邱德潤

(湖南文理學(xué)院 芙蓉學(xué)院, 湖南 常德, 415000)

基于分布式MIMO系統(tǒng)的井下分布式智能小區(qū)認知通信方案

邱德潤

(湖南文理學(xué)院 芙蓉學(xué)院, 湖南 常德, 415000)

井下無線通信是礦井安全生產(chǎn)和信息化管理的重要組成部分. 針對目前井下無線通信環(huán)境惡劣、通信性能不穩(wěn)定的現(xiàn)狀，基于分布式MIMO系統(tǒng)，采用雙基站、雙系統(tǒng)控制模塊結(jié)構(gòu)，利用群切換思想, 提出了井下分布式智能小區(qū)認知通信方案. 移動終端根據(jù)自適應(yīng)原理、采用閉環(huán)功率控制，按照小區(qū)重組條件自動尋找、選擇，及時建立質(zhì)量更好的智能小區(qū)認知通信，使用戶始終處于智能小區(qū)的中心, 明顯提高了井下通信的質(zhì)量和容量，確保了井下生產(chǎn)安全的通信暢通無阻.

雙基站、雙系統(tǒng)控制模塊；群切換；智能小區(qū)認知通信；功率控制

1 井下無線通信的環(huán)境與現(xiàn)狀

1.1 井下無線通信的環(huán)境

井下無線通信屬于非自由空間的通信. 由于井下巷道可長達數(shù)十千米、分布復(fù)雜(長巷道有很多拐彎)，而且這些巷道的形狀、分支、長度、彎曲障礙物、傾斜程度、金屬支護以及設(shè)備通過等因素均可使電磁波在井下的傳輸產(chǎn)生嚴重損耗(一個直角拐彎即可使電磁波的傳輸距離幾乎縮短一半)，可見井下無線通信的環(huán)境是很惡劣的，更何況井下作業(yè)具有生產(chǎn)程序多、作業(yè)地點分散、工作環(huán)境惡劣、人員的流動性大等特點, 這些都給井下通信的可靠性帶來惡劣影響.

1.2 井下無線信道的模型

研究表明[1]：微波段電磁波信號在隧道中傳播會發(fā)生多次折射和反射(多徑傳播)，使傳輸信號出現(xiàn)頻率選擇性衰落和時延擴展，產(chǎn)生碼間干擾；此外，隧道中車輛運動所產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)也會影響無線信號的傳播. 由于礦井隧道比較狹窄，且分布于不同的水平面，截面尺寸通常僅在幾十平方米內(nèi)，何況巷道壁四周均為巖石和煤層，粗糙不平，隧道中還分布著大量粉塵、采煤支架、機電設(shè)備、鋼軌、動力線等, 所有這些都使得這種環(huán)境中的無線電波傳播會產(chǎn)生嚴重衰減.

由文獻[2]對井下實驗結(jié)果的分析可知，井下地質(zhì)條件和生產(chǎn)環(huán)境對電磁波信號具有頻率選擇性衰減，在沒有金屬導(dǎo)體的條件下，礦井巷道對電磁波信號的傳播呈現(xiàn)圖1所示的帶阻型特性.

圖1 井下巷道中電磁波信號的傳輸特性

由圖1曲線可知：從甚低頻段到中頻段的低端，信號的衰減隨頻率的增大而增大，而且在中頻段高端到高頻段達到最大，最不利于傳輸；進入甚高頻以后，衰減才隨信號頻率的上升而減小.

文獻[3]在將井下無線信道等效為指數(shù)衰落信道. 考慮巷道的截面大小、巷壁介質(zhì)、幾何形狀、設(shè)備設(shè)施布置和移動設(shè)備流量等因素時，給出近似估算井下電磁波衰減率的公式[4]為：式(1)中:kh為統(tǒng)計常數(shù)；λ為電磁波波長；a為巷道寬度方向的最大值；b為巷道高度方向的最大值；εr為介電常數(shù).

