煤礦井下無線Mesh通信系統(tǒng)設計

魏正華， 葉小蘭

(1.長沙民政職業(yè)技術學院 電子信息工程學院， 湖南 長沙 410000；2.長沙環(huán)境保護職業(yè)技術學院 環(huán)境監(jiān)測系， 湖南 長沙 410000)

0 引言

隨著無線通信技術和物聯(lián)網(wǎng)技術不斷進步，傳統(tǒng)的礦井監(jiān)測系統(tǒng)向礦井感知系統(tǒng)方向發(fā)展。礦井感知系統(tǒng)具備實時監(jiān)控井下工作人員安全、井下環(huán)境、礦用生產(chǎn)機電設備運行狀態(tài)的能力，而煤礦井下高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通信系統(tǒng)是實現(xiàn)礦井感知系統(tǒng)的關鍵，可為井下工作人員定位、災害預防、視頻監(jiān)控、數(shù)字廣播救助和采礦設備運行異常檢修等提供寬帶數(shù)據(jù)保障[1-2]。

我國礦井無線通信主要有ZigBee、漏泄通信、甚低頻通信、WiFi[3]。ZigBee傳輸速率高，但抗干擾能力弱、傳輸距離短。漏泄通信傳輸質(zhì)量高、頻帶寬、容量大，但容易受到饋線布線限制導致靈活性不夠，且線纜易被損壞。甚低頻通信信號穿透力強，但頻率太低易受工業(yè)電磁干擾，發(fā)射天線尺寸過大、設備運行功耗大和傳輸距離短限制了其應用。WiFi可實現(xiàn)高吞吐速率傳輸，且能通過AP中繼轉(zhuǎn)發(fā)技術延長通信距離，但AP中繼轉(zhuǎn)發(fā)4跳后，數(shù)據(jù)傳輸性能急劇下降。上述通信技術在煤礦井下特殊空間及多變工作環(huán)境下無法同時滿足高吞吐速率、遠距離傳輸、組網(wǎng)靈活、安裝部署簡單等需求。

近年來，無線Mesh技術在煤礦井下通信中的應用得到關注。無線Mesh網(wǎng)絡[4-8]的每個通信節(jié)點在網(wǎng)絡中地位平等，任意2節(jié)點間寬帶數(shù)據(jù)相互傳遞，具有部署快速和易于安裝、非視距傳輸、自愈能力強、魯棒性強、結構靈活、帶寬高等優(yōu)點，并可與其他網(wǎng)絡協(xié)同通信，特別適合在煤礦井下臨時多變的移動場合使用。因此，本文設計了一種煤礦井下無線Mesh通信系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)部署

實際的煤礦井下無線Mesh網(wǎng)絡節(jié)點部署較為復雜，為簡化網(wǎng)絡部署，給出單一巷道的無線Mesh網(wǎng)絡節(jié)點分布，如圖1所示。指揮中心通過工業(yè)以太網(wǎng)接入礦井巷道內(nèi)臨近的任一Mesh網(wǎng)絡節(jié)點;在礦井巷道邊沿安裝固定無線Mesh網(wǎng)絡節(jié)點作為遠距離多跳數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中繼點,任意2節(jié)點間盡可能直線部署，以降低信道傳輸損耗;確定整個網(wǎng)絡固定節(jié)點的個數(shù)時要考慮到盡量減少遠距離傳輸多跳次數(shù)、節(jié)點損壞網(wǎng)絡的自愈性、功耗等因素。移動Mesh網(wǎng)絡節(jié)點可安裝在礦車或工作人員身上，工作人員攜帶的移動Mesh網(wǎng)絡節(jié)點可加裝攝像頭和通話器,用于聯(lián)系指揮中心。

圖1 單一巷道的無線Mesh網(wǎng)絡節(jié)點分布Fig.1 Distribution of wireless Mesh network nodes in a single roadway

