超寬帶無線通信技術在礦井下的應用探析

邸鵬

西山煤電杜兒坪煤礦 山西 太原 030022

引言

礦井移動通信在保持礦井安全、生產效率、搶險救災等多個方面發揮至關重要的作用。但是，礦井下具有復雜的環境條件，呈現出一定的特殊性，在井下的無線電波傳播存在較大難度，僅僅能夠憑借有線才能實現礦井下移動通信，但是存在一定不足之處，需要人們不斷研究，探索礦井下移動通信技術，解決現有系統存在問題。

1 超寬帶無線通信技術

超寬帶無線通信技術和以往的通信技術相比，在傳送速率、應用范圍等對多個方面呈現出較大優勢，得到巨大突破。超寬帶無線通信技術主要體現在傳播介質方面，為短波脈沖信號，信號持續時間不長，但是占據帶寬頻率級別高，進而跨越式提升傳輸速率[1]。另外，超寬帶無線通信技術，借助納秒級極窄脈沖信號傳送數據，呈現出較高分辨率，實現高精度定位。

2 應用優勢

2.1 寬帶大、傳輸速率高

該技術制造成本較低，同時在制造中技術簡單，發送功率低，在無線通信系統中，具有較大空間容量；在頻域上，該技術跨越展現出較廣泛的范圍，確保在嘈雜環境下不會被檢測到，呈現出較高的安全性。同時，無線通信技術穿透力較高，在檢測、定位中被廣泛應用，提供的高速率無線通信數據傳輸速率能夠更加符合大容量多媒體流的傳送。

2.2 保密性高

該技術應用信息接收系統主要是利用跳時擴頻，在超寬帶無線通信系統的接收機發送端的脈沖序列，才能保證數據信號發出和接收中的安全保密性。該技術具有低功率的發射優點，在信息、數字化信息時代，難以在復雜環境中被檢測，進一步提升其安全保密性。

2.3 能耗低

超寬帶無線通信系統在通電之后，體現出耗電量低的優點，經過持續的發射載波，借助該技術的脈沖電波能夠有效符合相關目標需求，消耗較少電量，并且發射信號時，發射消耗功率較低，不會產生較高的噪聲干擾，同時和其他相關通信技術能夠相互融合[2]。

2.4 多徑分辨能力強

超寬帶無線通信技術時間分辨力較強，決定其具備多徑分辨率高的優勢，一般Ins脈沖的多徑分辨率為30cm，發送端頻率分集，接收端應用分集獲取的形式，超寬帶無線通信信號具有較高的抗衰弱能力，為定位、跟蹤導航等多個方面提供高精度基礎。

2.5 抗干擾和穿透能力強

超寬帶信號的窄脈沖特性促進該技術具備較強穿透性，在人群、木板、墻壁等相關障礙物中持續傳播，所以，針對非視距惡劣環境下的定位，具有良好的可行性。另外，超寬帶具有較寬的頻譜范圍，促進超寬帶無線通信信號發送端傳輸的過程中形成頻率分集，在傳播中對多種干擾因素呈現出較高的抵抗力，接收機能夠更加安全穩定的接收，但是，該信號受到強窄帶干擾的影響。

3 礦井下移動通信現狀

礦井調度員、電機車司機、工作人員之間主要依靠礦井下移動通信聯絡的主要措施，在礦井生產安全、搶險救災等多個方面發揮重要作用。無線移動通信系統是井下移動通信理想模式，在礦井下不同人員隨時隨地和通信對象保持及時暢通的聯系。礦井下環境獨特，對無線電波傳播產生較大影響，如漏泄和中頻感應通信等通過有線才能有效實現[3]。當前煤礦井下移動通信系統具有成本高、抗干擾能力差、攜帶不便、通信范圍小、通信不順暢等問題。

4 礦井下超寬帶無線通信技術的應用

4.1 礦井下通信中的應用

Chirp信號呈現出較好的自相關性、匹配濾波之后獨特的時域特性，Chirp信號超寬帶無線通信在WLAN中的運用被廣泛研究。增設Chirp信號帶寬B和減少時間寬度T，Chirp信號在高速超寬帶通信系統中有效應用。超寬帶無線通信技術迅速發展，在Chirp信號該通信系統中，當傳輸速率為每秒1100MB的情況下，在室內衰落信道中設計距離大約在20m，速率不斷降低的情況下，可以適當提高距離到150m或者之上，將其在礦井下應用，能夠有效提供多種不同場合的無線接入服務，主要包含短距離高速和遠距離低速通信兩種類型。

4.1.1 短距離高速通信。礦井下短距離高速數據的傳輸主要在實現井下視頻監測信號、機械設備故障監測、瓦斯突出情況下電磁輻射信號等多種信號的無線接入，所有信號需要較高的采樣頻率，同時主要針對移動地點和設備進行監測。如，礦井下煤層、巖層的離層視頻監測，在實際操作過程中需要將移動或者相對特定的視頻監測信息通過無線接入設備，通過礦井下綜合傳輸網絡，接入范圍能夠保持在幾米、幾十米內。當超寬帶無線通信系統應用的過程中，該系統結構簡單、低成本，在同樣距離和功率的情況下，傳輸速率和其他無線系統相比較高，當藍牙發射機在平均發射功率為1mW、速率保持每秒1Mb、工作距離保持10m的情況下，在高速數據傳輸中相對較勉強，但是3db帶寬為5.53GHz、超寬帶無線通信發射機發射功率為0.55mW，能夠提供接近每秒200Mb的數據速率、同樣覆蓋范圍，該種較小的發射功率針對礦井環境下的移動通信裝置而言，有效延長電池使用時間。

