基于MIMO-OFDM的無線通信系統(tǒng)在煤炭礦井中的應(yīng)用

梅 蓉，張友能

(1.安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣與電子工程系， 安徽淮南 232007； 2.廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電技術(shù)學(xué)院， 廣東廣州 510300)

0 引言

21世紀(jì)以來，我國的能源需求量在與日俱增，雖然清潔高效的太陽能、水能與風(fēng)能等已經(jīng)走進(jìn)了我們的日常生活，但是煤炭能源仍然是工業(yè)界的命脈，甚至一個國家煤炭資源的開采量可以間接地衡量一個國家工業(yè)發(fā)展的水平.在國內(nèi)除了平朔等大型露天煤礦，大多數(shù)的煤炭開采主要以礦井的形式存在，而且多數(shù)分布于地下數(shù)十千米.隨著煤炭的開采，礦井下的礦道錯綜復(fù)雜，礦道內(nèi)會積聚大量的粉塵和水汽，甚至易燃易爆的氣體，這些都極易導(dǎo)致煤礦的爆炸事故的發(fā)生.為了保證煤礦開采的安全性，需要通過礦井通信系統(tǒng)對井下的生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行24 h監(jiān)督，同時一套高性能的通信系統(tǒng)可以保證開采作業(yè)中的實時通信，可以極大的提高煤炭開采效率，甚至在礦難發(fā)生時，可以為井下救援工作提供良好的保障[1-2].

由于煤炭礦井位于地下數(shù)十千米的深度，而且礦道蜿蜒曲折，分叉較多，同時礦道內(nèi)堆積著風(fēng)機(jī)設(shè)備，鉆井設(shè)備，大型電機(jī)設(shè)備，緊急救援設(shè)備等，導(dǎo)致地下礦井的空間狹小.早期的通信系統(tǒng)都是靠部署有線設(shè)備進(jìn)行，顯然在這樣的環(huán)境中，有線通信系統(tǒng)部署難度大，而且后期的維護(hù)成本較高.隨著近年來無線通信技術(shù)的發(fā)展，煤炭礦井迫切需要一套完整的無線通信系統(tǒng)，目前已有不少無線通信系統(tǒng)正在開發(fā)或者已經(jīng)投入礦井的使用中，但是煤炭礦井因為環(huán)境的特殊性也會產(chǎn)生無線通信中意想不到的問題，比如由于礦井中粗糙的巖壁，大量的粉塵和水汽等，會使電磁波信號在傳播過程中發(fā)生嚴(yán)重的反射、散射、衍射和折射等現(xiàn)象，進(jìn)而形成多徑效應(yīng).而多徑效應(yīng)會產(chǎn)生多普勒頻移和時延擴(kuò)展等使無線電波產(chǎn)生嚴(yán)重的失真，造成解碼端誤碼率上升等多徑衰落現(xiàn)象，嚴(yán)重影響礦井下的無線通信質(zhì)量.為此，本文從理論的角度分析了煤炭礦井的環(huán)境特殊性和無線信道特殊性，結(jié)合無線通信領(lǐng)域先進(jìn)的多輸入多輸出技術(shù)(Multiple Input Multiple Output，MIMO)和正交頻分復(fù)用技術(shù)(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)，設(shè)計了基于MIMO+OFDM技術(shù)的礦井無線通信系統(tǒng)，實驗證明我們的系統(tǒng)具有抗多徑衰落的功能，可以結(jié)合實際案例，投入到真實的生產(chǎn)環(huán)境中.

1 礦井通信環(huán)境分析

煤炭礦井下的環(huán)境惡劣，礦道整體傾斜，在狹小的空間中存在著許許多多的分支和彎道.礦道整體依靠金屬液壓桿支撐，其中分布著各種大型機(jī)械和動力電纜.在煤炭開采過程中，礦道中還存在著密度較大的粉塵和易燃易爆氣體等[3].

(1)地下的煤炭礦道并非一路筆直，實際情況是這樣的，煤炭礦道會隨著煤炭開采過程不斷掘進(jìn)，礦道走向也錯綜復(fù)雜，若采用有線設(shè)備進(jìn)行通信，顯然部署難度較大，而且對后期的維護(hù)工作也不太友好.同時在礦井中的通信屬于移動環(huán)境下的通信，使用無線設(shè)備剛好滿足了這一需求，大大方便了煤礦工人的井下協(xié)同作業(yè).礦井下的通信方式也由早期的有線通信向無線通信逐步演進(jìn).

