煤矿井巷自适应多天线理论与关键技术研究.pdf

第 4 3卷 第 1 O期 2 0 1 7年 l O月 工矿 自 动化 I n dus t r y a n d M i ne Au t oma t i o n Vo 1 ． 4 3 NO ．1 0 0c t ．2 O1 7 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 1 0 0 0 4 8 0 6 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 7 ． 1 0 ． 0 1 0 煤矿井巷自适应多天线理论与关键技术研究 霍 羽 ， 张毅。 ， 徐钊。 ， 高敏 。 “ 1 ． 中国矿业 大学 物 联 网 感 知矿 山 研 究 中心 ，江苏 徐 州 2 2 1 0 0 8 ；2 ． 中国矿业 大 学 矿山互联网应用技术国家地方联合工程实验室，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ；3 ． 中国矿业大学 信息与控制工程学院，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 4 ． 淮南职业技术学院 信息与电气工程系， 安 徽 淮南 2 3 2 0 0 1 摘 要 在分 析煤矿 井巷无 线信 号传播 环 境特 点及 多天 线辐射 特性 的基 础上 ， 提 出 了融 合巷道 波 导理论 和 自适应 阵 列天 线相 关技 术的 自适应 多天 线技 术 ， 介 绍 了煤矿 井巷 自适 应 多天线 的基本 组成 和原 理 ， 并探 讨 了 其 需进 一 步研 究的 关键 技 术 。煤矿 井巷 自适 应 多天 线可根 据 信道 传 输特 征 有 选择 地控 制 导 引波模 的 数 量 、 类型 和强度 ， 从 源 头上改 善 井下无 线通信 覆 盖状 况 ， 提 高煤矿 无线通信 系统性 能 。 关键词 煤 矿 井巷 ；矿 井无 线通信 ；自适 应 多天线 ；自适应 阵列 天 线 ； 巷 道 波导理 论 ；波束 成形 中 图分 类 号 TD 6 5 5 文 献标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 7 0 9 2 7 1 4 3 8 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 ． TP ． 2 O 1 7 0 9 2 7 ． 1 4 3 8 ． 0 1 0 ． h t m1 Th e o r y a n d ke y t e c h no l o g i e s r e s e a r c h o n a d a p t i v e mul t i a n t e n na i n c o a l mi ne t u nn e l H U O Yu 一， ZHAN G Yi 。， XU Zha o 。， GAO M i n ， ， 1． I nt e r n e t o f Thi n gs Pe r c e p t i o n M i n eRe s e a r c h Ce nt e r，Chi na U n i v e r s i t y o f M i n i ng a nd Te c h no l og y Xu z h o u 2 2 1 0 0 8，C h i n a；2 ． Th e Na t i o n a l a n d Lo c a l J o i n t En g i n e e r i n g La b o r a t o r y o f M i n e I n t e r n e t Te c hn ol o gy on M i ne，Chi na Uni ve r s i t y of M i ni n g a nd Te c hn ol o g y，Xu z h ou 2 21 0 08，Ch i na； 3． Sc ho o l o f I nf or ma t i o n a n d Co