無線信號工作面?zhèn)鞑ザ杉靶诺滥Ｐ?/h1>
2013-12-29 00:00:00趙端丁恩杰俞嘯
電腦知識與技術(shù) 2013年12期
摘要：工作面環(huán)境是由三面金屬擋板，一面煤壁組成的異質(zhì)封閉空間。與有線通信相比，無線通信在工作面內(nèi)有著無法比擬的優(yōu)越性。該文提出了采煤工作面射線傳播定律，給出了在異質(zhì)空間環(huán)境中多徑信號多次反射后能量計算的具體方法，并以此為基礎建立了工作面內(nèi)沖激響應的信道模型。該文最后，利用計算機仿真了工作面內(nèi)沖激響應和不同的載頻的不同的時延特性，并深入分析了其中原因。
關(guān)鍵詞：無線通信；異質(zhì)封閉空間；工作面射線傳播定律；沖激響應；時延
中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）12-2788-04
隨著國家的煤礦安全生產(chǎn)安全要求的不斷提高，大量的先進監(jiān)測設備安裝到煤礦井下，特別是無線設備在井下的應用，極大增強了井下的安全監(jiān)測水平。但煤礦工作面的無線通信環(huán)境與普通巷道不同，工作面存在大量的金屬設備，如：采煤機、刮板運輸機、液壓支架等，此外，還有大量的工作人員，加之工作面的通信介質(zhì)不是單一的巖壁還存在煤壁和金屬支柱，因此，通信環(huán)境是一個復雜的密閉異質(zhì)空間。此外，隨著煤層的開采，金屬液壓支架要隨時推進，即通信空間也要隨之變化，所以工作面的通信環(huán)境還是一個移動的空間。研究無線信號在煤礦工作面的傳輸特性對無線監(jiān)控系統(tǒng)在工作面的成功應有有著重要的意義。
目前，研究封閉空間無線傳輸?shù)姆椒ㄖ饕袃煞N：波導法，這種方法可以應用在多種形狀的封閉空間，它利用波導理論能很好的研究無線電波在封閉空間面的衰減，但是研究多徑傳播卻無能為力；射線跟蹤法。到目前為止，對于射線跟蹤法的應用大部分集中在矩形的封閉空間，代表性的研究成果是帳篷定律[1-3]，它很好的解決了無線電波在隧道內(nèi)傳輸?shù)膯栴}。但是在工作面內(nèi)，大量排列有序的液壓支柱的存在，阻擋了部分射線的傳播，使得帳篷定律再適應工作面?zhèn)鬏敪h(huán)境，為了解決這個問題，我們在帳篷定律的基礎上提出了工作面射線傳播定律。
1 工作面射線傳播定律
介紹工作面射線傳播定律之前我們首先簡單介紹一下帳篷定律，有關(guān)帳篷定律的詳細描述請參看文獻[1-3]。
帳篷定律[7]給出了無線電波在矩形巷道中反射傳播的規(guī)律以及反射線傳輸距離的算法。帳篷定律由兩個定律組成。
定律1：從發(fā)射機出發(fā)的射線一定會沿著水平入射面和垂直入射面的交線傳播。
定律2：所有在入射面內(nèi)傳播的射線一定以相同的面入射角折疊前進。
采煤工作面是一個空間受限，三面鋼鐵擋板一面是煤壁組成的異質(zhì)空間受限的縱向隧道。不同的采煤工作面因采用的支架不同而略有不同，但總體上來說還是相似的。文獻[5]建立了如圖1的模型。左面為煤壁，上面下面均為金屬擋板，中間的柱體為液壓支柱。實際的工作面當中，有割煤機，刮板運輸機，當煤質(zhì)比較硬的時候，割煤機切割過之后的煤壁可近似的認為是平整的。在近似的情況下，采煤工作面隧道可近似為具有一排或兩排液壓支柱的矩形隧道。
雖然帳篷定律不再適合煤礦工作面，但根據(jù)帳篷定律的思想，我們采用射線跟蹤法對工作面進行研究，提出了基于射線跟蹤法的工作面射線傳播定律，一種在矩形工作面中的三維螺旋曲線的求解方法。其定義如下：
定義1：如果一條射線從S點出發(fā)，經(jīng)過m+0次反射成功到達接收點D，則其一定存在于這樣的垂直入射面內(nèi)：穿過液壓支柱、包含接收點D且經(jīng)過m次反射。