由式(1)可知, 電磁波的衰減率同巷道的寬和高的3次方成反比. 巷道尺寸越大，傳播空間越寬闊,電磁波的衰減率越?。幌锏莱叽缭叫?，傳播空間越狹窄, 電磁波的衰減率越大. 在巷道尺寸、傳播空間相同的情況下, 電磁波的頻率越高, 衰減率越?。挥绕洚斚锏澜孛孑^大而且平直時, 波導(dǎo)效應(yīng)將使UHF中較高頻段電磁波的傳輸距離大大增加，但彎曲巷道對高頻段電磁波的衰減很嚴重, 而低頻段電磁波的覆蓋則相對好一些.

1.3 井下無線通信的現(xiàn)狀

井下無線通信系統(tǒng)是礦井安全生產(chǎn)和信息化管理的重要組成部分[3-4].

我國煤礦井下使用的通信系統(tǒng)主要有礦用超低頻透地通信、中頻感應(yīng)通信系統(tǒng)、井下載波通信、礦用漏泄通信系統(tǒng)以及小區(qū)域制礦井全雙工蜂窩無線通信系統(tǒng)等.

礦用超低頻透地通信以大地為電磁波的傳播介質(zhì)，存在容量小、功能少、頻率低、電磁干擾嚴重等缺點.

中頻感應(yīng)通信系統(tǒng)借助專用感應(yīng)線或原有的通信線感應(yīng)、引導(dǎo)電磁波傳輸, 限于局部通信，存在信道穩(wěn)定性差、信號衰減嚴重、電磁干擾大等缺點.

井下載波通信采用頻分復(fù)用技術(shù), 利用通信線路、低壓動力電纜等進行語音和小流量監(jiān)測數(shù)據(jù)通信, 但存在有效通信距離較短, 受載體負荷干擾較大等缺點.

礦用漏泄通信系統(tǒng)利用漏泄電纜的漏泄原理傳輸超高頻信號實現(xiàn)礦井無線通信, 具有信道相對較穩(wěn)定、電磁干擾相對較小等優(yōu)點, 但存在靈活性差、抗災(zāi)害能力差、抗干擾能力不強等缺點.

小區(qū)域制礦井全雙工蜂窩無線通信系統(tǒng)包括PHS(Personal Handy-phone System)、CDMA(Code Division Multiple Access，碼分多址)、WIFI(Wireless Fidelity，無線保真)等，將地面蜂窩移動通信技術(shù)移植到煤礦井下，將全礦井服務(wù)范圍化為若干個微小區(qū)，各小區(qū)基站則由地面專用交換機控制，但仍存在通信性能欠穩(wěn)定、抗干擾能力不強等缺點.

其中，井下PHS無線通信(2003年獲得煤安認證)屬于微蜂窩網(wǎng)無線通信, 工作在1 900～1 905 MHz頻段, 穿透能力較差、通信性能欠穩(wěn)定.

CDMA(2007年獲得煤安認證)是基于擴頻的無線通信技術(shù)，用一個高速偽隨機碼調(diào)制、擴展窄帶數(shù)據(jù)信號的帶寬，接收端則用完全相同的偽隨機碼將寬帶信號解擴、轉(zhuǎn)換成原窄帶數(shù)據(jù)信號. CDMA主要用于語音通信、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)監(jiān)測和圖像傳輸?shù)确矫?，可采用軟切換技術(shù)降低掉話率、提高通信質(zhì)量.

WIFI俗稱無線寬帶(2007年獲得煤安認證)，是IEEE在1997年提出802.11無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)范的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的, 其無線傳輸速度較高(11 Mbps)，可用于礦井無線通信、人員定位、數(shù)據(jù)測控、視頻傳輸、多媒體通信等，目前尚未普及. 要滿足礦井安全生產(chǎn)對通信的要求，尚需向智能(認知)方面改進.

