矿井巷道时频编码协作MC-CDMA伙伴选择与子载波分配

针对矿井巷道的带状结构特点,提出一种基于基站瞬时接收信噪比和用户位置的矿井巷道时频编码协作MC-CDMA无线传输协作伙伴选择策略,由基站为信道状况较差的用户选择协作伙伴。由于相邻子载波信道的相关性较大,为扩频支路分配相邻的子载波,可能会导致矿井MCCDMA一些扩频支路传输质量偏低,影响无线传输的性能。为此,提出了一种为矿井MC-CDMA每个扩频支路按固定间隔分配离散子载波的次优子载波轮转分配算法。在次优分配方案中,不考虑各子载波瞬时信道增益,可简化按用户各子载波瞬时信道状况分配子载波的最优子载波分配算法。仿真结果表明,采用所提出的协作伙伴选择策略以及子载波分配算法显著提高了矿井巷道时频编码协作MC-CDMA无线传输用户的信道容量和误码率性能,增强了矿井巷道时频编码协作MC-CDMA无线传输系统信道容量的鲁棒性和通信的可靠性。     

矿井巷道时频编码协作MC-CDMA自适应功率分配

矿井巷道时频编码协作MC-CDMA无线传输当目标用户与协作伙伴的发送功率之和为定值时,因目标用户、协作伙伴与基站间的信道增益会随用户位置变化而变化,在目标用户和协作伙伴间采用等功率分配方案会造成功率资源的浪费。为充分利用有限的功率,保证目标用户的无线通信性能,在目标用户、协作伙伴和基站处设置接收信噪比门限,目标用户功率对总功率的功率分配比例ρ需满足目标用户、协作伙伴和基站接收的信噪比高于该接收信噪比门限。推导出了矿井巷道时频编码协作MC-CDMA功率分配比例范围,并取分配比例范围的中间值作为目标用户与协作伙伴之间的功率分配比例。推导结果显示,功率分配比例随总功率和平均信道增益变化而变化,从而在用户位置改变或总功率变化时能动态地为目标用户和协作伙伴分配功率,实现了功率的自适应分配。仿真结果表明,与等功率分配方案相比,无论是目标用户位置变化还是总功率变化,采用所提出的自适应功率分配方案显著地减小了矿井巷道时频编码协作MC-CDMA目标用户误比特率性能。     

矿井巷道时频编码协作MC-CDMA信道估计

对于矿井巷道时频编码协作MC-CDMA上行传输,为使基站能准确恢复各用户发送的信息,需要获得基站与各用户之间准确的信道信息。为此,提出了一种基于DFT的矿井巷道时频编码协作MC-CDMA上行多用户信道估计算法,对用户每个MC-CDMA子载波对应的信道增益进行估计。算法通过为每个用户分配同一频域导频序列的不同时延副本作为导频信号,实现了区分不同用户时域冲激响应的目的。进而通过DFT运算,得到了各子载波上每个用户对应的信道增益。所提出的算法在充分利用有限导频资源的同时,还能避免复杂的矩阵运算。此外,还通过为每个用户的时域冲激响应选取有效径,忽略那些包含噪声成分大于信道响应成分的无效径,优化了所提出的信道估计算法,实现了提高信道估计准确性的目的。仿真结果表明,采用所提出的基于DFT的矿井巷道时频编码协作MC-CDMA上行信道估计算法,系统的误码率性能明显优于采用LS信道估计算法的误码率性能,接近采用ML信道估计算法的误码率性能。     

典型频域扩频多载波CDMA调制在矿井巷道信道下的性能分析

基于所建立的Nakagami分布矿井巷道宽带统计分段信道模型,仿真分析了典型频域扩频多载波码分多址接入（MC-CDMA）调制技术在矿井巷道中的宽带无线通信性能。依据在空直巷道和弯曲巷道中无线信号传输的均方根时延扩展情况,设计了MC-CDMA系统参数所需要满足的约束条件以使各子载波信号经历非频率选择性衰落。仿真研究了在矿井空直巷道和弯曲巷道条件下,载波频率为18 GHz和24 GHz的矿井典型MC-CDMA调制在脉冲干扰和多普勒频移下的误码率性能。仿真结果表明：在矿井空直巷道下即使存在脉冲干扰或多普勒频移,当信噪比超过一个较小的值,矿井典型MC-CDMA系统仍有较好的误码率性能;在矿井弯曲巷道下无论是否存在多普勒频移或脉冲干扰,要保持矿井典型MC-CDMA系统有可接受的误码率性能,信噪比需要保持一个较大的值。     

