基于镜像法的矿井隧道电磁波多径信道模型.pdf

第 4 3卷 第 4期 2 O 1 7年 4月 工矿 自 动化 I n du s t r y a nd M i ne Au t oma t i o n l ， ． 3 NO ． 4 AP r ． 2 0 1 7 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 0 4 0 0 4 6 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 7 ． 0 4 ． 0 1 1 姚善化． 基于镜像法的矿井隧道电磁波多径信道模型E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 O 1 7 ， 4 3 4 4 6 4 9 ． 基于镜像法的矿井隧道电磁波多径信道模型 捌 b 善 化 安 徽 理工 大学 电气 与 信息 工程 学 院 ，安徽 淮 南 2 3 2 0 0 1 摘 要 针 对矿 井隧道 复杂 的 电磁 波传 播环 境 ， 利 用镜像 法建 立 了矿 井 隧道 电磁 波 多径 信 道模 型 ， 给 出了 三 维 空间 的锯 齿 螺旋射 线 总传播 路 径 长度和 入射 角、 反 射 角的计 算方 法 ， 以及 总的接 收功 率和传 输损 耗 的表 达 式 。仿 真 结果表 明 ， 靠近 发射 天线 的 电磁 波场 强衰 减较 大 ， 呈现 快 衰落现 象 ， 所 建模 型 能 准确预 测 隧道 中 电磁 波场 强分布 。 关 键词 矿 井 隧道 ；电磁 波 ；多径信 道模 型 ； 镜像 法 ；场强 分布 中图分 类号 T D6 5 5 文 献标 志码 A 网络 出 版时 间 2 0 1 7 0 3 2 8 1 7 2 3 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 O 1 7 0 3 2 8 ． 1 7 2 3 ． 0 1 1 ． h t ml El e c t r o ma g ne t i c wa v e mu l t i pa t h c h a n ne l mo de l ba s e d o n i ma ge me t h o d i n mi n e t u nn e l YAO Sh an hu a Sc h oo l of El e c t r i c a l a n d I nf or ma t i on En gi n e e r i n g，Anhu i Uni v e r s i t y o f Sc i e nc e a nd Te c h no l og y，H u a i n a n 23 2 0 01，Chi na Ab s t r a c t I n v i e w o f c o m p l i c a t e d e l e c t r oma g ne t i c wa ve p r o pa g a t i o n e nv i r on me nt i n mi ne t u nne l ， a mul t i p a t h c ha n ne l m o de l o f e l e c t r oma g ne t i c wa v e p r op a ga t i o n i n mi n e t u nn e l wa s e s t a b l i s h e d by us e o f i m a g e m e t ho d． I n t he p ap e r ， c a l c ul a t i o n me t h od s of t o t a l pr o pa ga t i o n d i s t a nc e， i nc i d e nc e a n gl e a nd r e f l e c t i ng a ngl e o f t hr e e d i me ns i o na l he l i x r a y，a nd e x pr e s s i on s o f t ot a l r e c e i v i ng po we r a nd t r a ns mi s s i on l o s s we r e pr e s e n t e d．