（采矿工程专业论文）gsm移动通信在井下应用的研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 g s m 移动通信在井下应用的研究 摘要 g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e ) 移动通信正在向第三代通信 发展，其目标足实现：无论任何人( w h o e v e r ) 在任何时候 ( w h e n e v e r ) 和在任何地方( w h e r e v e r ) ，都能和另一个人( w h o m e v e r ) 进行任何类型( w h a t e v e r ) 信息交换。本论文是在移动通信技术迅 速发展的基础上，针对井下巷道系统的特点，提出了将当前质 量较好、网络较完善的g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e ) 移动信号 ( 上行：8 9 0 - - 9 0 9 m h z ，下行：9 3 5 9 5 4m h z ) 延伸到井下各巷道 分布系统中，并将信号放大以满足手机正常使用的一种途径， 并对9 0 0 信号( 该频段信号的简称) 在巷道中传输的衰落程度做 出了模拟测试与具体分析，为实现井下多地点的移动通信提出 了设计思路。 实践表明，矿山井下的这种特殊生产环境时刻离不开通信， 而移动通信在这种环境管理中更具有重要的价值和意义。 关键词衰落，场强，耦合，增益，中继器，泄漏电缆 太原理工大学硕上研究牛学位论文 r e s e a r c ho nt h ea p p l i c a t i o n o fg l o b a l s y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t l 0 nn 、j s h a f ts y s t e m a b s t r a c t g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e ) w a sd e v e l o p e d t o w a r dt h e t h i r dg e n e r a t i o n ，i t st a r g e ti st or e a l i z et h a ta n y o n ea ta n yt i m ew i t h a ta n yp l a c ec a nw i t ha n o t h e rp e r s o np r o c e e da n yt y p ei n f o r m a t i o n c o m m u t a t i o n i nt h i st h e s i sas o l u t i o nw a sp u tf o r w a r dt h a tt h e g s ms i g n a l ( r x ：8 9 0 9 0 9 m h z ，t x ：9 3 5 9 5 4 m h z ) o fh i g h q u a l i t ya n dp e r f e c t n e t w o r kc a nb ee x t e n d e dt ot h es h a f te x c a v a t i o n s y s t e ma n db em a g n i f i e dt om e e tt h e n e e do ft h eu s eo fc e l l u l a r p h o n e ，a i m e da tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fr o a d w a ys y s t e m ，o n t h eb a s e o ft h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , a n d t h ei m i t a t et e s tb ed o n et ov e r i f yt h ea t t e n u a t i o ns c o p eo f9 0 0 s i g n a l ( t h e b r i e fn a m eo fg s m s i g n a l ) d e l i v e ri nt h es h a f te x c a v a t i o n 太原理工大学硕士研究生学位论文 s y s t e mw i t h t h ec o n c r e t e a n a l y s i s ，c o n s e q u e n t l y t h e p r o j e c t o f m o b i l ec o m m u n i c a t i o ni nm o r es i t e si ns h a f tb ea d v a n c e dt or e a l i z e p r a c t i c ep r o v e dt h a ti nt h es e v e r ew o r ks i t eo fs h a f t , w ec a nn o t d ow i t h o u tc o m m u n i c a t i o ne v e nl b ram o m e n ta n dt h em o b i l