煤矿井下无线调制技术仿真及性能分析

王艳丽

（渭南师范学院 数学与信息科学学院，陕西 渭南 714000）

煤矿井下无线调制技术仿真及性能分析

王艳丽

（渭南师范学院 数学与信息科学学院，陕西 渭南 714000）

基于矿井巷道宽带信道统计模型，研究在2.4 GHz和1.8 GHz频段下直接序列扩频码分多址接入（DS-CDMA）、多载波直接序列扩频码分多址接入（MC-DS-CDMA）和正交频分复用（OFDM）调制技术在矿井巷道中的参数选取，仿真对比各种调制技术对矿井巷道无线通信系统性能影响，解决无线通信多径衰落等问题。实验结果表明：传输距离在30 m以内时，DS-CDMA系统和MC-DS-CDMA系统表现出较好的性能。进行长距离通信时，OFDM系统整体性能平缓。

矿井通信；无线调制技术；MATLAB；误码率

建立高效、高产及安全矿井是当今矿业领域的发展主流，煤炭工业的健康可持续发展，离不开煤矿监控与通信。矿井通信的研究可以有效提高井下人员安全的可靠性，并在灾害发生时开展有效施救，对保护生命安全和国家财产具有十分重要的意义。矿井环境非常复杂，与地面无线通信相比，煤矿井下分布着大量的狭长巷道，电磁波传播会被煤层、岩石、土壤等组成的巷道四壁所吸收[1]，粗糙巷道壁和障碍物会导致电磁波发生多次反射，到达接收机端的信号为大量经过反射、绕射 和散射的多径信号叠加，造成接收信号幅度的大范围波动。多径传播将形成严重的码间干扰（ISI），大大降低系统的性能。建立符合井下环境的信道模型并寻找适合井下通信的安全高效传输技术对煤矿井下高速数字无线通信有着十分重要的意义，对其他受限空间的研究有一定的参考价值。

本文在以往研究的基础上[2-4]，对矿井巷道无线信道特征展开研究，建立矿井信道统计模型；基于信道统计模型，分析不同调制技术的特点，进而选取井下无线通信的最佳传输方案，深入研究典型无线调制技术对煤矿井下无线通信系统性能的影响，为建立可靠的井下无线通信系统奠定基础。

1 矿井巷道信道模型建立

实验场地选取新疆石梯子西沟煤矿，巷道延伸100 m（图1中①—⑤所示水平距离），宽3 m左右，高度3 m左右，具体分布如图1所示。

采用矢量网络分析仪对信号强度和相位在频域内进行分析，结果如图2所示。

从图2中可以看出，井下无线信道传播环境复杂，巷道存在反射和散射路径，同时由于巷道壁的粗糙和倾斜等因素，多径效应使得传输信号发生频率选择性衰落，相位分布在没有发生深度衰落的情况下呈线性，矿井的传输环境以及载波频率对多径幅度分布产生影响。

基于以上分析，多径数目、多径幅度、时延和相位都是影响信道模型建立的影响因素。为了能准确的体现矿井巷道的特征，采用泊松分布描述多径到达时间[5]，假定多径相位为（0，2π）之间的均匀分布，建立利用时不变冲激响应信道模型来表示的矿井巷道信道统计模型，即

图1 煤矿巷道分布示意图Fig.1 Schematic diagram of the mine tunnel

图2 频域内信号强度和相位图Fig.2 The diagram of signal strength and phase in frequency domain

其中，N为多径数，rk、τk、θk分别为多径的幅度、延时和相位，δ（·）为狄里克雷函数。

根据前面的分析，多径幅度rk服从参数可变的Nakagami分布，m的取值范围是1≤m≤4，m的取值与收发天线在巷道中的相对位置、收发天线之间的距离、巷道截面大小以及载波频率有关。

