基于MIMO-OFDM的无线通信系统在煤炭矿井中的应用

梅 蓉，张友能

(1.安徽工贸职业技术学院电气与电子工程系， 安徽淮南 232007； 2.广东轻工职业技术学院机电技术学院， 广东广州 510300)

0 引言

21世纪以来，我国的能源需求量在与日俱增，虽然清洁高效的太阳能、水能与风能等已经走进了我们的日常生活，但是煤炭能源仍然是工业界的命脉，甚至一个国家煤炭资源的开采量可以间接地衡量一个国家工业发展的水平.在国内除了平朔等大型露天煤矿，大多数的煤炭开采主要以矿井的形式存在，而且多数分布于地下数十千米.随着煤炭的开采，矿井下的矿道错综复杂，矿道内会积聚大量的粉尘和水汽，甚至易燃易爆的气体，这些都极易导致煤矿的爆炸事故的发生.为了保证煤矿开采的安全性，需要通过矿井通信系统对井下的生产环境进行24 h监督，同时一套高性能的通信系统可以保证开采作业中的实时通信，可以极大的提高煤炭开采效率，甚至在矿难发生时，可以为井下救援工作提供良好的保障[1-2].

由于煤炭矿井位于地下数十千米的深度，而且矿道蜿蜒曲折，分叉较多，同时矿道内堆积着风机设备，钻井设备，大型电机设备，紧急救援设备等，导致地下矿井的空间狭小.早期的通信系统都是靠部署有线设备进行，显然在这样的环境中，有线通信系统部署难度大，而且后期的维护成本较高.随着近年来无线通信技术的发展，煤炭矿井迫切需要一套完整的无线通信系统，目前已有不少无线通信系统正在开发或者已经投入矿井的使用中，但是煤炭矿井因为环境的特殊性也会产生无线通信中意想不到的问题，比如由于矿井中粗糙的岩壁，大量的粉尘和水汽等，会使电磁波信号在传播过程中发生严重的反射、散射、衍射和折射等现象，进而形成多径效应.而多径效应会产生多普勒频移和时延扩展等使无线电波产生严重的失真，造成解码端误码率上升等多径衰落现象，严重影响矿井下的无线通信质量.为此，本文从理论的角度分析了煤炭矿井的环境特殊性和无线信道特殊性，结合无线通信领域先进的多输入多输出技术(Multiple Input Multiple Output，MIMO)和正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)，设计了基于MIMO+OFDM技术的矿井无线通信系统，实验证明我们的系统具有抗多径衰落的功能，可以结合实际案例，投入到真实的生产环境中.

1 矿井通信环境分析

煤炭矿井下的环境恶劣，矿道整体倾斜，在狭小的空间中存在着许许多多的分支和弯道.矿道整体依靠金属液压杆支撑，其中分布着各种大型机械和动力电缆.在煤炭开采过程中，矿道中还存在着密度较大的粉尘和易燃易爆气体等[3].

(1)地下的煤炭矿道并非一路笔直，实际情况是这样的，煤炭矿道会随着煤炭开采过程不断掘进，矿道走向也错综复杂，若采用有线设备进行通信，显然部署难度较大，而且对后期的维护工作也不太友好.同时在矿井中的通信属于移动环境下的通信，使用无线设备刚好满足了这一需求，大大方便了煤矿工人的井下协同作业.矿井下的通信方式也由早期的有线通信向无线通信逐步演进.

(2)由于煤炭矿井大多数位于地下数十千米深的地方，矿井深度越大，矿道的挖掘难度越高，因此，绝大部分的煤矿矿道空间狭小，这就要求位于其中的通信设施和通信天线的体积不能占据太大的空间.

(3)矿井中存在大量的重型机械和电机设备，这些设备的运作往往单一地依靠电能，在其工作过程中会产生严重的噪声干扰和较强的电磁场，对通信质量有较大的影响.

(4)由于通信所产生的电磁波会被煤炭矿井在开采过程中产生的大量煤炭粉尘和水汽所吸收，被凹凸不平的矿道岩壁和障碍物反射或折射，致使通信电磁波能量衰减，传输损耗增大，破坏了其原本的传输特性，导致多径衰落等现象.

2 矿井无线通信信道特征

(1)矿井下的通信存在严重的传输损耗，这是由于矿井下特殊的通信环境所造成.当通信电磁波在地下矿井中传播时，一方面会被空气中密度较大的煤炭粉尘和水汽所吸收，另一方面会被凹凸不平的矿道岩壁和障碍物反射，从而造成严重的传输损耗.