e c o m m u n i c a t i o nc a np l a yam o r ei m p o r t a n tr o l ei nt h i sc i r c u m s t a n c e m a n a g e m e n t a n d p r e s e n t j t se n o r l t i o i k sv a l u ew i t hm e a n i n g k e yw o r d s a t t e n u a t i o n , m a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y , c o u p l e ，g a i n , r e p e a t e r , l e a k y c a b l e 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 引言 一绪论 随着移动通信的发展，用户在大犁建筑( 尤其是酒府、商务、商贸巾 心) 内使用移动电话臼益增加，已不再满足于只有室外的移动通信服务， 同时也要求能提供更好的室内移动通信业务以及部分用户在特种场所豹 移动通信业务。例如：地下商场、地下写字楼、电梯、公路、铁路隧道 以及地铁等，由于g s m 信号穿透能力有限，此类场所人多是信号覆盖的 盲区。因此，如何解决这些信号盲区的通信，满足移动用户需求，提高 服务质最，已变得越来越霞要，已成为移动通信网络优化的一个零点。 移动通信的出现是信息产业的一个重大变革，是通信技术迅速发展 的优势和体现，它促进了工业化社会的发展，改变了人们的生活。其服 务功能正在向实现随时、随地、任何入之闻、用任何业务进行通信的曩 标发展，已小限于单纯的语音、数据传输，更面向十多媒体类型，质量 完善的网络也正趋向于无缝连接，其服务范围己渗透到各个领域j 为各 种不同的专业所应用，无可置疑，移动通信在当代信息他的社会中起着 不可代替的作用。当前“第三代移动通信系统”的工作中心是围绕设计 一个能在任何地方、任何时间、为任何人提供服务的通用移动通信系统， 蜂窝网络已出现多种类型( 用于室内的徽微小区结构，用于室外高密度 地区的微小区结构以及用于中等密度的宏小区结构l 这些类型的网络会 同时存在，用户会因其所处的不同位置( 室内或室外、地表或地下) ，所需 的敷务类型( 话音、数据或圆特网) 接入不同钧弼络。特别是随着公路、铁 太原理工大学硕士研究生学位论文 所需的服务类型( 话音、数据或因特网) 接入不同的网络。特别是随着公 路，铁路隧道的增多以及城市中地铁隧道的开通，原有的地表蜂窝覆最 系统已不能满足此类场所中广大移动用户的通信需求，相应的技术研究 和产品开发由此产生，使这些场所中的移动通信的正常运营已成为现 实。鉴此，矿f f ! 井下应用移动通信已成为可熊 多年来，矿山井上、井下的通信仅依靠固定的隔爆电话、扩音电话， 在生产过程中，整个矿井系统的通信一直处于极为不便的状态，很不利 于井下高效生产和有机地管理。为f 实现矿山方便、快捷地生产以发整 体系统高效、协调地运作，使井上、井卜的作业员工、管理者等全体人 员之间实现移动互通，真正做到生产管理中的息息相通，这在矿山行业 中具有重要的价值和意义。特别是在各种事故突发时；能即时互通井下 现场灾情及作业人员自身安全情况并及时组织救援，移动通信业务更具有 重要的作用。可以说，完善的通信系统也是矿山建立安全生产环境的基 础，更是确保矿山夺赢效率下安令擘产的前提之一。 众所周知，各种先进的信息技术成果正迅速渗透到煤炭领域。煤炭工 业正在由劳动密集向技术密集转化，近年来，煤炭领域信息化、现代化的 发展从根本卜改变r 矿井的瓶貌。遗信作为信息传递的于段，在井下是时 刻离小开的，而移动通信在井卜更具有前所未有的应用前景，更是保证井 下安全、提高管理水平的需要。 如何实现矿井巷道系统中的移动通信便成为我们研究、关注的焦点。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 国内外研究概况 ( 1 ) 国外井下移动通信的发展现状 弛年代中期到8 0 年代初，国外一些先进采煤蓐为适应高产高效的需 要，不断地探索通信、信号系统在并下的应用，以满足于井下作业人员的 自由通信，并服务于井下的自动导向系统、监测、监控与设备故障诊断系 统，一些可行性的技术得到了推广和应用。 其中由澳大利亚矿山技末公司与北京安菲斯科技发展有限公司共同研 发出来的，班 i ) ( p e r s o n a l e m e r g e n c y d e v i c e 的缩写) 井下急救寻呼系统、 t t 井下人员跟踪系统、v d v 井下移动电话系统。p e d 井下急救寻呼系统 是一套超低频的可以使信号穿透岩层传播的无线急救通讯系统。使用p e d 系统，当井f 发生意外事故或灾害时，能够使井f 所有( 或特定) 的人员 立即收到紧急警报。它的系统主要由置于井下的超低频收发信机和各种类 型的接收机组成，接收机包括个人便携式接收机、车载接收机等。p e d 系 统在我国大同矿务局的煤峪口矿、王村矿、燕子山矿都有了应用，以及在 郑州矿务局、鹤壁矿务局和内蒙古大雁矿务局也都安装了p e d 系统。t t 井人员跟踪系统南澳大科丽矿山公司开发研制，该系统标签可南个人携带， 也可放置在车辆或仪器设备上，并将它们所处的位置和最新记录信息传输 给主控室。