洪 濤, 張富強(qiáng)

(山西工商學(xué)院 實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心, 山西 太原 030006)

0 引 言

近年來, 國內(nèi)煤礦建設(shè)與發(fā)展目標(biāo)是： 基于煤礦的數(shù)字化與信息化, 采取主動(dòng)感知、 自動(dòng)分析、 快速處理等手段, 開展煤礦生產(chǎn)、 職業(yè)健康與安全、 技術(shù)支持與后勤保障等工作, 最終令無人、 高效、 清潔、 安全的智慧煤礦得以實(shí)現(xiàn)[1]。作為提升全國煤礦智能化水平、 支撐煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的主要核心, 煤礦智能化掘進(jìn)、 輔助運(yùn)輸以及成套連采技術(shù)設(shè)備的研究與成果轉(zhuǎn)化是實(shí)現(xiàn)智慧煤礦[2]的關(guān)鍵部分。為滿足煤礦業(yè)與日俱增的通信需求, 打破傳統(tǒng)通信技術(shù)的帶寬、 連接數(shù)等限制, 5G技術(shù)[3]作為該領(lǐng)域的新型通信技術(shù)穩(wěn)步發(fā)展, 并將高速率、 高可靠的通信鏈路提供給煤礦智能開采、 礦井網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等。

為此, 筆者以成套智能連采系統(tǒng)為研究目標(biāo), 利用5G通信技術(shù), 探究復(fù)雜巷道條件下多種設(shè)備間的通信問題。利用終端到終端技術(shù), 強(qiáng)化各類設(shè)備間的直接通信速率, 減小集控中心負(fù)荷, 擴(kuò)大集控中心覆蓋范圍, 提高邊緣設(shè)備通信質(zhì)量； 通過分析多頻帶上能取得的傳輸容量, 抑制復(fù)用蜂窩上行頻譜時(shí)生成的干擾信號； 采用最優(yōu)功率算法, 得到成套連采系統(tǒng)的最優(yōu)性能增益, 提升系統(tǒng)綜合性能。

1 終端到終端下最優(yōu)功率算法智能成套連采系統(tǒng)

1.1 智能連采工作面

根據(jù)較為常用的連采工藝, 將連采機(jī)作為一個(gè)整體連采工作面的主要設(shè)備, 表1所示為連采工作面相關(guān)配套設(shè)備的數(shù)量與效用。

工作面以負(fù)荷中心為中心, 將動(dòng)力通過電纜提供、 分配給其他設(shè)備, 諸如梭車、 連采機(jī)和錨桿機(jī)等, 主要電力驅(qū)動(dòng)設(shè)備的活動(dòng)范圍存在一定限制性, 通常情況下限定在負(fù)荷中心方圓100～150 m內(nèi)呈“井”字型交錯(cuò)的巷道中； 而其他電力驅(qū)動(dòng)設(shè)備活動(dòng)范圍不受限。值得注意的是, 當(dāng)工作面發(fā)生移動(dòng)時(shí), 負(fù)荷中心也將隨之推進(jìn)。

1.2 智能連采系統(tǒng)

根據(jù)預(yù)設(shè)開采工藝[4], 連采工作面的多個(gè)設(shè)備展開有序的分工協(xié)作, 使工作面與采區(qū)煤炭的切割、 牽引、 運(yùn)輸、 支護(hù)以及一系列輔助性作業(yè)等任務(wù)逐步完成, 令煤炭生產(chǎn)更安全、 更高效、 可持續(xù)發(fā)展[5]。圖1給出了智能連采工作面設(shè)備間的作業(yè)相關(guān)性。

通信設(shè)備間采用終端到終端[6]的直接通信技術(shù), 結(jié)合蜂窩網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架[7], 創(chuàng)建一種如圖2所示的應(yīng)用模型。

連采機(jī)作為唯一切割設(shè)備, 直接與發(fā)送工作指令的集控中心、 基站實(shí)現(xiàn)通信； 通過集控中心與基站的協(xié)調(diào)控制, 梭車與錨桿機(jī)直接通信, 兩者之間呈平行作業(yè)關(guān)系； 輔助設(shè)備及其上級設(shè)備間構(gòu)成一個(gè)子系統(tǒng), 令內(nèi)部設(shè)備實(shí)現(xiàn)直接通信。

