（通信与信息系统专业论文）矿井通信中单载波频域均衡（scfde）的应用研究.pdf

中文摘要 现代化煤炭工业的发展 需要高效可靠的矿井通信系统 研究和推广高效可 靠的矿井通信系统具有重要理论意义和重大实用价值 然而井下电磁波环境十分 复杂 空间受限 非视距传播和多径衰落以及机电噪声的影响使得井下通信质量 难以保证 多年来煤矿井下通信技术的发展大大于落后地面通信技术 单载波频域均衡技术与正交频分复用技术同时被i e e e8 0 2 1 6 a 标准推荐为新 一代宽带无线接入网的物理层标准 单载波频域均衡 s i n g l ec a r r i e r f r e q u e n c y d o m a i ne q u a l i z a t i o n s c f d e 技术的基本思想是对信道的冲激响应做出估计 然 后在频域通过权值系数补偿信道的影响 通过i f f t 运算将均衡以后的信号变换回 到时域以便对数据符号进行检测判决输出 s c f d e 系统和o f d m 系统的结构上 的主要区别在于i f f t 运算是在发射端还是接收端进行 s c f d e 系统保留了o f d m 有效对抗信道的频率选择性衰落 实现高速率 大容量的通信传输的优点 同时 又有效克服了o f d m 系统对定时误差 载频同步比较敏感和p a p r 过大两点明显 不足 为了克服在井下无线信道中的多径衰落和干扰并降低噪声的影响 提高对频 率资源的利用率 降低成本 本文在对山西王庄煤矿井下通信设备的调研基础上 研究了目前国内应用较广的k d l t v i 型井巷综合漏泄通信系统的优缺点 提出了将 单载波频域均衡技术 s c f d e 与现有设备结合 改善井下通信质量的井下通信 方案 本文首先通过在分析一般无线信道的基本特性基础上 利用实验数据加波 导理论相结合的研究方法 研究了井下信道传输特性 针对王庄矿井信道特点建 立了信道模型 接着研究了s c f d e 的传输原理和性能 讨论了8 0 2 1 6 a 标准下 s c f d e 发送接收过程 信号帧结构的产生方法 确定了矿井通信条件下的单载波 频域均衡系统参数 如 井下s c f d e 通信频率的选择 漏泄通信系统的物理设备 的参数设置以及整个通信系统的架设设计 着重对该适用于煤矿井下环境的频域 均衡技术性能进行了研究 最后 以s i m u l i n k 为平台搭建了用于矿井信道下的 s c f d e 系统模型 通过仿真论证了该单载波频域均衡技术方案在矿井通信中的有 效性 其中图3 5 幅 表8 个 参考文献6 1 篇 关键词 矿井通信 漏泄电缆 单载波频域均衡 块自适应滤波 仿真 分类号 t n 9 1 1 5 t d 6 5 5 丘塞交适太堂亟 堂位i 金塞 a 垦 l 一曼 l q j a bs t r a c t a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fm o d e mc o a li n d u s t r yn e e d sh i g he f f i c i e n ta n d r e l i a b l ec o a l m i n et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m i ti s o fg r e a ti m p o r t a n tt h e o r e t i c s i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a l v a l u et or e s e a r c ha n dt o p o p u l a r i z e t h es y s t e m t h e e n v i r o n m e n to fe l e c t r o m a g n e t i ci nc o a l m i n ei sq u i t ec o m p l i c a t e d b u t l i m i t e ds p a c e n o n l i n e o f s i g h tt r a n s m i s s i o n m u l t i p a t hf a d i n g a n dm e c h a n i c a ln o i s em a k ei t d i f f i c u l tt o g u a r a n t e e t h et e l e c o m m u n i c a t i o nq u a l i t y 砀e d e v e l o p m e n t o f t e l e c o m m u n i c a t i o ni nc o a l m i n eb e e nd r o p p e dg r e a t l yb e h i n dt h a to fo ng r o u n d a l o n g w i t ht h eo