The s i mul a t i on r e s u l t s s ho w t h a t a t t e nu a t i on of e l e c t r o m a gn e t i c wa v e f i e l d i nt e ns i t y i s l a r ge r n e a r t r a ns mi t t i n g a nt e nna wi t h f a s t f a di ng phe no m e na， wh i c h ve r i f y t h e mod e l c a n p r e di c t e l e c t r o ma gn e t i c wa v e f i e l d i n t e n s i t y di s t r i bu t i o n i n t un ne l a c c ur a t e l y． Ke y wo r ds mi ne t un ne l ； e l e c t r o m a g ne t i c wa v e； mul t i pa t h c ha n ne l mod e l ； i ma ge me t h od； f i e l d i n t e ns i t y d i s t r i but i o n 0 引言 在 矿 井 隧 道 中 宜 采 用 超 高 频 Ul t r a Hi g h F r e q u e n c y ， UHF 以上频 段 的 电磁 波 实现 低 损 耗 的 无 线通 信 引。 目前 矿 井 隧道 的截 面形 状 大 多 类 似 于矩形 ， 通 信设 备 采 用 全 方 向辐 射 的收 发 天 线 。矿 井隧道 四壁粗糙面及隧道中大量机电设备的存在会 产生 大量 多路 径信 号 ， 且 各 路 径 信 号 与 收 发 天 线并 不都 是在 同一 个平 面上 ， 随机 性很 强 ， 导致 信号 场 强 变化 快且 深度 大 的多 径 衰 落 ， 严 重 影 响 通信 系统 信 号质量 。建立 矿井 隧道 电磁 波多 径信 道模 型有 助 于 采取 相应 的抗 多径 衰 落 技 术 ， 为 井 下 人 员定 位 技 术 的应用提供理论依据 ] 。文献E 4 2 利用射线跟 踪技 术建 立 了 电磁 波在 矩 形 隧道 中传 播 的 预测 模 型 ； 文 献 [ 8 ] 提 出 了建立 隧 道 无线 数 字 通 信 信 道 的 帐 篷定 律 ； 文献[ 9 ] 研究了井下巷道 UHF频段的电磁波传 播 特性 。基 于上述 研 究 ， 本 文 采 用镜 像 法 。 建 立 了 矿 井隧 道 电磁波 多径 信道 模 型 ， 并 仿 真 测 试 了多 径 收稿 日期 2 O 1 6 l 2 0 8 ； 修回 日期 2 O 1 7 - 0 3 一 l 3 ； 责任编辑 盛男。 基金项目 安徽 省高等学校省级 自然科学研究重点项 目 KJ 2 0 1 4 A0 6 6 。 作者简介 姚善化 1 9 6 6 一 ， 男， 安徽淮南 人， 副教授 ， 研究方 向为非 自由空间 电磁波传播 理论 、 无线 通信空 时编码理论 和技术 ， E ma i l s h h y a o a u s t ． e d u ． c n。 2 0 1 7年 第 4期 姚 善化 基 于镜像 法 的矿 井隧道 电磁 波 多径 信道 模型 4 7 信道模型在接收端的场强分布特点 。 1多径信 道模 型 矩形隧道中经四壁反射的锯齿螺旋射线传播路 径如 图 1所示 ， 其 中 z轴 和 Y轴 分 别 表示 矿 井 隧道 的宽 和高 ， z轴表示 矿井 隧 道 的走 向 即 电磁 波 传播 方向 。射线从发射天线位置 s点发出， 在经过 4个 不同水平面及 3个不 同垂直面内反射 共 7 次反射 后 ， 到达接收天线位置 D点 ， 可看 出各反射段 的传 播路 径并 不在 同一 个 平 面 ， 收 发 两端 的总 路 径 是一 个三维路径。根据费马原理 ， 一条射线从发射源经 若干次反射到达接收端的路径一定是最短路径『 1 。 因此 ， 将射线反射经过 的各个不同面展开成二维平 面 时 ， 得 到该 条射 线 在 收 发 两 端 之 间 的 最 短 连 线 。 锯齿 螺旋 射线 分别 在水平 展 开面和 垂直 展开 面 的反 射路 径 如图 2所示 ， 其 中水 平 展 开 面 和垂 直 展 开 面 分别 平行 于矩 形 隧道 的顶 底板 和两 侧壁 。 图 1 矩形隧道中经四壁反射的锯齿螺旋射线传播路径 Z Z a 水平 展 开 面 的 反射 路 径 b垂 直 展 开 面 的 反射 路 径 图 2 锯齿螺旋射线在水平展开面和垂直展开面的反射路径 1 ． 1 锯 齿螺 旋射 线 总传 播路 径 长度 根据图 2 b ， 由于锯齿螺旋射线经隧道顶底板 来 回反 射 ， 且传 播路 径所 在平 面平 行于 隧道侧 壁 ， 所 以隧道可看作 由顶底板构成的水平平板波导 。假设 矩形隧道的高度 为 b ， 发射 天线 和接收 天线 高度 均 为 h ， 发射天线和接收天线到隧道顶板的距离为 。 