綜上所述，目前礦井所使用的通信系統(tǒng)均存在因環(huán)境惡劣引起的通信系統(tǒng)性能(通信距離、質(zhì)量、掉話等)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，不論在功能上還是在技術(shù)上均難以滿足礦井安全生產(chǎn)對通信的要求，成為近年來煤礦安全事故頻發(fā)的主要原因之一. 因此，為了保證煤礦生產(chǎn)的安全，建立有效、可靠的井下無線通信系統(tǒng)是非常必要的. 也就是說，井下安全生產(chǎn)效率的全面提高迫切需要一種可以不斷感知周圍電磁環(huán)境和地理環(huán)境，能夠自適應(yīng)調(diào)整自身性能的、可靠的無線通信系統(tǒng)(本文定義為分布式智能小區(qū)認知通信系統(tǒng)). 借助地面通信技術(shù)的日益成熟，井下分布式智能小區(qū)認知通信完全可以實現(xiàn)隨時隨地通信的目標，改善井下通信的面貌.

2 井下分布式智能小區(qū)認知通信

井下分布式智能小區(qū)認知通信是基于分布式MIMO系統(tǒng), 利用認知無線電[5](cognitive radio, CR)——智能無線通信概念與群切換思想[5-8]而提出的一種具有較高通信速率，可以隨時隨地與任何人通信，大大改善移動通信質(zhì)量的新方案.

2.1 分布式MIMO系統(tǒng)

需要指出，為了保證煤礦生產(chǎn)安全，建立一個可靠的無線通信系統(tǒng), 不僅要在巷道交叉處設(shè)置基站以消除通信盲區(qū), 達到最大覆蓋，而且各巷道小區(qū)還應(yīng)由雙基站(沿巷道兩側(cè)設(shè)置)與雙系統(tǒng)控制模塊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，以提高系統(tǒng)的抗災(zāi)害能力. 雙基站不僅能同時覆蓋整個小區(qū)中的所有遠端設(shè)備，而且當某個系統(tǒng)控制模塊網(wǎng)絡(luò)中的某個基站癱瘓時, 另一個基站仍能保證井下的正常通信，系統(tǒng)仍能正常運行. 雙基站(沿巷道兩側(cè)設(shè)置)與雙系統(tǒng)控制模塊的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示. 為使敘述簡明，下面只研究單基站結(jié)構(gòu)，因為除了雙基站、雙系統(tǒng)控制模塊結(jié)構(gòu)的設(shè)備冗余性外，二者原理是相同的.

圖2中的分布式MIMO系統(tǒng)由一個移動臺和N個相隔一定距離的基站構(gòu)成. 如果移動臺有M個天線,N個基站的天線端各有L個天線, 則相應(yīng)的分布式MIMO信道可簡記為(M,N,L).

這種分布式MIMO系統(tǒng)的分布式微小區(qū)能夠明顯提高蜂窩系統(tǒng)的容量, 但仍然基于傳統(tǒng)的小區(qū)架構(gòu)和切換策略，何況蜂窩小區(qū)是不能無限制劃分的. 因此，在井下惡劣的通信環(huán)境下，分布式MIMO系統(tǒng)仍存在通信質(zhì)量不穩(wěn)定的現(xiàn)象.

圖2 雙基站與雙系統(tǒng)控制模塊與分布式MIMO系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

下面將基于分布式MIMO系統(tǒng)，利用認知無線電(Cognitive Radio, CR)——智能無線通信概念與群切換思想，提出一種具有較高通信速率，可隨時隨地高質(zhì)量與任何人通信的井下分布式智能小區(qū)認知通信方案.

2.2 井下分布式智能小區(qū)認知通信方案

認知無線電(Cognitive Radio, CR)的概念是1999年瑞典皇家技術(shù)學(xué)院Mitola博士提出的. 認知無線電實際是一種智能無線通信系統(tǒng)，通過感知周圍環(huán)境，獲取當前環(huán)境的狀態(tài)、頻譜等反饋信息,并由此進行信道狀態(tài)估計與容量預(yù)測，自適應(yīng)調(diào)整傳輸參數(shù)(工作頻率、調(diào)制方式、發(fā)射功率、數(shù)據(jù)速率等)以適應(yīng)環(huán)境的變化，達到通信系統(tǒng)性能的最優(yōu)化[5].