r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g o f d m m es i n g l e c a r r i e r f r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o nw e r er e c o m m e n d e d a st h ep h y s i c a ll a y e r s t a n d a r do fn e wg e n e r a t i o nb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s sb yi e e e8 0 2 16 as t a n d a r d n e b a s i ci d e ao ft h es c f d et e c h n o l o g yi st oe s t i m a t et h es w a s hr e s p o n s eo f t h ec h a n n e l c o m p e n s a t et h ei n f l u e n c eo fc h a n n e lw i t hr i g h tc o e f f i c i e n ti nf r e q u e n c yf i e l d t h e n t r a n s f o r mt h es i g n a lw h i c ha f t e rt h ee q u i l i b r i u mi n t ot i m ef i e l dw i t ht h ei f f to p e r a t i o n s t od e t e c ta n d u d g et h ed a t as y m b o l s t h ei f f to p e r a t i o nh a p p e n e di nt h et r a n s m i t t i n g e n do rt h er e c e i v i n ge n di st h em o s t l yd i f f e r e n c ei ns t r u c t u r eb e t w e e nt h es c f d ea n d t h eo f d ms y s t e m n es c f d es y s t e mh o l d st h ev i r t u eo fa n t if r e q u e n c ys e l e c t i v e e c l i p s e a n do ft h et r a n s m i s s i o nw i t hh i 曲s p e e da n dg r e a tc a p a c i t y a n dc o n q u e r st w o e v i d e n c ed e f i c i e n c yo ft h eo f d me f f e c t i v e l y o n ei ss e n s i t i v i t yt ot i m i n ge r r o ra n d c a r r i e rf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n t h eo t h e ri sb i g n e s so ft h ep a p r i no r d e rt oo v e r c o m et h em u l t i p a t hf a d i n ga n dt h en o i s ei nw i r e l e s sc h a n n e l a n dt o i m p r o v et h eu t i l i z a t i o no ft h es p e c t r u ma n d t or e d u c et h ec o s t t h ea u t h o ri n v e s t i g a t e s t h ec o a l m i n et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mo fw a n g z h u a n gi ns h a n x ip r o v i n c e a i m i n g a t t h ed i s a d v a n t a g e so ft h ek d l t v ic o a l m i n et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m a np r o j e c to f c o m b i n i n gt h es c f d et e c h n o l o g yw i t ht h e e x i s t e n te q u i p m e n t si st a b l e d b a s e do nt h e b a s