煤礦井下無線Mesh通信系統設計

魏正華， 葉小蘭

(1.長沙民政職業技術學院 電子信息工程學院， 湖南 長沙 410000；2.長沙環境保護職業技術學院 環境監測系， 湖南 長沙 410000)

0 引言

隨著無線通信技術和物聯網技術不斷進步，傳統的礦井監測系統向礦井感知系統方向發展。礦井感知系統具備實時監控井下工作人員安全、井下環境、礦用生產機電設備運行狀態的能力，而煤礦井下高速率數據傳輸的無線通信系統是實現礦井感知系統的關鍵，可為井下工作人員定位、災害預防、視頻監控、數字廣播救助和采礦設備運行異常檢修等提供寬帶數據保障[1-2]。

我國礦井無線通信主要有ZigBee、漏泄通信、甚低頻通信、WiFi[3]。ZigBee傳輸速率高，但抗干擾能力弱、傳輸距離短。漏泄通信傳輸質量高、頻帶寬、容量大，但容易受到饋線布線限制導致靈活性不夠，且線纜易被損壞。甚低頻通信信號穿透力強，但頻率太低易受工業電磁干擾，發射天線尺寸過大、設備運行功耗大和傳輸距離短限制了其應用。WiFi可實現高吞吐速率傳輸，且能通過AP中繼轉發技術延長通信距離，但AP中繼轉發4跳后，數據傳輸性能急劇下降。上述通信技術在煤礦井下特殊空間及多變工作環境下無法同時滿足高吞吐速率、遠距離傳輸、組網靈活、安裝部署簡單等需求。

近年來，無線Mesh技術在煤礦井下通信中的應用得到關注。無線Mesh網絡[4-8]的每個通信節點在網絡中地位平等，任意2節點間寬帶數據相互傳遞，具有部署快速和易于安裝、非視距傳輸、自愈能力強、魯棒性強、結構靈活、帶寬高等優點，并可與其他網絡協同通信，特別適合在煤礦井下臨時多變的移動場合使用。因此，本文設計了一種煤礦井下無線Mesh通信系統。

1 系統部署

實際的煤礦井下無線Mesh網絡節點部署較為復雜，為簡化網絡部署，給出單一巷道的無線Mesh網絡節點分布，如圖1所示。指揮中心通過工業以太網接入礦井巷道內臨近的任一Mesh網絡節點;在礦井巷道邊沿安裝固定無線Mesh網絡節點作為遠距離多跳數據轉發中繼點,任意2節點間盡可能直線部署，以降低信道傳輸損耗;確定整個網絡固定節點的個數時要考慮到盡量減少遠距離傳輸多跳次數、節點損壞網絡的自愈性、功耗等因素。移動Mesh網絡節點可安裝在礦車或工作人員身上，工作人員攜帶的移動Mesh網絡節點可加裝攝像頭和通話器,用于聯系指揮中心。

圖1 單一巷道的無線Mesh網絡節點分布Fig.1 Distribution of wireless Mesh network nodes in a single roadway

2 系統硬件設計

煤礦井下無線Mesh網絡節點硬件采用模塊化設計，由基帶板和射頻前端構成。基帶板主要實現數字波形生成、支持嵌入式系統管理信息交互、接收信號自動增益控制(Automatic Gain Control，AGC)功能；射頻前端主要實現將射頻發送信號強度放大到目標功率。

2.1 基帶板

基帶板包括基帶區、射頻區和接口區，如圖2所示。基帶區主要包括核心處理電路和AD9361軟件無線電模塊。核心處理電路中的處理器為Zynq-7045高端異構多核芯片，該芯片集成了ARM Cortex-A9和Kintex-7架構FPGA的雙核資源，具有高性能數字處理能力，其中ARM Cortex-A9為芯片的PS(Processing System)功能區，Kintex-7架構FPGA為芯片的PL(Programmable Logic)功能區。AD9361軟件無線電模塊為軟件可編程的2×2射頻收發器，收發頻率在0.07～6 GHz范圍內任意配置；工作模式為時分雙工(Time Division Duplex，TDD)，AD9361中的發送信道將Zynq-7045中的基帶正交調制(In-phase/Quadrature，I/Q)信號調制到載波上，AD9361中的接收信道將接收到的射頻信號解調為基帶I/Q信號并送入Zynq-7045中處理。