个人跟踪系统的硬件主要包括跟踪器和跟踪监浏站，在巷道中 多点处安装监澍站，跟踪器通过监溅站将数据传送豺中心办公室或主控鳖 的p c 机上。v d v 井下移动电话系统主耍是在巷道系统中应用泄漏电缆的 方式，在间隔3 5 0 米处左右加入中继放大器，属于低频段的局域通信，此 种通信方式与我国的湖北沙鸥通信股份有限公司研发的以基台为控制中心 的井巷漏泄电缆通信方式相似。 3 太原理工大学硬士研究生学位论文 加拿大温哥华的l 3 无线通信技术公司开发了无线矿山管理与安全系 统- - w i - m m s 以静决并下佟业工入觏设备酶定侮和管理。秘用无线射频 路由器技术，建立了矿山无线数据网络，将井下工人和设备与井上矿山控 制调度室相连。跟踪定位井下工人和设备。管理层通过控制中心借助于巷 道分布系统中建奇的有线网络对跟踪定位的井下t 入发出信怠指令， ( 2 ) 国内井下移动通信的发展现状 长期以来，国内外对井下无线通信的研究课题很多，方向各异，其中 个别可行性的研究成果得到了推广和应用，研发的技术公司主要有；湖北 沙鸥通信股份有限公司研发了以基台为控制中心的井巷漏泄电缆通信系 统，基台再与市话联网，也可碍n q 市话，移动对讲机在分布有泄漏电缆的 巷道内可实现对讲机之间的通信，分布到巷巾的泄漏电缆每隔约3 0 0 米左 右距离插入一个双向中继放大器，以补偿信号在电缆中传播时的损耗。收 发信机的工作频率为：5 9 3 5 0 m i , i z - - 8 0 0 5 0 m i - i z ，但由于低频频段内无线 传输衰耗较为严重；因此，整个系统都采用泄漏电缆分布的方式，通信系 统的分布范围受到造价的限制通常只应用到采掘工作面或井筒大巷中。 徐州华统集团研发的k t l 9 型井下无线通信系统，k t l 型无线通信 系统，是专门为特殊行业研制的无线通讯系统，可以在企业内部的特殊环 境下通过无线通讯方式实现语音和数据呼叫。该系统开创了矿井无线移动 通信的新局面，对矿区无线通信将会带来积极的深远的影响。为特殊行业 ( 如煤矿艿下、石油、化t ) 等提供f 允线通信的一种解决方案。 目前从国内外的发展来看，并下移动通信主耍采用单点式收发信机的 局域通信的方式，网络范围局域以及其容量局域，信号在狭长的巷道中传 输，遇煤璧实体急崩衰落，当信号强度低于接收机的灵敏度时，通犴小能正 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 进行，进而发展为以泄漏电缆传输、延伸信号方式为主的集群通信。应用中。 集群通信的频率通常在低频段范围。 研究表明，无线信号在隧道及矿井中传输的最佳频率在5 0 0 m h z 1 0 0 0 m h z 之间“”，在相同条件下，这个频率范围的无线信号在传输时，衰落 最小。 3 论文研究的意义 建设高产高效矿升是当今煤炭生产发展的主流，我囝币在建设1 0 0 对 高产商效矿井，走集约化生产道路，煤矿这种特殊的工作环境，更青亨要利 用先进的科学技术改造传统行业，在效率、技术水平、科学管理、安全调 度指挥能力等方面赶上世界先进水平。井下时刻离不开信息传输，离不开 通信，而移动通信在煤炭行业的生产、安全、管理等方面更具有重大的价 值及其意义，我们在矿井中发展移动通信是矿井通信领域的新课题，也是 蕈要谋题从功能上讲，目前，井下的有线通信远远不能适应并下大案流 动作业人员及其管理上的需要。从适应范围来讲，对井筒通信、人车通信、 机车通信、工作面通信、运输通信、救灾通信等来讲也只有移动通信才能 覆盖这些工艺流程。 当今社会正处于信息时代，煤炭工业在大力提高机械化，自动化水平 的基础上充分利用计算机及通信等现代信息技术，加速了煤炭工业的信息 化发展，矿升要庶用移动通信，且要达到两种领域信息资源的共享，充分 利用移动通信的资源，以提高矿井管理水平、满足专业需求为h 的，使矿 井向信息化、数字化的方向发展，这也更将对矿山的高产、高效、安全、 优质、减人提效发挥巨大的促进作用。在研究井下移动通信的同时，也为 太原理工大学硕士研究生学位论文 建设数字化矿井提出了相应的研究课题，如利用此系统服务于井下安全生 产：通过短信形式，蠛测水，火，瓦斯等，并及时上传告警；建立中心摔 制平台，进行远程智能化生产。随着移动通信领域新一代、新新一代技术 的发展，其多种服务类型更是矿井信息化、智能化所需要的。井下移动通 信鲍初步研究为实现将来数字化矿井的建设奠定了基础， 以移动通信资源为基础，发展煤矿井下综合业务通信网。煤矿井下各 种繁多的监测、监控系统仍处于相互独立的状态。各种系统自成体系，信 息夸能互通，造成通信线路重复投资，重复建设，系统维护量增大，整体 可靠性差，维修、维护困难。此外，信息小能综合利用，难以从系统工程 的整体角度来对矿山进行统一的自动化调度管理。解决这些问题的出路在 于建立煤矿综合业务通信网络l s d n ；将不同类型的通信系统接入综合 业务主干网。在井下应用移动通信的基础上，利用其先进的通信资源建立 综合业务通信网络将为煤矿井下各种信息的传输提供一条便捷的高速公 路。 4 论文研究的主要内容 矿井是一个复杂的巷道大系统，在这个系统中牛产运营，离不开通信， 长期以来，人们就认识到了移动通信在这种环境中的价值和意义，实现井 下移动通信一直是科研工作者的重要课题，而并下巷道断面较小、狭长、 弯曲，又多上下山，一定强度的信号在这种限定空间的环境中传输，遇煤 体、岩体的阻挡以及传输过程中的多径效应，使信号很快衰落殆尽，使用 单一的收发信机或以最大极限增加收发信机的发射强度亦不能满足这种 大系统的通信需求。