i cc h a r a c t e r i s t i co fc o m m o nw i r e l e s sc h a n n e l t h ep a p e rs t u d i e st h et r a n s m i t c h a r a c t e r i s t i co fc o a l m i n ew i t he x p e r i m e n td a t aa n dw a v e g u i d et h e o r y a n du p b u i l d s t h ec h a n n e lm o d e la i m sa tt h ec h a r a c t e r i s t i co fw a n g z h u a n gc o a l m i n e t h ep a p e ra l s o s t u d i e st h et r a n s m i s s i o np r i n c i p l e p e r f o r m a n c eo ft h es c f d es y s t e m a n da n a l y s e s t h ep r o c e s so ft r a n s m i t t i o n r e c e i v i n ga n dt h em e t h o do ff r a m es t r u c t u r ep r o d u c t i o n a n dc o n f i r m st h es c f d es y s t e m sp a r a m e t e r si nc o a l m i n e s u c ha st h es e l t c t i o no f f r e q u e n c y t h ep a r a m e t e r so fe q u i p m e n t so fl e a kt e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m a n dt h e j 匕塞交通太堂亟 堂僮迨塞 垦墨 r s t r u c t u r eo ft h ew h o l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m i nt h i sp a p e r t h ep e r f o r m a n c eo ft h e f r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o nt e c h n i q u ei nt h es y s t e mi ss t u d i e d a tl a s t w i t ht h e s i m u l i n k t h em o d e lo fs c f d ei nc o a lc h a n n e li se m u l a t e da n dt h ev a l i d i t yo ft h e p r o j e c ti nc o a l m i n et e l e c o m m u n i c a t i o ni sd e m o n s t r a t e d 1 1 1 ep a p e r i n c l u d e s3 5f i g u r e s 8t a b l e sa n d6 1r e f e r e n c e s k e y w o r d s c o a l m i n et e l e c o m m u n i c a t i o n r a d i a t i n gc a b l e s c f d e b l o c k a d a p t i v ef i r i n g e m u l a t i o n c l a s s n o t n 9 1 1 5 t d 6 5 5 v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留 使用学位论文的规定 特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 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从功能上讲 井下的有线通信远远不能适应井 下大量流动作业人员及其管理上的需要 比如现有的煤矿井下有线调度电话一般 设置在固定的机电硐室内 要与井下工作人员通话 需由机电硐室内的工作人员 寻找或转达 若有线电话机旁无人值班则不能将有关信息传递给对方 若井下工 作人员需使用电话 不得不携带着矿灯和自救器等必备用品 在高低不平的井下 巷道中行走到装有电话的地点 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 救灾通信等工艺流程也只有移动通信才能有效覆 盖 目前 我国正在建设高产高效矿井 走集约化生产道路 