矿井无线通信系统的频率选择.pdf

第 4期 2 0 0 5年 8月 工 矿 自 动 化 I n du s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n NO ．4 Aug ．2 0 05 文章编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 5 0 4 0 0 3 8 0 3 矿井无线通信系统的频率选择 曹育红 广东技 术师 范学 院 ， 广 东 广州 5 1 0 6 6 5 摘要 在 研 究 了井下地质条件和 生产环境 对通信频率 的影响 因素基础上 ， 确定 了井下无 线通信传输 的较 佳频段 ， 并提 供 了井下蜂 窝通信基站 的布置 方案 。 关键 词 矿 井； 无线通信 ； 通信频 率 ； 基站 中图分类号 T D6 5 5； T N 9 2 文献标识 码 B 收稿 日期 2 0 0 5 0 1 1 8 作者简介 曹育红 1 9 6 7 一 ， 女 ， 吉林省长春市人， 1 9 9 2年毕业 于长春光学精密机械研究所研究生部 ， 工程师 ， 现从事计算机与网络 教学工作。 5 键盘 、 显示 和报警 模块 本 系统需要实现对装 置的一些 功能控 制 以及对 装置预设参数的在线修改等人机对话， 所以在系统 中通过 8 0 C1 9 6 KB的 i ／ o 口设 置 了 5个独 立 式按 键 结构的功能键 。显示部分采 用内含 HD 6 1 8 3 0控制 器 的液晶显示模块 ， 可实现 文本显示 或 图形 显示 ， 并 设 置运行和故障指示灯 以完成对 运行状态 和结果 的显 示及故障报警 ， 必要时可通过相关机构作用于跳闸。 4系统软件 设计 本 系 统 采 用 汇 编 语 言 进 行 程 序 设 计 ， 运 用 8 0 C1 9 6 KB的 3个软 件定 时器 完 成 交 流信 号 采 样 、 电压监视 、 故 障处理等功 能， 各功能程序 实现模 块 化 、 子程 序化 ， 既便于调试 、 链接 ， 又便于移植 、 修 改 。 主要功能程序模块有主程序、 软件定时器 0中断服 务程序、 软件定时器 1中断服务程序、 软件定时器 2 中断服务程序 。限于篇幅 ， 这里不再详述 。 5系统抗 干扰设计 系统的 抗 干扰性 能是 系统 可靠性 的重 要指 标 ， 因此抗干扰设 计是单 片机应 用系统不可忽视 的一个 重要内容， 本系统分别在硬件和软件方面采用了以 下抗干扰 措施 。 5 ． 1 硬 件 抗 干 扰 设 计 1 采用光电耦合隔离措施减小过程通道干扰； 2 将数字地 和模拟地 分开 以消除地 线干扰 ； 3 采用在开 关量输 出信 号线上 加装 磁环抑 制 暂态 过电压 ； 4 采 取屏蔽措施 以消除 电磁场 干扰 。 5 ． 2软 件 抗 干扰 设 计 1 设 置 指 令 冗 余 和 软 件 陷 阱 防 止 程 序 “ 乱 飞 ” ； 2 采用软 件 “ 看 门狗 ” 技 术 避 免程 序 陷入 “ 死 循环 ” 。 6 结 语 本 系统采 用单 片机 实现方式 ， 能够降低成本 ， 提 高装置的可靠性， 还具有操作、 调试简单 、 维护量小、 适 用范 围广 、 选线 准确 、 动作 速度 快 等特 点 ， 但 随着 应 用 的 日益 广泛和 现场 要求 的逐 步 提高 ， 其 功 能 尚 有 待进一步扩 充和 完善 。此外 ， 随着 配 电 系统 自动 化技术 的不断发展 和小 电流接地判据 理论与算法 的 深入研究， 相信将会有判据更合理 、 选线更准确 、 功 能更完备 的装置 出现 。 参考文献 [ 1 ] 杨奇逊． 微型机继电保护基础 [ M] ． 北京 水利 电力 出 版 社 ， 1 9 8 8 ． [ 2 ] 何立志． 小电 流接地 系 统单相 接地 选 线装 置 的研究 [ J ] 、 信息技术 ， 2 0 0 1 ， 6 ． 