所以说，在选定信号源的前提下。对确知信号存巷道 中衰落的研究是井下移动通信应用翦理论基础，更是通信分布系统在井下 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 在移动通信技术较为成熟的前提下，本论文主要研究移动通信在井下 的应用，使手机存井下各巷道系统中平常使用，存研究巷道中g s m 9 0 0 移 动通信信号( 上行：8 9 i f - - 9 0 9 m h z , 下行：9 3 5 - - - 9 5 4m h z ) 在巷道中传输 衰落程度的基础上，提出了实现采掘工作面移动通信的最优设计，其中包 括如何将g s m 9 0 0 移动通信信号以最佳方式“搬迁”、延伸到井下巷邀分布 系统中，并将信号放大，把有限强度的信号以满足手机使用的最佳极限、最 大范围地分布给各巷道服务区，为实现井下多地点移动通信奠定理论和实 践基础。 实现的方式及手段：采用光纤直放机直接耦合地面移动通信b t s 的 g s m 9 0 0 信号，始端机将射频信号调制为光信号，通过光路传输到井下， 终端机将光信号解调为射频信号，经功放放大后将信号传递给各巷道服务 区的通信分布系统，由泄露屯缆微型定向小天线等辐射给巷道空闻。通 信分布系统主要采用泄漏电缆和无线传输相结合的方式，将信号再延伸并 分配给各个巷道系统，通信分布系统的设计与优化是建立在简单、灵活、 适应井下动态生产环境的基础之上的。 主要内容包括： 1 信号源的选择及引入 这部分主要完成以下任务： 移动、联通、小灵通三种无线信号的比较与评价，绘制缎网图，说 明信号引入方式。 2 9 0 0 m h z 信号在巷道传输中衰落的研究。 这部分主要完成以下任务：以模拟测试为主要内容。 ( i ) 以忻州雁门关隧道为模拟实验对象，对于它的测试与数据采 集为在井下大巷中实现移动通信提供了直接的理论依据。 ( 2 ) 以灵石陈家山辅助隧道为模拟实验对象，对它的测试分析为 7 太原理工大学硬士研究生学位论文 ( 2 ) 以灵石陈家山辅助隧道为模拟实验对象，对它的测试分析为 存井下采掘系统中研究移动通信提供了直接的弭论依据。 3 采掘工作面中移动通信的研究与优化。 这部分主要完成以下任务：改变传统通信方式，设计最优方案， 并计算，验证其可行性， 4 井下多地点通信的没计与研究 这部分主要完成以下任务：在采掘工作面中移动通信设计研究的 基础上，灵活应用光纤直放系统及通信分布系统，提出了井卜多 地点通信的设计方案。 5 应用手段的优势 本论文的研究是建立在数字传输和移动通信无线传输应用的基础上 的，论文中的应用手段一改传统思路，关注g s m ( g l o b a ls y 或e m s f o rm o b i l e c 。m m u n i c a “o n ) 移动通信巾井下的廊埘。研究巾注重基本理论和实践相结 合，推出，实现井f 移动通信的实施方案。 1 改变传统局域瞬单工、模拟遥话方式，实现双工、数字通话。 2 在巷道系统中，移动网络设计优化后即可实现矿井移动通信与社会 移动通信公用网的全面接轨，无需自成体系以及建立中心控制平台。 3 设计的通信系统简单、灵活。适庶井下动态的牛产环境。 4 可直接享用移动通信的所有资源，不仅仅满足通话豹语音需求，更可 享用移动业务中的数据、多媒体等服务。 5 捌用移动通信的u 有资源，更为建设并卜综台业务主十嘲、建设数字 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 本章小结 本章主要论述了本课题提出的背景、国内外研究动态、研究的意义和 应用手段的优势以及要完成的主要内容，从总体上对课题做了一般概述。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 信号源的选择 二信号源的选择与引入 井下移动通信的频率选择主要考虑以下两个黑素：一是随着使用频率 的提高，电机牟火化干扰以及一般外部噪声电平将会下降，所以频率应选 得高一些。但当频率增至1 0 0 0 瓣i z 以上时，接收机内部噪声增加，起伏周 期变快，传输损耗增人。在移动通信中，使用5 0 0 - 1 0 0 0 _ 瑚_ z 是较为合理的： 日本和西德正从日前的1 5 0 1 6 0 删z 向高频段发展。西德曾经有过测试， 1 6 0 m i t z 频段所受到的干扰要比4 6 0 m h z 频段大1 0 倍。= 是国内现有比较 成熟的产品，无论是收发机或潺泄电缆均在超高频频段。 目前移动通信采用9 0 0 r i z 频段，以蜂窝方式组网，信道具有多径衰 落与时变特征，双向频谱为2 1 9 z ，各提供9 4 个载波，每载波包括8 个时分多址t d 姒( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e 一c 。s s ) 信道。于是嚣载波 2 0 0 k h z 带宽，包含8 个2 5 k i l z 信道，用户数字电话速率为1 3 k b i t s ，具 有高纠错能力的差错保护位时，净速度高达9 8 1 3 k b i t s ，隔离1 至2 个 小区可以重复利用频率，因此整个移动网可支持大量移动用户相亘通信。 通过越区切换和跨网漫游可以实现全国性、世界范围的移动通信。