2 系統(tǒng)硬件設計

煤礦井下無線Mesh網(wǎng)絡節(jié)點硬件采用模塊化設計，由基帶板和射頻前端構成。基帶板主要實現(xiàn)數(shù)字波形生成、支持嵌入式系統(tǒng)管理信息交互、接收信號自動增益控制(Automatic Gain Control，AGC)功能；射頻前端主要實現(xiàn)將射頻發(fā)送信號強度放大到目標功率。

2.1 基帶板

基帶板包括基帶區(qū)、射頻區(qū)和接口區(qū)，如圖2所示?；鶐^(qū)主要包括核心處理電路和AD9361軟件無線電模塊。核心處理電路中的處理器為Zynq-7045高端異構多核芯片，該芯片集成了ARM Cortex-A9和Kintex-7架構FPGA的雙核資源，具有高性能數(shù)字處理能力，其中ARM Cortex-A9為芯片的PS(Processing System)功能區(qū)，Kintex-7架構FPGA為芯片的PL(Programmable Logic)功能區(qū)。AD9361軟件無線電模塊為軟件可編程的2×2射頻收發(fā)器，收發(fā)頻率在0.07～6 GHz范圍內(nèi)任意配置；工作模式為時分雙工(Time Division Duplex，TDD)，AD9361中的發(fā)送信道將Zynq-7045中的基帶正交調(diào)制(In-phase/Quadrature，I/Q)信號調(diào)制到載波上，AD9361中的接收信道將接收到的射頻信號解調(diào)為基帶I/Q信號并送入Zynq-7045中處理。

射頻區(qū)的射頻收發(fā)信道鏈路與AD9361連接，工作方式為TDD。當射頻區(qū)處在發(fā)射狀態(tài)時，發(fā)射鏈路對射頻信號進行放大濾波處理，由于AD9361內(nèi)部數(shù)字衰減器可編程控制，合理設計射頻區(qū)發(fā)送鏈路上放大器增益，確保經(jīng)過射頻開關后的射頻輸出信號最大平均功率達到20 dBm；當射頻區(qū)處在接收狀態(tài)時，射頻區(qū)接收鏈路與AD9361(內(nèi)部接收配置為增益控制模式)協(xié)同工作,對接收的小信號實現(xiàn)AGC。AD9361內(nèi)部增益控制如圖3所示，射頻區(qū)接收鏈路上的AGC關系如圖4所示。AGC主要目的是在接收弱信號時增加射頻鏈路的接收增益，當接收信號過大時自動降低增益，確保進入模數(shù)轉(zhuǎn)換器的無線接收信號強度相對穩(wěn)定。網(wǎng)絡節(jié)點射頻接收的主要性能指標是接收靈敏度，假設基帶數(shù)字解調(diào)最小信噪比為7 dB，信號帶寬為8 MHz，整機接收鏈路噪聲系數(shù)為4 dB，根據(jù)式(1)和式(2)，計算得到接收靈敏度為-94 dBm。

圖2 基帶板結構Fig.2 Baseband board structure

P=ρ′+10lgB/Hz+F+SNR

(1)

(2)

式中:P為接收靈敏度；ρ′為室溫下的熱噪聲功率密度，ρ′=-174 dBm/Hz；B為信號帶寬；F為噪聲系數(shù)；SNR為最小的信號解調(diào)信噪比；Fi為接收信道上第i(i=1,2,…,n,n為級數(shù))級的噪聲系數(shù);Gi為第i(i=1,2,…,n-1)級的增益[9-12]。

2.2 射頻前端

煤礦井下的水平巷道、傾斜巷道和彎曲巷道造成無線信號傳輸衰減[13-14]，由文獻[15]中煤礦井下Mesh通信系統(tǒng)各載波頻點在水平巷道、傾斜巷道、彎曲巷道的實測信號衰減數(shù)據(jù)可知：在距離巷道500 m左右，1 440 MHz頻點無線信號的最大衰減為80 dB。分析上述數(shù)據(jù)，本文設計的煤礦井下無線Mesh網(wǎng)絡節(jié)點如選用1 440 MHz為無線信號載波頻點，經(jīng)過80 dB衰減后射頻前端的接收信號強度大于接收靈敏度，因此,本文選37 dBm作為發(fā)射輸出的平均功率指標，以確保網(wǎng)絡節(jié)點在500 m距離內(nèi)進行高吞吐速率的數(shù)字通信。

