采煤工作面无线传感器网络的无线通信信道建模

1、采煤工作面无线传感器网络的无线通信信道建模*    摘要:采煤工作面无线传感器网络有助于采煤工作面环境监测与采矿设备的自动化控制,而无线通信是影响采煤工作面无线传感器网络工作性能的关键因素。本文首先提出采煤工作面无线传感器网络系统结构图。其次分析采煤工作面煤岩层结构、机器噪声等因素对井下无线通信损耗的影响,建立了采煤工作面的无线通信信道模型。最后对模型进行仿真分析,并与实测数据相比较,结果表明,所建立的无线通信信道模型与实测数据有较好的匹配,为构建采煤工作面无线传感器网络奠定了基础。关键词:无线传感器网络;采煤工作面;无线通信;机器噪声;信道模型采煤工作

2、面是一个各种灾害容易聚集的地方,这给矿工在采煤工作面作业时带来困难和危险,因此,实现无人的自动和智能化采矿是地下采矿的最终目标。以煤矿井下无线传感器网络为代表的地下无线传感器网络受到越来越多的关注,在采空区、采煤工作面等安全关键地带,由于其自然条件非常恶劣,布线不能随时进行,监测监控难度大,利用无线传感器网络可以实现煤矿采煤、掘进工作面、采空区瓦斯以及人员定位等无线接入检测和灾变后对环境监测系统的快速重构,提高了煤矿安全监控系统在灾变条件下的残存性,而合理的通信信道模型是构建无线传感器网络的基础。目前已经对煤矿井下巷道中的短距离无线通信理论开展了研究1-4,但综合考虑信号衰减、机器噪声的煤矿井

3、下无线通信信道模型还没有建立,本文根据采煤工作面的状况和无线通信特点,提出采煤工作面无线传感器网络无线通信信道模型,为构建采煤工作面无线传感器网络以及实现无人开采奠定基础5-7。1采煤工作面无线传感器网络采煤工作面是采煤机械主要工作的场所,采煤工作面示意图如图1所示。主要的采矿装备有采煤机、刮板输送机液压支架。1-采煤机2-刮板输送机3-液压支架4-煤层5-顺槽如果在采煤工作面两端的顺槽处和采矿机群上部署一定数量的无线传感器节点和执行器节点,传感器节点收集采煤工作面的环境和采矿装备信息,以实时采煤工作面的环境信息和定位采煤机的位置,进而控制液压支架和刮板输送机上的执行器节点,控制液压支架和刮板

4、输送机的动作,完成采矿机群的自主控制,实现无人的自动化和智能化开采。采煤工作面无线传感器网络系统如图2所示。建立采煤工作面无线传感器网络最基础、最困难的就是其无线通信信道建模。采煤工作面的特殊构造决定了其无线通信有别于巷道,具有以下的特点:采煤空间是时变的,因此会对无线通信带来周期或非周期的变化;其空间充斥着采煤设备,一是对电磁波的传播路径造成阻挡,电磁波传播损耗大;二是由于采煤设备的运行,产生较大的机械噪声,从而对无线通信造成干扰。以下对采煤工作面的无线通信信道进行分析,以期提出适合其特点的无线通信信道模型。2无线通信信道模型的建立根据无线通信频率对煤矿井下电磁波传输特性的研究, 900MH

5、z作为井下移动通信的最佳工作频率8,由于采煤工作面通信距离较短,且电磁波损耗较巷道较大,因此相对巷道而言,采煤工作面可选择采用超高频(ultra high frequency,UHF)段即9003 000MHz频段作为采煤工作面无线传感器网络的通信频率。目前,已有利用波导模式理论或几何光学法建立了煤矿井下巷道电磁波的传播模型4,但是由于波导模式理论分析的是稳态场,只适用于当电磁波传播距离较远,已经形成了波导特性的远场区,文献9考虑液压支架的周期放置,建立了周期加载的非理想矩形波导近似模型,但是,在距离较近的近场区,高次模较多,因此,我们认为在传播距离较短的采煤工作面使用波导模式理论是不太合适的

6、。考虑采煤工作面时变特性和采煤设备对通信干扰的特点,本文提出采用考虑了介质吸收的路径损耗无线传播模型作为采煤工作面无线通信信道模型。2. 1采煤工作面通信损耗分析在采煤工作面无线通信信道的衰落损耗模型中,通信损耗主要表现为路径损耗和附加损耗两大方面。2. 1. 1路径损耗模型在煤矿井下的无线通信中,自由空间中路径损耗同样也存在于井下通信,自由空间中路径损耗是通信损耗的主要方面,其大小为10:L0=32.45+20lg(d)+20lg(f) (1)式中,d表示发送/接收之间的距离,m,f是电磁波频率,MHz。式(1)说明路径损耗主要受通信距离和频率的影响,随着通信距离的增大,路径损耗越来越大,路