1.3 終端到終端最優(yōu)功率算法

1.3.1單、 多頻帶傳輸容量計(jì)算

主網(wǎng)絡(luò)存在多條獨(dú)立頻帶, 在通信階段復(fù)用蜂窩上行頻譜[8], 將生成一定的干擾信號, 為使此類信號得到抑制, 需先深入分析多頻帶上能取得的傳輸容量。

(1)

(2)

若功率分配向量P′=(p1,p2,…,pN), 用戶密度值為λ0, 則基于蜂窩共享多頻帶的系統(tǒng)傳輸容量通過

(3)

解得。采用不等式

(4)

作為中斷概率的約束條件, 確保終端到終端的信號傳輸質(zhì)量。其中單頻帶鏈路的用戶中斷概率極大值為θ0, 工作頻段的用戶保護(hù)值為θ1。

獲取終端到終端最優(yōu)功率的目的是基于全部約束條件, 令信號傳輸容量達(dá)到最大, 因此, 將式(3)轉(zhuǎn)變成優(yōu)化問題, 構(gòu)建傳輸容量最大化模型

(5)

模型約束條件除式(4)外, 還需添加不等式

(6)

頻帶ι的發(fā)送功率上下限, 如下

(7)

(8)

為簡化運(yùn)算復(fù)雜度, 將不等式約束條件松弛[12]成等式條件, 得

wiλ0e-ζ0(λ0+(Pi/pi)2/αλi)=wiλ0e-ζ0(Pi/pi)2/αλi

(9)

因此, 總功率上限通過

(10)

取得。故當(dāng)總功率大于上限時(shí), 總功率即為上界。

終端點(diǎn)將用戶密度分為N′個(gè)區(qū)間, 各子區(qū)間的總功率上限為臨界點(diǎn), 經(jīng)對比其與傳輸容量大小, 即可獲取子區(qū)間的局部最優(yōu), 通過進(jìn)一步比較取得容量最大值, 此時(shí)對應(yīng)的用戶密度與功率分配參量即為所需的最優(yōu)參數(shù)值。

1.3.2 最優(yōu)功率算法

經(jīng)分析連采機(jī)復(fù)用蜂窩上行頻譜資源時(shí)單頻帶成功傳輸概率與多頻帶傳輸容量, 采用最優(yōu)功率算法解決梭車接收端的上行干擾問題。

假設(shè)連采機(jī)與設(shè)備i的發(fā)射功率分別為pc、pi, 則梭車接收端接收信號為

(11)

其中服從均值為0、 方差為1的高斯隨機(jī)變量[13-14]用ν表示。

(12)

若信噪比與給定值之間呈小于關(guān)系[20], 則通信中斷概率

(13)

綜上, 設(shè)備i的最優(yōu)功率計(jì)算公式如下

(14)

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

根據(jù)最優(yōu)功率算法結(jié)果發(fā)現(xiàn), 智能連采工作面獲取最優(yōu)通信性能時(shí), 設(shè)備數(shù)量在25～30臺之間, 且目標(biāo)信噪比小于8 dB。為提升系統(tǒng)通用性與可維護(hù)性, 縮短開發(fā)周期, 利用proteus仿真軟件[16]模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu), 比如輸入數(shù)據(jù)與輸出數(shù)據(jù)、 參數(shù)設(shè)置、 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與信道處理、 調(diào)制與解調(diào)、 計(jì)算誤碼率等, 規(guī)范系統(tǒng)軟件開發(fā)流程。按照表2所示參數(shù), 完成智能成套連采系統(tǒng)設(shè)置。

表2 智能成套連采系統(tǒng)參數(shù)配置表

2.2 實(shí)驗(yàn)效果分析

2.2.1 基于不同干擾的誤碼特性

高斯白噪聲[18]與多徑干擾[19-20]下的信號誤碼率曲線如圖3所示。多徑使接收信號互相重合, 造成碼間干擾, 所以, 多徑干擾通常會(huì)比高斯白噪聲對系統(tǒng)性能影響更大, 誤碼率更高。