联通采 用9 0 0 删z 频段及c d m a ，小灵通大多使用1 9 0 0 涮z 频段。在这三种类型的 谲信中，中国移动通信的优势众所周知其完善的网络、成熟的技术、服 务的多样性及发展空间都居领先地位。从多方面因素考虑，移动通信的信 号是实现矿井移动通信的最佳选择对象。 为了使满足要求的谴信系统达到最佳，一个6 s m 倍号源与一套信号延 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 伸系统是必要的。此外，信号源的选择，还要根据矿井附近基站的无线覆 蔫状况和传输、话务量、现有弼络设备等情况来决定。矿井信号延伸所采 用的信号源包括宏蜂窝基站、微蜂窝基站、直放站等。 对于井下通信来说，首先要考察其话务量，对容量要求不是很高的小 型矿井，j 。采用微峰窝基站或附近直放站作为信号源。其优点是所需致备 空间小、所需配套设备少、总的投资费用低。但是，对于大型矿井来说， 因工作需要用户数目较多，话务量较高，这时采用容量较大的宏蜂窝基站 为信号源。使用宏蜂窝基站的优点是可以提供更多的信道资源、扩容较为 容易、单个基站覆盖能力强。 2 信号源的引入方式 采集井口附近基站信号可采用有线直接耦合方式或空中无线耦合方 式，前者所采集的信号几乎不受外界的干扰。信号的质量和强度比较稳定； 后者受周隔环境的影响较大，噪声较高、稳定性较差。信号的传输有多种 方式，如有线传输、空问i 无线直接传输、光纤传输等。丽光纤传输有它明 显的优势，诸如，它的带宽极限( 2 1 0 m h z 以上) ，通过目前可达到的技 术一密集波分复用d w d m ( d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) ， 一条光纤中可以支持1 6 0 0 g b i t s 的传输速率；实验表明，基于单波 1 6 0 g b i t s 速率的1 0 2 4 个载波，可达约1 6 0 t b i t s 点到点传输流量 ( i t b i t s - - - - l o ”b i t s ) ；光纤传输信号损耗极低，小予0 2 d b l 殂，不受外 界强磁的干扰，重量极轻( 一条光纤芯2 7 9 k m ) ，耐湿热和腐蚀，敷设方 便、灵活，尤其适合于井下这种复杂的巷道系统。本设计中采用光纤直放 机直接耦合陆地蜂窝阐中b t s ( b a s et r a n s c e i v e rs t a t i o n ) g s m 9 0 0 信号， 始端机将射频信号调制为光信号，通过光路传输到井下，终端机将光信号 太原理工大学硕士研究生学位论文 光信号解调为射频信号，射频信号经功放放大后再由井下通信分布系统依 技术要求分配绘各巷道服务医，通信分布系统t 要出泄露电缆微型定向 天线等组成，无线辐射给既定的巷道空间。通信分布系统要尽量简单、灵 活，适应并下的具体环境，论文中对它的设计与研究是重点内容之一。网 络的整体组成结构如同2 - i 所示! 汁疑汹h汁慊离_士囊斑晦慊高弗k ih干害脚弓i粥饕孙沸凰 fi奠卜冉_le scll口n砒io il一荔什蛩禽_olf竹暑al置膏oduco讷盘1l 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 现实井下移动通信的关键技术 澳大利亚矿山技术公司与北京安菲斯科技发展有限公司共同研发了 穿透岩层的p e d 井下急救寻呼系统，该系统可以在紧急状态下向井下传送 群呼告急命令，也可选砰特定对象，传递锅度信息。璧在井下应崩移动通 信，与其他的通信方式小同，它的频段范围( 上行：8 9 0 - - 9 0 9 m h z ，卜行： 9 3 5 9 5 4 砌z ) 是超高频段范围，信号不能穿透岩层而被接收机接收，只 能采用特定的方式将信号延伸到采掘工作面当中；再将信号放大，由通信 分布系统在这个限定空问的巷道内将信号分配出去。 井下移动通信系统的研究、设计中，首要的是要研究电磁波在巷道中 的传播特性，为实现移动通信建立理论基础。其次，不仅要使通信系统本 身达到满意的通信效果，而且通信系统要灵活适应井下的具体环境，要完 全适应动态生产的矿井，满足矿山专业的要求，自身对生产及安全不造成 任何影响。通信系统必须简单、灵活，随着曩乏摭t 作f f i 等，馓务区的史替， 通信系统的彤成及建立必须及时。 应用到井下的通信设备及器材标准要完全符合矿井作业规程的规定， 避开专业交叉的影响与冲突。井下要预防瓦斯，避免i ! | j 火，不论强电、弱 电设备都需要隔爆，故所应用的光纤远端机、中继器、微型小天线、移动 手机、各线缆的连接处等都需要有隔爆性能，防爆指标达到国家防爆电气 检验中心的标准；而井下湿度大、尘雾浓度高、水分多、腐蚀 生强，这些 小利条件义是通信设备的犬敌，所以井卜通信设备义要严格满足防尘、舫 水、耐腐蚀的要求。因电气防爆技术已是多年来成熟的应用技术，本论文 除完成主要任务外，对其不作具体的研究及分析。 1 4 太原理工大学硬士研究生学位论文 4 延伸分布系统的构成 本设计中的延伸系统主要由传输系统和信号再分布系统( 通信分布系 统) 构成，传输系统中由信号采集、信号转换( 射频信号转变成光信号) 、 光纤传输、信号再转揆( 光信号转变成射频信号) 、信号放大等音e 分构成； 信号再分布系统是将放大的信号在满足手机使用所需信号强度要求的条 件下，最大范围地分布给服务区。