7、径损耗是影响通信的主要因素。2. 1. 2附加损耗模型根据采煤工作面特点,将巷道壁粗糙和倾斜因素作为影响无线通信的介质吸收因素,再考虑液压支架和刮板输送机对电磁波传播造成的损耗,从而可建立无线通信模型中的附加损耗模型。(1)巷道壁粗糙影响由巷道壁粗糙引起的衰减损耗11Lrc=4.3432h21a4+1b4d (2)式中,h表示粗糙度均方根值,采煤工作面巷道壁粗糙均方值取值为0.1 cm,a为工作面宽度, b为工作面高度,d表示发送/接收之间的距离,表示在频率f下的波长。式(2)说明巷道壁粗糙度引起的损耗也存在于采煤工作面。(2)巷道壁倾斜影响由巷道壁倾斜引起的衰减损耗11Ltc=4.34322

8、d(3)式中,表示倾斜角均方根值,d表示发送/接收之间的距离,表示在频率f下的波长。式(3)说明巷道壁倾斜引起的损耗也存在于采煤工作面。(3)液压支架和刮板输送机影响液压支架和刮板输送机作为金属导体,对无线通信会造成干扰,从而会使无线通信造成损耗。液压支架的支柱可以看着是金属导体,当无线通信的天线设备靠近金属时,由于电磁感应作用,金属液压支架内部会产生涡流,同时吸收射频能量转换成自身的电场能,因此减弱了原有场强的总能量。同时涡流也会产生自身的感应磁场,该场的磁力线垂直于液压支架,且方向与原场强相反,这种感应磁场对原磁场产生了阻碍,也会对原有电磁波产生一定的影响12。刮板输送机被视为采煤工作面的

9、纵向导体,由于纵向导体有导波作用,当巷道中存在刮板输送机这样的导体时,对电磁波的传播是有利的。但随着频率的增加,纵向导体的导波作用越来越小,在特高频以上频段的作用可以忽略不计13。由于采煤工作面采用UHF频段,因此刮板输送机的影响忽略不计,本文将其作为一个极小量考虑。将液压支架和刮板输送机对电磁波传播造成的损耗表示为Lh,将其作为一个未知量考虑入通信模型中。因此,采煤工作面总的通信损耗表示为:Lf=L0+Lrc+Ltc+Lh=32.45+20lg(d)+20lg(f)+4.3432h21a4+1b4d+4.34322d+Lh(4)由于Lh难以从理论上推导得出,从式(4)可以看出,如果能求出Lf

10、,L0,Lrc,Ltc,则可求出液压支架和刮板输送机对电磁波传播造成的损耗Lh。2.2接收功率计算在考虑损耗影响后的接收端的功率为Pr=Pt+Gr+Gt-Lf(5)式中,Gt,Gr分别表示发送和接收天线增益,Pt表示发射功率,Lf为信道总损耗。2.3通信模型仿真分析采煤工作面通信路径损耗建模过程分如下三个步骤。步骤1首先给出未考虑Lh时的接受功率分布图,将实测接受功率和未考虑Lh时的接受功率对比;步骤2将对比所得差值作为Lh值,可得Lh分布图。将Lh拟合,可得到逼近Lh的公式;步骤3将Lh加入所建立的模型公式,得出总的损耗公式和衰耗图。本文将900 MHz作为煤矿井下无线通信的最佳工作频率,其

11、实际测得功率也是在该频率下得到的,因此f=900MHz。由于采煤工作面长度并不是很长,且受无线通信半径实际影响,本文取通信距离d=100 m。倾斜角均方根值=0.55,粗糙度均方根值h=0.1 cm。若假设发送和接收天线为全向天线增益,均为Gr=Gt=8.5 dB,发射功率Pt为10 dBm。由于Lh的理论模型难以推导得出,因此,在仿真中先不考虑Lh。未考虑Lh时的接收功率与实际测得的接收功率14对比如图3所示。从图3可知,在同等通信距离下,未考虑采煤设备对无线通信影响下接收端的接收功率比实际接收功率要大,这是由于实际接收功率受到了其他损耗的影响,也就是采煤设备造成的损耗Lh。因此,我们认为采

12、煤设备影响信道特性的模型是合理的。可知未考虑Lh时的接受功率比实际接收功率较大,因此Lh影响存在。将所建立的模型中接收功率减去实际接收功率,可得损耗Lh,如图4所示,由图4可得Lh的损耗值。采用二次拟合Lh,得到Lh的函数表达式为Lh=0.005d2+0.009d+23.68(6)式中,d表示发送/接收之间的距离。从图4可以看出,随着通信距离的增大,Lh越来越大,并且变化率越来越大,也就是说明随着通信距离的增大,液压支架和刮板输送机对电磁波传播造成的损耗率越来越大。考虑Lh,可得到最后的通信损耗模型为Lf=L0+Ltc+Lrc+0.005d2+0.009d+23.68(7)则根据已知的参数和式