2 仿真参数的选取

表1和表2分别列出了中心频率为2.4GHz和1.8GHz情况下的DS-CDMA、MC-DS-CDMA、OFDM系统仿真参数的选取。

MC-DS-CDMA系统中，在设定的仿真参数下各子载波信号的持续时间远大于矿井无线信道的最大时延扩展，保证了各子载波信号经历的是平坦衰落。

OFDM系统参数：

表1 中心频率为2.4 GHz的不同系统不同巷道仿真参数[6-7]Tab.1 The simulation parameters of different systems and tunnel in center frequency of 2.4 GHz

表2 中心频率为1.8 GHz的不同系统不同巷道仿真参数[6-7]Tab.1 The simu lation parameters of different systems and tunnel in center frequency of 1.8 GHz

1）当通信频段是2.4 GHz时

空直巷道中，保护间隔的长度选为矿井巷道均方根时延扩展的4倍，即80 ns×4=320 ns，符号周期为保护间隔的5倍，即320 ns×5=1 600 ns。假设采用BPSK调制，其调制信息的比特速率分别为10 Mb/s、20 Mb/s，则每个OFDM符号传输的比特数分别为 （10 Mb/s）/（1/1 600 ns）、（20 Mb/s）/（1/1 600 ns），每个OFDM符号需要的子载波个数分别为16、32个。

弯曲巷道中，保护间隔的长度选为矿井巷道均方根时延扩展的4倍，即30 ns×4=120 ns，符号周期为保护间隔的5倍，即120 ns×5=600 ns。假设BPSK调制信息的比特速率分别为10 Mb/s、20 Mb/s，则每个OFDM符号传输的比特数分别为 （10 Mb/s）/（1/600 ns）、（20 Mb/s）/（1/600 ns），每个OFDM符号需要的子载波数分别为6、12个。

2）当通信频段是1.8 GHz时

空直巷道中，保护间隔的长度选为矿井巷道均方根时延扩展的4倍，即70 ns×4=280 ns；符号周期为保护间隔的5倍，即280 ns×5=1 400 ns。假设采用BPSK调制，其调制信息的比特速率分别为10 Mb/s、20 Mb/s，则每个OFDM符号传输的比特数分别为 （10 Mb/s）/（1/1400 ns）、（20 Mb/s）/（1/1 400 ns），每个OFDM符号需要的子载波个数分别为14、28个。

弯曲巷道中，保护间隔的长度选为矿井巷道均方根时延扩展的4倍，即20 ns×4=80 ns，符号周期为保护间隔的5倍，即80 ns×5=400 ns。假设BPSK调制信息的比特速率分别为10 Mb/s、20 Mb/s，则每个OFDM符号传输的比特数分别为（10 Mb/s）/（1/400 ns）、（20 Mb/s）/（1/400 ns），每个OFDM符号需要的子载波个数分别为4、8个。

3 矿井巷道中几种调制技术的误码率性能比较

在矿井巷道环境下，对DS-CDMA、MC-DS-CDMA和OFDM调制技术进行仿真比较。设定通信频段分别为2.4GHz和1.8 GHz，传输速率限定为10 Mb/s，采用BPSK调制方式进行符号映射，移动台移动速率为10 km/h。

实验一：设定2.4 GHz中心频率在空直巷道和弯曲巷道的均方根时延扩展分别为80 ns和30 ns。DS-CDMA系统在空直巷道中可分离4条多径；在弯曲巷道中可分离2条多径。设定MC-DS-CDMA系统的扩频增益为32，子载波数为16，保证各子载波信号经历的是平坦衰落。OFDM系统在空直巷道和弯曲巷道中的保护间隔长度分别选取320 ns和120 ns，符号周期分别选取1 600 ns和600 ns，可以有效避免多径时延扩展引起的码间干扰。

图3（a）、（b）分别为通信频段2.4 GHz时，空直巷道和弯曲巷道中各通信系统性能仿真结果。

图3 2.4 GHz各通信系统性能比较Fig.3 The performance comparison of various communication systems in 2.4 GHz

