Chirp超寬帶無線通信技術(shù)在礦井下的應(yīng)用研究

摘 要： 針對目前礦井下無線通信狀況，提出了把Chirp-超寬帶無線通信技術(shù)應(yīng)用到礦井下的設(shè)想。介紹了線性調(diào)頻超寬帶無線通信技術(shù)及其數(shù)字特性，得出相同的信噪比下Chirp-BOK UWB比2-PPM UWB有較小的誤碼率的結(jié)論，探討了線性調(diào)頻超寬帶無線技術(shù)用于礦井下通信的可行性，并指出超寬帶信號在礦井巷道中的傳播特性研究對于設(shè)計(jì)礦井下UWB無線通信系統(tǒng)的重要性。
關(guān)鍵詞： Chirp超寬帶; 無線通信技術(shù); 調(diào)頻脈沖

超寬帶(UWB)通信系統(tǒng)主要是指利用脈沖作為信息載體而實(shí)現(xiàn)的通信方式。與傳統(tǒng)的基于載波的通信系統(tǒng)相比，超寬帶系統(tǒng)把信息承載在低占空比的基帶脈沖中，系統(tǒng)中不再有傳統(tǒng)意義上的載波。隨著現(xiàn)代模擬信號處理技術(shù)聲表面波(Surface Acoustic Wave)器件的發(fā)展，已經(jīng)可以利用低成本、低功耗的聲表面波濾波器產(chǎn)生并檢測中心頻率為5.6 GHz、部分帶寬達(dá)到50%的線性調(diào)頻脈沖(Chirp)信號，能夠滿足FCC（即美國聯(lián)邦通信委員會(huì)）對UWB工作頻段和帶寬的要求。同時(shí)，信號經(jīng)過匹配濾波器后，信號寬度壓縮，多徑效應(yīng)也被削減[1]，因此，Chirp信號可以作為一種全新的UWB信號，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信，同時(shí)又可以滿足精確定位的要求。此外基于CSS（Chirp Spread Spectrum）已作為IEEE802.15.TG4a低速UWB通信的一個(gè)候選物理層標(biāo)準(zhǔn)，可以用于遠(yuǎn)距離低速通信。
現(xiàn)有的煤礦井下移動(dòng)通信系統(tǒng)存在著設(shè)備制造成本高、抗干擾能力差、攜帶不方便、使用范圍局限性較大等問題。人們?yōu)榱烁纳频V井下通信落后的現(xiàn)象一直在不斷地探索和研究，以求能夠?qū)⒌孛嫔舷冗M(jìn)的通信技術(shù)用于煤礦井下。由于礦井下自然條件比較復(fù)雜，電波在巷道中傳播有嚴(yán)重的多徑衰落，而且整機(jī)功耗受到易燃易爆環(huán)境的制約，從而使得礦井下無線移動(dòng)通信的研究與應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于地面移動(dòng)通信[2]。多年來人們一直在尋找一種低功耗和抗多徑能力強(qiáng)的傳輸方法。根據(jù)Chirp-UWB信號的特點(diǎn)，同時(shí)可滿足高速和低速通信的要求，該技術(shù)能為解決礦井下無線通信提供一種很好的選擇，有可能為礦井提供成本價(jià)格較低、易于維護(hù)、數(shù)據(jù)以及視頻無線接入等生產(chǎn)和安全監(jiān)測所需要的移動(dòng)通信系統(tǒng)，構(gòu)成礦井下綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)的無線接入系統(tǒng)[3]。
1 Chirp信號數(shù)字特性
Chirp信號的表達(dá)式為:

此式可看作是Chirp信號的相關(guān)過程， 所以可以把Up-Chirp信號和DOWN-Chirp信號互相作為其匹配濾波器的沖擊響應(yīng)，進(jìn)行相干匹配濾波。
2 Chirp信號與傳統(tǒng)高斯脈沖信號的比較
圖1是Chirp信號與高斯信號時(shí)域的比較，圖2是Chirp信號與高斯信號頻域的比較，在仿真中，選取的帶寬為6 GHz?？煽吹剑珻hirp信號有較低的脈沖幅度，而且有較低的功率譜密度，但相關(guān)器的輸出信號有相同的波峰值。