定義2：如果一條射線從S點出發(fā)，經(jīng)過m+n次反射成功到達接收點D，則其一定沿著m次垂直入射面和n次水平入射面的交線折疊前進，且接收點D位于垂直入射面和水平入射面中。
利用帳篷定律我們很容易證明該定律。帳篷定律指出，如果射線在矩形空間傳播，則其一定處在入射面內(nèi)，即可將射線的傳播看成是入射面的傳播，因此，那些能夠避開液壓支柱，并包含點S和點D的入射面一定含有了所有從S點出發(fā)到達D點的射線，證畢。
2 工作面射線發(fā)射率的計算
采煤工作面中，三面金屬檔板，一面煤壁，電磁波在煤介質(zhì)和金屬檔板的反射率不同。某條路徑上的多徑信號在工作面的多次反射中在水平或者垂直入射面中的反射角度相同，但是在經(jīng)歷不同的反射面，也就是所謂的異質(zhì)。
在介紹電磁波在介質(zhì)和金屬上的反射率之前，我們對電磁波的極化做一些說明：關(guān)于電磁波的極化不同的文獻有不同的規(guī)定，該文采用如下規(guī)定：電場[Ei]在入射面內(nèi)，稱之為水平水平入射或者垂直極化；電場[Ei]垂直于入射面，則稱之為垂直入射或者水平極化。之所以采用的這樣的規(guī)定，是為了與文獻[1-3]的研究成果相比較。
垂直入射波和水平入射波從空氣中入射到介質(zhì)上時的反射系數(shù)[1-3]為：
[Γv=ErEi=-εrcos（θi）+εr-sin（θi）2εrcos（θi）+εr-sin（θi）2] （2-1）
[Γp=ErEi=cos（θi）-εr-sin（θi）2cos（θi）+εr-sin（θi）2] （2-2）
[εr]是介電常數(shù)，[θi]是入射角：
[ρs=Exp[-8（πσhcos（θi）λ）2]I0[8（πσhcos（θi）λ）2]] （2-3）
[I0]為修正的第一類零階Bessel函數(shù)，[σh]為平均高度方差。圖2是發(fā)生在介質(zhì)上的表面上的水平極化波和垂直極化波的反射率比較圖。從圖上可以看出，水平極化波的反射率要比垂直極化波的反射率要大，特別是在角度較大的時候表現(xiàn)的更加明顯
文獻[7-8]研究了電磁波在導體上的反射與折射，給出計算電磁波入射到金屬導體表面時能量反射率：
[R2v=|A2oyA1oy|2=4πσ-22πσuwcosθi4πσ+22πσuwcosθi] （2-4）
[Rp2=|A2opA1op|2=uw-2cosθi（2πσuw）+4πσcos2θiuw+2cosθi（2πσuw）+4πσcos2θi] （2-5）
式2-4是垂直入射波（水平極化）的能量反射率，式2-5是水平入射（垂直極化）波的能量反射率，[u]是導體的磁導率， [σ]為導體的電導率，[w]為入射電磁波的頻率，[θi]是入射角。圖2是頻率為[f=2.4GHz]和[f=900MHz]電磁波在煤介質(zhì)和金屬擋板上的反射率比較圖?？偟膩碚f金屬擋板上的反射率是很接近1的，水平極化波的反射率要比垂直極化波的反射率要大，同樣入射角度它們之間的差別越大越明顯。
3 工作面沖擊響應模型
一般采用信號的沖擊響應來描述系統(tǒng)的信道，其本質(zhì)是在信道中加入沖擊信號，而信道由輸出響應來描述。對于采煤工作面的信道模型，我們也用該方法建立信道模型。
對于煤礦工作面這種多徑信道，我們將其沖擊響應看做為多條路徑?jīng)_擊響應的矢量和，表示如下：
[h（τ）=i=0∞Aieφiδ（τ-τi）] （3-1）
則，接收信號可表示為：
[y（t）=x（t）?h（τ）+n（t）=i=0∞Aix（t-τi）e-jφi+n（t）] （3-2）
其中，[n（t）]是高斯白噪聲。
對于時變系統(tǒng)，當信道存在時延時，上述沖擊響應和接收信號可以由如下公式表述：
[h（t，τ）=i=0∞Ai（t）e-jφi（t）δ（τ-τi）] （3-3）
