超宽带技术在矿井通信中的应用.pdf

第 1 5卷第 4 期 2 0 0 6年 4月 中 国 矿 业 CHI NA M I NI NG MAGAZI NE Vo 1 ． 1 5 ，No ． 4 Ap r i 1 2 0 0 6 超宽带技术在矿井通信 中的应用* 刘晓阳 程亚奇 孙继平 I ． 中国矿业大学 北京 北京 1 0 0 0 8 3 ；2 ． 中国科学院微 电子研究所 北京 1 0 0 0 2 9 摘要 本文通过对超宽带技术的特点 以及煤矿井下特殊环境的分析，提出了超宽带技术在煤矿井 下应用的研究方向，为矿井无线通信的研究提供一些新的途径。 关键词超宽带矿井通信 中图分类 号 T P 3 1 6 ． 8 文献 标识码 B 文章编 号 1 0 0 4 4 0 5 1 2 0 0 6 0 4 0 0 5 2 0 3 THE APPLI CATI oN oF UW B TECHNoLoGY I N M I NE CoM M UNI CATI oN L i u Xi a n y a n g Ch e n g Ya q i S u n J i p i n g 1 ．C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y B e ij i n g C a mp u s B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ； 2 ．I n s t i t u t e o f Mi c r o e 1 e c t r o n i c s o f C h i n e s e A c a d e my o f S c i e n c e s B e i j i n g 1 0 0 0 2 9 Ab s t r a c t Th e p a p e r a n a l y z e s t h e c h a r a c t e r i s t i c s a n d t h e k e y t e c h n o l o g i e s o f Ul t r a W i d e b a n d wi r e l e s s c o mmu n i c a t i o n a t s p e c i a l u n d e r g r o u n d e n v i r o n me n t ． Th e r e s e a r c h d i r e c t i o n s o f Ul t r a wi d e b a n d a p p l i c a t i o n a r e p r e s e n t e d ．A n e w wa y o f u n d e r g r o u n d c o mmu n i c a t i o n a r e p u t f o r wa r d ． Ke y wo r d s U l t r a wi d e b a n d M i n e Co mmu n i c a t i o n 煤矿井下是一个特殊的工作环境 ，矿井移动通 信系统具有许多不同于一般地面的移动通信系统的 特点。许多地面上使用的通信设备和技术无法直接 应用到煤矿井下 。而超宽带 UWB技术是一种与其 它技术有很大不 同的无线通信技术 ，它不需要使用 载波 ，而是通 过发送 纳秒级 脉 冲来传输 数据 的技 术，其特点是在非常宽的带宽内，发送噪音以下的 低功率信号，具有对信道衰落不敏感 、发射信号功 率谱密度低、有低截获能力 、系统复杂度低、能提 供数厘米的定位精度等优点。由于超宽带技术所具 有的许多 自身的优点 ，极有可能是适合煤矿井下无 线通信 的更好的选择。本文对超宽带技术在煤矿井 下的应用进行分析探讨 ，为矿井无线通信的研究带 来一些新的思路。 1 超宽带 UWB 技术特点 UWB传输技术 ，也称脉冲传输技术 ，通过对 非常窄 往往小于 1 n s 的脉冲信号进行调制获得 *国家 8 6 3计划项 目z煤矿数字化瓦斯远程检测监控系统 。项 目编 号 z 2 0 0 5 AA1 3 3 0 7 0 |2 0 0 3年 度高 等学 校博 士学 科 点专 项科 研 基 金 矿井无线传输特性的研究 项 且编号 2 0 0 3 0 2 9 0 0 1 9 收稿 日期 2 0 0 5 1 2 1 4 作者筒介 z刘 晓阳 1 9 6 8 一 女 山西太原人工程师博 士在 读1 9 9 9年毕业于 中国矿 业大学 北 京校 区 获工学 硕士 学位 现工作于中国矿业大学 北京信息工程研究所 很宽的带 宽 来 传 输数 据 。美 国联 邦 通信 委员 会 F C C 关于 UWB的定义为 r r、 了 2 0 或者总带宽 5 0 0 MHz j c 式中 、-厂 L 分别为功率较峰值功率下降 1 0 d B 时对应 的高端频率和低端频率 ，而不是通常所定义 的 3 d B带宽 ， ’ 为载波频率或 中心频率。 