nt r o l En gi n e e r i n g，Chi n a Uni ve r s i t y o f M i ni n g a n d Te c h nol og y， Xu z ho u 2 21 0 0 8，Chi n a；4． De pa r t m e n t of I n f o r m a t i o n a nd El e c t r o n i c Eng i ne e r i n g，H u a i n a n Vo c a t i o n a l a n d Te c h n i c a l Co l l e g e ．Hu a i n a n 2 3 2 0 0 1 ，Ch i n a Abs t r a c t Cha r a c t e r i s t i c s o f wi r e l e s s c o mm u ni c a t i on e n v i r on m e nt a nd m u l t i a nt e nn a r a d i a t i o n i n c o a l mi’ ne t un ne l we r e a na l y z e d． An a da pt i ve mul t i a n t e n na t e c h no l og y wa s p r op os e d o n ba s i s of t u nn e l wa ve gu i de t h e o r y a nd a d a p t i v e a r r a y a nt e nn a t e c hn ol o g y．Ba s i c c o m p os i t i on a nd pr i n c i p l e o f t h e a d a p t i v e mul t i a nt e nn a i n c o a l mi ne t un ne l we r e i n t r od uc e d． M e a n whi l e， k e y t e c hno l o gi e s n e e de d t o be f u r t he r s t u d i e d we r e d i s c u s s e d ．Th e a d a p t i v e mu l t i a n t e n n a i n c o a l mi n e t u n n e l c a n s e l e c t i v e l y c o n t r o l n u mb e r ， t ype a nd i n t e ns i t y o f g ui d e d wa v e m o d e s a c c o r d i n g t o c ha n ne l c ha r a c t e r i s t i c s ，S O a s t o i mpr o v e u nd e r gr o und s t a t u s of wi r e l e s s c o m mun i c a t i o n c o v e r a g e f r om t he s o ur c e a nd pe r f o r m a n c e o f c o a l m i ne wi r e l e s s c o m m u ni c a t i on s ys t e m ． Ke y wo r ds c o a l m i n e t unn e l ；mi ne wi r e l e s s c omm u ni c a t i on；a d a p t i v e m ul t i a nt e n na；a d a pt i ve a r r a y a n t e nn a；t u nn e l w a ve gu i de t he o r y；b e a m f o r m i n g 收稿 日期 2 0 1 7 - 0 3 2 8 ； 修 回日期 2 0 1 7 - 0 8 1 4 ； 责任编辑 李明。 