超寬帶無線通信技術(shù)在礦井下的應(yīng)用探析

邸鵬

西山煤電杜兒坪煤礦 山西 太原 030022

引言

礦井移動(dòng)通信在保持礦井安全、生產(chǎn)效率、搶險(xiǎn)救災(zāi)等多個(gè)方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用。但是，礦井下具有復(fù)雜的環(huán)境條件，呈現(xiàn)出一定的特殊性，在井下的無線電波傳播存在較大難度，僅僅能夠憑借有線才能實(shí)現(xiàn)礦井下移動(dòng)通信，但是存在一定不足之處，需要人們不斷研究，探索礦井下移動(dòng)通信技術(shù)，解決現(xiàn)有系統(tǒng)存在問題。

1 超寬帶無線通信技術(shù)

超寬帶無線通信技術(shù)和以往的通信技術(shù)相比，在傳送速率、應(yīng)用范圍等對(duì)多個(gè)方面呈現(xiàn)出較大優(yōu)勢，得到巨大突破。超寬帶無線通信技術(shù)主要體現(xiàn)在傳播介質(zhì)方面，為短波脈沖信號(hào)，信號(hào)持續(xù)時(shí)間不長，但是占據(jù)帶寬頻率級(jí)別高，進(jìn)而跨越式提升傳輸速率[1]。另外，超寬帶無線通信技術(shù)，借助納秒級(jí)極窄脈沖信號(hào)傳送數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)出較高分辨率，實(shí)現(xiàn)高精度定位。

2 應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 寬帶大、傳輸速率高

該技術(shù)制造成本較低，同時(shí)在制造中技術(shù)簡單，發(fā)送功率低，在無線通信系統(tǒng)中，具有較大空間容量；在頻域上，該技術(shù)跨越展現(xiàn)出較廣泛的范圍，確保在嘈雜環(huán)境下不會(huì)被檢測到，呈現(xiàn)出較高的安全性。同時(shí)，無線通信技術(shù)穿透力較高，在檢測、定位中被廣泛應(yīng)用，提供的高速率無線通信數(shù)據(jù)傳輸速率能夠更加符合大容量多媒體流的傳送。

2.2 保密性高

該技術(shù)應(yīng)用信息接收系統(tǒng)主要是利用跳時(shí)擴(kuò)頻，在超寬帶無線通信系統(tǒng)的接收機(jī)發(fā)送端的脈沖序列，才能保證數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)出和接收中的安全保密性。該技術(shù)具有低功率的發(fā)射優(yōu)點(diǎn)，在信息、數(shù)字化信息時(shí)代，難以在復(fù)雜環(huán)境中被檢測，進(jìn)一步提升其安全保密性。

2.3 能耗低

超寬帶無線通信系統(tǒng)在通電之后，體現(xiàn)出耗電量低的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過持續(xù)的發(fā)射載波，借助該技術(shù)的脈沖電波能夠有效符合相關(guān)目標(biāo)需求，消耗較少電量，并且發(fā)射信號(hào)時(shí)，發(fā)射消耗功率較低，不會(huì)產(chǎn)生較高的噪聲干擾，同時(shí)和其他相關(guān)通信技術(shù)能夠相互融合[2]。

2.4 多徑分辨能力強(qiáng)

超寬帶無線通信技術(shù)時(shí)間分辨力較強(qiáng)，決定其具備多徑分辨率高的優(yōu)勢，一般Ins脈沖的多徑分辨率為30cm，發(fā)送端頻率分集，接收端應(yīng)用分集獲取的形式，超寬帶無線通信信號(hào)具有較高的抗衰弱能力，為定位、跟蹤導(dǎo)航等多個(gè)方面提供高精度基礎(chǔ)。

2.5 抗干擾和穿透能力強(qiáng)