[y（t）=x（t）?h（τ）+n（t）=i=0∞Ai（t）x（t-τi）e-jφi（t）+n（t）] （3-4）
當無線信號頻率較高，波長遠遠小于其傳輸路徑時，[φi（t）]都會隨著路徑的改變發(fā)生較大的變化。因此， [Ai（t）]為第[i]條路徑上傳輸?shù)慕邮招盘柗龋琜φi（t）]是均勻分布的隨機變量。
根據(jù)公式3-3和公式3-4，我們建立的工作面無線信道的仿真模型如圖5所示。
4 仿真分析
圖4是根據(jù)某工作面的環(huán)境仿真結(jié)果。仿真環(huán)境：左側(cè)煤壁到液壓支柱4米，液壓支柱到右側(cè)擋板2.5米，工作面高3m，假設發(fā)信端和收信端位于都位于煤壁和液壓支柱同側(cè)，即存在視距LOS傳播，它們之間的距離50米， LOS能量為-60dbm，載頻為900MHZ。我們可以看到，在真實的采煤工面環(huán)境中時延展寬更大，垂直極化波的時延226.86ns，水平極化波的時延達到c9ab0d672b64d9235ac2fa2c6d6c90f8a0385e7c62822dfbfe65784a513b371c277.29ns，視距傳播的相對電平大于其它路徑上的電平。
圖4仿真結(jié)果表明：水平極化波的時延擴展明顯大于垂直極化波的時延擴展。水平極化波的時延展寬之所以比垂直極化波大，回波比垂直極化波多，主要是因為他們在介質(zhì)和煤壁、金屬擋板上的反射系數(shù)不同造成的。表1給出了上述仿真環(huán)境中發(fā)生在水平面上（發(fā)生在左邊擋板和右側(cè)煤壁之間）和發(fā)生在垂直入射面上（上下檔板之間）的反射角度。
[反射次數(shù)＼&水平入射面反射角度＼&垂直入射面反射角度＼&1+1＼&85.44＼&87.72＼&1+2＼&85.47＼&83.18＼&1+3＼&85.49＼&73.94＼&1+4＼&85.57＼&76.55＼&1+5＼&85.61＼&74.41＼&1+6＼&85.71＼&70.26＼&1+7＼&85.76＼&68.26＼&1+8＼&85.89＼&64.43＼&1+9＼&85.95＼&62.60＼&1+10＼&86.69＼&59.12＼&]
仿真結(jié)果與分析均表明，在煤礦工作面上水平極化波的回波要高于垂直極化波，其時延也要高于垂直極化波。因此，在工作面要多利用垂直極化波，盡量避免水平極化波，從而提高無線傳輸速率。
5 結(jié)論
本文將射線跟蹤法應用在了采煤工作面的多徑傳播的研究當中，提出了工作面無線電波的傳輸規(guī)律，建立了采煤工作建無線沖激響應模型，仿真并分析了不同極化和不同載頻的電磁波時延特性得出以下結(jié)論：水平極化波的相對時延要大于垂直極化波的時延；頻率較低電磁波要比較高的電磁波的相對時延要大。文中的結(jié)論對在工作面中實現(xiàn)無線通信具有一定借鑒意義。
參考文獻：
[1] 張申.煤礦井下綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)及其無線接入關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學，2001.
[2] 張申.隧道無線電射線傳輸特性的研究[J].電波科學學報，2002（4）：114-118.
[3] 張申.帳篷定律與隧道無線數(shù)字通信信道建模[J].通信學報，2002，23（11）：41-50.
[4] 文金朝.采煤工作面內(nèi)無線電波傳播特性的研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學，2009.
[5] 張躍平，張文梅，盛劍恒，鄭國莘.UHF無線電波在長壁工作面無線傳輸特性的研究[J].煤炭學報，2000：25（4）：416-419.
