煤礦井下無線調制技術仿真及性能分析

王艷麗

（渭南師范學院 數學與信息科學學院，陜西 渭南 714000）

煤礦井下無線調制技術仿真及性能分析

王艷麗

（渭南師范學院 數學與信息科學學院，陜西 渭南 714000）

基于礦井巷道寬帶信道統計模型，研究在2.4 GHz和1.8 GHz頻段下直接序列擴頻碼分多址接入（DS-CDMA）、多載波直接序列擴頻碼分多址接入（MC-DS-CDMA）和正交頻分復用（OFDM）調制技術在礦井巷道中的參數選取，仿真對比各種調制技術對礦井巷道無線通信系統性能影響，解決無線通信多徑衰落等問題。實驗結果表明：傳輸距離在30 m以內時，DS-CDMA系統和MC-DS-CDMA系統表現出較好的性能。進行長距離通信時，OFDM系統整體性能平緩。

礦井通信；無線調制技術；MATLAB；誤碼率

建立高效、高產及安全礦井是當今礦業領域的發展主流，煤炭工業的健康可持續發展，離不開煤礦監控與通信。礦井通信的研究可以有效提高井下人員安全的可靠性，并在災害發生時開展有效施救，對保護生命安全和國家財產具有十分重要的意義。礦井環境非常復雜，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致電磁波發生多次反射，到達接收機端的信號為大量經過反射、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。多徑傳播將形成嚴重的碼間干擾（ISI），大大降低系統的性能。建立符合井下環境的信道模型并尋找適合井下通信的安全高效傳輸技術對煤礦井下高速數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，建立礦井信道統計模型；基于信道統計模型，分析不同調制技術的特點，進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制技術對煤礦井下無線通信系統性能的影響，為建立可靠的井下無線通信系統奠定基礎。

1 礦井巷道信道模型建立

實驗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。

采用矢量網絡分析儀對信號強度和相位在頻域內進行分析，結果如圖2所示。

從圖2中可以看出，井下無線信道傳播環境復雜，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，多徑效應使得傳輸信號發生頻率選擇性衰落，相位分布在沒有發生深度衰落的情況下呈線性，礦井的傳輸環境以及載波頻率對多徑幅度分布產生影響。

基于以上分析，多徑數目、多徑幅度、時延和相位都是影響信道模型建立的影響因素。為了能準確的體現礦井巷道的特征，采用泊松分布描述多徑到達時間[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信道模型來表示的礦井巷道信道統計模型，即

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

圖2 頻域內信號強度和相位圖Fig.2 The diagram of signal strength and phase in frequency domain

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

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

2 仿真參數的選取

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系統仿真參數的選取。

MC-DS-CDMA系統中，在設定的仿真參數下各子載波信號的持續時間遠大于礦井無線信道的最大時延擴展，保證了各子載波信號經歷的是平坦衰落。

OFDM系統參數：

表1 中心頻率為2.4 GHz的不同系統不同巷道仿真參數[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的不同系統不同巷道仿真參數[6-7]Tab.1 The simu lation parameters of different systems and tunnel in center frequency of 1.8 GHz

1）當通信頻段是2.4 GHz時

空直巷道中，保護間隔的長度選為礦井巷道均方根時延擴展的4倍，即80 ns×4=320 ns，符號周期為保護間隔的5倍，即320 ns×5=1 600 ns。假設采用BPSK調制，其調制信息的比特速率分別為10 Mb/s、20 Mb/s，則每個OFDM符號傳輸的比特數分別為 （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分別為16、32個。

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

2）當通信頻段是1.8 GHz時

空直巷道中，保護間隔的長度選為礦井巷道均方根時延擴展的4倍，即70 ns×4=280 ns；符號周期為保護間隔的5倍，即280 ns×5=1 400 ns。假設采用BPSK調制，其調制信息的比特速率分別為10 Mb/s、20 Mb/s，則每個OFDM符號傳輸的比特數分別為 （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分別為14、28個。

彎曲巷道中，保護間隔的長度選為礦井巷道均方根時延擴展的4倍，即20 ns×4=80 ns，符號周期為保護間隔的5倍，即80 ns×5=400 ns。假設BPSK調制信息的比特速率分別為10 Mb/s、20 Mb/s，則每個OFDM符號傳輸的比特數分別為（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分別為4、8個。

3 礦井巷道中幾種調制技術的誤碼率性能比較

在礦井巷道環境下，對DS-CDMA、MC-DS-CDMA和OFDM調制技術進行仿真比較。設定通信頻段分別為2.4GHz和1.8 GHz，傳輸速率限定為10 Mb/s，采用BPSK調制方式進行符號映射，移動臺移動速率為10 km/h。

實驗一：設定2.4 GHz中心頻率在空直巷道和彎曲巷道的均方根時延擴展分別為80 ns和30 ns。DS-CDMA系統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。設定MC-DS-CDMA系統的擴頻增益為32，子載波數為16，保證各子載波信號經歷的是平坦衰落。OFDM系統在空直巷道和彎曲巷道中的保護間隔長度分別選取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性能仿真結果。

圖3 2.4 GHz各通信系統性能比較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米以內時，DS-CDMA系統、MC-DS-CDMA系統在空直巷道中誤碼率達到了10-3數量級，在彎曲巷道中接近于10-2，近距離通信表現出較好的誤碼率性能。而隨著傳輸距離的不斷增加，DS-CDMA系統和MC-DS-CDMA系統的誤碼率性能不斷下降，但OFDM系統的誤碼率性能表現比較平緩。

實驗二：設定1.8 GHz中心頻率在空直巷道和彎曲巷道的均方根時延擴展分別為50 ns和20 ns。DS-CDMA系統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系統在空直巷道和彎曲巷道中的保護間隔長度分別選取200 ns和80 ns，符號周期分別選取1 000 ns和400 ns。其他參數設定和實驗一中相同。

圖4 1.8 GHz各通信系統性能比較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在空直巷道和彎曲巷道下的BER性能仿真結果。從圖4中可以看出，在通信距離較近的情況下，如25米以內，DS-CDMA系統和MC-DS-CDMA系統的誤碼率在空直巷道中可以達到10-4，在彎曲巷道中可以達到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系統始終表現出良好的誤碼性能。隨著通信距離的增加，OFDM系統表現出良好的誤碼性能。

實驗三：仿真比較各通信系統在2.4 GHz和1.8 GHz通信頻段的性能，結果由圖5和圖6給出。

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

從圖5、圖6中可以看出，在實驗所設定的通信速率下，均方根時延擴展比較小的1.8 GHz系統的誤碼率性能優于2.4 GHz系統的誤碼率性能。MC-DS-CDMA系統近距離通信時表現出較好的誤碼率性能。隨著傳輸距離的不斷增加，DSCDMA系統和MC-DS-CDMA系統的誤碼率性能不斷下降，但OFDM系統的誤碼率性能表現的比較平緩。主要原因是OFDM技術采用插入保護間隔和循環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的誤碼率性能比較Fig.6 BER performance comparison of the various communication systems in Curved roadway

4 結 論

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

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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目資助（2013JK1071）；渭南師范學院大學生創新創業訓練計劃項目（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、無線網絡技術。