利用镜像法建立锯齿螺旋射线在垂直展开面的镜像 路径 二维 坐标 系 ， 如 图 3所 示 ， 其 中 S 点 为 发 射 天 线位置 5点的镜像点， S 点为隧道 中线与 Y轴 的交 点 ， D 点 为接 收 天 线 位 置 D 点 在 隧 道 中线 的垂 直 镜像 点 。根据 镜像 法 可 知 ， S点 发 出 的 锯 齿 螺 旋射 线经 隧道顶 底 板 3次 反 射 后 到 达 D 点 的 传 播路 径 长度 ， 即垂 直展 开 面上 S点 的 镜像 点 S 到 D 点 的 镜像点 D 的镜像路径长度s D 。在上述假设 已知 的条 件 下 ， 只 需 知 道 接 收 天 线 位 置 D 点 的 z坐 标 值 ， 即可求解出锯齿螺旋射线在垂直展开面 的传播 路径 长度 。 J ， S v 4 u 2 h x , o 1 I ’ 、 ～ 。 、 、 ， 隧道顶板 、 ’ 、 、 、 ， 、 ／ ；华 ／ 、 瞄 措 埘 隧 由 姥 图 3锯 齿 螺 旋 射 线 在 垂 直 展 开 面 的镜 像 路 径 二 维 坐标 系 同理可求得锯齿螺旋射线在隧道水平展开面的 传播路径长度 。由此 ， 锯齿螺旋射线 的总传播路径 长度 计算 可分 别转 换在 水平 平板波 导 和垂 直平板 波 导中进行 ， 不必要求收发天线与反射轨迹位于 同一 个水 平 面或垂 直面 上 ， 天 线位 置可 以任 意 。 1 ． 2锯 齿螺 旋射 线入射 角、 反 射 角 通过对三维空间的锯齿螺旋射线在二维平面内 的投 影分 析可 知 ， 射 线经 隧道 四壁 反射 时 ， 其 入射 角 和反射角在二维平面内保持不变。因此 ， 锯齿螺旋 射线在三维空间的入射角和反射角的关系同样可体 现在 水平 平板 波导 和垂 直平板 波 导 中。 如 图 3 所 示 ， 由顶底 板构 成 的水平 平板 波导 中 ， 可通 过计 算入 射角 的余 角 得 到 三维锯 齿 螺旋 射 线 在垂 直 展 开 面 中 的 入 射 角 。 在 △S S D 中 ， 一 a r c c o s ， 由此可得入射角为 9 0 --a r c c o s 。 根据光学原理口 ， 入射角和反射角相等 ， 从 而可求 得反 射角 。 1 ． 3 总接 收 功 率和 总传 输损 耗 将入 射 角 、 反 射 角 的计 算结 果 代 入 水平 极 化 波 反射 系数 和 垂 直 极 化 波 反 射 系 数 表 达 式[ 1 ] ， 即 可 得到 锯齿 螺旋 射线经 隧道 顶底板 和两侧壁 的反射 系 数 。根据 锯齿 螺旋射 线 总传播 路径 长度 和反 射系数 可得 接 收天线 的总接 收 功率 为 4 8 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 P P I I G G M N l l 1 ∑∑ⅡR x p j A 9 I 1 i l 1 一 1 由式 1 可得 电 磁 波在 多径 信 道 中 的总传 输损 耗 为 D L 一1 0 1 g f T 一3 2 ．4 4 2 0 1 g d／ k m 2 0 t g f ／ MHz 一 1 0 1 g GT GR 一 M N l 2 0 1 g l 1 十∑∑ⅡR e x p j A q , l 2 i一 1 f 1 k 1 式 中 P 为 发射 天线 的发 射 功 率 ； 为 电磁 波 波 长 ； d为射线 最短 传 播 路 径长 度 ； G 和 G 分 别 为 发 射 天线增 益 和接 收天 线 增益 ； M 为 传播 路 径 的所有 射 线 总 反射 次数 ； N 为 产 生 第 i次 反 射 的 总 路 径 数 ； R 为第 i 次 反射 的第 z 条 路径 经过 忌次 反射 的反 射 系数 ； A 9 为第 i 次反 射 的第 z 条 路径 与 收发 天 线 之 间最 短路 径 的相位 差 ； f为 电磁波 频率 。 2仿真 测试 为 验证 所 建 立 的 多径 信 道 模 型 的准 确 性 ， 进 行 仿 真测试 。假设 矩形 隧道 的宽 高 为 4 IT I 3 m， 隧 道 顶底 板和 左右 侧壁 的相 对 介 电 常数 为 1 0 ， 发 射 天 线 为各 向辐 射 。根据 式 2 中最 后一 项 即 多径 信 号 合 成项 ， 对 工作 频率分 别 为 9 0 0 ， 1 8 0 0 MHz的 电磁 波 场强 分 布 进 行 仿 真 ， 结 果 分 别 如 图 4 、 图 5所 示 。 可看出 UHF频段的电磁波在隧道中传播时会产生 严重的多径衰落现象 ， 尤其在靠近发射天线 区域 ， 呈 现 快 衰落 现象 ， 并且 随着 工作 频率 的提 高 ， 快衰 落现 象 严 重 ， 这 与矿 井 隧道 中 电磁 波传 播特 性 相符 。 图 4 工作频率 为 9 0 0 MHz 时电磁波场强分布仿真 曲线 工 作频 率 为 9 0 0 MHz 时 的水平 极 化 波 和垂 直 极 化 波脉 冲响应 预测 仿 真 曲线 如 图 6 所 示 。