基金项 目 江苏省 自然科学基金资助项 目 B K2 0 1 6 0 2 6 4 。 作者简介 霍羽 1 9 8 3 ， 女 ， 山西 晋 中人， 助理 研究 员 ， 博 士 ， 主要 研究 方 向为煤 矿 井下 电磁 波传 播与 天线 理论 等 ， E ma i l y u h u o c u ret ． e du ． c n。 引用格式 霍羽 ， 张毅 ， 徐钊 ， 等． 煤矿井巷 自适应 多天线理论与关键技术研究E J ] ． r 矿 自动化 ， 2 O 1 7 ， 4 3 1 0 4 8 5 2 ． HUO Yu， Z HANG Yi ， X U Z h a o ， e t a 1 ． Th e o r y a n d k e y t e c h n o l o g i e s r e s e a r c h o n a d a p t i v e mu l t i a n t e n n a i n c o a l mi n e t u n n e l [ J ] ． I n d u s t r y a nd M i ne Au t o ma t i o n， 2 01 7， 4 3 1 0 4 8 5 2 ． 2 0 1 7年 第 1 O期 霍羽等 煤矿井巷 自适应多天线理论与关键技术研究 4 9 0 引言 为 了实现高效生产 、 安全避 险、 灾 害监测等 ， 迫 切需要融合移动语音 、 移动多媒体 、 移动 目标跟踪 、 无线传感器 网络等技术 ， 在矿 山建设与生产中应用 物联 网[ 1 ] 。然而 ， 煤矿井下无线信号干扰密集 、 多 径效 应 突 出 、 传播 损 耗 大 、 通信 距 离短 ， 严 重影 响各 种数据、 语音和图像通信的质量 ， 导致成熟的无线通 信系统在煤矿井下性能恶化_ 3 ] 。克服干扰、 抑制多 径效 应 、 增大 覆盖 范 围 、 改 善井 下无 线 传播 质量 迫在 眉睫 。 天线 用于发送和接收无线信号 ， 是无线通信 系 统 的基本 部件 。天线设 计 、 选 型得 当 ， 可从 源头 上解 决 信 号 覆 盖 和传 输 问题 ， 提 高 无 线 通 信 系 统 性 能l_ 5 。 ] 。但是 目前针对矿用天线的研究很少 。 井巷结构狭长， 若天线波束过窄， 则距天线较近 的场区难 以得到充分覆盖 ； 若波束过宽 ， 则信号的多 径 效应 难 以得 到 有 效 抑 制 ， 远 场 区覆 盖 性 能 下 降 。 此外 ， 若遇到移动机车 、 采矿设备等大体积金属障碍 物 ， 巷道内信道传输特征将发生改变 ， 无线覆盖性能 可能因视距遮挡等 因素而迅速下降 。如果能够在井 下根据用户所处位置 ， 通过调整天线发送的波束来 控制信号的多径分量 ， 将 电磁波 能量有选择地集 中 于某些 低损 耗 波模 上 ， 可 大大 改 善 井 下 无 线 通 信 覆 盖状况 。自适应阵列天线能够估计信道参数 ， 确定 用户方位 ， 自适应形成波束 ， 实现上行链路 的信号分 离 和下 行链 路 的选 择 性 发 送 ， 在 保 证 信 号 有 效 覆 盖 的基础上 ， 提高载干比， 降低相关干扰 。已有的矿用 天线 研 究成 果发 现 ， 受煤 矿井 巷波 导 效应 的影 响 ， 一 般 的 自适应 阵列 天线 原 理和 技术 不能 直接 应用 于井 下[ 7 a o ] 。另 外 ， 煤矿 的应 用 环境 特 殊 ， 对 阵列 天 线 的 规模 、 尺 寸 、 材 质 等都 有 特 殊 要 求n 。这 对 自适 应 阵列 天 线及其 信 号处 理理 论 提 出了挑 战 。 针对上述问题 ， 本文讨论 了井下多天线的辐射 场分 布 特性 ， 在此 基 础 上 提 出 了融 合 波 导理 论 和 自 适应 阵 列天 线技 术 的 自适 应 多 天线 技 术 ， 给 出 了 自 适应多天线在煤矿井下应用的基本组成和波束控制 原理 ， 并 讨论 了需 进 一步 研究 的关 键技 术 。 1煤矿 井巷传 播环 境特 点 煤矿井巷深度大， 电磁波传播环境复杂， 具体表 现 为 以下 4个方 面 。 1 多径 效 应 严 重 ， 覆 盖 范 围小 。