超寬帶信號(hào)的窄脈沖特性促進(jìn)該技術(shù)具備較強(qiáng)穿透性，在人群、木板、墻壁等相關(guān)障礙物中持續(xù)傳播，所以，針對(duì)非視距惡劣環(huán)境下的定位，具有良好的可行性。另外，超寬帶具有較寬的頻譜范圍，促進(jìn)超寬帶無線通信信號(hào)發(fā)送端傳輸?shù)倪^程中形成頻率分集，在傳播中對(duì)多種干擾因素呈現(xiàn)出較高的抵抗力，接收機(jī)能夠更加安全穩(wěn)定的接收，但是，該信號(hào)受到強(qiáng)窄帶干擾的影響。

3 礦井下移動(dòng)通信現(xiàn)狀

礦井調(diào)度員、電機(jī)車司機(jī)、工作人員之間主要依靠礦井下移動(dòng)通信聯(lián)絡(luò)的主要措施，在礦井生產(chǎn)安全、搶險(xiǎn)救災(zāi)等多個(gè)方面發(fā)揮重要作用。無線移動(dòng)通信系統(tǒng)是井下移動(dòng)通信理想模式，在礦井下不同人員隨時(shí)隨地和通信對(duì)象保持及時(shí)暢通的聯(lián)系。礦井下環(huán)境獨(dú)特，對(duì)無線電波傳播產(chǎn)生較大影響，如漏泄和中頻感應(yīng)通信等通過有線才能有效實(shí)現(xiàn)[3]。當(dāng)前煤礦井下移動(dòng)通信系統(tǒng)具有成本高、抗干擾能力差、攜帶不便、通信范圍小、通信不順暢等問題。

4 礦井下超寬帶無線通信技術(shù)的應(yīng)用

4.1 礦井下通信中的應(yīng)用

Chirp信號(hào)呈現(xiàn)出較好的自相關(guān)性、匹配濾波之后獨(dú)特的時(shí)域特性，Chirp信號(hào)超寬帶無線通信在WLAN中的運(yùn)用被廣泛研究。增設(shè)Chirp信號(hào)帶寬B和減少時(shí)間寬度T，Chirp信號(hào)在高速超寬帶通信系統(tǒng)中有效應(yīng)用。超寬帶無線通信技術(shù)迅速發(fā)展，在Chirp信號(hào)該通信系統(tǒng)中，當(dāng)傳輸速率為每秒1100MB的情況下，在室內(nèi)衰落信道中設(shè)計(jì)距離大約在20m，速率不斷降低的情況下，可以適當(dāng)提高距離到150m或者之上，將其在礦井下應(yīng)用，能夠有效提供多種不同場合的無線接入服務(wù)，主要包含短距離高速和遠(yuǎn)距離低速通信兩種類型。

4.1.1 短距離高速通信。礦井下短距離高速數(shù)據(jù)的傳輸主要在實(shí)現(xiàn)井下視頻監(jiān)測信號(hào)、機(jī)械設(shè)備故障監(jiān)測、瓦斯突出情況下電磁輻射信號(hào)等多種信號(hào)的無線接入，所有信號(hào)需要較高的采樣頻率，同時(shí)主要針對(duì)移動(dòng)地點(diǎn)和設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測。如，礦井下煤層、巖層的離層視頻監(jiān)測，在實(shí)際操作過程中需要將移動(dòng)或者相對(duì)特定的視頻監(jiān)測信息通過無線接入設(shè)備，通過礦井下綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)，接入范圍能夠保持在幾米、幾十米內(nèi)。當(dāng)超寬帶無線通信系統(tǒng)應(yīng)用的過程中，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、低成本，在同樣距離和功率的情況下，傳輸速率和其他無線系統(tǒng)相比較高，當(dāng)藍(lán)牙發(fā)射機(jī)在平均發(fā)射功率為1mW、速率保持每秒1Mb、工作距離保持10m的情況下，在高速數(shù)據(jù)傳輸中相對(duì)較勉強(qiáng)，但是3db帶寬為5.53GHz、超寬帶無線通信發(fā)射機(jī)發(fā)射功率為0.55mW，能夠提供接近每秒200Mb的數(shù)據(jù)速率、同樣覆蓋范圍，該種較小的發(fā)射功率針對(duì)礦井環(huán)境下的移動(dòng)通信裝置而言，有效延長電池使用時(shí)間。