采用这么宽的频带能实现高速传送 的道理可用 仙农 引入 的信 道容量来 说明。在 可传输 的频 段 B 受限 ，而有噪音 产生误码 的信道 中，信道容量 C 由下式表示 D C Bl o g 2 1 1 1J 』 O 式中，B为信道带宽 ，N。为高斯 白噪声功率 谱密度，P为信号功率。由式 1 得知，最大传 输速度 C大致与信道 的带宽 B成正 比。可 以通过 增加信号功率 P的方式，来增加信道容量；也可 以通过增大传输带宽来实现。UWB技术就是通过 增大传输带宽来获得非常高的传输速率。 UWB最常用 的信号脉 冲是 高斯 单循环脉 冲。 理想的单循环脉冲时域 、频域特性如图 1 所示 。 单循环脉冲是宽带信号，中心频率和带宽完全 取决于脉冲宽度。从 图中可见 ，冲激脉冲通常采用 高斯单周期脉冲，宽度在纳秒级 ，具有很宽的频谱。 维普资讯 第 4期 刘晓阳等超宽带技术在矿井通信中的应用 图 1 2 GHz中心频率商斯脉冲 单循环脉 冲的时域 圈和功率谱 图 采用 UWB技术进行无线传输 ，具有如下的几 个优点 ①低功耗 。由于传输带宽很宽，所 以即使 发射功率很低 ，也能够做到高速传输 ，具有高传输 速率 ；②保密性好 。由于能量分布在非常宽的频带 上，UWB系统的发射功率谱密度非常低 ，有用信 息完全淹没在噪声中 ，使其具有很小 的截获概率， 被检测的概率也很低。③抗多径衰落。UWB系统 每次的脉冲发射时间很短，在反射渡到达之前 ，直 射波的发射和接收已经完成 ，因此 ，UWB系统特 别适合于高速移动环境下使用。④较低的系统复杂 性和成本 。通常采用无载波传输 ，UWB系统几乎 可以做成全数字化 。⑤与现有系统频谱共享 ，对现 有窄带通信系统有很低的干扰。 目前超宽带无线通信系统已成为短距离高速数 传 1 0 0 5 0 0 Mb p s 的首选 方案。UWB的 中心 频率 至 少 达 到 5 0 0 MHz ，按 照 F C C 的 规 定 从 3 ． 1 GHz 到 1 0 ． 6 GHz之间的 7 ． 5 GHz的带 宽频率 都将作为通信设备所使用 的频率范围。 不过，UWB通信系统 由于带宽很宽 ，如果在 室外无线环境中传输 ，信道条件复杂 ，另外随着传 输距离的增大，就会要求增大发射功率 ，这样也会 对现有通信系统 包括现有 的全球定位系统 GP S 产生一定 的干扰，所以 UWB通信主要用于室内无 线传输 。 而这些优点给 UWB技术在矿井 中的应用提供 了可能性。 2 超宽带在煤矿井下的应用研究 煤矿井下是一个复杂的、特殊的环境 ，井下的 通信不同于地面上现有 的通信 。电磁波在巷道 中传 播我径衰落严重 ，整机功耗又受到易燃易爆环境的 制约 ，无线通信在煤矿 井下 的应用存在 很大 的困 难 ，使得井下无线移动通信 的研究与应用远远落后 于地面移动通信。目前广泛应用于煤矿井下的通信 借助于有线才能实现，如漏泄通信 、中频感应通信 等，存在着设备制造成本高、抗干扰能力差，携带 不方便 、使用范围受到很大局限等问题 。根据超宽 带通信的特点 ，尤其是超宽带技术的低功耗 、短距 离的传输方法和抗多径衰落能力强的特点 ，使得超 宽带技术应用于煤矿井下无线通信 ，开发有效 、经 济和实用的通信系统，可以极大地改善矿井工作环 境和安全状况 ，提高生产率 ，将是一种新 的探索。 其研究可以从以下几个方面进行 1 相对地面的一般情况 ，在煤矿井下，频谱 使用有很宽松的限制，同时对传输数据速率的要求 也不是很高，也可以不必考虑提高发射功率对其它 窄带系统的干扰 ，因此可以利用超宽带信号带宽很 宽的特点来换取传输距离。而且降低传输速率仍可 满足井下一般移动通信和数据传输对速率和距离的 要求。例如，可 以适 当提高发送功率来增加传输距 离和减小接收复杂度；也可 以牺牲带宽来加强纠错 能力 ，以增大传输距离 。使超宽带技术用于煤矿井 下可以与地面一样实现短距离高速通信 ，也可以通 过提高功率或降低数据速率来提高传输距离，实现 远距离低速通信，解决煤矿井下 的无线通信问题。 研究超宽带信号在矿井巷道 中的传播特性 ，确定信 号必要的发射功率和、场强空间分布和有效 的传播 距离 ，确定满足矿井安全条件下和其他规范允许内 的最大发射功率 。 2 救灾通信及救生定位是超宽带技术应用于 煤矿井下的又一关键问题 。研究超宽带信号在矿井 巷道发生事故状态 下的传播特性 及可靠通 信 的问 题，如火灾、水灾 、塌方等恶性事故发生时 ，如何 让无线通信系统继续有效畅通 ，起到辅助救生抢险 的功能。 3 分析 目前基 于短脉 冲序 列的单 频段 系统 射频部件简单和较新提 出的多频段系统 性能 更好的超宽带收发系统 ，超宽带技术将有可能为 井下提供价格低廉而易于维护 的无线 电话 、定 位、 安全报警 、远程监控等最基本的安全保障系统和服 务 ，从而进一步降低系统的相对成本。 