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1、 收稿日期:2006212204;修回日期:2007202204 基金项目:黑龙江省自然科学基金资助项目(CF2005205)作者简介:郝维来(19712),男,黑龙江哈尔滨人,副教授,博士研究生,主要研究方向为超宽带无线理论与技术(hwl1971 );杨公训(19472),男,北京人,教授,博导,主要研究方向为控制理论与控制工程.基于UWB无线通信技术在矿井中的应用研究3郝维来1,2,杨公训1(1.中国矿业大学 机电信息学院,北京100083;2.黑龙江科技学院 计算机与信息工程系,哈尔滨150027)摘 要:介绍了我国煤炭开采中数据通信的现状和UWB的发展,阐明了脉冲产生方法及工作原理。详
2、细分析了UWB抗多径、低功耗、强穿透力和高集成化等特点。结合煤矿井下的实际情况,提出了超宽带是一种适合煤矿井下且具有很大发展前景的无线通信技术。关键词:超宽带;脉冲;多径中图分类号:TN925.93 文献标志码:A 文章编号:100123695(2008)0220600203Application of wireless communication technologybased on UWB in coalmine undergroundHAO Wei2lai1,2,YANG Gong2xun1(1.School of M echanical Electronic&Infor mation
3、Engineering,University ofM ining&Technology,Beijing100083,China;2.Dept.of Com2puter&Infor mation Engineering,Heilongjiang Institute of Science&Technology,Harbin150027,China)Abstract:The data communication actuality and the developmentof ultrawideband(UWB)in Chinese coalmine exploitationwere introduc
4、ed,and the producing UWB pulse method was expatiated.The UWB characteristics of the multi2path resister,low power,strong penetrating power and highly integration were analyzed detaily.Based on the real condition of the coalmineunderground,the UWB was advanced that it is a betterwireless communicatio
5、n way adopted in the coalmine underground andhas a extensively development future.Key words:UWB;pulse;multi2path煤炭是一种重要的能源,在我国能源结构中约占70%,但其开采困难且危险系数高,因此重大事故频频发生。解决安全生产及灾后救援是人们需要研究的主要课题。目前,为避免事故发生采用的方法是在井下安置各种高可靠性的监控系统。监控系统中的一项重要指标是数据的可靠传输。监控系统数据通信主要有有线和无线两种,目前我国煤矿井下通信基本上是用有线装置,依靠电缆传输信息。由于井下采煤作业的实际环境
6、所限,地面潮湿、电缆腐蚀严重、平时信号不好,一旦发生事故通信马上中断。国内外现正在研究井下无线通信并付诸实施。其中,矿井监控系统的无线通信主要形式有动力线载波通信、漏泄无线通信、中频无线通信和感应通信等。但上述几种井下移动通信系统存在的问题较多、抗干扰性能不好、背景噪声大、对使用环境的适应性很差。超宽带具有抗多径、低功耗、强穿透力等特点,更适合煤矿矿井特殊条件下的通信。的发展及主要特点UWB是有意辐射源辐射频谱的10 dB带宽,其上边界定义为fH,下边界定义为fL,大于等于500 MHz或分数带宽2(fH-fL)/(fH+fL)大于等于0.2的有意辐射源1。这是目前学术界和企业界均较为认可的定
7、义。1 的发展背景过去UWB无线技术一直被应用于军事雷达,在商业通信中的应用研究则刚刚开始。美国联邦通信委员会(FCC)于2002年4月通过了一项认可:UWB可以用于民用的最终决定,作为室内通信用途。FCC已将3.110.6 GHz频段向商业UWB通信开放。IEEE802委员会已将UWB作为无线个域网(WPAN)的基础技术来研究讨论。实际上,UWB除了在高速数据WPAN中的应用之外,还在无线以太网接口、智能无线局域网、室外对等网、近距离精确定位、雷达跟踪、传感、识别等领域有着广泛的应用前景。UWB技术解决了困扰人们多年的有关传输方面的重大难题,开发了一个具有千兆赫兹和高空间容量的新型无线信道,