4.1.2 遠(yuǎn)距離低速通信。礦井下遠(yuǎn)距離低速數(shù)據(jù)無線傳送通常是指在大于100m的無線接入，一般用于礦井下移動(dòng)電話、臨時(shí)地點(diǎn)、工況和環(huán)境參數(shù)等監(jiān)測等。超寬帶無線通信技術(shù)和常規(guī)無線通信相同，提升發(fā)射功率，減小參數(shù)速率的過程中，能夠有效實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離移動(dòng)通信功能。礦井下不需要考量提高發(fā)射功率的過程中，對(duì)其他窄帶系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾，同時(shí)降低傳輸速率依然能夠符合礦井下常規(guī)移動(dòng)通信、數(shù)據(jù)傳送對(duì)速率、距離的實(shí)際需求。但是，相關(guān)人員需要更多關(guān)注發(fā)射功率增加的過程中，依然保證相關(guān)機(jī)械設(shè)備符合礦井下安全生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。如，某公司生產(chǎn)的Flex礦井下漏泄通信系統(tǒng)中采用無線調(diào)制解調(diào)器在主傳輸系統(tǒng)中接入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)速率控制在每秒9600b之內(nèi)，井下無線接入距離最大為100m。超寬帶無線通信系統(tǒng)在同樣通信距離的情況下，提供幾兆、幾十兆波特率的無線接入速率，和現(xiàn)有系統(tǒng)相比呈現(xiàn)出顯著的使用性能優(yōu)勢。

4.2 礦井下人員定位中的應(yīng)用

基于超寬帶無線通信技術(shù)的礦井下人員定位系統(tǒng)主要包含井上服務(wù)器、監(jiān)控主機(jī)、井下環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、讀卡器和識(shí)別卡等，在礦井下應(yīng)用能有效實(shí)時(shí)監(jiān)測和查詢井下人員具體位置、分布情況和行駛線路等多個(gè)方面的信息，進(jìn)一步保證礦井下工作人員安全。超寬帶無線通信定位是由多個(gè)傳感器采用TDOA（Time Difference of Arrival，到達(dá)時(shí)間差）和AOA定位算法對(duì)標(biāo)簽位置進(jìn)行分析，具有多徑分辨能力、精度高、定位精度可達(dá)厘米級(jí)等特點(diǎn)。

4.2.1 dw1000提供數(shù)據(jù)幀收發(fā)時(shí)記錄時(shí)間戳，這是能夠進(jìn)行兩點(diǎn)間測距的基本條件，簡單來說，通過計(jì)算數(shù)據(jù)在空中飛行時(shí)間×光速=數(shù)據(jù)飛行距離，從而測出兩節(jié)點(diǎn)間的距離。

4.2.2 有了數(shù)據(jù)幀收發(fā)時(shí)間戳，那么就必須提供足夠高的時(shí)鐘精度，因?yàn)?ns的時(shí)間電磁波就傳輸了30cm，dw1000提供了LDE的微代碼，通過PLL使得時(shí)鐘達(dá)到了64G的頻率，當(dāng)然，這個(gè)時(shí)鐘僅提供給LDE使用，使得dw1000具備了超高精度的時(shí)間戳，64G的時(shí)鐘可以使得dw1000時(shí)鐘分辨率為15.65ps。

4.2.3 在以上基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)間測距的功能，那么如果需要實(shí)現(xiàn)定位呢，則需要一個(gè)終端分別和多個(gè)基站通信，分別得到終端與各個(gè)基站的距離，且，基站之間的位置與距離在部署前期通過測繪手段可以得到這些數(shù)據(jù)。從而得到了終端在這個(gè)定位系統(tǒng)中的位置，一般使用球面相交法，通過輸入終端基站的距離，計(jì)算出精確的位置信息。