从图3中看出，传输距离在30米以内时，DS-CDMA系统、MC-DS-CDMA系统在空直巷道中误码率达到了10-3数量级，在弯曲巷道中接近于10-2，近距离通信表现出较好的误码率性能。而随着传输距离的不断增加，DS-CDMA系统和MC-DS-CDMA系统的误码率性能不断下降，但OFDM系统的误码率性能表现比较平缓。

实验二：设定1.8 GHz中心频率在空直巷道和弯曲巷道的均方根时延扩展分别为50 ns和20 ns。DS-CDMA系统在空直巷道中可分离2条多径；在弯曲巷道中可分离1条多径。OFDM系统在空直巷道和弯曲巷道中的保护间隔长度分别选取200 ns和80 ns，符号周期分别选取1 000 ns和400 ns。其他参数设定和实验一中相同。

图4 1.8 GHz各通信系统性能比较Fig.4 The performance comparison of various communication systems in 1.8 GHz

图4（a）、（b）分别是1.8 GHz中心频率各通信系统在空直巷道和弯曲巷道下的BER性能仿真结果。从图4中可以看出，在通信距离较近的情况下，如25米以内，DS-CDMA系统和MC-DS-CDMA系统的误码率在空直巷道中可以达到10-4，在弯曲巷道中可以达到10-3，无论是在空直巷道还是弯曲巷道中，近距离通信时，MC-DS-CDMA系统始终表现出良好的误码性能。随着通信距离的增加，OFDM系统表现出良好的误码性能。

实验三：仿真比较各通信系统在2.4 GHz和1.8 GHz通信频段的性能，结果由图5和图6给出。

图5 空直巷道中各通信系统的误码率性能比较Fig.5 BER performance comparison of the various communication systems in empty straight roadway

从图5、图6中可以看出，在实验所设定的通信速率下，均方根时延扩展比较小的1.8 GHz系统的误码率性能优于2.4 GHz系统的误码率性能。MC-DS-CDMA系统近距离通信时表现出较好的误码率性能。随着传输距离的不断增加，DSCDMA系统和MC-DS-CDMA系统的误码率性能不断下降，但OFDM系统的误码率性能表现的比较平缓。主要原因是OFDM技术采用插入保护间隔和循环前缀的方法避免码间干扰和多径衰落，所以，长距离的通信也能保证拥有良好的误码率性能。

图6 弯曲巷道中各通信系统的误码率性能比较Fig.6 BER performance comparison of the various communication systems in Curved roadway

4 结 论

基于矿井信道统计模型，研究对比DS-CDMA系统、MCDS-CDMA系统和OFDM系统在矿井巷道环境下的通信性能。DS-CDMA系统分离的多径数目与载波频率相关，载波频率高的系统分离出的信号多径数目多；MC-DS-CDMA系统在巷道中经历的是平坦衰落，消除了多径信号的干扰。MCDS-CDMA系统适合于近距离通信；OFDM技术具有对抗多径的特点，适合于井下无线通信，特别是远距离传输时，具有更好的系统性能。

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Simulation research of w ireless modulation in m ine tunnel

WANG Yan-li
（College of Mathematics and Information Science，Weinan Normal University，Weinan 714000，China）

Based on the statistics channel model of mine for wideband radio wave，selection of parameters were discussed including direct sequence code-division multi-access（DS-CDMA），multiple carrier direct sequence code-division multi-access（MC-DS-CDMA）and orthogonal frequency division multiplexing（OFDM）in 2.4GHz and 1.8GHz bands.The BER performance of the transmission technology in mine tunnel was simulated.The simulation results show that:MC-DS-CDMA and DS-CDMA have better performance in case of short distances；OFDM is suitable for long distance communication and solves the problems of multi-path fading caused by the underground communication environment of mine tunnel.

mine tunnel communication；wireless modulation technology；MATLAB；BER

TN929，TP391.9

A

1674－6236（2015）07-0171-04

2014-07-18 稿件编号：201407147

陕西省教育厅科研计划项目资助（2013JK1071）；渭南师范学院大学生创新创业训练计划项目（2014XK096）

王艳丽（1978—），女，陕西咸阳人，硕士，讲师。研究方向：通信信号处理、无线网络技术。