维普资讯 5 4 中 国 矿 业 第1 5 卷 4 研究设计适用于矿井巷道特殊环境 的超宽 带天线 包括外形和固件 。 5 研究终端及设备的井下防爆问题 ，这也是 超宽带技术应用于煤矿井下必须解决的问题 。 3结论 由于煤矿井下的工作环境非常恶劣 ，目前还未 发现在矿井通信中进行超宽带技术 的研究 。在 国内 外已经尝试将地面现有 的无线通信 系统延伸到煤矿 井下 ，如 G S M 和 C DMA。而研究超宽带无线通信 技术在煤矿井下通信中的应用对于解决煤矿井下限 定空问无线通信和确保矿井巷道在事故状态时的可 靠通信具有深远的意义。总之 ，利用具有特殊优越 性的超宽带技术 ，进行超宽带信号在矿井巷道中传 播的研究 ，不仅对 超宽带技术 本身是进一 步的完 善 ，同时可 以丰富煤矿井下特殊环境电磁波研究 的 理论及应用 ，具有十分广阔的应用前景。 I 参考文献 [ 1 ] 唐岚，王树勋等．超宽带无线传输技术 [ J ] ．吉林大学学报 工学版 ，2 0 0 4 4 3 3 1 3 3 5 ． [ z ] 郭继坤 ，孙继平．超宽带无线接人系统在矿井通讯 中应用的 研究 [ J ] ．煤矿 机电，2 0 0 4 5 8 7 9 1 ． 3 3 李会勇等．U WB在室内高速无线传输中的应用研究 E J ] ． 电于科技大学学报 ，2 0 0 3 1 2 6 0 4 6 0 7 ． 4 1 F c c P r e s s Re l e a s e[ E B ／ OL ] ． h t t p I／ ／ www．f e e ． g o v ／ B u r e a u s ／ E n g i n e e r i n g Te c h n o l o g y ／2 0 0 2 2 ． 上接第 4 7页 “ 十 五 ” 国 家 科 技 攻 关 计 划 重 大 项 目 2 0 0 1 B A6 0 9 A一0 8 中 “ 大 型深 凹露天矿 高效运 输及强化开采技术研究” ，采用 G P S和全站仪仪器 对水厂铁矿边坡不稳定部位进行实时监测。 监测网的布置形式 可分为正方格网、任意方 格网、十字交叉网、射线 网和基线 交点网等五种 。 采用何种监测 网要根据观测区的地形条件确定 。监 测点和基准点的设置见图 3所示。 图3 某铁矿 GP S监测系统布设示意图 N1 、N2 一为某铁矿原有高等 级 G P S基准 点 l B 1 、B 2 为某 铁矿 G P S监测基 准点；G1 、G1 4 一为首期 已布设 GP S监测 点；GP S为 随开采 陆续要布设的 G P S监测 点 由于静态观 测精 度高，一般 G P S形变监测均 采用双频静态定位方式，水厂铁矿采用 4台T r e m b l e G P S 3 0接收机进行 同步观测。至少有 1台架设 在基准站上，另外 3台在待测点或另一个基准点上 流动观测 ，最后求出流动站相对于基准站的相对关 系，以及每个流动站 的三维空间坐标 。由于静态双 频接收机的精度达到 3 raml p p m，在距离不远 的 情况下 ，基线的相对精度非常高 。本次布网为最大 程度地减小中误差 ，监测点和基准点之间的距离不 大于 2 k m，在此前提下 中误差在 4 ～5 mm之间。 对重要监测点 观测的时段为 2 h ，且需要 2个 或 2个 以上的观测时段 ，一般监测点为 1个观测时 段 ，段长为 1 小时 。监测数据可 自动处理 ，计算相 应的基线向量，并调出相位双差参差图，仔细观察 和研究其变化 ，对于波动起伏超过限差要求 的应进 行重新测量 。 根据 目前已布设 的一期 1 4个监测点及 2个基 准点，共 1 6个点 。每点设站 两次 ，4台 Tr e mb l e GP S 3 0接收机同时观测，可得到满足精度 的最少 观测时段数 为 8 ，总基线 数为 4 8 ，必 要基线数 为 1 5 ，独立基线数为 2 4 。 根据监测结果来看 ，对监测点的水平位移监测 可采用 GP S系统 ，误差小于 5 ram，因垂直方 向误 差大于 1 0 mm，因此采用 高精度全站仪对其 监测， 完全满足矿山边坡监测的需要。 。 3 结论 随着我国深凹露天矿开采深度的不断增加 ，矿 山边坡高度不断加大，特别是近年来 ，一些矿 山采 用并段靠帮工艺来提高最终边坡角，边坡稳定性的 控制和维护难度加大，若不及时采取监测措施 ，将 严重威胁着矿山的生存和发展。我国在边坡监测方 面与 国外矿山相比有一定的差距 ，相信，通过我国 广大科技人员的努力 ，在不远的几年 内，我国矿山 边坡监测的水平一定达到一个新的水平。 l 参考文献 1 ] 李军财．大型深凹露天矿山边坡稳定性分析及其控制综合技 术研究[ D ] ．北京科技大学 ，2 0 0 5 ． [ 2 ] 大型深凹露天矿高效运输系统的研究[ R ] ．北京科技大 学 ，2 0 0 4 ． C 3 ] 李军财 等．露天矿边坡监测的现状及 发展分 向 [ R ] ．第 4届 中国钢铁 年会 。2 0 0 5 ． 维普资讯