4.2.4 TOF測距方式。TOF即time of flight飛行時(shí)間，直譯為飛行時(shí)間測距法。

這個(gè)方法最大的特點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)起來簡單，最大的缺點(diǎn)就是精度低，既然是高精度定位，那么使用這種方法就不太合適了。

以上測距方式理論上是說得過去的，但是其中存在幾個(gè)影響測距精度的因素：

4.2.4.1 當(dāng)設(shè)備B在T2時(shí)刻收到POLL后需要等待一個(gè)固定的時(shí)間Tdelay然后在T3時(shí)刻發(fā)出RESPONSE數(shù)據(jù)包，那么，問題出現(xiàn)了，我們在此處講的Tdelay是一個(gè)絕對(duì)時(shí)間單位，比如3000us，但是A，B設(shè)備都有自己的時(shí)鐘源，并且要命的是時(shí)鐘源的存在自我偏差，俗稱PPM，比如：我們想Tdelay=3000us，但是由于時(shí)鐘源的偏差問題，導(dǎo)致真實(shí)時(shí)間過去了3000.5us，可是在設(shè)備A端進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候還是按照3000us的Tdelay進(jìn)行計(jì)算，那么，因?yàn)闀r(shí)鐘源的偏差引入的0.5us的時(shí)間就被錯(cuò)誤地當(dāng)作數(shù)據(jù)飛行的時(shí)間了。這樣導(dǎo)致的結(jié)果就是，兩設(shè)備A,B的真實(shí)距離為1m，結(jié)果測試得到的距離為2.5m。

4.2.4.2 Tdelay必須要事先雙方約定好。不能有絲毫的差異，這對(duì)于設(shè)備B來說有些苛刻，因?yàn)橛袝r(shí)候設(shè)備B可能在Tdelay時(shí)間內(nèi)無法將數(shù)據(jù)從芯片取出分析然后將要返回的RESPONSE數(shù)據(jù)包送入芯片內(nèi)，并讓芯片在T3時(shí)刻發(fā)送出去。出現(xiàn)這樣的情況將會(huì)導(dǎo)致測試失敗。

4.2.5 TW_TOF測距方式?；谏鲜鯰OF的缺陷，引入了TW_TOF這種測距方式，用于消除TOF的不良影響。

4.3 礦井輔助運(yùn)輸裝備監(jiān)測中應(yīng)用

超寬帶定位系統(tǒng)精度測試應(yīng)用4個(gè)基站加一個(gè)標(biāo)簽方式，都應(yīng)用DWM1000定位模塊，標(biāo)簽借助USB連接ROS智能小車，設(shè)置基站是TWR算法的主動(dòng)發(fā)射端，小車標(biāo)簽成為被動(dòng)接收端。基站A主要借助USB連接上位機(jī)，如筆記本電腦，測試環(huán)境為6×6（m）矩形環(huán)境，坐標(biāo)系主要是人為定義坐標(biāo)系，基于超寬帶定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送，遵守相關(guān)協(xié)議，數(shù)據(jù)應(yīng)用16進(jìn)制方式傳送，上位機(jī)接收到串口數(shù)據(jù)之后需要針對(duì)原始數(shù)據(jù)實(shí)行進(jìn)制轉(zhuǎn)換，如表1所示經(jīng)過格式轉(zhuǎn)變后測試數(shù)據(jù)表。根據(jù)測試數(shù)據(jù)分析，在無干擾環(huán)境下，超寬帶定位系統(tǒng)的測距平均誤差、定位平均誤差都在10cm之內(nèi)，和傳統(tǒng)定位系統(tǒng)相比有效提高定位精度，更加符合井下輔助運(yùn)輸裝備的高精度定位需求。

表1 測試數(shù)據(jù)表

5 結(jié)束語

超寬帶無線通信技術(shù)在整個(gè)礦井下發(fā)揮至關(guān)重要的作用。本文主要針對(duì)其在礦井下通信、救援通信監(jiān)測系統(tǒng)、人員定位、輔助運(yùn)輸裝備監(jiān)測中應(yīng)用進(jìn)行分析，提高礦井下生產(chǎn)安全和質(zhì)效。