13、(7),可得最终的通信损耗变化趋势图,如图5所示。从图5可以看出,最终的通信损耗随通信距离增大而增大,但总体变化比较平稳。实际损耗的斜率线为采煤工作面无线通信信道功率衰减系数,由图5可得143 dB-60 dB100 m=73 dB/100 m3机械噪声对信噪比的影响3.1理论分析在煤矿井下无线通信中,机械噪声也是影响无线通信质量的重要因素,机械噪声会对无线通信带来一定的功率干扰,这种干扰主要表现为对接收功率的扰动,从而影响信噪比的变化。在采煤工作面中,其主要机器噪声源来自于是刮板输送机和采煤机工作时所带来的噪声。采煤机在割煤过程中机器噪声源不固定,采煤机的机器噪声数学模型为15:Pc=10l

14、gPn21d2+kc(8)式中,P为采煤机的消耗功率,kW;n1为采煤机电动机的转速,r/min;d为测点到采煤机的距离,m;kc为采煤机常数,为810 dB,本文取其平均值为9。刮板输送机的噪声源一般固定,是由刮板输送机机头驱动产生的,也就是由于传动齿轮箱产生噪声。将刮板输送机视为一个点声源,则刮板输送机产生的机械噪声为16:P(r)=P(d0)-20lg(d/d0) (9)式中,d0为噪声声源与已知参照点的距离,P(d0)为d0处声级,P(d)为预测点(距离声源为d)的声级。实际测得在距离为1m处的刮板输送机噪声水平在90106 dB(A)之间17,在本文中取其平均值为96 dB(A),则

15、可知d0 =1 m处的刮板输送机噪声为96 dB(A)。则总的机械噪声为PN=Pc+P(d) (10)假设发送端到接收端之间的距离为d,在接受端的信噪比定义为18SN=S-PL(d)-N (11)式中,S表示信号功率,PL(d)表示路径损耗,N表示噪声功率。根据式(11),将式中路径损耗改变为考虑了其他损耗的衰减损耗,使建模更为精确。考虑总的机械噪声和衰减损耗的影响,两个节点通信接收端之间的信噪比可表示为SNR=Pt-Lf-PN(12)式中,Pt表示发射功率,Lf为信道总损耗。3.2仿真分析根据得到的最终的通信损耗变化趋势图,可得两个节点通信信噪比变化趋势图,如图6所示。从图6可以看出,两个节

16、点通信信噪比总体上随距离增大而增大,但当通信距离d在020 m时,两个节点通信信噪比达到最大,在通信距离d大于20 m后,两个节点通信信噪比总体上随距离增大而减小。这是因为距离越远,越远离声源,接受信号更弱,且变化比噪声更快的原因。4结论本文基于无线传感器网络在采煤工作面的应用背景,建立了采煤工作面无线通信信道模型,该模型综合了介质吸收造成的路径损耗和附加损耗,重点考虑了采煤设备对无线通信的影响,并分析了采煤机和刮板输送机产生的机器噪声对信噪比的影响,得出了如下结论:(1)采煤工作面设备的存在对无线通信造成一定的损耗;(2)采煤工作面设备工作产生的机械噪声引起信噪比的变化。由于电磁波在传播路径

17、中受到障碍物(如大型机电设备,液压支架)的阻挡,在障碍物的后面就会产生电磁场的阴影,移动节点在通过这些阴影区时,会产生阴影衰落,同时,将信噪比定义中的噪声考虑为机械噪声,得出机械噪声对信噪比的影响提出了理论模型,并给出了仿真实验,在接下来要进行物理性实验进一步验证。参考文献:1胡圣波.煤矿井下无线传感网络通信关键技术的研究J.工矿自动化, 2008(3): 1-4.2 HongDang Zheng, Zhao Xu, YuHuo. Research on Characteristics of the Loss ofUHF Propagation in RectangularTunnelsC /

18、W ireless Communications Networking and Mobile ComputingW iCOM 4th InternationalConference: WICOM, 2008. 1-4.3李晶.井下巷道超高频无线电波传播及定位算法的研究D.天津:精密仪器与光电子工程学院, 2006.4张跃平,张文梅,郑国莘,等.预测隧道中传播损耗的混合模型J.电子学报, 2001, 29(9): 1283-1286.5孙彦景,钱建生,武金磊,等.基于WSN地下无人采煤安全监测系统的研究 J.传感技术学报, 2007, 20 (11 ): 2517-2521.6董齐芬,冯远静,俞立.基于移动信标节点的无线传感器网络定位算法研究J.传感技术学报, 2008, 21(5): 823-827.7杨秀萍,刘嵩岩.基于无线传感器网络的移动机器人定位导航系统J.电子器件, 2007, 30(6): 2265-2268.8孙继平,李继生,雷淑英.煤矿井下无线通信传输信号最佳频率选择J.辽宁工程技术大学学报, 2005, 24(3): 378-380.9张跃平,张文梅,盛剑桓,等. UHF无线电波在长壁工作面中传播特性的研究J.煤炭学报, 2000, 25(4): 416-419.10 LiL,i MehmetC Vuran, Ian FAkyil