矿井巷道无线信道特征分析与调制技术研究

为了建立安全高效的井下无线通信系统,通过试验分析井下巷道特征,根据信道脉冲响应幅度和相位以及多径分量和传输距离的关系测量结果,建立矿井信道统计模型。基于该模型,笔者研究了在2.4 GHz频段下,直接序列扩频码分多址接入(DS-CDMA)、多载波直接序列扩频码分多址接入(MC-DS-CDMA)和正交频分复用(OFDM)调制技术在矿井巷道中的参数选取,仿真对比各种调制技术对矿井巷道无线通信系统性能影响。试验分析和仿真结果表明,发送天线和接收天线的相对位置以及传播时延,对信道模型的准确创建提供了参考依据;采用OFDM技术能够在一定数据速率的基础上尽可能增加通信距离。     

矿井巷道综合衰减模型与无线传输误码率性能综合比较

根据矿井巷道环境中大尺度衰减与小尺度衰减对无线信号传输的影响,提出了矿井巷道综合衰减模型。在矿井巷道环境下,通过将无线信号衰减的理论分析结果与基于模型的测试数据进行比较,验证了该模型的准确性。基于该模型,采用距离度量的方法比较研究了多载波码分多址（MC-CDMA）、正交频分复用（OFDM）等无线传输技术在巷道环境中的误码率性能。仿真结果表明：以MC-CDMA为代表的扩频调制传输技术在近距离通信时的误码率性能较好,而OFDM则在远距离通信中表现出较强的抗衰减特性。     

多模式矿井移动应急通信系统设计及性能分析

针对多径衰落深度较大的矿井巷道,传统集中式矿井移动通信系统信道容量小、多径干扰和传输损耗严重,难以满足矿井移动应急救援通信和移动监控的需要,提出了多模式矿井移动通信系统,通过SISO模式、MIMO模式和混合模式的多模式选择性耦合或动态切换,实现矿井移动通信系统的抗干扰能力和应急通信能力。基于矿井巷道多径衰落和时变信道环境,建立了多模式矿井移动通信系统模型,应用分布式MIMO天线的空间分集理论,设计了系统的主要电路,给出了多模式系统的信号传输和天线选择方法。仿真结果表明,多模式系统比传统集中式系统具有更好的信道容量,多模式系统的天线端口数量对系统信道容量起决定性作用;多模式系统提高了井下多径衰落环境网络的成功切换概率和系统抗干扰能力,明显改善了矿井移动应急通信系统的可靠性和效率。     

基于DSP&FPGA的矿井多天线无线通信系统

分析了煤矿井下无线通信复杂的通信环境,以及多径衰落对矿井无线通信系统的影响,介绍了多天线技术的特点和空时编码的原理,建立了基于DSP&FPGA的矿井多天线无线通信系统。通过仿真可以看出,设计的多天线系统可以有效的降低误码率,提高矿井无线通信系统的可靠性。     

蓝牙技术在矿井无线通信中的应用

分析了煤矿井下巷道中无线电的传输特性,探讨了蓝牙技术及其用于矿井无线通信中的可行性,并根据蓝牙技术的特点,提出了这一技术在矿井瓦斯检测系统和采煤机遥控器中的可能应用场合,方案容易实现,可靠性高。     

DS-CDMA调制技术在矿井巷道中的通信性能分析

提出适合于矿井巷道信道特点的高效无线调制技术,根据沿矿井巷道宽带无线电波传播时延及所建立的基于Nakagami分布的矿井巷道宽带统计分段信道模型,研究了在1.8 GHz和2.4 GHz这2个典型UHF频段下直接序列扩频码分多址接入(DS-CDMA)调制技术在矿井巷道中的宽带无线通信性能.矿井DS-CDMA通信系统可有效地利用多径信号提高系统的性能.如在相同的矿井巷道环境下,2.4 GHz的系统可分离的信号多径数多,使其误码率性能优于1.8 GHz的系统.多普勒频移和脉冲干扰对矿井DS-CDMA通信系统误码率性能有很大影响.当多普勒频移和脉冲干扰很大时,系统的误码率性能下降严重,2.4 GHz系统的误码率性能可能劣于1.8 GHz系统.     