4.1.2 遠距離低速通信。礦井下遠距離低速數據無線傳送通常是指在大于100m的無線接入，一般用于礦井下移動電話、臨時地點、工況和環境參數等監測等。超寬帶無線通信技術和常規無線通信相同，提升發射功率，減小參數速率的過程中，能夠有效實現遠距離移動通信功能。礦井下不需要考量提高發射功率的過程中，對其他窄帶系統產生的干擾，同時降低傳輸速率依然能夠符合礦井下常規移動通信、數據傳送對速率、距離的實際需求。但是，相關人員需要更多關注發射功率增加的過程中，依然保證相關機械設備符合礦井下安全生產的標準規定。如，某公司生產的Flex礦井下漏泄通信系統中采用無線調制解調器在主傳輸系統中接入數據，數據速率控制在每秒9600b之內，井下無線接入距離最大為100m。超寬帶無線通信系統在同樣通信距離的情況下，提供幾兆、幾十兆波特率的無線接入速率，和現有系統相比呈現出顯著的使用性能優勢。

4.2 礦井下人員定位中的應用

基于超寬帶無線通信技術的礦井下人員定位系統主要包含井上服務器、監控主機、井下環網交換機、讀卡器和識別卡等，在礦井下應用能有效實時監測和查詢井下人員具體位置、分布情況和行駛線路等多個方面的信息，進一步保證礦井下工作人員安全。超寬帶無線通信定位是由多個傳感器采用TDOA（Time Difference of Arrival，到達時間差）和AOA定位算法對標簽位置進行分析，具有多徑分辨能力、精度高、定位精度可達厘米級等特點。

4.2.1 dw1000提供數據幀收發時記錄時間戳，這是能夠進行兩點間測距的基本條件，簡單來說，通過計算數據在空中飛行時間×光速=數據飛行距離，從而測出兩節點間的距離。

4.2.2 有了數據幀收發時間戳，那么就必須提供足夠高的時鐘精度，因為1ns的時間電磁波就傳輸了30cm，dw1000提供了LDE的微代碼，通過PLL使得時鐘達到了64G的頻率，當然，這個時鐘僅提供給LDE使用，使得dw1000具備了超高精度的時間戳，64G的時鐘可以使得dw1000時鐘分辨率為15.65ps。

4.2.3 在以上基礎上，可以實現兩點間測距的功能，那么如果需要實現定位呢，則需要一個終端分別和多個基站通信，分別得到終端與各個基站的距離，且，基站之間的位置與距離在部署前期通過測繪手段可以得到這些數據。從而得到了終端在這個定位系統中的位置，一般使用球面相交法，通過輸入終端基站的距離，計算出精確的位置信息。

4.2.4 TOF測距方式。TOF即time of flight飛行時間，直譯為飛行時間測距法。

這個方法最大的特點就是實現起來簡單，最大的缺點就是精度低，既然是高精度定位，那么使用這種方法就不太合適了。

以上測距方式理論上是說得過去的，但是其中存在幾個影響測距精度的因素：

4.2.4.1 當設備B在T2時刻收到POLL后需要等待一個固定的時間Tdelay然后在T3時刻發出RESPONSE數據包，那么，問題出現了，我們在此處講的Tdelay是一個絕對時間單位，比如3000us，但是A，B設備都有自己的時鐘源，并且要命的是時鐘源的存在自我偏差，俗稱PPM，比如：我們想Tdelay=3000us，但是由于時鐘源的偏差問題，導致真實時間過去了3000.5us，可是在設備A端進行計算的時候還是按照3000us的Tdelay進行計算，那么，因為時鐘源的偏差引入的0.5us的時間就被錯誤地當作數據飛行的時間了。這樣導致的結果就是，兩設備A,B的真實距離為1m，結果測試得到的距離為2.5m。

4.2.4.2 Tdelay必須要事先雙方約定好。不能有絲毫的差異，這對于設備B來說有些苛刻，因為有時候設備B可能在Tdelay時間內無法將數據從芯片取出分析然后將要返回的RESPONSE數據包送入芯片內，并讓芯片在T3時刻發送出去。出現這樣的情況將會導致測試失敗。

4.2.5 TW_TOF測距方式。基于上述TOF的缺陷，引入了TW_TOF這種測距方式，用于消除TOF的不良影響。

4.3 礦井輔助運輸裝備監測中應用

超寬帶定位系統精度測試應用4個基站加一個標簽方式，都應用DWM1000定位模塊，標簽借助USB連接ROS智能小車，設置基站是TWR算法的主動發射端，小車標簽成為被動接收端。基站A主要借助USB連接上位機，如筆記本電腦，測試環境為6×6（m）矩形環境，坐標系主要是人為定義坐標系，基于超寬帶定位系統的數據傳送，遵守相關協議，數據應用16進制方式傳送，上位機接收到串口數據之后需要針對原始數據實行進制轉換，如表1所示經過格式轉變后測試數據表。根據測試數據分析，在無干擾環境下，超寬帶定位系統的測距平均誤差、定位平均誤差都在10cm之內，和傳統定位系統相比有效提高定位精度，更加符合井下輔助運輸裝備的高精度定位需求。

表1 測試數據表

5 結束語

超寬帶無線通信技術在整個礦井下發揮至關重要的作用。本文主要針對其在礦井下通信、救援通信監測系統、人員定位、輔助運輸裝備監測中應用進行分析，提高礦井下生產安全和質效。