當(dāng)利用傳統(tǒng)的高斯脈沖UWB去探測和通信時(shí)，接收到的信號含有周圍噪聲,并且會(huì)有嚴(yán)重的多徑干擾。為了解決這個(gè)問題，本文利用Chirp信號作為UWB通信的脈沖形式。Chirp信號有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)產(chǎn)生UWB信號電路簡單，并且滿足FCC制定的室內(nèi)UWB設(shè)備輻射掩蔽;
(2)由于它滿足正弦函數(shù)特性，所以易于實(shí)現(xiàn)多子帶系統(tǒng);
(3)在非常寬的頻率范圍內(nèi)，可以不用考慮信號的群延遲特性;

圖4是AWGN信道下[5]、10 m范圍內(nèi)、傳輸6 000個(gè)數(shù)據(jù)比特時(shí)的系統(tǒng)誤碼率和信噪比關(guān)系曲線圖。從圖中可看出,在相同的信噪比下，Chirp-BOK UWB的誤碼率比2-PPM UWB小。另外，Chirp-BOK UWB系統(tǒng)應(yīng)用的是低成本、低功耗的聲表面波器件，系統(tǒng)更簡單，易實(shí)現(xiàn)。
3 礦井下移動(dòng)通信現(xiàn)狀
礦井下移動(dòng)通信是礦井調(diào)度員、電機(jī)車司機(jī)及其他工作人員之間進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)的主要手段，在礦井安全、高效生產(chǎn)、搶險(xiǎn)救災(zāi)方面發(fā)揮著十分重要的作用。井下移動(dòng)通信的理想模式是無線移動(dòng)通信系統(tǒng)，希望做到在礦井下作業(yè)的任何人員，在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)，都能與他們的通信對象保持及時(shí)有效的聯(lián)系。但是由于井下環(huán)境的特殊性，無線電波在巷道中的傳播遇到很大困難，井下移動(dòng)通信只能借助于有線才能實(shí)現(xiàn)，例如漏泄通信、中頻感應(yīng)通信等?，F(xiàn)有的煤礦井下移動(dòng)通信系統(tǒng)存在著設(shè)備制造成本高、抗干擾能力差、攜帶不方便、使用范圍的局限性大等問題。一直以來，人們在為改善礦井下通信的落后現(xiàn)象不斷地探索和研究，尋求把地面上先進(jìn)的通信技術(shù)用于煤礦井下的方法。
4 Chirp-UWB信號應(yīng)用于煤礦井下通信
由于Up-Chirp信號和DOWN-Chirp信號具有良好的自相關(guān)性以及匹配濾波后尖銳的時(shí)域特性,所以基于Chirp信號的UWB通信在WLAN中的應(yīng)用已得到廣泛的研究。目前，基于CSS（Chirp Spread Spectrum）已作為IEEE802.15.TG4a低速UWB通信的一個(gè)候選物理層標(biāo)準(zhǔn)，可以用于遠(yuǎn)距離低速通信。同時(shí)，通過增加Chirp信號帶寬B和減小時(shí)間寬度T，Chirp信號同樣可應(yīng)用于高速的超寬帶通信系統(tǒng)。隨著UWB技術(shù)的發(fā)展，在Chirp信號UWB通信系統(tǒng)中，當(dāng)傳輸速率為110 Mb/s時(shí)，在室內(nèi)衰落信道中的設(shè)計(jì)距離可達(dá)20 m左右，隨著速率的降低，距離可以進(jìn)一步提高到150 m或更高。把它應(yīng)用于礦井下時(shí),可實(shí)現(xiàn)多種場合的無線接入服務(wù)[6],下面是其中主要的兩種無線接入服務(wù)。
(1)短距離高速通信
