基于ＵＷＢ無線通信技術(shù)在礦井中的應(yīng)用研究

摘要:介紹了我國煤炭開采中數(shù)據(jù)通信的現(xiàn)狀和UWB的發(fā)展，闡明了脈沖產(chǎn)生方法及工作原理。詳細(xì)分析了UWB抗多徑#65380;低功耗#65380;強(qiáng)穿透力和高集成化等特點。結(jié)合煤礦井下的實際情況，提出了超寬帶是一種適合煤礦井下且具有很大發(fā)展前景的無線通信技術(shù)。

關(guān)鍵詞:超寬帶;脈沖;多徑

中圖分類號:TN925.93文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1001－3695(2008)02－0600－03

煤炭是一種重要的能源，在我國能源結(jié)構(gòu)中約占70%，但其開采困難且危險系數(shù)高，因此重大事故頻頻發(fā)生。解決安全生產(chǎn)及災(zāi)后救援是人們需要研究的主要課題。目前，為避免事故發(fā)生采用的方法是在井下安置各種高可靠性的監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)中的一項重要指標(biāo)是數(shù)據(jù)的可靠傳輸。監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信主要有有線和無線兩種，目前我國煤礦井下通信基本上是用有線裝置，依靠電纜傳輸信息。由于井下采煤作業(yè)的實際環(huán)境所限，地面潮濕#65380;電纜腐蝕嚴(yán)重#65380;平時信號不好，一旦發(fā)生事故通信馬上中斷。國內(nèi)外現(xiàn)正在研究井下無線通信并付諸實施。其中，礦井監(jiān)控系統(tǒng)的無線通信主要形式有動力線載波通信#65380;漏泄無線通信#65380;中頻無線通信和感應(yīng)通信等。但上述幾種井下移動通信系統(tǒng)存在的問題較多#65380;抗干擾性能不好#65380;背景噪聲大#65380;對使用環(huán)境的適應(yīng)性很差。超寬帶具有抗多徑#65380;低功耗#65380;強(qiáng)穿透力等特點，更適合煤礦礦井特殊條件下的通信。

1UWB的發(fā)展及主要特點

UWB是有意輻射源輻射頻譜的10 dB帶寬，其上邊界定義為 fH，下邊界定義為 fL，大于等于500 MHz或分?jǐn)?shù)帶寬2[(fH-fL)/(fH+fL)]大于等于0.2的有意輻射源[1]。這是目前學(xué)術(shù)界和企業(yè)界均較為認(rèn)可的定義。

1.1UWB的發(fā)展背景

過去UWB無線技術(shù)一直被應(yīng)用于軍事雷達(dá)，在商業(yè)通信中的應(yīng)用研究則剛剛開始。美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)于2002年4月通過了一項認(rèn)可:UWB可以用于民用的最終決定，作為室內(nèi)通信用途。FCC已將3.1~10.6 GHz頻段向商業(yè)UWB通信開放。IEEE802委員會已將UWB作為無線個域網(wǎng)(WPAN)的基礎(chǔ)技術(shù)來研究討論。實際上， UWB除了在高速數(shù)據(jù)WPAN中的應(yīng)用之外， 還在無線以太網(wǎng)接口#65380;智能無線局域網(wǎng)#65380;室外對等網(wǎng)#65380;近距離精確定位#65380;雷達(dá)跟蹤#65380;傳感#65380;識別等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。UWB 技術(shù)解決了困擾人們多年的有關(guān)傳輸方面的重大難題， 開發(fā)了一個具有千兆赫茲和高空間容量的新型無線信道， 尤其適用于室內(nèi)等密集多徑場合。

1.2UWB脈沖信號

UWB是通過發(fā)送瞬間尖波形電波，即脈沖電波來進(jìn)行通信。這些脈沖的寬度控制在1 nm以下，在很短的時間內(nèi)將代表數(shù)據(jù)的脈沖發(fā)射出去，這樣就可以實現(xiàn)高達(dá)數(shù)百兆的傳輸速率。