煤矿这种特殊的工 作环境 更需要利用先进的科学技术来改造 这就要求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 加速煤炭工业 的信息化发展 以提高矿井管理水平 满足专业需求 使矿井向信息化 数字化 的方向发展 矿井要充分利用移动通信的资源 且要达到两种领域信息资源的共 享 这也将对矿山的高产 高效 安全 优质 减人提效等建设发挥巨大的促进 作用 研究井下移动通信的同时 也为建设数字化矿井提出了相应的研究课题 2 0 0 5 年8 月 国家安全生产监督管理总局局长李毅中 指出 推广煤矿瓦斯数字化远程 监控系统 依靠科技进步治理煤矿瓦斯灾害 可以大幅度地减少瓦斯爆炸事故发 生的几率 数字化监控技术足一种先导性技术 是计算机网络和软件技术以及数 字通信技术 微电子技术的集成和发展 通过与当地电信运营商合作 在煤矿安 全领域引入这一技术 在集团公司 省市县等一定范围内联网 可以对区域内所 有煤矿瓦斯防治情况 包括井下瓦斯浓度 风机开停状态及设备送电断电情况等 实施集中监控 远程监控和实时监控 针对突发情况及时采取调整作业方式 停 止生产 撤离人员等措施 同时 通过监控系统 还可以对井下采掘工作面的位 置进行跟踪等 而以上种种功能的实现无疑离不开移动通信 因此建立高速 方便 可靠的通信系统对于保证矿井的安全生产意义重大 1 2煤矿井下移动通信的研究现状 由于井下无线环境十分恶劣 井下无线通信是一个技术难度较大的课题 首 先 巷道条件对电磁波传输影响很大 电磁波在矿井巷道和工作面内的传播是一 非自由空间 存在严重的多径衰落现象 其次 巷道和工作面顶底板存在起伏 并且在水平方向根据煤层和岩层的走向变化会形成各种弯度 非视距的无线通信 大大降低了无线信号的传输距离 再次 无线电波 尤其是短波和超短波 在井 下传播受到的传输衰减很大 天线的发射效率很低 测试表明 一台在中等开阔 地能覆盖5 千米的无线电台 放到井下巷道罩只能覆盖几十米 即使将无线电台 的发射功率加大1 0 0 倍 它的传播距离也只能增加1 5 何况 在矿井下是不允许 随意增大发射功率的 否则容易因电火花引发爆炸事故 另外 井下机电设备配 置量很大 功率高 启动频繁 所产生的电气噪声频谱宽 电平高 对有用信号 的影响巨大 这使得井下通信更加困难 电磁波在矿井巷道中传播衰耗严重 无线通信距离短 已成为制约有效实现 矿井巷道中无线通信的瓶颈问题 国外对电磁波在矿井巷道中传播特性的研究在 2 0 世纪七八十年代取得了一定的成果堙1 在国内 矿井调度移动通信系统的研发 与电磁波传输的测试与理论研究也都取得了一定的成果口6 1 但以往的研究大都局 限于研究不同频段的窄带电磁波在巷道中传播时巷道的截面 弯曲 倾斜等对电 磁波传播衰落特性的影响 没有从根本上找到克服电磁波沿矿井巷道传播时衰耗 严重问题的有效方法 井下移动通信经历了大致如下的发展过程 1 2 0 世纪6 0 年代 国外开始研制矿井计算机监控系统 我国起步较晚 约 始于2 0 世纪8 0 年代后期 随着各项技术的进步 以产品的性能 价格比进一步提 高 使得监控系统在我国的应用逐步得到推广 为了加快实现煤炭工业现代化管 理的步伐 我图先后从美国 英国 德国 法国 加拿大引进了数十套监控系统 如美国的s c a d a 系统 英国的m i n o s 系统 德国的t f 2 0 0 系统 法国的c t t 6 3 4 0 2 m 系统 加拿大森透里昂系统 这些系统一度在我国煤炭产业中发挥了作用 也 为我国研制矿用监控系统提供了很好的借鉴 上述系统均是综合型监测系统 但 侧重于安全参数的检测和控制 同时 还存在如下的问题 1 性能 价格比过低 系统价格过高 一般矿井难以承受 2 监控主机的系统软件在文档处理上有些不符合中国国情 3 由于使用的是国外技术 技术服务支持有时很会存在困难 4 近年来技术进步较快 部分技术已经不具备先进性 自从我国引入上述系统后 相继出现了仿制国外的系统如k j 4 系统等 以及 我国自研的系统 如k j 2 k j 2 2 k j 9 3 矿井安全生产监控系统等 这些系统主要 也是侧重于安全参数的检测 口3 2 7 0 年代中期到8 0 年代初 国外一些先进的采煤国为适应高产高效的需要 不断地探索通信 信号系统在井下的应用 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 一些可行的技 术得到了推广和应用 主要有以下几种 1 1 p e d p e r s o n a le m e r g e n c yd e v i c e 井下急救寻呼系统 2 t t 井下人员跟踪系统 3 v d v 井下移动电话系统 4 无线矿山管理与安全系统 w i m m s 呻1 3 国内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 目前 我国煤矿井下移动通信的主要方式有动力线载波 通信 中低频感应通信 小灵通漏泄通信等方式 但这些通信方式都有一定的问 