维普资讯 2 0 0 5年 第 4期 曹育红 矿 井无线通信 系统 的频率选择 3 9 Th e S e l e c t i o n o f Fr e q u e n c y Gr o u p s o f M i n e u s e d W i r e l e s s Co mm u n i c a t i o n S y s t e m CAO Yu h on g Gu a n g d o n g I ns t i t u t e o f Te c h n i c a l No r ma l ，Gu a n g z h o u 5 1 0 6 6 5 ，Ch i n a Ab s t r a c t On t h e b a s i s o f s t u dy o f t he e f f e c t i o n f a c t o r s f o r c o mmu n i c a t i o n f r e q u e n c i e s c a u s e d b y u n d e r g r o u n d g e o l o g y c on d i t i o n a n d p r o d u c t i o n c on d i t i o n，a r e l a t i v e l y g o o d f r e q u e n c y g r o u p o f wi r e l e s s c o mm u n i c a t i o n t r a n s mi s s i o n i n u n d e r g r o u n d wa s d e f i n e d．a n d t h e d i s t r i b u t i n g s c h e me o f b a s e s t a t i o n i n u n d e r gr o u n d c e l l u l a r c o mmu n i c a t i on wa s o f f e r e d ． Ke y wo r d s mi n e ，wi r e l e s s c o mmu n i c a t i on，c o mmu n i c a t i o n f r e q u e n c y，b a s e s t a t i o n 0 引言 煤炭是我 国 的 主要 能 源 ， 生产 安 全 至关 重 要 。 通信 系统是保证 煤炭 生产 安全 的重要 环 节 ， 同 时也 是保证 生产效率 的必要手段 。 大部分煤 炭 生产 是在地 下 矿井 中， 其环 境与 人 防 和铁 路隧道相 比复杂恶劣得多 ， 巷道 狭窄 ， 地 面粗 糙 ， 坎 坷 不 平 ， 四周 环 绕 着煤 和炭 石 ， 还有 支 架 、 风 门 、 钢 轨 、 动力 线 等 。在 这样 一 个 复 杂 的有 限 空 间 内 ， 无线 电波的传播 和 自由空问 大不一样 ， 因此要充 分考虑井下地质 和生产环境对 通信 系统 频率的影 响 因素 。 l 影响频率 的因素 与地面 相 比 ， 井下地 质 和生产 环境 对通 信频 率 影 响较 大的因素有 1 衰减与频 率的关系 。矿 井巷 道对 电波 的 自 由传播可 视为带 阻型 。在甚低 频段 、 低 频 、 中频 的低 端 ， 随频 率增 大 ； 衰减 增 大 ， 在 中频高端 、 高频 频段 ， 衰减达到 最大 ， 3 0 MHz电波 的衰减 最 大 ， 最 不 利于 传输 ； 进 入甚 高频后 ， 衰减 随频率 上升 而减小 。 2 衰减与 曲率 的关 系 。衰减随着 巷 道 曲率增 大而 增大 ， 如 9 0 0 MHz ， 对 于 同样 巷道 壁 、 截 面大小 一 样 的巷道 ， 平直 时 ， 传 输 距 离可 达 6 0 0 m 左右 ； 当 巷道 弯曲 9 O 。 时 ， 传输距 离 只有 3 0 0 m。又如 频率为 4 1 5 MHz 时 ， 直 线传输距 离可 以达 3 8 0 m， 而遇 到拐 角时 只能 达到 1 2 7 m， 可 见 有拐 角 的传 输 距 离一 定 小于直线 的传输距 离。 