通信分布系统的方式通常有天馈分布式、 天馈分布联级放大式、泄漏电缆分布式，为了增大通信服务范围，采用的 无线中继系统可使题前一级放大的信号为信号源，实现信号再放大，并分 配给下一段的通信服务区。 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 信号延伸技术的应用 随着城市里移动用户的飞速增长以及各类特殊场所移动用户的增多， 话务密度和通信要求也不断上升。很多场所对g s m 信号有很强的屏蔽作 朋。在大型建筑物豹低篮、地下商场、地下停车、电梯内部、名类隧道、 井卜巷道等环境，移动通信信号较弱，甚全盲区，手机尤法正常使用，彤 成了移动通信的盲区和阴影区。信号覆盖方面，由于建筑物的屏蔽和吸收 作用，造成了无线电波较大的传输衰耗；形成了移动信号的弱场强区甚至 盲区；信号质量方面，部分无线通信环境又存在无线频率干扰，服务小区 信号不稳定，话音质量难以保证，并出现掉话现象。 总之，移动通信环境有人多需要完善的地方，为满足通倩要求，必须 在这些环境中补偿一定强度的信号，而信号延伸技术体现出了自身优势。 其系统构成为：信号源的选择与采集、信号传输、信号放大、信号再 分布、通话检测。 下面就信号延伸技术在电梯内、各类隧道内、井下巷道内的应用作系 统介绍。 ( 1 ) 电梯中的应用 电梯是一个对无线信号屏蔽性较强的空间，信号没有足够的强度很难 进入，因此这类场所无疑为移动信号的盲区。正在通话的手机用户在进入 电梯后会发生掉话现象，与列络失去联系。为满足正常的通信，必须对这 类场所进行信号强度的补偿。解决的措施通常是引入原有时络中的目标信 号源，应用中继放大器对其限定地放大，再把放大的信号发射给电梯。信 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 号源的引入通常有光纤引入与空间耦合引入两种方式。 系统构成：接收天线、馈线、中继放大器、发射天线、泄漏电缆等a 解决方案：天馈线分布式、泄漏电缆分布式。应用示意图如下： l定向接收天线 2馈线 3 中缝放大器 4 耦合器 5发射天线 6 泄漏电缆 圈2 2 电梯信号覆盖示需图 f i g u r e2 2t h es k e t c hm a po f s i g n a ld i 矧b i 血g i ne l e v e e x ) r ( 2 ) 公路、铁路、地铁隧道中的应用 并类隧道中多为信号盲医，隧道都存存长短不一的状况t 短的隧道只 有几百米，而长的隧道有十几公里。在解决短隧道信号覆盖时，可采用灵 活的技术手段，如采用空间耩合型、无线中继放大的方式，在隧道口附近 用普通的定向天线向隧道里进行覆盖。但是，这些手段可能在解决长隧道 覆盖时不起作用，对于长隧道的覆盖必须采取其它一些手段。冈此，对于 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 每段隧道的解决方案可能都会有所区别，必须根据实际情况来选定覆盖解 决方案。 在选择好了g s m 信号源之后，必须根据实际情况配置天馈系统，对隧 道进行覆盖。通常有四种不同配置的天馈系统：同轴馈电无源分布式天线、 l 爿轴馈电有源分布式天线、光纤馈电有渊分布式天线、泄漏电缆。 磁 一杏 凰 罔2 3 无线耦合型隧道信号覆盖示意网 f i g u r e2 3t h es k e t c hm a po f s i g n a ld i s t r i b u t i n gi nt t m m e lu s i n gs y s t e mo f a e r i a lc o u p l i n g ( 3 ) 在井下巷道中的应用 对于矿山井下这种生产环境来说，实现移动通信具有满足本专业需求 的重大意义，而从移动运营角度来说，是移动网络覆盖、容量、质量等方 而的优化，蜊绢覆盖、容量、质量是运营商获墩竞争优势的关键渊素。优 化嗍络从根本上体现r 移动网络的服务水平。 无线信号在电梯、隧道( 公路、铁路、地铁等) 、井下巷道这些狭长 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 的环境中传输属于限定空间的传输。在这种环境的无线信道中，发送到接 收机的信号会受到传播环境中的地形、地物的影响雨产牛绕射、反射、散 射及吸收，因而形成多径传输特性。多径传输将使接收端帕合成信号在幅 度、相位和到达时间上发生随机变化，严重降低接收信号的传输质量，这 就是所谓的多径衰落。此外，自由空间传播所引起的扩散损耗以及阴影效 应所引起的慢衰落，也要影响所需信号的传输质量。 信号在井下巷道系统中的传输的这种环境要比隧道复杂，通常巷道分 布系统崎岖、狭长，必须在具体的环境中研究允线信道的传播特性，弄清 其传播规律和各种物理现象的机理以及这些现象对信号传输所产生的不 良影响，进而研究消除各种不良影响的对策。为了给通信系统的规划和设 计提供依据，通常通过理论分析或根据实测数据进行统计分析，柬总结和 建立普遍性的数学模型，村用这些模型，可以估算并f | 环境中电磁波的传 播损耗和其他有关的传播参数。 井下巷道系统分布较长，有时采掘工作两的服务区距井口较远，而井 口距信号源的采集点( 基站) 又有一定的距离，要将信号延伸到服务区， 采用光纤传输是最佳的选择，在所需的通信服务区，合理应用光纤直放机 将信号放大，由通信分布系统将信号分布给各服务区，通信分布系统类型 有天馈分布式、泄漏电缆分布式、光纤机多点分布式，本论文研究孵总璐 为光纤机与泄漏电缆综合的方式，兼灵活应用无线耦合、中继的方式，满 足特殊地点通信的需要。 