射頻區的射頻收發信道鏈路與AD9361連接，工作方式為TDD。當射頻區處在發射狀態時，發射鏈路對射頻信號進行放大濾波處理，由于AD9361內部數字衰減器可編程控制，合理設計射頻區發送鏈路上放大器增益，確保經過射頻開關后的射頻輸出信號最大平均功率達到20 dBm；當射頻區處在接收狀態時，射頻區接收鏈路與AD9361(內部接收配置為增益控制模式)協同工作,對接收的小信號實現AGC。AD9361內部增益控制如圖3所示，射頻區接收鏈路上的AGC關系如圖4所示。AGC主要目的是在接收弱信號時增加射頻鏈路的接收增益，當接收信號過大時自動降低增益，確保進入模數轉換器的無線接收信號強度相對穩定。網絡節點射頻接收的主要性能指標是接收靈敏度，假設基帶數字解調最小信噪比為7 dB，信號帶寬為8 MHz，整機接收鏈路噪聲系數為4 dB，根據式(1)和式(2)，計算得到接收靈敏度為-94 dBm。

圖2 基帶板結構Fig.2 Baseband board structure

P=ρ′+10lgB/Hz+F+SNR

(1)

(2)

式中:P為接收靈敏度；ρ′為室溫下的熱噪聲功率密度，ρ′=-174 dBm/Hz；B為信號帶寬；F為噪聲系數；SNR為最小的信號解調信噪比；Fi為接收信道上第i(i=1,2,…,n,n為級數)級的噪聲系數;Gi為第i(i=1,2,…,n-1)級的增益[9-12]。

2.2 射頻前端

煤礦井下的水平巷道、傾斜巷道和彎曲巷道造成無線信號傳輸衰減[13-14]，由文獻[15]中煤礦井下Mesh通信系統各載波頻點在水平巷道、傾斜巷道、彎曲巷道的實測信號衰減數據可知：在距離巷道500 m左右，1 440 MHz頻點無線信號的最大衰減為80 dB。分析上述數據，本文設計的煤礦井下無線Mesh網絡節點如選用1 440 MHz為無線信號載波頻點，經過80 dB衰減后射頻前端的接收信號強度大于接收靈敏度，因此,本文選37 dBm作為發射輸出的平均功率指標，以確保網絡節點在500 m距離內進行高吞吐速率的數字通信。

(a) AD9361內部增益與接收信號強度關系

(b) AD9361內部ADC的輸入信號與接收信號強度關系

圖4 基帶射頻區接收鏈路上的AGC關系Fig.4 AGC relationship on the receiving link of the baseband RF area

由于基帶的射頻鏈路最大平均輸出功率只有20 dBm，本文設計的射頻前端主要作用是對峰均比(Peak-to-Average Ratio，PAR)為7 dB的已調射頻發送信號進行線性功率放大，使射頻信號平均發送功率達到37 dBm。射頻前端的組成如圖5所示。

圖5 射頻前端組成Fig.5 RF front-end composition

射頻前端的工作模式為TDD。當基帶板給出發送控制信號時，射頻開關1切換到發送鏈路，射頻開關2切換到50 Ω電阻作為環形器的匹配電阻，基帶板輸出的最大射頻信號從前端射頻接口進入，經過衰減器小幅度衰減后，再經過功率放大器(Power Amplifier，PA)放大到目標功率，最后進入環形器和低通濾波器，由天線輻射到外部空間中。發送鏈路中的衰減器是由3個電阻構成的π型結構衰減器，調試時根據PA實際的增益值，配置合適的衰減值，調節整個發送鏈路的增益。通過低通濾波器濾除射頻信號經過PA功率放大生成的諧波信號。進行PA設計時，要注意PA的線性增益要大于17 dB才能使發射信號經過低通濾波器濾除諧波后的功率達到37 dBm。經過基帶調制的射頻信號有7 dB的PAR，因此,PA的輸出1 dB壓縮點(P1dB)至少要達到45 dBm,否則射頻信號失真，接收端無法解調已失真信號，從而降低網絡節點的數據吞吐速率。