井 巷 空 间狭 长 多岔 ， 在 数十 千米 范 围内纵横 交错 。巷 道 由岩石 、 煤层组成， 电磁波被限制在 内部传播 ， 传播特性近似 于巨型波导 ， 多径效应突 出， 传播损耗 大， 通信距离 短 H ] 。这 导致 井 下 信 源 之 间 的 相 关 性 易 受 巷 道 尺 寸 、 通 信距 离 、 天线 类 型 、 天线 安 装 角 度 等 因 素 的 影 响 ， 复 杂多 变[ 7 。 。 2 干 扰源 密集 。在 煤矿 井巷 中的一 些重 点 监 测 区域 ， 信 号 源分 布 密 集 ， 且 强 度 相 当 ， 往 往 会 互 相 干扰 。信号难 以被分离和识别。传统 自适应阵列天 线根据信源位置发射多个波束， 各波束在传播过程 中会 因巷 道壁 的遮 挡形成 附 加 的多径 干扰 。 3 无 线 设 备 应 用 、 安 装 条 件 苛 刻 。井 巷 环 境 对 阵列 天 线 的规模 、 阵 列结 构 及 阵 元 的类 型 、 数 目、 间距 等 的限制 比室 内等一 般环 境苛 刻得 多 。根据 已 有 的研究 结论 ， 巷道 内电磁 波传 播 的最佳 频段 为 5 O 0 ～1 5 0 0 MHz _ 1 。 ， 因 此 阵 元 尺 寸 、 阵元 间距 的 可选 范 围很 小 。巷 道 内温度 、 湿度 、 粉尘 等 因素对 天 线 的材 质 、 结构 和安 装条件 要求 较 高 。此 外 ， 还 要考 虑煤炭 生 产安全 的 因 素 ， 如 天线 设 计 需 满 足 本 安 防 爆 要求 ， 天 线形状 及 其安装 方 式 、 位 置 和角度不 能影 响井下生产设备的正常运转等口 。 4 干扰噪声特殊。实际的煤矿井巷内存在大 量 金属 支架 、 电力 电缆 、 钢轨 、 矿车 、 超 大功 率 电气设 备等， 是井下无线通 信的主要干扰源。这些工业 噪 声 非常 复杂 ， 与一 般环 境 中的 高斯 噪声不 同 ， 主要表 现 为强 冲击 噪声 ， 具 有 随 机 性 ， 通 常远 大 于 信 号 强 度 。在这种信噪比极低的环境 中， 如果只采用传统 定向天线实现简单接收， 而不对接收到的各路径信 号加 以区分 、 处理 ， 则无法很好地解决 干扰 、 多径效 应 问题 。 2煤矿 井巷 多天 线 辐射特 性 假设 矩形 巷 道 宽 度 为 W， 高度 为 。在 巷 道 内 建 立 直角 坐标 系 ， 原 点 位 于 巷 道 横 截 面 的 中 心 ， z， ， 轴 分别沿 巷 道 的宽 度 、 高 度 、 长度 方 向 。巷道 两 侧壁 和顶 底 两 壁 的 电参 数 分别 为 K ， K。 。假 设 发 射端 由 N个天线单元组成， 垂直极化 ， 且天线单元 的类 型 、 结 构 、 尺 寸 、 取 向等 相 同 ， 电流 复 振 幅均 为 J 。 。设 第 i 一1 ， 2 ， ⋯ ， N 个 天 线 单 元 在 巷 道 中 的 位置 为 z 。 ． f ， Y D - l ， ． ， 沿巷 道 中 ， m， 为 导 引波模 的阶数 ， m一0 ， 1 ， ⋯ ， J 2 叫／ l ， n一0 ， 1 ， ⋯， J 2 h ／ 2 J， 为电磁波波长 阶导引波模的辐射场为 E 。考 虑到 巷道 空 间狭 窄 ， 一 般 采用 小 尺 寸 天 线 。 5 0 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 根据多波模理论 ， 第 i 个天线单元辐射场的近似表 达 式 为 E ≈ ～ 。 是 c 。 s k c 。s k ．硎 z 2 JM 。 C O S 愚 Y 0 ’ f e x p [ 一j z o ， ] 1 式中 B为天线在巷道的激励强度， B一 ⋯ I 。 f d V， V为天线的 电体积 ， f 为沿 ．z方 向的单位矢 量 ； Z 为 特 征 阻 抗 ； M 为 导 引 波 模 个 数 ， M 一 2 w／ A 1 2 矗 ／ 1 一1 ； 是 ．硎 ， 忌 ， 为 m， 阶导 引波模 波矢 分量 ， 满 足色 散条件 。 