基于单片机技术的煤矿安全监测无线通讯节点设计

在煤矿安全监测系统中,简单、稳定的通讯传输网络是一个重要的组成部分。基于实际需要,结合现场情况,利用无线通讯节点能够通过自组织的方式构成无线传输网络、进行自我组织通信信道的特点,采用单片机技术设计实现无线通讯网络对井下移动设备的监控数据信息进行无线中继传输。经实际验证表明,该通讯节点的应用效果良好,达到了设计要求。     

数字矿山多媒体无线通信网络

数字矿山建设的核心是建设矿山综合通信网络,实现高效、安全的井下采掘以及智能化、信息化的企业管理。矿山企业的生产工艺具有时间离散和空间分散的特点。矿山井下通信的难点在于如何实施高速、双向、大容量的移动通信。提出了基于数字矿山多媒体无线通信基站的数字矿山全矿综合无线通信网络的解决方案,构建了集移动语音通信、视频监视、设备监控、环境监测和人员定位的“多网合一”通信网络系统,介绍了全矿综合无线通信网络的结构,并给出数字矿山多媒体无线通信基站的架构设计。     

矿井井筒中电磁波传播特性研究与无线通信试验

为获得矿山井筒环境中的无线信道特性,在矿山井筒中开展了2.4 GHz典型电磁波频段在定向天线点对点通信形式下的窄带与宽带测量试验,呈现了路径损耗、时延扩展等关键信道参数及其分布规律并与地下巷道信道进行了对比讨论。结果表明:路径损耗系数小于自由空间,表现出波导效应;RMS时延扩展符合对数正态分布,其均值小于巷道中的测量结果;随罐笼深度的增加,RMS时延扩展先增加后减小;90%相干度带宽在绝大多数情况下小于12 MHz,可传输视频、语音、数据;综合来看井筒环境中信道条件良好。在信道认知的基础上设计了基于WLAN的罐笼无线视频监控系统,该系统在现场运行一年多效果良好。这些研究对井筒通信与监测系统设计提供了重要依据和参考。     

矿山动态协同作业场景无线通信关键技术

随着智能化装备和工业机器人技术的发展,矿山开采过程逐渐趋向无人/少人化,亟需解决数据的高效连续传输问题,如矿山动态协同作业场景下大量的数据采集和传输、多样的用户设备接入以及低时延的控制操作等。深入剖析了矿山动态协同作业场景的通信技术需求、矿山无线通信技术的应用现状与发展趋势,分析了当前矿山无线通信的关键技术瓶颈、相关解决方案及其应用效果。得出分布式多源、多目标动态业务的激增及其并发式的传输是矿山高可靠、低时延多业务交互协同网络所面临的最大问题。如何利用矿山用户、设备群体的协同作业特点和对应的动态业务属性,有针对性地对通信网络的物理信道、物理资源进行管理和分配,则是从根本上有效优化网络可靠性,提高传输效率的关键。为此,提出了多业务属性驱动的矿山动态协同作业场景无线通信模式:在提取矿山非高斯脉冲干扰特征及无线信道空-时-频域统计特性的基础上,面向作业场景深入挖掘业务特性与物理层传输的内在关联,利用超图匹配、图论、博弈论、非正交多址接入等方法,从信道-链路-业务快速多维匹配的角度解决多用户协同交互传输通信链路和信道的匹配、多跳用户链路匹配、多业务QoS要求与链路匹配等快速匹配问题。     

漏泄电缆在井下移动通信中应用的研究

阐述了井下无线电波传播特性,指出井下无线通信受阻的根本原因在于存在各种衰落。根据漏泄电缆通信理论,将漏泄电缆技术应用到井下移动通信中,设计一个可用于井下通信的抗衰落能力强的移动通信系统———漏泄电缆移动通信系统。漏泄电缆技术的应用,将可实现井下无线数据、图像及话音的高质量传输,为矿山的安全生产提供强有力保障。     

2.4 GHz无线传感器节点井下传输性能试验

基于ZigBee协议的无线传感器网络具有易部署、可移动、低功耗等优势,如将其部署在井下,结合现有的井下有线传输系统,可提高矿井监测网络的灵活性.为获得2.4 GHz无线传感器节点在井下的传输特性,在井下工作面完成了实地试验,并对试验结果进行分析.结果表明,2.4GHz的无线传感器节点在井下工作面的有效传输距离可满足ZigBee协议的要求.