煤矿井下无线Mesh通信系统设计

魏正华， 叶小兰

(1.长沙民政职业技术学院 电子信息工程学院， 湖南 长沙 410000；2.长沙环境保护职业技术学院 环境监测系， 湖南 长沙 410000)

0 引言

随着无线通信技术和物联网技术不断进步，传统的矿井监测系统向矿井感知系统方向发展。矿井感知系统具备实时监控井下工作人员安全、井下环境、矿用生产机电设备运行状态的能力，而煤矿井下高速率数据传输的无线通信系统是实现矿井感知系统的关键，可为井下工作人员定位、灾害预防、视频监控、数字广播救助和采矿设备运行异常检修等提供宽带数据保障[1-2]。

我国矿井无线通信主要有ZigBee、漏泄通信、甚低频通信、WiFi[3]。ZigBee传输速率高，但抗干扰能力弱、传输距离短。漏泄通信传输质量高、频带宽、容量大，但容易受到馈线布线限制导致灵活性不够，且线缆易被损坏。甚低频通信信号穿透力强，但频率太低易受工业电磁干扰，发射天线尺寸过大、设备运行功耗大和传输距离短限制了其应用。WiFi可实现高吞吐速率传输，且能通过AP中继转发技术延长通信距离，但AP中继转发4跳后，数据传输性能急剧下降。上述通信技术在煤矿井下特殊空间及多变工作环境下无法同时满足高吞吐速率、远距离传输、组网灵活、安装部署简单等需求。

近年来，无线Mesh技术在煤矿井下通信中的应用得到关注。无线Mesh网络[4-8]的每个通信节点在网络中地位平等，任意2节点间宽带数据相互传递，具有部署快速和易于安装、非视距传输、自愈能力强、鲁棒性强、结构灵活、带宽高等优点，并可与其他网络协同通信，特别适合在煤矿井下临时多变的移动场合使用。因此，本文设计了一种煤矿井下无线Mesh通信系统。

1 系统部署

实际的煤矿井下无线Mesh网络节点部署较为复杂，为简化网络部署，给出单一巷道的无线Mesh网络节点分布，如图1所示。指挥中心通过工业以太网接入矿井巷道内临近的任一Mesh网络节点;在矿井巷道边沿安装固定无线Mesh网络节点作为远距离多跳数据转发中继点,任意2节点间尽可能直线部署，以降低信道传输损耗;确定整个网络固定节点的个数时要考虑到尽量减少远距离传输多跳次数、节点损坏网络的自愈性、功耗等因素。移动Mesh网络节点可安装在矿车或工作人员身上，工作人员携带的移动Mesh网络节点可加装摄像头和通话器,用于联系指挥中心。

图1 单一巷道的无线Mesh网络节点分布Fig.1 Distribution of wireless Mesh network nodes in a single roadway

2 系统硬件设计

煤矿井下无线Mesh网络节点硬件采用模块化设计，由基带板和射频前端构成。基带板主要实现数字波形生成、支持嵌入式系统管理信息交互、接收信号自动增益控制(Automatic Gain Control，AGC)功能；射频前端主要实现将射频发送信号强度放大到目标功率。

2.1 基带板

基带板包括基带区、射频区和接口区，如图2所示。基带区主要包括核心处理电路和AD9361软件无线电模块。核心处理电路中的处理器为Zynq-7045高端异构多核芯片，该芯片集成了ARM Cortex-A9和Kintex-7架构FPGA的双核资源，具有高性能数字处理能力，其中ARM Cortex-A9为芯片的PS(Processing System)功能区，Kintex-7架构FPGA为芯片的PL(Programmable Logic)功能区。AD9361软件无线电模块为软件可编程的2×2射频收发器，收发频率在0.07～6 GHz范围内任意配置；工作模式为时分双工(Time Division Duplex，TDD)，AD9361中的发送信道将Zynq-7045中的基带正交调制(In-phase/Quadrature，I/Q)信号调制到载波上，AD9361中的接收信道将接收到的射频信号解调为基带I/Q信号并送入Zynq-7045中处理。