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 本章小结 本章在分析、比较的基础上，选择以移动信号为信号源，提出了信号 源的引入方式，并在探讨信号延伸技术应用领域的基础上，进一步分析了 在井下巷道分布系统巾的廊砘，为研究， 下移动通信奠定r 基础。 2 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 三g s m 移动信号在巷道中传输衰落的研究 井下巷道分布系统复杂、狭长，且需要满足通信要求的巷道数量较多 为了充分利用现有的通信资源，通信分布系统的设计研究以满足手机使用 的所需最低信号强度为依据，卜限强度不超过卫生部颁发“环境电磁波卫 生标准”，为满足所需信号强度的要求，必须对9 0 0 m h z 信号在巷道中的 传播特性做出实践检测、具体分析，通过实测的数据总结出信号在传播过 程中衰落的规律性，这更是设计分析的基本参考依据。 无线电波在巷道中传播时具有隧道效应，信号传播是巷道壁反射与直 射的结果，其中直射为主要分量，移动台接收信号的场强主要是反射波与 直射波的欠量合成。 1 巷道介电常数在超高频条件下的技术研究 ( 一) 有笑升下巷道肇介电常数已有数据存在的问题 不同物质、不同干湿条件下的介电常数是不同的，而且与受辐射的不 同频率也有关系。1 9 7 5 年j c c o o k 在实验室条件下测试的结果见表3 1 。 频率混泥土 煤煤矿黑顶 ( 渊z ) 干湿 l 6 - 2 02 0 - 5 0 6 1 05 6 0 56 一1 0 1 5 2 06 曲9 _ 3 5 2 56 鹕9 。1 1 5 - 89 2 0 1 0 05 - 8 59 1 15 。78 _ 1 5 表3 1 若干物质的介电常敷， 2 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 由表可见，同一物质，不同频率下介电常数值不一样，移动通信应用 的是9 0 0 瓣i z 频率，可以想象，红这种频率下，介电常数必然足另一些数 值，井下不同季节、干湿程度变化较大，引用某一固定的介电常数值，必 然不符合实际。矿井生产是不断开发变化的，也应该根据新区的地质条件 采用新的介电常数值。以上种种原因都说明最好的办法是对不同季节不 同条件下的介电常数进行就地测试。 ( 二) 介电常数对电磁波传输的影响 电磁波传播中的一个重要参数叫衰减常数，它和介电常数e 有着密切 关系。衰减常数的公式如下： 口= 叫等c 三) 2 _ 一， c s _ d 其中：口一衰减常数 国一角频率 占介电常数 j f 一介质导磁率 盯一介质导电率 将口一一占的关系画成曲线，见图3 - 1 。 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 1 5 1 5 l 1 0 儿 1 0 1 31 0 埔( r a d s ) 图3i 介电常数与衰减常敷关系曲线示意图 f 强a * e 3 1 a l r v cc o m p a r i s o n b e t w e e nd i e l e c t r i cc o n s t a n ta n da t t e m l 砒i o nc o n s t a n t 由图可见，介电常数在不同频率下对电磁波的衰减影响甚大。这瓿更 表明了，介质常数就地测试的必要性。 ( 三) 美国n a s a 用布儒斯特角测定月球表面介电常数的启示 美国n a s a 曾根据电磁场中布儒斯特角，i 镢率i g l i z 下，涌得了月球 表面的相对介电常数为e 产1 3 。 线性极化波射向不同介质的交界面时，该线性极化波的组成成分，一 是平行极化波，另一是垂直极化波。在一定的入射角度下，平行极化波无 反射波，垂直极化波则有反射波。这一时刻的入射角，就叫布儒斯特角。 在这个布儒姘特角的条件r 反射波中将不包含平行极化波分曩，就像被 滤去一样。反射波中将只包含垂直极化波，所以这种状况简称极化滤波原 理。 2 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 布儒斯特角的公式是： 肚一撸 式中 ：交界而入射侧的介电常数 ( 3 2 ) 如：一另一侧的介电常数，+ 当入射侧介电常数为已知时， 饲如空气，列可根据该布儒斯特角计算出另一侧的介电常数岛。 ( 四) 井下应用布儒斯特角测定巷道壁介质常数应解决的问题 与测月球表面的介质常数时周围空间无限宽广不同。并下涮巷道壁 介电常数时空间十分狭窄，因此需要注意选取电磁波传播的合适频率， 使在这狭窄空间中，交界面处于电磁波传播的远区区域，而不是处于近 区区域。后者将只产生感应，而不存在反射状态。为此。我们根据现有 通信机频率状况，选墩f9 0 0 墙i z 频率。在这个频率下，经过计算，传播 距离超过1 5 c m ，就可以认为进入，远区场，这在煤矿井f 条件是可以满 足的。 另一个n j 题是，在井下狭窄空间内，必须考虑到发射单元电磁波波 瓣中旁瓣和后瓣的存在。它们在巷道壁的反射下。可能也会成为照射区 域的入射波，从而干扰主瓣的入射反射。对这种干扰，应设法排除或通 过判别f 以舍去。