题 后续将详细讨论 4 此外 还有一些研究尚处于理论阶段 在文献n 1 中 提出了基于矿井巷 道中频率资源是开放的特点 充分利用矿井巷道中频率资源的优势 通过采用扩 频无线通信技术来解决矿井巷道中的无线通信问题 在文献n 2 1 中 结合c d m a 技 术独有的功耗低 辐射小的特点 介绍了首信股份有限公司开发并应用于井下的 c d m a 2 0 0 0 1 x 系统 但目前的推广度不大 在文献n 3 1 中 提出采用正交频分复用 调制技术 o f d m 应用于煤矿通信系统 同时以多址接入方式接入以适应煤矿数 字通信系统的设备制式多 区域分布广 调制技术不一致等复杂情况 此研究尚 处于理论研究阶段 1 3单载波频域均衡 s c f d e 的研究现状 宽带无线通信是现代通信技术发展的趋势之一 宽带无线接入技术是下一代 通信网中最具发展潜力的接入技术之一 单载波频域均衡 s i n g l ec a r r i e r f r e q u e n c y d o m a i ne q u a l i z a t i o n s c f d e 技术是宽带无线传输中一种很有效的对抗多径的方 3 法 单载波频域均衡技术的基本思想是对信道的冲激响应做出估计 然后在频域 通过权值系数补偿信道的影响 通过i f f t 运算将均衡以后的信号变换回到时域以 便对数据符号进行检测判决输出 早在在模拟信号处理阶段 均衡被作为主要对抗i s i 的方法被提出来时 与时 域上进行滤波处理相对应的 已经有了在频域分别补偿信号幅度和相位一频域均 衡的概念 所谓的频域均衡是利用可调网络的频率特性去补偿实际信道的幅频特 性及相频特性的畸变 模拟器件通过独立控制各个频率成分的电平实现对衰落的 均衡 对于数字信号处理流程 由于数字d f t 运算的复杂度较大 而且当通信传输 主要为语音时的信号带宽窄 受到的衰落相对要小 需要的时域均衡器抽头少 所以对于要求不高的语音传输来说 进行分段序列的频域均衡不仅不能保证数据 的实时性 而且加大了系统的复杂度 随着快速傅立叶变换f f t 的提出 w a l z m a n 于上世纪7 0 年代初将自适应均衡的算法应用于频域 主要是为了提高与随机梯度 算法相关的均衡器系数的收敛速度 但是由于时一频变换实现上的困难 数字频 域均衡的应用一直受到阻碍 而另一方面 越来越高的传输速率意味着更大的带 宽 直接导致更加严重的频率选择性衰落 使得均衡滤波器的抽头系数越来越大 时域均衡系统复杂度成指数上升 2 0 世纪8 0 年代 大规模集成电路让f f t 技术 的实现不再是难以逾越的障碍 使得多载波系统可以用于实时系统中 o f d m 开 始被欧洲和澳大利亚广泛用于广播信道的宽带数据通信 这时 通信业界的研究 热点是多载波的o f d m n 4 1 在o f d m 的实验室研究日渐成熟 其峰平比过高的弱点逐渐成为系统实现和 性能提高的瓶颈时 s a d 于19 9 4 年首次发起重新讨论单载波频域均衡 s c f d e 技 术 接着 各国的研究者就s c f d e 的原理和性能开始了研究 s c f d e 系统采用单载波传输而保留了o f d m 系统对信号的处理方法 有效 地综合了o f d m 和单载波的优点 两者的主要区别在于i f f t 运算是在发射端还 是接收端进行 s c f d e 系统保留了o f d m 有效对抗信道的频率选择性衰落 实 现高速率 大容量的通信传输的优点 同时又有效克服了o f d m 系统对定时误差 载频同步比较敏感和p a p r 过大两点明显不足 近5 年来 单载波频域均衡的讨论同渐增多 并且己经被纳入i e e e 8 0 2 1 6 无 线城域网 m a n 标准中 作为宽带无线接入的物理层兼容方案 5 1 应用于2 1 lg h z 的非视距传输环境 面向小型企业和家庭办公 s o h o 另外 k a d e l 于1 9 9 7 年最 先提出单载波频域均衡和分集结合的方案n 引 i e e e 8 0 2 1 6 曾提出过 s c f d e m i m o 的多天线方案 但是并没有给出具体的系统结构和实现方法 目 前 s c f d e 与空时处理u 刀干扰抵消等技术相结合的研究已经开展 更进一步地提 4 高了频谱利用率 改善了系统的性能 在宽带无线通信领域有着广阔的应用i j 景 采用单载波频域均衡技术是未来高速无线通信系统的一个极具竞争力的方案 1 4井下通信采用s c f d e 的意义 在对山西省长治王庄煤矿的调研中 发现目前煤矿井下无线通信技术落后于 地面无线通信的发展 在这座有四十年生产历史的现代化大型煤矿里 井下采用 的是基于泄漏电缆基础上的小灵通通信技术 这种技术存在通信质量差 抗干扰 能力弱等缺点 宽带无线通信是现代通信技术发展的趋势之一 宽带无线接入技 术是下一代通信网中最具发展潜力的接入技术之一 建立高速可靠的通信系统对 于保证矿井的安全生产意义重大 而井下无线信道的传播环境十分恶劣 在高速 率数据传输条件下多径传播引起的时延扩展对系统会有比较大的影响 