射频区的射频收发信道链路与AD9361连接，工作方式为TDD。当射频区处在发射状态时，发射链路对射频信号进行放大滤波处理，由于AD9361内部数字衰减器可编程控制，合理设计射频区发送链路上放大器增益，确保经过射频开关后的射频输出信号最大平均功率达到20 dBm；当射频区处在接收状态时，射频区接收链路与AD9361(内部接收配置为增益控制模式)协同工作,对接收的小信号实现AGC。AD9361内部增益控制如图3所示，射频区接收链路上的AGC关系如图4所示。AGC主要目的是在接收弱信号时增加射频链路的接收增益，当接收信号过大时自动降低增益，确保进入模数转换器的无线接收信号强度相对稳定。网络节点射频接收的主要性能指标是接收灵敏度，假设基带数字解调最小信噪比为7 dB，信号带宽为8 MHz，整机接收链路噪声系数为4 dB，根据式(1)和式(2)，计算得到接收灵敏度为-94 dBm。

图2 基带板结构Fig.2 Baseband board structure

P=ρ′+10lgB/Hz+F+SNR

(1)

(2)

式中:P为接收灵敏度；ρ′为室温下的热噪声功率密度，ρ′=-174 dBm/Hz；B为信号带宽；F为噪声系数；SNR为最小的信号解调信噪比；Fi为接收信道上第i(i=1,2,…,n,n为级数)级的噪声系数;Gi为第i(i=1,2,…,n-1)级的增益[9-12]。

2.2 射频前端

煤矿井下的水平巷道、倾斜巷道和弯曲巷道造成无线信号传输衰减[13-14]，由文献[15]中煤矿井下Mesh通信系统各载波频点在水平巷道、倾斜巷道、弯曲巷道的实测信号衰减数据可知：在距离巷道500 m左右，1 440 MHz频点无线信号的最大衰减为80 dB。分析上述数据，本文设计的煤矿井下无线Mesh网络节点如选用1 440 MHz为无线信号载波频点，经过80 dB衰减后射频前端的接收信号强度大于接收灵敏度，因此,本文选37 dBm作为发射输出的平均功率指标，以确保网络节点在500 m距离内进行高吞吐速率的数字通信。

(a) AD9361内部增益与接收信号强度关系

(b) AD9361内部ADC的输入信号与接收信号强度关系

图4 基带射频区接收链路上的AGC关系Fig.4 AGC relationship on the receiving link of the baseband RF area

由于基带的射频链路最大平均输出功率只有20 dBm，本文设计的射频前端主要作用是对峰均比(Peak-to-Average Ratio，PAR)为7 dB的已调射频发送信号进行线性功率放大，使射频信号平均发送功率达到37 dBm。射频前端的组成如图5所示。

图5 射频前端组成Fig.5 RF front-end composition

射频前端的工作模式为TDD。当基带板给出发送控制信号时，射频开关1切换到发送链路，射频开关2切换到50 Ω电阻作为环形器的匹配电阻，基带板输出的最大射频信号从前端射频接口进入，经过衰减器小幅度衰减后，再经过功率放大器(Power Amplifier，PA)放大到目标功率，最后进入环形器和低通滤波器，由天线辐射到外部空间中。发送链路中的衰减器是由3个电阻构成的π型结构衰减器，调试时根据PA实际的增益值，配置合适的衰减值，调节整个发送链路的增益。通过低通滤波器滤除射频信号经过PA功率放大生成的谐波信号。进行PA设计时，要注意PA的线性增益要大于17 dB才能使发射信号经过低通滤波器滤除谐波后的功率达到37 dBm。经过基带调制的射频信号有7 dB的PAR，因此,PA的输出1 dB压缩点(P1dB)至少要达到45 dBm,否则射频信号失真，接收端无法解调已失真信号，从而降低网络节点的数据吞吐速率。