8、尤其适用于室内等密集多径场合。1 脉冲信号UWB是通过发送瞬间尖波形电波,即脉冲电波来进行通信。这些脉冲的宽度控制在1 nm以下,在很短的时间内将代表数据的脉冲发射出去,这样就可以实现高达数百兆的传输速率。产生脉冲源的方法有两种:a)光电方法。基本原理是利用光导开关导通瞬间的陡峭上升沿获得脉冲信号。由激光脉冲信号激发得到的脉冲宽度可达到皮秒(10-12)量级,是最有发展前景的一种方法。b)电子方法。基本原理是对半导体PN结反向加电,使其达到雪崩状态,并在导通的瞬间,取陡峭的上升沿作为脉冲信号。整形后获得极短脉冲是目前应用最广泛的方案,但受晶体管耐压特性的限制,这种方法一般只能产生几十到上百伏的
9、脉冲,脉冲宽度可以达到1 ns以下。UWB脉冲有多种,其中较为典型的是高斯单周期脉冲,其第25卷第2期2008年2月 计 算 机 应 用 研 究Application Research of ComputersVol.25 No.2Feb.2008时域、频域公式表示为v(t)=6Ae/(3)(t/)exp-6(t/)2(1)v(f)=-j(2f2/3)e/2exp(/6f22)(2)其中:A为脉冲幅度;为时间延迟长度;t为时间;f为频率。由公式可知中心频率f0=1/;半功率带宽W b=f0116%。这样可得到脉冲宽度为0.5 ns的单周期脉冲。其中心频率为2GHz,半功率带宽约为2 GHz。U
10、WB的主要信号形式可分为传统的基带窄脉冲形式和调制载波形式。后者是2002年FCC规定了UWB通信的频谱使用范围和功率限制后产生的,也是目前UWB高速无线通信采用较多的一种,而采用基带窄脉冲的UWB技术则多用于探测、透视、成像,以及低速、低功耗、低成本通信等领域。1 主要指标频率范围:3.110.6 GHz;系统功耗:14 mW;脉冲宽度:0.21.5 ns,重复周期:25 ns1 ms;发射功率:-41.3 dBm/MHz;数据速率:几十 几百Mbps;分解多路径时延:1 ns;多径衰落:5 dB;系统容量:大大高于3G系统;空间容量:1 000 kB/m21 信号的特点1)高分辨率、抗多径
11、 UWB脉冲信号由于其极高的频率和极低的占空比而具有很高的分辨率,不同路径的分辨率可降到ns量级,对信道多径衰落不敏感,特别适合使用在室内等多径密集的场合,具有优良的抗多径性能。UWB的定位十分精确,能探测隐蔽目标,精度小于几厘米。2)抗干扰性能强 UWB采用跳时扩频信号,系统具有较大的处理增益,在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中,输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。接收时将信号能量还原出来,在解扩过程中产生扩频增益。与IEEE80211a、IEEE 80211b和蓝牙相比,在同等码速条件下,UWB具有更强的抗干扰性。3)传输速率高 UWB的数据速率可以达到几十 几百Mbps,有
12、望高于蓝牙100倍,也可以高于IEEE 80211a和IEEE80211b2,3。4)带宽极宽 UWB使用的带宽在1 GHz以上,高达几个GHz。超宽带系统容量大,并且可以与目前的窄带通信系统同时工作而互不干扰。这在频率资源日益紧张的今天,开辟了一种新的时域无线电资源。5)消耗电能小 通常情况下,无线通信系统在通信时需要连续发射载波,因此要消耗一定电能。UWB不使用载波,只是发出瞬间脉冲电波,也就是直接按0和1发送出去,并且在需要时才发送脉冲电波,所以消耗电能小。6)保密性好 UWB保密性表现在两方面:一方面是采用跳时扩频,接收机只有已知发送端扩频码时才能解出发射数据;另一方面是系统的发射功率
13、谱密度极低,用传统的接收机无法接收。7)发送功率非常小 UWB系统发射功率非常小,通信设备可以用小于1 mW的发射功率就能实现通信。低发射功率大大延长了系统电源工作时间。况且,发射功率小,其电磁波辐射对人体的影响也会很小。在煤矿井下中的应用1 收发机结构如图1所示,收发机结构分为基带部分和射频部分,因为没有复杂的射频、中频变换,UWB收发机模拟信号处理可以简化。发送数据时,发送的信号由数字信号处理器完成复杂的编码、交织处理,数字信号通过D/A转换后脉冲成形、放大,然后发射。接收的脉冲信号通过天线匹配、滤波、放大后直接作A/D转换,将复杂的解调、匹配滤波、分集接收、信道估计、均衡等基带处理交给数