智能無線通信將人工智能和無線通信相結(jié)合,使系統(tǒng)具有高靈活性和智能性, 從固定模式發(fā)展到認知模式, 從環(huán)境適應(yīng)通信系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為通信系統(tǒng)適應(yīng)環(huán)境，這正是實現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的井下無線通信所必需的.

井下分布式智能小區(qū)系統(tǒng)及其滑動切換如圖3所示. 在分布式MIMO系統(tǒng)的基礎(chǔ)上, 圖3中的井下分布式智能小區(qū)系統(tǒng)具有如下特點:

a. 根據(jù)相近最佳組合原則，每個基站接入點具有多組間距不等的天線或天線陣, 基站接入點對通過光纖或同軸電纜接入的天線(天線陣)信號進行處理.

b. 在位置相鄰的多個天線或天線陣的覆蓋小區(qū)中, 針對一個移動設(shè)備采用具有同一套頻率、時隙或碼道的通信資源，而對其他終端則分別采用不同的通信資源.

c. 由基站控制下行鏈路的功率分配、載頻分配、信道分配；移動終端則根據(jù)接入條件，智能化地選擇需要接入的天線；圖3中移動終端MT1利用天線1、2、9作為接入天線，組織了自己的小區(qū); 智能小區(qū)服務(wù)于用戶的最少接入天線數(shù)目為2條，第3條是備用天線.

d. 智能小區(qū)的構(gòu)成是可以滑動的，是對應(yīng)于移動終端的，具體包含的天線(或天線陣)是隨著移動終端的當前位置、信道等而改變的.

圖3 井下分布式智能小區(qū)系統(tǒng)及其滑動切換

3 滑動切換與信道分配

3.1 井下分布式智能小區(qū)認知通信的滑動切換

井下分布式智能小區(qū)認知通信的切換過程可以看作一個窗口滑動的過程, 如圖3所示.

圖4 上行鏈路門限功率控制

如果圖3中移動終端 MT1原來位于天線1、2、9所組成的小區(qū)內(nèi)，而且MT1只在此小區(qū)的覆蓋范圍內(nèi)移動，則無須切換，但當移動終端MT1超出天線1、2、9的小區(qū)范圍時, 就可以進行滑動切換. 假設(shè)移動終端MT1在時刻1的智能小區(qū)是由天線1、2、9構(gòu)成的(隨著M T1的移動), 在時刻2的智能小區(qū)則由天線2、3、9構(gòu)成，而在時刻3的智能小區(qū)則可由天線3、4、8構(gòu)成. 這種滑動切換的速度及其大小、形狀是可以伴隨移動終端的運動而動態(tài)變化的，能使用戶始終處于智能小區(qū)的中心, 能有效克服小區(qū)邊緣效應(yīng)問題. 上述切換如果在同一個或幾個基站組成的宏小區(qū)范圍內(nèi)時，不僅沒有切換的麻煩，還能減少大量運算，提高基站的通信能力.

3.2 井下分布式智能小區(qū)認知通信的信道分配

井下分布式智能小區(qū)中的移動臺發(fā)送接入信令時，進行信道分配的原則如下：

a. 移動臺根據(jù)接收到的基站發(fā)射天線的發(fā)射信號強度(路徑損耗最少)，自動選擇3路天線組成智能小區(qū)，其中兩路用來進行業(yè)務(wù)通信，而信號相對弱的第3路則放入備用集.

b. 移動臺由接收信號強度，經(jīng)門限比較和功率控制實現(xiàn)發(fā)射信號功率控制(見圖4).

c. 移動臺和基站分別判斷可行性接入，不會影響已接入用戶的通信.

d. 根據(jù)信道的選擇策略和條件進行后續(xù)通信信道的選擇，完成正常的移動通信任務(wù).

e. 實時監(jiān)測通信過程中信道的通信質(zhì)量，及時進行相應(yīng)的功率控制或切換.