產(chǎn)生脈沖源的方法有兩種:a)光電方法。基本原理是利用光導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)通瞬間的陡峭上升沿獲得脈沖信號。由激光脈沖信號激發(fā)得到的脈沖寬度可達(dá)到皮秒(10-12)量級，是最有發(fā)展前景的一種方法。b)電子方法。基本原理是對半導(dǎo)體PN結(jié)反向加電，使其達(dá)到雪崩狀態(tài)，并在導(dǎo)通的瞬間，取陡峭的上升沿作為脈沖信號。整形后獲得極短脈沖是目前應(yīng)用最廣泛的方案，但受晶體管耐壓特性的限制，這種方法一般只能產(chǎn)生幾十到上百伏的脈沖，脈沖寬度可以達(dá)到1 ns以下。

UWB脈沖有多種，其中較為典型的是高斯單周期脈沖，其時域#65380;頻域公式表示為

其中:A為脈沖幅度;τ為時間延遲長度;t為時間;f為頻率。由公式可知中心頻率f0=1/τ;半功率帶寬Wb=f0×116%。這樣可得到脈沖寬度為0.5 ns的單周期脈沖。其中心頻率為2 GHz，半功率帶寬約為2 GHz。

UWB的主要信號形式可分為傳統(tǒng)的基帶窄脈沖形式和調(diào)制載波形式。后者是2002年FCC規(guī)定了UWB通信的頻譜使用范圍和功率限制后產(chǎn)生的，也是目前UWB高速無線通信采用較多的一種，而采用基帶窄脈沖的UWB技術(shù)則多用于探測#65380;透視#65380;成像，以及低速#65380;低功耗#65380;低成本通信等領(lǐng)域。

1.3UWB主要指標(biāo)

頻率范圍:3.1~10.6 GHz;系統(tǒng)功耗:1~4 mW;

脈沖寬度:0.2~1.5 ns，重復(fù)周期:25 ns ~1 ms;

發(fā)射功率:<-41.3 dBm/MHz;

數(shù)據(jù)速率:幾十~幾百Mbps;

分解多路徑時延:≤1 ns;多徑衰落:≤5 dB;

系統(tǒng)容量:大大高于3G系統(tǒng);空間容量:1 000 kB/m2

1.4UWB信號的特點

1)高分辨率#65380;抗多徑UWB脈沖信號由于其極高的頻率和極低的占空比而具有很高的分辨率， 不同路徑的分辨率可降到ns量級， 對信道多徑衰落不敏感， 特別適合使用在室內(nèi)等多徑密集的場合，具有優(yōu)良的抗多徑性能。UWB的定位十分精確，能探測隱蔽目標(biāo)，精度小于幾厘米。

2)抗干擾性能強(qiáng)UWB采用跳時擴(kuò)頻信號，系統(tǒng)具有較大的處理增益，在發(fā)射時將微弱的無線電脈沖信號分散在寬闊的頻帶中，輸出功率甚至低于普通設(shè)備產(chǎn)生的噪聲。接收時將信號能量還原出來，在解擴(kuò)過程中產(chǎn)生擴(kuò)頻增益。與IEEE 80211a#65380;IEEE 80211b和藍(lán)牙相比，在同等碼速條件下，UWB具有更強(qiáng)的抗干擾性。

3)傳輸速率高UWB的數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到幾十~幾百Mbps，有望高于藍(lán)牙100倍，也可以高于IEEE 80211a和IEEE 80211b[2，3]。

4)帶寬極寬UWB使用的帶寬在1 GHz以上，高達(dá)幾個GHz。超寬帶系統(tǒng)容量大，并且可以與目前的窄帶通信系統(tǒng)同時工作而互不干擾。這在頻率資源日益緊張的今天，開辟了一種新的時域無線電資源。

5)消耗電能小通常情況下，無線通信系統(tǒng)在通信時需要連續(xù)發(fā)射載波，因此要消耗一定電能。UWB不使用載波，只是發(fā)出瞬間脈沖電波，也就是直接按0和1發(fā)送出去，并且在需要時才發(fā)送脈沖電波，所以消耗電能小。