(2)矿井下的无线通信会产生严重的多径衰落现象.这是由于电磁波信号在矿道中传播的时候，会受到各种物体的反射、衍射、折射和散射等.最终到达通信接收端的时候，存在多条不同相位，甚至不同时差的电磁波信号，这些电磁波在合成时，同相位的电磁波正向叠加，不同相位的电磁波互相抵消，最终产生严重的多径衰落现象[4].

(3)矿井下的无线通信信道存在严重的噪声干扰.电能是煤炭开采的主要动力，矿井下的挖掘钻头，风机，矿井机车等主要设备都是靠电能驱动，并且集中在狭小的矿道中，会产生相互叠加的电磁辐射和电磁噪声，这将会对无线信道产生严重的干扰，甚至会使电磁信号产生严重的乱码和丢包[5].

3 矿井无线通信多径衰落分析

多径衰落对矿井下无线通信质量影响较大，该部分从理论的角度，分析用于描述多径衰落的主要参数[6-8].

3.1 多普勒频移

多普勒效应(Doppler effect)是由于波源发出者和波源接收者之间产生相对运动，而造成接收者接收到的频率与发出者发出的频率之间的有偏差的现象[9-10].而这个偏差也被称为多普勒频移或多普勒频展，表示为：

(1)

其中，v代表移动速度，λ代表电磁波的波长，θ代表电磁波与接收方移动方向的夹角，即多普勒频移受夹角θ的影响，当θ等于0的时候，f拥有最大值fm，该值被称为最大多普勒频移[11].如公式(2)所示，最大多普勒频移的倒数被定义为相干时间，相干时间T可以反映无线信道衰落的快慢，相干时间越长，表示信道的变化越慢；相干时间越小，表示信道的变化越快.

(2)

3.2 时延扩展

图1 多径效应示意图Fig.1 Schematic diagram of multipath effect

电磁波信号在进行多径传播时，由于各条路径的长度不同，即使是同一个发射源发出电磁波信号，接收端收到各条路径的电磁波信号的时间也是有差异的，我们将最后一个到达的时延信号(最大传输时延)和第一个到达的时延信号(最小传输时延)的差值定义为时延扩展，该时延扩展的指标是衡量多径信道衰减的重要指标，当时延扩展大于当前电磁波的码元宽度时，将会影响其左右码元(一个码元的波形将会叠加到其左右码元中)，造成码间串扰的现象[12-13].

由于信号发射源发出的电磁波信号经过不同路径达到接收端，因此接收端捕获到的电磁波信号较初始信号增强或衰弱，这种现象叫做多径效应，如图1所示[14].当电磁波信号经过多径信道传播后，所有传播信号都有不同程度的衰落，并且在传播过程中没有直射路径，此时接收端的信号强度服从瑞利分布，其分布的概率密度函数可以表示为：

(3)

其中r代表瑞利分布的随机变量值，σ2代表包络解调之前的平均功率.当电磁波信号经过多径信道传播后，如果某条信道中存在直射路径或者信号较强的路径，此时接收端的信号强度服从莱斯分布，其分布的概率密度函数可以表示为：

(4)

其中A代表直射路径或者较强信道的幅度峰值，I0代表0阶第一类贝塞尔函数.通常将A2(代表反射的功率)和2σ2(代表散射的功率)的比值定义为莱斯因子K，其数学表达式如下所示：

(5)

当A趋于0时，此时K也趋近于0，接收端信号强度的分布也有莱斯分布转换为瑞利分布；当K趋近于无穷大时，表示信道不受任何衰落的影响，这也是我们所希望的理想情况.

4 MIMO-OFDM无线通信系统架构

4.1 正交频分复用技术(OFDM)

图2 OFDM系统模型图Fig.2 OFDM system model diagram

OFDM是一种应用非常广泛的多载波调制技术.其基本原理是在信号的传播过程中，将高速数据流拆解为多条低速的子数据流，同时在每个信道上均使用子载波技术进行调制，允许子载波可以重叠一半并且相互正交，保证各条子流可以高效并行传播[15].这样的设计一方面可以巧妙地利用多信道传播时，单个符号周期的增加，进而减少时延扩展带来的时间弥散的影响.另一方面可以在传播信号中的各个符号之间插入间隔保护，有效地解决多径传播中的符号间相互干扰的问题，同时可以采用循环前缀作为间隔保护，进一步解决信道间相互干扰的问题.