经过论迁，可以看到，即便旁瓣、后瓣干扰存在，当 入射角趋近布儒斯特角时，接收单元接收剑的信号也随趋近咂f 降，当 偏离布儒斯特角时，信号也随偏离而上升；当入射角等于布儒斯特角时， 接收信号为最小；返就是说；布儒斯特角在有干扰时仍可辨认读出，见 图3 2 所示。 m 太原理工大学硬士研究生学位论文 d b 5 0 4 0 3 0 2 0 2 0 4 0 6 08 0 9 0 0 ( 。) o 。 目3 - - 2 布儒斯特胄i _ 在干扰中 的辨认 由以上分析可知，用布儡斯特角的或称极化滤波原理的方法是可以就 地测出有关巷道壁或所需部位的介电常数的。下面我们参考中国矿业大学 在门头沟矿的现场测试来说明介电常数的可测性。 序号靠诺斯特角相对介电常数备注 15 1 。1 5 2 5岩石顶板、灰砾岩 26 2 。3 5 3 7 巷壁岩石、灰砾岩 36 2 。3 5 3 7砌碹巷壁 46 2 02 。3 1 2煤巷壁 表3 2 相对介电常数的现场澍试 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 大巷中信号传播衰落特性的模拟研究 模拟测试地点：忻州雁门关隧道 隧道结构：拱形砌碹、混泥土，断面1 5 6 m 2 全长5 2 公里，平直隧 道。 测试设备：信号发生器、h p 8 5 9 1 e 频谱分析仪、微型发射天线及接收 天线。 测试方法；在隧道口放置信号发生器，应用频谱分析仅调整输出信号 的频率为9 4 4 5 蛳z ( 该频率为移动频段下行：9 3 5 一9 “ m h z 的中心频率) ，设定信号发生器输出功率为1 0 w ( 单 载频输出3 9 d b b ) ，信号经挑线，再由微型定向天线( 增 益3d b i ) 向隧道内辐射此时微型定向天线的有效发射 功率p 叫。= 信号发生器功率+ 发射天线增益= 4 2 d b m 。在隧 道内的小同地点虑m 频谱分析仪接收信号发生 传输过 来的模拟信号，记录f 各澳试点的场强，对十所涮数据进 行统计分析，绘出衰减曲线。频谱仪上用来接收信号的 微型拇指天线的增益为0d b i ，这样，在频谱仪上显示的 测试读数便为测试遗点的对应场强，各测试点处的衰耗 值可由天线的有效发射功率减去测试值即可得到，测试 设务布臂如图3 - 3 所示： 太原理工大学硕士研究生学位论文 信号 困3 3 模拟测试系统示意图 f i g u r e3 3 t h e s k e ! t c h m a po f s i m u l a t i o n t e s t i n gs y s t e m 主要各点测试数据统计如表3 1 所示： 测试点l2 345678 距隧道口 2 05 08 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 距离( m ) 实浏值( d b ) 一2 2- 3 34 34 44 85 7- 6 16 4 襄耗值( d b ) 6 47 58 58 69 09 91 0 31 0 6 测试点 91 01 l1 21 31 41 5 距隧道口 6 0 07 0 08 0 09 0 0l 0 0 0l l o o1 2 0 0 距离( m ) 实测值( d b )- 7 0- 7 1- 6 9- 7 4- 7 6- 7 8- 8 0 衰耗值( d b ) 1 1 21 1 31 1 21 1 61 1 81 2 01 2 2 表3 1 主要测试点原始数据统计 太原理工大学硕士研究生学位论文 一 ，一 一 f f 1 0 02 0 03 0 0 4 0 05 0 06 0 0 7 0 08 0 0 9 0 01 0 0 0i i ( x 1 2 0 0 距离h 豳3 4 测试数据统计分析豳 f i g u r e3 4 t h ec h a r t o f s t a t i s t i c a n da n a l y s i s o f t e s t i n g d a t a 测试分析中被检验的信号传播衰落模型为： l 。h = 2 0 1 9 f + 3 0 1 9 d - - 3 2 d b ( 3 3 ) 其中： f ：频率( 唧z ) d ： 距离( 米) g s m 移动信号( 上行：8 9 0 - - - 9 0 9 p 皤i z ，下行：9 3 5 - - - 9 5 4 z ) ，该测试 中，所选模拟信号的频率为下行频段的中心频段9 4 4 5 删z ，即： f - 9 4 4 。5 e i z 根据各点测试统计数据，计算出各测试点的路径衰落值。绘制出被检 测的理论分析模型曲线与实测数值曲线，进行比较分析，统计分析图表如 图3 5 所示： 太原理工大学硕士研究生学位论文 衰耗值 ，二 厂一宴舅值 f 理论值 1 0 02 f l o3 0 04 0 05 0 0 啪7 0 0 8 0 09 0 0 1 0 0 d 1 2 0 0 距离1 图3 5 路径衰耗理论模型值与实测值时比分析图表 f i g u r e3 一s6 h 8 f c o f c 唧函鲫n e n d 锄羽，幽b 曲弹e v a h 鹭o f t h e o f y l q d i o f i e l d i n t e n s i t yo f t r m m a i s s i o np a t h a t t e n u a t i o na n dv j i i l o f p r