(a) AD9361內(nèi)部增益與接收信號強度關系

(b) AD9361內(nèi)部ADC的輸入信號與接收信號強度關系

圖4 基帶射頻區(qū)接收鏈路上的AGC關系Fig.4 AGC relationship on the receiving link of the baseband RF area

由于基帶的射頻鏈路最大平均輸出功率只有20 dBm，本文設計的射頻前端主要作用是對峰均比(Peak-to-Average Ratio，PAR)為7 dB的已調(diào)射頻發(fā)送信號進行線性功率放大，使射頻信號平均發(fā)送功率達到37 dBm。射頻前端的組成如圖5所示。

圖5 射頻前端組成Fig.5 RF front-end composition

射頻前端的工作模式為TDD。當基帶板給出發(fā)送控制信號時，射頻開關1切換到發(fā)送鏈路，射頻開關2切換到50 Ω電阻作為環(huán)形器的匹配電阻，基帶板輸出的最大射頻信號從前端射頻接口進入，經(jīng)過衰減器小幅度衰減后，再經(jīng)過功率放大器(Power Amplifier，PA)放大到目標功率，最后進入環(huán)形器和低通濾波器，由天線輻射到外部空間中。發(fā)送鏈路中的衰減器是由3個電阻構成的π型結構衰減器，調(diào)試時根據(jù)PA實際的增益值，配置合適的衰減值，調(diào)節(jié)整個發(fā)送鏈路的增益。通過低通濾波器濾除射頻信號經(jīng)過PA功率放大生成的諧波信號。進行PA設計時，要注意PA的線性增益要大于17 dB才能使發(fā)射信號經(jīng)過低通濾波器濾除諧波后的功率達到37 dBm。經(jīng)過基帶調(diào)制的射頻信號有7 dB的PAR，因此,PA的輸出1 dB壓縮點(P1dB)至少要達到45 dBm,否則射頻信號失真，接收端無法解調(diào)已失真信號，從而降低網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)據(jù)吞吐速率。

當基帶板給出接收控制信號時，天線接收的無線信號經(jīng)過低通濾波器和環(huán)形器，環(huán)形器將射頻信號送入到射頻開關2，射頻開關2切換到與射頻開關1連接的射頻微帶線上，最后射頻開關1將信號送入射頻接口并輸出到基帶板內(nèi)。射頻前端的接收鏈路未處理射頻接收信號，由于射頻接收信號經(jīng)過低通濾波器、環(huán)形器、射頻開關1、射頻開關2及微帶線會產(chǎn)生插入損耗，惡化接收靈敏度指標，實際應用中要盡可能選擇插入損耗小的相關器件。

3 系統(tǒng)軟件設計

煤礦井下無線Mesh網(wǎng)絡節(jié)點軟件架構如圖6所示。主控模塊、組網(wǎng)模塊和Linux嵌入式操作系統(tǒng)軟件運行在Zynq-7045內(nèi)核用戶層；接口控制、網(wǎng)絡協(xié)議和波形狀態(tài)控制程序運行在Zynq-7045硬件平臺中的PS和PL功能區(qū)，底層的物理層信號處理包括組幀/解幀、編譯碼、調(diào)制/解調(diào)、信道估計和均衡。本文采用編碼正交頻分復用(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing，COFDM)調(diào)制方式處理底層數(shù)字波形信號，星座圖調(diào)制為BPSK/QPSK/16QAM/64QAM自適應調(diào)整，可根據(jù)丟包率自動調(diào)整調(diào)制方式，從而改變速率以確保數(shù)據(jù)吞吐速率的穩(wěn)定性。