对于 平直 而不 受 阻挡 的巷道 而言 ， 表 1是部 分 频率在平直 巷道 中的损 失 ， 可见频 率越 高传输 衰减 越 小 ， 但 当频率升 高时 ， 电 波 的拐弯 能力 变差 ， 拐 角 处 的损耗增 大 ， 传 输距 离 减 小 。表 2是 部 分 频率在 有一个 拐弯处 的损耗 。不难 看 出拐角损耗 随着频率 的升 高而逐渐增 大 。 表 1 频率在平直巷道的损耗 d B 工作频率 l厂 MHz 4 0 0 0 3 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 4 1 5 2 0 0 1 0 0 L衍射 每 3 0 m L粗 射 单项损耗L倾斜 L传 播 天线插 入损耗 3 0 m 总损耗 1 5 0 r n总损耗 3 0 0 m 总损耗 4 5 0 In总损耗 6 0 0 r r l 总 损耗 表 2 有一个拐弯时的损耗 d B 工 作频 率 MHz 每个 拐 弯损失 1 5 0 m 总损 耗 L 3 0 0 I n总损 耗 L 4 5 0 m 总损 耗 L 6 0 0 m 总损耗 L 4 0 00 3 0 0 0 2 00 0 1 00 0 41 5 2 0 0 8 0． 2 7 7． 6 7 4．1 67 ． 6 57 ． 7 47 ．3 l 7 7 l 6 3 1 47 l 26 1 2 O l 8 7 2 05 1 8 4 1 6 2 1 38 1 5 2 30 6 2 3 2 2 0 5 1 7 7 1 48 1 8 4 43 0 25 9 2 26 1 92 1 6 1 21 6 55 1 3 衰减 与粗 糙 度 、 倾 斜 率 的关 系 。 当电波 在 巷道中传播 时 ， 由于巷道壁 的粗糙 与倾 斜 ， 将 引起 电 波损耗 。根据 有关文 献 的理 论 分析 和实 验可 知 ， 当 频率较低 时 ， 粗糙 所 引 起 的损 耗 较 大 ； 当频 率 较 高 时 ， 倾 斜所 引起 的损耗较 大 。 4 导体对无线传输 的影响。由于纵向导体的 导波作用 ， 当巷道 内存在动力 电缆、 通信电缆、 信号 O 0 够 M ∞ o 8 9 ∞ 2 ． ．4 ．O 7 4 1 8 9 2 O 9 5 l 4 9 4 1 O 1 0 O 4 7 3 8 ． O 2 ． ． 9 1 3 4 L “ ．。 的 8 4 0 9 4 3 5 5 3 ． 6 8 ． ． ． ． O 7 2 4 2 5 O O 6 3 3 6 9 1 l 2 1 l 3 5 8 9 2 3 4 ． 侣 加 叭 吣 3 6 9 8 2 1 6 9 ． 3 8 孢 鹪 儿 8 7 9 6 8 l O 9 1 ． 7 7 8 ∞ ％ M _。 娼 4 2 0 一 ∞ 卯 l三 “ 维普资讯 4 0 工 矿 自动 化 2 0 0 5年 8月 电缆 、 电机车架空线 、 铁轨 、 绞车钢丝绳 、 水管等纵 向 导体时 ， 矿井无线传输 的衰减将减小 ， 并 且纵 向导体 与巷道 的绝缘性 能越 好 ， 越 位 于巷道 中央 传输 衰减 越 小_ 3 ] 。在 中频 、 低频段纵 向导体 的导 波作用较 大 ， 中频段传输距离 可达 2 5 0 0 m， 随着 频率 的增 高 ， 纵 向导体 的作用 越来 越 小 。在 特高 频及 其 以上 频段 ， 纵 向导体 的作用可 以忽略不计 。 5 衰 减与 巷道 断 面 的关 系。根据 文 献 E I 的 理论分析和实验可知， 巷道断面大 比断面小对通信 更有 利 。 6 井下设备对无 线传输 的影 响。井 下设备较 多 、 较复杂 而且形 状不一致 ， 无论是理论 分析还是试 验验证都 较困难 。 目前 较一 致 的结 论 是 机 车对无 线传输 的不 利影响较 大 ； 木 制 风门对 无 线 传输 的不 利影响较小 ， 钢木混合风门对无线传输 的不利影响 较 大 ， 而钢制风 门可 以阻断无线传输 ； 临 时性风墙对 无 线传输 的不 利影 响小 ， 永 久性 风墙 对 无线 传输 的 不利影响大， 并且随着频率的增高损耗增大； 感应线 对低 频较为敏感 ， 当频 率低于 1 0 MHz时 ， 感应传输 距 离 比 自由传播 大很 多 ； 当频率 大于 1 0 0 MHz时 ， 两者 相差 已不显著 。 