可 以看 出 ， 仿 真 得 到 的 时延 为 2 0 0 n s左 右 ， 在 时延 的典 型 值 5 O ～2 5 0 n s 范 围 内n ， 表 明所 建模 型可 以预 测巷 道 的多径 时延 扩 展 。 图 5 工作 频率 为 1 8 0 0 MHz时电磁 波场 强分 布仿真曲线 ∞ 鲤 坦 图 6 _ [作 频 率 为 9 0 0 MHz时水 平极 化 波 和 垂 直 极 化 波 脉冲响应预测仿真曲线 3 结语 利用镜 像 法建立 了矿井 隧道 电磁波 多径 信道 模 型 ， 并 对 多径信 道模 型进 行 了仿 真分析 。结 果表 明 ， 由于 发射 源发 出 的射 线 具 有 各 向性 ， 无论 是 从 多 径 信号 的衰 落变 化深 度 还 是 衰 落 变化 速 度 ， 模 型能 较 准确 地反 映隧 道 中实 际 的 电磁 波 场 强 分 布 。然 而 ， 实 际 的隧道还 包括 截面 形状 为 圆形 、 拱 形 的情况 ， 有 的 隧道还 有弯 曲 ， 因此本 文建 立 的多 径 信 道模 型 只 是从 宏 观上 反 映 了 矩 形 隧 道 的 电磁 波 场 强 分 布 特 性 ， 对 于其他 截 面形 状 的 隧 道还 需 要 进 行 细 致 的理 论分 析 和大量 试 验 。 参 考 文 献 [1] 孙继平 ， 高美凤． 矩形 巷道 中对称振 子天线 辐射 特性 的研 究E J ] ． 煤 炭学报 ， 2 0 1 0 ， 3 5 1 2 2 1 2 1 - 2 1 2 4 ． [ 2] 孙继平 ， 成凌飞 ， 张长森． 截 面尺寸对矩形巷 道中 电磁 波传 播的影响 E J ] ． 中国矿 业大 学学报 ， 2 0 0 5 ， 3 4 5 5 96 59 9． [ 3] 孙继平 ， 王帅． 改进 型能量 传递测距 模 型在矿 井定位 中 的应 用 [ J ] ． 中 国 矿 业 大 学 学 报 ， 2 0 1 4 ， 4 3 1 9 4 9 8． [ 4] 张会清 ， 于洪珍 ， 王普 ， 等 ． 矩 形 隧道 中电波 多径传 播 模型的建立及仿 真 [ J ] ． 电波科 学学 报 ， 2 0 0 8 ， 2 3 1 1 9 5 2 O O． 第 4 3 卷 第 4期 2 0 1 7 年 4月 Vo 1 ． 4 3 NO ． 4 Apr ．2 01 7 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 O 1 7 O 4 0 0 4 9 0 6 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 7 ． 0 4 ． 0 1 2 高云广 ， 宋建成， 郑丽君 ， 等． 基于 L C L型有源电力滤波器的复合 电流控制策略研究E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 4 4 9 5 4 ． 基于 L C L型有源电力滤波器的 复合电流控制策略研究 高云广 ， 宋建成 ， 郑丽君 ， 江 法洋 ， 田飞燕 1 ． 太原理工大学 煤矿电气设备与智能控制山西省重点实验室 ，山西 太原0 3 0 0 2 4 ； 2 ． 太原科技大学 电子信息工程学院 ，山西 太原0 3 0 0 2 4 摘 要 针对传 统 电流控 制 策略 存在 高稳 态精 度 与快速 动 态响应 的 矛 盾 ， 提 出了一 种基 于 L C L型 有 源 电 力 滤波 器的复合 电流控 制 策略 。该控 制 策略 将 比例积 分控 制 和 重复 控制 有 机 结合 ， 在 保 证 动 态响 应 的基 础 上 ， 利 用 P I 控 制 器将控 制模 型补偿 为 稳 定 系统 ， 使 其 在 低 频段 具 有 良好 的控 制 特 性 ； 利 用重 复控 制 器校 正 L C L型滤波器谐振峰和 内环的固有相位滞后 ， 实现 电网谐波 电流的快速跟踪 与高精度补偿。实验 结果表 明 ， 经过并联有源电力滤波器的谐波补偿 ， 电网电流的总谐波失真明显减小， 负载 变化 时并联有源电力滤波 器可 实现 单周 期快速 响应 ， 验证 了所提 出的复合 电流控制 策略 的有 效性 。 关键 词 有 源 电力滤 波器 ；重 复控制 ； P I 控 制 ；L C L滤 波器 ；频 率特性 分析 中图分类号 TD 6 0 8 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 7 0 3 2 8 1 7 2 6 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 7 0 3 2 8 ． 