能比較

在礦井巷道環(huán)境下，對DS-CDMA、MC-DS-CDMA和OFDM調(diào)制技術(shù)進(jìn)行仿真比較。設(shè)定通信頻段分別為2.4GHz和1.8 GHz，傳輸速率限定為10 Mb/s，采用BPSK調(diào)制方式進(jìn)行符號映射，移動臺移動速率為10 km/h。

實(shí)驗(yàn)一：設(shè)定2.4 GHz中心頻率在空直巷道和彎曲巷道的均方根時延擴(kuò)展分別為80 ns和30 ns。DS-CDMA系統(tǒng)在空直巷道中可分離4條多徑；在彎曲巷道中可分離2條多徑。設(shè)定MC-DS-CDMA系統(tǒng)的擴(kuò)頻增益為32，子載波數(shù)為16，保證各子載波信號經(jīng)歷的是平坦衰落。OFDM系統(tǒng)在空直巷道和彎曲巷道中的保護(hù)間隔長度分別選取320 ns和120 ns，符號周期分別選取1 600 ns和600 ns，可以有效避免多徑時延擴(kuò)展引起的碼間干擾。

圖3（a）、（b）分別為通信頻段2.4 GHz時，空直巷道和彎曲巷道中各通信系統(tǒng)性能仿真結(jié)果。

圖3 2.4 GHz各通信系統(tǒng)性能比較Fig.3 The performance comparison of various communication systems in 2.4 GHz

從圖3中看出，傳輸距離在30米以內(nèi)時，DS-CDMA系統(tǒng)、MC-DS-CDMA系統(tǒng)在空直巷道中誤碼率達(dá)到了10-3數(shù)量級，在彎曲巷道中接近于10-2，近距離通信表現(xiàn)出較好的誤碼率性能。而隨著傳輸距離的不斷增加，DS-CDMA系統(tǒng)和MC-DS-CDMA系統(tǒng)的誤碼率性能不斷下降，但OFDM系統(tǒng)的誤碼率性能表現(xiàn)比較平緩。

實(shí)驗(yàn)二：設(shè)定1.8 GHz中心頻率在空直巷道和彎曲巷道的均方根時延擴(kuò)展分別為50 ns和20 ns。DS-CDMA系統(tǒng)在空直巷道中可分離2條多徑；在彎曲巷道中可分離1條多徑。OFDM系統(tǒng)在空直巷道和彎曲巷道中的保護(hù)間隔長度分別選取200 ns和80 ns，符號周期分別選取1 000 ns和400 ns。其他參數(shù)設(shè)定和實(shí)驗(yàn)一中相同。

圖4 1.8 GHz各通信系統(tǒng)性能比較Fig.4 The performance comparison of various communication systems in 1.8 GHz

圖4（a）、（b）分別是1.8 GHz中心頻率各通信系統(tǒng)在空直巷道和彎曲巷道下的BER性能仿真結(jié)果。從圖4中可以看出，在通信距離較近的情況下，如25米以內(nèi)，DS-CDMA系統(tǒng)和MC-DS-CDMA系統(tǒng)的誤碼率在空直巷道中可以達(dá)到10-4，在彎曲巷道中可以達(dá)到10-3，無論是在空直巷道還是彎曲巷道中，近距離通信時，MC-DS-CDMA系統(tǒng)始終表現(xiàn)出良好的誤碼性能。隨著通信距離的增加，OFDM系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的誤碼性能。

實(shí)驗(yàn)三：仿真比較各通信系統(tǒng)在2.4 GHz和1.8 GHz通信頻段的性能，結(jié)果由圖5和圖6給出。

圖5 空直巷道中各通信系統(tǒng)的誤碼率性能比較Fig.5 BER performance comparison of the various communication systems in empty straight roadway

從圖5、圖6中可以看出，在實(shí)驗(yàn)所設(shè)定的通信速率下，均方根時延擴(kuò)展比較小的1.8 GHz系統(tǒng)的誤碼率性能優(yōu)于2.4 GHz系統(tǒng)的誤碼率性能。MC-DS-CDMA系統(tǒng)近距離通信時表現(xiàn)出較好的誤碼率性能。隨著傳輸距離的不斷增加，DSCDMA系統(tǒng)和MC-DS-CDMA系統(tǒng)的誤碼率性能不斷下降，但OFDM系統(tǒng)的誤碼率性能表現(xiàn)的比較平緩。主要原因是OFDM技術(shù)采用插入保護(hù)間隔和循環(huán)前綴的方法避免碼間干擾和多徑衰落，所以，長距離的通信也能保證擁有良好的誤碼率性能。

圖6 彎曲巷道中各通信系統(tǒng)的誤碼率性能比較Fig.6 BER performance comparison of the various communication systems in Curved roadway

4 結(jié) 論

基于礦井信道統(tǒng)計模型，研究對比DS-CDMA系統(tǒng)、MCDS-CDMA系統(tǒng)和OFDM系統(tǒng)在礦井巷道環(huán)境下的通信性能。DS-CDMA系統(tǒng)分離的多徑數(shù)目與載波頻率相關(guān)，載波頻率高的系統(tǒng)分離出的信號多徑數(shù)目多；MC-DS-CDMA系統(tǒng)在巷道中經(jīng)歷的是平坦衰落，消除了多徑信號的干擾。MCDS-CDMA系統(tǒng)適合于近距離通信；OFDM技術(shù)具有對抗多徑的特點(diǎn)，適合于井下無線通信，特別是遠(yuǎn)距離傳輸時，具有更好的系統(tǒng)性能。

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Simulation research of w ireless modulation in m ine tunnel

WANG Yan-li
（College of Mathematics and Information Science，Weinan Normal University，Weinan 714000，China）

Based on the statistics channel model of mine for wideband radio wave，selection of parameters were discussed including direct sequence code-division multi-access（DS-CDMA），multiple carrier direct sequence code-division multi-access（MC-DS-CDMA）and orthogonal frequency division multiplexing（OFDM）in 2.4GHz and 1.8GHz bands.The BER performance of the transmission technology in mine tunnel was simulated.The simulation results show that:MC-DS-CDMA and DS-CDMA have better performance in case of short distances；OFDM is suitable for long distance communication and solves the problems of multi-path fading caused by the underground communication environment of mine tunnel.

mine tunnel communication；wireless modulation technology；MATLAB；BER

TN929，TP391.9

A

1674－6236（2015）07-0171-04

2014-07-18 稿件編號：201407147

陜西省教育廳科研計劃項(xiàng)目資助（2013JK1071）；渭南師范學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項(xiàng)目（2014XK096）

王艷麗（1978—），女，陜西咸陽人，碩士，講師。研究方向：通信信號處理、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。