由此 可 得 第 i个 天 线 单 元 的 辐 射 场 分 布 规律 [ 厂 m， ， Fic o u p l m， n 2 式 中 f i m， 为 第 i 个 天 线 单 元 在 巷 道 中 的方 向 函数 ； m， 为 第 i 个 天 线 单 元 在 巷道 截 面 中心 的方 向函数 ； F 。 m， 为第 i个天线单元 与巷道 中 ， 阶导 引波模 的耦 合参 数 。 m， 一 Z蒯C O S尼 一 zC O S忌 Y x e x p [ 一j z z 。 ， ] 3 F 。 p 1 m ， 一 C O S忌 lz o ， C O S忌 Y 0 ， 4 F ． ， 是关 于天 线位 置 的 函数 ， 在 很 大程 度上 影 响 其 方 向 图。 由 式 2 一 式 4 可 看 出 ， 当 第 i 个 天线 单 元 在 巷 道 中心 ， 即位 置 为 0 ， 0 ， z 时， 其 与 各 导 引 波 模 的 耦 合 效 果 最 好 ， 此 时 F 。 p l e m， 一 1 ， f ， 一 7 7 2 ， n 。 根 据 式 1 ， N 个 天 线 单 元 共 同作 用 后 的 辐 射 场为 ≈ 耋 E ≈ 一 NE B Z i 1 i 1 V／ c。 s 一 s ≈ ∑ E ≈ 一 ∑ 。 s 愚 ．硎 c 。 s 一 一 厶 V 』 C O S忌 ．硎 z D ． C O S忌 0 I l e x p [ --j k Z -- U I f ] 5 如 果 将 第 1个 天 线 单 元 作 为 参 考 天 线 ， 可 将 式 5 变形 为 E～ ≈ 一 N ⋯ ⋯s e x p [ 一j z 一 ， 1 c o s是 z C OS尼 Y o ， e x p [ 一j z 。 I l ～2 o ． ] 6 根 据 式 3 、 式 4 ， 将 式 6 进 一 步简化 为 ≈ Fc o u p l e N 7 式 中 F m， 为 多天线 与巷 道 导引波 模 的耦 合 参数 简称多天线耦合参数 。 F。 。 u p l N m， C O S是 3 7 O ， i C O S k y m n Y U ． i 1 e x p [ 一j ， 1 一 ． ] 一 N ∑ F 。 p le m ， e x p [ 一j z 。 ， 一Z 0 ， ] 8 i 1 由式 7 可 知 ， N 个 天 线 单 元 组 成 的 多 天 线 在 巷 道 中的方 向函数为 f m， 一 m， n F⋯p l e N m， 9 式 9 的物理 表述 巷 道 中多天线 的方 向函数等 于参考 天线 在巷 道 中心 的方 向函数 和多 天线耦 合参 数的乘积。其中多天线耦合参数反映了各天线单元 与各导引波模耦合 的叠加 ， 是关于各天线单元位置 的 函数 。该 规 律 同 样 适 用 于井 下 阵 列 天 线 的 方 向 函数 。 3煤矿 井巷 自适 应 多天线基 本组 成 与原理 3 ． 1 自适应 多天 线基本 组 成 一 般 的阵 列 天线 波 束 成形 规 律 中 ， 只考 虑 天 线 单元之间的相对位置 ， 不考虑环境 的耦合因素。而 根据巷道 中多天线 的辐射场分 布规律 ， 井下环境的 耦合作用非常重要 ， 不可忽略， 主要表现在多天线耦 合参数 F ⋯。 ， 中。因此 ， 各天线单元在三维 巷道 中的位 置 是 改 变 多 天 线 方 向 图 的关 键 因 素 之 一 。此外 ， 天 线 位 置 对 天 线 辐 射 效 率 也 有 重 要 影 响_ 8 ] 。若考 虑巷 道 的 波 导耦 合 作 用 ， 可 使 井 下 的 多 天线 波束 成形 与 控 制更 加 灵 活 有 效 。据 此 ， 本 文 提 出融 合巷 道波 导理 论和 自适 应阵列 天线 相关 技术 的 自适 应多 天线技 术 。 煤矿 井 巷 自适 应 多 天 线包 括 多 天线 、 模 数 转 换 模块 、 波 束 形 成 网络 和 自适 应 信 号 处 理 器 ， 如 图 1 所示 。 图 1 煤矿井巷 自适应多天线基本组成 Fi g ．