當基帶板給出接收控制信號時，天線接收的無線信號經過低通濾波器和環形器，環形器將射頻信號送入到射頻開關2，射頻開關2切換到與射頻開關1連接的射頻微帶線上，最后射頻開關1將信號送入射頻接口并輸出到基帶板內。射頻前端的接收鏈路未處理射頻接收信號，由于射頻接收信號經過低通濾波器、環形器、射頻開關1、射頻開關2及微帶線會產生插入損耗，惡化接收靈敏度指標，實際應用中要盡可能選擇插入損耗小的相關器件。

3 系統軟件設計

煤礦井下無線Mesh網絡節點軟件架構如圖6所示。主控模塊、組網模塊和Linux嵌入式操作系統軟件運行在Zynq-7045內核用戶層；接口控制、網絡協議和波形狀態控制程序運行在Zynq-7045硬件平臺中的PS和PL功能區，底層的物理層信號處理包括組幀/解幀、編譯碼、調制/解調、信道估計和均衡。本文采用編碼正交頻分復用(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing，COFDM)調制方式處理底層數字波形信號，星座圖調制為BPSK/QPSK/16QAM/64QAM自適應調整，可根據丟包率自動調整調制方式，從而改變速率以確保數據吞吐速率的穩定性。

圖6 軟件架構Fig.6 Software architecture

軟件采用模塊化和分層設計，主要分為主控模塊處理、數據發送、數據接收流程，如圖7所示。

(a) 主控模塊處理流程

(b) 數據發送流程

(c) 數據接收流程

4 系統測試

射頻前端實物如圖8所示。PTT為TDD工作模式下的收發控制端口；RF為基帶板與射頻前端連接的射頻口；ANT為天線接口。

使用連續波和20 MHz的LTE信號作為射頻前端的輸入信號用于測試射頻前端的輸出性能(20 MHz LTE信號是PAR為8 dB的寬帶數字信號，能夠驗證本文設計射頻前端對高PAR信號的輸出能力),射頻前端發射鏈路測試數據見表1。由表1可知，射頻前端發射增益大于17 dB，通過調整AD9361的發射平均輸出功率可確保系統節點平均輸出功率為37 dBm；采用LTE信號驗證射頻前端發射的鄰信道功率比小于-43 dBc，表明PA具有良好的線性度。

圖8 射頻前端實物Fig.8 RF front-end objects

測試顯示接收鏈路的插入損耗<1.8 dB，對接收靈敏度惡化較小，收發切換時間<1 μs，滿足高吞吐速率下對于射頻前端的快速收發需求。

無線Mesh通信系統網絡節點實物如圖9所示。按照圖1中A、B、C、D、E位置部署5個Mesh網絡節點，其余節點處于關閉狀態，進行多跳通信實驗。通過節點IP地址Ping數據包方式測試煤礦井下入口位置A點與煤礦井下工作面E點間數據吞吐速率和通話質量，測試中相鄰節點間距離不超過500 m，節點所在巷道總長不超過2 000 m。

表1 射頻前端發射鏈路測試數據Table 1 RF front-end emission link test data

圖9 無線Mesh通信系統網絡節點實物Fig.9 Wireless Mesh communication system network node in kind

為衡量通話效果，采用1～5等級表征通話質量，其中5表示通話質量最佳，1表示通話質量最差。由于煤礦井下不同時間段工況不同，導致通信效果不同，選擇9點、10點、15點、16點4個時間點分別測試A,E節點之間的吞吐速率和通話效果，結果如圖10和圖11所示。

從圖10和圖11可看出，在不同時間下，A、E節點之間數據平均吞吐速率都不小于45 Mbit/s，滿足煤礦井下監控視頻傳輸不卡頓的需求；通話質量等級≥3，在大部分工作時段內通話比較清晰。

圖10 平均吞吐速率Fig.10 Average throughput rate

圖11 通話質量Fig.11 Quality of call

5 結語

設計了一種煤礦井下無線Mesh通信系統，介紹了該系統網絡節點在煤礦井下的部署及軟硬件設計方案。測試結果表明：① 當射頻前端發射增益>17 dB時，調整AD9361的發射平均輸出功率可使系統平均輸出功率為37 dBm；② 射頻前端發射的鄰信道功率比<-43 dBc，表明PA具有良好的線性度；③ 射頻前端接收鏈路插入損耗<1.8 dB，收發切換時間小于1 μs；④ 平均吞吐速率≥45 Mbit/s；⑤ 通話質量等級≥3。