目前 对 于单载波频域均衡技术研究不多 将单载波频域均衡技术应用到实际的研究很少 将其应用在井下这样更加恶劣的无线环境中的方案尚未有公开结果 本论文期望 通过本课题对单载波频域均衡技术的研究来完善这种抗多径干扰的技术 并期望 在煤炭现有技术设备下 将单载波频域均衡s c f d e 技术应用到井下无线通信的 改造上 最终提出一套较为合理的可行性方案 1 5作者的研究成果和本文的任务 本文首先分析了煤矿通信的发展情况和井下移动通信中的技术难题 对山西 王庄煤矿采用的k d l t v i 型井巷综合漏泄通信系统存在的不足进行了研究 在对 一般无线移动信道的特性研究基础上 通过计算 仿真 建立了近似的矿井信道 模型 研究了信道的衰减和干扰状况 讨论了i e e e 8 0 2 1 6 a 标准下的单载波调制解 调的原理 信号帧结构的设计和导频信号的产生方法以及各模块的参数设置 通 过比较不同的均衡算法确定了适合井下移动通信系统的均衡算法 块迭代反馈均 衡算法 并通过研究和计算 选择了适合井下通信的载波频率 设定了s c f d e 系统的物理设备及参数 最后 在s i m u l i n k 仿真环境下搭建了基于矿井信道的 s c f d e 系统的模型并进行了仿真 验证了系统方案的可行性 本文的章节内容安排如下 第二章 分析了国内外井下移动通信的发展状况以及所遇到的技术难题 阐 明了高效安全可靠的井下移动通信系统对煤矿安全生产的重要性 介绍了王庄煤 矿使用的k d l t v i 型井巷综合漏泄通信系统 分析了它的工作原理和存在的不足 第三章 由于本文针对的是s c f d e 在矿井通信中的应用 这里首先分析了 5 一般无线衰落信道的基本特性 并在此基础上对王庄煤矿巷道特点进行了分析和 建模 同时完成了对矿井主巷的传输时延和衰落研究 第四章 介绍了i e e e 8 0 2 1 6 a 下的s c f d e 系统的基本原理 和各部分关键技 术 结合井下环境 对s c f d e 应用所涉及的关键问题 如 信道估计问题 频 域均衡算法 频率选择 系统设备选用及具体参数设置等问题进行了研究 第五章 在s i m u l i n k 仿真环境下搭建了基于矿井信道的s c f d e 系统的模 型 通过对抗噪声性能的仿真验证了系统方案的可行性 6 2 煤矿井下通信问题 多年来 矿山井上 井下的通信仅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 真正实现矿山方便 快捷地生产以及整体系统高效 协调地运 作 使井上 井下的作业员工 管理者等全体人员之间实现移动互通 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 对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 完善的通信系统是矿山建立安全生产环 境的基础 更是确保矿山在高效率下安全生产的前提之一 因此移动通信是保证 井下安全 提高管理水平的需要 在井下更具有前所未有的应用前景 如何实现矿井巷道中的移动通信便成为我们研究 关注的焦点 2 1井下移动通信发展概况 7 0 年代中期到8 0 年代初 国外一些先进的采煤国为适应高产高效的需要 不 断地探索通信 信号系统在井下的应用 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 一些可行的技术 得到了推广和应用 主要有以下几种n 8 由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出来的 p e d p e r s o n a le m e r g e n c yd e v i c e 井下急救寻呼系统 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 下发生意外事故或灾害时 能够使井下所有 或特定 的入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 郑州矿务局 鹤壁矿务局和内蒙古大雁矿务局都有了应用 t t 井下人员跟踪系统由澳大利亚矿山技术公司开发研制 该系统标签可由个 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测站 在巷道中多点 处安装监测站 跟踪器通过监测站将数据传送到中心办公室或主控室的p c 机 v d v 井下移动电话系统是一种在巷道系统中应用泄漏电缆的通信方式 在间 隔3 5 0 米左右处加入中继放大器 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 7 相似 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 以解决井下作业工人和设备的定位和管理 利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立的有线网 