[6] 周廷顯.近代通信技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1990：163-165.
[7] 章實.電磁波在導體表面的折射、反射的計算[J].貴州師范大學學報，2000，18（4）：92-94.
[8] 高建平.電磁波在導體表面的反射與折射[J].沈陽航空工業(yè)學院學報，2001，18（1）：59-61.
[9] 李冰玉.煤礦井下隧道內(nèi)電磁波傳播特性的研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學，2004.
摘要：工作面環(huán)境是由三面金屬擋板，一面煤壁組成的異質(zhì)封閉空間。與有線通信相比，無線通信在工作面內(nèi)有著無法比擬的優(yōu)越性。該文提出了采煤工作面射線傳播定律，給出了在異質(zhì)空間環(huán)境中多徑信號多次反射后能量計算的具體方法，并以此為基礎建立了工作面內(nèi)沖激響應的信道模型。該文最后，利用計算機仿真了工作面內(nèi)沖激響應和不同的載頻的不同的時延特性，并深入分析了其中原因。
關(guān)鍵詞：無線通信；異質(zhì)封閉空間；工作面射線傳播定律；沖激響應；時延
中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）12-2788-04
隨著國家的煤礦安全生產(chǎn)安全要求的不斷提高，大量的先進監(jiān)測設備安裝到煤礦井下，特別是無線設備在井下的應用，極大增強了井下的安全監(jiān)測水平。但煤礦工作面的無線通信環(huán)境與普通巷道不同，工作面存在大量的金屬設備，如：采煤機、刮板運輸機、液壓支架等，此外，還有大量的工作人員，加之工作面的通信介質(zhì)不是單一的巖壁還存在煤壁和金屬支柱，因此，通信環(huán)境是一個復雜的密閉異質(zhì)空間。此外，隨著煤層的開采，金屬液壓支架要隨時推進，即通信空間也要隨之變化，所以工作面的通信環(huán)境還是一個移動的空間。研究無線信號在煤礦工作面的傳輸特性對無線監(jiān)控系統(tǒng)在工作面的成功應有有著重要的意義。
目前，研究封閉空間無線傳輸?shù)姆椒ㄖ饕袃煞N：波導法，這種方法可以應用在多種形狀的封閉空間，它利用波導理論能很好的研究無線電波在封閉空間面的衰減，但是研究多徑傳播卻無能為力；射線跟蹤法。到目前為止，對于射線跟蹤法的應用大部分集中在矩形的封閉空間，代表性的研究成果是帳篷定律[1-3]，它很好的解決了無線電波在隧道內(nèi)傳輸?shù)膯栴}。但是在工作面內(nèi)，大量排列有序的液壓支柱的存在，阻擋了部分射線的傳播，使得帳篷定律再適應工作面?zhèn)鬏敪h(huán)境，為了解決這個問題，我們在帳篷定律的基礎上提出了工作面射線傳播定律。
1 工作面射線傳播定律
介紹工作面射線傳播定律之前我們首先簡單介紹一下帳篷定律，有關(guān)帳篷定律的詳細描述請參看文獻[1-3]。
帳篷定律[7]給出了無線電波在矩形巷道中反射傳播的規(guī)律以及反射線傳輸距離的算法。帳篷定律由兩個定律組成。
定律1：從發(fā)射機出發(fā)的射線一定會沿著水平入射面和垂直入射面的交線傳播。
定律2：所有在入射面內(nèi)傳播的射線一定以相同的面入射角折疊前進。
采煤工作面是一個空間受限，三面鋼鐵擋板一面是煤壁組成的異質(zhì)空間受限的縱向隧道。不同的采煤工作面因采用的支架不同而略有不同，但總體上來說還是相似的。文獻[5]建立了如圖1的模型。左面為煤壁，上面下面均為金屬擋板，中間的柱體為液壓支柱。實際的工作面當中，有割煤機，刮板運輸機，當煤質(zhì)比較硬的時候，割煤機切割過之后的煤壁可近似的認為是平整的。在近似的情況下，采煤工作面隧道可近似為具有一排或兩排液壓支柱的矩形隧道。