4 功率控制

井下分布式智能小區(qū)內(nèi)鏈路接入的功率控制采用閉環(huán)功率控制與自適應(yīng)門限控制，以功率平衡準則、信噪比平衡準則為基本依據(jù)，包括集中式和分布式功率控制，對提高井下通信的可靠性和有效性、保證通信質(zhì)量、解決井下通信的“邊緣效應(yīng)”與“遠近效應(yīng)”問題至關(guān)重要[7].

4.1 上行功率門限控制下的接入

上行鏈路即反向鏈路的功率控制，上行功率門限控制如圖4所示.

圖4中，移動臺根據(jù)接收到的基站天線信息(信號強度)，經(jīng)過門限比較，按智能小區(qū)條件進行判斷，且控制功率控制器的發(fā)射功率，使智能小區(qū)內(nèi)基站收到的所有移動臺的功率或者信噪比基本平衡，從而克服信號傳輸中的“遠近效應(yīng)”，在保證小區(qū)內(nèi)的“魯棒性控制”的同時，還能選擇確定小區(qū)內(nèi)為移動臺服務(wù)的具體天線.

4.2 下行功率門限控制下的接入

下行鏈路功率控制也稱為前向鏈路功率控制，下行功率門限控制如圖5所示.

圖5 下行功率門限控制接入

由圖5可知下行鏈路功率控制與上行功率控制的區(qū)別僅在于：基站天線接收到移動臺根據(jù)接收的信號干擾比SIR和信號質(zhì)量所發(fā)送的控制請求后，將經(jīng)過門限比較與命令解讀以及標志碼接入和功率控制，自動調(diào)節(jié)基站天線的發(fā)射功率. 智能小區(qū)以功率平衡準則與信噪比平衡準則為基本依據(jù)，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的閉環(huán)功率控制與自適應(yīng)門限控制.

5 結(jié)論

在考察井下無線通信環(huán)境與現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，本文基于分布式MIMO系統(tǒng)，采用雙基站、雙系統(tǒng)控制模塊結(jié)構(gòu)，利用群切換思想, 提出了井下分布式智能小區(qū)認知通信方案.

在井下分布式智能小區(qū)認知通信方案中，移動終端根據(jù)自適應(yīng)原理、采用閉環(huán)功率控制，按照小區(qū)重組條件自動尋找、選擇最優(yōu)天線滑動接入(切換)，及時建立通信質(zhì)量更好的智能小區(qū)，而智能小區(qū)的滑動切換，充分利用了分布式MIMO系統(tǒng)的優(yōu)勢, 易于達到資源的整體最優(yōu)分配, 使用戶始終處于智能小區(qū)的中心, 能有效克服邊緣效應(yīng)問題，明顯提高通信質(zhì)量和容量、確保通信質(zhì)量的最優(yōu)化.

井下分布式智能小區(qū)認知通信方案能夠?qū)崿F(xiàn)隨時隨地通信的目標，確保通信質(zhì)量的最優(yōu)化，從而確保煤礦生產(chǎn)的安全.

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Cognitive communication scheme of the mine distributed intelligent cell based on the distributed MIMO system

QIU De-run
(Furong College, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China)

s: The wireless communication in mine is the importance of the mineral well safety production and information-based management to constitute part. Aiming at currently present condition of wireless communication in mine with the bad environment and communication function unsteady, based on the distributed MIMO system, adopting double base stations, double system control mold structure, making use of the tactics of group handover, we put forward the distributed intelligent cell scheme for cognitive communication in mine. According to self adaptive principle, adoption shut a wreath power control and reorganizing conditions, move terminal automatically looks for, chooses and builds up cell of better intelligence of quality's cognizing communication that makes the user always be placed in the center of intelligence cell. This proposed system obviously raises the communication’s quality and capacity in mine, ensures production safety in mine of the communication without obstruction.

double base stations; double system control mold; group handover; intelligent cell cognizing for communication; power control

TN 929.5

：A

1672-6146(2010)04-0061-05

10.3969/j.issn.1672-6146.2010.04.017

2010-10-13

邱德潤(1947-), 男, 教授, 主要研究方向為分布式MIMO系統(tǒng)與智能控制.