络对跟踪定位的井下工人发出信息指令 长期以来 国内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 目前 我国煤矿井下移动通信的主要方式有动 力线载波通信 中低频感应通信 小灵通漏泄通信等方式 但这些通信方式都有 一定的问题 1 动力线载波通信 借助矿井动力电缆或机车架线作为传输媒质 将信号 调制到几十千赫兹的载波信号进行传输 由于煤矿电缆分支多 线路上各种机电 设备启动频繁 造成信道参数不稳定 载波频率低 易受电气干扰 电力线与通 信机的阻抗匹配困难等问题 这种方式在通信距离 话音清晰度和抗干扰能力等 方面都无法适应现代化矿井的需要 n 明 2 中低频感应无线通信 通过电磁信号耦合到井下巷道内的导电体中 并 通过导电体连续辐射出去 中低频通信穿透能力强 如用超低频信号可穿透岩层 几百米 可用于进行无线急救通讯等 在紧急情况发生时 能够迅速有效地与井 下的工作人员进行通信 但中低频通信的带宽窄 不适用于井下人员日常工作的 无线移动 不能满足现代化矿井对大数据量传输及多媒体信息的要求 3 g s m 和小灵通 p e r s o n a lh a n d y p h o n es y s t e m p h s 通信 g s m 和p h s 属于第二代无线移动通信系统 其传输速度和井下的覆盖范围都不太理想 一个 基站只能覆盖几百米 要实现井下任何地方的无缝连接则需要建很多的基站 不 但成本造价高 而且维护量大 系统可靠性低 即使通过g p r s 数据传输速率也 只能达到1 4 4 4 3 2 k b i t s 啪1 4 漏泄通信方式 采用泄漏电缆作为天线 允许同时传输多路无线电信号 包括视频信号等 利用漏泄电缆技术在一定程度上解决了无线电波在井下巷道非 自由空间不能远距离传输的难题 是近年来国际上采用的最先进的井下通信技术 我国大多数现代化的大型煤矿井下采用了这种通信方式 但泄漏电缆并不能覆盖 到井下的每个地方 同时无线空间内的信息传输采用普通调频方式 通信质量易 受巷道移动环境的影响 此外 当矿井隧道较长时 随着双向中继放大器级连数 目的增加 噪声容易积累 导致信噪比降低 通信质量下降 2 2煤矿井下移动通信技术难题 8 电磁波在矿井巷道中传播衰耗严重 无线通信距离短 已成为有效实现矿井 巷道中无线通信的瓶颈问题 国外对电磁波在矿井巷道中传播特性的研究在2 0 世 纪七八十年代取得了一定的成果 在国内 矿井调度移动通信系统的研发与电磁 波传输的测试与理论研究也都取得了一定的成果 但以往的研究大都局限于研究 不同频段的窄带电磁波在巷道中传播时巷道的截面 弯曲 倾斜等对电磁波传播 衰落特性的影响 没有从根本上找到克服电磁波沿矿井巷道传播时衰耗严重问题 的有效方法 井下通信是 个技术难度较大的课题 主要表现在 1 巷道条件对电磁波传输影响大 我国矿井巷道比较狭窄 长度可达1 0 k i n 且拐弯抹角 巷道分支多 又分布 在不同的水平面 截面尺寸通常在几到几十平方米内 巷道壁四周均为煤和岩层 粗糙不平 巷道中还有采煤支架 机电设备 钢轨 动力线等 这是一个传播环 境非常特殊和复杂的非自由空间 对电磁波的传播特性影响非常大 首先 电磁 波频率与传输衰减有很大关系 试验证明 在中频段 m f 范围 衰减较小 传输 距离为5 0 0 m 左右 在高频段 h f 范围 衰减增大 传输距离仅为几十米 在甚 高频 v h f 和特高频 u h f 范围 巷道中的传播衰减减小 传输距离也可达几百 米 其次 巷道截面尺寸对电磁波传输也有影响 截面尺寸越小 巷道内电磁波 的截止频率越高 当传输频率低于截止频率时 传输损耗迅速增大 因此 井下 巷道的截面尺寸的变化对中低频传输影响较大 对甚高频 特高频的影响较小 晗 另外 井下巷道中一般都含有照明线 动力线 钢轨等纵向导体 这些导体 的存在可有效地增大中低频段电磁波的传输距离 而对甚高频及以上频段 这些 导体的导波作用会变得很小 对于煤矿巷道这样一个特殊而复杂的非自由传播空间 考虑到不同矿井煤岩 层结构 电磁参数 巷道条件等对传输效果的影响 要提高无线传输距离 如何 选择最佳的传输频率 是煤矿井下移动通信需要解决的第一个问题 2 接收点有用信号十分微弱 首先 在井下移动通信中 由于天线全部在巷道中 天线的发射效率很低 其次 无线电波在井下巷道这样一个特定的非自由空间传播 决定电磁波传播速 度的煤岩层介电常数 和磁导率变化很大 因而传播速度也不断发生变化 再次 由于巷道的粗糙表面以及不规则分布的物体 电磁波在传播过程中会频繁地发生 发射和折射 经过反射和折射的电磁波仍然要发生新的发射和折射 这种被称作 多径效应的现象是无线电波在矿井隧道传播中的一个特殊问题 由电磁理论知道 这种现象对电磁波的传播特性构成严重危害 在某个接收点 接收机不仅接收到 有用信号 同时也会接收到多个经过反射和折射形成的干扰信号 而这些干扰信 9 号本身与有用信号有着相干关系 这种相干特性严重地破坏了有用信号的传输相 位 频率和幅度特性 