從圖3中的曲線走勢可以看出, 設(shè)計(jì)系統(tǒng)在多徑干擾下的誤碼率明顯低于高斯白噪聲, 這是因?yàn)椴捎昧朔涓C網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架下終端到終端的直接通信技術(shù), 經(jīng)終端到終端最優(yōu)功率算法成功獲取到設(shè)備最優(yōu)功率, 故有效抑制了多徑衰落對系統(tǒng)性能的影響。

圖3 不同干擾誤碼特性 圖4 不同子載波個(gè)數(shù)誤碼特性

2.2.2 不同子載波個(gè)數(shù)的誤碼特性

為進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能, 分別仿真8、16、32、64、128子載波個(gè)數(shù)下的誤碼率數(shù)值, 得到結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出, 誤碼率與子載波個(gè)數(shù)呈反函數(shù)關(guān)系, 但過多的子載波個(gè)數(shù)勢必會(huì)增加系統(tǒng)的計(jì)算復(fù)雜度, 減緩調(diào)制時(shí)數(shù)據(jù)的處理速度, 綜上分析, 將系統(tǒng)子載波個(gè)數(shù)設(shè)定為64較為合理。

2.2.3 不同多徑衰落幅度的誤碼特性

通過仿真得到的不同多徑衰落幅度下誤碼率曲線如圖5所示。

從圖5可以看出, 隨著信噪比的增加, 不同多徑衰落幅度的誤碼率呈現(xiàn)降低趨勢, 這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)系統(tǒng)以負(fù)荷中心為圓心, 利用電纜將動(dòng)力提供、 分配給其他設(shè)備, 根據(jù)預(yù)設(shè)開采工藝, 逐步完成切割、 牽引、 運(yùn)輸、 支護(hù)以及一系列輔助性作業(yè)等任務(wù), 利用終端到終端的直接通信技術(shù), 結(jié)合蜂窩網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架, 實(shí)現(xiàn)了設(shè)備間通信, 降低了多徑衰落幅度對誤碼率的影響, 使信道多徑衰落干擾程度較大問題得到有效解決。

圖5 不同多徑衰落幅度誤碼特性 圖6 不同實(shí)現(xiàn)方式誤碼特性

2.2.4 不同實(shí)現(xiàn)方式的誤碼特性

經(jīng)對比系統(tǒng)在有保護(hù)間隔與無保護(hù)間隔下的誤碼率變化結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知, 由于保護(hù)間隔能去除多徑衰落引發(fā)的信道干擾, 所以, 存在保護(hù)間隔時(shí), 系統(tǒng)誤碼率相對較小。但設(shè)計(jì)系統(tǒng)因分析單頻帶成功傳輸概率、 多頻帶傳輸容量及其最大容量, 獲取了頻帶發(fā)送的總功率上限, 采用最優(yōu)功率算法解決了梭車接收端的上行干擾問題。因此, 即使是在沒有保護(hù)間隔的情況下, 系統(tǒng)誤碼率依然能滿足實(shí)際的應(yīng)用需求。

3 結(jié) 語

5G通信技術(shù)憑借其優(yōu)異性能, 在各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。為探索除單一功能或單一設(shè)備外的智能化發(fā)展, 筆者面向基于連采工作面成套設(shè)備與開采工藝的成套系統(tǒng), 利用相對成熟的5G通信技術(shù), 解決了終端到終端技術(shù)與功率優(yōu)化算法等問題。

盡管取得了一定的研究成果, 但仍需從以下幾個(gè)方面加以完善： 應(yīng)嘗試結(jié)合新的算法與技術(shù), 改善系統(tǒng)容量, 提升系統(tǒng)性能與網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍, 強(qiáng)化系統(tǒng)魯棒性與可靠性； 筆者僅以假設(shè)性前提作為理論基礎(chǔ), 這需要在今后的工作中展開深入的分析與研究； 下一步應(yīng)以梭車為應(yīng)用對象, 創(chuàng)建視頻監(jiān)控系統(tǒng), 獲取良好的移動(dòng)設(shè)備視頻監(jiān)控影像, 大力推動(dòng)連采工作面信息化與自動(dòng)化發(fā)展。隨著信息技術(shù)不斷升級, 設(shè)備日益升級換代, 所建系統(tǒng)不僅為連采系統(tǒng)的智能化、 數(shù)字化奠定了基礎(chǔ), 也將逐漸成為煤礦行業(yè)信息化發(fā)展的有力支撐。