6)保密性好UWB保密性表現(xiàn)在兩方面:一方面是采用跳時擴(kuò)頻，接收機(jī)只有已知發(fā)送端擴(kuò)頻碼時才能解出發(fā)射數(shù)據(jù);另一方面是系統(tǒng)的發(fā)射功率譜密度極低，用傳統(tǒng)的接收機(jī)無法接收。

7)發(fā)送功率非常小UWB系統(tǒng)發(fā)射功率非常小，通信設(shè)備可以用小于1 mW的發(fā)射功率就能實現(xiàn)通信。低發(fā)射功率大大延長了系統(tǒng)電源工作時間。況且，發(fā)射功率小，其電磁波輻射對人體的影響也會很小。

2UWB在煤礦井下中的應(yīng)用

2.1UWB收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)分為基帶部分和射頻部分，因為沒有復(fù)雜的射頻#65380;中頻變換，UWB收發(fā)機(jī)模擬信號處理可以簡化。發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送的信號由數(shù)字信號處理器完成復(fù)雜的編碼#65380;交織處理，數(shù)字信號通過D/A轉(zhuǎn)換后脈沖成形#65380;放大，然后發(fā)射。接收的脈沖信號通過天線匹配#65380;濾波#65380;放大后直接作 A/D轉(zhuǎn)換，將復(fù)雜的解調(diào)#65380;匹配濾波#65380;分集接收#65380;信道估計#65380;均衡等基帶處理交給數(shù)字信號處理器處理。整個系統(tǒng)通過幾個芯片就能完成。當(dāng)然，UWB系統(tǒng)的設(shè)計也面臨一些挑戰(zhàn)，如 UWB系統(tǒng)所用的超寬帶天線#65380;超窄脈沖的生成#65380;低能量窄脈沖的檢測#65380; A/D和D/A變換的精度及速度#65380;脈沖接收精確定時等，都需進(jìn)一步研究。

2.2UWB在礦井中應(yīng)用的優(yōu)勢分析

礦井巷道是屬于密集多徑場所，井下含有可燃易爆氣體等，這要求在設(shè)計井下通信系統(tǒng)時必須考慮。結(jié)合UWB的特點，對其在礦井中應(yīng)用的主要優(yōu)勢有如下幾點:

a)抗多徑性能，適于信號在井下巷道中傳播。多徑衰落是無線通信的一大障礙，傳統(tǒng)的無線技術(shù)容易受到建筑物內(nèi)部和周圍多徑的干擾，使得無線傳輸特性變差，難以對有多徑干擾的位置進(jìn)行精確跟蹤，在建筑物擁擠的環(huán)境中很難分辨目標(biāo)。UWB信號由于其極高的頻率和極低的占空比而具有很高的分辨率，不同路徑的分辨率可降到ns量級，對信道多徑衰落不敏感。實驗表明對常規(guī)無線信號多徑衰落深達(dá)10～30 dB的多徑環(huán)境，對UWB信號的衰落不超過5 dB[4]，具有優(yōu)良的抗多徑性能。煤礦井下巷道屬于密集多徑場合，因此UWB無線通信較其他線無線通信更適合于此。

b)系統(tǒng)低功耗，有利于本質(zhì)安全設(shè)計。煤礦井下巷道中含有瓦斯，屬于易燃易爆氣體，所以要求井下使用電氣必須是本質(zhì)安全型。現(xiàn)有電臺耗電一般為幾百mW~幾十W，功率較大，不利于安全生產(chǎn)。UWB系統(tǒng)不使用載波，且信號占空比很低(低達(dá)0.5%)，在高速通信時系統(tǒng)的耗電量僅為幾百μW~幾十mW，消耗電量僅為現(xiàn)有電臺的1/10~1/100。UWB的低功耗不但有利于系統(tǒng)長時間工作，更易于實現(xiàn)適合煤礦井下的本質(zhì)安全設(shè)計。