其结果是导致电磁波在矿井隧道中仅能自由传播数百米 致使接收点的有用信号十分微弱 通信非常困难 3 井下环境机电噪声干扰严重 由于高度机械化和自动化的采矿机电设备不断被采用 并下人为嗓声的强度 有增无减 并且在采矿设备的设计制造中 对它能产生强大噪声的这个问题几乎 从未被设计者考虑过 而在移动通信中 噪声是除损耗和衰减外影响通信质量的 又一重要因素 煤矿生产一般都是2 4 小时连续生产 机电设备配置量很大 功率 高 启动频繁 所产生的电气噪声频谱宽 电平高 加上有用信号十分微弱 导 致井下通信更加困难 如何解决噪声干扰问题 是井下移动通信需要解决的又一 技术难题 瞳2 1 2 3王庄煤矿井下无线通信系统 山西潞安矿务局年产量6 0 0 多万吨的王庄煤矿瞳阳井下安装的是目前国内应用 较广的k d l t v i 型井巷综合漏泄通信系统 下面对该系统进行介绍 图2 1 和图2 2 所示是一个典型的四信道k d l t v i 型综合漏泄通信系统口引 按 怠二门 品一厂分 c h i l 一竺 ll 彳j i x 2 r x 2 一 i l 合 成 l t x 3 l 双 一 iir 二王 二1 f 分 l 一艰芊u 显示终端 r i 7 一 鬈 l 一 l a v f g 靖门 l 地址码 地址码 广二 i 厂 发射机 厂 二一1 泄漏电缆 r 发射机 x 二 1 缒1 呱世引嗡卜掣矍纛墨 一 地址码厂j 地址码8 泄漏 惭盒l 羔 机 器多 m 器ik 臣蒜 图2 1四信道综合i i i 5 泄通信系统原理方框图 f i g 2 一lf o u rc h a n n e lg e n e r a ll e a kc o m m u n i c a t i o ns y s t e me l e m e n t sp a n ec h a r t l o c i t 4 图2 2四信道k d l t v i 综合漏泄通信系统的设备配置及分布 f i g 2 2f o u rc h a n n e lk d l t v ig e n e r a ll e a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sc o n f i g u r a t i o na n d d i s t r i b u t i o no fe q u i p m e n t k d l t v i 型是一个多信道 多功能 有无线自动交换 集话音通信与数据传 输 动态图像传输于一体的漏泄通信系统 系统工作频段为下行1 4 5 m h z 带宽 2 m h 上行1 6 5 m h z 带宽2 m h z 信道间隔为2 5 k h z 有良好的抗火花干扰能力 该系统中三个信道为话音通信信道 另一个信道作为数传信道 用于电机车 的跟踪显示 在三个话音信道中 l 信道实现井下与地面联网 并与有线电话互联 主要用于管理人员的调度指挥 2 信道和3 信道分别为独立的通话信道 既不与地 面联网 也不与有线电话连接 分别供运输和巷道检修部门内部调度联络使用 通常选用广播式通话方式 图2 1 中乃表示发射机 尼表示接收机 图中的基台电源及车台电源均未画 出 发射机合路器 接收机分路器 双工器及直流馈电器组成射频汇接器 由图2 1 可以看出 位于地面的基地台包含接收机和发射机两大部分 四个 基地台通过射频汇接器的汇合 再经漏泄电缆与井下信号传输系统相连 其中基 台1 的发射功率分两部分 一部分送至井下 另一部分经双工器后送地面天线 而其接收机的输入信号也由井下和地面两部分信号汇合而成 因此 信道1 成为 地面 井下联网信道 其他3 个信道经漏泄电缆与井下信号传输系统相连 井下信号传输设备由漏泄电缆 双向中继器 功率分配器 接线盒 负载盒 补偿电源构成 电缆术端接一匹配负载 以避免不希望的反射 中继器用来补偿 漏缆的纵向损耗 系统由设在机房内的基地站 巷道中铺设的无线电波传输通道及移动手机三 大部分组成 基地站设备由基地电台 汇接机 防爆电源三个设备通过联接电缆 组成 是该系统的心脏 主要功能是把带语音的无线电信号通过汇接机发出去 同时可以接收手机发来的无线电话语音信号 也可以把接收手机的无线电话语音 信号转发出去 实现手机与手机之间的通话 具有双工通话功能 汇接机主要功 能是实现无线电信号的汇接 防爆电源是把1 2 7 v 交流电变成1 2 v 直流电给通信 系统设备供电 它还具有防爆等安全功能 设备符合中国电信关于设备入网的 g b 4 9 4 3 9 0 g b 5 0 8 1 8 5 g b 7 6 11 8 7 g b 9 2 5 4 8 8 g b t 6 8 7 9 9 5 和g b t 1 3 5 4 3 9 2 的有关规定标准 井下设备安全性符合并下防爆标准g b 3 8 3 6 1 2 0 0 0 g b 3 8 3 6 2 2 0 0 0 g b 3 8 3 6 4 2 0 0 0 g b t 4 2 0 8 9 3 z b d 9 8 0 0 1 9 0 规定的基本要求 k d l t v i 型系统的缺点主