从 上面 的分析 可知 ， 在矿 井内 ， 对 无线传输有 利 的条件 是高传输频 率 ， 对 无线 传输 影 响较 小 的是 大 的巷道截 面积 、 巷 道 内的纵 向导体 ． 对无 线传输 不利 的条件是 巷 道 的拐 弯 、 分 支 、 金 属 或 混 凝 土 制 的风 门 、 风 墙 、 通 过的电机车等 。 通过 对 矿井无 线传 输特 点 的分析 可 以看 出， 特 低 频段 、 甚 低 频段 、 甚 高 频段 、 特 高 频段 衰 减 较小 。 如果选择特低频 段 和甚低 频 段 ， 则要 求 发射 机功 率 大 ， 天线 长度长 ， 会 给煤矿工人 的工作 和行走 带来 极 大 的不便 ， 很难满 足煤 矿 的实 际需 要 。在甚 高频 段 和特高频段， 频率越高， 衰减越小。应尽量选择甚高 频 和特高频频段 。 从前 人对井下工作 环境影响电磁 波传输 的研究 成 果 中可以看出 ， 1 0 0 0 MHz为矿 井无 线 传输 的较 佳频段 。但 考虑到元器件 的来源难易程 度和器件 的 价 格 ， 选 I S M 频段 8 6 8 ～9 1 5 MHz 较 合理 ， 这样 也 利 于与地 面移 动通信系统兼 容和利用现有 的技术成 果 。另一 个使 用 I S M 频 段 的原 因是 考 虑 到移动 设 备 的体 积 ， 使用该频 段 天线尺 寸 和设 备体 积 远小 于 用 高 、 中、 低频 的天线尺 寸和设备体积 。 2 井下蜂 窝通信 网基站布置 和复用频率 组的确定 井下 的工作 区域 是 由巷 道 相连组 成 ， 如尽 可能 在拐弯 和分叉 的中心处 设立 基 站 ， 这样 蜂 窝小 区 的 布 置是条状 的， 如图 1所示 。 ． ⋯ ． ． ． ． ． 一 ． ⋯ ． ⋯ ／ ⋯／ 图 1 将基站设在分叉和拐弯的中心 图 2表示 条 状 服务 区， A、 B、 C、 ⋯ K为 基 站 ， r n 为基站覆盖 区半 径 ； a为重叠 区宽度 。可以 看出 ， 当 移 动台处在覆 盖区边缘 X 点时 ， 遭受 邻 区干扰影 响 最 为严重 。X 点 的移动 台载 波／ 同频 干扰 比 c／ i可 计算 如下 二频组 A 和 C基站使用相 同频率 C／ I一 4 0 1 。 g d B 1 ， 0 三频组 A 和 D基站使 用相 同频率 C／ 一 4 0 l o g d B 2 ， 0 频组 A 和第 1 个基站 同频工 作 c ／ l一 4 0 1 。 g d B 3 图 2 条状服务区基站的频率组成 3 结 语 根据 C C I TT标 准 对 小 区制 规定 ， 要 求 小 区制 系统的载波／ 同频干 扰 比 C ／ I ≥1 8 d B ， 小 区的半径 R一4 0 0 i n ， 重 叠区宽度 a 一7 0 i n 。 由式 1 和式 2 计算二 频 组 和 三 频 组 的 C ／ 1分 别 为 2 6 ． 0 d B 和 1 6 ． 9 d B 。为 了符 合 C C I TT 的标 准 ， 应采 用 三 频 组 。 参考 文 献 [ 1 ] 孙继乎． 矿井无线传输通用截止频率 的研究[ J J ． 煤 矿 自动化 ， 1 9 9 8 ， 4 3 ～5 ． [ 2 ] Q V D a v i s ，D J R Ma r t i n ，R W Ha i n i n g ．Mi c r o wa v e R a d i o i n Mi n e s a n d Tu n n e l s r C] ．3 4 t h I E E E Ve h i c u l a r Te c h n ol o g y Co n f e r e n c e Re c o r d， Pi t t s b u r g h， Ma y， 1 9 8 431 ～ 3 6 ． [ 3 ] 孟维晓． 阵列天线 T DMA／ TDD系统 中动态资 源分 配 技术研究[ D1 ． 哈尔滨 哈尔滨工业大学， 2 0 0 0 ． 维普资讯