礦井下短距離高速數(shù)據(jù)的傳輸主要用于井下視頻監(jiān)測信號、機(jī)械設(shè)備振動(dòng)故障監(jiān)測、地音信號、煤和瓦斯突出時(shí)的電磁輻射信號等信息的無線接入。這些信號所需要的采樣頻率較高,而且主要是對移動(dòng)設(shè)備或移動(dòng)地點(diǎn)的監(jiān)測。如井下煤層或巖層的離層視頻監(jiān)測,需把移動(dòng)或相對固定的視頻監(jiān)測信息經(jīng)無線接入設(shè)備,進(jìn)入井下綜合傳輸網(wǎng)絡(luò),其接入的范圍可以在幾米到幾十米之內(nèi)。如果采用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低的無載波的UWB系統(tǒng),在相同功率和距離的條件下,傳輸速率比其他無線系統(tǒng)要高得多。如藍(lán)牙發(fā)射機(jī)在平均發(fā)射功率為1 mW、速率為1 Mb/s、工作距離為10 m時(shí),用在高速數(shù)據(jù)傳輸中(如數(shù)字化視頻信號)是比較勉強(qiáng)的。而3 dB帶寬為5.53 GHz、發(fā)射功率為0.55 mW的UWB發(fā)射機(jī),能提供近200 Mb/s的數(shù)據(jù)速率和相同的覆蓋范圍,而如此小的發(fā)射功率對井下環(huán)境的移動(dòng)通信裝置來說,可以大大延長電池的工作時(shí)間。
(2)遠(yuǎn)距離低速通信
礦井下遠(yuǎn)距離低速數(shù)據(jù)無線傳輸一般是指100 m以上的無線接入,通常用于井下移動(dòng)電話、臨時(shí)地點(diǎn)或設(shè)備工況監(jiān)測和環(huán)境參數(shù)監(jiān)測等。通過前面的仿真結(jié)果可知,UWB技術(shù)與常規(guī)無線通信一樣,提高發(fā)射功率或降低傳輸速率時(shí),可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的移動(dòng)通信功能。如前所述,在礦井下可以不必考慮提高發(fā)射功率對其他窄帶系統(tǒng)的干擾,且降低傳輸速率仍然可滿足井下一般移動(dòng)通信和數(shù)據(jù)傳輸對速率和距離的要求。但是要注意發(fā)射功率增大時(shí)仍然應(yīng)該保證設(shè)備滿足煤礦井下本質(zhì)安全的要求。例如加拿大礦通公司生產(chǎn)的Flex煤礦井下漏泄通信系統(tǒng)中使用無線調(diào)制解調(diào)器將數(shù)據(jù)接入主傳輸系統(tǒng),數(shù)據(jù)速率為9 600 b/s以下,井下的無線接入距離最大是100 m左右。UBW系統(tǒng)可在相同通信距離下提供幾兆到幾十兆波特率的無線接入速率,其性能明顯優(yōu)于現(xiàn)有系統(tǒng)。
超寬帶無線通信技術(shù)給我們帶來了一種全新的通信理念，把它用于礦井下無線通信更是一種新的探索，根據(jù)超寬帶技術(shù)低功耗、高數(shù)據(jù)率、抗多徑能力強(qiáng)、系統(tǒng)復(fù)雜性低等特點(diǎn)，特別是它既能滿足煤礦高速短距離通信又能滿足低速遠(yuǎn)距離通信的優(yōu)勢，該技術(shù)有望成為礦井巷道無線通信的更好的選擇,相同的信噪比下，Chirp-BOK UWB比2-PPM UWB有較小的誤碼率。但將UWB應(yīng)用于井下并不是技術(shù)的簡單平移，而是要根據(jù)礦井下的特殊環(huán)境研究出適合它的超寬帶無線通信系統(tǒng)，這還有很多問題需要解決。
參考文獻(xiàn)
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