OFDM的系统模型如图2所示，信号发射端首先将电磁信号的比特流经过特殊的信道编码和调制，将高速串行的数据流经过串行和并行变换模块，变换为若干个信道分路，这些信道分路再次经过IFFT(Inverse Fast Fourier Transform，快速傅里叶逆变换)模块，将频域的离散信号变成时域的离散信号,同时在传播信号的特定发射符号之前加入循环前缀，避免多径效应造成的码间干扰问题.这样经过特殊调制的信号经过无线信道的传播，最终达到接收端后，按照调制的逆过程进行解调，即可得到原始的发射信号[16].

4.2 多输入多输出技术(MIMO)

MIMO相比于单输入单输出技术，MIMO在发射端和接收端都采用多跟天线进行发射和接收，同时采用时空信号处理技术，充分利用了多径信道的复用和分集技术，建立了多路并行的传播信道，大大提升了无线通信的质量和效率[17-18].

图3 MIMO系统模型图Fig.3 MIMO system model diagram

MIMO的系统模型如图3所示，在发送端和接收端都采用多跟天线，信号发射端将产生的比特流经过MIMO编码器转换为多条子数据流，这些子数据流经过特殊的分配策略，被分配到不同的发射天线并发射出去.在接收端，多个接收天线将接收到的信号进行叠加，并通过MIMO解码器进行解码，最终得到原始的发射信号.

4.3 MIMO-OFDM系统架构

通过前面的分析，MIMO技术和OFDM技术都可以提高带宽效率，减少径衰落的问题.MIMO技术通过在发射端和接收端增加收发天线，充分利用了无线信道的多径传播特性，在空间上产生了多条独立且并行的传输通路，增加了无线信道的容量，大大提高了无线通信的质量和效率.OFDM技术则将高速数据流信道拆解为多个平坦的衰落信道，大大减少了多径衰落对通信质量的消极影响.为此，本研究将MIMO技术和OFDM技术相结合，建立MOMO-OFDM系统模型，解决矿井中无线信道的多径衰落问题[19-20].

基于MIMO-OFDM技术的无线通信系统如图4所示，在信号的发射源产生的比特流数据，经过Turbo编码器，交织模块，QAM调制模块以及空时编码模块，转换为多条信道路径输出.同时每条信道路径经过串并转换模块，快速傅里叶逆变换模块将频域的离散信号变成时域的离散信号，最后为了避免码间干扰问题，在特定的发射符号之间加入间隔保护的循环前缀，并通过制定的发射天线将该条路径的调制信号发射出去，不同路径的调制信号由相应的发射天线发射.发射端发出的多条信号经过无线衰落信道后，由接收端的各条天线接收，对各条信号逐一进行去循环前缀与快速傅里叶逆变换等，将时域的离散信号变成频域的离散信号，并通过QAM解调，接交织等模块将各条信道的无线信号进行叠加，最终得到发射端的发射信号.

图4 基于MIMO-OFDM的无线通信系统架构Fig.4 Wireless communication system architecture based on MIMO-OFDM

5 仿真结果与分析

通过前述对煤炭矿井的通信环境和无线信道的分析，可知多径衰落现象是影响矿井无线通信质量的关键因素，多径衰落现象增加了无线信号的误码率，大大降低了通信的准确性和可靠性.而瑞利模型可以描述由于障碍物阻隔或者信号传播中产生反射，折射等现象造成的多径衰落信道.为此，本研究采用瑞利信道多径衰落模型模拟煤炭矿井下复杂的无线信道，并采用MIMO-OFDM技术解决该场景下的多径衰落问题.

本研究采用MATLAB软件进行仿真模拟实验，按照图4的系统架构，采用QAM调制解调方式和正交的空时编解码，同时设定信道的多径数目为4，分别测试发送端和接收端天线数目为1，2，3时的无线通信系统的误码率.如图5所示，在发射和接收天线数目一致的多径通信信道中，随着收发天线数目的增加，MIMO+OFDM的无线通信系统的误码率逐渐降底，意味着多径衰落现象逐步降低，无线通信质量越高，同时证明了本研究基于MIMO+OFDM技术的无线通信系统具有抗多径衰落的功能.

接下来，本研究采取上述实验设定的参数，将发射天线和接收天线的数目设定为2，分别测试无线多径信道数目分别在2，4，6情况下，MIMO+OFDM无线通信系统的误码率.由图6所示，在发射天线和接收天线数目均为2的情况下，随着多径信道的数目增多，MIMO+OFDM的无线通信系统的误码率逐渐降低，证明了我们基于MIMO+OFDM技术的无线通信系统具有抗多径衰落的功能.

图5 不同收发天线数目下的信号误码率Fig.5 Signal error rate under differentnumbers of transmitting and receiving antennas图6 不同多径信道数目下的信号误码率Fig.6 Signal error rate under differentnumber of multipath channels