(2)由于煤炭礦井大多數(shù)位于地下數(shù)十千米深的地方，礦井深度越大，礦道的挖掘難度越高，因此，絕大部分的煤礦礦道空間狹小，這就要求位于其中的通信設(shè)施和通信天線的體積不能占據(jù)太大的空間.

(3)礦井中存在大量的重型機(jī)械和電機(jī)設(shè)備，這些設(shè)備的運作往往單一地依靠電能，在其工作過程中會產(chǎn)生嚴(yán)重的噪聲干擾和較強(qiáng)的電磁場，對通信質(zhì)量有較大的影響.

(4)由于通信所產(chǎn)生的電磁波會被煤炭礦井在開采過程中產(chǎn)生的大量煤炭粉塵和水汽所吸收，被凹凸不平的礦道巖壁和障礙物反射或折射，致使通信電磁波能量衰減，傳輸損耗增大，破壞了其原本的傳輸特性，導(dǎo)致多徑衰落等現(xiàn)象.

2 礦井無線通信信道特征

(1)礦井下的通信存在嚴(yán)重的傳輸損耗，這是由于礦井下特殊的通信環(huán)境所造成.當(dāng)通信電磁波在地下礦井中傳播時，一方面會被空氣中密度較大的煤炭粉塵和水汽所吸收，另一方面會被凹凸不平的礦道巖壁和障礙物反射，從而造成嚴(yán)重的傳輸損耗.

(2)礦井下的無線通信會產(chǎn)生嚴(yán)重的多徑衰落現(xiàn)象.這是由于電磁波信號在礦道中傳播的時候，會受到各種物體的反射、衍射、折射和散射等.最終到達(dá)通信接收端的時候，存在多條不同相位，甚至不同時差的電磁波信號，這些電磁波在合成時，同相位的電磁波正向疊加，不同相位的電磁波互相抵消，最終產(chǎn)生嚴(yán)重的多徑衰落現(xiàn)象[4].

(3)礦井下的無線通信信道存在嚴(yán)重的噪聲干擾.電能是煤炭開采的主要動力，礦井下的挖掘鉆頭，風(fēng)機(jī)，礦井機(jī)車等主要設(shè)備都是靠電能驅(qū)動，并且集中在狹小的礦道中，會產(chǎn)生相互疊加的電磁輻射和電磁噪聲，這將會對無線信道產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，甚至?xí)闺姶判盘柈a(chǎn)生嚴(yán)重的亂碼和丟包[5].

3 礦井無線通信多徑衰落分析

多徑衰落對礦井下無線通信質(zhì)量影響較大，該部分從理論的角度，分析用于描述多徑衰落的主要參數(shù)[6-8].

3.1 多普勒頻移

多普勒效應(yīng)(Doppler effect)是由于波源發(fā)出者和波源接收者之間產(chǎn)生相對運動，而造成接收者接收到的頻率與發(fā)出者發(fā)出的頻率之間的有偏差的現(xiàn)象[9-10].而這個偏差也被稱為多普勒頻移或多普勒頻展，表示為：

(1)

其中，v代表移動速度，λ代表電磁波的波長，θ代表電磁波與接收方移動方向的夾角，即多普勒頻移受夾角θ的影響，當(dāng)θ等于0的時候，f擁有最大值fm，該值被稱為最大多普勒頻移[11].如公式(2)所示，最大多普勒頻移的倒數(shù)被定義為相干時間，相干時間T可以反映無線信道衰落的快慢，相干時間越長，表示信道的變化越慢；相干時間越小，表示信道的變化越快.

(2)

3.2 時延擴(kuò)展

圖1 多徑效應(yīng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of multipath effect

電磁波信號在進(jìn)行多徑傳播時，由于各條路徑的長度不同，即使是同一個發(fā)射源發(fā)出電磁波信號，接收端收到各條路徑的電磁波信號的時間也是有差異的，我們將最后一個到達(dá)的時延信號(最大傳輸時延)和第一個到達(dá)的時延信號(最小傳輸時延)的差值定義為時延擴(kuò)展，該時延擴(kuò)展的指標(biāo)是衡量多徑信道衰減的重要指標(biāo)，當(dāng)時延擴(kuò)展大于當(dāng)前電磁波的碼元寬度時，將會影響其左右碼元(一個碼元的波形將會疊加到其左右碼元中)，造成碼間串?dāng)_的現(xiàn)象[12-13].