雖然帳篷定律不再適合煤礦工作面，但根據(jù)帳篷定律的思想，我們采用射線跟蹤法對工作面進行研究，提出了基于射線跟蹤法的工作面射線傳播定律，一種在矩形工作面中的三維螺旋曲線的求解方法。其定義如下：
定義1：如果一條射線從S點出發(fā)，經(jīng)過m+0次反射成功到達接收點D，則其一定存在于這樣的垂直入射面內(nèi)：穿過液壓支柱、包含接收點D且經(jīng)過m次反射。
定義2：如果一條射線從S點出發(fā)，經(jīng)過m+n次反射成功到達接收點D，則其一定沿著m次垂直入射面和n次水平入射面的交線折疊前進，且接收點D位于垂直入射面和水平入射面中。
利用帳篷定律我們很容易證明該定律。帳篷定律指出，如果射線在矩形空間傳播，則其一定處在入射面內(nèi)，即可將射線的傳播看成是入射面的傳播，因此，那些能夠避開液壓支柱，并包含點S和點D的入射面一定含有了所有從S點出發(fā)到達D點的射線，證畢。
2 工作面射線發(fā)射率的計算
采煤工作面中，三面金屬檔板，一面煤壁，電磁波在煤介質(zhì)和金屬檔板的反射率不同。某條路徑上的多徑信號在工作面的多次反射中在水平或者垂直入射面中的反射角度相同，但是在經(jīng)歷不同的反射面，也就是所謂的異質(zhì)。
在介紹電磁波在介質(zhì)和金屬上的反射率之前，我們對電磁波的極化做一些說明：關(guān)于電磁波的極化不同的文獻有不同的規(guī)定，該文采用如下規(guī)定：電場[Ei]在入射面內(nèi)，稱之為水平水平入射或者垂直極化；電場[Ei]垂直于入射面，則稱之為垂直入射或者水平極化。之所以采用的這樣的規(guī)定，是為了與文獻[1-3]的研究成果相比較。
垂直入射波和水平入射波從空氣中入射到介質(zhì)上時的反射系數(shù)[1-3]為：
[Γv=ErEi=-εrcos（θi）+εr-sin（θi）2εrcos（θi）+εr-sin（θi）2] （2-1）
[Γp=ErEi=cos（θi）-εr-sin（θi）2cos（θi）+εr-sin（θi）2] （2-2）
[εr]是介電常數(shù)，[θi]是入射角：
[ρs=Exp[-8（πσhcos（θi）λ）2]I0[8（πσhcos（θi）λ）2]] （2-3）
[I0]為修正的第一類零階Bessel函數(shù)，[σh]為平均高度方差。圖2是發(fā)生在介質(zhì)上的表面上的水平極化波和垂直極化波的反射率比較圖。從圖上可以看出，水平極化波的反射率要比垂直極化波的反射率要大，特別是在角度較大的時候表現(xiàn)的更加明顯
文獻[7-8]研究了電磁波在導體上的反射與折射，給出計算電磁波入射到金屬導體表面時能量反射率：
[R2v=|A2oyA1oy|2=4πσ-22πσuwcosθi4πσ+22πσuwcosθi] （2-4）
[Rp2=|A2opA1op|2=uw-2cosθi（2πσuw）+4πσcos2θiuw+2cosθi（2πσuw）+4πσcos2θi] （2-5）
式2-4是垂直入射波（水平極化）的能量反射率，式2-5是水平入射（垂直極化）波的能量反射率，[u]是導體的磁導率， [σ]為導體的電導率，[w]為入射電磁波的頻率，[θi]是入射角。圖2是頻率為[f=2.4GHz]和[f=900MHz]電磁波在煤介質(zhì)和金屬擋板上的反射率比較圖?？偟膩碚f金屬擋板上的反射率是很接近1的，水平極化波的反射率要比垂直極化波的反射率要大，同樣入射角度它們之間的差別越大越明顯。
3 工作面沖擊響應模型
一般采用信號的沖擊響應來描述系統(tǒng)的信道，其本質(zhì)是在信道中加入沖擊信號，而信道由輸出響應來描述。對于采煤工作面的信道模型，我們也用該方法建立信道模型。
對于煤礦工作面這種多徑信道，我們將其沖擊響應看做為多條路徑?jīng)_擊響應的矢量和，表示如下：
[h（τ）=i=0∞Aieφiδ（τ-τi）] （3-1）
則，接收信號可表示為：