14、字信号处理器处理。整个系统通过几个芯片就能完成。当然,UWB系统的设计也面临一些挑战,如UWB系统所用的超宽带天线、超窄脉冲的生成、低能量窄脉冲的检测、A/D和D/A变换的精度及速度、脉冲接收精确定时等,都需进一步研究。1 在矿井中应用的优势分析矿井巷道是属于密集多径场所,井下含有可燃易爆气体等,这要求在设计井下通信系统时必须考虑。结合UWB的特点,对其在矿井中应用的主要优势有如下几点:a)抗多径性能,适于信号在井下巷道中传播。多径衰落是无线通信的一大障碍,传统的无线技术容易受到建筑物内部和周围多径的干扰,使得无线传输特性变差,难以对有多径干扰的位置进行精确跟踪,在建筑物拥挤的环境中很难分辨目
15、标。UWB信号由于其极高的频率和极低的占空比而具有很高的分辨率,不同路径的分辨率可降到ns量级,对信道多径衰落不敏感。实验表明对常规无线信号多径衰落深达1030 dB的多径环境,对UWB信号的衰落不超过5 dB4,具有优良的抗多径性能。煤矿井下巷道属于密集多径场合,因此UWB无线通信较其他线无线通信更适合于此。b)系统低功耗,有利于本质安全设计。煤矿井下巷道中含有瓦斯,属于易燃易爆气体,所以要求井下使用电气必须是本质安全型。现有电台耗电一般为几百mW 几十W,功率较大,不利于安全生产。UWB系统不使用载波,且信号占空比很低(低达0.5%),在高速通信时系统的耗电量仅为几百 W几十mW,消耗电量
16、仅为现有电台的1/101/100。UWB的低功耗不但有利于系统长时间工作,更易于实现适合煤矿井下的本质安全设计。c)强穿透力,可用于灾后救援。采用基带窄脉冲形式的UWB信号,与利用正弦载波携带信息的一般无线通信信号在空中的衰减特性不同。天线发射的正弦电磁波是一种球面波,在自由空间中的衰减与距离的平方成反比,在室内多径信道条106第2期郝维来,等:基于UWB无线通信技术在矿井中的应用研究件下,衰减与距离的34次方成反比5。而具有适当波形的UWB瞬态脉冲具有较强的定向性,其衰减与距离成反比或更小。因此,在相同功率下,采用基带窄脉冲形式的UWB信号可比一般的调制载波信号传输更远的距离。另外,基带窄脉
17、冲中含有较多的低频分量,所以在煤矿井下巷道传播时可顺利地穿过墙壁等一般的障碍物,为UWB技术在井下出现塌方等灾后救援提供了便利。d)加大发射功率,可增加传播距离。UWB技术在地面应用时,因发射功率受到FCC的限制,最大传输距离约10 m。但将UWB技术应用在井下时,可以不受FCC的限制,这样通过提高发射功率或降低传输速率可以增大传输距离。图2是针对无载波2PAM UWB通信系统(误码率Pe=10.6),采用一阶高斯波形(取脉冲宽度为0.33 ns)作为系统的发射信息载体,改变发射功率,得到的数据速率与传输距离之间的仿真曲线。可以看到,发射功率提高后,传输距离得到增加,当发射功率由0.3增加到3
18、.8 mW时,在20 Mbps下,传输距离可以由32增加到110 m。根据UWB技术的这一特点,将它应用于煤矿井下,由于井下传输数据量不大,可以降低传输速率以实现远距离多种场合的无线接入服务。e)维修简单、成本低廉,有利于推广普及。使用UWB技术的发射机和接收机在制造、运行和维护方面相对其他系统而言比较简单。UWB产品不再需要复杂的射频转换电路和调制电路。它只需要一种数字方式来产生脉冲,并对脉冲进行数字调制,而这些电路均可以被集成到一个芯片上。一个IEEE802.11a网络接入卡(N I C)售价大概是150200美元,这样的价格很难被个人客户所接受。低成本的系统开发更容易在中小煤矿普及。结束
19、语2001年9月初发布的国家“十五”“863”计划通信技术主题研究项目中,将超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容技术作为无线通信共性技术与创新技术的研究内容,但是国内目前关于UWB技术的深入研究仅限于雷达方面,关于UWB通信系统的研究还没有形成规模。如何将UWB技术的突出优点与各行业结合起来,发挥其巨大技术和市场潜力,是摆在我国研究者面前的一个重要课题。本文通过介绍我国煤炭开采中数据通信的现状,论述了UWB发展、脉冲产生方法及工作原理等,并对其抗多径、低功耗、强穿透力和高集成化特点进行了分析,提出了UWB是一种适合煤矿井下无线通信、具有很大发展前景的技术。随着UWB技术的不断成熟,该项技术在井
20、下的应用将彻底改变井下无线通信的现状。参考文献:1BACCARELL IE,B I AGIM.A novel self2pilot2based transmit2receivearchitecture formultipath2impairedUWB systemJ.IEEE Trans onCommunications,2004,52(6):8912895.2SCHOLTZ R A.Multiple access with time2hopping impulse modula2tionC/Proc ofM I LCOM.1993:11214.3 W I N M Z,SCHOLTZ R A.
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