1 7 2 6 ． 0 1 2 ． h t ml Re s e a r c h o n c o mp o u nd c u r r e n t c o n t r o l s t r a t e g y b a s e d o n LCL t y p e a c t i v e po we r f i l t e r GAO Yu n g u a n g 一， S ONG J i a n c h e n g ， ZHENG Li j u n ， J I ANG F a y a n g ， TI AN Fe i y a n 1． S ha nx i Ke y La bo r a t o r y o f M i n i ng El e c t r i c a l Eq ui pme nt a n d I n t e l l i ge nt Co nt r ol ，Ta i y ua n U n i v e r s i t y o f Te c h no l og y，Ta i yu a n 0 3 00 2 4，Ch i na；2． Col l e ge o f El e c t r on i c s a nd I nf o r m a t i o n En g i n e e r i n g，Ta i y u a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w of c o nt r a d i c t i o n be t we e n h i g h s t e a dy s t a t e a c c ur a c y a n d f a s t d y na m i c r e s po ns e o f t r a d i t i o n a l c ur r e n t c o nt r o l s t r a t e g y，a n o ve l c o mpo un d c ur r e n t c o n t r ol s t r a t e gy b a s e d o n LCL t y pe a c t i v e po we r f i l t e r wa s p r o po s e d． Th e c o nt r o l s t r a t e g y c o mb i ne s p r o po r t i o na l i n t e g r a l c o nt r o l a nd r e p e t i t i v e 收稿 日期 2 0 1 6 0 9 2 2 ； 修回 日期 2 0 1 6 - 1 2 0 7 ； 责任编辑 张强 。 基金项 目 国家 自然科学基金 资助项 目 5 1 5 7 7 1 2 ； 山西省重点实验室开放课题 ME I - 2 0 1 5 0 1 ， MEI - 2 0 1 6 0 2 。 作者 简介 高云广 1 9 7 9 一 ， 男 ， 山西大 同人 ， 讲师 ， 博士研究生， 研究方 向为 电力电子技术 ， E ma i l g y g u a n g c n a l i y u n ． c o rn。 [ 5] 成凌飞 ， 高鹏飞 ， 王利超． 巷道无 线信 道相 干带 宽及其 影 响因素 的 研 究 [ J ] ． 计 算 机 仿 真 ， 2 0 1 5 ， 3 2 1 2 1 3 7 1 41 ． [6] 姚善 化， 杜斌 ． 矿 井 圆形 隧道 中电磁波传 播特 性分析 I- j ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 1 5 ， 4 3 4 8 8 9 1 ． [7 ] 李宗伟 ， 李起伟 ， 温 良 ， 等． 井下 电磁波超 声联 合定位 方法E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 7 3 0 3 3 ． [ 8] 张 申． 帐篷定律与隧道无线数字通信信道建模 E J ] ． 通 信学报 ， 2 0 0 2 ， 2 3 1 1 4 1 5 O ． [9 ] 李晶． 井下巷道超高频无线 电波传播 及定 位算 法的研 究E D ] ． 天津 天津大学 ， 2 0 0 6 ． E l o ] 李淑凤 ， 李成 仁 ， 宋 昌烈． 光 波导理 论基 础教程 E M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 1 3 ． [ 1 1 ] 姚启钧． 光学 教程 F M] ． 5版． 北京 高等 教育 出版社 ， 2 O1 4． E 1 2 ] 朱山． 室内无线传播 及覆盖 性能研究 E D-I ． 武汉 华 中 科技大学 ， 2 0 1 2 ．