由于信號發(fā)射源發(fā)出的電磁波信號經(jīng)過不同路徑達(dá)到接收端，因此接收端捕獲到的電磁波信號較初始信號增強(qiáng)或衰弱，這種現(xiàn)象叫做多徑效應(yīng)，如圖1所示[14].當(dāng)電磁波信號經(jīng)過多徑信道傳播后，所有傳播信號都有不同程度的衰落，并且在傳播過程中沒有直射路徑，此時接收端的信號強(qiáng)度服從瑞利分布，其分布的概率密度函數(shù)可以表示為：

(3)

其中r代表瑞利分布的隨機(jī)變量值，σ2代表包絡(luò)解調(diào)之前的平均功率.當(dāng)電磁波信號經(jīng)過多徑信道傳播后，如果某條信道中存在直射路徑或者信號較強(qiáng)的路徑，此時接收端的信號強(qiáng)度服從萊斯分布，其分布的概率密度函數(shù)可以表示為：

(4)

其中A代表直射路徑或者較強(qiáng)信道的幅度峰值，I0代表0階第一類貝塞爾函數(shù).通常將A2(代表反射的功率)和2σ2(代表散射的功率)的比值定義為萊斯因子K，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下所示：

(5)

當(dāng)A趨于0時，此時K也趨近于0，接收端信號強(qiáng)度的分布也有萊斯分布轉(zhuǎn)換為瑞利分布；當(dāng)K趨近于無窮大時，表示信道不受任何衰落的影響，這也是我們所希望的理想情況.

4 MIMO-OFDM無線通信系統(tǒng)架構(gòu)

4.1 正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)

圖2 OFDM系統(tǒng)模型圖Fig.2 OFDM system model diagram

OFDM是一種應(yīng)用非常廣泛的多載波調(diào)制技術(shù).其基本原理是在信號的傳播過程中，將高速數(shù)據(jù)流拆解為多條低速的子數(shù)據(jù)流，同時在每個信道上均使用子載波技術(shù)進(jìn)行調(diào)制，允許子載波可以重疊一半并且相互正交，保證各條子流可以高效并行傳播[15].這樣的設(shè)計一方面可以巧妙地利用多信道傳播時，單個符號周期的增加，進(jìn)而減少時延擴(kuò)展帶來的時間彌散的影響.另一方面可以在傳播信號中的各個符號之間插入間隔保護(hù)，有效地解決多徑傳播中的符號間相互干擾的問題，同時可以采用循環(huán)前綴作為間隔保護(hù)，進(jìn)一步解決信道間相互干擾的問題.

OFDM的系統(tǒng)模型如圖2所示，信號發(fā)射端首先將電磁信號的比特流經(jīng)過特殊的信道編碼和調(diào)制，將高速串行的數(shù)據(jù)流經(jīng)過串行和并行變換模塊，變換為若干個信道分路，這些信道分路再次經(jīng)過IFFT(Inverse Fast Fourier Transform，快速傅里葉逆變換)模塊，將頻域的離散信號變成時域的離散信號,同時在傳播信號的特定發(fā)射符號之前加入循環(huán)前綴，避免多徑效應(yīng)造成的碼間干擾問題.這樣經(jīng)過特殊調(diào)制的信號經(jīng)過無線信道的傳播，最終達(dá)到接收端后，按照調(diào)制的逆過程進(jìn)行解調(diào)，即可得到原始的發(fā)射信號[16].

4.2 多輸入多輸出技術(shù)(MIMO)

MIMO相比于單輸入單輸出技術(shù)，MIMO在發(fā)射端和接收端都采用多跟天線進(jìn)行發(fā)射和接收，同時采用時空信號處理技術(shù)，充分利用了多徑信道的復(fù)用和分集技術(shù)，建立了多路并行的傳播信道，大大提升了無線通信的質(zhì)量和效率[17-18].

圖3 MIMO系統(tǒng)模型圖Fig.3 MIMO system model diagram

MIMO的系統(tǒng)模型如圖3所示，在發(fā)送端和接收端都采用多跟天線，信號發(fā)射端將產(chǎn)生的比特流經(jīng)過MIMO編碼器轉(zhuǎn)換為多條子數(shù)據(jù)流，這些子數(shù)據(jù)流經(jīng)過特殊的分配策略，被分配到不同的發(fā)射天線并發(fā)射出去.在接收端，多個接收天線將接收到的信號進(jìn)行疊加，并通過MIMO解碼器進(jìn)行解碼，最終得到原始的發(fā)射信號.