1 Ba s i c c o mp o s i t i o n o f a d a p t i v e mu l t i a nt e n na i n c o a l mi n e t unn e l 3 ． 2 自适应 多天 线基 本原 理 1 多天线。巷道中的电磁波传播是多个导引 波模 叠加 的结 果 。有 的 导 引波 模 对 传 播 起 关 键 作 用 ， 有 的则 因反 射 等 因素 迅 速 衰耗 。为 了有 效 利 用 2 0 1 7年 第 1 O期 霍 羽等 煤矿 井巷 自适 应 多天 线理 论与 关键技 术研 究 5 1 巷 道波 导耦 合 对多 天线 波束 控 制 、 波 束成 形 的影 响 ， 首 先需 根 据巷 道 中关键 波模 的数 量设 计 多天线 的单 元数量 ， 根据关键波模 对应 的天线耦合参数布置各 天 线单 元 的位 置 。 由于 井 下 天线 位 置 不 同 ， 天 线 方 向 图和 效 率也 可能不同 ] ， 所以各 天线单元 的类型可能不 同。为 使天线单元效率最大化 ， 还需根据巷道中的电磁波 辐射功率角度分布特征 ， 合理设计或选择天线单元 的类 型 。 2 模数转换模块。在下行链路中将模拟信号 转换成数字信号 ， 在上行链 路中将数字信号转换成 模拟信号 。 3 自适应信号处理器和波束形成网络。利用 信 道估 计 预测 用户 相对 多 天线 系统 的距 离及 障碍 物 的分布情况 ， 根据信道特征 自适应计算 出各天线单 元的最佳加权系数 ， 以控制波束形成 网络产生最佳 覆盖波束 。对距离 多天线系统较近的用户， 形成波 瓣较宽 、 强度适 中的波束 ， 在保证位于巷道边缘 区域 的用户得到有效覆盖 的前提下 ， 避免近场区用户通 信对远场区用户造成多径干扰； 对距离多天线系统 较远的用户 ， 形成波瓣较窄的波束 ， 减少多径干扰 。 假 设 t 时 刻从 L 个 方 向发 来 的信 号 为 S ￡ E s 1 ￡ S 2 ⋯5 L ] ， S f 为 第 z z 一 1 ， 2 ， ⋯， L 个信号 ， 来 自 m ， n 阶导引波模对应 的射 线方 向 ， N ￡ 为 噪声 矢 量 。假 设 多天 线 系统 接 收 到 的信号矢量为 x [ a 已 ⋯ ] ， ￡ ￡ 为第 i 个 天线单 元 接收 到 的信号 ， 则 X 一 AS ￡ N 1 0 式 中 A 为 多天 线 系统 的导 向矩 阵 ， 由 L个 导 向矢 量 构 成 。 A 一 [ 口 1 ， n 1 a m2 ， 2 ⋯口 mL ， L ] 1 1 式中 a m ， n 为信号 在多天线系统中对应 的 导 向矢 量 。 根 据式 8 、 式 9 得 a mf ， F lo up l 77 z ￡ ， F 。 z ， m e x p [ --j k z 。 I l --Z 0 I 2 ] ； F p l e mz ， ￡ e x p [- --j k z 。 ， 1 一 ， N ] 1 2 假设多天线中第 i 个天线单元的复加权系数为 ∞ ，则多天线系统的复加权矢量为 w一[ ∞ c o 。 ⋯ 叫 ] 。多天线系统的输出信号为 l ， ￡ 一 W “ X 1 3 式 中 w“为 w 的共 轭转 置 。 4煤 矿井 巷 自适应 多天 线关键 技术 1 煤 矿井 巷 自适应 多天 线空 时 信道 测 量 与建 模。要预测煤矿井巷传播环境对 自适应多天线的影 响 ， 分 析评 估 不 同 天 线 结 构 、 算 法 和 设 计 方 案 的 优 劣 ， 必须建立井巷 内多天线空时信道模型。根据井 巷 内散射 体分 布状 况 ， 确 定 散 射 簇 数量 及 其 中起 关 键作用 的多径 分量 ， 确定 对数 正态 阴影 衰落参 数 ， 给 出计算 角 度功率 谱 和 时 延 功率 谱 的数 学公 式 ， 分析 无线信道的空时相关性 ， 以及天线阵列结构、 安装位 置 、 天 线极 化 、 天线 与巷道 内电磁场耦 合 对巷道 传播 特 性 的影 响 。 2 煤 矿井 巷 自适应 多 天线 结 构设 计 。通 常大 规模阵列天线可带来高波束分辨率。