c)強(qiáng)穿透力，可用于災(zāi)后救援。采用基帶窄脈沖形式的UWB信號，與利用正弦載波攜帶信息的一般無線通信信號在空中的衰減特性不同。天線發(fā)射的正弦電磁波是一種球面波，在自由空間中的衰減與距離的平方成反比，在室內(nèi)多徑信道條件下，衰減與距離的3~4次方成反比[5]。而具有適當(dāng)波形的UWB瞬態(tài)脈沖具有較強(qiáng)的定向性，其衰減與距離成反比或更小。因此，在相同功率下，采用基帶窄脈沖形式的UWB信號可比一般的調(diào)制載波信號傳輸更遠(yuǎn)的距離。另外，基帶窄脈沖中含有較多的低頻分量，所以在煤礦井下巷道傳播時可順利地穿過墻壁等一般的障礙物，為UWB技術(shù)在井下出現(xiàn)塌方等災(zāi)后救援提供了便利。

d)加大發(fā)射功率，可增加傳播距離。UWB 技術(shù)在地面應(yīng)用時，因發(fā)射功率受到FCC的限制，最大傳輸距離約10 m。但將UWB 技術(shù)應(yīng)用在井下時，可以不受FCC的限制，這樣通過提高發(fā)射功率或降低傳輸速率可以增大傳輸距離。圖2是針對無載波2PAM UWB通信系統(tǒng)(誤碼率Pe = 10.6 )，采用一階高斯波形(取脈沖寬度為0.33 ns)作為系統(tǒng)的發(fā)射信息載體，改變發(fā)射功率，得到的數(shù)據(jù)速率與傳輸距離之間的仿真曲線。可以看到，發(fā)射功率提高后，傳輸距離得到增加，當(dāng)發(fā)射功率由0.3增加到3.8 mW時，在20 Mbps下，傳輸距離可以由32增加到110 m。根據(jù)UWB技術(shù)的這一特點，將它應(yīng)用于煤礦井下，由于井下傳輸數(shù)據(jù)量不大，可以降低傳輸速率以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離多種場合的無線接入服務(wù)。

e)維修簡單#65380;成本低廉，有利于推廣普及。使用UWB技術(shù)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)在制造#65380;運行和維護(hù)方面相對其他系統(tǒng)而言比較簡單。UWB產(chǎn)品不再需要復(fù)雜的射頻轉(zhuǎn)換電路和調(diào)制電路。它只需要一種數(shù)字方式來產(chǎn)生脈沖，并對脈沖進(jìn)行數(shù)字調(diào)制，而這些電路均可以被集成到一個芯片上。一個IEEE 802.11a網(wǎng)絡(luò)接入卡(NIC)售價大概是150~200美元，這樣的價格很難被個人客戶所接受。低成本的系統(tǒng)開發(fā)更容易在中小煤礦普及。

3結(jié)束語

2001年9月初發(fā)布的國家“十五”“863”計劃通信技術(shù)主題研究項目中，將超寬帶無線通信關(guān)鍵技術(shù)及其共存與兼容技術(shù)作為無線通信共性技術(shù)與創(chuàng)新技術(shù)的研究內(nèi)容，但是國內(nèi)目前關(guān)于UWB技術(shù)的深入研究僅限于雷達(dá)方面，關(guān)于UWB通信系統(tǒng)的研究還沒有形成規(guī)模。如何將UWB技術(shù)的突出優(yōu)點與各行業(yè)結(jié)合起來，發(fā)揮其巨大技術(shù)和市場潛力，是擺在我國研究者面前的一個重要課題。

本文通過介紹我國煤炭開采中數(shù)據(jù)通信的現(xiàn)狀，論述了UWB發(fā)展#65380;脈沖產(chǎn)生方法及工作原理等，并對其抗多徑#65380;低功耗#65380;強(qiáng)穿透力和高集成化特點進(jìn)行了分析，提出了UWB是一種適合煤礦井下無線通信#65380;具有很大發(fā)展前景的技術(shù)。隨著UWB技術(shù)的不斷成熟，該項技術(shù)在井下的應(yīng)用將徹底改變井下無線通信的現(xiàn)狀。

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