当基带板给出接收控制信号时，天线接收的无线信号经过低通滤波器和环形器，环形器将射频信号送入到射频开关2，射频开关2切换到与射频开关1连接的射频微带线上，最后射频开关1将信号送入射频接口并输出到基带板内。射频前端的接收链路未处理射频接收信号，由于射频接收信号经过低通滤波器、环形器、射频开关1、射频开关2及微带线会产生插入损耗，恶化接收灵敏度指标，实际应用中要尽可能选择插入损耗小的相关器件。

3 系统软件设计

煤矿井下无线Mesh网络节点软件架构如图6所示。主控模块、组网模块和Linux嵌入式操作系统软件运行在Zynq-7045内核用户层；接口控制、网络协议和波形状态控制程序运行在Zynq-7045硬件平台中的PS和PL功能区，底层的物理层信号处理包括组帧/解帧、编译码、调制/解调、信道估计和均衡。本文采用编码正交频分复用(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing，COFDM)调制方式处理底层数字波形信号，星座图调制为BPSK/QPSK/16QAM/64QAM自适应调整，可根据丢包率自动调整调制方式，从而改变速率以确保数据吞吐速率的稳定性。

图6 软件架构Fig.6 Software architecture

软件采用模块化和分层设计，主要分为主控模块处理、数据发送、数据接收流程，如图7所示。

(a) 主控模块处理流程

(b) 数据发送流程

(c) 数据接收流程

4 系统测试

射频前端实物如图8所示。PTT为TDD工作模式下的收发控制端口；RF为基带板与射频前端连接的射频口；ANT为天线接口。

使用连续波和20 MHz的LTE信号作为射频前端的输入信号用于测试射频前端的输出性能(20 MHz LTE信号是PAR为8 dB的宽带数字信号，能够验证本文设计射频前端对高PAR信号的输出能力),射频前端发射链路测试数据见表1。由表1可知，射频前端发射增益大于17 dB，通过调整AD9361的发射平均输出功率可确保系统节点平均输出功率为37 dBm；采用LTE信号验证射频前端发射的邻信道功率比小于-43 dBc，表明PA具有良好的线性度。

图8 射频前端实物Fig.8 RF front-end objects

测试显示接收链路的插入损耗<1.8 dB，对接收灵敏度恶化较小，收发切换时间<1 μs，满足高吞吐速率下对于射频前端的快速收发需求。

无线Mesh通信系统网络节点实物如图9所示。按照图1中A、B、C、D、E位置部署5个Mesh网络节点，其余节点处于关闭状态，进行多跳通信实验。通过节点IP地址Ping数据包方式测试煤矿井下入口位置A点与煤矿井下工作面E点间数据吞吐速率和通话质量，测试中相邻节点间距离不超过500 m，节点所在巷道总长不超过2 000 m。

表1 射频前端发射链路测试数据Table 1 RF front-end emission link test data

图9 无线Mesh通信系统网络节点实物Fig.9 Wireless Mesh communication system network node in kind

为衡量通话效果，采用1～5等级表征通话质量，其中5表示通话质量最佳，1表示通话质量最差。由于煤矿井下不同时间段工况不同，导致通信效果不同，选择9点、10点、15点、16点4个时间点分别测试A,E节点之间的吞吐速率和通话效果，结果如图10和图11所示。

从图10和图11可看出，在不同时间下，A、E节点之间数据平均吞吐速率都不小于45 Mbit/s，满足煤矿井下监控视频传输不卡顿的需求；通话质量等级≥3，在大部分工作时段内通话比较清晰。

图10 平均吞吐速率Fig.10 Average throughput rate

图11 通话质量Fig.11 Quality of call

5 结语

设计了一种煤矿井下无线Mesh通信系统，介绍了该系统网络节点在煤矿井下的部署及软硬件设计方案。测试结果表明：① 当射频前端发射增益>17 dB时，调整AD9361的发射平均输出功率可使系统平均输出功率为37 dBm；② 射频前端发射的邻信道功率比<-43 dBc，表明PA具有良好的线性度；③ 射频前端接收链路插入损耗<1.8 dB，收发切换时间小于1 μs；④ 平均吞吐速率≥45 Mbit/s；⑤ 通话质量等级≥3。