4.3 MIMO-OFDM系統(tǒng)架構(gòu)

通過前面的分析，MIMO技術(shù)和OFDM技術(shù)都可以提高帶寬效率，減少徑衰落的問題.MIMO技術(shù)通過在發(fā)射端和接收端增加收發(fā)天線，充分利用了無線信道的多徑傳播特性，在空間上產(chǎn)生了多條獨立且并行的傳輸通路，增加了無線信道的容量，大大提高了無線通信的質(zhì)量和效率.OFDM技術(shù)則將高速數(shù)據(jù)流信道拆解為多個平坦的衰落信道，大大減少了多徑衰落對通信質(zhì)量的消極影響.為此，本研究將MIMO技術(shù)和OFDM技術(shù)相結(jié)合，建立MOMO-OFDM系統(tǒng)模型，解決礦井中無線信道的多徑衰落問題[19-20].

基于MIMO-OFDM技術(shù)的無線通信系統(tǒng)如圖4所示，在信號的發(fā)射源產(chǎn)生的比特流數(shù)據(jù)，經(jīng)過Turbo編碼器，交織模塊，QAM調(diào)制模塊以及空時編碼模塊，轉(zhuǎn)換為多條信道路徑輸出.同時每條信道路徑經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換模塊，快速傅里葉逆變換模塊將頻域的離散信號變成時域的離散信號，最后為了避免碼間干擾問題，在特定的發(fā)射符號之間加入間隔保護(hù)的循環(huán)前綴，并通過制定的發(fā)射天線將該條路徑的調(diào)制信號發(fā)射出去，不同路徑的調(diào)制信號由相應(yīng)的發(fā)射天線發(fā)射.發(fā)射端發(fā)出的多條信號經(jīng)過無線衰落信道后，由接收端的各條天線接收，對各條信號逐一進(jìn)行去循環(huán)前綴與快速傅里葉逆變換等，將時域的離散信號變成頻域的離散信號，并通過QAM解調(diào)，接交織等模塊將各條信道的無線信號進(jìn)行疊加，最終得到發(fā)射端的發(fā)射信號.

圖4 基于MIMO-OFDM的無線通信系統(tǒng)架構(gòu)Fig.4 Wireless communication system architecture based on MIMO-OFDM

5 仿真結(jié)果與分析

通過前述對煤炭礦井的通信環(huán)境和無線信道的分析，可知多徑衰落現(xiàn)象是影響礦井無線通信質(zhì)量的關(guān)鍵因素，多徑衰落現(xiàn)象增加了無線信號的誤碼率，大大降低了通信的準(zhǔn)確性和可靠性.而瑞利模型可以描述由于障礙物阻隔或者信號傳播中產(chǎn)生反射，折射等現(xiàn)象造成的多徑衰落信道.為此，本研究采用瑞利信道多徑衰落模型模擬煤炭礦井下復(fù)雜的無線信道，并采用MIMO-OFDM技術(shù)解決該場景下的多徑衰落問題.

本研究采用MATLAB軟件進(jìn)行仿真模擬實驗，按照圖4的系統(tǒng)架構(gòu)，采用QAM調(diào)制解調(diào)方式和正交的空時編解碼，同時設(shè)定信道的多徑數(shù)目為4，分別測試發(fā)送端和接收端天線數(shù)目為1，2，3時的無線通信系統(tǒng)的誤碼率.如圖5所示，在發(fā)射和接收天線數(shù)目一致的多徑通信信道中，隨著收發(fā)天線數(shù)目的增加，MIMO+OFDM的無線通信系統(tǒng)的誤碼率逐漸降底，意味著多徑衰落現(xiàn)象逐步降低，無線通信質(zhì)量越高，同時證明了本研究基于MIMO+OFDM技術(shù)的無線通信系統(tǒng)具有抗多徑衰落的功能.

接下來，本研究采取上述實驗設(shè)定的參數(shù)，將發(fā)射天線和接收天線的數(shù)目設(shè)定為2，分別測試無線多徑信道數(shù)目分別在2，4，6情況下，MIMO+OFDM無線通信系統(tǒng)的誤碼率.由圖6所示，在發(fā)射天線和接收天線數(shù)目均為2的情況下，隨著多徑信道的數(shù)目增多，MIMO+OFDM的無線通信系統(tǒng)的誤碼率逐漸降低，證明了我們基于MIMO+OFDM技術(shù)的無線通信系統(tǒng)具有抗多徑衰落的功能.

圖5 不同收發(fā)天線數(shù)目下的信號誤碼率Fig.5 Signal error rate under differentnumbers of transmitting and receiving antennas圖6 不同多徑信道數(shù)目下的信號誤碼率Fig.6 Signal error rate under differentnumber of multipath channels