圖6 軟件架構Fig.6 Software architecture

軟件采用模塊化和分層設計，主要分為主控模塊處理、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收流程，如圖7所示。

(a) 主控模塊處理流程

(b) 數(shù)據(jù)發(fā)送流程

(c) 數(shù)據(jù)接收流程

4 系統(tǒng)測試

射頻前端實物如圖8所示。PTT為TDD工作模式下的收發(fā)控制端口；RF為基帶板與射頻前端連接的射頻口；ANT為天線接口。

使用連續(xù)波和20 MHz的LTE信號作為射頻前端的輸入信號用于測試射頻前端的輸出性能(20 MHz LTE信號是PAR為8 dB的寬帶數(shù)字信號，能夠驗證本文設計射頻前端對高PAR信號的輸出能力),射頻前端發(fā)射鏈路測試數(shù)據(jù)見表1。由表1可知，射頻前端發(fā)射增益大于17 dB，通過調(diào)整AD9361的發(fā)射平均輸出功率可確保系統(tǒng)節(jié)點平均輸出功率為37 dBm；采用LTE信號驗證射頻前端發(fā)射的鄰信道功率比小于-43 dBc，表明PA具有良好的線性度。

圖8 射頻前端實物Fig.8 RF front-end objects

測試顯示接收鏈路的插入損耗<1.8 dB，對接收靈敏度惡化較小，收發(fā)切換時間<1 μs，滿足高吞吐速率下對于射頻前端的快速收發(fā)需求。

無線Mesh通信系統(tǒng)網(wǎng)絡節(jié)點實物如圖9所示。按照圖1中A、B、C、D、E位置部署5個Mesh網(wǎng)絡節(jié)點，其余節(jié)點處于關閉狀態(tài)，進行多跳通信實驗。通過節(jié)點IP地址Ping數(shù)據(jù)包方式測試煤礦井下入口位置A點與煤礦井下工作面E點間數(shù)據(jù)吞吐速率和通話質(zhì)量，測試中相鄰節(jié)點間距離不超過500 m，節(jié)點所在巷道總長不超過2 000 m。

表1 射頻前端發(fā)射鏈路測試數(shù)據(jù)Table 1 RF front-end emission link test data

圖9 無線Mesh通信系統(tǒng)網(wǎng)絡節(jié)點實物Fig.9 Wireless Mesh communication system network node in kind

為衡量通話效果，采用1～5等級表征通話質(zhì)量，其中5表示通話質(zhì)量最佳，1表示通話質(zhì)量最差。由于煤礦井下不同時間段工況不同，導致通信效果不同，選擇9點、10點、15點、16點4個時間點分別測試A,E節(jié)點之間的吞吐速率和通話效果，結果如圖10和圖11所示。

從圖10和圖11可看出，在不同時間下，A、E節(jié)點之間數(shù)據(jù)平均吞吐速率都不小于45 Mbit/s，滿足煤礦井下監(jiān)控視頻傳輸不卡頓的需求；通話質(zhì)量等級≥3，在大部分工作時段內(nèi)通話比較清晰。

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

圖11 通話質(zhì)量Fig.11 Quality of call

5 結語

設計了一種煤礦井下無線Mesh通信系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)網(wǎng)絡節(jié)點在煤礦井下的部署及軟硬件設計方案。測試結果表明：① 當射頻前端發(fā)射增益>17 dB時，調(diào)整AD9361的發(fā)射平均輸出功率可使系統(tǒng)平均輸出功率為37 dBm；② 射頻前端發(fā)射的鄰信道功率比<-43 dBc，表明PA具有良好的線性度；③ 射頻前端接收鏈路插入損耗<1.8 dB，收發(fā)切換時間小于1 μs；④ 平均吞吐速率≥45 Mbit/s；⑤ 通話質(zhì)量等級≥3。