[y（t）=x（t）?h（τ）+n（t）=i=0∞Aix（t-τi）e-jφi+n（t）] （3-2）
其中，[n（t）]是高斯白噪聲。
對于時變系統(tǒng)，當信道存在時延時，上述沖擊響應和接收信號可以由如下公式表述：
[h（t，τ）=i=0∞Ai（t）e-jφi（t）δ（τ-τi）] （3-3）
[y（t）=x（t）?h（τ）+n（t）=i=0∞Ai（t）x（t-τi）e-jφi（t）+n（t）] （3-4）
當無線信號頻率較高，波長遠遠小于其傳輸路徑時，[φi（t）]都會隨著路徑的改變發(fā)生較大的變化。因此， [Ai（t）]為第[i]條路徑上傳輸?shù)慕邮招盘柗龋琜φi（t）]是均勻分布的隨機變量。
根據(jù)公式3-3和公式3-4，我們建立的工作面無線信道的仿真模型如圖5所示。
4 仿真分析
圖4是根據(jù)某工作面的環(huán)境仿真結(jié)果。仿真環(huán)境：左側(cè)煤壁到液壓支柱4米，液壓支柱到右側(cè)擋板2.5米，工作面高3m，假設發(fā)信端和收信端位于都位于煤壁和液壓支柱同側(cè)，即存在視距LOS傳播，它們之間的距離50米， LOS能量為-60dbm，載頻為900MHZ。我們可以看到，在真實的采煤工面環(huán)境中時延展寬更大，垂直極化波的時延226.86ns，水平極化波的時延達到c9ab0d672b64d9235ac2fa2c6d6c90f8a0385e7c62822dfbfe65784a513b371c277.29ns，視距傳播的相對電平大于其它路徑上的電平。
圖4仿真結(jié)果表明：水平極化波的時延擴展明顯大于垂直極化波的時延擴展。水平極化波的時延展寬之所以比垂直極化波大，回波比垂直極化波多，主要是因為他們在介質(zhì)和煤壁、金屬擋板上的反射系數(shù)不同造成的。表1給出了上述仿真環(huán)境中發(fā)生在水平面上（發(fā)生在左邊擋板和右側(cè)煤壁之間）和發(fā)生在垂直入射面上（上下檔板之間）的反射角度。
[反射次數(shù)＼&水平入射面反射角度＼&垂直入射面反射角度＼&1+1＼&85.44＼&87.72＼&1+2＼&85.47＼&83.18＼&1+3＼&85.49＼&73.94＼&1+4＼&85.57＼&76.55＼&1+5＼&85.61＼&74.41＼&1+6＼&85.71＼&70.26＼&1+7＼&85.76＼&68.26＼&1+8＼&85.89＼&64.43＼&1+9＼&85.95＼&62.60＼&1+10＼&86.69＼&59.12＼&]
仿真結(jié)果與分析均表明，在煤礦工作面上水平極化波的回波要高于垂直極化波，其時延也要高于垂直極化波。因此，在工作面要多利用垂直極化波，盡量避免水平極化波，從而提高無線傳輸速率。
5 結(jié)論
本文將射線跟蹤法應用在了采煤工作面的多徑傳播的研究當中，提出了工作面無線電波的傳輸規(guī)律，建立了采煤工作建無線沖激響應模型，仿真并分析了不同極化和不同載頻的電磁波時延特性得出以下結(jié)論：水平極化波的相對時延要大于垂直極化波的時延；頻率較低電磁波要比較高的電磁波的相對時延要大。文中的結(jié)論對在工作面中實現(xiàn)無線通信具有一定借鑒意義。
參考文獻：
[1] 張申.煤礦井下綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)及其無線接入關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學，2001.
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[3] 張申.帳篷定律與隧道無線數(shù)字通信信道建模[J].通信學報，2002，23（11）：41-50.
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