但是受限空间 的尺度限制 了阵列天线的规模 ， 在煤矿井巷尤为突 出， 应用于其 中的多天线 只能是较小规模 的。为提 高小规模 阵列天线 的波束分辨率 ， 一般的 自适应阵 列天线技术常采用虚拟阵列变换算法来实现阵列天 线 的扩展 。但 是扩 展后 的虚 拟 阵元是 否会 和巷 道 内 电磁场耦合 ， 改变巷道的电磁波传播特性 ， 进而影响 D OA D i r e c t i o n o f Ar r i v a l ， 来 波方 向 估计 的准确 性 ， 还 需考 虑 。因 此需 要 研 究 空 间几 何 尺 寸 小 的 多 天线结 构 ， 通过 合理 选择 天线 单元类 型 和排列 方式 ， 获得尽 可 能多 的天 线单元 。 多天线结构直接影响巷道传播特性 、 信道相干 性 ， 以及 阵列流型和后期算法的复杂度、 准确度 。因 此 ， 确定适用于巷道传播环境且测 向性能好的多天 线排列方式， 还需考虑 多天线参数对信 道相干性、 DO A 估计 算法 的影 响 。 3 强 干扰 环境 的弱 信号 分 离和 密集 相 干信 源 的解 相 干算法 。煤矿 井 巷 内干 扰 源众 多 ， 各 种 相 干 信源因空间位置集中而具有较大的强度 ， 往往会淹 没信号。接收端天线接 收到的是多路信号 的叠加， 难 以识别 干扰 和 信 号 ， 无 法估 计 波达 方 向。 因此 需 要根据井巷内电磁波传播特性 ， 研究巷道 内干扰信 号 的特点 ， 找 出复 杂受 限空 间 中分 离信 号 和 干 扰 的 有效 办法 。 受 限空间 内相 干信源组簇较少 ， 簇内相干信源 密集 ， 信源数大于阵元数 ， 导致信号解相干困难。一 般的解相干算法不考虑信号相干系数 ， 但受限空间 中信源 相干 系数 受接 收位 置 、 空间 尺寸等 影 响 ， 复杂 多变 ] ， 需要研究受限空间相干信源密集、 信源相干 5 2 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 结构 复杂 情况 下 的解相 干算 法 。 4 抗强 冲击噪声干扰 的信道参数估计算法。 井下 不仅 有地 杂 波 噪声 ， 还 有 各 种 大 功 率 电气 设 备 产生的大量工业噪声。这些随机噪声通常具有很强 的 冲击性 ， 统计 特性 与一 般 的高斯 分 布差别 很 大 ， 并 且随频率不同， 其分布规律不同。需要研究能抵御 强冲击噪声干扰的信道参数估计算法， 以适应冲击 噪声 繁杂 、 相 干信 号众 多 的复杂 受 限空 间环境 。 5 结论 1 融 合 了巷道 波 导理论 和 自适 应 阵 列天 线 相 关技 术 的 自适 应 多 天线 技 术 ， 可 以根 据 巷 道 中用 户 所 处位 置及 采矿 设 备 等 障 碍物 分 布 情 况 ， 自适 应 控 制波束 ， 将 电磁波能量有选择地集 中于某些低损耗 波 模上 ， 控 制多 径 的数量 和方 向， 从 源 头上改 善井 下 无线通信覆盖状况 ， 提高无线通信系统性能 。 2 自适 应 多天线 技术 从 空域 技 术 角度 解决 了 现有矿井无线通信 的瓶颈问题 ， 同时适用 于其他阵 列 天 线 技 术 ， 如 MI MO Mu l t i p l e I n p u t Mu l t i p l e O u t p u t ， 多 输人 多输 出 、 相 控 阵 等 在 煤 矿井 巷或 地 铁 、 公 路 隧道 等类 似受 限空 间 的研 究 与应用 。 参考文献 R e f e r e n c e s [1 ] [ 2] [3 ] [ 4] 丁 恩 杰 ， 赵 志凯 ． 煤矿 物 联 网研 究 现 状及 发展 趋 势 E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 4 1 - 5 ． DI NG En j i e ， Z HAO Z h i k a i ．Re s e a r c h 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